Высокопрочные углепластики на эпоксидной матрице с регулируемым адгезионным взаимодействием (1025105), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Делали это графическим методом, строя прямую σКМ = σ0 +Δσ×Sк,где: Sк – относительная доля поверхности волокна, на которой не происходитадгезионногоразрушенияпластика(матрицаостаетсяприлипшейкповерхности волокна); σКМ – его прочность при сдвиге; Δσ – приращениепредела прочности матрицы при сдвиге в результате окисления поверхностиволокна. Результаты исследований приведены в таблице 4.2.Таблица 4.2Механические характеристики эпоксидных связующих и углепластиков на их основеХарактеристикиМарки эпоксидных связующихЭДТ-10ВСТ-1210 RTM-6М-21Прочность углепластика примежслоевом сдвиге, МПаХарактер разрушения примежслоевом сдвиге4545-65*6075-85СмешанныйДоля когезионного0.48расслоения, SККогезионная прочность63матрицы, МПа⃰После термообработки в течение 2 ч при 230С0,800,580,508284135Эпоксидная матрица ЭДТ-10 имеет невысокую когезионную прочность и,соответственно,углепластикинаееосноветакжеимеютневысокиехарактеристики при межслоевом сдвиге (45 МПа).
Наибольшая прочность присдвиге характерна для матрицы М-21.Аналогичные испытания проводили для углепластиков, изготовленныхметодом прессования на основе связующего ЭНФБ, углеродных лент и тканеймарок ЛУП-0,1, УОЛ-300, HTS-45 и SAATI.77Полученные результаты испытаний были использованы в дальнейшейработе для оценки качества УВ, применяемым для изготовления углепластиков.Анализ углепластика, изготовленного на связующем RTM-6 (рисунок 4.6,в, г, е), после испытаний на межслоевой сдвиг показал, что его микроструктурааналогична структуре связующего ЭДТ-10.
Дисперсные частицы вытянутойформы также фиксируют направление главных напряжений, как и в другихобразцах (см. рисунок 4.6, а). Дисперсные частицы, расположенные в участках,удаленных от влияния поверхности УВ, отличаются более крупными (0,40÷0,70мкм) размерами (см. рисунок 4.6, в), а их концентрация доходит до 50%.Больший размер дисперсных частиц, указывает на тот факт, что фазовоеразделение в связующемRTM-6 приближается к равновесному состоянию, хотяи не достигает его. Такой вывод можно сделать на основании полученныхизображений микроструктур, поскольку на них не видно расслоений помежфазной границе. Вероятно, это связано с более высокими значениямиадгезионной прочности (см. таблицу 4.2).Наиболее сложную микроструктуру имеет связующее М-21 (рисунок 4.7).абвРисунок 4.7- Микроструктура продольной (а) и поперечной (в) поверхностей разрушенияуглепластика на основе связующего М-21 и волокна Т-700 при увеличении ×2000;схематическое изображение микроструктуры (б)Наотдельныхучасткахповерхностиразрушенияможнообнаружитьнетипичный для эпоксидных матриц характер расслоения (рисунок 4.7, а, в).78Наряду с привычной для полиэпоксидов микрокомпозитной структурой сдостаточно равномерным распределением дисперсных частиц встречаютсяучастки, образованные «разветвленными» дисперсными частицами самойразнообразной формы.
При рассмотрении матрицы, удаленной от поверхностиволокон, эти участки формируют изолированные структурные фрагментыбольшего порядка с весьма четко выраженной границей раздела и поперечнымиразмерами 10÷20 и более мкм (рисунок 4.7, в). Образование такой необычноймикроструктуры, вероятно, возможно в случае введения в связующеетермопластичной или эластомерной компоненты с высокой молекулярноймассой и ограниченно растворимой в эпоксидном связующем. Растворэпоксидной смолы в этой компоненте, по-видимому, и выделяется в видеобнаруженных надструктур. Углепластик на основе этого связующего имеетповышенную прочность при межслоевом сдвиге (до 85 МПа). Исследованнаяматрица отличается высокой когезионной прочностью при сдвиге (до 135 МПа)и значительным удлинением при разрыве, хотя характер разрушениясмешанный - адгезионно-когезионный, т.е.
в углепластике не обеспечиваетсядостаточно высокая прочность сцепления между связующим и волокном.Таким образом, лучшие (приближающиеся к оптимальным) структурыобразуют связующие М–21 и ВСТ–1210. Структуры этого типа правильнейназывать структурами «управляемого хаоса» и они служат альтернативойгеометрически стройной традиционной структуре коаксиальных граничныхслоев значительной протяженности, что характерно, например, для связующегоЭДТ- 10.
Для подобных матриц любая микротрещина на границе раздела сволокном может превратиться в катастрофическую, поскольку не содержитстопперов, способных ее затормозить.Оптимальными можно считать «супрамолекулярные» микроструктуры,образованные сочетанием «правильных» (с ориентированным расположениемдисперсных частиц) граничных слоев небольшой (около двух диаметровволокна) длины, с короткими фрагментами с «неправильной» микроструктурой79(с хаотическим расположением частиц (см.
рисунок 4.7, в). В таком«супрамолекулярном» связующем рецептором служит термопластичная (илиэластомерная) составляющая, а субстратом – раствор эпоксидной частисвязующего в термопластичной (эластомерной) компоненте. Создание такоймикроструктуры обеспечит не только большую когезионную прочностьматрицы, но и окажет существенное влияние на динамику процессаразрушения, поскольку она будет способствовать торможению развитиямикротрещин. Это в итоге неизбежно приведет к повышению сопротивленияПКМ как статическим, так и ударным нагрузкам.80ГЛАВА 5.
РЕГУЛИРОВАНИЕ МЕЖФАЗНОГОВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НА ГРАНИЦЕ ЭПОКСИПОЛИМЕР –УГЛЕРОДНОЕ ВОЛОКНО МЕТОДОМ ТЕРМООКИСЛЕНИЯ5.1. Исследование температурного режима термоокисленияуглеродных волоконОкисление поверхности УВ является наиболее эффективным методомповышения их адгезии к полимерному связующему и прочности при сдвигеуглепластика [131]. Для исследований был выбран наиболее распространенныйиосвоенныйтермоокисления,впромышленностиотличающийсянепрерывныйвысокойспособвоздушногопроизводительностьюиэффективностью. Были использованы волокна ВМН-4, УКН-2500, ЛУП-0,1,ЭЛУР-0,1П отечественного производства и волокна марок АS-4, Т-300, Т-700,HTS-45, выпускаемые за рубежом [132-137].Окисление выбранных волоконпроводилось в изотермическом режиме в интервале температур 823 ÷ 1123К.На рисунке 5.1 приведены кривые относительных потерь массы (ΔМ*), изкоторых видно, что интенсивность термоокисления волокна резко возрастаетпри увеличении температуры: через 10 мин при 823 К потеря массы составляет1,5 %, при 923 К увеличивается до 20÷22 %, при 973 К за 2,5 мин – до 13 %.Для определения благоприятных (с точки зрения достижения высокойадгезионной прочности в углепластике) условий окисления УВ, когдадостигается наибольшее содержание на их поверхности кислородсодержащихкомплексов (КК), рассчитывали энергию активации (Еакт) процесса окисления,81Рисунок 5.1 - Зависимость массовых потерь от времени окисления волокна ВМН-4 притемпературе 823 (1), 873 (2), 923 (3), 973 (4), 1023К (5)скорость процесса (VS) и константу скорости реакции окисления (kS) с учетомизменений удельной поверхности волокна.
Для оценки ЕактопределялиVSпутем графического дифференцирования кривых ΔМ*(t) по потерям массы,после чего, экстраполируя зависимость VS(ΔМ*) к ΔМ*→0, определяли kS дляначальной стадии процесса. Величина энергии активации, рассчитанная понаклону прямой lgkS (1/Т) (рисунок 5.2, а) оказалась равной 195 кДж/ моль.Близкое к ней значение Еакт получается и в случае экстраполяции зависимостейVS(ΔМ*) при ΔМ*→ 100%(заключительная стадия процесса – см. начальную иконечную точки на кривой 1 рисунка 5.2,б). Невысокие значения «кажущейся»энергии активации, составляющие примерно половину от рассчитанной дляреакции окисления кислородом тонких графитовых пластин спектральночистого графита, можно объяснить диффузионным торможением продуктовреакции и кислорода в реакционной зоне, влияние которого увеличивается сростом удельной поверхности (S) и пористости (W) волокна [131].
При расчете82Рисунок 5.2 - Зависимость константы скорости окисления kS от обратной температуры (а) иэнергии активации Еакт (1), скорости VS (2), константы скорости (3), и параметра θ/θ0 (4) ототносительных потерь массы (б)скорости окисления Vs полагали, что для данной открытой системыконцентрация кислорода в зоне реакции из-за большого избытка не меняется.Зависимость этого параметра от относительной потери массы ΔМ ⃰ проходитчерез минимум при ΔМ ⃰ =7% (см. кривую 2 рисунка 5.2).Рисунок 5.3 - Зависимость удельной поверхности S(1), доступной пористости W (2),относительной прочности при сдвиге σab/(σab)нач (3), от времениt окисления волокна ВМН-4при 700оС83Как видно из рисунка 5.3, изотерма удельной поверхности S(t) имеетэкстремальный характер, достигает максимума при 4,2 м2/г, соответствующегопродолжительности окисления около 2 мин.
При более длительном окислениинаблюдается состояние насыщения зависимости S(t) на уровне 2,4 м2/г.Таким образом, на начальной стадии окисления, когда относительныепотери массы не превышают 7%, массоперенос в реакционной зонеопределяется процессом подвода окислителя – кислорода в реакционную зону,на последующих этапах при ΔМ ⃰ > 9% − прoцессом отвода из нее продуктовреакции (в основном оксида и диоксида углерода, соотношение которыхзависит от температурыидавления).ПриΔМ⃰7÷10% скорости=взаимообратных диффузионных потоков кислорода и продуктов дегазацииволокна в зоне реакции выравниваются, а удельная поверхность волокнадостигает максимума.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
