Высокопрочные углепластики на эпоксидной матрице с регулируемым адгезионным взаимодействием, страница 13

ЭтосвидетельствуетопреимущественномвлиянииповерхностиУВнамикроструктуру матрицы и величину межкомпонентного взаимодействия.Следует отметить, что изменчивость формы и ориентации дисперсныхчастиц матрицы ПКМ можно использовать для анализа распределениямикродеформаций в материале для построения картины его объемнодеформированного состояния на заключительной стадии разрушения.Для углепластиков на основе разработанного ВИАМ связующего ВСТ1210 характерно преимущественное расслоение по телу матрицы (см.

таблицу2.2), что свидетельствует о высокой адгезии его к поверхности наполнителя(доля когезионного расслоения составляет 80%). Как и в случае ЭДТ-10,прочность при межслоевом сдвиге углепластика (65 МПа) определяетсякогезионной прочностью матрицы. После термообработки этого УВ прочностьпри сдвиге пластика понижается до 45 МПа, однако это не влияет напластическое деформирование матрицы.

Увеличение содержания дисперсныхчастиц в матрице ВСТ-1210 и их укрупнение после дополнительной91термообработки углепластика свидетельствуют о продолжении в ней фазовогорасслоения. Следовательно, ее структура после отверждения по стандартномурежиму находится в неравновесном состоянии.а)б)в)г)Рисунок 5.8 - Микроструктура поверхностей разрушения углепластика (а, в) и эпоксиднойматрицы ВСТ-1210 (б, г) на основе не активированного волокна AS-4 (а, б) и после егоокислительной термообработки (в, г) при увеличении ×600 (а); ×10000 (б, г); ×3000 (в)По-видимому, такое же состояние в той или иной степени характерно и длядругих матриц в углепластиках, влияние термообработки которых в даннойработе не исследовалось.925.4.Количественная оценка межкомпонентного взаимодействия вуглепластикахИзмеряя парамагнитную восприимчивость волокон и пластиков, можноколичественно оценивать межкомпонентное (двумерное на наноуровне)взаимодействие в полимерных композитах [128].

При появлении такоговзаимодействиядолжнапротекатьволокна(кислородсодержащихрекомбинациякомплексов)иактивныхцентровреакционноспособныхфункциональных групп связующего [128]. Необходимыми условиями такогопроцесса является их соответствующее пространственное расположение,достаточное для взаимодействия расстояние между ними, и другие факторы.Тогда концентрация ПМЦ в углепластике (NКМ) будет уменьшаться наколичество центров, рекомбинированных матрицей.

Используя значения Nf иNS (таблица 3.6), опишем количественно процесс рекомбинации. Для случая,когда химическое взаимодействие между компонентами отсутствует, по«правилу смеси» можно записать:NКМ =NМ (1–χ)+NВ χ(5.2)где: χ – объемное содержание волокон в углепластике.Если имеет место химическое взаимодействие между компонентами,формула (5.2) приобретает следующий вид:NКМ =(NМ - NА) (1–χ)+(Nf- NА ) χ(5.3)где NА – количество ПМЦ волокна, рекомбинированных связующим.Полагая,чтоNА=ВNf,гдеконстантаВхарактеризуетстепеньрекомбинации ПМЦ волокна (0<B< 1), формулу (5.3) можно преобразовать:NКМ/Nf= [( NМ /Nf ) + (1- NМ /Nf) χ ] – В(5.4)Константу В можно рассчитать по формуле:В = [( NМ /Nf ) + (1- NМ /Nf) χ ] – NКМ /Nf(5.5)Константа В (константа химического взаимодействия) характеризуетэффективность процесса рекомбинации.93Экстраполяция зависимостей (5.4) и (5.5) при В→0 позволяет получитьзначение прочности композита, которая обеспечивается только механическимсцеплением компонентов в результате затекания матрицы в доступные порыволокна, при этом величина NКМ мало отличается от Nf.Экстраполяция их приВ→1 дает возможность определить максимальное значение адгезионнойпрочности, экспериментальное измерение которой представляет значительныетрудности.Рекомендации производителям углеродных волокон в части5.5.термоокислительной обработки1.

Режимы окислительной обработки, активирующей поверхность УВ,должны иметь адресный характер. Для использования в металлическихкомпозитахповерхностьобработанныхволокондолжнасодержатьминимальное количество кислородсодержащих функциональных групп, ноиметь максимальную поверхностную энергию, что гарантирует наилучшеесмачивание волокон металлами. Для волокон типа ВМН - 4и AS-4 режимтермоокисления должен проводиться при температуре до 500С или свыше800С.

Напротив, для применения в полимерных композитах поверхность УВдолжна быть насыщена кислородными комплексами и иметь минимальноеповерхностное натяжение. Термоокисление в этом случае должно проводитьсяв диапазоне температур 600÷700С. Продолжительность процесса подбираетсяэкспериментально, при этом потери массы волокна должны лежать в пределах3÷4 %.2. Из известных методов окисления УВ газовоздушный наиболеепредпочтителен, поскольку может осуществляться непрерывным способом,экономичен с точки зрения аппаратуры и продолжительности процесса. Но этот94метод требует жесткого контроля параметров обработки: температуры,продолжительности и состава окисляющей среды.3. ПриизотермическомокисленииУВвременнаязависимостьконцентрации КК экстремальна и следует за изменением во времени удельнойповерхности волокна.

Поэтому продолжительность процесса должна быть какможно более краткой и не должна превышать 10 ÷15-ти минут. Этообусловлено также неблагоприятным изменением функционального составаповерхности УВ по мере его окисления.4. На окисленное волокно необходимо сразу же наносить аппрет,защищающейегоповерхностьотвлиянияатмосфернойвлагииобеспечивающий высокую адгезию к полимерной матрице (или сохранениевысокой смачиваемости ее металлом).5.6.Методика выбора углеродных волокон, обеспечивающих высокуюадгезионную прочностьНа основании полученных результатов экспериментальных исследованийбыла разработана методика оценки качества УВ, способных обеспечивать вуглепластике наибольшую стойкость к расслоению.

В основу методики былиположены критические значения параметров шероховатости, добротности,полуширинысигналагарантирующиеЭПРдостижениеиконцентрациивысокой(непарамагнитныхменее50МПа)центров,прочностиуглепластика при межслоевом сдвиге. Экспериментальные зависимости, покоторымопределяликритическиезначенияуказанныхпараметров,представлены на рисунках 3.3, 3.10, 3.13.Ниже показаны граничные значениям параметров, используемых дляселекции (выбраковки) непригодных УВ и ПКМ на их основе:-по наношероховатости: RА ˃ 20 и Rq ˃ 100 нм;95- по добротности: при fS< 0,5;- по концентрации ПМЦ волокон: Nf ˂ 4,5×1017, спин/г (7,6×1017 спин/см3);- по концентрации ПМЦ углепластика: NКМ ˃ 1.6×1017 спин/г (2,4×10-17спин/см3);- по полуширине сигнала ЭПР углепластика: ΔНкм ˃ 25 эрстед.Таблица 5.4Механические свойства углепластиков и найденные в работе уровни показателей,позволяющие проводить селекцию углеродных наполнителейМаркиПрочностьДобротRа,NКМ×10Прочность ПКМ,17углеродныхУВ приность,нм,МПа3наполнителей растяжении,спин/смfSПриПриМПамежслое растяжени-вомисдвигеT-7004500±8000,59±0,1012,5±2,0 1,2±0,18 64±3,5 2050±150AS-4доокисленияAS-4послеокисленияHTS-454250±8000,48±0,05109±27,01,6±0,2446±4,61950±925100±5700,61±0,0787,5±9,62,1±0,1161±4,82130±854000±7500,38±0,0613,8±2,12,6±0,2134±6,01780±30T-3003500±7100,30±0,0428,7±7,22,7±0,4247±4,01400±168ЛУП-0,12500±3700,53±0,1023,1±3,52,1±0,1656±7,71110±89Элур-0,1П2400±4500,65±0,12111,2±481,8±0,1377±4,21020±122УОЛ-3002200±4000,38±0,0710,9±1,31,7±0,1430±1,41250±145Предельнодопустимыезначения-≥ 0,5020≥1,6--Алгоритм селекции УВ показан на рисунке 5.9, а в таблице 5.4 приведеныпредельно допустимые значения по всем исследованным характеристикам УВ.Как следует из полученных данных, наибольшие значения прочности (припрочих равных условиях) обеспечивают волокна Элур-0,1П, АS-4 окисленное иT-700, для которых были получены наибольшие показатели добротности – 0,65,0,61 и 0,59,невысокие значения шероховатостии наименьшее значениеполуширины спектра ЭПР, который характеризует степень межфазного96взаимодействия.ПоказательHКМотноситсякуглепластикам,характеристики добротности и шероховатости – к углеродным волокнам.Рисунок 5.9 - Алгоритм селекции УВ по критерию обеспечения наибольшей стойкостиуглепластиков к расслоениюа97ГЛАВА 6.

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ИНЖЕНЕРНЫЕМЕТОДИКИ6.1. Исходные математические моделиС целью развития представлений о механике волокнистых композитов вработе последовательно изучены три математические модели возрастающейсложности. Все модели построены в рамках единой инженерной методики.Первая модель – традиционная, рассматривает волокнистый композит какпараллельное соединение двух фаз при растяжении. Она приводит к известномурезультату – формуле Фойхта (правилу смеси) для эффективного модулякомпозита,нонепозволяетопределитькасательныенапряжения.Следовательно, с помощью этой модели нельзя ставить и решать задачипрочности на моды разрушения, связанные со сдвигом.Вторая модель в рамках классического подхода учитывает сдвиг междукомпонентами, что приводит к обобщению правила смеси. Модуль Юнгакомпозита определяется из соотношения, имеющего вид формулы Рейсса длятрех фаз: волокна, матрицы и межфазного слоя.

В предельном случаебесконечно длинных волокон полученное соотношение вырождается в формулуФойхта. Достоинством данной модели является то, что в её рамкахнапряженно-деформированное состояние (НДС) уже не является однородным.Это позволяет ставить и решать задачи прочности, в том числе, и для тех модразрушения, где учет сдвига является существенным. Появление третьегокомпонента – межфазного слоя является следствием модели, ее механическиесвойства полностью определяются свойствами исходных фаз.Третья модель построена с целью учета адгезионных взаимодействиймежду волокном и матрицей. Она приводит к неклассическому обобщениювыражения модуля Юнга композита, построенного в рамках второй модели, к98уточнению структуры межфазного слоя, а также к тому, что механическиесвойства этого слоя зависят от неклассических параметров исходных фаз –адгезионныхмодулей.Впредельномслучаеотсутствияадгезионныхвзаимодействий, выражения для модуля Юнга композита в рамках третьей ивторой модели совпадают.6.2.

Инженерная методика определения напряженнодеформированного состояния на ячейке периодичностиРассмотрим монослой композита, армированного волокнами. Разобьеммонослой на ячейки периодичности (рисунок 6.1) в предположении, чтоволокна в монослое распределены равномерно (на одинаковом расстоянии другот друга) и параллельно.Рисунок 6.1 - Схема разбиения монослоя на ячейки периодичностиПусть d - диаметр волокна, 2H - расстояние между волокнами в монослое, l длина волокна. Тогда d и H определяют относительную объемную долюволокон   d 2 /(16H 2 ) , размеры ячейки периодичности 2H  2H  l , а такжеполутолщины фаз hm , h f эквивалентной слоистой ячейки периодичности и еёширину b  d / 2 в соответствии с рисунком 6.2.99Рисунок 6.2 - Схема перехода к слоистой ячейке периодичностиИндексом m обозначены параметры, относящиеся к матрице (matrix), аиндексом f - параметры, относящиеся к волокну (fiber).