Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Надежность и безопасность при производстве и применении полимерных композиционных материалов. Учебное пособие
.pdf
71
матрицы используют различные полимеры (связующие), при этом
упрочняющий компонент (наполнитель) может иметь любую природу.
Из полимерных матриц наибольшее распространение получили
эпоксидная, фенол-формальдегидная и полиамидная. Использование в
одном материале нескольких матриц (полиматричные композиционные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойств композиционных материалов.
Большую группу композиционных полимерных материалов составляют армированные пластики, в которых в качестве полимерной
матрицы применяются различные термореактивные и термопластичные полимеры, а для арматуры используются волокнистые и листовые
материалы из стекла, полимеров, базальта, углерода и других материалов. К достоинствам армированных пластиков с точки зрения комплексной безопасности относятся высокая прочность при низкой плотности, что позволяет заменять сталь в конструкциях машин и механизмов. Устойчивость к воздействию агрессивных сред обеспечивает
изделиям из ПКМ длительные сроки эксплуатации без применения защитных покрытий, возможность ремонта в «полевых» условиях без
применения специального оборудования, работоспособность в широком диапазоне температур и напряжений.
Армированные композиты на основе термопластичной матрицы отличаются низкими остаточными напряжениями, высокой ударной вязкостью (более 600 кДж/м
2
), морозо- и теплостойкостью (их эксплуатация возможна в интервале температур от -60 до +250С) и другими важными рабочими характеристиками. Олигомеры после отверждения в присутствии отвердителя превращаются в реактопласты,
которые обладают лучшей технологичностью, т.к. во время пропитки
являются вязкими жидкостями. Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки композиционных материалов.
Положительный эффект применения наполнителей выражается в увеличении прочности и жесткости материала, улучшении теплопроводности и теплостойкости, повышении износостойкости и ударной вязкости, уменьшении коэффициента линейного расширения, амплитуды
экзотермических пиков и пористости, улучшении качества поверхности и т.д. Сочетание упругого высокопрочного наполнителя (стеклянное, базальтовое волокно или углеволокно) и эластичной полимерной
матрицы, например, органические смолы холодного отверждения —
эпоксидные, полиэфирные, фурановые и другие дает возможность
получения материала с очень важным комплексом как физико-механических и химических свойств, так и высокими характеристиками
надежности. С точки зрения надежности наиболее высоки конструкционные свойства у ПКМ, содержащих непрерывные волокна (однонаправленные, с планируемой анизотропией).
72
Очень важны вопросы снижения электризуемости полимер-
Ic
G
ных материалов, в том числе волокнистых полимерных композитов,
которая во многих случаях определяет безопасность их применения. В
определенных условиях, особенно при многократном разъединении
контактов и малой скорости стекания зарядов, разность электрических
потенциалов может достигать весьма значительных величин — нескольких тысяч вольт. Эти условия часто возникают при фрикционном
контакте полимерных материалов с контртелами, их механической переработке/обработке, перемещении относительно них неэлектропроводных жидких и газовых сред. При достижении значительной разности потенциалов происходит электрический разряд, что может привести к возникновению опасного фактора: воспламенение горючих
газов, паров или пылевой взвеси и др., появлению поражающих факторов для человека. Для снижения электризуемости ПКМ используют
различные методы: выбор наименее электризующейся полимерной
матрицы, введением в полимерную матрицу электропроводных дисперсных наполнителей.
Свойства полимерных композиционных материалов зависят от
состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и
прочности связи между ними. Межфазный слой – часть объема матрицы, площадь контакта матрица – наполнитель, в котором свойства под
влиянием физического и химического взаимодействия с поверхностью
наполнителя существенно изменились. Он оказывает существенное
влияние на когезионное и адгезионное разрушение ПКМ в объеме и на
границе раздела фаз, на характер и величины напряжений, возникающих в матрице и, в целом, на характеристики надежности ПКМ.
1.1. Особенности разрушения полимерных композиционных
материалов
Одним из наиболее важных факторов, влияющих на прочность
композиционных материалов, армированных как непрерывными, так и
дискретными волокнами являются дефекты микроструктуры (поры,
микротрещины и др.). Природа дефектов в полимерных матрицах
различна и во многом определяется составом и технологией изготовления связующих. Полимерные сетки весьма дефектны, имеют микрогелевую структуру с высоким уровнем остаточных напряжений, низкими показателями прочности и модуля упругости.
Разрушение и рост исходной трещины (дефекта) начинается,
если напряжение у вершины трещины достигает предела прочности
материала. Распределение напряжений у вершины трещины существенно зависит от того, является ли матрица упругой или пластичной
(табл.II.2.), где:
сил, скорость (интенсивность) высвобождения упругой энергии при
увеличении дефекта, Дж/м
— энергетический параметр трещинодвижущих
2
.
73
Матрица
Ic
, Дж/м
2
Матрица
Ic
, Дж/м
2
Термопластичные
Бисмалеинимидные
Торлон 4000Т
3900
К601
140
ПИ 2080
920
С 796/ТМ 123
580
Полисульфон Р1700
1700
Матрица 5292
250
Полиэфирсульфон 3600С
1100
1M-АД94-306
330-370
ПЭИ Ултем
1000-19000
Дисбимид RTM
500
Авимид N (NR-150)
2400
F-178
104
Авимид К-2
1400-1700
С 796/ТМ 123/ПГ
1000
Авимид К-3
1900
Полиэпоксидные
Полиимидные
ЭД-20+ГМДА
200-575
PMR-15
230-285
ЭД-20+ДЭТА
130-250
Скайбонд
410
ЭД-20+этилендиамин
280-600
Теримид 600
210
Эд-20+МФДА
1204-240
Теримид 602
610-815
ЭД-20+МЭА
48
LARC-13 эласт.
390
ЭД-20+ТГФА
36-48
PMR-15+NR-150
400
ЭД-20+УП 606/2
200-250
АПИ-2
200
ЭД-20+УП 605/3
84
АПИ-2+СКН
350
ЭХД+ДАДФСН (ВС 2526)
38
SR-5208 (МУ 720)
82
ВС-2561
19,8 (К
Ic
)
ЭДТ-10
29,6 (К
Ic
)
Таблица II.2. Трещиностойкость полимерных матриц (Михайлин Ю.А., 2008)
74
В случае термопластичных и термореактивных матриц в верши-
MсцE
σσσ
>>
EсцM
σσσ
>>
не трещины наблюдается зона пластической деформации. В зоне
пластичности матрицы сдвиговые напряжения, равны пределу ее
текучести. при сдвиге. Оптимальные значения предела текучести
матрицы уменьшаются при увеличении модуля упругости волокон.
Использование матриц с повышенными прочностными и адгезионными характеристиками может привести к хрупкому разрушению
ВПКМ. При излишнем снижении этих характеристик проявляется
опасность растрескивания ПКМ.
Непрерывная матрица воспринимает внешние нагрузки, передает их компонентам второй фазы (в ВПКМ – волокнам), останавливает рост трещин, появляющихся при разрушении волокон за счет
относительно высокой пластичности или местного отслоения волокна
от матрицы. Как при растяжении, так и при хрупком разрушении
свойства матрицы влияют на прочность ПКМ гораздо сильнее, чем
при разрушении вследствие исчерпания прочности волокон.
Разрушаться волокна могут не одновременно, а последовательно из-за
наличия в них дефектов. Наиболее дефектные волокна разрушаются
при малых напряжениях, далеких от предела прочности, волокна с
меньшими дефектами разрушаются при больших напряжениях, а в
целом прочность композита будет меньше рассчитанной. То же
характерно, если матрица имеет недостаточный запас пластичности,
что приводит к появлению трещин на границе раздела и в объеме
матрицы, т.е. к преждевременному разрушению композита.
Прочностные характеристики полимерных композиционных
материалов в значительной степени зависят от адгезионных свойств
полимерных связующих, мерой которых является работа адгезии
полимера к наполнителю. При приложении нагрузки на композициионный материал с низкой адгезией между фазами разрушение будет
происходить по границе раздела фаз. Какими бы прочными не были
сами фазы, при низкой адгезии между ними композиция будет обладать заведомо низкими прочностными свойствами. Прочность межфазной границы может быть как выше, так и ниже прочности матрицы. Часть свойств композиционных материалов определяется прочностью границы раздела на отрыв (поперечная прочность, прочность
на сжатие, вязкость), часть — прочностью границы на сдвиг (продольная прочность при растяжении композита, армированного короткими волокнами, критическая длина волокна и др.).
В зависимости от соотношения между прочностью матрицы,
волокна и прочностью их сцепления на границе раздела при каждом
виде деформирования возможны три случая разрушения ПКМ:
1. когезионные по матрице (
2. когезионные по волокну (
);
);
75
3. адгезионно–когезионное по межфазной границе и по матрице
сцME
σσσ
≥>
B
s
max
F
пц
s
δ
E
ν
(
Удельный вклад адгезионной и когезионной прочности матрицы в прочность ВПКМ при растяжении превышает удельный вклад
деформативности матрицы в 15,8/1,42 и 15,8/5,3 раза, соответственно.
).
1.2. Физико-механические характеристики полимерных
композиционных материалов, обеспечивающие
эксплуатационную надежность технических систем
Деформационно-прочностные свойства изделий из полимерных композиционных материалов, их надежность определяются различными факторами: механическими свойствами фаз, характером их
взаимодействия, видом включений (их геометрии), степенью наполнения, технологией изготовления и т.д. Если свойства компонентов
значительно отличаются, то изменение свойства материала может
быть другим и более сложным. Свойства композита определяются
усредненными характеристиками материалов матрицы и наполнителя
(табл. II.3.). Изменение свойств ПКМ зависит также от структуры
композиционного материала.
Согласно ГОСТ 25.601-80 «Методы механических испытаний
композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов)»
определяются следующие характеристики эксплуатационной
надежности полимерных композиционных материалов:
• предел прочности при растяжении
мальной нагрузки
ца, к начальной площади его поперечного сечения, МПа;
• предел пропорциональности
при которой происходит отклонение от линейной зависимости
между напряжением и деформацией, к площади начального
поперечного сечения образца, МПа;
• относительное удлинение
приращения длины мерной базы в момент разрушения к начальной длине мерной базы, %;
• модуль упругости
вующей относительной деформации при нагружении материала в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования, МПа;
• коэффициент Пуассона
сительного укорочения к продольному относительному удлинению образца при растяжении в пределах начального
линейного участка диаграммы деформирования.
Прочностные свойства армирующих волокон различной
химической природы принципиально отличаются друг от друга.
, предшествующей разрушению образ-
при разрушении — отношение
— отношение напряжения к соответст-
— отношение поперечного отно-
— отношение макси-
— отношение нагрузки,
Свойства
Смолы
Полиэфирные
Фенол-
формальд.
Эпоксидные
Кремний-
органические
Полиимидные
3
1,1-1,46
1,2-1,36
1,1-1,4
1,15-1,36
1,2-1,45
1,5-4,5
1,4-6,8
1,9-5,0
1,5-3,7
3,2-5,5
23,5-68,5
22,5-78,3
27,4-140
6,8-34,2
90-95
0,5-0,6
0,4-0,3
1,2-10,0
0,3-1,5
1,0-4,0
2
2,0-10,7
2,0-11,3
2,9-24,5
2,3-5,4
4,0-12,0
6
, К
-1
60-90
60-80
48-80
20-40
50-58
4-15
0,5-7,0
0,5-3,6
2,1-4,3
0,5-2,0
0,15-0,6
0,15-0,6
0,03-0,3
0,05-0,2
0,01-0,6
0,12-0,23
0,23-0,27
0,17-0,21
0,4-0,6
0,35-0,37
(Михайлин Ю.А., 2008)
Таблица II. 3. Свойства отвержденных связующих для производства армированных пластиков
77
Высоко модульные органические волокна в силу своего
Прочность при
растяжении, ГПа
Модуль упругости при
растяжении, ГПа
1. Полиэтиленовые
(ПЭНД)
2. Полипропиленовые
0,30-0,70
3,3-10,0
3 Полиамидные
0,50-0,95
2,0-4,5
4. СВМ, армос, терлон
3,50-4,50
125,0-175,0
5. Кевлар 149
3,80-4,20
150,0-180,0
6. Углеродные
2,00-4,50
200,0-500,0
7. Стеклянные
2,00-4,90
50,0-95,0
8. Базальтовые
1,80-2,80
95,0-100,0
химического строения и надмолекулярной организации обладают
чрезвычайно высокими прочностью (до 5,0-5,5 ГПа) и модулем
упругости (до 160-180 ГПа), они термо- и теплостойки, устойчивы к
воздействию органических растворителей, нефтепродуктов и
минеральных масел.(табл. II.4.).
Таблица II.4. Свойства армирующих волокон (Бобович Б.Б., 2009)
Вид волокна
0,45-0,80 3,0-8,5
Прочностные характеристики армированных пластиков
различаются в зависимости от направления оси волокон (табл. II.5.).
Отличительные особенности углепластиков, которыми они
обладают благодаря углеродным волокнам, — высокая прочность при
чрезвычайно высоком модуле упругости и низких плотности и ползучести. Кроме того, у них очень высокая теплостойкость и устойчивость к термическому старению. Они длительно (500-1000 ч) выдерживают механические напряжения при одновременном воздействии
температур до 200 С. Эти материалы обладают в 2-3 раза более высокой усталостной прочностью, чем стеклопластики. Благодаря этому
армированные углеродными волокнами полимеры нашли применение
в ракетостроении и химическом машиностроении, авиационной и
космической технике. На основе углеродных волокон получают самый
теплостойкий углерод-углеродный композиционный материал
(УУКМ), в котором матрицей, склеивающей углеродные волокна,
служи практически чистый углерод. (Термин «графитовые волокна»
применяется к волокнам, подвергнутым температурной обработке при
температуре более 1700 С, обладающих высокой степенью ориентации
и имеющим высокий модуль упругости ~ 345 ГПа.). Углеродная
матрица объединяет в одно целое армирующие элементы в композите,
что позволяет наилучшим образом воспринимать различные нагрузки.
Материал
Плотность r,
г/см
3
Прочность при
растяжении s
р
,
ГПа
Модуль упругости
при растяжении
Е
р
, ГПа
Удельная
прочность, s
р
/r,
ГПа/г×см
-3
Удельный
модуль
упругости Е
р
/r
ГПа/г×см
-3
Полимерные армированные материалы
Стеклопластики:
Однонаправленные*
перекрестные**
2,1
2,0
1,6-2,1
1,0-1,2
56-70
36-42
0,76-1,0
0,5-0,6
27-33
18-20
Органопластики:
Однонаправленные*
перекрестные**
1,35
1,35
1,9-2,5
1,2-1,6
80-95
53-63
1,40-1,85
0,88-1,18
59-70
39-46
1,5
1,5
1,0-1,5
0,6-1,0
120-180
80-120
0,66-1,0
0,40-0,67
80-120
53-80
Боропластики:
Однонаправленные*
перекрестные**
2,0
2,0
1,5
0,9
240
160
0,75
0,45
120
80
от направления оси волокон (Бобович Б.Б.,2009)
Таблица II. 5. Свойства конструкционных ПКМ в зависимости
— (1:0) и ** — (2:1) — соотношение содержания волокон вдоль и поперек
79
Из всех видов исходных волокон наиболее пригодными для
Характеристики
УУКМ
Сепкарб
Аэролор
Ортогонально
армированный
Плотность, 10-3
кг/м3
2
1,5-1,8
1,9
Прочность, МПа
сжатии
≤80
≤200
≤160
Модуль
сжатии
Структура
армирования
3d (жгуты)
2d (ткань)
3d (жгуты)
Способ
Жидкофазный
Газофазный или
Жидкофазный
давления)
Тип матрицы
Кокс пека
Пироуглерод или
пека
Кокс пека
получения углеродных волокон по технологическим и экономическим
параметрам являются волокна из ГТЦ (гидратцеллюлозы, вискозные),
ПАН (полиакрилнитрилов), из пека (смолы нефти и угольные).
Процесс переработки ПАН включает стадии карбонизации и
графитизации, которые проводятся при высоких температурах. Карбонизация (пиролиз стабилизированного ПАН-волокна) проводится в
атмосфере инертного газа при температуре 1000-1500С. При этом из
волокна удаляются почти все элементы за исключением углерода, в
том числе, большое количества высокотоксичных веществ: метан
цианистый водород, оксид и диоксид углерода, аммиак и др.
Свойства УУКМ изменяются в широком диапазоне, так как
определяются многими факторами: свойством армирующего наполнителя и природной матрицы, степенью наполнения, взаимодействием на
границе раздела, условиями пропитки и др. (табл. II.6.).
Таблица II.6. Физико-механические характеристики некоторых
УУКМ (Бушуев М.М.,1994)
Для углерод-углеродных материалов (УУКМ) в отличие от
других материалов характерно улучшение некоторых механических
характеристик с повышением температуры. Это обусловлено релакса-
при:
растяжении
упругости, МПа
при:
растяжении
изготовления
≤100
≤60
≤65
комбинированный
пироуглерод+кокс
≤70
≤30
≤300
≤150
≤130
(высокого
80
цией внутренних напряжений за счет улучшения пластических
свойств при повышенных температурах и «залечиванием» дефектов
вследствие термического расширения материала при повторном
нагреве до температуры изготовления. В зависимости от температуры
эксплуатации изделия из УУКМ проявляют разнообразные механические свойства (рис. II.1.).
Рис. II.1. Основные свойства углерод-углеродных композитов в зависи-
мости от температуры эксплуатации (Бушуев М.М.,1994)
Углерод-углеродные композитные материалы (УУКМ) обладают рядом ценных свойств: чрезвычайно высокой теплостойкостью,
хорошей стойкостью к термоудару, низкими значениями температурного коэффициента расширения и теплопроводности, высокой стойкостью к химическим реагентам, что дает возможность их использования в химическом машиностроении, атомной энергетике и др.
Контрольные вопросы
1. В чем заключается преимущество ПКМ по сравнению с
традиционными материалами для повышения эксплуатационной
надежности технических систем
2. Какие свойства ПКМ обеспечиваю повышение эксплуатационной
надежности
3. Как зависит прочность ПКМ от адгезионной способности
полимерного связующего
4. Чем объясняются высокие прочностные свойства углепластиков
5. Как меняются эксплуатационные характеристики УУКМ с
повышением температуры
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]