АНАЛИЗ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ АНТИФРИКЦИОННОГО КОМПОЗИТА ПЭИ/КУВ/ПТФЭ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРНОГО И ДЕФОРМАЦИОННОГО ФАКТОРОВ ДЕМПФИРОВАНИЯ

  • Авторы: Богданов А.А1,2, Панин С.В1,2, Буслович Д.Г1
  • Учреждения:
    1. Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск, Российская Федерация
    2. Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Российская Федерация
  • Выпуск: № 5 (2024)
  • Страницы: 5-13
  • Раздел: Статьи
  • URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mechanics/article/view/4428
  • DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2024.5.01
  • Цитировать

Аннотация


Введение коротких углеродных волокон (КУВ) способно значительно повышать усталостные свойства полимерных композиционных материалов (ПКМ). ПКМ используются в тяжелых условиях, где кроме механических свойств, также важны и функциональные, например, антифрикционные. Для этого в композит дополнительно вводятся специальные функциональные добавки, которые, однако, могут значительно ухудшить структуру ПКМ, и, как следствие, его сопротивление усталости. При этом оценка демпфирования является распространенным подходом для исследования сопротивления усталости материалов, в том числе полимерных композитов. Однако в литературе представлено недостаточное количество работ, в которых устанавливается взаимосвязь структуры ПКМ с сопротивлением усталости и демпфирующими свойствами. Объектом исследования были композиты на основе полиэфиримида (ПЭИ), армированные молотыми углеродными волокнами длиной 200 мкм с аспектным соотношением AR=20. В качестве антифрикционной добавки использован политетрафторэтилен (ПТФЭ) со средним размером частиц 3 мкм. Массовая доля компонентов в составе исследованных композитов была следующей: в двухкомпонентном композите «ПЭИ/КУВ»: 90 % ПЭИ + 10 % КУВ; в трёхкомпонентном «ПЭИ/КУВ/ПТФЭ»: 80 % ПЭИ + 10 % КУВ + 10 % ПТФЭ. Целью исследования было установление корреляционных связей «состав-структура-свойства» при усталостных испытаниях указанных композитов с использованием параметров петель механического гистерезиса. Усталостные испытания проведены на сервогидравлической испытательной машине при контроле нагрузки и максимальном напряжении в цикле i) 35, ii) 45 и iii) 55 МПа для трехкомпонентного антифрикционного композита ПЭИ/КУВ/ПТФЭ, а также i) 55, ii) 65 и iii) 75 МПа для двухкомпонентного композита ПЭИ/КУВ. Форма импульса нагружения – синусоидальная с коэффициентом асимметрии цикла R=0, т.е. минимальное напряжение во всех испытаниях было принято нулевым. В процессе усталостных испытаний чередовались два блока: i) основной блок нагружения с частотой 5 Гц и ii) измерительные блоки (циклы) для регистрации параметров петель гистерезиса с частотой нагружения 1 Гц. Во время измерительных циклов проводилась запись данных нагрузки, а также фотосъемка поверхности образца для оценки деформации и построения петель механического гистерезиса. По полученным петлям определялись следующие параметры: площадь петли, изменение динамического модуля и развитие циклической ползучести. Коэффициент демпфирования (потерь) ψ определялся как отношение площади петли гистерезиса к площади упругой энергии деформации. По результатам исследования проведена аттестация усталостных свойств антифрикционного композита ПЭИ/КУВ/ПТФЭ, а также даны рекомендации по их повышению.

Полный текст

Усталость при циклическом нагружении является одним из наиболее распространенных видов разрушения деталей и конструкций в промышленности [1–3]. При усталости в материале происходит микроструктурные изменения в виде зарождения и накопления повреждений, приводящих к локальной пластической (неупругой) деформации и, что сопровождается диссипацией энергии [4]. Многие авторы использовали энергетический параметр диссипации энергии (демпфирования) для изучения усталости и количественной характеризации данного процесса [5–7]. Численная оценка потери энергии традиционно проводится по площади петли механического гистерезиса [8]. Считается, что данный подход наилучшим образом подходит для изучения малоцикловой усталости, где величина неупругих деформаций и потери на гистерезис выше по величине (по сравнению с многоцикловой усталостью) и легче регистрируется. Однако исследования последних лет показали возможность расширения применения энергетического подхода и для анализа деформационных процессов при многоцикловой усталости [9]. Подобные исследования касаются, в первую очередь, металлических материалов [10]. Количественная характеризация свойств демпфирования использовалось многими авторами при изучении процессов усталостного повреждения полимерных композитов. При этом отмечается, что параметр (коэффициент) демпфирования может быть более чувствительным к развивающимся изменениям, чем традиционно анализируемое изменение (снижение) жесткости [11–13]. В работе [14] показано, что усталостная долговечность зависела от структуры границы раздела между компонентами (фазами) и особенно от наличия химической связи в межфазной области. Демпфирование может быть количественно охарактеризовано через коэффициент демпфирования ψ, также называемым фактором диссипации энергии (energy dissipation factor). Он рассчитывается как отношение потраченной (lost) энергии в цикле к полной упругой потенциальной энергии. Авторами работы [15] показано, что для однонаправленных слоистых композитов развитие усталостных повреждений (главным образом повреждение армирующих волокон) сопровождалось увеличением коэффициента демпфирования; при этом сравнение матриц (реактопласт - эпоксидная смола и термопласт - ПЭЭК) показало, что при использовании армирования теми же волокнами усталостная долговечность углеволоконного композита (с хрупкой эпоксидной матрицей) выше, чем у аналогичного композита с более пластичной термопластической матрицей. Авторы связывают этот эффект с образованием и ростом микротрещин в эпоксидной матрице, которые способствуют диссипации энергии в условиях приложения циклической нагрузки. Meneghetti и др. [16] показали, что потери энергии на гистерезис обусловлены главным образом развитием усталостных повреждений, а доля деформации ползучести, вызванная вязкоупругостью, при этом пренебрежимо мала. В работе [17] рассматривали композиты на основе полипропилена, армированные короткими стекловолокнами. Показано, что наличие как армирующих волокон, так и многочисленных границ раздела волокна с матрицей приводило к более высокому выделению тепла, по сравнению с ненаполненным материалом при одинаковой деформации в цикле. Также отмечалось, что повышение содержания волокна, а также слабая адгезия, приводят к увеличению потерь тепловой энергии. В работе [18] также показано, что увеличение демпфирования композита сопровождается снижением усталостной долговечности. Кроме того в работе [19] была показана возможность мониторинга (изменений) демпфирования с целью оценки зарождения повреждений в полимерных композитах при усталости, в том числе в неразъемных соединений адгезионно-сформованных композитов (adhesively bonded composite joint structures). Таким образом показано, что оценка демпфирования является эффективным подходом для исследования сопротивления усталости материалов, в том числе полимерных композитов. Однако, несмотря на это, в литературе в недостаточной степени описана взаимосвязь развития усталости и изменения демпфирующих свойств с особенностями структуры полимерных композитов. В данной работе сделана попытка выделить и количественно оценить деформационный и структурный факторы, связанные с диссипацией энергии, а также путем их количественной характеризации использовать для анализа усталостных свойств композитов на основе ПЭИ. Выявление данных факторов имеет потенциал для более точного прогнозирования сопротивления усталости и разработки композитов с повышенным сопротивлением ему через учёт типа наполнителей, их содержания, геометрии, а также характера распределения в объеме.

Об авторах

А. А Богданов

Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск, Российская Федерация; Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Российская Федерация

С. В Панин

Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск, Российская Федерация; Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Российская Федерация

Д. Г Буслович

Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск, Российская Федерация

Список литературы

  1. Tinga T. Principles of Loads and Failure Mechanisms. London: Springer London, – 2008. doi: 10.1007/978-1-4471-4917-0
  2. Carlson R.L., Kardomateas G.A., Craig J.I. Mechanics of Failure Mechanisms in Structures // Solid Mechanics and its Applications. Dordrecht: Springer Netherlands, – 2012. – V. 187. doi: 10.1007/978-94-007-4252-9
  3. Robinson P., Greenhalgh E., Pinho S. Failure Mechanisms in Polymer Matrix Composites: Criteria, Testing and Industrial Applications // Failure Mechanisms in Polymer Matrix Composites: Criteria, Testing and Industrial Applications / ed. Paul Robinson E.G. and S.P. Woodhead Publishing Limited, – 2012. – 1–450 p. doi: 10.1533/9780857095329
  4. Casado J.A. et al. Fatigue failure of short glass fibre reinforced PA 6.6 structural pieces for railway track fasteners // Eng. Fail. Anal. – 2006. – V. 13, No. 2 SPEC. ISS. – pp. 182–197. doi: 10.1016/j.engfailanal.2005.01.016
  5. Yamashita A., Takahara A., Kajiyama T. Aggregation structure and fatigue characteristics of (nylon 6/clay) hybrid // Compos. Interfaces. – 1998. – V. 6, No. 3. – pp. 247–258. doi: 10.1163/156855499X00071
  6. Carrascal I.A. et al. Fatigue damage analysis based on energy parameters in reinforced polyamide // Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. – 2012. – V. 35, No. 7. – pp. 683–691. doi: 10.1111/j.1460-2695.2011.01665.x
  7. Li A., Huang J., Zhang C. Enabling rapid fatigue life prediction of short carbon fiber reinforced polyether-ether-ketone using a novel energy dissipation–based model // Compos. Struct. Elsevier Ltd, – 2021. – V. 272, No. 6. – pp. 114227. doi: 10.1016/j.compstruct.2021.114227
  8. Arif M.F. et al. Multiscale fatigue damage characterization in short glass fiber reinforced polyamide-66 // Compos. Part B Eng. Elsevier Ltd, – 2014. – V. 61. – pp. 55–65. doi: 10.1016/j.compositesb.2014.01.019
  9. Kong D., Xiao X. High Cycle-life Shape Memory Polymer at High Temperature // Sci. Rep. Nature Publishing Group, – 2016. – V. 6, No. 92. – pp. 1–10. doi: 10.1038/srep33610
  10. Mortezavi V. et al. Fatigue analysis of metals using damping parameter // Int. J. Fatigue. Elsevier Ltd, – 2016. – V. 91. – pp. 124–135. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2016.05.011
  11. Shiozawa D. et al. Fatigue damage evaluation of short carbon fiber reinforced plastics based on thermoelastic temperature change and second harmonic components of thermal signal // Materials (Basel). – 2021. – V. 14, No. 17. doi: 10.3390/ma14174941
  12. Eftekhari M., Fatemi A. On the strengthening effect of increasing cycling frequency on fatigue behavior of some polymers and their composites: Experiments and modeling // Int. J. Fatigue. Elsevier Ltd, – 2016. – V. 87. – pp. 153–166. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2016.01.014
  13. Kuroshima Y. et al. Evaluation of fatigue strength of short carbon fiber reinforced thermo plastics by monitoring temperature rise in fatigue process // Nihon Kikai Gakkai Ronbunshu, A Hen/Transactions Japan Soc. Mech. Eng. Part A. – 1999. – V. 65, No. 633. – pp. 1105–1109. doi: 10.1299/kikaia.65.1105
  14. Hachiya H., Takayama S., Takeda K. Effect of interface entanglement on fatigue life of polymer alloy and composites // Compos. Interfaces. – 1998. – V. 6, No. 3. – pp. 187–200. doi: 10.1163/156855499X00026
  15. Zhang Z., Hartwig G. Relation of damping and fatigue damage of unidirectional fibre composites // Int. J. Fatigue. – 2002. – V. 24, No. 7. – pp. 713–718. doi: 10.1016/S0142-1123(01)00206-7
  16. Meneghetti G. et al. An hysteresis energy-based synthesis of fully reversed axial fatigue behaviour of different polypropylene composites // Compos. Part B Eng. Elsevier Ltd, – 2014. – V. 65. – pp. 17–25. doi: 10.1016/j.compositesb.2014.01.027
  17. Subramanian C., Senthilvelan S. Effect of fiber length on hysteretic heating of discontinuous fiber-reinforced polypropylene // Int. J. Polym. Mater. Polym. Biomater. – 2009. – V. 58, No. 7. – pp. 347–354. doi: 10.1080/00914030902852252
  18. Zheng C., Yang X., Wang S. Flexural fatigue behavior of novel co-curing damping composite structures // Thin-Walled Struct. Elsevier Ltd., – 2022. – V. 180, No. February. – pp. 109853. doi: 10.1016/j.tws.2022.109853
  19. Khoshmanesh S., Watson S.J., Zarouchas D. The effect of the fatigue damage accumulation process on the damping and stiffness properties of adhesively bonded composite structures // Compos. Struct. Elsevier Ltd, – 2022. – V. 287, No. July 2021. – pp. 115328. doi: 10.1016/j.compstruct.2022.115328
  20. Panin S. V. et al. Estimating Low-and High-Cyclic Fatigue of Polyimide-CF-PTFE Composite through Variation of Mechanical Hysteresis Loops // Materials (Basel). – 2022. – V. 15, No. 13. – pp. 1–18. doi: 10.3390/ma15134656
  21. Bogdanov A.A., Panin S. V. Prediction of Fatigue Life of Polyetherimide/Carbon Fiber Particulate Composites at Various Maximum Stresses and Filler Contents // Polymers (Basel). – 2024. – V. 16, No. 6. – pp. 749. doi: 10.3390/polym1606074

Статистика

Просмотры

Аннотация - 4

PDF (Russian) - 3

Cited-By


PlumX


© Богданов А.А., Панин С.В., Буслович Д.Г., 2024

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