Индивидуальные очистные сооружения: К классу индивидуальных очистных сооружений относят сооружения, пропускная способность которых...
Таксономические единицы (категории) растений: Каждая система классификации состоит из определённых соподчиненных друг другу...
Топ:
История развития методов оптимизации: теорема Куна-Таккера, метод Лагранжа, роль выпуклости в оптимизации...
Выпускная квалификационная работа: Основная часть ВКР, как правило, состоит из двух-трех глав, каждая из которых, в свою очередь...
Установка замедленного коксования: Чем выше температура и ниже давление, тем место разрыва углеродной цепи всё больше смещается к её концу и значительно возрастает...
Интересное:
Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов: Изучение оползневых явлений, оценка устойчивости склонов и проектирование противооползневых сооружений — актуальнейшие задачи, стоящие перед отечественными...
Искусственное повышение поверхности территории: Варианты искусственного повышения поверхности территории необходимо выбирать на основе анализа следующих характеристик защищаемой территории...
Влияние предпринимательской среды на эффективное функционирование предприятия: Предпринимательская среда – это совокупность внешних и внутренних факторов, оказывающих влияние на функционирование фирмы...
Дисциплины:
2017-10-09 | 340 |
5.00
из
|
Заказать работу |
|
|
Для ВПКМ с высопрочными и высокомодульными волокнами необходимо обеспечить деформационную совместимость компонентов и монолитность композиции. Деформационная совместимость компонентов обеспечивает монолитность ПКМ и, наряду с физико–химической совместимостью компонентов (смачивание, адгезия, теплофизические свойства), имеет важнейшее значение для реализации свойств волокон в ПКМ, которые несут основную нагрузку (при упругом деформировании напряжения в волокне в 20–40 раз больше напряжений в матрице) [3].
Механизм перераспределения напряжений в ВПКМ заключается в следующем:
1. при растяжении волокон они удлиняются и поперечно сжимаются;
2. удлинение волокон при растяжении приводит к появлению в плоскости, перпендикулярной приложенной силе, растягивающего напряжения, препятствующего поперечному сжатию волокон;
3. при поперечном сжатии пленка связующего, прилегающая к волокну, растягивается (деформация волокон приводит к деформации матрицы) или отрывается или растрескивается (зависит от τсц и σ+м в пограничном слое);
4. при разрушении ВПКМ под нагрузкой преодолеваются не только суммарная прочность волокон, но и силы, препятствующие поперечному сжатию;
5. эти силы тем больше, чем больше адгезия связующего к поверхности наполнителя Wадг = σп.н. (1+cos θ), где σп.н. – поверхностное натяжение жидкого связующего, θ – угол смачивания, и чем выше упругие свойства матрицы (необходимы матрицы с высокой прочностью и трещиностойкостью).
Даже при простейшем виде деформирования – растяжении однонаправленных ВПКМ вдоль волокон, в объеме ВПКМ возникает сложно–напряженное состояние. Наличие прочной связи между компонентами ВПКМ обуславливает появление в матрице и на границе раздела радиальных, тангенциальных и осевых напряжений. Вследствие различия в КЛТР волокон и матрицы (αм > αв) при охлаждении ниже температуры формования в ВПКМ возникают напряжения. Объемно–напряженное состояние создается в связи с различием значений коэффициентов Пуассона матрицы υм и волокон υв. Величины окружных и касательных напряжений из–за суммирования остаточных термических внешних напряжений соизмеримы с прочностью матрицы и прочностью сцепления τсц на границе раздела.
|
Понятие монолитности ВПКМ предполагает сплошность компонентов, отсутствие нарушения связи на границе раздела при деформировании ВПКМ до тех пор, пока не разрушатся волокна. Для ВПКМ необходимы матрицы и наполнители с конкретно задаваемым соотношением упруго-прочностных свойств. Независимо от вида нагружения условия сплошности описываются системой числовых неравенств между механическими характеристиками волокон и матриц, прочностью их сцепления при сдвиге и отрыве, обеспечивающих их совместную работу в ВПКМ с учетом объемов наполнителя и матрицы [3].
При этом обязательно выполнения всех условий монолитности:
;
при %;
при ;
;
, где:
Е – модуль упругости; ε – деформация; τ- напряжение сдвига; σ – напряжение растяжения; в – волокна; м – матрица; сц – прочность взаимодействия.
При одновременном нагружении и нагревании до температуры Т учитывается и разница в коэффициентах теплового расширения αм и αв. Тогда
;
;
;
Требования к свойствам матриц, указанные выше, вытекают из условия сохранения монолитности материала. Они в значительной степени превосходят уровень свойств промышленных отвержденных (густосетчатых) полимеров (таблица 4).
Для повышения свойств ПКМ необходимы матрицы с σ ≥ 250 МПа, относительным удлинением выше 3 %, деформационной теплостойкостью 200–300оС и водопоглощением не выше 1 %. Более перспективным является применение в качестве матриц линейных жесткоцепных полимеров, Gc которых колеблется в пределах 1700–3900 Дж/м2.
|
Таблица 4.
Рассчитанные показатели свойств матриц,
обеспечивающие монолитность однонаправленных ВПКМ [1, 3].
Свойства волокон | σ+, МПа | ||
Е +, ГПа | |||
ε+, % | 3,5 | ||
Требуемые свойства матриц | σ+, МПа | 250 1 | |
Е +, ГПа | 4,5 | 5,7 | |
ε+, % | 4,5 | 5,25 | |
Свойства межфазного слоя | τсц, МПа | 168 1 | |
1 труднодостижимые показатели |
У жесткоцепных матриц прочность при растяжении составляет 90–100 МПа, при изгибе 110–160 МПа, модуль упругости – 3500–4500 МПа и относительное удлинение – до 15 % (все это при плотности 1,2 – 1,3 г/см3 и теплостойкости 250–300оС).
Свойства термопластичных матриц (например, ПЭЭК) ближе к рассчитанным показателям идеального матричного компонента ВПКМ, однако реализовать их сложно, поскольку по технологическим причинам не обеспечивается требуемое значение τсц (плохое смачивание из–за высокой вязкости расплава) и прочности на границе контакта термопластичная матрица–наполнитель.
Существенно возрастают механические свойства термопластичных матриц, синтезируемых в форме блоксополимеров, в которых полужесткие блоки сочетаются с блоками жесткоцепными (ЖКП, жидкокристаллические термотропные жесткоцепные полиэфиры Вектра, LCP, Хайдар) [2].
Механические свойства формованных ЖКП близки к механическим свойствам типичных термопластов с 30 % об. дисперсного наполнителя. Жесткие блоки в ЖКП упрочняют полимер, а при оптимальном содержании мезофазы вязкость расплава составляет 10–100 Па·с. ЖКП являются основой самоармирующихся молекулярных ПКМ. Молекулярные композиты при плотности 1,35 г/см3 характеризуются прочностью при растяжении 140–160 МПа, при изгибе 180 МПа, относительным удлинением 5 % и теплостойкостью до 360оС.
4. Критическая длина волокна, lкрит..
Практически все параметры деформирования ВПКМ зависят от свойств волокон, свойств матрицы и прочности ее сцепления с наполнителем.
Под действием нагрузки в пограничном слое возникают напряжения, которые передаются по длине волокна неравномерно. Волокна состоят из отдельных звеньев, длина которых равна статистически определяемому расстоянию между локальными дефектами волокон. Минимальная длина волокон l крит, при которой касательные напряжения на границе раздела с матрицей при передаче внешней нагрузки на волокна оказывается достаточной для реализации свойств волокон, должна быть меньше расстояниям между дефектами.
|
, где
– диаметр волокна;
σв, Е в – прочность и модуль упругости волокна;
Gм – модуль сдвига матрицы;
τсд – касательные напряжения на границе волокно-матрица
Так как τсд , l крит = 0,86·σв· d в / σтм
, где с – уровень адгезионного взаимодействия, с = 0,1–1,0.
Оценка вклада химических взаимодействий матрица–волокно (А) и за счет сил трения (шероховатость поверхности, текстура лент, тканей, Б) показывает, что
τсд = 375 А + 8,78 Б – 10,319
решающим является вклад в величину τсд за счет организации химического контакта матрица–волокно ("А" в 40 раз больше "Б").
Для ВПКМ, использующих в технологии нагрев (при отверждении термореактивных ПКМ из–за химических реакций сокращение расстояний с 30–40 нм до длины ковалентной связи ~ 15 нм, при стекловании, кристаллизации уменьшается свободный объем, тепловые и химические усадки), наибольший вклад в значение τсд связан с фрикционной составляющей (для теплопроводных ВПКМ он меньше), возникающей за счет давления Р на границе волокно–матрица из–за разницы αв и αм.
, где
ΔТ = Тс – 20оС,
Тс – температура стеклования, отверждения, кристаллизации
ν м; ν в – коэффициенты Пуассона.
Величина l крит определяет как критический объем волокон Vв,крит в ВПКМ,
так и прочность ВПКМ в зависимости от реальной длины волокон " l ", используемых в качестве наполнителя.
При l < l крит
При l > l крит , j
где β = 1 (матрица и волокна идеально упруги);
β = 0,5 (матрица и волокна идеально пластичны);
β = 0,9 (для высокомодульных ВПКМ, углеволокниты, волокниты с SiC-волокнами;
другие с волокнами, у которых Е+ > 250 ГПа).
Разрушение адгезионного взаимодействия концов волокон с матрицей неизбежно, т.к. они и τсд полимеров ниже σ+в. Передача усилий от матрицы на волокно возможно, т.к. на концах волокон возникают дополнительные силы, предотвращающие смещение волокон относительно матрицы – силы трения. Расчетная длина l крит должна быть увеличена на удвоенную длину фрикционного участка и реальная длина волокна l = 10–100 l крит. При l / l крит > 10 ВПКМ с короткими ориентированными волокнами имеют 95 % прочности ВПКМ с ориентированными непрерывными волокнами. Эффективность армирования достигается только при l крит / d в > 100 (до 350 и более), что связано со сложностью организации контакта волокно–матрица и сохранения его при эксплуатации изделий из ВПКМ. Критическая длина волокна определяется, в основном, организацией взаимодействия с использованием методов регулирования поверхностной энергии наполнителя и поверхностного натяжения жидкой полимерной матрицы перед стадией совмещения компонентов при изготовлении композиции.
|
Универсальных способов обработки поверхности наполнителей нет, хотя часто эти операции называют "аппретированием". Повышение τсц, τсд достигают использованием поверхностно– и химически активных, чаще всего, кремнийорганических веществ (аппретирование, снижение поверхностной энергии высокоактивных минеральных поверхностей, аппретирование стеклянных, кварцевых, базальтовых, SiC-волокон), электрохимическим окислением (метод ЭХО, повышение поверхностной энергии углеродных волокон), обработка поверхности полимерных волокон тлеющим, коронным разрядом, активация их поверхности). Целенаправленная обработка поверхности снижает l крит углеродных волокон с 0,35–0,6 мм до 0,1–0,2 мм (метод ЭХО); борных волокон – до 1,6–2,0 мм; стеклянных волокон – до 0,16–0,5 мм.
Так как σ+ВПКМ 1- l крит / l (см. формулу j), использование непрерывных волокон позволяет повысить упруго–прочностные свойства ВПКМ и использовать высокопроизводительные технологические приемы формирования полуфабрикатов (препрегов) и формирования изделий из них (намотка, пултрузия и др.).
Трещиностойкость ВПКМ.
В ВПКМ осуществляется эффективное перераспределение напряжений деформирования от матрицы к волокну, которое деформируется в соответствии со своими упруго–деформационными характеристиками до разрыва, обеспечивая упрочнение гетерофазной системы. Исчерпание прочности волокон позволяет достичь теоретического предела прочности ВПКМ при выполнении двух условий: отсутствия продольного растрескивания и низкой концентрации напряжений вблизи дефектов [3,4].
Качество контакта компонентов в КМ характеризуют конечными значениями τсц, τсд, которые следует характеризовать как соотношение когезионных и адгезионных взаимодействий. Удельный вклад адгезионной и когезионной прочности матрицы в прочность ВПКМ при растяжении превышает удельный вклад деформативности матрицы в 15,8 / 1,42 и 15,8 / 5,3 раза соответственно. В зависимости от соотношения между прочностью матрицы, волокна и прочностью их сцепления на границе раздела при каждом виде деформирования возможны три случая разрушения ПКМ:
|
1) когезионные по матрице (σв > σсц > σм);
2) когезионные по волокну (σм > σсц > σв);
3) адгезионно–когезионное по межфазной границе и по матрице (σв > σм ≥ σсц);
Разрушение и рост исходной трещины (дефекта) начинается, если напряжение у вершины трещины достигает предела прочности материала. Распределение напряжений у вершины трещины существенно зависит от того, является ли матрица упругой или пластичной. В случае термопластичных и термореактивных матриц и ПКМ в вершине трещины наблюдается зона пластической деформации. В зоне пластичности матрицы сдвиговые напряжения, равны пределу ее текучести при сдвиге.
Оптимальные значения предела текучести матрицы уменьшаются при увеличении модуля упругости волокон. Использование матриц с повышенными прочностными и адгезионными характеристиками может привести к хрупкому разрушению ВПКМ.
При излишнем снижении этих характеристик проявляется опасность растрескивания ПКМ из-за наличия компоненты сдвиговых и трансверсальных растягивающих напряжений, либо из–за эффекта Пуассона, либо вследствие отклонения напряженного состояния от идеального одноосного. Как при растяжении, так и при хрупком рузрушении свойства матрицы влияют на прочность ПКМ гораздо сильнее, чем при разрушении вследствие исчерпания прочности волокон.
Прочность при сжатии σ– находится в прямой зависимости от прочности сцепления матриц с волокном. Прочность при сжатии полимерных матриц в силу специфического строения полимеров выше σ+ и σви, но сжатие ПКМ описывается спектром механизмов разрушения, в каждом из которых роль матрицы различна. Для противостояния разрушению при сжатии нужны матрицы с высокими значениями Gсд, σ > 200 МПа.
Для повышения конструкционных свойств ПКМ необходимо учитывать соотношения Eв / Ем и Gв / Gм, особенно при их нагружении в трансверсальном направлении и при сдвиге.
Увеличение пористости с 1 до 9 % снижает σви ПКМ в 1,5 – 2 раза. Ползучесть ПКМ уменьшается с увеличением модуля длительной упругости матрицы.
При повышении прочности матрицы до (0,05–0,07) σв+ (до 200 МПа) усталостная прочность ПКМ может составлять 800–1200 МПа [4].
С ростом модуля упругости армирующих наполнителей (волокон) необходимы матрицы с резко улучшенной деформативностью, ударной вязкостью и трещиностойкостью. Характеристики ударной вязкости ак матриц и ПКМ качественными параметрами по Изоду (Дж/м) и по Шарпи (Дж/м2) с надрезом и без надреза образцов следует считать устаревшими (как и теплостойкость матриц и ПКМ по Мартенсу, Тм). Для характеристики ударной вязкости и трещиностойкости используют показатели удельной поверхности разрушения γк, коэффициент интенсивности (силовой параметр) Кс, энергетический параметр (таблица 5).
, где
γ – константа, являющаяся функцией формы и размера образца;
С = π а, "а" – характерный линейный размер опасного дефекта (трещины).
Более удобен для расчетов коэффициент интенсивности:
K2 = γ ' σкрит с,
при достижении критического значения которого Кс происходит разрушение:
К2 = ЕGc, Gc = 2γF
Трещиностойкость ПКМ симбатно коррелирует с трещиностойкостью матриц. Для практических целей используют и показатели трещиностойкости, характеризующие остаточную прочность ПКМ при сжатии после ударной нагрузки с энергией 3,3; 4,5; 6,7; 9,0 КДж/м (СAI3,3; СAI 4,5; СAI 6,7; СAI 9; – стандарт 7260 фирмы Боинг, США) и 265 Дж/м2 (стандарт фирм Боинг и Нортроп).
Таблица 5.
Трещиностойкость полимерных матриц [1].
Матрица | GIc, Дж/м2 | Матрица | GIc, Дж/м2 |
Термопластичные | Бисмалеинимидные | ||
Торлон 4000Т | К601 | ||
ПИ 2080 | С 796/ТМ 123 | ||
Полисульфон Р1700 | Матрица 5292 | ||
Полиэфирсульфон 3600С | 1M-АД94-306 | 330-370 | |
ПЭИ Ултем | 1000-19000 | Дисбимид RTM | |
Авимид N (NR-150) | F-178 | ||
Авимид К-2 | 1400-1700 | С 796/ТМ 123/ПГ | |
Авимид К-3 | |||
Полиэпоксидные | Полиимидные | ||
ЭД-20+ГМДА | 200-575 | PMR-15 | 230-285 |
ЭД-20+ДЭТА | 130-250 | Скайбонд | |
ЭД-20+этилендиамин | 280-600 | Теримид 600 | |
Эд-20+МФДА | 1204-240 | Теримид 602 | 610-815 |
ЭД-20+МЭА | LARC-13 эласт. | ||
ЭД-20+ТГФА | 36-48 | PMR-15+NR-150 | |
ЭД-20+УП 606/2 | 200-250 | АПИ-2 | |
ЭД-20+УП 605/3 | АПИ-2+СКН | ||
ЭХД+ДАДФСН (ВС 2526) | |||
SR-5208 (МУ 720) | |||
ВС-2561 | 19,8 (КIc) | ||
ЭДТ-10 | 29,6 (КIc) |
Критерии ЛУМР Gc, Kc, γF позволяют рассчитать предельные напряжения, которые выдержит материал.
, где
а – характерный размер опасного дефекта
При разрыве одного волокна а = d в, но если в ВПКМ имеются пучки контактирующих волокон, то трещина, образующаяся при разрушении одного волокна, перерезает все волокна пучка и длина трещин становится равной а =n · dβ. Критерий Qxz, характеризующий эффективность поглощения энергии при деформации в зоне устья трещины равен
Если напряжение в ВПКМ , то разрушение отдельных волокон не будет вызывать катастрофического разрушения ВПКМ.
Чем больше вязкость разрушения ВПКМ (параметры ), тем больше критический размер трещин или другого дефекта, приводящего к разрушению ВПКМ.
Условиями, способствующими распространению трещин, инициируемых разрушением отдельных волокон являются: повышение прочности сцепления волокно–матрица; увеличение объемного содержания волокон; неравномерность распределения волокон по объему материала; уменьшение ε+м.
Коэффициент интенсивности напряжений , где а – полудлина трещины (по ISO 13586:2000, 15024:2001), пропорционален прочности ВПКМ и волокон и для большинства КМ (таблица 6).
Вязкость разрушения повышается при: использовании волокон большого диаметра; использовании матриц с высокими значениями Gс, Кс, ε, Ем; увеличении толщины ВПКМ; оптимальном армировании (например, ВПКМ со структурой [О4 / ±45]).
С увеличением τсд меняется характер распространение трещин. Углеволокниты с волокнами (ЭЛУР–П), поверхность которых активирована методом ЭХО, разрушаются в плоскости, перпендикулярной направлению армирования, многократно меняется направление роста трещин, вязкость разрушения повышается на 5–15 %. Углеволокниты с неактивированными волокнами разрушаются как в плоскости, перпендикулярной ориентации волокон, так и путем расслаивания [4].
Таблица 6.
Характеристика вязкости разрушения однонаправленных
прессованных эпоксидных ВПКМ [4].
ПКМ | Свойства матрицы | Свойства ВПКМ | |||
σ+м, МПа | МПа/мм0,5 | σ+м, МПа | τxz, МПа | МПа/мм0,5 | |
Углеволокниты | 0,32 | ||||
0,32 | |||||
0,32 | |||||
3,0 | |||||
Бороволокнит | 0,2 | ||||
Стекловолокнит | 0,32 |
|
|
Архитектура электронного правительства: Единая архитектура – это методологический подход при создании системы управления государства, который строится...
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций...
Типы оградительных сооружений в морском порту: По расположению оградительных сооружений в плане различают волноломы, обе оконечности...
Историки об Елизавете Петровне: Елизавета попала между двумя встречными культурными течениями, воспитывалась среди новых европейских веяний и преданий...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!