1294

12 В. Ф. ЗИНЧЕНКО

На основе анализа перераспределения напряжений в структурных компонентах органоборопластика, используя данные измерений элек­ тросопротивления и интенсивности АЭ, можно предсказать уменьшение модуля упругости вследствие накопления повреждений композита [16]. Выявленное по характеру АЭ немонотонное изменение накопления по­ вреждений в гибридном композите позволило теоретически рассчитать кинетику накопления повреждений. Предложенный для этого алгоритм реализован в виде программы для ЭВМ, позволяющей получить диа­ граммы деформирования и кривые изменения модуля упругости и сте­ пени" повреждаемости композита.

' В работах Р. Д. Максимова и соавторов показано, что контроль стек­ лопластика очень эффективен при использовании оптического метода. На начальном участке деформирования коэффициент светопропускания несколько возрастает. Начиная с уровня напряжений 0,3—0,4 от проч­ ности R наблюдается интенсивное уменьшение светопропускания и воз­ растание АЭ, обнаруживается существенная нелинейность диаграммы объемного деформирования. В этом диапазоне напряжений чувствитель­ ность к процессу деформирования стеклопластика у коэффициента све­ топропускания значительно выше, чем АЭ и тепловых эффектов. При напряжениях выше 0,7R характеристика светопропускания становится малоинформативной из-за существенных повреждений структуры мате­ риала. Оптический метод контроля можно считать весьма перспектив­ ным, особенно при длительных воздействиях механических нагрузок, и более простым и доступным по сравнению, например, с методом АЭ. Таким образом, из рассмотрения характера изменения ряда физико-ме­ ханических характеристик различных композитов при воздействии на них механических нагрузок можно заключить, что все апробированные методы диагностирования чувствительны к накоплению повреждений и проявляют определенную избирательность к тому или иному их виду.

При исследовании влияния давления прессования на показатели структуры и физико-механических свойств углепластика наблюдалось два вида изменения этих характеристик. С возрастанием давления прес­ сования плотность, модуль упругости при растяжении и характеристика электропроводности монотонно возрастали и в дальнейшем оставались постоянными. Прочность при растяжении, скорость ультразвука и теп­ ловая активность в зависимости от давления прессования имеют макси­ мум. Возможными причинами снижения этих характеристик могут быть частичные повреждения углеродных волокон. Интересно, что модуль упругости, определявшийся на тех же образцах, которые затем были доведены до разрушения для определения ар, не «почувствовал» проис­ шедших при большом давлении прессования изменений структуры угле­ пластика.

Влияние старения и водопоглощения на взаимосвязь между показа­ телями структуры и физико-механических свойств композитов можно по­ казать, сравнивая изменения этих показателей в процессе ускоренного старения [13]. Наиболее чувствительны к изменению прочности стекло­ пластика при изгибе Сти составляющие комплексной диэлектрической про­ ницаемости ёинч в диапазоне ИНЧ, которые при частоте 1 МГц также имеют близкие к линейным зависимости от ст„, но с меньшими измене­ ниями. Коэффициент светопропускания и характеристики затухания кру­

тильных и изгибных колебаний информативны лишь на* начальных ста­ диях процесса старения и в дальнейшем остаются постоянными. Сравни­ тельно мало изменяются скорость ультразвука, динамические модули упругости и сдвига.

Исследование в названной работе водопоглощения тканевым органо­ текстолитом показало, что диэлектрические характеристики в диапазоне ИНЧ продолжают возрастать и после установления равновесия водопо­ глощения, что свидетельствует об их высокой чувствительности к струк­ турным изменениям в органопластике после насыщения его влагой.

Одной из важных задач диагностики качества полиолефинов и ре­ зин, наполненных высокодисперсными компонентами типа метасиликата кальция, мела, металлических порошков, является оценка стабильности их свойства при воздействии различных неблагоприятных факторов в процессе эксплуатации и хранения (солнечной радиации, колебаний тем­ пературы, старения). О стабильности свойств полиолефинов обычно су­ дят по результатам разрушающих механических испытаний, определяя относительное удлинение ер при разрыве и предел прочности ар при рас­ тяжении [17]. Совместное рассмотрение комплекса характеристик — коэффициента диэлектрических потерь, реактивного и активного сопро­ тивлений материала — позволяет получить более полную картину изме­ нения свойств наполненного полиэтилена в процессе термоокислитель­ ного старения и установить характерные его этапы. Так, время начала изменения коэффициента диэлектрических потерь характеризует конец инкубационного периода (400 ч), время начала возрастания реактив­ ного сопротивления соответствует началу интенсивного изменения ер и цвета материала (1000 ч), увеличение активного сопротивления совпа­ дает с началом трещинообразования (1600 ч), после чего следует скач­ кообразное падение ер и ар.

Увеличение относительного содержания наполнителей, модуль упру­ гости которых во много раз превышает модуль упругости матрицы, при­ водит к возрастанию модуля упругости и уменьшению декремента зату­ хания наполненных полиэтиленов низкой и высокой плотности и поли­ пропилена [18]. Частотную зависимость модуля упругости в двойных логарифмических координатах приближенно можно представить в виде прямой. Модуль упругости наполненного полимера с увеличением час­ тоты существенно возрастает — в интервале частот от 180 до 5-106 Гц

в2—10 раз; с увеличением степени наполнения частотная зависимость модуля упругости ослабевает.

Исследование чувствительности физико-механических характеристик к термоокислительному старению высоконаполненной резины на основе каучука показало [19], что за время эксперимента свойства материала изменились следующим образом': модули упругости, определенные по данным статических и динамических резонансных испытаний, возросли

в3—4 раза, коэффициент теплопроводности и логарифмический декре­ мент затухания снизились на 25%, диэлектрическая проницаемость — на 10%, тангенс угла диэлектрических потерь остался без изменений. Близкий характер изменений мгновенного и динамических модулей уп­ ругости позволяет рекомендовать акустический резонансный метод для оценки изменений упругих характеристик наполненных резин в процессе старения. Для этой же цели перспективны измерения механического

14 В. Ф. ЗИНЧЕНКО

импеданса, которые, в отличие от резонансных испытаний, могут прово­ диться непосредственно в изделии, без изготовления специальных образ­ цов определённой формы и размеров.

ных прочих условиях, наиболее тесно коррелировала с комплексом из двух характеристик — тепловой активности и электропроводности (реак­ тивной составляющей вихретокового преобразователя). Электропровод­ ность, тесно связанная с плотностью углепластика, характеризовала вклад степени уплотнения композита в изменение его прочности, а теп­ ловая активность — его общего дефектного состояния (поврежденности).

Вдругом случае [21] для оценки прочности и модуля упругости углепластика предлагается акустический метод диагностики по комплек­ сному параметру, включающему значения скорости ультразвука и час­ тоты основной составляющей спектра импульса, многократно прошед­ шего изделие по толщине в прямом и обратном направлениях. При уве­ личении затухания вклад различных составляющих амплитудного спек­ тра изменяется, высокочастотные составляющие спектра подавляются в большей степени и максимум огибающей спектра смещается в область низких частот. Измерение частоты основной (наибольшей по абсолют­ ной величине) составляющей амплитудного спектра позволяет оценить коэффициент затухания. Если достоверность и надежность определения коэффициента затухания обычно невысоки, то измерить частоту основ­ ной составляющей спектра импульса можно с высокой точностью.

Измерение скорости импульса УЗК низкочастотного диапазона (60—150 кГц) позволяет в большей степени оценить упругие свойства композита, а измерение частоты основной составляющей спектра высо­ кочастотного диапазона (например, 2,5 мГц при толщине изделия 3 мм) позволяет в большей.степени оценить неупругие (пластические) свой­ ства композита. Корреляционный анализ выявил более высокую точ­ ность двухпараметровой связи по сравнению с зависимостью, включаю­ щей только скорость ультразвука.

В[22] представлены результаты оценки применимости в условиях серийного производства изделий некоторых из ранее разработанных ме­ тодик акустических испытаний с использованием приборов, созданных

вИМП АН ЛатвССР. В работе сравнивается прочность при изгибе раз­ личных материалов, определенных разрушающими испытаниями и рас­ считанных по известным формулам с использованием измеренных зна­ чений скорости ультразвука и коэффициента затухания (импульсный метод) и собственной частоты изгибных колебаний и логарифмического декремента затухания (резонансный метод). Анализ полученных дан­ ных свидетельствует о достаточно высокой точности диагностики проч­

ности по указанным методикам органопластика и стеклотекстолита и сравнительно низкой — материалов на основе полиимидного ^связующего. Выявлена также возможность диагностики по акустическим ха­ рактеристикам изменения прочности композита под воздействием тепло­ вого старения — циклического изменения температуры в пределах от 213 до 533 К.

Результаты упомянутых исследований взаимосвязей между физикомеханическими характеристиками композитов с использованием акустичещШхГтеплЪфизических, электрических, оптических и других видов ис­ пытаний позволили выявить физические характеристики, использование которых наиболее эффективно при диагностике механических характе­ ристик рассмотренных композитных материалов. Дальнейшие усилия по изучению взаимосвязей между физико-механическими характернсти-

У Л К 620.18:678.067

Г А. Ванин

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВЯЗИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИТОВ С ИХ СТРУКТУРОЙ

Важным вопросом в теории неразрушающих методов контроля пара­ метров, определяющих несущую способность изделий, является адекват­ ное реальной структуре материала распознавание аномалий в сигналах, фиксируемых в процессе контрольных испытаний. Для конструкций из композитных материалов поставленная задача усложняется выражен­ ной микро- и макронеоднородностью структуры, анизотропией свойств, многообразием схем их разрушения на начальном этапе нагруже­ ния, а также тем, что макротрещины образуются в момент полного раз­ рушения конструкции или же непосредственно перед ним.

В рассматриваемом в данной работе подходе к решению задач диаг­ ностики контрольные измерения проводятся и сопоставляются как в ис­ ходном состоянии, так и на стадии нагружения при лабораторных или эксплуатационных испытаниях. Реализация данной программы вклю­ чает решения следующих задач:

а) разработка статистической теории локального разрушения ком­ позитных материалов и несущих элементов конструкций с учетом фи­ зико-механических и геометрических параметров составляющих мате­ риал компонентов, а также типовых несовершенств в структуре ком­ позита;

б) исследование аномалий в интегральных или других контролируе­ мых характеристиках в связи с отклонениями в моделях структуры ма­ териалов или элементов конструкций как в исходном состоянии, так и в процессе их разрушения по предполагаемой схеме;

в) экспериментальная апробация локальных и прогнозируемых гло­ бальных схем разрушения элементов конструкций и сопоставление тео­ ретически вычисленных и опытных данных по определению их несущей способности или ресурса.

1. Основой ориентированно-армированных материалов является моиослой, составленный из более или менее выпрямленных волокон, сое­ диненных в монолит матрицей из полимеров или металлов. Процесс раз­ рушения слоя связан с его внутренней структурой и относительной тол­ щиной каждого монослоя h/d, где d — диаметр отдельного волокна; слои, выходящие на поверхность материала, находятся в состоянии, от­ личном от состояния внутренних слоев. Поэтому разрушение слоистого

тический аппарат [2].

Ниже предлагается статистическая теория композитных волокнистых материалов, связывающая их физико-механические и прочностные ха­ рактеристики со свойствами компонентов и учитывающая технологиче­ ские параметры — разброс в свойствах и геометрии компонентов, рас­ пределенных несовершенств в компонентах и на поверхности раздела, дефектов в упаковке материала, остаточных напряжений и других.

Состояние микронеоднородной среды характеризуется функцией рас­ пределения

f(x, у, z; и, v, w; X, Y, Z; лЛ, oik, ...),

где переменные х= {*,}, у , z\ и, v, w; X, Y, Z (i= 1,... ,n) характеризуют распределение геометрических, физико-механических свойств и несо­ вершенств соответственно для волокон, межфазной области и матрицы, ли, Oik, •. — начальные значения векторных и тензорных полей.

Приближенное представление функции распределения строится в предположении ослабленной корреляции между параметрами

Проведенные нами ранее экспериментальные исследования микро­ структуры стеклопластиков позволяют установить одномерные и неко­ торые двумерные распределения параметров структурных элементов. Разброс значений диаметра стекловолокон d с высокой степенью досто­ верности согласуется с нормальным законом распределения (рис. 2)

где, в частности, <d>=4,2-103 нм, а = 0,8*103 нм. Отметим, что для ана­ лиза процесса формования волокон необходимо ввести усеченное рас­ пределение с учетом несимметрии гистограммы.

Для материалов с матрицей из фенолформальдегидной и других смол, при формовании которых применяется высокое технологическое давление, распределение размеров сечений волокон строится с учетом эллипсности. Распределение упругих постоянных в волокнах прибли­ женно аппроксимируется гамма-распределением

где параметры связаны со статистическими характеристиками соотно­ шениями

л = Р<*>> (За2 = <*>.

Размеры и ориентация трещины в виде дуги окружности определя­ ются углами д и 0 (рис. 3); предполагаем, что они распределены по нормальному закону на окружности.

Двумерное распределение, характеризующее размещение смежных волокон, установлено экспериментально. Найдено, что в окрестности от­ дельных волокон существуют конфигурации, близкие к регулярным. С удалением от выбранной точки наблюдаются возрастающие отклонения от регулярного расположения. Для описания указанных структур вво­ дятся псевдорегулярные конфигурации, в которых центр волокна опре­ деляется случайным вектором, присоединенным к узлу регулярной сетки. Модуль вектора предполагается значительно меньшим, чем шаг сетки. Геометрия псевдорегулярной структуры характеризуется расстояниями между центрами волокон и углами между центрами тройки волокон. В полярной системе координат (г, <р) с началом в центре волокна нор­

мальное распределение разности расстояний и углов между центрами произвольных волокон