Высокопрочные углепластики на эпоксидной матрице с регулируемым адгезионным взаимодействием, страница 16

Даже еслиразрушение проходило по матрице так, что можно различить отдельноеволокно, его цилиндрическая поверхность будет не «голой», а покрытой слоемнеразрушенной матрицы.Таким образом, есть вполне логичный алгоритм отбора тех образцов,которые разрушились из-за низкой адгезионной прочности связей волокноматрица.Из соотношений (6.43) для отобранных образцов следуют три условияпрочности: fb  E f  кр mb  Em кр  Amf  ab (h  h ) крmfПоследнее равенство дает возможность экспериментального определениявеличины адгезионного предела прочности среднейдеформацииадгезионному модулюволокнами 2(h  h ) .mfрастяженияAmfкомпозитаabпо известной критической ,крранее определенномуи среднестатистическому расстоянию между120Вводя вместо пределов прочности предельные деформации получим: fb  E f  кр mb  Em кр кр   ab (hm  h f )Amf fb fb  E   крf    mb  кр mb Em(6.53)Если до эксперимента известны предельные деформации отдельноговолокна и чистой матрицы, то отбор образцов, разрушившихся путемрасслоения, можно проводить на основании неравенств (6.53).Такимобразом,вэтомразделесформулированыпрактическиерекомендации по отбору экспериментальных образцов, необходимых дляопределенияадгезионныххарактеристикиспытуемоговолокнистогокомпозита.6.8.

Сравнение теоретических и экспериментальных результатовопределения толщин граничных слоев эпоксидных матрицВнастоящеевремяприняторассматриватьмежфазнуюграницунаполнитель-матрица как многослойную, состоящую из граничного слояматрицы и граничного слоя волокна, составляющих межфазный слой.С использованием разработанных в главе 6 математических моделейнапряженно-деформированного состояния ПКМ и на основании результатовмикроструктурных исследований их строения (рисунки 4.4. – 4.7) былопроведеносравнениерезультатовтеоретическойполученныхопределенияоценки,теоретическихгеометриинапримермежфазныхтолщиныэтихиэкспериментальныхслоев.Погрешностьслоев,определяласьотносительно экспериментальной, которая принималась за 100%.

Из данных121таблицы 6.2 видно, что наименьшая величина погрешности составила 2.4%,наибольшая – 15.5%.Таблица 6.2Результаты теоретических и экспериментальных исследований толщин граничных слоёвуглепластиковЗначения толщинТеоретический расчет поЭкспе-Погреш-граничных слоев,моделямриментность, %мкмМодель 2Модель 3Углеродное волокно AS-4 / связующее ЭДТ-10Толщинаграничного слоя1,6152,710матрицы2,8Толщинаграничного слоя,0,0152,370,025волокнаУглеродное волокно AS-4 / связующее RTM-6Толщинаграничного слоя1,6092,68415,53матрицы2,3Толщинаграничного слоя,0,0230,039волокнаУглеродное волокно Т-700 / связующее М-21Толщинаграничного слоя1,5902,6917,41матрицы2,5Толщинаграничного слоя,волокна0,0170,029122Сопоставление экспериментально измеренных толщин граничных словэпоксидной матрицы с определенными по разработанным математическиммоделям, свидетельствует о хорошей точности расчета геометрии межфазныхслоев в углепластиках.Разработанные расчетные модели позволяют определить не толькотолщину граничного слоя в матрице, но и в объеме волокна.

Не смотря на то,что толщины этого слоя составляют 1-1.5% от толщин «матричного» (см.таблицу 6.2), его не стоит считать производным математического формализма.Толщины порядка десятков нанометров близки как к диаметру микрофибриллоболочки высокомодульных углеродных волокон, так и к толщинамразделяющих эти микрофибриллы прослоек аморфного углерода. Можнопредположить, что не только волокно формирует граничный слой полимернойматрицы, но и матрица активно влияет на структуру приповерхностногограничного слоя волокна.

Естественно, что это влияние по интенсивности напорядки уступает влиянию волокна на матрицу. Подобное заключение, конечноже, требует экспериментальной проверки. Однако, нельзя априори отрицатьвзаимность влияния на микроструктуру двух конденсированных физическихтел, приведенных в плотный контакт, тем более, что в результате этихисследований технологи могут получить ещё один инструмент для повышенияадгезии в ПКМ6.9. Определение резерва прочности углепластиков за счет повышенияадгезии волокна к матрицеНа примере композита КМУ-4э-2м (разработка ВИАМ) рассмотреныэкспериментально определенные упругие и прочностные характеристики123углепластика и его компонентов (наполнитель – лента ЭЛУР- 0,08П, матрицана основе связующего ЭНФБ-2М), приведенные в таблице 6.3.Таблица 6.3Механические характеристики углепластика КМУ-4э-2м и его компонентовХарактеристики углепластика КМУ-4э-2мПредел прочности при растяжении МПа cb1100Модуль упругости при растяжении ГПаEc135Предельная деформация0,008Характеристики углеродных волокон ленты ЭЛУР-П 0,08Предел прочности волокна при растяжении, МПа fbМодуль упругости волокна при растяжении, ГПаEf2820Предельная деформация0,012235Характеристики матрицы – ЭНФБ-2МПредел прочности при растяжении, МПа mb84Модуль упругости при растяжении МПаEm2800Предельная деформация0,030Из данных таблицы 6.3, следует, что, как правило, углепластик неявляется равнопрочными по модам «разрушение волокна» и «разрушениеадгезионногоконтактаволокно-матрица».Излитературныхданных[22]известно, что в ПКМ не удается полностью реализовать прочностьармирующих компонентов, в том числе и углеродных волокон.Максимум предела прочности углепластика достигается, если онравнопрочен для всех трех существенных возможных мод разрушения:1.

Разрушение адгезионного контакта волокно-матрица (отслоение).2. Когезионное разрушение волокна3. Когезионное разрушение матрицыТ.е. имеет место равенство предельных деформаций всех компонентовсистемы(композита): cb   ab   fb   mb .Умножаявыражениемодулякомпозита на предельную деформацию, с учетом уравнений закона Гукаполучим:124 cb   mb (1   )   fb   ab   cbafm(6.54)Здесь введено обозначение максимально возможного предела прочностикомпозита, равнопрочного относительно всех трех мод разрушения:  cbafm .Верхние индексы показывают индексы равнопрочных мод.Если равнопрочность обеспечивается только по двум модам  cb   fb   ab, то аналогично можно получить: cbaf   cbafm  Em ( mb   сb )(1   )(6.55)Здесь введено обозначение предела прочности композита, равнопрочногоотносительно двух мод разрушения:  cbaf .

Верхние индексы показываютиндексы равнопрочных мод.Наконец, если композит не равнопрочный, и спроектирован без учетаадгезии волокна к матрице, его предельная деформация, как правило, меньшепредельной деформации как волокна, так и матрицы. С точки зренияразвиваемого в данной работе подхода в таких случаях следует полагать, чтопредельная деформация композита равна предельной деформации поверхностиконтакта волокно-матрица, при которой начинается отслоение:    .cbabАналогично предыдущим выкладкам, получим выражение для пределапрочности в этом случае: cba   cbaf  E f ( fb   сb )(6.56)Следовательно, резерв прочности углепластика, реализуемый в случаеуправления адгезией волокна к матрице, можно оценить следующим образом: cbaf   cba (1  ab ) fb fb(6.57)Расчет прочности композита КМУ-4э-2М, исходя из равнопрочностиотносительно двух выбранных выше мод разрушения, позволяетнереализованный резерв его прочности:оценить125 cbaf   cba0,0081 (1  ab )  (1 ) * 0,6  0,195 fb fb0,0120 cbaf   cba   fb (1  ab)  1100  2820 * 0,195  1650 [МПа ] fbТаким образом, управлением адгезией матрицы к волокну можноповысить прочность данного углепластика почти на 20%, не переходя кразработке принципиально новых материалов.6.10.

Расчет углепластиков на растяжение с учетом адгезии волокна кматрицеПривыводе «адгезионного» обобщения формулыФойхта, былоустановлено, что:Eс  E f   Em (1   ) AmfH(6.58)Amf - адгезионный модуль пары волокно-матрица, 2 H - расстояние междуволокнами (для данного композита H  6,67мкм ).Из формулы (6.52) следует:Amf  [ Eс  E f   Em (1   )]H(6.59)В работе [134] приведено уравнение закона Гука для «адгезионногонапряжения»: aAmfHa(6.60)С точки зрения классической теории композитов [22], можно определитьпараметры композита.

Так, с учетом численных значений свойств углепластикаКМУ-4э-2М (табл. 6.3) рассчитаны:- относительная объемная доля волокна:126( Eс  Em ) 0.57( E f  Em )(6.61)- запасы прочности волокна:nf  fb 1.48( E f  cb / Ec )(6.62)- запасы прочности матрицы:nm  mb 3.70( Em cb / Ec )(6.63)Отсюда следует, что при разрушении композита волокно и матрица всоответствии с экспериментальными данными, полученными для волокон иматрицы, ещё не разрушены. Тот же вывод можно сделать, сравниваяпредельные деформации композита  cb   cb / Ec , волокна  fb   fb / E f и матрицы mb   mb / Em .Формально этот факт можно объяснить не удовлетворительной адгезиейволокна к матрице.

Так с учетом численных значений механическиххарактеристик углепластика КМУ-4э-2М (табл. 6.3) его адгезионные свойстваимеют следующие величины:- параметр Amf / H :AmfH Eс  E f   Em (1   )  600 МПа(6.64)- адгезионный модуль пары волокно-матрица Amf :Amf  4000 Па  м(6.65)- величина адгезионного напряжения:a AmfH cb  5 МПа(6.66)127- напряжение, действующее в волокне при нагрузке, отвечающей пределупрочности композита: f  E f  cb  1900МПа  2820МПа(6.67)- напряжение, действующее в матрице при нагрузке, отвечающей пределупрочности композита: m  Em cb  23МПа  84МПа(6.68)Таким образом, напряжения, как в волокне, так и в матрице, а моментразрушения композита оказались существенно ниже их предельных значений(2820 МПа и 84 МПа соответственно) Тот же вывод можно сделать, сравниваяпредельную деформацию композита с предельными деформациями волокна иматрицы.Если необходимо спроектировать равнопрочный по волокну и адгезииволокна к матрице углепластик, то предельные деформации волокна иповерхности контакта волокно-матрица должны быть равны.

Умение управлятьадгезионными свойствами поверхности контакта [134-136] позволяет добитьсяэтого выбором продолжительности и температуры термоокисления волокон.Так как в процессе термоокисления в общем случае меняются и пределадгезионной прочности, и адгезионный модуль, рассмотрим в качествепредельного случая вариант проектирования равнопрочного композита прификсированном адгезионном модуле пары волокно-матрица, представленныхрисунке 6.5.