Full Text

Введение Мировая тенденция внедрения композитов и замещения классических (металлических) конструкционных материалов композитными в последние годы приобретает массовый характер. Наибольшее распространение получили конструкционные и функциональные армированные пластики, которые широко применяются в ответственных конструкциях машиностроения, аэрокосмической и энергетической отраслях, гражданском и промышленном строительстве и т.д. Современное состояние и направления развития в области производства и применения армированных пластиков на основе стекло-, угле- и органоволокон приведены в работах [1-4]. В работах [2, 5] рассмотрены вопросы целесообразности и опыт применения перспективных полимерных композитов в конструкциях узлов и деталей авиационных силовых установок и ракетно-космической техники. Проектирование ответственных конструкций, очевидно, связано с достоверным знанием свойств, характеристик и особенностей поведения композитов в условиях эксплуатации. В области испытаний композиционных материалов накоплен большой опыт. В работах [6-8] рассматриваются основные методы механических испытаний полимерных композитов, проведен анализ отечественной и зарубежной (ASTM) нормативной базы по основным статическим испытаниям полимерных композитов, выявлены основные преимущества и недостатки. Однако развитие материаловедения в части создания новых конструкционных композиционных материалов значительно опережает процессы стандартизации в области разработки и создания научно обоснованных методов испытания композитов. В связи с чем исследователям нередко приходится самостоятельно дорабатывать, если это возможно, существующие стандартные методы испытаний композитов. Например, в работах [9, 10] предлагается использовать модифицированную оснастку для испытаний полимерных композитов, а зачастую разрабатывать собственные методики экспериментального исследования свойств композитов с проектированием и созданием соответствующей специализированной оснастки. В обзорной работе [11] рассмотрены методики испытаний тканых композитов, в работах [12, 13] предложены методики испытаний крупноячеистых композитов с заполнителем, в [14-16] предложена методика испытаний высоконаполненных однонаправленных композитов в части использования специальных захватных частей. При этом актуальными задачами являются разработка методик экспериментальных исследований и комплексные исследования механического поведения композитов в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным режимам. Так, в работе [17] рассматриваются вопросы деградации механических свойств авиационных композитов после вымачивания в эксплуатационных средах, в работах [18, 19] приведены результаты исследований свойств композитов после воздействия температур. В работах [20, 21] рассмотрены вопросы, связанные с климатической стойкостью и климатическим старением полимерных композитов. В работе [22] предлагается методика оценки влияния дефектов на прочность конструкций из композитов с комплексным использованием современных систем диагностики. Актуальной задачей является исследование и анализ влияния повышенных и пониженных (эксплуатационных) температур на механические свойства и механизмы разрушения композиционных материалов и установления температурных зависимостей упругих и прочностных характеристик волокнистых композитов, применяемых в ответственных конструкциях. Экспериментальные исследования влияния эксплуатационных и климатических температур на механические свойства для разных классов полимерных композиционных материалов описаны в работах [23-27], в работах [28-31] проанализированы температурные зависимости механических свойств композитов. В работе [32] предложен микроструктурный метод прогнозирования температурной зависимости упругих свойств армированных пластиков. Целью настоящей работы было исследование деградации механических характеристик композиционных материалов при повышении температуры. В работе представлены результаты экспериментальных исследований влияния повышенных и высокой температур на деформационные и прочностные свойства композитов на основе стеклоорганоткани и двух типов связующего при растяжении и смятии. 1. Материалы, испытательное оборудование и методики испытаний Объектами исследований являлись текстолиты на основе стеклоорганоткани аэрокосмического назначения и двух типов связующих, которые были условно обозначены как - КМ-1 - текстолит на основе стеклоорганоткани и полиимидного связующего СП-97К; - КМ-2 - текстолит на основе стеклоорганоткани и эпоксидного связующего УП-2217. Испытания на растяжение и смятие при температурах 22, 100 и 250 ºС проводились на универсальной электромеханической испытательной системе Instron 5882, оснащенной температурной камерой с рабочим диапазоном температур от -100 до +350 ºС. Испытания на растяжение при температуре 500 ºС проводились на испытательной системе Instron 8850 с использованием высокотемпературной печи с рабочим диапазоном температур от +300 до +1500 ºС. Для измерения продольной деформации образцов использовался бесконтактный видеоэкстензометр, принцип работы которого основан на определении координат контрастных (белых или черных) меток измерительной базы, нанесенных на рабочую часть образца (рис. 1), при помощи цифровой видеокамеры с высоким разрешением. Использование видеоэкстензометра обусловлено тем, что он не оказывает дополнительного механического воздействия на поверхность образца в рабочей зоне, а также может использоваться совместно с термокамерой на всем температурном диапазоне без ограничений. Абсолютная погрешность измерений ±2 мкм. Для измерения поперечных деформаций использовался навесной экстензометр Epsilon 3575-250M-HT2 с максимально возможным отклонением от измеряемой величины 0,2 % (рис. 1, а). В высокотемпературной печи при испытаниях с температурой 500 ºС экстензометры не использовались, продольные деформации определялись по встроенному датчику перемещений нагружающей системы с учетом жесткости. Испытания на растяжение проводились с учетом рекомендаций ГОСТ 25.601-80 в части выбора формы и геометрии образцов, термостатирования при повышенных температурах, скорости нагружения, статистической обработки результатов. При использовании данной методики были учтены ошибки стандарта, приведенные в работе [6]. При расчетах коэффициента Пуассона был учтен знак «-»; при расчетах разрушающего напряжения задавали разрушающую нагрузку в Н и, соответственно, не учитывали лишний множитель 10-3; при расчете модуля упругости задавали значение в Н. Образцы имели форму двухсторонней лопатки с общими размерами 235×25×3 мм, длиной рабочей части 70 мм и шириной 18 мм, радиусами перехода ≥ 80 мм. Метки для а б Рис. 1. Образцы с нанесенными белыми метками на растяжение (а) и смятие (б), установленные в захватах испытательных систем Fig. 1. Samples with white spots, (а) is for tension and (b) is for bending, the samples have been fixed in the grasps of the testing systems измерения деформации с помощью видеоэкстензометра в рабочей части образцов были нанесены на базе 70 мм (см. рис. 1, а). Предел прочности определялся как отношение максимальной нагрузки к площади поперечного сечения рабочей части образца. Модуль упругости - отношение напряжения к соответствующей относительной деформации при нагружении материала в пределах участка по деформации от 0,1 до 0,3 %. Испытания на смятие проводились с учетом рекомендаций отраслевых методик (ОСТ 92-1475-78 способ А), адаптированных под современное испытательное и измерительное оборудование. Статистическая обработка проводилась аналогично испытаниям на растяжение. Метод испытания основан на определении разрушающего напряжения при смятии композита под цилиндрическим стержнем (валиком), имитирующим элемент крепления (заклепку, болт или шпильку): σсм = Р/d·S, (1) где d - диаметр сминающего валика; S - толщина образца. Образцы имели форму полоски с отверстием Ø =12 мм и внешними размерами 150×30×3 мм. При измерении относительного перемещения при смятии с помощью видеоэкстензометра одна из меток наносилась по геометрическому центру образца, вторая - на сминающий валик оснастки (см. рис. 1, б), для данной характеристики в работе принято обозначение ε/. Расстояние между метками измерительной базы составляло около 50 мм. Скорость перемещения траверсы при испытаниях на растяжение 5 мм/мин, при смятии - 10 мм/мин. При повышенных температурах 100 и 250 ºС образцы композитов были предварительно термостатированы. Режим термостатирования включал в себя линейный нагрев образцов до выбранной температуры со скоростью 10 ºС/мин и выдержку из расчета 20 минут на миллиметр толщины. Испытания при 500 ºС проводились без термостатирования. Нагрев до температуры 500 ºС осуществлялся со скоростью 25 ºС/мин, а при достижении 500 ºС сразу проводилось механическое нагружение образца. Подобное решение связано с тем, что температуры, близкие к 500 ºС, не являются рабочими для подразумеваемых изделий, могут достигаться только в аварийном, кратковременном, пиковом режиме. 2. Результаты испытаний на растяжение Испытания на одноосное растяжение для композиционных материалов КМ-1 и КМ-2 проведены при температурах 22 и 250 ºС вдоль основы и при 22, 100 и 500 ºС вдоль утка. Для каждого материала испытано по пять образцов в каждом направлении и на каждую температурную точку. По результатам испытаний образцов композиционных материалов КМ-1 и КМ-2 определялись максимальная нагрузка Nmax (кН), предел прочности σв (МПа), модуль упругости E (ГПа) и коэффициент Пуассона µ. Результаты испытаний на растяжение представлены в табл. 1. Анализ результатов позволяет сделать некоторые промежуточные выводы. Так, для материала КМ-1 при растяжении вдоль утка можно построить температурные зависимости механических характеристик (рис. 2). Рис. 2. Изменение модуля упругости (а) и предела временного сопротивления (б) композиционного материала КМ-1 при увеличении температуры Fig. 2. Alteration of the elastic modulus (а) and ultimate strength (b) of the КМ-1 composite material at an increased temperature Таблица 1 Средние значения механических характеристик композитов при растяжении в диапазоне температур от 22 до 500 °С Table 1 Average values of composite mechanical characteristics under tension under the temperatures of 22 - 500 °С Характеристика Направление Материал Температура, ºС КМ-1 КМ-2 Е, ГПа Основа 21,7 ± 1,5 32,1 ± 2,4 22 Уток 19,2 ± 1,7 21,1 ± 1,2 Основа - - 100 Уток 14,1 ± 0,8 - Основа 7,6 ± 0,2 6,0 ± 0,5 250 Уток 13,0 ± 0,5 - Основа - - 500 Уток 10,1 ± 1,1 - σв, МПа Основа 425 ± 43 653 ± 20 22 Уток 312 ± 21 487 ± 18 Основа - - 100 Уток 284 ± 22 Основа 209 ± 17 288 ± 37 250 Уток 280 ± 11 - Основа - - 500 Уток 233 ± 35 - µ Основа 0,16 ± 0,03 0,13 ± 0,03 22 Уток 0,09 ± 0,03 0,11 ± 0,02 Основа - - 100 Уток 0,09 ± 0,03 - Основа 0,21 ± 0,05 0,23 ± 0,02 200 Уток 0,17 ± 0,03 - Зависимости изменения модуля упругости и предела временного сопротивления композиционного материала КМ-1 при увеличении температуры качественно однотипны. Данные зависимости можно охарактеризовать следующими тенденциями: в диапазоне от комнатной температуры до 100 °С - существенное падение свойств, а далее падение величин характеристик продолжается, но уже с меньшей скоростью. В диапазоне от 100 до 250 ºС можно констатировать наличие относительно стабильного участка. В целом для данного материала характерно снижение модуля упругости при увеличении температуры от комнатной 22 до 500 °С примерно в два раза с Е (22 °С) = 19,2 ГПа до Е (500 °С) = 10,1 ГПа. Снижение предела прочности в том же диапазоне температур составляет примерно 25 % - с 312 до 233 МПа. Иначе себя ведет коэффициент Пуассона: сначала - в диапазоне от 22 до 100 °С значение коэффициента стабильно и составляет 0,09 единиц, при дальнейшем увеличении температуры происходит резкое повышение коэффициента Пуассона до значения 0,17 при температуре 200 °С (см. табл. 1). По результатам испытаний образцов композита КМ-2 графические изображения температурных зависимостей не имеют смысла, так как испытания проводились при двух температурах, однако некоторые заключения сделать можно. При повышении температуры модуль упругости Е уменьшается с 32,1 до 6,0 ГПа, что составляет почти 80 %, предел прочности σв уменьшается с 653 до 288 МПа, снижение примерно 55 %. Таким образом, вследствие повышения температуры от 22 до 250 ºС происходит частичная деструкция связующего и органической составляющей наполнителя, что приводит к резкому снижению механических свойств материала при растяжении вдоль основы. Противоположным образом деструкция влияет на коэффициент Пуассона, увеличивая поперечную деформацию. Коэффициент Пуассона увеличивается с µ = 0,13 до µ = 0,23 (на 56 %). Смена направления воздействия от «вдоль основы» до «вдоль утка» при растяжении в условиях комнатной температуры приводит к следующим изменениям свойств материала КМ-2: модуль упругости изменился с 32,1 до 21,1 ГПа, т.е. на 35 %; прочность изменилась с σв = 653 до σв = 487 МПа (на 25 %), а коэффициент Пуассона уменьшился с µ = 0,13 до µ = 0,11 (на 15 %). При испытаниях образцов материала КМ-2 на растяжение был обнаружен следующий эффект (рис. 3). При комнатной температуре материал проявляет «выпуклую» нелинейность. Иногда такое поведение материала трактуется как «бимодульность» [33]. А при нагреве до температуры 250°С бимодульность качественно меняется на «вогнутую». В данном случае, в отличие от «классического» применения термина «бимодульность», подразумевается однознаковое квазилинейное поведение материала с некоторой точкой перелома. Очевидно, что это связано с изменением свойств матрицы, с увеличением ее податливости при повышении температуры и изменением условий работы арматуры. Однако подобные эффекты, как правило, не учитываются при проектировании, даже при эксплуатации конструкции в условиях повышенных температур. Рис. 3. Диаграммы деформирования образцов КМ-2 при растяжении вдоль основы при температуре +22 °С (а) и при температуре +250 °С (б) Fig. 3. Deformation curves of the КМ-2 samples under tension along the base, (а) is at the temperature of +22 °С and (b) is at the temperature of +250 °С 3. Результаты испытаний на смятие Для материала КМ-1 проведены испытания на смятие при температуре 22 ºС вдоль основы и утка и дополнительно при 100 и 250 ºС вдоль утка. Для КМ-2 проведены испытания при 22 и 100 ºС вдоль основы. Результаты испытаний на смятие представлены в табл. 2, где под σсм понимается некоторая условная величина, обозначаемая как разрушающее напряжение при смятии Таблица 2 Средние значения механических свойств композитов при смятии в диапазоне температур от 22 до 250 °С Table 2 Average values of composite mechanical properties under bending in the temperature range of 22-500 °С Характеристика Направление Материал Температура, ºС КМ-1 КМ-2 Есм, ГПа Основа 17,3 ± 1,8 14,2 ± 2,7 22 Уток 12,4 ± 0,6 - Основа - 16,6 ± 2,1 100 Уток 9,0 ± 1,4 - Основа - - 250 Уток 5,4 ± 0,4 - σсм, МПа Основа 66 ± 4 135 ± 6 22 Уток 67 ± 2 - Основа - 99 ± 7 100 Уток 49 ± 1 - Основа - - 250 Уток 37 ± 2 - и определяемая по выражению (1). На рис. 4 приведены характерные диаграммы смятия образцов композиционных материалов. Сложный характер нелинейных зависимостей с учетом начального пика и ниспадающего участка целесообразно учитывать при проведении уточненных прочностных расчетов и анализа безопасности элементов композитных конструкций с учетом закритической стадии деформирования [34]. Уровень первого пика на диаграмме, соответствующий разрушению материала при смятии, принимался за величину нагрузки в момент разрушения (смятия), используемую для оценки σсм. Также необходимо Рис. 4. Типовые диаграммы деформирования стеклоорганопластиков при смятии Fig. 4. Typical deformation curves of glass organoplastics under bearing помнить,что ε¢ (%) на диаграмме это относительное перемещение меток, одна из которых располагается на оснастке, а вторая на образце (см. рис. 1, б). Соответственно, определяемый на начальном участке диаграммы коэффициент упругости при смятии Есм имеет несколько иной физический смысл, нежели модуль упругости материала, определяемый при испытаниях на растяжение. По результатам испытаний на смятие образцов материала КМ-1 можно сделать заключение, что тенденция снижения механических свойств при повышении температуры для данного материала сохраняется, как и при испытаниях на растяжение. Характеристики смятия для КМ-1 при температуре 22 ºС и изменении направления воздействия с «вдоль основы» до «вдоль утка» изменяются весьма существенно - коэффициент упругости при смятии Есм на 30 %, прочность при смятии на 13 %. Для материала КМ-1 по результатам испытаний на смятие вдоль утка также можно представить температурные зависимости в виде графиков изменения характеристик при повышении температур от 22 до 250 ºС (рис. 5). Рис. 5. Изменение коэффициента упругости при смятии (а) и предела прочности при смятии (б) композиционного материала КМ-1 при увеличении температуры Fig. 5. Alteration of the elastic modulus under bearing (а) and ultimate strength under bearing (b) of the КМ-1 composite material at higher temperature а б в Рис. 6. Образцы КМ-1 после испытания на смятие вдоль основы (а) и вдоль утка (б, в) при температурах 22 ºС (а, б) и 250 ºС (в) Fig. 6. The КМ-1 samples after bearing tests, (а) is along the base, (b, c) are along the weft under the temperatures of 22 ºС (а, b) and 250 ºС (c) Для образцов КМ-2 при испытаниях на смятие вдоль основы и изменении температуры от 22 до 100 ºС установлено, что коэффициент упругости Есм изменяется незначительно, так, что поля статистических разбросов пересекаются, а прочность при смятии снижается на 26 %. На рис. 6 приведены характерные виды разрушения образцов КМ-1 вдоль основы и вдоль утка. Из рис. 6 видно, что разрушение материала в данном случае, начинаясь со смятия в зоне воздействия металлического валика, продолжается всегда путем разрыва уточных нитей армирующей системы. Воздействие температуры лишь усугубляет эту тенденцию. Заключение Таким образом, получены новые данные о механических характеристиках композиционных материалов, применяемых в аэрокосмической отрасли, при испытаниях на растяжение и смятие в условиях нормальных, повышенных и высоких температур. Для материала КМ-1 построены зависимости значений упругих и прочностных характеристик при испытаниях на растяжение и смятие от повышения температуры. Проведен анализ результатов испытаний и отмечены особенности поведения и разрушения композиционных материалов при растяжении и смятии. При испытаниях на растяжение для образцов материала КМ-2 выявлено изменение характера положительной бимодульности с «выпуклой» на «вогнутую» при повышении температуры. Следует подчеркнуть, что материал КМ-1 проявляет определенную термостойкость и работоспособен даже при кратковременном нагреве до 500 ºС на воздухе. Однако, обращая внимание на механические характеристики исследуемых композиционных материалов, поддающиеся сравнению, приведенные в табл. 1 и 2, можно констатировать, что наилучшими показателями в условиях комнатной температуры обладает материал КМ-2. При повышенных температурах (100 и 250 ºС) КМ-2 также имеет более высокие характеристики по прочности, и схожие с КМ-1 по жесткости, с точностью до пересечения статистических разбросов.

About the authors

D S Lobanov

Perm National Research Polytechnic University

A V Babushkin

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 319

PDF (Russian) - 203