Высокопрочные углепластики на эпоксидной матрице с регулируемым адгезионным взаимодействием, страница 4

Методпозволяет определять количество парамагнитных центров (ПМЦ). Один ПМЦ–этосвободныйрадикал,обладающийспособностьюксильномумежмолекулярному взаимодействию. Чем больше радикалов, тем выше21активность волокна по отношению к матрице и прочнее образующаяся междуними адгезионная связь. Можно предположить, что окисление увеличиваетсодержание ПМЦ на поверхности УВ, однако в литературе не найденосведений об оценке их количества в зависимости от режимов окисления.Фазовое разделение в полимерном связующем выявляется методоммеханическойспектроскопиипопоявлениюновыхмаксимумовнатемпературной зависимости модуля механических потерь, а также методомрастровой электронной микроскопии.

Гетерофазность эпоксидных полимеровизучена в работах [35-37], авторы которых исследовали их физикомеханические и структурные характеристики. По мнению ряда исследователей[55-56], гетерофазность является причиной отклонений параметров реальныхструктурсетчатыхполимеровотопределяемыхстатистическимизакономерностями, т.к.

выделение коллоидно-дисперсной фазы для многихсетчатых полимеров протекает по спинодальному механизму, существеннымобразом изменяющему конечные свойства полимерных композитов. Фазовоеразделение, протекающее в олигомерной системе в процессе ее отверждения,детально изучено в серии работ Б.А. Розенберга [55, 56].Анализ проведенных работ показал, что свойствами ПКМ можноуправлять в широких пределах [57, 58], а технология окисления УВ являетсяперспективным методом регулирования их свойств.

Вместе с тем в литературенет данных о том, как изменяются свойства межфазной границы в зависимостиот режимов окисления.1.4.Моделирование свойств полимерных композиционных материаловВопросам микромеханики разрушения ПКМ уделяется все большеевнимание в связи со сложностью процессов, протекающих в них при различныхвидах нагружения [59-72]. Процессы разрушения композиционных материалов22рассматриваютсясамымиразличнымидисциплинами,втомчислематериаловедением, физикой твердого тела, механикой деформируемых сред идр. Проблема адгезионного взаимодействия связующего с волокном являетсяодним из частных случаев механики твердого деформируемого тела [73, 74].В идеальном ПКМ должна обеспечиваться равномерная передача усилийот одной фазы к другой, т.е. должно реализовываться структурное единствофаз [21]. При любых видах разрушения такое единство нарушается.Простейшиемоделиразрушенияпредполагаюттримеханизма:когезионное разрушение волокна, когезионное разрушение матрицы иадгезионное разрушение (расслоение) по границе их контакта [21].

Наиболеепроблемнойхарактеристикойкомпозитаявляетсяразрушениеегопомежфазной границе, которое препятствует реализации свойств компонентов.Этот вариант разрушения нивелируется с наибольшими трудностями, которыесвязаны с повышением требований к подготовке поверхности армирующихволокон, усложнением технологий производства композита и культурыпроизводства в целом. Решению этой проблемы посвящено подавляющеебольшинство работ, связанных с созданием композиционных материалов иразработкой технологии формования изделий на их основе [75-95].Разрушение любого твердого тела начинается на атомном и наноуровне,потом происходит на микро- и мезо- уровнях и уже далее завершается намакроуровне [21].

В середине ХХ в. для оценки характеристик монослоякомпозита в случае детерминированных свойств компонентов А. Келли [96]предложил использовать формулу, которая получила название «правилосмесей» :X к  X вVв  X м (1  Vв )(1.1)где Хк – некая характеристика композита; Хв и Хм – соответствующиехарактеристики волокна и матрицы; Vв – объемная доля волокна вкомпозиционном материале.23Если при расчетах механизма разрушения композита использоватьправило смесей, то полученные результаты часто существенно отличаются оттех, которые обеспечивают реальные материалы.

Существенным недостаткомправила смесей является отсутствие эффекта концентрации напряжений,выражающегося в неравномерном распределении нагрузки на волокнах, аименно это и приводит к разрыву единичного волокна, хотя возможно, что рисктакого разрушения обусловлен «хвостом» вейбулловского распределенияпрочности волокон. Еще одним недостатком правила смесей являетсяотсутствие учета свойств межфазного слоя.

Следует отметить, что «правилосмесей» может быть модифицировано в направлении учета влияния межфазнойграницы при описании деформирования гибридного композита, армированногодвумя типами хрупких волокон за счет растрескивания более жесткого.Вопросам оценки прочности и жесткости композитов посвящены работы[96-99], в которых авторы используют три типа критериев разрушения: первый– критерии предельного состояния, второй – критерии, учитывающиевзаимодействия различных компонентов напряжений, и третий – гибридные,включающие критерий многоосного напряженного состояния и предельныенапряжения.

Такой подход позволяет предсказать поведение материала, т.е.определить разрушающее напряжение при внешних нагрузках.В работе [30] рассмотрены различные аспекты оценки вклада межфазнойповерхности волокно-матрица в прочность композита, в том числе особенностиповерхности армирующих волокон и природы физико-химических связей наповерхности раздела. Однако при описании механизма передачи нагрузки черезповерхность раздела авторы работы [30] исходят из предположений нулевойтолщины межфазного слоя и идеальной адгезии, что не соответствует реальнымкомпозитам.Проблемы моделирования свойств композиционных материалов с учетомособенностей межфазного слоя рассмотрены в работе [59-63], где авторыпредлагают пути решения дифференциальных уравнений в неявном виде.24Такой подход позволяет описать различные технологические операциипроцессов производства изделий из композиционных материалов, в том числе ипроцессы, происходящие при повышенных температурах.Построение математической модели для описания поведения дажеединичноговолокнасамапосебеявляетсясложнойтеоретико-экспериментальной задачей и при расчетах исследователи традиционнополагают [98-100], что жесткостные и прочностные параметры волокнаявляются интегральными характеристиками.

Прочность ПКМ при растяжениипоперёк волокон и при межслоевом сдвиге определяется когезионнымисвойствами матрицы или отслоением матрицы от волокон при низкой ихадгезионной связи [22]. При сжатии поперёк волокон прочность материалаопределяется сколом матрицы под углом к направлению сжатия [100].Таким образом, несмотря на большое количество работ, посвященныханализу влияния межфазной зоны, в практике инженерного анализа ипроектирования свойств композитов это влияние не учитывают, ограничиваясьрассмотрениемволокнаиматрицыкакодномерныхструктурипредположениями о том, что механические свойства волокна определяютсямодулем Юнга и пределом прочности на растяжение. Однако, как можноубедиться из фотографии, приведенной на рисунке 1.1, УВ представляет собойсложную«конструкцию»,композитной«начинки».состоящуюОболочкаизцилиндрическойволокнаобразованаоболочкислоемиплотноупакованных фибрилл, коаксиальных оси волокна [100].

«Начинка» волокнасама по себе представляет собой волокнистый микрокомпозит, матрицейкоторогоявляетсясвойствами,аморфнаяблизкимикуглероднаякоксу.структура,Армирующимисмеханическимиэлементамиэтогомикрокомпозита являются отдельные фибриллы, представляющие собойскрутку из графитоподобных (графеновых) складчатых лент (рис. 1.2) [35].Проведенный анализ показал, что в публикациях, несмотря намногочисленные исследования особенностей межфазных слоев волокно -25матрица, инженерные методы оценки геометрических характеристик этих слоевотсутствуют. В связи с этим необходимо разработать теоретические моделимежфазных слоев с учетом топологии микрорельефа волокна и особенностейвзаимодействия на межфазной границе углеродное волокно- эпоксидноесвязующее.Углеродное волокнодиаметром 5-12 мкмбесконечной длиныФибрилла0,1-0,4 мкм впоперечнике микронной длиныМикрофибриллатолщиной 0,010,05 мкм микронной длиныПачкананоразмернойтолщины и длиныРисунок 1.2 - Иерархические уровни структуры углеродного волокна261.5.Обзор существующих теорий адгезии в рамках понятий механикисплошной средыАдгезионные взаимодействия между двумя телами представляют собойещё недостаточно разработанную область механики сплошной среды.

Обычноприменяется «пружинная» модель адгезии [74, 75], в соответствии с котороймежду адгезионно взаимодействующими телами вводится фиктивный слой,настолько малой толщины, чтобы можно было считать деформированноесостояние этого слоя однородным. Тогда взаимодействие тел через этотфиктивныйслойполностьюопределяетсяотносительнымсмещениемсоответствующих точек поверхностей контактирующих тел. Соответствующиежесткости пружин определяются через модули Юнга и сдвига «клея».Теория идеальной адгезии и теория «поверхностной упругости» [101,102] моделируют адгезионные взаимодействия двух тел, определяя наповерхности контакта дополнительные (адгезионные) напряжения, связанные сдеформациямиповерхностиконтактасоотношениями,аналогичнымиуравнениям закона Гука.