К проектированию углепластиков на растяжение с учетом адгезии волокна к матрице Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Нелюб В.А.1, Гуськов А.М.2, Белов П.А.3 ©

Аспирант, НОЦ «НМКН» МГТУ им. Н.Э.Баумана, г. Москва; д.т.н., профессор, МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва; 3к.ф.-м.н., НОЦ «НМКН» МГТУ им. Н.Э.Баумана, г. Москва

К ПРОЕКТИРОВАНИЮ УГЛЕПЛАСТИКОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ С УЧЕТОМ АДГЕЗИИ

ВОЛОКНА К МАТРИЦЕ

Аннотация

На примере углепластика КМУ-4э-2м (ВИАМ) показан алгоритм проектирования равнопрочного по модам «разрушение волокна» и «отслоение матрицы от волокна» композита. Алгоритм существенным образом опирается на тот экспериментальный факт, что предельная деформация композита, как правило, меньше предельной деформации волокна и матрицы. Вторым существенным моментом алгоритма является существование разработанных технологий управления адгезией волокна к матрице режимами окислительной обработки углеродных волокон. Показано, что этот углепластик обладает большим резервом прочности, зависящим от качества адгезии волокна к матрице.

Ключевые слова: свойства углепластиков, адгезия, адгезионная прочность, проектирование композитов.

Keywords: properties of plastics, adhesion, adhesive durability, composites design.

На примере углепластика КМУ-4э-2м (ВИАМ) рассмотрим механические

характеристики самого углепластика и его компонентов (наполнитель - лента ЭЛУР-П0,08, связующее - ЭНФБ-2М).

Таблица 1

Механические характеристики углепластика КМУ-4э-2м.

Предел прочности при растяжении МПа Scb 1100

Модуль упругости при растяжении ГПа Ec 135

Таблица 2

Механические характеристики углеродных волокон ленты ЭЛУР-П0,08.

Предел прочности волокна при растяжении, МПа Sfb 2820

Модуль упругости волокна при растяжении, ГПа E 235

Механические характеристики матрицы - ЭНФБ-2М.

Таблица 3

Предел прочности при растяжении, МПа ОтЬ 84

Модуль упругости при растяжении МПа Em 2800

С точки зрения классической теории композитов [1], на основании правила смеси, можно определить относительную объемную долю волокна по данным Таблиц 1, 2, 3:

(Ес -Ет) = о.57

(E - Em )

где: Eс, Ef, Em - соответственно модуль Юнга композита, волокна и матрицы,

© Нелюб В.А., Гуськов А.М., Белов П.А., 2014 г.

j - относительная объемная доля волокна (для данного композита j = 0,57 ). Соответственно, можно определить запасы прочности волокна и матрицы:

Здесь:

nf =-

(ES / E)

= 1.48

о

n =

(E / E )

3.70

sb ,sfb,smb - пределы прочности соответственно композита, волокна и матрицы,

nf , nm - запасы прочности соответственно волокна и матрицы.

Отсюда следует, что при разрушении композита и волокно, и матрица в соответствии с экспериментальными данными, полученными отдельно для волокон и матрицы, ещё не разрушены. Тот же вывод можно сделать и сравнивая предельные деформации композита £ . = О. / E , волокна £.=G. / E, и матрицы e = S / E :

cb cb c 7 fb fb f A ' mb mb m

Таблица 4

Предельные деформации углепластика КМУ-4э-2м и его компонентов

£cb £fb £ mb

0,008 0,012 0,030

Формально этот факт можно объяснить не удовлетворительной адгезией волокна к матрице. Действительно, предположение, что предельная деформация композита, меньшая предельной деформации и волокна, и матрицы, определяется разрушением адгезионной связи между волокном и матрицей, может объяснить наблюдаемый экспериментально аномально низкий предел прочности композита. При выводе «адгезионного» обобщения формулы Фойхта

[2], было установлено, что:

E = Ej + Em (1 -j) + (1)

Amf - адгезионный модуль пары волокно-матрица, 2 H - расстояние между волокнами (для

данного композита H = 6,67мкм ).

Из формулы (1) следует:

Af = E -Ej-Em(1 -j)]H

В [2] также дано уравнение закона Гука для «адгезионного напряжения»:

О

а

£

a

(2)

(3)

где:

£a - деформация растяжения поверхности адгезионного контакта,

Оа - адгезионное напряжение,

A

mf

абсолютная величина адгезионного модуля пары волокно-матрица.

С учетом численных значений Таблиц1-4, адгезионные свойства для углепластика КМУ-4э-2м имеют следующие величины:

A f

-jmL = E -Ej-E (1 - j) = 600 МПа

Hc m

A . = 4000 Па • м

mf

О =

a

= 5 МПа

Соответственно, действующие в волокне и матрице напряжения, соответствующей пределу прочности композита, имеют следующие значения:

при нагрузке,

sr = Eeb = 1900МПа < 2820МПа

f t cb

s = E e b = 23МПа < 84МПа

Так же, как и при анализе Таблицы-4 и запасов прочности, ей предшествующих, можно сделать вывод о том, что и волокно и матрица на момент разрушения композита не догружены. Если необходимо спроектировать равнопрочный по волокну и адгезии волокна к матрице углепластик, то предельные деформации волокна и поверхности контакта волокно-матрица должны быть равны. Умение управлять адгезионными свойствами поверхности контакта [3] позволяет этого добиться соответствующим временем и температурой термоокисления волокон. Так как в процессе термоокисления в общем случае меняются и предел адгезионной прочности, и адгезионный модуль, рассмотрим как предельные случаи два варианта проектирования равнопрочного композита, представленных на Рис. 1 и Рис.2.

Прочность композита как функция А^ при фиксированному

а МПа 1tb МПа У МПа уМПа у МПа о\ МПа > у МПа у МПа

0,008 1100 47467 1915 23 58 2820 84 58

0,009 1215 42974 2115 25 58 2820 84 58

0,010 1350 38677 2350 28 58 2820 84 58

0,011 1485 35160 2585 31 58 2820 84 58

0,012 1620 32230 2820 34 58 2820 84 58

у ь - Предел прочности композита после повышения адгезии волокна к матрице

" Начальный предел прочности композита

начальное

&ш_ь - Предел прочности адгезионных связей волокно-матрица

уь - Предельная деформация композита, при которой начинается отслоение волокна от матрицы e-f.t - Предельная деформация волокна

---------------------с

£tj>

Рис.1. Проектирование равнопрочного композита при постоянном пределе адгезионной прочности

Рисунок-1 иллюстрирует возможность того, что повышая предельную деформацию поверхности контакта волокно-матрица с 0,0081 до 0,0120 (или что то же - снижения адгезионного модуля с 47467Па-м до 32230Па-м), можно добиться повышения прочности композита с 1100МПа до 1620МПа, и в конечном итоге - равнопрочности углепластика по модам «разрушение волокна» и «отслоение матрицы от волокна».

Прочность композита как функция у при фиксированном f

а МПа it А^ МПа у МПа у МПа у МПа о\ МПа > у МПа у МПа

0,008 1100 47467 1915 23 58 2820 84 58

0,009 1215 47467 2115 25 64 2820 84 64

0,010 1350 47467 2350 28 71 2820 84 71

0,011 1485 47467 2585 31 78 2820 84 78

0,012 1620 47467 2820 34 85 2820 84 85

и

щиилгное

£Г. t, - Предел прочности композита после повышения адгезии волокна к матрице - Начальный предел прочности композита

натальное

О** -Предел прочности адгезионных связей волокно-матрица

- Предельная деформация композита, при которой начинается отслоение волокна от матрицы &iji - Предельная деформация волокна

S'

Рис. 2. Проектирование равнопрочного композита при постоянном адгезионном модуле пары

волокно-матрица

Рисунок-2 иллюстрирует возможность того, что повышая адгезионную прочность с 58МПа до 85МПа, можно добиться повышения прочности композита с 1100МПа до 1620МПа, и в конечном итоге - равнопрочности углепластика по модам «разрушение волокна» и «отслоение матрицы от волокна».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Изложенная методика проектирования композита с учетом влияния адгезии волокна к матрице позволяет сделать следующие выводы.

1. Методика позволяет проектировать равнопрочный по модам «разрушение волокна» и «отслоение матрицы от волокна» композит.

2. Методика позволяет объяснить противоречие, возникающее при сравнении предельной деформации композита и его компонентов, в рамках классических представлений теории композитов (где не учитывается адгезия волокна к матрице).

3. Факт пониженной прочности волокнистых композитов должен стимулировать постановку и проведение экспериментальных работ по исследованию механических свойств полимерных матриц на микроуровне. Потребность в таких экспериментальных работах обусловлена коллоидно-химическим (гетерофазным) строением матриц различного класса, структура и механические свойства которых формируются при активном влиянии поверхности армирующего наполнителя.

Литература

1. Васильев В.В. «Механика конструкций из композиционных материалов», М, Машиностроение, 1988,272стр.

2. Нелюб В.А. «Альтернативный pull-out эксперименту метод определения адгезионной прочности системы волокно-матрица», Сборник трудов Международной заочной научно-практической конференции «Актуальные вопросы образования и науки», Россия, Тамбов, 30 декабря 2013 г.

3. Белов П.А., Зайцев О.В., Кобец Л.П., Нелюб В.А. «Управление адгезией поверхности углеволокна временем процесса термоокисления», Материалы Всероссийской научной Интернет-конференции "Фундаментальные и прикладные аспекты новых высокоэффективных материалов", Казань, 29 октября 2013, (стр.41)