ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕРМОВЛАЖНОСТНОГО СТАРЕНИЯ В АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ НА ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ СТЕКЛОПЛАСТИКА ПРИ ИЗГИБЕ КОРОТКОЙ БАЛКИ СТЕКЛОПЛАСТИКА НА ОСНОВЕ РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

Аннотация


Работа направлена на экспериментальное исследование и описание закономерностей механического поведения и деградации прочностных свойств волокнистого полимерного композиционного материала при термовлажностном старении в агрессивных (эксплуатационных) средах разной продолжительности и температурах. Объектом исследования являлся стеклотекстолит общего и электротехнического назначения СТЭФ. СТЭФ – это слоистый армированный стеклопластик, полученный путем горячего прессования стеклоткани, пропитанной термореактивным связующим на основе комбинированных эпоксидных и фенолформальдегидных смол. После предварительного старения при различных температурно-временных режимах образцы стеклопластика испытывались при нормальной температуре на межслоевой сдвиг. Для изучения инициирования и распространения данных дефектных структур в процессе деформирования стеклопластика после предварительного старения при различных температурно-временных режимах и средах в работе применяется метод акустической эмиссии, позволяющий исследовать стадийность неупругого деформирования и отследить процессы, связанные с формированием дефектов в структуре волокнистого композита. Получены и проанализированы данные о влиянии различных сред, таких как техническая вода, морская вода и машинное масло, при различной продол-жительности (15, 30, 45 суток) и температуре (22°, 60° и 90 °С) на процессы разрушения композита и реализацию различных механизмов накопления повреждений при квазистатических испытаниях на межслоевой сдвиг. В работе приводятся результаты испытаний, полученные системой регистрации сигналов акустической эмиссии. Приведены и описаны данные, иллюстрирующие стадийность накопления повреждений и проанализированы основные механизмы повреждения структуры композита при нагружении. Описаны результаты исследования микроструктуры образцов, полученные с помощью стереомикроскопа до и после термовлажностного старения в агрессивных средах.

Полный текст

При внедрении композиционных материалов особое значение приобретают вопросы анализа условий разрушения и живучести изделий. Актуальной задачей является исследование и анализ влияния повышенных и пониженных (эксплуатационных) температур на механические свойства и механизмы разрушения армирующих и композиционных материалов, а также установления температурных зависимостей упругих и прочностных свойств волокнистых композитов, применяемых в ответственных конструкциях. Экспериментальные данные о влиянии эксплуатационных и климатических температур на механические свойства разных классов полимерных композитных материалов представлены в [1; 2]. Для прогнозирования ресурса работоспособности конструкций из полимерных композитов актуальным направлением исследований становится изучение во-просов, связанных со старением полимерных компо-зиционных материалов. Старение полимерных компо-зитов является повсеместной проблемой, которая приводит к ухудшению механических свойств, сокра-щению проектного срока службы конструкции и по-тенциальному преждевременному аварийному разру-шению. Проблема старения полимерных композитов в воздушной среде исследована в работах [3–5]. Боль-шинство конструкций из полимерных композитов во время эксплуатации подвержены воздействию атмо-сферных факторов (температура, влажность, солнечная радиация, циклическое изменение температуры, тро-пический и морской климат и т.д), которые оказывают влияние на их физические, химические и механические свойства. Важной задачей является изучение вопросов тер-мовлажностного старения полимерных композитов, так как при повышении температуры можно ускорить процессы старения. Исследования тенденций изменения физических и механических свойств полимерных ком-позитов на основе стекло-, угле- и базальтового волокна и эпоксидных, акриловых и полиамидных термопластических связующих при термовлажностном старении в различных средах (дистиллированная вода, морская вода, машинное масло, щелочные растворы и т.д.) отражены в работах авторов [6–19]. В работах основное внимание уделяется исследованию деграда-ции микроструктуры, диффузии жидкой среды. Разрушение волокнистых композиционных мате-риалов является многостадийным процессом, связан-ным и с формированием дефектных структур, таких как растрескиванием матрицы, расслоение и разрыв волокон. Для изучения инициирования и распростра-нения данных дефектных структур в процессе дефор-мирования стеклопластиков, предварительно соста-ренных в различных средах, применяются в том числе и дополнительные методы диагностики материалов. Для получения дополнительной информации о влиянии агрессивных сред на механизмы структурного разрушения в стеклопластике в работе применяется методика совместного использования испытательных систем и системы регистрации сигналов акустической эмиссии (АЭ). Метод акустической эмиссии основан на регистрации упругих волн, возникающих при де-формировании и внутренней локальной перестановке в структуре материала [20]. Анализ собранных опытных данных позволяет исследовать процессы, связанные с инициацией дефектов, их распространением в струк-туре материала под действием нагрузки в режиме ре-ального времени [21–23]. Авторы в своих работах об-ращают внимание на целесообразность использования данного метода с целью экспериментального исследо-вания процессов деформирования в стеклопластиках. Чаще всего в качестве информативного параметра ис-пользуется частота спектрального максимума (харак-теристика быстрого преобразования Фурье) [24–28]. Большое внимание уделяется вопросам установления связи с механизмами структурного разрушения в ком-позиционных материалах по параметрам сигналов аку-стической эмиссии. При подобного рода исследованиях наблюдается определенная зависимость: высокие значения частот сопоставляют с разрывами волокон, низкие – с разрушением матрицы, а средние – с обра-зованием расслоений и нарушением адгезии между структурными элементами композита [29–32]. Авто-рами также была экспериментально доказана связь частоты и амплитуды сигналов с основными механиз-мами накопления повреждений в волокнистых компо-зитах [33; 34]. В ряде работ представлены данные об использовании метода акустической эмиссии при ис-следовании температурного старения и старения в аг-рессивных средах волокнистых композиционных ма-териалов [35–38]. Целью работы является получение и анализ новых опытных данных, иллюстрирующих влияние предвари-тельного термовлажностного воздействия агрессивных сред на несущую способность и остаточную прочность стеклопластика в условиях квазистатического деформи-рования и исследование процессов накопления повреж-дений и разрушения на основе комплексного анализа механических характеристик и параметров сигнала акустической эмиссии.

Об авторах

Д. С. Лобанов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Е. М. Лунегова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Список литературы

  1. Lobanov D.S., Slovikov S.V. Mechanical behavior of a unidirectional basalt-fiber-reinforced plastic under thermomechanical loadings // Mech.Compos. Mater. - 2018 - Vol. 54, no. 3. - P. 351-358
  2. Lobanov D.S., Babushkin A.V., Luzenin A.Yu. Effect of increased temperatures on the deformation and strength characteristics of a GFRP based on a fabric of volumetric weave // Mech.Compos. Mater. - 2018. - Vol. 54, no. 5. - P. 655-664.
  3. Lobanov D.S., Lunegova E.M., Mugatarov A.I. Influence of preliminary thermal aging on the residual interlayer strength and staging of damage accumulation in structural carbon plastic // PNRPU Mech. Bull. - 2021. - No. 1. - P. 41-51.
  4. Lobanov D.S., Zubova E.M. Research of temperature aging effects on mechanical behaviour and properties of composite material by tensile tests with used system of registration acoustic emission signal // Procedia Struct.Integr. - 2019. - Vol. 18. - P. 347-352.
  5. Kablov E.N., Startsev V.O. The Influence of Internal Stresses on the Aging of Polymer Composite Materials: Review // Mech.Compos. Mater. - 2021. - Vol. 57, no. 5. - P. 565-579.
  6. Комплексное исследование воздействия климатических и эксплуатационных факторов на новое поколение эпоксидного связующего и полимерных композиционных материалов на его основе часть 4. Натурные климатические испытания полимерных композиционных материалов на основе эпоксидной матрицы / Е.В. Николаев, С.Л. Барботько, Н.П. Андреева, М.Р. Павлов, Д.В. Гращенков // Труды ВИАМ. - 2016. - № 6 (42). - С. 93-108.
  7. de Souza L.R., Marques A.T., d'Almeida J.R.M. Effects of aging on water and lubricating oil on the creep behavior of a GFRP matrix composite // Compos. Struct. - 2017. - Vol. 168. - P. 285-291.
  8. Park S.Y., Choi W.J., Choi H.S. The effects of void contents on the long-term hygrothermal behaviors of glass/epoxy and GLARE laminates // Compos. Struct. - 2010. - Vol. 92, № 1. - P. 18-24.
  9. Исследование свойств наномодифицированных углекомпозитов до и после термовлажностного старения / В.А. Большаков, С.В. Кондрашов, Ю.И. Меркулова, Т.П. Дьячкова, Г.Ю. Юрков, А.В. Ильичев // Авиационные материалы и технологии. - 2015. - № 2 (35). - С. 61-66.
  10. Изменение физико-механических и термомеханических свойств базальтопластика в результате климатического старения / А.Н. Блазнов, А.С. Кротов, В.Б. Маркин [и др.] // Южно-Сибирский научный вестник. - 2019. - № 3 (27). - С. 116-120.
  11. Malmstein M., Chambers A.R., Blake J.I.R. Hygrothermal ageing of plant oil based marine composites // Compos. Struct. - 2013. - Vol. 101. - P. 138-143.
  12. Effect of hygrothermal aging on the damage characteristics of carbon woven fabric/epoxy laminates subjected to simulated lightning strike / Y. Li, R. Li, L. Huang, K. Wang, X. Huang // Mater. Des. - 2016. - Vol. 99. - P. 477-489.
  13. Evaluation of tensile strength retention and service life prediction of hydrothermal aged balanced orthotropic carbon/glass and Kevlar/glass fabric reinforced polymer hybrid composites / M. Muralidharan, T.P. Sathishkumar, N. Rajini, P. Navaneethakrishnan, S. Arun Kumar, S.O. Ismail, K. Senthilkumar, S. Siengchin //j. Appl. Polym. Sci. - 2022. - Vol. 139 (6). - 51602.
  14. Experimental research into the effect of external actions and polluting environments on the serviceablity of fiber-reinforced polymer composite materials / D.S. Lobanov, V.E. Vildeman, A.D. Babin, M.A. Grinev // Mech.Compos. Mater. - 2015. - Vol. 51, no. 1. - P. 97-108.
  15. Characterization of sea water ageing effects on mechanical properties of carbon/epoxy composites for tidal turbine blades / N. Tual, N. Carrere, P. Davies, T. Bonnemains, E. Lolive // Compos. Part A Appl. Sci. - 2015. - Vol. 78. - P. 380-389.
  16. Davies P., Le Gac P.-Y., Le Gall M. Influence of Sea Water Aging on the Mechanical Behaviour of Acrylic Matrix Composites I // Appl.Compos. Mater. - 2017. - Vol. 24. - P. 97-111.
  17. Панин С.В., Старцев О.В., Кротов А.С. Диагностика начальной стадии климатического старения ПКМ по изменению коэффициента диффузии влаги // Труды ВИАМ. - 2014. - № 7. - C. 9
  18. Развитие методов климатических испытаний материалов для машиностроения и строительства в ГЦКИ ВИАМ им. Г.В. Акимова / С.В. Панин, В.О. Старцев, М.Г. Курс, Е.А. Варченко // Все материалы. Энциклопедический справочник. - 2016. - № 10. - С. 50-61.
  19. Старцев О.В., Лебедев М.П., Блазнов А.Н. Старение полимерных композиционных материалов в нагруженном состоянии // Все материалы. Энциклопедический справочник. - 2020. - № 10. - С. 7-18.
  20. Неразрушающий контроль: справочник: 8 т. / под общ. ред. В.В. Клюева. Т 7: в 2 кн. Кн. 1: В.И. Иванов, И.Э. Власов. Метод акустической эмиссии; Кн. 2: Ф.Я. Балицкий, А.В. Барков, Н.А. Баркова [и др.] // Вибродиагностика. - М.: Машиностроение, 2005. - 829 с.
  21. Степанова Л.Н., Чернова В.В., Кабанов С.И. Анализ модового состава сигналов акустической эмиссии при одновременном тепловом и статическом нагружении образцов из углепластика Т800 // Контроль. Диагностика. - 2018. - № 11. - С. 4-13.
  22. On the use of acoustic emission to identify the dominant stress/strain component in carbon/epoxy composite materials / K.-A. Kalteremidou, D.G. Aggelis, D. Van Hemelrijck, L. Pyl // Mech. Res.Commun. - 2021. - Vol. 111. - P. 103663.
  23. Investigation of the Staging of Damage Accumulation in Polymer Composite Materials during Bending and Tensile Tests / A.A. Bryansky, O.V. Bashkov, D.P. Malysheva, D.B. Solovev // Key Eng. Mater. - 2021. - Vol. 887. - P. 116-122.
  24. Damage mechanisms assessment of Glass Fiber-Reinforced Polymer (GFRP) composites using multivariable analysis methods applied to acoustic emission data / W. Harizi, S. Chaki, G. Bourse, M. Ourak // Compos. Struct. - 2022. - Vol. 289. - P. 115470.
  25. Damage process in glass fiber reinforced polymer specimens using acoustic emission technique with low frequency acquisition / L. Friedrich, A. Colpo, A. Maggi, T. Becker, G. Lacidogna, I. Iturrioz // Composite Structures. - 2021. - Vol. 256. - P. 113105.
  26. Arumugam V., Saravanakumar K., Santulli С. Damage characterization of stiffened glass-epoxy laminates under tensile loading with acoustic emission monitoring // Compos. B. Eng. - 2018. - Vol. 147. - P. 22-32.
  27. Feature selection and clustering of damage for pseudo-ductile unidirectional carbon/glass hybrid composite using acoustic emission / A. Ichenihi, W. Li, Y. Gao, Y. Rao, A. Ichenihi // Appl. Acoust. - 2021. - Vol. 182. - P. 108184.
  28. Zhao W., Pei N., Xu Ch. Experimental study of carbon/glass fiber-reinforced hybrid laminate composites with torsional loads by using acoustic emission and Micro-CT // Compos. Struct. - 2022. - Vol. 290. - P. 115541.
  29. Barile C., Casavola C., Pappalettera G., Vimalathithan P.K. Damage characterization in composite materials using acoustic emission signal-based and parameter-based data // Compos. B. Eng. - 2019. - Vol. 178. - P. 107469.
  30. Beheshtizadeh N., Mostafapour A., Davoodi S. Three point bending test of glass/epoxy composite health monitoring by acoustic emission // Alex. Eng. J. - 2019. - Vol. 58, is. 2. - P. 567-578.
  31. Experimental and numerical investigation on fracture behavior of glass/carbon fiber hybrid composites using acoustic emission method and refined zigzag theory / I.E. Tabrizi, A. Kefal, J.S.M. Zanjani, C. Akalin, M. Yildiz // Compos. Struct. - 2019. - Vol. 223. - P. 110971.
  32. Groot P.J., Wijnen A.M., Janssen R.B. Real-time frequency determination of acoustic emission for different fracture mechanisms in carbon/epoxy composites // Compos. Sci. Technol. - 1995. - Vol. 55, no. 4. - P. 405-412.
  33. Tretyakov M.P., Tretyakova T.V., Zubova E.M. Experimental study of the crack growth processes in composite samples // AIP Conference Proceedings. - 2020. - Vol. 2216. - P. 040020.
  34. Брянский А.А., Башков О.В. Идентификация структурных повреждений в стеклопластике, подвергнутом термоокислительному старению // Новые материалы и технологии в условиях Арктики: сб. тез. - 2022. - С. 112-114.
  35. Evaluation of thermally-aged carbon fiber/epoxy composites using acoustic emission, electrical resistance and thermogram / P. Shin, J. Kim, H. Park, Y. Baek, D. Kwon, K.L. DeVries, J. Park // Comp. Struct. - 2018. - Vol. 196. - P. 21-29.
  36. Godin N., Huguet S., Gaertner R. Influence of hydrolytic ageing on the acoustic emission signatures of damage mechanisms occurring during tensile tests on a polyester composite: Application of a Kohonen's map // Composite Structures. - 2006. - Vol. 72, is. 1. - P. 79-85.
  37. Mouzakis D.E., Dimogianopoulos D.G. Acoustic emission detection of damage induced by simulated environmental conditioning in carbon fiber reinforced composites // Engineering Fracture Mechanics. - 2019. - Vol. 210. - P. 422-428.
  38. Акустическая эмиссия в вершине трещины при охлаждении влагонасыщенного композита / О.В. Старцев, В.В. Поляков, Д.С. Салита, М.П. Лебедев // Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах. - 2020. - Т. 492-493. - С. 157-161.
  39. Lobanov D.S., Yankin A.S., Berdnikova N.I. Statistical evaluation of the effect of hygrothermal aging on the interlaminar shear of GFRP // Frat. ed Integrita Strutt. - 2022. - Vol. 16 (60). - P. 146-157.

Статистика

Просмотры

Аннотация - 198

PDF (Russian) - 116

Cited-By


PlumX


© Лобанов Д.С., Лунегова Е.М., 2022

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах