Исследование влияния температуры на динамические характеристики образцов композиционных материалов, применяемых при изготовлении динамически подобных моделей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Том XXXIII

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 20 0 2

№ 3—4

УДК 620.22—419.8:678 620.17—419.8

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБРАЗЦОВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДИНАМИЧЕСКИ

ПОДОБНЫХ МОДЕЛЕЙ

С. А. СМОТРОВА

Влияние химического состава и строения связующего, применяемого при изготовлении композиционных материалов (КМ) для динамически подобных моделей, вида армирующего наполнителя, его количества и структуры армирования, а также пенопластового заполнителя на динамические свойства КМ.

При определении критической скорости и частоты флаттера динамически подобных моделей (ДПМ) летательных аппаратов в скоростных аэродинамических трубах (АДТ) важное значение имеют динамические (жесткостные и демпфирующие) характеристики. Жесткостные свойства материалов, из которых изготавливают ДПМ, определяют частоты собственных колебаний, а демпфирующие — способность поглощать энергию на необратимые процессы при их циклическом деформировании. Так как при изготовлении современных ДПМ широко используются полимерные композиционные материалы (КМ) [1], необходимо исследовать свойства этих материалов не только в обычных температурных условиях, но и в режимах, характерных для рабочей части АДТ при проведении испытаний моделей на флаттер.

Жесткость КМ в обычных условиях определяется в основном видом армирующего наполнителя. Общие потери внешней механической энергии в КМ складываются из потерь, связанных с деформациями жесткого наполнителя и связующего и с трением на границе раздела между связующим и наполнителем. Поэтому при исследовании жесткостных и демпфирующих свойств КМ необходимо рассмотреть влияние как вида и количества армирующего наполнителя: вида волокна, типа его переплетения в ткани (вид текстурной формы), структуры армирования, так и химического состава полимерного связующего, а также качества поверхности раздела волокно —матрица. Кроме того, большое влияние на свойства КМ оказывают технология их изготовления и условия эксплуатации изделий из них (температура, условия нагружения и др.).

1. Влияние химического состава и строения связующего в КМ на динамические свойства ДПМ и критическую скорость флаттера. При изготовлении КМ в качестве связующих в основном применяют эпоксидные полимеры. Данный класс высокомолекулярных соединений обладает рядом преимуществ, которые делают их незаменимыми: малая линейная усадка и отсутствие

низкомолекулярных продуктов отверждения, высокая адгезия (превосходящая адгезию большинства других полимеров), связанная со сравнительно высокой полярностью и способностью эпоксидных групп к химическому взаимодействию с поверхностью многих материалов, высокая технологичность, прекрасные механические показатели в отвержденном состоянии, превышающие показатели других полимеров, монолитность изделий и конструкций, хорошие водо- и химическая стойкости [2].

На сегодня в ЦАГИ ДПМ изготавливаются методом контактного формования с использованием эпоксидных связующих холодного отверждения (ЭДОС). Основным компонентом связующего является смесь олигомерных продуктов с эпоксидными группами в концевых звеньях, называемая эпоксидной смолой. Наиболее широкое применение имеют так

называемые эпоксидиановые смолы (типа ЭД) на основе эпихлоргидрина и дифенилолпропана (диана), являющиеся наиболее доступными и распространенными. Для отверждения смол и превращения их в трехмерный сетчатый полимер используют низкомолекулярные полифункциональные соединения — отвердители. Взаимодействуя с олигомерами, они становятся звеньями полимерной сетки. При изготовлении КМ для ДПМ в качестве отвердителей, как правило, используют техническую смесь алифатических аминов — полиэтиленполиамины (ПЭПА) — или ее аналоги. Помимо смолы и отвердителя в состав связующего часто вводят разбавитель-пластификатор, который уменьшает вязкость смолы и, следовательно, способствует улучшению смачивающей и пропитывающей способности связующего. Сегодня для этих целей в основном применяют инертный дибутилфталат (ДБФ). Как было показано в работах [3], [4], от температуры отверждения связующего и его химического состава зависит такой важнейший эксплуатационный показатель полимеров, как температура стеклования (Гс), с помощью которой определяют пределы устойчивой работы конструкций из КМ при действии повышенных температур — теплостойкость, а также область максимального проявления демпфирования. При повышении температуры происходит интенсивное понижение упругих и повышение демпфирующих способностей у полимерных матриц холодного отверждения (а следовательно, и КМ) до температуры стеклования [5]. Изменение свойств связующего в переходной области из стеклообразного состояния в высокоэластическое (область Гс) связано с релаксационными процессами, которые характеризуются усилением сегментальной подвижности главной полимерной цепи (а-процесс). Поэтому максимальные потери механической энергии в связующем наблюдаются в области Тс. Установлено [2]—[4], что Тс связующего ЭДОС находится в области

+ 40 г 50°С (через 7 г 45 суток соответственно). Однако за время испытания в АДТ ДПМ могут нагреваться до температур « + 60°С. В работе [6] показано, что это приводит к снижению жесткости, а следовательно, и частот модели. Кроме того, при этом резко повышается демпфирование в модели за счет а-релаксационных процессов в связующем, что влечет за собой уменьшение амплитуды колебаний конструкции и, возможно, завышение критической скорости флаттера. В работах [3], [4] автором был предложен такой химический состав и технологический режим отверждения связующего (ЭДТ), которые сообщают ему более высокую Тс и, следовательно, теплостойкость. Поэтому динамические свойства такого связующего мало изменяются при повышении температуры до + 60 г 65 °С.

2. Исследование зависимости динамических свойств композиционных материалов от температуры. Целью данной работы является исследование жесткостных и демпфирующих свойств образцов угле-, стеклопластиков и трехслойных образцов с заполнителем (пенопластом) как при обычной температуре, так и при равномерном ее повышении до + 70 °С. Кроме того, в работе приведены данные температурных исследований динамических свойств образцов связующих: применяемого в настоящее время (ЭДОС) и теплостойкого, предлагаемого в качестве замены (ЭДТ), а также пенопластового заполнителя.

Для исследования были взяты образцы, представляющие собой стержни постоянного сечения, с размерами: длина — 190 мм; ширина — 20 или 40 мм; толщина — у КМ в зависимости от количества слоев армирующего наполнителя (от 0,27 до 1,35 мм), у связующих — 1,5 мм, у пенопласта —5,0 мм. Толщины трехслойных образцов складываются из толщин составляющих их КМ и пенопласта.

1) Образцы связующих:

ЭДОС — на основе смолы ЭД-20 с добавкой инертного разбавителя-пластификатора ДБФ, отвержденное технической смесью аминов марки ОС (аналог ПЭПА) при обычной температуре (+ 18 г 20°С) в течение 7 суток;

ЭДТ — на основе смолы ЭД-22 с добавкой реакционноспособного разбавителя — алифатической эпоксидной смолы ДЭГ-1, отвержденное индивидуальным алифатическим амином — триэтилентетрамином ТЭТА при повышенной температуре.

2) Образцы углепластика (УП), в которых в качестве армирующего наполнителя использовалась углеродная лента ЭЛУР-0,08 ПА:

с двумя и четырьмя слоями наполнителя с однонаправленной укладкой; угол ориентации основы ленты по отношению к направлению приложения нагрузки а = 0° (0Э22, 0Э24);

с двумя и четырьмя слоями наполнителя с однонаправленной укладкой; а = 90° (90Э22, 90Э42, 90Э44);

с двумя и четырьмя слоями наполнителя с ортогонально направленной укладкой (1:1); а = 45° (45Э22, 45Э42, 45Э44).

3) Образцы стеклопластика (СП), в которых в качестве армирующего наполнителя использовались ткани А-2 и Т-10-80:

а) на основе А-2

с четырьмя и восемью слоями наполнителя с однонаправленной укладкой; а = 0° (0А44, 0А48);

с четырьмя и восемью слоями наполнителя с ортогонально направленной укладкой (1:1); а = 45° (45А44, 45А48);

с тремя слоями наполнителя с псевдоизотропной укладкой; а = 60° (60А43);

с восемью слоями наполнителя с однонаправленной укладкой; а = 90° (90А48);

б) на основе Т-10-80 с двумя и четырьмя слоями наполнителя с однонаправленной укладкой; а = 90° (90Т22, 90Т24).

4) Образец полистирольного пенопласта марки ПС-4-40.

5) Трехслойные образцы:

пенопласт — углепластик — пенопласт (ПС-УП-ПС);

углепластик — пенопласт — углепластик (УП-ПС-УП);

стеклопластик — пенопласт — стеклопластик (СП-ПС-СП).

Характеристики используемых образцов приведены в табл. 1.

Т аблица 1

№ п/п Наименование образца Вид армирующего наполнителя Ширина образца, мм Кол-во слоев наполнителя

1 ЭДОС - 20 -

2 ЭДТ - 20 -

3 0Э22 ЭЛУР-0,08ПА 20 2

4 0Э24 ЭЛУР-0,08ПА 20 4

5 45Э22 ЭЛУР-0,08ПА 20 2

6 45Э42 ЭЛУР-0,08ПА 40 2

7 45Э44 ЭЛУР-0,08ПА 40 4

8 90Э22 ЭЛУР-0,08ПА 20 2

9 90Э42 ЭЛУР-0,08ПА 40 2

10 90Э44 ЭЛУР-0,08ПА 40 4

11 0А48 А-2 40 8

12 0А44 А-2 40 4

13 45А48 А-2 40 8

14 45А44 А-2 40 4

15 60А43 А-2 40 3

16 90А48 А-2 40 8

17 90Т22 Т-10-80 20 2

18 90Т24 Т-10-80 20 4

19 ПС - 20 -

20 ПС-УП-ПС (УП = 0Э22) 20 -

21 УП-ПС-УП (УП = 0Э24) 20 -

Исследования температурных зависимостей динамических характеристик (частота 1-го тона собственных изгибных колебаний и логарифмический декремент) образцов проводились методом свободных затухающих колебаний с использованием штатного оборудования ЦАГИ на базе универсального генератора-анализатора SOLARTRON-1202. Данный способ исследования является быстрым, доступным и надежным. Схема установки представлена на рис. 1

Методика исследований заключается в следующем. Образец консольно закрепляется внутри лабораторного термошкафа. На конец образца прикрепляется акселерометр типа «РЯОБЕЯА» АС565/11. Образец возбуждается легким ударом. Сигнал с датчика через блок усилителей заряда «РЯОВБЯА» Б1У499В поступает на анализатор для визуализации и записи колебательного процесса и расчета частоты и логарифмического декремента по штатной программе. Затем производится равномерный нагрев образца до + 70° С со скоростью 2°С/мин, что приблизительно соответствует темпу нагрева воздуха в скоростной АДТ. Сбор данных осуществляется после нагрева на каждые 5 г 10°С.

Расчет жесткостных свойств образцов проводится с использованием формулы, связывающей собственную частоту 1-го тона изгибных колебаний стержня с грузом на конце с его жесткостью [7]:

гирьки и акселерометра) [кг].

Результаты экспериментов представлены в таблице и на графиках зависимости относительной жесткости от температуры — Е1 = /(Т) (рис. 2 — 4) и зависимости

логарифмического декремента от температуры — 5 = АТ) (рис. 5 — 7). Относительная жесткость представляет собой отношение жесткости при температуре исследования к жесткости при обычной температуре, выраженное в процентах.

І О О О ^

1 ■

Рис. 1. Схема установки для проведения температурных исследований динамических характеристик композиционных материалов:

1 — лабораторный термошкаф; 2 — исследуемый образец; 3 — акселерометр; 4 — блок усилителей заряда; 5 — универсальный генератор-анализатор

На основании полученных данных можно сделать вывод, что образец связующего ЭДОС характеризуется достаточно высоким начальным (при обычной температуре) демпфированием, это объясняется особенностями его химического строения. Структура такого связующего отличается низкой плотностью поперечных связей (сшивок), за счет чего оно обладает большой гибкостью и подвижностью. Для ЭДОС характерно резкое снижение жесткости (на 20%) и

Рис. 2. Зависимость относительной жесткости образцов углепластиков от температуры:

• — 0Э22 ■ — 0Э24

♦ — 45Э22

▲ — 45Э42 + — 45Э44 ◊ — 90Э22

□ — 90Э42 А — 90Э44 о — ЭДОС

Рис. 3. Зависимость относительной жесткости образцов стеклопластиков от температуры:

• — 0А44 ■ — 0А48

♦ — 45А44

▲ — 45А48 + — 60А43 ◊ — 90Т22

□ — 90Т24 А — 90Т48 о — ЭДОС

повышение

Рис. 6. Зависимость логарифмического декремента образцов стеклопластиков от температуры:

Рис. 4. Зависимость относительной жесткости трехслойных образцов, пенопласта и связующих от температуры:

□ —ПС х—СП-ПС-СП о —ЭДОС

□ — ПС-УП-ПС V — УП-ПС-УП ▼— ЭДТ

Рис. 5. Зависимость логарифмического декремента образцов углепластиков от температуры: :

• — 0Э22 ▲ — 45Э42 □ — 90Э42

■ — 0Э24 + — 45Э44 А — 90Э44

♦ — 45Э22 ◊ — 90Э22 о — ЭДОС

• — 0А44 ■ — 0А48

♦ — 45А44

▲ — 45А48 + — 60А43 ◊ — 90Т22

□ — 90Т24 Д — 90Т48 о — ЭДОС

Рис. 7. Зависимость логарифмического декремента трехслойных образцов, пенопласта и связующих от температуры::

□ _ ПС х — СП-ПС-СП о — ЭДОС

□ — ПС-УП-ПС V — УП-ПС-УП ▼ — ЭДТ

демпфирования уже при + 45 °С, что связано с началом а-релаксационных процессов в этой области. При нагревании до + 55°С жесткость связующего падает на 70%, а демпфирование вырастает в 5,3 раза. Образец связующего ЭДТ характеризуется большей начальной жесткостью и меньшим демпфированием за счет более высокой степени отверждения и плотности сетки химических связей. При нагревании до + 60°С его свойства изменяются незначительно (по сравнению с ЭДОС): жесткость снижается на 17%, а демпфирование растет всего в 1,5 раза.

Из представленных данных видно, что динамические свойства КМ зависят от рабочей температуры. При обычной температуре чем толще образец КМ, т. е. чем больше высокомодульного наполнителя в композите, тем выше его жесткость и ниже демпфирование. При нагревании образцов, начиная с некоторой температурной области, Е1 интенсивно снижается, а 5 — возрастает, что объясняется протеканием релаксационных и, как следствие, деформационных процессов в связующем и на границе раздела наполнитель — матрица. За счет наличия высокомодульного армирующего наполнителя при нагревании образцов КМ наблюдается сдвиг на 3 V 25 °С вверх по шкале температур области проявления а-релаксационных процессов по сравнению с этой областью в ненаполненном связующем. Это зависит от количества наполнителя, структуры его укладки и адгезионной способности по отношению к связующему.

В целом при повышении температуры КМ до +70 °С происходит снижение жесткости образцов в интервале от 14 до 82% и увеличение демпфирования в 1,1 V 6 раз.

При обычной температуре (+18 V 25 °С) за счет большей жесткости углеродного наполнителя по сравнению со стеклотканым жесткость УП-образцов выше, а демпфирование — ниже, чем у СП-образцов (табл. 2).

Т аблица 2

№ п/п Наименование образца Значения динамических характеристик при обычной температуре Изменение свойств при нагревании до 70°С

г2 2 І > гц ЕІ, кгс ■ мм2 5 і ЕІ, % р з

1 ЭДОС 20,00 2583,4 0,124 70 5,3

2 ЭДТ 27,96 3692,7 0,092 17 1,5

3 0Э22 37,76 1010,5 0,241 36 1,1

4 0Э24 107,89 3133,5 0,094 18 1,7

5 45Э22 12,18 328,5 0,265 74 2,8

6 45Э42 9,87 301,0 0,228 67 3,2

7 45Э44 40,79 1497,7 0,141 59 4,2

8 90Э22 9,56 254,3 0,192 77 6,0

9 90Э42 8,98 267,3 0,342 82 5,6

10 90Э44 20,64 747,1 0,273 48 1,9

11 0А48 49,01 1885,9 0,103 16 1,3

12 0А44 16,80 528,0 0,261 30 1,2

13 45А48 45,81 1815,0 0,099 22 1,9

14 45А44 12,57 393,8 0,324 36 1,2

15 60А43 7,88 232,1 0,340 17 2,0

16 90А48 53,57 2155,8 0,074 24 2,4

17 90Т22 34,28 1080,9 0,096 23 2,0

18 90Т24 216,83 8635,9 0,076 14 1,6

19 ПС 84,38 2153,2 0,112 23 1,1

20 ПС-УП-ПС 115,86 14 556,9 0,091 12 1,5

21 УП-ПС-УП 399,04 1 817 764,7 0,038 8 2,0

22 СП-ПС-СП 309,65 1417 915,4 0,068 18 2,4

При повышении температуры жесткость УП снижается, а демпфирование повышается значительней, чем у СП, так как в первом случае изменение этих свойств в большей степени

зависит от процессов, происходящих на границе раздела наполнитель — связующее. Эту зависимость можно объяснить тем, что адгезия полимерной матрицы к углеродному наполнителю невысока вследствие низкой поверхностной энергии карбоволокон, в отличие от стеклянных, и соответственно

более плохой смачиваемости [5], [8]. В результате этого при нагревании подвижность макромолекул связующего и их трение в УП выше, чем в СП.

Динамические характеристики образцов КМ зависят от вида наполнителя, количества его слоев в КМ и структуры армирования. В обычных условиях максимальным значением Е1 и минимальным 5 среди УП обладает образец 0Э24. Наивысшая жесткость его объясняется наибольшим модулем упругости, а самое низкое демпфирование — наименьшей объемной долей связующего и малой подвижностью его структурных элементов. Поэтому при нагревании до + 70°С резкого изменения указанных характеристик данного образца КМ не происходит.

У образца 45Э44 резкое падение жесткости наблюдается в области + 50 V 52°С. Снижение его жесткости при нагревании составляет 59%, что в 3 раза больше, чем у образца 0Э24 (18%). При этом 5 образца 45Э44 увеличивается в 4,2 раза, тогда как у 0Э24 — в 1,7 раза.

При приложении нагрузки по утку (образец 90Э44) область резкого падения жесткости начинается при + 48 V 50°С, т. е. несколько раньше, чем у 45Э44, вследствие того, что модуль упругости такого КМ ниже перекрестно армированного и еще более низкий, чем у 0Э24. Снижение жесткости образца 90Э44 происходит на 48%, что превышает в 2,7 раза ее уменьшение у 0Э24 (18%). Несмотря на то, что при нагревании образца 45Э44 область резкого падения жесткости находится выше по шкале температур, чем у образца 90Э44, степень ее изменения у первого больше, чем у второго — по-видимому, за счет большей подвижности связующего. В подтверждение этого демпфирующая способность у образца 45Э44 в процессе нагревания возрастает в 4,2 раза, в то время как у 90Э44 — в 1,9 раза, а у 0Э24 — в 1,7 раза.

Из УП образцов самой низкой жесткостью при обычной температуре обладает 90Э22, а самым высоким демпфированием — 90Э42. При нагревании в первом случае сильнее, чем в других образцах, повышается 5, а во втором - в наибольшей степени снижается Е1. Начало резкого изменения динамических характеристик находится в области + 45 °С, что связано с меньшим количеством слоев наполнителя и большей подвижностью связующего, чем в других образцах.

Среди стеклопластиков при обычной температуре наивысшей жесткостью и минимальным демпфированием обладает образец 90Т24 на основе ткани Т-10-80, а среди образцов на основе ткани А-2 — 90А48. При этом Е1 образца 90Т24 выше, чем у 90А48, а 5 одинаков. При нагревании у первого образца область резкого падения жесткости выше, величина снижения Е1 и роста 5 ниже, чем у второго, что связано с большим модулем упругости и меньшей подвижностью связующего.

У образца 0А48 резкое падение жесткости и увеличение демпфирования будет наблюдаться выше + 70°С, при этом степень изменения этих свойств минимальна по сравнению с другими СП-образцами на основе А-2. Это объясняется наибольшим модулем упругости и низкой подвижностью структурных элементов связующего, что подтверждается минимальным изменением декремента 5 (в 1,3 раза).

В образце 45А48 аналогичные процессы наблюдаются при температуре + 68°С. Падение жесткости составляет 22%, что в 1,4 раза больше, чем у образца 0А48 (16%). При этом величина повышения демпфирования отличается в 1,5 раза: 5 у образца 45А48 растет в 1,9 раза, а у образца 0А48 — в 1,3 раза.

При приложении нагрузки по утку (образец 90А48) падение жесткости и повышение демпфирования наблюдается практически там же, где у 45А48 (+ 68 °С), что объясняется малым различием модулей упругости этих образцов. Разница в снижении Е1 составляет 2%. Температурный рост 5 отличается 1,2 раза. При сравнении с образцом 0А48 это различие гораздо заметнее.

Самой низкой жесткостью и высоким демпфированием среди СП при обычной температуре обладает образец с псевдоизотропной укладкой ткани А-2 — 60А43. При повышении температуры Е1 снижается на 17%, а 5 растет в 2 раза.

Образец пенопластового заполнителя характеризуется невысокой начальной жесткостью, которая при повышении температуры до + 70°С снижается на 23%. Демпфирующая способность при этом практически не изменяется. Это объясняется тем, что релаксационные процессы в этом материале происходят в области более высоких температур, так как Гс полистирола составляет « + 100°С [9].

Для трехслойных образцов конструкционных элементов с пенопластом характерна высокая начальная жесткость. Резкого снижения ее при нагревании до + 70°С не наблюдается практически ни у одного из образцов. Для трехслойных образцов с УП жесткость уменьшается на 8 V 12%, тогда как для УП-образцов — на 18 V 36%. У исследованных СП-образцов и трехслойных образцов с СП снижение жесткости мало отличается (на 4%). Чем выше начальная жесткость трехслойных образцов, тем ниже их демпфирование. При обычной температуре величина 5 трехслойных образцов меньше, чем у обычных пластиков. Но с повышением температуры демпфирование растет более интенсивно, что, возможно, происходит за счет наличия дополнительных клеевых прослоек между пенопластом и пластиком. За время нагревания до + 70°С демпфирование возрастает в 1,5 V 2,4 раза.

Для исключения искажений в моделировании динамических характеристик при проведении трубных испытаний предлагается использовать один из следующих приемов:

заменить применяемое в настоящее время связующее ЭДОС на более теплостойкое ЭДТ; в предварительные расчеты на флаттер ввести поправки с учетом результатов исследований, полученных в настоящей работе;

ЛИТЕРАТУРА

1. Азаров Ю. А., Брускова Е. В., Григорьев В. Д., Зиченков М. Ч., Никуленко А. А. Проектирование, изготовление и сертификация динамически подобных моделей из композиционных материалов для исследований проблем аэроупругости ЛА в аэродинамических трубах. Тезисы докладов III Международного аэрокосмического конгресса.—М.: МГАТУ им. К. Э. Циолковского.—2000.

2. Чернин И. З., С мехов Ф. М., Жердев Ю. В. Эпоксидные полимеры и композиции.— М.: Химия.— 1982.

3. Смотрова С. А. Связующее с повышенной теплостойкостью для композиционных материалов, используемых в конструкциях динамически подобных моделей // Проблемы аэрокосмической науки и техники.— 2001, № 2.

4.Смотрова С. А. Исследование жесткостных и демпфирующих характеристик эпоксидных связующих различного химического состава, применяемых для изготовления динамически подобных моделей // Пластические массы.— 2002, № 1.

5. Бунаков В. А., Головкин Г. С., Машин с кая Г. П. и др. Армированные пластики. Справочное пособие.— М.: МАИ.— 1997.

6. Смотрова С. А., Троицкий В. Н. Исследование теплостойкости и теплопроводности стекло- и углепластиковых образцов конструктивных элементов динамически подобной модели/ Сб. трудов МФТИ.— Москва — Долгопрудный, МФТИ.—

2001.

7. Ден - Г артог Дж. П. Теория колебаний.— М.: ОГИЗ.— Гостехиздат.— 1942.

8. Пластики конструкционного назначения. (Реактопласты)/Под ред. Тростянской Е. Б.—

М.: Химия.— 1974.

9. Т а г е р А. А. Физико-химия полимеров.— М.: Химия.— 1960.

Рукопись поступила 15/1112001 г.