Трещиностойкость отвержденных амино-эпоксидных полимеров в стеклообразном состоянии и копмозиционных материалов на их основе

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 ПАРАМЕТРЫ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
1.1 Классификация материалов по трещиностойкости
1.2 Энергетические критерии трещиностойкости
1.3 Способы определения трещиностойкости
2 ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ОТВЕРЖДЕННЫХ АМИНО-ЭПОКСИДНЫХ КОМПОЗИЦИЙ
2.1 Общая характеристика трещиностойкости незаполненных отвержденных аминоэпоксидных композиций
2.2 Процессы роста трещин в полимерной материце
2.3 Диаграммы разрушения образцов амино-эпоксидных полимеров
3 ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ АМИНО-ЭПОКСИДНЫХ НЕПРЕРЫВНОВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
3.1 Механические свойства непрерывноволокнистых композиций
3.2 Основные типы трещин в непрерывноволокнистых композициях
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Несмотря на наличие определенного объема информации по влиянию факторов окружающей среды на свойства дисперсно-армированных стеклопластов в различных климатических зонах, информация для зоны холодного климата весьма ограничена, а данные по изменению (сохраняемости) низкотемпературных показателей свойств практически отсутствуют [4, 7].
Отверждающиеся олигомерные композиции сравнительно мало используются в качестве самостоятельных материалов (пластиков, заливочных и пропиточных составов, защитных покрытий) из-за возникновения в них больших усадочных напряжений и как следствие -коробления, вспучивания и растрескивания материалов в процессе отверждения и, соответственно, низких деформационнно-прочностных свойств и трещиностойкости их в отвержденном состоянии. Значительно чаще их используют в сочетании с другими материалами органической или неорганической природы, обладающими повышенной жесткостью и прочностью, в форме дисперсных или непрерывных наполнителей [1, c.180].
В армированных непрерывными наполнителями системах оба основных компонента (олигомерная композиция, или связующее, и наполнитель) образуют непрерывные фазы. При этом армирующий наполнитель в решающей степени определяет технологические процессы производства полуфабрикатов или заготовок изделий и их формования и обеспечивает несущую способность материала и изделия, а связующее (матрица) - его монолитность и распределение напряжений и деформаций между элементами армирующей структуры.
Армированные системы на основе не прерывных волокнистых наполнителей (жгутов, лент, тканей и т.п.) являются гетерогенными и анизотропными на макроструктурном уровне В случае дискретных частиц наполнителей важнейшей их характеристикой является коэффициент асимметрии, или характеристическое отношение s, равное отношению максимального размера частицы к минимальному [1, c.227].
Его значение определяет не только предельную объемную долго, или степень наполнения частиц в матрице при заданном характере их распределения, но и возможность передачи растягивающего напряжения от матрицы к частице через сдвиг по границе раздела, что играет особенно важную роль в процессах роста трещин.
При s<sкр, где sкр - некоторое критическое значение характеристического отношения, определяемое при заданной форме частиц юс деформационно-прочностными свойствами и прочностью сцепления с матрицей, передаваемое от матрицы на частицы напряжение меньше разрушающего, т.е. при разрушении матрицы более прочные частицы не могут разрушаться, а только отслаиваются и извлекаются из матрицы. При s >sкр передаваемое на частицы напряжение превышает их прочность, и частицы могут разрушаться при разрушении матрицы, обеспечивая эффект упрочнения, если прочность частиц больше прочности матрицы.
Исследования характера роста трещины и параметров трещиностойкости однонаправленных стеклопластиков при различном угле а между направлением ориентации волокон и плоскостью трещины и действии растягивающего напряжения, перпендикулярного этой плоскости, свидетельствуют о невозможности обобщенной оценки трещиностойкости таких материалов при произвольном расположении трещин. Трещина в большинстве случаев распространяется вдоль оси ориентации волокон, а параметры трещиностойкости резко зависят от угла воздействия.
3.2 Основные типы трещин в непрерывноволокнистых композициях
Для характеристики трещиностойкости однонаправленных непрерывноволокнистых композитов с резко выраженной ортогональной анизотропией и гетерогенностью по слоям по изложенным выше причинам более эффективно использование частного анализа поведения трещин, расположенных в плоскостях, нормальных к основным осям и плоскостям симметрии или параллельных им. При этом в зависимости от положения плоскости трещины и ее главной оси, или фронта относительно оси ориентации волокон и плоскостей укладки слоев однонаправленные трещины (надрезы) могут быть подразделены на три основных типа (рис. 5).
Рис.5. Зависимость параметра трещиностойкости KIC от угла ориентации волокон α относительно расположении плоскости трещины в однонаправленном эпоксидном стеклопластике [1, c.275]
К первому типу относятся поперечные трансслоевые трещины, фронт и плоскость которых перпендикулярны оси ориентации волокон и плоскостям укладки слоев. У трещин второго типа - продольных (рис. 5,б) - фронт и плоскость параллельны осп ориентации волокон. В зависимости от го, является ли плоскость этих трещин параллельной или перпендикулярной плоскостям укладки слоев, они подразделяются на меж- или внутрислоевые и трансслоевые соответственно [1, c.274].
К третьему типу трещин в однонаправленных НВК относятся трансверсальные трещины, фронт которых перпендикулярен, а плоскость параллельна оси ориентации волокон (рис.5,в). В зависимости от положения плоскости этих трещин относительно плоскостей укладки слоев (параллельно или перпендикулярно им) аналогично продольным трансверсалые трещины подразделяются на меж- или внутрислоевые и трансслоевые соответственно.
Все основные типы трещин (надрезов) в однонаправленных НВК могут быть центральными (сквозными) и краевыми, лицевыми, боковыми или торцевыми и раскрываться по типу I, II или III. Параметры трещиностойкости, предлагаемые в механике трещин и соответствующие условиям начала, или инициирования роста трещин (J, Gc, Кс) в поперечном направлении, обычно определяются при изгибе образцов аналогичных использованным. Реже используют метод растяжения плоского образца с центральным надрезом и направляющей канавкой, обеспечивающей распространение дефекта.
Анизотропия и макрогетерогенность симметричных слоистых НВК основе однонаправленных слоев резко проявляется в плоскостях перпендикулярных плоскости укладки слоев, тогда как в параллель ной плоскости они могут рассматриваться относительно главных осей как макрогомогенные изотропные материалы. Поэтому при малом отличии в транс- и внутрисловных свойствах однонаправленных слоев резко различным поведением должны отличаться только трещины, расположенные в плоскостях, перпендикулярных плоскостям укладки слоев (трансслоевые) и в плоскости, параллельной им (меж- и внутрислоевые). Направление распространения, или главной оси этих трещин в данных плоскостях не должны играть существенной роли, В зависимости от расположения трансслоевые и межслоевые трещины, или надрезы могут быть центральными или краевыми, лицевыми, боковыми или торцовыми.
Для теоретического расчета параметров трансслоевой трещиностойкости симметричных слоистых композиций может быть использован принцип аддитивности вкладов однонаправленных слоев с соответствующим анализом поперечных, продольных или трансверсальных трещин в них. Для экспериментальной оценки этих параметров используют растяжение плоских образцов с центральным или краевыми надрезами, раскалывание компактных образцов и изгиб образцов с лицевым или боковым надрезом и расчет критического коэффициента интенсивности напряжений Kн, соответствующего началу разрушения образца по максимальной нагрузке или с помощью Kн - кривых предложено в качестве параметра трещиностойкости использовать также критический размер с0, соответствующий ядру трещины.
Для экспериментальной оценки устойчивости слоистых непрерывно-волокнистых композиций к продольному растрескиванию трансверсальных слоев испытывают на растяжение плоские образцы без надрезов, определяя напряжение или деформцию, при которых в слое с ориентацией волокон или жгутов, перпендикулярной действующей силе, образуются продольные трещины. На рис.6 приведены зависимости числа трещин N (на единицу длины и в образце в целом соответственно) от напряжения σ и деформации ε для слоистых эпоксидных углепластиков с различной укладкой слоев и на основе различных типов связующих и волокон. Эти данные показывают, что устойчивость к растрескиванию трансверсальных слоев в этих материалах возрастает с увеличением пластичности матрицы и удлинения при разрыве углеродных волокон [1, c. 302].
Особенно большое влияние на устойчивость к растрескиванию трансверсальных слоев оказывает их толщина, что обусловлено увеличением эффекта стеснения этих слоев соседними и уменьшением накапливаемой энергии деформирования при уменьшении толщины. Поскольку ширина продольной трещины в трансверсальном слое не может превышать его толщину, уменьшение толщины приводит также к снижению трещинодвижуших сил.
Рис.6. Зависимость количества трещин N на 1 см длины композиции [1, c.304]
При растяжении или сжатии слоистых композитов с перекрестной укладкой однонаправленных слоев на пересечении границ раздела слоев и свободной торцевой поверхности возникает концентрация напряжений - трехмерное сингулярное поле напряжений. Высокие нормальные и сдвиговые напряжения вызывают рост случайных дефектов с распространением трещины по наиболее слабому месту - межслоевой границе раздела или в объеме слоя. Поскольку максимальные нормальные сдвиговые напряжения наблюдаются в центральной плоскости то наиболее вероятное место торцевого расслоения в композитах граница раздела между слоями +45/-45. Размер наиболее опасного деефекта больше толщины слоя f.
Рост продольных и трансверсальных трещин в однонаправленных слоях и между ними в реальных слоистых композициях, рассмотренных выше, происходит между жгутами, лентами и образованными ими или препрегами на их основе слоями, то есть на макроуровне. Очевидно, что этим процессам предшествует и вносит существенный вклад в их развитие образование микротрещин в матрице и по границе раздела ее с волокнами, то есть на микроуровне. Микро-, как и макромеханические процессы растрескивания и расслаивания могут быть обусловлены не только внешними нагрузками, но и термическими и другими усадочными напряжениями при термоциклировании, в процессе отврждения и эксплуатации, при поглощении и удалении паров [8, c.75].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В представленной работе были рассмотрены явления трещинообразования и трещиностойкости, характерные для композиционных материалов на основе амино-эпоксидных смол, а также методы их экспериментального определения.
В первом разделе курсовой работы были рассмотрены основные параметры трещиностойкости материалов и экспериментальные способы их определения. Так, среди основных энергетических критериев роста трещин выделяют критерии, полученные на основе глобального баланса энергии во всем напряженном твердом теле с трещиной и локального баланса или распределения энергии в области, окружающей вершину трещины. К критериям первого типа относится максимальная скорость или интенсивность высвобождения упругой энергии деформации (G -критерий), к критериям второго - минимальная плотность энергии деформации в окрестности вершины трещины (S -критерий) и максимальный поток энергии через произвольный контур, окружающий вершину трещины (J -критерий). В зависимости от цели испытаний определяют энергетические, валовые или деформационные параметры трещиностойкости при нагружении при низкоскоростных монотонных, высокоскоростных ударных, статических или динамических усталостных условиях.
Во втором разделе работы описаны особенности трещиностойкости амино-эпоксидных композиций, являющихся матрицей для множества разнообразных композитных материалов. К основным формам молекулярного теплового движения в стеклообразных полимерах, во многом обуславливающих возникновение и рост трещин, относятся мелкомасштабные формы теплового движения (), вызванные подвижностью отдельных звеньев, групп, примесей или их агрегатов.
Упругая энергия разрушения полимеров Rx зависит не только от количества и энергии диссоциации химических связей, разрушаемых при образовании единицы новой поверхности при распространении в них трещины, но и от гибкости полимерных цепей. Основные стадии роста трещин в отвержденных полимерах: зарождение зоны пластичности вблизи вершины трещины, увеличение размеров этой зоны и интенсивности пластических деформаций в ней, затупление вершины трещины и перераспределение напряжений в ее окрестностях, инициирование острой трещины вблизи или в вершине затупленной исходной трещины и критическое ее распространение.
В третьем, заключительном разделе представленной работы нами были рассмотрены основные характеристики амино-эпоксидных непрерывных волокнистых материалов. В армированных непрерывными наполнителями системах оба основных компонента (олигомерная композиция, или связующее, и наполнитель) образуют непрерывные фазы. В зависимости от положения плоскости трещины и ее главной оси, или фронта относительно оси ориентации волокон и плоскостей укладки слоев однонаправленные трещины (надрезы) могут быть подразделены на три основных типа: поперечные, продольные (внитри- и межслоевые) и трансверсальные трещины. Все основные типы трещин в однонаправленных НВК могут быть центральными (сквозными) и краевыми, лицевыми, боковыми или торцевыми. Параметры трещиностойкости, предлагаемые в механике трещин и соответствующие условиям начала, или инициирования роста трещин (J, Gc, Кс) в поперечном направлении, обычно определяются при изгибе образцов аналогичных использованным.Микро-, как и макромеханические процессы растрескивания и расслаивания могут быть обусловлены не только внешними нагрузками, но и термическими и другими усадочными напряжениями, что необходимо учитывать при разработке и использовании данных полимерных материалов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Бабаевский П.Г.,Кулик С.Г. Трещиностойкость отвержденных полимерных композиций. - М.: Химия 1991г. - 336с.
Перепечко И. И. Введение в физику полимеров. М.: Химия, 1978. –312 с.
Ферри Дж. Вязкоупругие свойства полимеров. Пер. с англ. под ред. В. Е. Гуля. - М.: Изд. ин. литер., 1963. - 536 с.
Нильсен Л. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. Пер. с англ. под ред. П. Г. Бабаевского, М., Химия, 1978. - 312 с.
Панасюк В.В. Методы оценки трещиностойкости конструкционных материалов. – М.: Стройиздат, 1977. - 278 с.
Тобольский А. Свойства и структура полимеров. Пер. с англ. под ред. Г. Л. Слонимского, Г. М. Бартенева. М., Химия, 1964. - 322 с.
Ананьин С.В., Ананьева Е.С., Маркин В.Б. Композиционные материалы. Часть 2. Учебное пособие. - Барнаул, Изд-во АлтГТУ, 2007. - 94 с.
Чернин И.З., Смехов Ф.М., Жердев Ю.В. Эпоксидные полимеры и композиции. М.: Химия, 1982. – 232 с.
5.
15