Проблемы регулирования прочности и пористости композиционно-волокнистых материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

2.http://www.gazprom-neft.ru/technologies/productюn/ //дата обращения (29.07.2018).

3. Гидроразрыв пласта в горизонтальных скважинах, В.А., Васильев, А.Е. Верисокин // Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. 2013. №6.

© Акопян Э.А., Степанец Л.Ю., 2018

УДК:620.18(035):678.067

С. А. Береснев

магистрант 1 курса факультета "Оружие и системы вооружения" Балтийский государственный университет "Военмех" им. Д.Ф.Устинова г.Санкт-Петербург, Российская Федерация E-mail: beresnev100@yandex.ru Т. П. Кочеткова к.т.н., доцент факультета "Оружие и системы вооружения" Балтийский государственный университет "Военмех" им. Д.Ф.Устинова г.Санкт-Петербург, Российская Федерация

E-mail: il-lan@list.ru М. А. Никитин к.т.н., доцент факультета "Оружие и системы вооружения" Балтийский государственный университет "Военмех" им. Д.Ф.Устинова г.Санкт-Петербург, Российская Федерация E-mail:t904-38-27@yandex.ru

ПРОБЛЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ И ПОРИСТОСТИ КОМПОЗИЦИОННО-ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Аннотация

В данной статье рассматриваются задачи управления прочностью армированных многослойных стеклотекстолитов и пластиков , возможности регулирования их механических характеристик методами изменения пористости материалов, вискеризации армирующих волокон.

Ключевые слова:

стеклоарматура, армирование, регулируемая структура, управление пористостью.

Современные композиционно-волокнистые материалы, широко применяемые в авиакосмической технике, судостроении, машиностроении, принято подразделять на четыре основные группы: стеклотекстолиты, стекловолокниты, ориентированные стеклопластики и стеклопластики на основе предварительно формованного стеклянного волокна или матов [1]. При этом около 60% материалов( изделий) такого вида получают так называемыми методами «сухой» или «мокрой» намотки[2].

В качестве армирующего материала используют непрерывную нить, ленту, полотна ткани, шпон и др. Наиболее распространены изделия из стеклотекстолита-пластика, у которого наполнителем служит

стеклянная ткань различного переплетения. Распространены стеклоткани трёх различных видов переплетения: гарнитурового, сатинового и саржевого. Установлено, что характер переплетения оказывает решающее влияние на физико-механические свойства стеклотекстолита. Механические характеристики стеклопластика до известной степени изменяют за счёт применения стеклотканей различного вида.

Свойства стеклопластиков определяются рядом известных конструктивно-технологических факторов и соответственно, могут регулироваться как за счёт комбинирования исходных материалов, так и за счёт технологических приёмов производства.

Практический интерес имеет решение задачи о влиянии физико-механических свойств исходных материалов и их структуры на свойства всей композиции в целом.

До настоящего времени ещё не сформулированы критерии прочности стеклопластиков с учётом неоднородности их структуры и пористости. Это справедливо и для достаточно хорошо изученного вопроса прочности стеклотекстолита, используемого для изготовления пластин и оболочек.

Известно, что при работе на изгиб все композиционные материалы обладают сравнительно невысокой жёсткостью. Это связано с тем, что модуль упругости стеклопластика на порядок меньше, чем у конструкционной стали.

Значительное влияние на качество и надёжность этого вида изделий оказывают и технологические факторы. Процесс изготовления слоистых материалов и изделий из них часто сопровождается появлением различных дефектов в виде раковин, пор, трещин и расслоений. Всё это снижает механические свойства изделий, ухудшает их качество и надёжность. [7]

Опыт применения пластмасс в промышленности [1] свидетельствует о том, что почти все конструкционные стеклопластики содержат в своей структуре наполненные газом поры различной формы и размеров. Наибольшая пористость - до 25 % - наблюдается в стеклопластиках, выполненных на кремнийорганических связующих. При этом бездефектными принято считать материалы с пористостью менее 2%.

К перспективным направлениям в создании высококачественных материалов и изделий относится разработка и реализация принципа конструктивно-технологического управления механическими и теплофизическими свойствами стеклопластика по заданным преимущественно ортогональным направлениям. Здесь искомый положительный эффект достигается за счёт комбинации слоёв стеклоарматуры с различными значениями поверхностной плотности и жёсткости [2]с.7.

Основная цель настоящей работы состоит в рассмотрении возможности создания более эффективных в использовании материалов, допускающих искусственное регулирование ( управление) пористостью по длине и толщине их несущей стенки или оболочки. Знание особенностей схемы армирования, состава и структуры анизотропного материала, способствует более широкому и рациональному применению высокоэффективных материалов в ответственных изделиях. Решение этих вопросов тесно связано с совершенствованием методов расчета и проектирования изделий с регулируемыми структурами.

Особо важным и сложным вопросом является установление степени влияния пористости на механические свойства материала с регулируемой структурой.

Технологическая пористость композиционного материала в общем случае служит основным критерием его монолитности(1).В частности, прочность стеклопластика при изгибе может быть аппроксимирована корреляционным уравнением следующего вида:

С; =аК1 ( 1-ЬК2), МПа.

Где а=1390 МПа; Ь=0,98; для стеклопластиков К1 =0,550-0,60.

Здесь К 1=-—,, -относительное объёмное содержание арматуры,

У2 , Уз - относительное объёмное содержание связующего и пор.

В теоретическом плане представляет интерес рассмотрение задачи по дальнейшему уточнению и упрощению эмпирических зависимостей, пригодных для практического использования.

Разрабатываемые формулы и рекомендации должны отвечать ряду следующих требований:

• Быть простыми и удобными в использовании,

• Учитывать анизотропию свойств материала, состав и структуру входящих ингредиентов,

• Удовлетворять широкому классу анизотропных материалов,

• Соответствовать результатам экспериментальных исследований.

В основу нижерассматриваемой теоретической базы положены постулаты классической теории композиционных материалов, рассматриваемых в виде трёхкомпонентной системы:

V=VH + Vc + Vn

( 1)

где : У, м3-объём материала(образца) вместе с порами в естественном состоянии;

Ун ,м3- объёмное содержание наполнителя;

Уо + Уп ,м3-объёмное содержание связующего и пор.

Объёмной плотностью или плотностью материала ( образца) будем называть массу единицы объёма в естественном состоянии:

V = —, кг/м3 ' V'

где т, кг- масса материала образца в естественном состоянии.

На первом этапе исследований авторами изучено влияние технологической пористости на прочностные свойства стеклопластика. В итоге этих иссследований установлена простая корреляционная зависимость:

°1=°тах(1-П) ( 2)

П= ^

V

где - предел прочности стеклопластика при изгибе или растяжении с учётом пористости; °тах - максимальное значение прочности материала при отсутствии пористости;

- относительная пористость, или просто пористость; Уп - суммарный объём пор в структуре материала; У- объём материала в естественном состоянии, т.е. вместе с порами. Представленная зависимость достаточно хорошо согласуется с результатами экспериментов Кортена (рисунке 1)

сигм.,М

Па

360

200

■ 1

А

А П

Ад ( ' "Г □

1 •

п.%

ю

15

Рисунок 1 - Зависимость предела прочности стеклотекстолита при растяжении сухого материала

Рисунок 2 -Зависимость предела прочности стеклотекстолита при растяжении влажного материала

Рисунок 3 -Обозначения на рис.1-2.

На втором этапе исследований было изучено влияние конструктивной пористости на прочностные свойства армированного стеклопластика.

Практический интерес представляло решение технологической проблемы получения изделий с регулируемой пористостью.

Известно, что при работе конструкционного материала на изгиб основную внешнюю нагрузку воспринимают наружные несущие слои; и в значительно меньшей степени те слои, которые расположены вблизи нейтральной линии деформируемой пластины или оболочки.

Исходя из этого, внешние несущие слои армированного материала следует выполнять из более плотных стеклотканей, обеспечивающих получение структуры с минимальной пористостью. Промежуточные слои, расположенные вблизи нейтральной линии, где изгибные нормальные напряжения приближаются к нулю, рационально изготавливать из комбинации менее плотных тканей (сеток ) с размерами ячеек квадратной формы, уменьшающимися при приближении к внешним несущим обшивкам.

Стеклянные сетки поучают полотняным переплетением крученых нитей, в которых используют волокна сечением 6 мкм из алюмоборосиликатного стекла..

На рисунке 4 представлена схема армирования композиционного материала с регулируемой ( программируемой ) плотностью и пористостью в ортогональных направлениях. Разработанная схема армирования позволяет создавать нетрадиционные структуры, сходные с биологическими объектами ( костными тканями ) , обладающими высокой удельной жёсткостью и прочностью.[6]

1

Рисунок 4 - Принципиальная схема создания конструктивной пористости в композиционном материале.

1,2-внешние несущие слои из плотных тканей; 3- промежуточные слои из разреженных тканей (сеток);

4-дополнительные слои ( ленты) из плотных тканей.

Практическая реализация конструктивной схемы, показанной на рисунке 4, осуществляется с применением технологии "сухой" намотки стеклотекстолитовых труб из ткани полотняного переплетения, стеклосетки ССф-3 и связующего ЭФ32-301.

Образцы для испытаний вырезались в направлении образующей цилиндрической оболочки и подвергались вначале микроструктурному анализу, а затем механическим испытаниям на изгиб в трехточечной схеме.

Общепринятая методика экспериментального определения пористости включает: выжигание образцов при 600-700 ° С; нахождение относительного и массового стекловолокна (наполнителя) и связующего , определение относительного объема пор Уп .

Объемное относительное содержание стеклонаполнителя У„ и связующего Ус находятся по известным формулам

Ун= ^•Сн ; Ус= ^•Сс ,

Ни Нс

где р0 - плотность стеклопластика в естественном состоянии;

рн - плотность стекловолокна (наполнителя);

Сн и Сс -относительное массовое содержание стеклонаполнителя и связующего.

Суммарный относительный объем пор (пористость) П находят из соотношения

П = Уп = 100-(¥н+Уа), %

В традиционных конструкционных стеклопластиках оптимальное соотношение связующего и наполнителя У/Ун=0,4...0,6. Стеклотекстолиты с конструктивной пористостью могут иметь пористость превышающую 25%.

При испытаниях образцов на изгиб необходимо было учитывать низкую прочность слоистого пластика при работе на сдвиг и межслойный отрыв [2].Известно, что сдвиговые деформации преобладают для коротких и существенных анизатропных материалов . Для уменьшения отрицательного влияния касательных напряжений на несущую способность стеклопластика рекомендуется применять длинные

образцы с соотношением длины к толщине ¡/Ь=25...45 [2], с.42. Как показано в цитируемой работе, все слоистые композиционные материалы в диапазоне ¡^ =4...10 разрушаются только от сдвиговых деформаций . Помимо этого, наблюдается изменение формы поперечного сечения образца , которая зависит от коэффициента Пуассона и относительной ширины Ь/Ь, где Ь и h -ширина и толщина образца соответственно.

На рисунке 5 показаны основные типы образцов, выполненных по многослойной (трехслойной )схеме с плотными внешними слоями 1,2, средним высокопористым слоем из разреженных стеклотканей(сеток) 3 и плотных стеклотканевых окончаний 4,5. При виде в плане рассматриваемые конструкции образцов имеют плоские увеличенные окончания в виде лопаток , рисунке 5.

а)

б)

в)

Рисунок 5 - Конструктивные особенности стеклопластиковых образцов для испытания на изгиб: а- с плотными без пористыми окончаниями; б- с промежуточным плотным утолщением (штангоутом); в- с высокопористой структурой по всей длине; г- конструктивные параметры образцов лопаточного типа

Проведенные испытания таких образцов на изгиб по трехточечной схеме показали, что во всех случаях разрушение материала происходило от нормальных напряжений растяжения-сжатия. По существующим рекомендациям стандартные образцы для испытаний на изгиб следовало бы выполнять длиной 300...500 мм, что технически не рационально и не экономично.

Влияние пористости на механические свойства стеклопластика связано в первую очередь с уменьшением рабочего сечения материала. Опытным путем потвержден и известный вывод о том, что наличие пор действует и как концентратор напряжений в структуре материалов.

Для прогнозирования механических характеристик пористых материалов рекомендуются более простые формулы, которые легко получить, если воспользоваться теорией смеси [1]. В частности установлено, что предел прочности армированного стеклопластика может быть определен по формуле

а = (ас + ("н-"с)(у-ус)У (1-П). (3)

^ Ун-Ус /

При отсутствии пористости в материале выражение (3) принимает более простую форму

* = (*с+^1р)) (4)

^ Ун-Ус '

где - а — предел прочности стеклопластика при растяжении или изгибе; стс — предел прочности связующего ;

Он — предел прочности при растяжении стекловолокна (наполнителя) 7 — плотность стеклопластика в естественном состоянии; Ун,7с —плотность наполнителя и связующего соответственно.

На рисунке 6 приведена зависимость между плотностью стеклопластика и плотностью прочности при изгибе. Экспериментальные точки получены при испытании образцов выполненных из стеклотекстолита на связующем ЭФ32-301. Прямые построены по формуле 3:

1-ус=1,2 г/см3; 5с=120 МПа; 5н=1000 МПа;

2-ус=1,2 г/см3; 5с=120 МПа; 5н=1500 МПа

Рисунок 6 -Зависимость предела прочности стеклопластика при изгибе от его плотности: 1-

Он=1000МПа, : 2- Он=1500МПа

Результаты выполненных экспериментальных исследований хорошо согласуются с формулой (1) и с данными теоретических построений, опубликованных в работе [5]. Конструктивное регулирование пористости обеспечивает получение стеклопластиковых структур со средней плотностью у0=1,25... 1,50 г/см3. За счет этого достигается существенное повышение удельной жесткости материала.

В широко распространенной практике [1] наиболее часто применяют волокна, имеющие форму круглого сплошного сечения. Однако имеются уже и полые стеклянные волокна с коэффициентом капиллярности 0,5...0,7 при внешнем диаметре волокна от 8 до 25 мкм. Применение пустотелых волокон в пористых структурах позволит еще более снизить плотность стеклопластиков и тем самым увеличить их удельную жесткость при изгибе. Для повышения сдвиговой прочности и жесткости высокопористого заполнителя имеет смысл внедрять новые вискеризованные исходные материалы(ткани и сетки). Вискеризация - выращивание (закрепление) нитевидных кристаллов (вискеров) на поверхности армирующих волокон [2], с.19. Изменяя соотношение арматуры из различных материалов (тканей, сеток и лент), в разных направлениях можно создавать изделия с наперед заданными свойствами. Выбор закона укладки армирующих материалов в плоскости и по толщине пакета должен назначению изделия, в состав которых могут быть включены и высокомодульные волокна из углерода , бора и других материалов.

Выводы

1. С целью повышения удельной жесткости композиционно-волокнистого материала целесообразно создавать нетрадиционные структуры с регулируемой объемной плотностью и пористостью по длине и толщине несущей стенки изделия.

2. Установлена и экспериментально подтверждена закономерность влияния конструктивно регулируемой пористости на механически свойства композиционного материала. Разработана и технология управления удельной прочностью и жесткостью стеклотекстолита.

~ 25 ~

3. При расчете и проектировании изделий из высокопористых материалов, необходимо учитывать количество и качественное соотношение структурных составляющих, в том числе и пористости.

4. Для определения прочностных свойств композиционного материала рекомендуется простая корреляционная зависимость (1).

5. С целью уменьшения отрицательного влияния касательных деформаций на нормальные разрушающие напряжения при изгибе, целесообразно использовать плоские образцы с расширенными консольными участками (лопатками).

Список использованной литературы:

1. Конструкционные стеклопластики.М.: Химия ,1979,360 с.

2. Тарнопольский Ю.М., Жигун И.Г., Поляков В.А. Пространственно-армированные композиционные материалы: справочник. М.; Машиностроение, 1987.-224 с.

3. Семенова Г.П., Павлов В.В.- Механика полимеров, 1970, №4, с.585.

4. Кортен Х.Т., Разрушение армированных пластиков. Пер. с англ./Под ред. Тарнопольского Ю.М. М.,Химия, 1967

5. Бокин М.Н., Рогалев А.С., Сойкин Б.М., Сидоров В.Н. Некоторые особенности механической обработки ортогонально армированных стеклопластиков // Полимерные материалы в машиностроении. Сб. научных трудов № 171. -Пермь, 1975, изд-во ППИ.-С.97-102.

6. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты // СИБ: НОТ, 2009-380 с.

7. Тимофеев Н.Е., Абдуллин И.А., Белобородова О.И., Богатеев Г.Г. Основы производства изделий из стеклопластика // Казахский национальный исследовательский технологический университет, 2006,с.160.

© Береснев С.А., Кочеткова Т.П., Никитин М.А.,2018

УДК 681.7.068

В.Г. Беспрозванных, к.ф.-м.н., доцент ПНИПУ Д.Д. Лекомцева, студентка 4 курса ПНИПУ А.С. Петухов, инженер-исследователь Факультет прикладной математики и механики Пермский национальный исследовательский политехнический университет

г. Пермь, Российская Федерация

КАЛИБРОВКА РАСПРЕДЕЛЕННОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ

Аннотация

Работа посвящена разработке методики калибровки распределенного рамановского датчика температуры в полевых условиях. Выполнена сравнительная характеристика эффективности калибровки различных вариантов датчиков дуплексной однопроходной конфигурации, адаптированных к полевым условиям, на основе критериев минимизации среднеквадратичного смещения калиброванных данных в точках независимых наблюдений и ошибки дупликации.

Ключевые слова

Распределенный рамановский датчик температуры, калибровка (поверка) датчика, эффективность калибровочных процедур, экспериментальный стенд для калибровки в полевых условиях.