Оценка усталостной прочности углепластиков с различными типами гибридных матриц

В условиях расширения областей применения полимерных композиционных материалов (ПКМ) [1–4], разработки новых составов и структур композитов [5–13] важной задачей является прогнозирование их долговечности с учетом влияния различных разрушающих факторов, в частности циклических нагрузок.

В условиях циклического нагружения в ПКМ происходит возникновение и накопление микроповреждений и дислокаций с последующим образованием и ростом макротрещины и повре-жденности. Поврежденность системы, в соответствии с представлениями статистической физики, протекает со скоростью, зависящей от некоторых внешних факторов (механических, физических, химических и др.), а также от величины накопленной поврежденности. В свою очередь мера повреждения зависит от различных деградацион-ных процессов материалов, к которым относятся разрушение волокон и матрицы, расслоения и отрывы на поверхности раздела и пр [14–16]. Поэтому большой научно-практический интерес представляет возможность создания ПКМ, структура которых позволила бы снизить интенсивность деградационных процессов в условиях циклического нагружения. Аналогом такой структуры является гетерогенная структура многих природных материалов, таких как живая древесина, некоторые виды слюды (в частности, мусковит), кость, ракушка. Эти материалы имеют слоистую структуру со слабыми поверхностями раздела и при достижении трещиной этой слабой поверхности происходит ее «стопорение» между компонентами материала [17, 18].

Создание в структуре ПКМ слабых поверхностей раздела (мягких промежуточных слоев) позволит реализовать механизмы разрушения аналогичные механизмам разрушения природных материалов и обеспечить высокие прочностные и деформационные свойства.

Так, добавление в состав матрицы компонентов, сохраняющих свое жидкое состояние и представляющих в структуре композита самостоятельную «жидкую» фазу, позволяет изменять весь комплекс свойств материала [19].

Использование в качестве компонента «жидкой» фазы анаэробного полимерного материала позволяет повысить прочностные свойства ПКМ как при положительной, так и при отрицательных температурах, силиконового эластомера – минимизировать потерю прочностных свойств при переходе в область отрицательных температур, а синтетического воска – повысить относительное удлинение композита при разрушении при положительной температуре [19].

Применение компонентов «жидкой» фазы способствует изменению фазовых характеристик, в частности приводит к снижению скачка теплоемкости при фазовом переходе. В наибольшей степени на величину скачка теплоемкости оказывает влияние анаэробный полимерный материал, а наименьшее – силиконовый эластомер в составе гибридной матрицы.

Выполненные статические испытания позволяют получить информацию о прочностных показателях конструкционного материала и влиянии тех или иных модификаторов на их изменение.

Оценку характеристик усталости ПКМ осуществляют в условиях циклического нагружения с постоянной амплитудой и частотой.

Цель работы – исследование влияния компонентов «жидкой» фазы гибридной матрицы на усталостную и остаточную прочность полимерных композиционных материалов.

В работе понятие остаточная прочность используется для значений прочности ПКМ, полученных в результате испытаний до их полного разрушения после циклического нагружения.

Материалы и методы

Для оценки усталостной прочности ПКМ с гибридными матрицами были изготовлены 4 серии образцов:

• 1)    контрольные образцы (без компонентов «жидкой» фазы матрицы);

• 2)    образцы с анаэробным полимерным материалом (Loctite 638) в составе гибридной матрицы;

• 3)    образцы с силиконовым эластомером (Юнисил-9628) в составе гибридной матрицы;

• 4)    образцы с синтетическим воском в составе гибридной матрицы.

Образцы всех серий изготавливались прессованием под давлением с отверждением в прессе при температуре 80 ± 2 °С из 6 слоев предварительно пропитанной эпоксидным связующим марки EPR 320 с отвердителем марки EPH 943 равнопрочной углеродной ткани на основе волокна марки Т300. Компоненты «жидкой» фазы матрицы наносились между 3 и 4 слоями армирующей ткани вдоль будущих образцов (рисунок 1).

Образцы углепластиков всех серий были выполнены в форме лопатки фрезерованием. На концах образцов по обе стороны были закреплены накладки. Площадь поперечного сечения образцов составила 10x1,4–2,2 мм (разброс значений толщины образцов обусловлен наличием в структуре ПКМ компонентов «жидкой» фазы матрицы).

Рисунок 1. Процесс формования пакета композита: нанесение компонентов «жидкой» фазы гибридной матрицы в процессе формования образцов: 1 – зона с нанесенным анаэробным полимерным материалом; 2 – зона с нанесенным силиконовым эластомером; 3 – зона с нанесенным синтетическим воском; 4 – зона для изготовления контрольных образцов (без компонентов «жидкой» фазы матрицы)

Figure 1. The process of forming a composite package: application of components of the "liquid" phase of the hybrid matrix in the process of forming samples: 1 – zone with applied anaerobic polymer material; 2 – zone with applied silicone elastomer; 3 – zone with applied synthetic wax; 4 – zone for the manufacture of control samples (without components of the "liquid" phase of the matrix)

Испытания по определению усталостной прочности осуществлялись с помощью универсальной испытательной машины Zwick Z 100 в три этапа: определение статической прочности образцов и выбор параметров нагружения для выполнения циклических испытаний, выполнение 100 циклов нагружения, определение остаточной прочности испытуемых образцов.

Результаты

Для определения режимов циклических испытаний подготовленных серий образцов углепластиков были предварительно выполнены статические испытания по определению их предела прочности при растяжении на универсальной испытательной машине Zwick Z 100 со скорость нагружения 10 мм/мин. Результаты испытаний представлены в таблице 1.

Циклические испытания осуществлялись путем приложения к образцу циклически изменяющихся нагрузок растяжение-сжатие. Испытания осуществлялись c помощью испытательной машины Zwick Z 100 на следующих режимах: скорость нагружения: 10 мм/мин, количество циклов нагружения: 100, нагрузка: 70% от прочности при растяжении.

При циклическом нагружении напряжение составило: контрольных образцов углепластика σ макс = 515 МПа; углепластиков с анаэробным полимерным материалом σ макс = 465 МПа; с силиконовым эластомером σ макс = 420 МПа; с синтетическим воском в составе матрицы σ макс = 400 МПа.

После 100 циклов нагружения образцы испытывали до полного разрушения с целью получения остаточной прочности. Полученные значения остаточной прочности представлены в таблице 2.

Таблица 1.

Результаты статических испытаний на растяжение образцов углепластиков перед циклическими испытаниями

Table 1.

Results of static tensile tests of carbon fiber reinforced plastics samples before cyclic tests

Тип матрицы образцов Type of sample matrix	Модуль упругости, ГПа Modulus of elasticity, GРа	Абсолютное разрывное усилие, Н Absolute breaking force, N	Предел прочности, МПа Tensile strength, МРа	Относительное удлинение при разрушении, % Elongation at fracture, %
Эпоксидная | Epoxy	38	9054	574	2,2
Эпоксидная с анаэробным полимерным материалом Epoxy with anaerobic polymer material	35	9033	579	2,6
Эпоксидная с силиконовым эластомером Epoxy with silicone elastomer	38	7698	526	2,2
Эпоксидная с синтетическим воском Epoxy with synthetic wax	33	8194	504	2,4

Таблица 2.

Результаты испытаний образцов углепластиков с гибридными матрицами (остаточная прочность)

Table 2.

Results of tests of carbon fiber reinforced plastics samples with hybrid matrices (residual strength)

Тип матрицы образцов Type of sample matrix	Модуль упругости, ГПа Modulus of elasticity, GРа	Абсолютное разрывное усилие, Н Absolute breaking force, N	Предел прочности, МПа Tensile strength, МРа	Относительное удлинение при разрушении, % Elongation at fracture, %
Эпоксидная | Epoxy	37	9471	564	2,3
Эпоксидная с анаэробным полимерным материалом Epoxy with anaerobic polymer material	40	9557	630	1,8
Эпоксидная с силиконовым эластомером Epoxy with silicone elastomer	40	8961	606	1,6
Эпоксидная с синтетическим воском Epoxy with synthetic wax	30	8203	407	1,6

У всех серий образцов после выполнения 100 циклов нагружения кроме контрольных образцов наблюдается падение значения относительного удлинения при разрушении. Наименьшая потеря данного показателя наблюдается у углепластиков с силиконовым эластомером (значение относительного удлинения уменьшилось на 0,6% (или в 1,38 раза)), у углепластиков с анаэробным полимерным материалом и с синтетическим воском значение относительного удлинения уменьшилось на 0,8% (или в 1,44 и 1,5 раза соответственно) (таблицы 1 и 2).

Заключение

На основании анализа полученных результатов можно сделать следующие выводы:

• 1.    Использование анаэробного полимерного материала в качестве материала «жидкой» фазы позволяет достичь наибольшего среди сравниваемых типов образов значения остаточной прочности углепластиков.

• 2.    Использование анаэробного полимерного материала и силиконового эластомера в качестве материалов «жидкой» фазы способствует повышению значения остаточной прочности и модуля упругости после 100 циклов нагружения по сравнению с результатами начальной статической прочности данных типов образцов.

• 3.    Использование синтетического воска в качестве материала «жидкой» фазы приводит к наибольшему среди сравниваемых типов образцов снижению показателя остаточной прочности и модуля упругости после выполнения 100 циклов нагружения.

Материал подготовлен в рамках научных исследований по проекту № FSFM-2020–0011 (2019– 1342), экспериментальные исследования проведены с использованием оборудования центра коллективного пользования МАДИ.