Оценка влияния термовлажностного старения в агрессивных средах на изменение механического поведения стеклопластика при изгибе короткой балки стеклопластика на основе регистрации сигналов акустической эмиссии
Автор: Лобанов Д.С., Лунегова Е.М.
Статья в выпуске: 4, 2022 года.
Бесплатный доступ
Работа направлена на экспериментальное исследование и описание закономерностей механического поведения и деградации прочностных свойств волокнистого полимерного композиционного материала при термовлажностном старении в агрессивных (эксплуатационных) средах разной продолжительности и температурах. Объектом исследования являлся стеклотекстолит общего и электротехнического назначения СТЭФ. СТЭФ - это слоистый армированный стеклопластик, полученный путем горячего прессования стеклоткани, пропитанной термореактивным связующим на основе комбинированных эпоксидных и фенолформальдегидных смол. После предварительного старения при различных температурно-временных режимах образцы стеклопластика испытывались при нормальной температуре на межслоевой сдвиг. Для изучения инициирования и распространения данных дефектных структур в процессе деформирования стеклопластика после предварительного старения при различных температурно-временных режимах и средах в работе применяется метод акустической эмиссии, позволяющий исследовать стадийность неупругого деформирования и отследить процессы, связанные с формированием дефектов в структуре волокнистого композита. Получены и проанализированы данные о влиянии различных сред, таких как техническая вода, морская вода и машинное масло, при различной продолжительности (15, 30, 45 суток) и температуре (22°, 60° и 90 °С) на процессы разрушения композита и реализацию различных механизмов накопления повреждений при квазистатических испытаниях на межслоевой сдвиг. В работе приводятся результаты испытаний, полученные системой регистрации сигналов акустической эмиссии. Приведены и описаны данные, иллюстрирующие стадийность накопления повреждений и проанализированы основные механизмы повреждения структуры композита при нагружении. Описаны результаты исследования микроструктуры образцов, полученные с помощью стереомикроскопа до и после термовлажностного старения в агрессивных средах.
Экспериментальная механика, термовлажностное старение, агрессивные среды, стеклопластик, акустическая эмиссия, несущая способность, остаточная прочность, межслоевой сдвиг
Короткий адрес: https://sciup.org/146282590
IDR: 146282590 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2022.4.05
Evaluation of the thermal and moisture aging influence in aggressive environments on the change in the of the mechanical behavior of fiberglass by a short beam bending tests based on acoustic emission technique
The work is aimed at experimental research and description of the mechanical behavior and degradation of the fibrous structural composite material strength properties during thermal and moisture aging in aggressive (operational) environments of different duration and temperatures. The object of the study was STEF structural fiberglass. STEF is a laminated fiberglass reinforced plastic obtained by hot pressing of glass fabric impregnated with a thermosetting binder based on combined epoxy and phenol-formaldehyde resins. After preliminary aging under various temperature-time conditions, fiberglass samples were tested at normal temperature for interlayer shear. To study the defect initiation and propagation during the deformation of fiberglass after preliminary aging under various temperature-time conditions and environments, the acoustic emission method is used in this work, which makes it possible to study the deformation stage structure and track the processes associated with the formation of defects in the structure of the fibrous composite. Influence of various media, such as industrial water, sea water and machine oil, at different durations (15, 30, 45 days) and temperatures (22°, 60° и 90 °С) on the processes of composite destruction and the implementation of various mechanisms damage accumulation during quasi-static interlaminar shear tests were obtained and analyzed. The paper presents the test results obtained by the acoustic emission signals processing. The data illustrating the stages of damage accumulation are presented and described, and the main mechanisms of damage to the composite structure under loading are analyzed. The results of a study of the microstructure of samples obtained using a stereomicroscope before and after thermal and moisture aging in aggressive media are described.
Список литературы Оценка влияния термовлажностного старения в агрессивных средах на изменение механического поведения стеклопластика при изгибе короткой балки стеклопластика на основе регистрации сигналов акустической эмиссии
- Lobanov D.S., Slovikov S.V. Mechanical behavior of a unidirectional basalt-fiber-reinforced plastic under thermome-chanical loadings // Mech. Compos. Mater. - 2018 - Vol. 54, no. 3. - P. 351-358.
- Lobanov D.S., Babushkin A.V., Luzenin A.Yu. Effect of increased temperatures on the deformation and strength characteristics of a GFRP based on a fabric of volumetric weave // Mech. Compos. Mater. - 2018. - Vol. 54, no. 5. - P. 655-664.
- Lobanov D.S., Lunegova E.M., Mugatarov A.I. Influence of preliminary thermal aging on the residual interlayer strength and staging of damage accumulation in structural carbon plastic // PNRPU Mech. Bull. - 2021. - No. 1. - P. 41-51.
- Lobanov D.S., Zubova E.M. Research of temperature aging effects on mechanical behaviour and properties of composite material by tensile tests with used system of registration acoustic emission signal // Procedia Struct. Integr. - 2019. - Vol. 18. -P. 347-352.
- Kablov E.N., Startsev V.O. The Influence of Internal Stresses on the Aging of Polymer Composite Materials: Review // Mech. Compos. Mater. - 2021. - Vol. 57, no. 5. - P. 565-579.
- Комплексное исследование воздействия климатических и эксплуатационных факторов на новое поколение эпоксидного связующего и полимерных композиционных материалов на его основе часть 4. Натурные климатические испытания полимерных композиционных материалов на основе эпоксидной матрицы / Е.В. Николаев, С.Л. Барботько, Н.П. Андреева, М.Р. Павлов, Д.В. Гращенков // Труды ВИАМ. -2016. - № 6 (42). - С. 93-108.
- de Souza L.R., Marques A.T., d'Almeida J.R.M. Effects of aging on water and lubricating oil on the creep behavior of a GFRP matrix composite // Compos. Struct. - 2017. - Vol. 168. -P. 285-291.
- Park S.Y., Choi W.J., Choi H.S. The effects of void contents on the long-term hygrothermal behaviors of glass/epoxy and GLARE laminates // Compos. Struct. - 2010. - Vol. 92, № 1. - P. 18-24.
- Исследование свойств наномодифицированных углеком-позитов до и после термовлажностного старения / В. А. Большаков, С.В. Кондрашов, Ю.И. Меркулова, Т.П. Дьячкова, Г.Ю. Юрков, А.В. Ильичев // Авиационные материалы и технологии. - 2015. - № 2 (35). - С. 61-66.
- Изменение физико-механических и термомеханических свойств базальтопластика в результате климатического старения / А.Н. Блазнов, А.С. Кротов, В.Б. Маркин [и др.] // Южно-Сибирский научный вестник. - 2019. - № 3 (27). - С. 116-120.
- Malmstein M., Chambers A.R., Blake J.I.R. Hygrothermal ageing of plant oil based marine composites // Compos. Struct. - 2013. - Vol. 101. - P. 138-143.
- Effect of hygrothermal aging on the damage characteristics of carbon woven fabric/epoxy laminates subjected to simulated lightning strike / Y. Li, R. Li, L. Huang, K. Wang, X. Huang // Mater. Des. - 2016. - Vol. 99. - P. 477-489.
- Evaluation of tensile strength retention and service life prediction of hydrothermal aged balanced orthotropic carbon/glass and Kevlar/glass fabric reinforced polymer hybrid composites / M. Muralidharan, T.P. Sathishkumar, N. Rajini, P. Navaneethak-rishnan, S. Arun Kumar, S.O. Ismail, K. Senthilkumar, S. Siengchin // J. Appl. Polym. Sci. - 2022. - Vol. 139 (6). - 51602.
- Experimental research into the effect of external actions and polluting environments on the serviceablity of fiber-reinforced polymer composite materials / D.S. Lobanov, V.E. Vildeman, A.D. Babin, M.A. Grinev // Mech. Compos. Mater. - 2015. -Vol. 51, no. 1. - P. 97-108.
- Characterization of sea water ageing effects on mechanical properties of carbon/epoxy composites for tidal turbine blades / N. Tual, N. Carrere, P. Davies, T. Bonnemains, E. Lolive // Compos. Part A Appl. Sci. - 2015. - Vol. 78. - P. 380-389.
- Davies P., Le Gac P.-Y., Le Gall M. Influence of Sea Water Aging on the Mechanical Behaviour of Acrylic Matrix Composites I // Appl. Compos. Mater. - 2017. - Vol. 24. - P. 97-111.
- Панин С.В., Старцев О.В., Кротов А.С. Диагностика начальной стадии климатического старения ПКМ по изменению коэффициента диффузии влаги // Труды ВИАМ. -2014. - № 7. - C. 9.
- Развитие методов климатических испытаний материалов для машиностроения и строительства в ГЦКИ ВИАМ им. Г.В. Акимова / С.В. Панин, В.О. Старцев, М.Г. Курс, Е.А. Варченко // Все материалы. Энциклопедический справочник. - 2016. - № 10. - С. 50-61.
- Старцев О.В., Лебедев М.П., Блазнов А.Н. Старение полимерных композиционных материалов в нагруженном состоянии // Все материалы. Энциклопедический справочник. - 2020. - № 10. - С. 7-18.
- Неразрушающий контроль: справочник: 8 т. / под общ. ред. В.В. Клюева. Т 7: в 2 кн. Кн. 1: В.И. Иванов, И.Э. Власов. Метод акустической эмиссии; Кн. 2: Ф.Я. Ба-лицкий, А.В. Барков, Н.А. Баркова [и др.] // Вибродиагностика. - М.: Машиностроение, 2005. - 829 с.
- Степанова Л.Н., Чернова В.В., Кабанов С.И. Анализ модового состава сигналов акустической эмиссии при одновременном тепловом и статическом нагружении образцов из углепластика Т800 // Контроль. Диагностика. - 2018. -№ 11. - С. 4-13.
- On the use of acoustic emission to identify the dominant stress/strain component in carbon/epoxy composite materials / K.-A. Kalteremidou, D.G. Aggelis, D. Van Hemelrijck, L. Pyl // Mech. Res. Commun. - 2021. - Vol. 111. - P. 103663.
- Investigation of the Staging of Damage Accumulation in Polymer Composite Materials during Bending and Tensile Tests / A.A. Bryansky, O.V. Bashkov, D.P. Malysheva, D.B. Solovev // Key Eng. Mater. - 2021. - Vol. 887. - P. 116-122.
- Damage mechanisms assessment of Glass Fiber-Reinforced Polymer (GFRP) composites using multivariable analysis methods applied to acoustic emission data / W. Harizi, S. Chaki, G. Bourse, M. Ourak // Compos. Struct. - 2022. - Vol. 289. -P. 115470.
- Damage process in glass fiber reinforced polymer specimens using acoustic emission technique with low frequency acquisition / L. Friedrich, A. Colpo, A. Maggi, T. Becker, G. Lacidogna, I. Iturrioz // Composite Structures. - 2021. -Vol. 256. - P. 113105.
- Arumugam V., Saravanakumar K., Santulli С. Damage characterization of stiffened glass-epoxy laminates under tensile loading with acoustic emission monitoring // Compos. B. Eng. -2018. - Vol. 147. - P. 22-32.
- Feature selection and clustering of damage for pseudoductile unidirectional carbon/glass hybrid composite using acoustic emission / A. Ichenihi, W. Li, Y. Gao, Y. Rao, A. Ichenihi // Appl. Acoust. - 2021. - Vol. 182. - P. 108184.
- Zhao W., Pei N., Xu Ch. Experimental study of carbon/glass fiber-reinforced hybrid laminate composites with tor-sional loads by using acoustic emission and Micro-CT // Compos. Struct. - 2022. - Vol. 290. - P. 115541.
- Barile C., Casavola C., Pappalettera G., Vimalathi-than P.K. Damage characterization in composite materials using acoustic emission signal-based and parameter-based data // Compos. B. Eng. - 2019. - Vol. 178. - P. 107469.
- Beheshtizadeh N., Mostafapour A., Davoodi S. Three point bending test of glass/epoxy composite health monitoring by acoustic emission // Alex. Eng. J. - 2019. - Vol. 58, is. 2. - P. 567-578.
- Experimental and numerical investigation on fracture behavior of glass/carbon fiber hybrid composites using acoustic emission method and refined zigzag theory / I.E. Tabrizi, A. Kefal, J.S.M. Zanjani, C. Akalin, M. Yildiz // Compos. Struct. - 2019. -Vol. 223. - P. 110971.
- Groot P.J., Wijnen A.M., Janssen R.B. Real-time frequency determination of acoustic emission for different fracture mechanisms in carbon/epoxy composites // Compos. Sci. Tech-nol. - 1995. - Vol. 55, no. 4. - P. 405-412.
- Tretyakov M.P., Tretyakova T.V., Zubova E.M. Experimental study of the crack growth processes in composite samples // AIP Conference Proceedings. - 2020. - Vol. 2216. -P. 040020.
- Брянский А.А., Башков О.В. Идентификация структурных повреждений в стеклопластике, подвергнутом термоокислительному старению // Новые материалы и технологии в условиях Арктики: сб. тез. - 2022. - С. 112-114.
- Evaluation of thermally-aged carbon fiber/epoxy composites using acoustic emission, electrical resistance and thermo-gram / P. Shin, J. Kim, H. Park, Y. Baek, D. Kwon, K.L. DeVries, J. Park // Comp. Struct. - 2018. - Vol. 196. - P. 21-29.
- Godin N., Huguet S., Gaertner R. Influence of hydrolytic ageing on the acoustic emission signatures of damage mechanismsoccurring during tensile tests on a polyester composite: Application of a Kohonen's map // Composite Structures. - 2006. -Vol. 72, is. 1. - P. 79-85.
- Mouzakis D.E., Dimogianopoulos D.G. Acoustic emission detection of damage induced by simulated environmental conditioning in carbon fiber reinforced composites // Engineering Fracture Mechanics. - 2019. - Vol. 210. - P. 422-428.
- Акустическая эмиссия в вершине трещины при охлаждении влагонасыщенного композита / О.В. Старцев, В.В. Поляков, Д.С. Салита, М.П. Лебедев // Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах. -2020. - Т. 492-493. - С. 157-161.
- Lobanov D.S., Yankin A.S., Berdnikova N.I. Statistical evaluation of the effect of hygrothermal aging on the interlaminar shear of GFRP // Frat. ed Integrita Strutt. - 2022. -Vol. 16 (60). - P. 146-157.
