CC BY
5DOI: 10.24412/^-37269-2024-1-311-314
ПРОЧНОСТЬ УГЛЕПЛАСТИКА ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЗИМНЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЯКУТСКЕ
Копырин М.М.1, Старцев О.В.2, Лебедев М.П. 1
1 Федеральный исследовательский центр «ЯНЦ СО РАН», г. Якутск
2 Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова, г. Якутск
В ходе испытаний на изгиб было оценено влияние времени разрушения, скорости деформирования и предварительных воздействий (экспонирование при отрицательных температурах и циклы «влагонасыщение - замораживание») на прочностные характеристики образцов углепластика. Результаты испытаний показывают, что структура материала может значительно изменяться после циклов «влагонасыщение - замораживание», а также что непрерывное экспонирование при отрицательной температуре практически не влияет на характеристики материала, в то время как режим «влагонасыщение - замораживание» снижает все характеристики материала.
Углепластик является одним из самых прочных и устойчивых материалов [1]. Несмотря на это, влияние агрессивных климатических факторов (таких как экстремальная температура, высокая влажность, УФ-радиация, механические нагрузки, нагруженность и пр.) приводит к старению и разрушению материала.
На территории города Якутска среднегодовой показатель температуры равняется примерно -10 °С. В зимний сезон температура опускается еще ниже, вплоть до -64 °С [2]. Внутренние напряжения, вызванные таким диапазоном колебания температуры, обусловлены различием показателей коэффициента линейного термического расширения полимерной матрицы и армирующего волокна [3, 4]. Полимерные композиционные материалы (ПКМ), которые были подвержены воздействию окружающей среды, впитывают влагу. При понижении температуры вода превращается в лёд и увеличивается в объёме. Это может привести к возникновению внутренних напряжений, микрорастрескиванию и снижению прочности материала при межслоевом сдвиге. [5]. Суточные и сезонные колебания температур при натурном термоциклировании ускоряют образование микротрещин, так как увеличивается количество макроповреждений в объёме матрицы или на границе раздела фаз с армирующим волокном [6].
Эти напряжения значительно влияют на механические свойства материалов, изменяя их прочность и срок службы. Поэтому важно проводить эксперименты, тщательно обрабатывать данные и правильно их интерпретировать, чтобы глубоко понять поведение полимерных композиционных материалов в работе. Только так можно создать точные модели и прогнозы для обеспечения надёжности и безопасности техники, особенно в экстремальных климатических условиях.
Климатические факторы в основном влияют на поверхностные слои ПКМ. Воздействие различается в зависимости от стороны, которая подвергается солнечной радиации. [7].
Для изучения влияния климатических факторов на долговечность ПКМ были взяты три пластины пре-прега углепластика, состоящего из 12 слоёв углеткани марки АСМ С200Т с саржевым плетением. В качестве связующего материала использовалась эпоксидная смола марки АСМ 102. Размеры пластин составляли 200х300 мм, толщина - 2,6-2,7 мм.
Основные характеристики монослоя препрега АСМ 1 02-С200Т представлены в таблице 1. На рисунке 1 изображено поперечное сечение пластины по направлению утка.
Рис. 1. Вид поперечного разреза пластины при увеличении
Х16
Таблица 1. Основные характеристики препрега АСМ 102-С200Т
Наименование показателя Единицы измерения Значение
1 Плотность углепластика г/см3 1,56 ± 0,10
2 Массовая доля связующего % 38 + 3
3 Толщина монослоя мм 0,20-0,21 + 0,02
4 Модуль упругости при растяжении в направлении основы при температуре 20°С, не менее ГПа 65-70
5 Предел прочности при растяжении в направлении основы при температуре 20°С, не менее МПа 750-850
6 Предел прочности при сдвиге, не менее МПа 75-80
7 Время гелеобразования связующего в препреге при температуре (110 ± 2)°С мин 60-120
8 Температура стеклования полимерной матрицы, не менее °С 150
Углепластик АСМ 102-С200Т - конструкционный материал, который используют в экстремальных климатических условиях, например в Арктическом регионе [8]. Прочность на растяжение составляет 850 МПа, модуль упругости - 70 ГПа. Предел прочности при сдвиге -80 МПа, температура стеклования - не более 150 °C.
Исследовали образцы из трёх одинаковых пластин углепластика. Первую использовали для определения исходных механических показателей материала. Вторую 30 дней экспонировали в Якутске при внешней температуре от -11 до -44 °C. Третью за тот же период подвергали циклам «влагонасыщение - замораживание»: ночью выдерживали в воде при 60 °C, днём - на открытом атмосферном стенде. За это время третья пластина сорбировала 0,68% воды, которая была локализована в поверхностных слоях.
Для оценки прочностных характеристик будем использовать параметр прочности Pst.
Pst= WmaxlKUo-Ui), (1)
где |omax| - максимальные напряжения сжатия, которые были достигнуты при нагружении в каждом опыте, Ui - энергия активации процесса разрушения, которая была вычислена для каждого случая нагружения путём приведения времени разрушения к максимальным напряжениям через интеграл от скорости разрушения по времени при непрерывно меняющихся напряжениях.
По три образца каждой пластины испытывали на продольный изгиб с постоянными скоростями перемещения подвижной опоры: 1 мм/с, 0,1 мм/с и 0,01 мм/с.
В таблице 2 приведены полученные результаты: время нагружения до излома образцов to, эквивалентное время разрушения Teq, приведённое к максимальным напряжениям в опытах, и максимальные значения напряжений сжатия \отах\, которые в этих опытах достигались. Для сравнения приведены также напряжения окончания процесса разрушения в каждом опыте \ а0 \ без учёта изменения прогиба образца в этот момент.
Таблица 2. Характеристики прочности образцов, изготовленных из пластин 1, 2 и 3, нагружавшихся продольным изгибом с различными скоростями деформирования_
Образец Скорость деформирования, мм/с to, с Teq, с kmax\, МПа К!, МПа МПа моль/кДж
1.1 0,1 855,5 61,10 952,5 735,6 13,17
1.2 1 36,8 2,798 923,6 680,9 11,57
1.3 0,01 3637,6 298,7 918,3 666,0 13,41
2.1 0,1 385,0 30,37 952,1 952,1 12,86
2.2 1 39,3 3,268 940,1 267,7 11,83
2.3 0,01 3891,9 377,9 946,1 942,6 13,94
3.1 0,1 295,4 27,57 783,8 647,6 10,55
3.2 1 27,0 1,769 751,4 751,4 9,282
3.3 0,01 3103,3 232,9 835,7 810,3 12,10
На рисунке 2 отображена зависимость прочности и максимальных напряжений, полученных в ходе каждого эксперимента, от времени разрушения. Абсцисса представлена в логарифмическом масштабе, поскольку долговечность экспоненциально коррелирует с напряжениями.
Сплошные линии на графике соответствуют исходному состоянию материала (пластина 1), штриховые - результатам испытаний после выдержки при отрицательных температурах на полигоне (пластина 2), пунктирные - испытаниям после 30 циклов влагонасы-щения и замораживания (пластина 3).
В случае если структура материала остаётся стабильной, то при увеличении времени разрушения (или нагру-жения) ожидается снижение напряжений излома образца. Для образцов, находящихся в исходном состоянии материала, наблюдается небольшое уменьшение напряжений (прямая 1). Однако это изменение несущественно, так как параметр прочности возрастает (прямая 2).
Для образцов после выдержки при отрицательных температурах характерно более значительное увеличение параметра прочности (прямая 4), что приводит к небольшому росту напряжений излома (прямая 3). У образцов после циклов «влагонасыщение - замораживание» рост напряжений более заметен (прямые 5 и 6). Тем не менее низкие прочностные характеристики этих образцов не позволяют достичь высоких напряжений за то же время, поэтому разрушение происходит раньше.
Испытания образцов 2.1-2.3 (табл. 2, рис. 2) показали, что их свойства близки к свойствам исходного состояния при всех трёх скоростях деформирования как по параметру прочности, так и по максимальным напряжениям при разрушении. Образцы, которые непрерывно экспонировались на открытой климатической площадке, имеют незначительное преимущество.
Наиболее сильные изменения претерпела структура образцов, которые 30 раз переходили через температуру кристаллизации воды. Их прочностные характеристики в большей степени зависят от времени нагружения, особенно по параметру прочности.
Для образцов всех трёх пластин при всех скоростях деформирования были получены следующие средние значения максимумов жёсткости: пластина 1 - 94,25 ГПа, пластина 2 -93,48 ГПа и пластина 3 - 90,12 ГПа. Образцы пластины 2 имеют наименьший разброс по этой характеристике, а образцы пластины 3 демонстрируют наименьшее значение Яшах- Таким образом, непрерывное экспонирование при отрицательной температуре практически не влияет на характеристики материала, в том числе на его жёсткость. В то же время режим «влагонасы-щение - замораживание» снижает все характеристики материала.
Использование метода испытаний продольным изгибом с различными видами нагру-жения позволяет получить разносторонние данные о поведении материала, свойства которого меняются преимущественно в приповерхностных слоях композита.
Непродолжительное воздействие отрицательных температур в условиях экстремально холодного климата Якутска не оказывает заметного влияния на прочностные характеристики материала, определяющие его долговечность. В то же время периодические переходы через температуру кристаллизации воды, несмотря на её незначительное содержание в композите, существенно сокращают срок службы конструкции.
Литература
1. Каблов Е. Н., Старцев В. О. Системный анализ влияния климата на механические свойства полимерных композиционных материалов по данным отечественных и зарубежных источников (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2018. № 2 (51). С. 47-58.
2. Николаев Е. В., Барботько С. Л., Андреева Н. П., Павлов М. Р., Гращенков Д. В. Комплексное исследование воздействия климатических и эксплуатационных факторов на новое поколение эпоксидного связующего и полимерных композиционных материалов на его
МПамоль/кДж
I А I «II т III AI о II VIII:
\ 1 ^----- - А
Рис. 2. Зависимости прочностных характеристик материала до и после климатических испытаний от времени разрушения при деформировании образцов продольным изгибом с различными скоростями: I - образцы материала в исходном состоянии, II - образцы после непрерывного пребывания при отрицательных температурах, III - образцы после 30 термоциклов влагонасыщения - замораживания
МПа
14
1000
12
900
10
800
8
700
10
ъаг,. с
основе. Часть 4. Натурные климатические испытания полимерных композиционных материалов на основе эпоксидной матрицы // Труды ВИАМ. 2016. № 6. С. 93-108.
3. Lord H. W., Dutta P. K. On the design of polymeric composite structures for cold regions applications // Journal of Reinforced Plastics and Composites. 1988. V. 7. P. 435-458.
4. Dutta P. K., Hui D. Low-temperature and freeze-thaw durability of thick composites // Composites. Part B. 1996. V. 27. P. 371-379.
5. Lebedev M. P., Startsev O. V., Kychkin A. K. Development of climatic tests of polymer ma-terials for extreme operating conditions // Procedia Structural Integrity. 2019. V. 20. P. 81-86.
6. Старцев О. В., Лебедев М. П., Кычкин А.К. Старение полимерных композиционных материалов в условиях экстремально холодного климата // Известия Алтайского государственного университета. 2020. № 1. С. 41-51.
7. Старцев В. О., Валевин Е. О., Гуляев А. И. Влияние старения поверхности полимерных композиционных материалов на их механические свойства // Труды ВИАМ. 2020. № 8 (90). С. 64-76.
8. Коган Д.И., Чурсова Л.В., Панина Н.Н., Гребнева Т.А., Голиков Е.И., Шарова И.А., Баторова Ю.А. Перспективные полимерные материалы для конструкционных композиционных изделий с энергоэффективным режимом формования // Пластические массы. 2020. № 3-4. С. 52-54. DOI: 10.35164/0554-2901-2020-3-4-52-54.
DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1-314-317
ВЛИЯНИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА МОДУЛЬ СДВИГА В ПЛОСКОСТИ ЛИСТА ОБРАЗЦОВ ПКМ
Корниенко Г.В., Старцев О.В., Гладких А.В.
НИЦ «Курчатовский институт» - ВИАМ, Москва, 105005, Россия
В данной работе представлены результаты изменения массы и модуля сдвига в плоскости листа образцов полимерных композиционных материалов в ходе экспозиции на открытой площадке Геленджикского центра климатических испытаний Всероссийского института авиационных материалов им. Г. В. Акимова - НИЦ «Курчатовский институт»- ВИАМ. Был проведен анализ влияния таких метеорологических параметров, как ветер и осадки, на значение массы и модуля сдвига.
Введение. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) все чаще используются в различных областях [1]. Использование конструкций, изготовленных на основе армированных полимерных материалов, таких как углепластики (УП), стеклопластики (СП) и базальтопла-стики (БП), приводит к снижению их массы и повышению прочностных характеристик [2]. В частности, в авиастроении снижение массы за счет замены металлических деталей на детали на основе ПКМ приводит к большей грузоподъемности летательных аппаратов, а также к снижению расхода топлива без потери прочности [3, 4]. Однако в ходе эксплуатации ПКМ наблюдается неизбежное снижение механических свойств [5-7]. Помимо ускоренных климатических испытаний [8-11] неотъемлемой частью паспортизации новых ПКМ являются натурные испытания на климатических площадках, например, в условиях экстремально холодного климата г. Якутск [12, 13] или в условиях умеренно теплого климата г. Геленджика [7, 14]. Испытания на открытых климатических площадках позволяют оценить скорость снижения характеристик ПКМ в реальных условиях. Чаще всего испытания новых материалов представляют из себя длительную экспозицию с промежуточным съемом для оценки механических свойств. Например, в работе [15] приведены результаты испытаний на сжатие УП марки ВКУ-38ЖН для исходных образцов, а также после экспозиции в г. Геленджике через 3 года и 5 лет, при этом прочность при сжатии составила 670, 540 и 520 МПа соответственно.
