Высокопрочные углепластики на эпоксидной матрице с регулируемым адгезионным взаимодействием, страница 17

Все промежуточные варианты модификации волокна равноправныпо сравнению с рассматриваемым предельным вариантом для достиженияравенства предельных деформаций межфазного слоя и волокна. Результатырасчетов представлены в табл. 6.4 и на рисунке 6.5.128Таблица 6.4Результаты математического моделирования прочности композита (  cb )путем повышенияадгезионной прочности (  ab ) при фиксированном адгезионном модуле ( Amf ) cb cbМПаAmfПа∙мfma fb mb abМПаМПаМПаМПаМПаМПа848484848458647178850,008110047500 1920235828200,009122047500 2120256428200,010135047500 2350287128200,011149047500 2590317828200,012162047500 282034852820где: cb - предельная деформация композита (безразмерная), cb - предел прочности композита [МПа],Amf - адгезионый модуль пары матрица-волокно [МПа∙м], f - напряжение в волокне при разрушении композита [МПа], m - напряжение в матрице при разрушении композита [МПа], a - адгезионное напряжение при разрушении композита [МПа], fb - предел прочности волокна [МПа], mb - предел прочности матрицы [МПа], ab - адгезионный предел прочности [МПа].Рисунок 6.5 - Проектирование равнопрочного композита при фиксированном адгезионноммодуле пары волокно-матрица.129На рис.

6.5 использованы следующие обозначения:с_bпроектное- предел прочности композита после повышения адгезии волокна кматрице;с_bначальное- начальный предел прочности композита; a _ b - предел адгезионной прочности связей волокно-матрица, a _ b - предельная деформация композита, при которой начинается отслоениеволокна от матрицы, f _ b - предельная деформация волокна.Из рисунка 6.5 и таблицы 6.4 видно, что путем увеличения адгезионнойпрочности с 58 до 85МПа, достигается рост прочности композита с 1100 МПадо 1620 МПа, а в конечном итоге - равнопрочный по модам «разрушениеволокна» и «отслоение матрицы от волокна» углепластик.В результате проведенных теоретических исследований, в рамках единойинженерной методики построены и изучены три математические моделикомпозиционногоматериалапоследовательновозрастающейсложности.Показано, при каких условиях более сложные модели вырождаются в менеесложные, при этом отличие моделей определяется (в том числе) и наличиемструктуры межфазного слоя, образующегося на границе контакта фаз.Установлено, что первая модель, не учитывающая адгезию волокна кматрице, приводит к традиционному результату – формуле Фойхта (правилусмеси) для модуля композита (6.5).

Она не позволяет определить касательныенапряжения и, как следствие, не дает возможность ставить и решать задачипрочности на моды разрушения, связанные со сдвигом. Вторая модельприводит к обобщению правила смеси в рамках классической теорииупругости. Модуль Юнга композита определяется из соотношения (6.18)-(6.19),имеющего вид формулы Рейсса для трех фаз: волокна, матрицы и межфазногослоя. В предельном случае бесконечно длинных волокон полученноесоотношение вырождается в формулу Фойхта. В этой модели напряженно-130деформированное состояние уже не однородно, что является ее достоинством.Это позволяет ставить и решать задачи прочности для мод разрушения с учетомсдвига.

Появление третьей фазы – межфазного слоя - является следствиемМодели-2, её механические свойства полностью определяются свойствамиисходных фаз в соотношениях (6.18) и (6.19). Однако и вторая модель также неучитывает адгезию волокна к матрице.Третья, разработанная в диссертационной работе модель в соответствии с(6.32), позволяет прогнозировать возможность увеличения жесткости реальногокомпозита до величин, превышающих предельные, предписанные в рамкахклассической теории «вилкой» Фойхта-Рейсса. Разработанная модель вводит врассмотрение дополнительные физические параметры фаз – адгезионныемодули, являющиеся неклассическими с точки зрения традиционной механикисплошной среды.

В рамках этой модели граничные слои, межфазный слой вцелом, его геометрические и механические свойства уже не определяются черезклассические параметры фаз, а зависят от неклассических параметров всоответствииссоотношениями(6.33).Показанавозможностьрасчетамеханических свойств композита равнопрочного по модам «разрушениеволокна» и «отслоение матрицы от волокна».Объяснено противоречие,возникающее при сравнении предельных деформаций композита и егокомпонентов в рамках классических представлений теории композитов, вкоторой не учитывается адгезия волокна к матрице.

Обнаруженный фактпониженной прочности существующих волокнистых композитов долженстимулировать постановку и проведение экспериментальных работ поисследованию механических свойств полимерных матриц на микроуровне.131ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ1.Предложен комплекс современных методик и методологическийподход к оценке состояния поверхности углеродных волокон разных марок, ихдефектности, структуры эпоксидной матрицы в граничных слоях, адгезионноговзаимодействия на межфазной границе и количественные критерии для отбораармирующих углеродных волокон при создании высокопрочных углепластиков.2. Исследованашероховатость(Ra)углеродныхволокнистыхнаполнителей разных марок и установлены ее количественные характеристики.Для углеродных волокнистых наполнителей шероховатость изменяется впределах от 11 до 111нм, при этом прочность УВ изменяется от 4500 до 2200МПа.3.Методом комбинационного рассеивания света исследован фазовыйсостав поверхности углеродных волокнистых наполнителей и показано, что онасостоит из активной аморфной и инертной кристаллической фазы.

Предложенпараметр fS (добротность) для оценки состояния поверхности УВ, которыйпредставляет собой относительную долю аморфного углерода в оболочке УВ иустановлена зависимость прочности при межслоевом сдвиге углепластиков отпараметра fS УВ.4.С помощью метода ЭПР определено количество ПМЦ в УВ разныхмарок и в углепластиках.

Показано, что адгезионное взаимодействие на границераздела фаз обусловлено образованием донорно-акцепторных связей УВ сэпоксидным связующим и определяется концентрацией и «временем жизни» (неменее 10-7÷10-8 с) ПМЦ. Впервые на количественном уровне удалось разделитьПМЦ поверхности и объема УВ и определить их число, пошедшее наобразование связей на границе волокно – эпоксидная матрица.5.Изучено влияние поверхности УВ на микроструктуру эпоксиднойматрицы и показано, что она состоит из глобул размером 0,20÷0,80мкм,132заключенных в дисперсионную среду, а их объемная концентрация составляет 40÷ 58об.% в зависимости от состава эпоксидного связующего.6.Разработаны и оптимизированы режимы термоокислительнойобработки УВ (температура – 600÷ 700С и время – 10÷15мин), что позволилоснизить шероховатость Ra (на 20%) и значение максимального перепада высот(на 25%), увеличить количество кислородсодержащих групп, долю аморфнойфазы, концентрацию глобул в эпоксидной матрице (с 41% до 53%) и повыситьадгезионное взаимодействие на границе углеродное волокно - эпоксиднаяматрица.7.На основе классических моделей механики сплошной средыразработана математическая модель для расчета прочности при растяжениикомпозитов, отличающаяся тем, что в ней учитываются характеристикиадгезионного модуля (Amf) и прочности адгезионного взаимодействия (ab).Результаты теоретических и экспериментальных исследований положеныв основу конструкторско-технологических разработок при проектированииизогридных опор линий электропередач (Группа компаний «Машспецстрой»),комплекта углепластиковой арматуры (ООО «НИАГАРА»), углепластиковыхламелей,предназначенныхдлявнешнегоусиленияжелезобетонныхконструкций (ООО Нанотехнологический центр композитов»), воздушноймишени «Дань-М» (ОАО НПО «ОКБ им.

М.П. Симонова»), арочных элементовиз углепластика (НИИГрафит). Результаты работ использованы в НИР и ОКР вИнжиниринговом центре «Новые материалы, композиты и нанотехнологии».133СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙБЭТ – Брунауэра – Эммета - Тэллера методВИАМ – Всероссийский институт авиационных материаловДМА – динамический механический анализаторДСК – дифференциальный сканирующий калориметрКК – кислородсодержащие комплексыКРС – комбинационное рассеяние светаМПа – мегапаскальПАН – полиакрилонитрилПКМ – полимерный композиционный материалRTM – ResinTransferMolding – метод пропитки под давлениемПМЦ – парамагнитный центрУВ – углеродное волокноЭПР – электронный парамагнитный резонансd –диаметр волокна2H – расстояние между волокнами в монослоеl – длина волокна – относительная объемная доля волокон в углепластике134hm –полутолщинаслояматрицывэквивалентнойслоистойячейкепериодичностиhlm – толщина граничного слоя матрицыE m – модуль Юнга матрицыG m – модуль сдвига матрицыAm – адгезионный модуль поверхности матрицы m – деформация матрицыam – параметр краевого эффекта матрицы m _ max – максимальное осевое нормальное напряжение матрицы bm – предел прочности на растяжение матрицы m _ max –максимальное касательное напряжение матрицы bm – предел прочности на сдвиг матрицыnm – запас прочности матрицыhf –полутолщинаслояволокнавэквивалентнойпериодичностиhlf – толщина граничного слоя волокнаE f – модуль Юнга волокнаG f – модуль сдвига волокнаAf– адгезионный модуль поверхности волокна f – деформация волокнаслоистойячейке135a f – параметр краевого эффекта волокна f _ max – максимальное осевое нормальное напряжение волокна bf – предел прочности на растяжение волокна f _ max –максимальное касательное напряжение волокна bf – предел прочности на сдвиг волокнаn f – запас прочности волокнаf a – сила адгезионного взаимодействия волокна и матрицы a – адгезионное напряжение ab – предел адгезионной прочности поверхности контакта матрица-волокноb – ширина эквивалентной слоистой ячейки периодичностиp – осевая нагрузка на ячейку периодичности, распределенная по её торцамu – осевая компонента вектора перемещений – осевые нормальные напряжения в ячейке периодичности – касательные напряжения в ячейке периодичностиx, y – декартовы координаты на ячейке периодичностиE – локальный модуль Юнга ячейки периодичностиG – локальный модуль сдвига ячейки периодичности – локальная деформация ячейки периодичностиpсb – предельное растягивающее напряжение ячейки периодичности136 сb – предельная деформация ячейки периодичностиEс – модуль Юнга композитаEl – модуль Юнга межфазного слоя,Amf – модуль адгезионной пары матрица-волокноL –лагранжианA –работа внешних силU – потенциальная энергияячейке периодичности, cbafm – предел прочности композита, равнопрочного относительно всех трех модразрушения cbaf – предел прочности композита, равнопрочного относительно двух модразрушения cba –предел прочности композита, разрушающегося за счет отслоения матрицыот волокна– начальный предел прочности композита– предел прочности композита после повышения адгезии волокна матрице.cbначальноеcbпроектное137СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1.Ненахов, С.