CC BY
4
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ, НАУКИ О МАТЕРИАЛАХ, МЕТАЛЛУРГИЯ
УДК 621-039-419; 620.22-419; 537.868
Н.В. Бекренев, И.В. Злобина
ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИОННОГО УГЛЕПЛАСТИКА В УСЛОВИЯХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ В СВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ
Аннотация. В статье изложены результаты оценки по критерию Цая - Ву предельного состояния контрольных и обработанных в СВЧ электромагнитном поле (опытных) образцов отвержденного углепластика, находящегося при температуре -20° С, в сравнении с образцами, находящимися в нормальных условиях производственного помещения. Показано, что отрицательные температуры приводят к увеличению критерия Цая - Ву как контрольных, так и опытных образцов. При этом величина критерия для опытных охлажденных образцов остается практически на уровне контрольных образцов в нормальных условиях, что свидетельствует о повышении надежности в предельном состоянии конструкций из углепластика после СВЧ воздействия.
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, углепластик, экстремальные условия эксплуатации, прочность, сложное нагружение, предельное состояние, критерии, СВЧ электромагнитное поле
N.V. Bekrenev, I.V. Zlobina
ASSESSMENT OF CHANGES IN THE LIMIT STATE OF STRUCTURAL CARBON FIBER-REINFORCED PLASTICS AT NEGATIVE TEMPERATURES AFTER TREATMENT IN THE MICROWAVE ELECTROMAGNETIC FIELD
Abstract. The article presents the estimation results provided in line with the Tsai - Wu criterion of the limit state for control samples of toughened carbon fiber-reinforced plastic
treated in the microwave electromagnetic field at -20° C, in comparison with the samples preserved under standard conditions in the production room. It is shown that negative temperatures lead to an increase in the Tsai - Wu criterion for both control and test samples. At the same time, the rate of the criterion for the test cooled samples remains almost at the level of control samples under standard conditions, which testifies to an increase in reliability of the limit state of carbon fiber-reinforced plastic structures after microwave exposure.
Keywords: polymer composite materials, carbon fiber-reinforced plastics, extreme operating conditions, strength, complex loading, limit state, criteria, microwave electromagnetic field
ВВЕДЕНИЕ
Полимерные композиционные материалы (ПКМ) широко применяются в различных областях техники и строительства, что обусловлено особенностями их качественного, количественного состава и строения, а также большим разнообразием материалов, выполняющих роли связующего и наполнителя и вариативностью их сочетаний [1-5]. Прогнозируется расширенное применение ПКМ для объектов энергетики, строительства и транспортных систем, применяемых в районах Крайнего Севера [6-9]. Специфичные климатические условия в указанных регионах (суточные и сезонные перепады температур, длительный период отрицательных температур) приводят к старению матрицы ПКМ и потере первоначальных прочностных характеристик материала [10, 11]. В этой связи представляется важной объективная оценка на стадии проектирования конструкций надежности ПКМ в предельном состоянии, вызванном сложными внешними факторами и различными схемами нагружения.
Надежность конструкций из ПКМ, находящихся в сложном напряженно -деформированном состоянии, определяется с использованием различных критериев: Цая - Ву, Цая - Хилла, Ямады - Суна, Хоффмана, Коуина, Ханкинсона, Норриса, Пака, Хашина, Кристенсена, LaRC, Кунце и другие [12-18].
Наиболее простыми из используемых в настоящее время являются критерии по максимальным предельным значениям напряжений или деформаций, возникающих в анализируемом слое ПКМ. Критерий максимальных напряжений описывает наступление разрушения при превышении одного из значений тензора напряжений соответствующего предела прочности.
Критерий максимальных деформаций описывает наступление разрушения, когда наибольшая компонента тензора деформаций превышает предельное значение [12]. Преимущества критериев по предельным значениям заключаются в простоте анализа прочности конструкции, практически полном отсутствии математических вычислений. К недостаткам относят низкую точность при сложной схеме нагружения, что связано с тем, что в данных критериях все виды разрушения считаются взаимно независимыми, и раз-
рушение конструкции наступает при простом достижении критического значения одной компоненты нагрузки.
Более точным является тип критериев разрушения, объединяющих все компоненты тензора напряжения или деформации в одно выражение. Широко применяют полиномиальное описание такой связи. Критерий Цая - Хилла основывается на обобщенной теории прочности Хилла для ортотропных пластичных материалов, адаптированной для композитов. Критерий Хоффмана является расширенным вариантом критерия Цая - Хилла и учитывает свойства при растяжении или сжатии в одном критерии. Наиболее универсальным считается критерий Цая - Ву в виде полинома второго порядка [12]. Этот критерий выражает связь свойств композиционного материала в направлениях 1 и 2 и определяется при испытании на двухосное нагружение, для которого получают предел прочности.
В отличие от полиномиальных, где все компоненты тензора напряжений образца рассматривались совместно в одном выражении, следующим вариантом анализа предельного состояния ПКМ были предложенные Хашином и Паком критерии, основанные на разделении разрушения по их виду в отдельные анализируемые выражения. Разрушения матрицы и волокон рассматриваются отдельно, также отдельно исследуется разрушение этих элементов при сжатии или растяжении.
Во всех критериях рассматривается разрушение отдельного слоя, обычно упрощенно принимаемое как разрушение всей конструкции. Критерии также дают возможность рассматривать прогрессирующее разрушение конструкции, ослабленной на один разрушенный слой. Данные критерии соответствуют структурно-феноменологическому подходу при решении задач прочности ПКМ.
Практическое использование большинства критериев в представлении приведенных источников является достаточно сложным для инженерной практики. Для оценки предельного состояния ПКМ, находящихся под воздействием отрицательных температур или градиентов температур, представляется целесообразным использование критерия Цая-Ву в модификации, предложенной в [19].
В результате критического анализа литературных источников, посвященных вопросам формирования микроструктуры ПКМ в процессе изготовления изделий из них, определены основные структурные и технологические параметры, оказывающие влияние на процесс их структурирования и определено, что с целью повышения прочности и надежности конструкций из ПКМ, особенно эксплуатируемых в экстремальных условиях, целесообразно применять модификацию ПКМ. Принципиально ее можно представить со структурной и технологической точек зрения. К структурной можно отнести изменения в составе матрицы путём дополнительного введения компонентов, выполняющих роль наполнителя - в настоящее время это направление представлено большим числом работ по введению наночастиц, различных по своей природе - шунгит, терморасширенный графит,
алмазный порошок, силаны и др. Модификация матриц выполняется путем смешивания полимеров, использования процесса сополимеризации, привитой блок-сополимеризации, процесса сшивания и введением функциональных групп в состав полимерной цепи. Среди технологических процессов модификации можно выделить использование физических методов, в том числе ультразвука, ультрафиолетового излучения и СВЧ электромагнитного поля [20, 21]. СВЧ технологии преимущественно применяются к неотвержденным системам ПКМ и выполняют функцию ускорения процесса отверждения, повышения адгезии, повышения степени равномерности наполнителя в объеме матрицы - для случаев с дисперсно-упрочненными композитами [22-27].
Результаты, полученные авторами статьи и рядом зарубежных исследователей, свидетельствуют о значимой эффективности воздействия СВЧ электромагнитного поля на отвержденные ПКМ [28-32], а также об улучшении технологических характеристик, в частности - обрабатываемости [33]. Однако оценка предельного состояния модифицированных композитов с учетом влияния экстремальных внешних факторов, а именно отрицательных температур, не проводилась.
Целью исследований является определение изменений в предельном состоянии ПКМ по критерию Цая - Ву на примере конструкционного углепластика общемашиностроительного назначения при отрицательных температурах с учетом модифицирующей финишной обработки в СВЧ электромагнитном поле.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
В экспериментах использовали образцы углепластика производства ООО «Евроком-плект», г. Калуга, в виде плоскопараллельных пластин размерами 70 х 10 х 5 мм. Образцы разделяли на контрольную и опытную группы. СВЧ обработку одновременно по 5 образцов осуществляли на экспериментальном оборудовании, созданном на базе установки «Жук-2-02» (ООО НПП «АгроЭкоТех», г. Обнинск Калужской обл.) с камерой лучевого типа с неограниченным объемом излучения в открытое пространство) при частоте 2450 МГц и плотности потока энергии (17-18) х 104 мкВт/см2 в течение 2 минут. На данных режимах обеспечивается при нормальных условиях максимальный упрочняющий эффект СВЧ воздействия [34-37]. После обработки обе группы образцов охлаждали до температуры -20° С при влажности 50 % в климатической камере. Для механических испытаний образцы извлекались по одному и подвергались испытаниям в течение времени, не превышающего 30 с, для сведения к минимуму влияния температуры в помещении, которая составляла +22° С. Обе партии контрольных и опытных образцов испытывали по схеме трехточечного изгиба в соответствии с ГОСТ Р 56805-2015, межслоевого сдвига (ГОСТ 32659-2014) на специальной компьютерной установке с тензометрическими датчиками усилий с программным обеспечением LabView (ИП «Майоров», г. Орел) и на растяжение в соответствии с ГОСТ 32656-2017 на универсальной испытательной машине ИР 5082-100.
С использованием результатов указанных испытаний выполнена оценка предельного состояния образцов после нахождения под действием отрицательных температур по критерию Цая - Ву. При этом использована инженерная методика, дающая хороший отклик на реальные параметры испытаний, изложенная в [19]:
( кт / г кшп^2 (/ кт кт\ /г кшп2^ .
{Ох / [Оех ]} - {( Ох Оу ) /[а ех
+ { Оукт / [Оеукт]}2 +{ Тхукт / [Техукт]}2 < 1, (1)
где охкт, оукт, тхукт - действующие при данной схеме нагружения напряжения растяжения (в продольном направлении), изгиба (в поперечном направлении), сдвига; [оехкт], [оеукт], [техукт] - предельные напряжения растяжения, изгиба, сдвига.
Для использованного в экспериментах углепластика с учетом числа слоев и направления укладки в каждом слое в образце толщиной 5 мм предельные напряжения, определенные по методике [19], равны: [оехкт] = 425 МПа, [оеукт] = 303,5 МПа, [Техукт] = 133 МПа.
Установлено, что отрицательные температуры приводят к снижению прочности контрольных образцов углепластика на 15,3 %. Для опытных образцов снижение составляет 9 %. С учетом этих данных предельные напряжения при расчете критерия Цая - Ву для контрольных и опытных образцов должны быть соответственно уменьшены.
Ранее нашими исследованиями установлено, что после воздействия на углепластик СВЧ электромагнитного поля в процессе испытаний получено увеличение предельных напряжений с коэффициентами: по оси х - Кх = 1,05 (растяжение); по оси у - Ку = 1,28 (изгиб); по межслоевому сдвигу Кт = 1,15.
Значения предельных напряжений приведены в табл. 1.
Таблица 1
Предельные напряжения для контрольных и опытных образцов углепластика в зависимости от внешних условий
При стандартной температуре При отрицательных температурах
Вид образца +(18-20)° С (-20° С)
[Оехкт] [оеукт] [теху ] [Оехкт] [оеукт] [теху ]
Контрольный 425 303,5 133 360 257 112,6
Опытный 446,25 388,5 153 406,1 353,5 139,23
Для оценки предельного состояния углепластика принято, что в результате действия внешних нагрузок в контрольных и опытных образцах возникают напряжения, равные охкт = 180 МПа, оукт = 125 МПа и тхукт = 90 МПа.
Выполнен расчет критерия Цая для контрольных и опытных образцов в условиях нормальных и отрицательных температур. Согласно [12, 14], чем ближе значение критерия Цая - Ву к единице, тем более опасным является состояние конструкции, тем меньше
запас прочности и она ближе к предельному состоянию. Соответственно, уменьшение критерия будет указывать на повышение надежности конструкции (запаса прочности) по предельному состоянию.
С учетом полученных экспериментальных результатов и принятых условий нагружения будем иметь:
для контрольных образцов при стандартной температуре:
F1K1 = {180 / 425}2 - {(180 * 125) / 303,52} + {125 / 303,5}2 +{90 / 133}2 = = 0,179 - 0,244 + 0,17 + 0,458 = 0,563; для контрольных образцов при отрицательных температурах:
F1K2 = {180 / 360}2 - {(180 * 125) / 2572} + {125 / 257}2 + {90 / 112,6}2 = = 0,25 - 0,3406 + 0,236 + 0,639 = 0,785; для опытных образцов при стандартной температуре:
F101 = {180 / 446,25}2 - {(180 * 125) / 388,52} + {125 / 388,5}2 + {90 / 153}2 =
= 0,162 - 0,149 + 0,1 + 0,346 = 0,459; для опытных образцов при отрицательных температурах:
F102 = {180 / 406,1}2 - {(180 * 125) / 353,52} + {125 / 353,5}2 + {90 / 139,23}2 =
= 0,196 - 0,18 + 0,125 + 0,418 = 0,559. Таким образом, результаты оценки предельного состояния контрольных и опытных образцов при нормальных и отрицательных температурах представлены диаграммой (рис. 1).
Рис. 1. Значение критерия Цая - Ву для контрольных (К) и опытных (О) образцов при нормальных (1) и отрицательных (2) температурах
Анализ диаграммы показывает снижение критерия Цая - Ву для опытных образцов относительно контрольных ПКМ при воздействии отрицательных температур на 29 %, в нормальных условиях - на 19 %.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Установлено, что финишная обработка углепластика в СВЧ электромагнитном поле способствует практическому сохранению исходного предельного состояния данного материала при охлаждении до температур 20° С, на что указывает малозначащее увеличение критерия Цая - Ву на 1 %.
Подтверждена высокая эффективность СВЧ обработки по повышению предельного состояния ПКМ при отрицательных температурах порядка -20° С внешней среды, выраженная в значительном (на 29 %) снижении критерия Цая по сравнению с контрольными образцами. Отмеченное снижение критерия свидетельствует о повышении надежности в предельном состоянии конструкций из углепластика после СВЧ воздействия, что позволяет увеличить допускаемые эксплуатационные нагрузки или уменьшить расход относительно дорогостоящего материала, одновременно уменьшив вес изделия.
Повышение предельных прочностных характеристик ПКМ в условиях отрицательных температур позволит расширить область применения конструкций из них в изделиях, эксплуатируемых в районах Арктики и Антарктики.
Исследования выполнены в рамках проекта «СП-5946.2021.3 «Метод повышения функциональных характеристик элементов космических аппаратов из отвержден-ных полимерных композиционных материалов в условиях воздействия температурного градиента».
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Армированные композиционные материалы строительного назначения / В.Н. Студенцов, В.А. Кузнецов, Н.В. Зубцова, И.В. Черемухина // Композиционные материалы в промышленности: материалы 29 Междунар. конф., Ялта, 1-5 июня 2009 г. Ялта-Киев: Украинский информационный центр, 2009. С. 357-359.
2. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. № 1 (34). С. 3-33.
3. Каблов Е.Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники // Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. № 6. С. 520-530.
4. Мировой рынок углеродного волокна. URL: http://xn--80aplem.xn--p1ai/analytics/ Mirovoj-rynok-uglerodnogo-volokna/ (дата обращения: 01.02.2022 г.).
5. Дориомедов М.С. Российский и мировой рынок полимерных композитов (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. № 6-7 (89). С. 29-37.
6. Материалы и покрытия в экстремальных условиях. Взгляд в будущее: в 3 т. Т. 1. Прогнозирование и анализ экстремальных воздействий / Ю.В. Полежаев, С.В. Резник, Э.Б. Василевский и др.; под ред. С.В. Резника. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 224 с.
7. Горынин И.В. Конструкционные материалы - важный элемент надежности и экологической безопасности инфраструктуры Арктики // Арктика: экология и экономика. 2015. № 3 (19). С. 82-87.
8. Бузник В.М., Каблов Е.Н., Кошурина А.А. Материалы для сложных технических устройств арктического применения. Научно-технические проблемы освоения Арктики. М., 2015. С. 275-285.
9. Бузник В.М., Каблов Е.Н. Состояние и перспективы арктического материаловедения // Вестник Российской Академии наук. 2017. Т. 87, № 9. С. 831-843.
10. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. 2-е изд. СПб.: Научные основы и технологии, 2010. 822 с.
11. Brinkmann S. At al. International Plastics Handbook the Resource for Plastics Engineers. Ed. Hanser. 2006. 920 p.
12. Гриневич Д.В., Яковлев Н.О., Славин А.В. Критерии разрушения полимерных композиционных материалов (обзор) // Труды ВИАМ. 2019. № 7 (79). С. 92-111.
13. Брытков Е.В. , Санников В.А. Механика композиционных материалов: учеб. пособие. СПб: Балт. гос. техн. ун-т, 2012. 74 с.
14. Муйземнек А.Ю. , Карташова Е.Д. Механика деформирования и разрушения полимерных слоистых композиционных материалов: учеб. пособие. Пенза: Изд-во 111 У, 2017. 77 с.
15. Полилов А.Н. Экспериментальная механика композитов: учеб. пособие. Москва: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. 375 с.
16. Скворцов Ю.В. Механика композиционных материалов: конспект лекций. Самара: Самар. гос. аэрокосмич. ун-т имени академика С.П. Королева, 2013. 94 с.
17. Ставров В.П. Механика композиционных материалов: учеб. пособие для студентов специальностей «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов», «Оборудование и технологии высокоэффективных процессов обработки материалов». Минск: БГТУ, 2008. 262 с.
18. Смердов А.А. Основы оптимального проектирования композитных конструкций: учеб. пособие по курсу «Проектирование композитных конструкций». Ч. I. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 88 с.
19. Акименко А.А. Инженерная методика проектирования авиационных конструкций из композиционных материалов (обобщение 20-летнего практического опыта), утверждённая начальником ОКБ Российской самолётостроительной корпорации «МиГ» Плясунковым С.А. 15.03.1997, 1997. 85 с.
20. Кулезнев В.С., Шершнев А.С. Химическая и физическая модификация полимеров. М.: Химия, 1990. 207 с.
21. Кестельман В.Н. Физические методы модификации полимерных материалов. М.: Химия, 1980. 188 с.
22. Microwave processing of materials / National Materials Advisory Board. Washington : National Academy Press, 1994. 150 р.
23. Thuery J. Microwave: industrial, scientific, and medical applications. Boston: Ar-tech House Publishers, 1992. 475 p.
24. Архангельский Ю.С. Справочная книга по СВЧ-электротермии. Саратов: Научная книга, 2011. 560 с.
25. Комаров В.В. Формулировки математических моделей процессов взаимодействия электромагнитных волн с диссипативными средами в СВЧ-нагревательных системах // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2010. Т. 13. № 4. С. 57-63.
26. Электрофизическая модификация базальтовых нитей / Ю.А. Кадыкова, С.Г. Калганова, С.В. Арзамасцев и др. // Вопросы электротехнологии. 2019. № 2 (23). С. 101-105.
27. Захаров В.В. Математическое моделирование СВЧ термообработки диэлектриков с учетом изменения их физических свойств / В.В. Захаров, С.В. Тригорлый // Вопросы электротехнологии. 2020. № 3. С. 5-12.
28. Inderdeep Singh Feasibility study on microwave joining of 'green' composites / In-derdeep Singh, Pramendra Kumar Bajpaia, Deepak Malika, Apurbba Kumar Sharmaa, Pradeep Kumara // Akademeia (2011) 1(1): ea0101. рр. 1-6.
29. Teawon Kim Microwave heating of carbon-based solid materials / Teawon Kim, Jaegeun Lee, Kun-Hong Lee // Carbon Letters. 2014. Vol. 15. № 1. рр. 15-24.
30. Bradshaw S.M., van Wyk E.J., de Swardt J.B. Microwave heating principles and the application to the regeneration of granular activated carbon // The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy. 1998. July/August. рр. 201-210.
31. Museok Kwak Microwave Curing of Carbon-Epoxy Composites: Process Development and Material Evaluation // Imperial College London Department of Aeronautics.
A thesis submitted to Imperial College London for the degree of Doctor of Philosophy. 2016. 150 P.
32. Злобина И.В., Бекренев Н.В. Новые конструкторско-технологические методы повышения прочности конструкционных элементов из неметаллических композиционных материалов: монография. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2017. 164 с.
33. Злобина И.В., Бекренев Н.В. Повышение производительности и качества механической обработки изделий из полимерных композиционных материалов путем СВЧ модифицирования // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2021. № 1 (88). С. 93-104.
34. Zlobina I.V., Bekrenev N.V., Teterin D.P. Strengtheninig microwave modification of structural elements of composite materials reinforced with synthetic fibers // Journal of Physics: Conference Series 1050 (2018) 012108. doi: 10.1088/1742-6596/1050/1/012108.
35. Zlobina I.V., Bekrenev N.V., Muldasheva G. Studies of Microwave Electromagnetic Field Influence on Adhesion Strength of the «Matrix-Fiber» Contact Zone on the Example of the Elementary Cell of a Certified Polymeric Composite Material // Materials Science Forum Vol. 992. Studies of Microwave Electromagnetic Field, 2020. Р 317-324, doi.org /10.4028/.
36. Zlobina I.V. The effect of processing in a SHF electromagnetic field on the parameters of vibro-wave processes generated by the impact of a solid body in cured polymer composite materials under influence of climate factors // JOP Conference Series: Metrological Support of Innovative Technologies. Krasnoyarsk Science and Technology City Hall of the Russian Union of Scientific and Engineering Associations. Krasnoyarsk, Russia, 2020. С. 42045.
37. Злобина И.В., Кацуба И.С., Бекренев Н.В. Влияние обработки в СВЧ электромагнитном поле на изменение изгибной прочности конструкционных элементов из от-вержденных углепластиков под действием факторов внешней среды // Известия Волгоградского государственного технического университета, 2020. № 3 (238). С. 20-22.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Бекренев Николай Валерьевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Техническая механика и мехатроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Nikolay V. Bekrenev -
Dr. Sci. Tech., Professor, Department of Technical
Mechanics and Mechatronics, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Злобина Ирина Владимировна -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Техническая механика и мехатроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Irina V. Zlobina -
PhD (Technical Sciences), Associate Professor, Department of Technical Mechanics and Mechatronics, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 24.03.2022, принята к опубликованию 16.05.2022
