3. Физические свойства

Оптические свойства.

Стеклопластики на основе связующих с относительно низкими значениями светопоглощения (полиэфирные и эпоксидные) являются оптически неоднородными и в некоторой мере светорассеивающими средами. Характер рассеяния (однократное, многократное) зависит от соотношения между длиной волны излучения и размером рассеивающих частиц, а также от расстояния между этими частицами. Диаметр элементарного стеклянного волокна в несколько раз больше средней длины волны видимой части солнечного спектра (0,4 - 0,75 мм), а расстояние между центрами волокон, как правило, не превышает двух диаметров волокон.

Формула для расчета светопропускания стеклопластика записывается следующим образом:

где ₀= - максимальное светопропускание стеклопластика; при n_c = 1,55 значение _о0,9.

С ветопропускание стеклопластика зависит от показателей преломления и поглощения волокна и связующего, диаметра волокна и его содержания в стеклопластике. Зависимость показателя преломления алюмоборосиликатного стеклянного волокна от диаметра волокна показана на рис. 7

Рисунок 7 – Зависимость показателя преломления алюмоборсиликатного стеклянного волокна от диаметра волокна

Величина показателя поглощения связующего зависит от окраски самой смолы и от окраски и количества введенных в нее отверждающих добавок и пигментов.

0. Теплофизические свойства

Структура стеклопластиков неоднородна, поэтому их основные теплофизические характеристики (коэффициент теплопроводности и термический коэффициент линейного расширения) являются осредненньми, эквивалентными.

Коэффициенты теплопроводности однонаправленного стеклопластика в направлении, параллельном (_) и перпендикулярном (_ ) расположению волокон, могут быть вычислены по следующим формулам:

где _с и _а - коэффициенты теплопроводности соответственно связующего и армирующего материала; с_о - объемное содержание волокон.

Были получены также соотношения для расчета теплофизических характеристик стеклотекстолитов на основе тканей с различными переплетением нитей, учитывающие даже искривление нитий в процессе получения тканей на ткацких стайках.

При нормальной температуре коэффициенты теплопроводности полиэфирных, эпоксидных и фенольных связующих различаются незначительно и составляют λ_с=0,15–0,25 Вт/(мК). Коэффициенты теплопроводности наиболее распроcтраненных стеклянных волокон λ_а=0,9–1,1 Вт/(мК). Поэтому теплопроводность стеклопластика определяется прежде всего содержанием волокна.

Во многих практических случаях наибольший интерес представляет возможность снижения теплопроводности стеклопластика в направлении, перпендикулярном плоскости армирования. Снижения значения l_^ можно добиться, применяя полые волокна.

Т ермические коэффициенты расширения стеклопластиков являются осредненными показателями, характеризующими изменение объема материала как за счет изменения температуры, так и за счет внутренних термических напряжений, значение которых пропорциональво разности термических коэффициентов расширения компонентов.

Рис. 8 - Зависимость коэффициента теплопроводности однонаправленного стеклопластика на основе полиэфирного связующего с λ_с=0,17 Вт/(м·К) и алюмоборосиликатного волокна с λ_а=0,9 Вт/(м·К) от содержания стеклянного волокна. 1 - в направлений армирования; 2, 3 - перпендикулярно плоскости армирования для сплошных и полых волокон соответственно

Возможность рассчитывать и регулировать термические коэффициенты расширения стеклопластиков позволяет конструировать металлостеклопластиковые изделия, имеющие минимальные температурные напряжения, правильно проектировать трубопроводы с компенсаторами температурных деформаций или работающие по принципу самокомпенсации и ряд других ответственных изделий.

Диэлектрические свойства.

Диэлектрическая проницаемость ε определяет способность стеклопластика повышать емкость конденсатора и равна отношению емкости конденсатора, между пластинами которого помещен диэлектрик, к емкости того же конденсатора с вакуумированным пространством между пластинами.

Часть энергии внешнего электромагнитного поля, которая необратимо рассеивается в диэлектрике, называется диэлектрическими потерями. В качестве характеристики диэлектрических потерь на практике используется угол δ между вектором силы тока, возникшего в диэлектрике, и вектором напряженности приложенного поля. Коэффициент потерь равен ε"=ε'' tgδ.

Диэлектрические свойства стеклопластиков зависят от частоты приложенного поля. Поэтому сравнивать можно только диэлектрические показатели, измеренные при одной частоте. При определенной частоте диэлектрические свойства стеклопластиков определяются диэлектрическими свойствами компонентов и их содержанием в материале.

Относительная диэлектрическая проницаемость однонаправленного стеклопластика может быть с точностью до 5% определена по формуле:

где _с и _а — значения относительной диэлектрической проницаемости связующего и волокна, определенные при одной и той же частоте электромагнитного поля.

Р исунок 8 - Зависимость относительной диэлектрической проницаемости полиэфирного стеклопластика от объемного содержания волокна из стекла различного состава: 1 - алюмоборосиликатное стекло; 2 - плавленый кварц.

Применяя вместо сплошного полое стеклянное волокно, можно значительно снизить относительную диэлектрическую проницаемость стеклопластика.

Влияние температуры и времени действия нагрузки на прочность

Температурно-времешгую зависимость обычно представляют в виде уравнения, связывающего между собой долговечность, напряжение и температуру:

где  - долговечность;  - напряжение; Т - абсолютная температура; k - постоянная Больцмана; U - начальная энергия активации процесса разрушения материала; Т₀ - константа, примерно равная 10^-13 с, что по порядку величины близко к периоду тепловых колебаний атомов;  - средний коэффициент перенапряжений, имеющий размерность объема.

Согласно термофлуктуационной теории прочности разрушение представляет собой кинетический, термофлуктуационный процесс постепенного накопления повреждений, развивающийся в теле с момента приложения нагрузки вплоть до его разрыва. Элементарными актами процесса разрушения являются термофлуктуационные разрывы межатомных связей, активируемые приложенным напряжением.

При повышении температуры испытаний в первую очередь разрушаются адгезионные связи на границах раздела стекло - связующее, и в связующем появляются трещины, параллельные волокнам, так как значения U₀ для силикатных волокон примерно равны 350 - 385 кДж/моль, а значения энергии активации разрушения полимеров составляют 125 - 190 кДж/моль. Эти явления не приводят к разрушению стеклопластика, так как армирующий материал продолжает работать как пучок несвязанных волокон.

Зависимость разрушающего напряжения стеклопластиков от температуры оценивают коэффициентом условия работы m_т=R_T/R_b

Для оценки временной зависимости прочности применяют коэффициент условия работы материала m_t = R_/R_b, где R_ - разрушающее напряжение через промежуток времени, соответствующий сроку службы изделия. Прямое экспериментальное определение R_ связано со значительными трудностями.

Возможность учета совместного влияния нагрузки, времени ее действия и температуры реализуется путем использования так называемых параметрических методов, среди которых следует отметить методы Ларсона - Миллера и Голдфейна. В основе этих методов лежит объединение температуры Т и времени до разрушения σ_р в один параметр Р, с помощью которого определяют длительную прочность.

Параметр Ларсона - Миллера имеет вид:

где с - постоянная материала.

Параметр Голдфейна является уточнением параметра Ларсона - Миллера и определяется выражением:

где Т_о - температура, при которой бесконечно малое напряжение вызывает разрушение материала, т. е. температура нулевой прочности; с=20 для твердых материалов, в том числе и для стеклопластиков, связующее которых находится в стеклообразном состоянии.

Смысл параметрических уравнений заключается в возможности с помощью кратковременных испытаний при повышенных температурах построить зависимость R=f(P) и, изменяя Т и τ_Р вычислить длительное сопротивление при различных температурах R^T_.

Р ис. 9. Параметрические прямые Голдфейна для стеклопластиков на основе связующего ПН-10 и армирующих материалов в виде однонаправленных ровингов (1) и матов (2) при сжатии,3 - результаты кратковременных испытаний; 4 - результаты длительных испытаний.