Научная статья на тему 'Процесс изменения механических характеристик элементов композита в зависимости от температуры'

Процесс изменения механических характеристик элементов композита в зависимости от температуры Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
227
37
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Лесотехнический журнал
ВАК
AGRIS
RSCI
Ключевые слова
КОМПОЗИТ / ДРЕВЕСИНА / ТЕМПЕРАТУРА / ПРОЧНОСТЬ / ЖЕСТКОСТЬ / COMPOSITE / WOOD / TEMPERATURE / STRENGTH / STIFFNESS

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Стородубцева Тамара Никаноровна, Черников Эдуард Анатольевич, Томилин Андрей Игоревич, Аксомитный Алексей Андреевич

В данной работе экспериментально исследованы и выявлены влияния скорости прогрева и охлаждения на надежность композита. Исследовано влияние температур в диапазоне – 9…115 °С на компоненты композиционного материала. С учетом падения температуры образца за время установки измерительных приборов и самого эксперимента в расчет принимали температуры от нуля до ста градусов с шагом 10 °С. Каждая экспериментальная точка на графике, например, является средним арифметическим значением предела прочности или модуля упругости по результатам трехкратных испытаний в общей сложности 240 образцов из древесины сосны и стекловолокнистого композиционного материала при соответствующей температуре. Характер расположения экспериментальных точек на графиках позволил сделать предположение о том, что пределы прочности и модули упругости древесины и композита при растяжении, сжатии и скалывании зависят до температуры 100 °С линейно (до точки перелома на прямой). Это предположение подтвердила математическая обработка результатов опытов, которая дала возможность получить теоретические зависимости указанных характеристик от температуры методом наименьших квадратов. Суммы отклонений оказались незначительными – от 0 до 0,55 МПа. Для древесины сосны подобная обработка экспериментальных данных авторам не известна. Приведенные на графике эмпирические формулы позволяют вычислить необходимые значения характеристик прочности и упругости от 0 °С до 100 °С, а также соответствующие температурные коэффициенты по прочности и жесткости. Критической температурой, при которой происходит резкое падение прочностных и упругих характеристик обоих материалов является температура около 100 °С.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Стородубцева Тамара Никаноровна, Черников Эдуард Анатольевич, Томилин Андрей Игоревич, Аксомитный Алексей Андреевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The process of changing the mechanical properties of the composite elements, depending on the temperature

This paper experimentally investigated and revealed the influence of heating and cooling speed on the reliability of the composite. The influence of temperature in the range – 9... 115 °C on composite components is researched. Taking into account temperature drops of the sample during the measurement devices installation and the experiment itself we took into account the temperature from zero to one hundred degrees in steps of 10 °C. Each experimental point on the schedule, for example, is the average value of the tensile strength and modulus of elasticity on the results of triple tests for a total of 240 samples of pine wood and fiberglass composite material at an appropriate temperature. The nature of the location of data points in the graphs led to the assumption that the ultimate strength and modulus of elasticity of wood and composite in tension, compression and shearing is linear dependent on a temperature of 100 °C (the breakpoint on the line). This assumption is confirmed mathematical treatment of the results of experiments, which provided the opportunity to gain theoretical dependence of these characteristics on the temperature of the method of least squares. The amounts of deviations were minor – from 0 to 0.55 MPa. For pine wood similar treatment of experimental data is not known. Empirical formulas given on chart let us calculate the required characteristic values ​​of strength and elasticity from 0 °C to 100 °C, and the temperature coefficients corresponding to the strength and stiffness. The critical temperature at which an abrupt falling of strength and elastic characteristics of the two materials takes place is temperature of about 100° C.

Текст научной работы на тему «Процесс изменения механических характеристик элементов композита в зависимости от температуры»

Таблица 3

Характеристика состояния покрытия

Обозначение обобщенной оценки Количественное значение Критерий оценки Состояние

АДф 0,794 0,7 <АДф< 1 Хорошее

АДл 0,794 0,7 <АДл< 1 Хорошее

АДв 0,794 0,7 <АДв< 1 Хорошее

АЗф 1 0,8 <АЗф< 1 Хорошее

АЗл 1 0,8 <АЗл< 1 Хорошее

АЗв 1 0,8 <АЗв< 1 Хорошее

ства). В наибольшей степени проявились грязеудержание (со снижением оценки) и изменение блеска (без влияния на оценку). Изменения защитных свойств не наблюдалось ни в складских условиях, ни при использовании мебели в жилых помещениях. Это значит, что покрытие сохранило надлежащее качество в течение гарантийного срока службы изделий.

Библиографический список

1.Новоселова И.В. Отделка мебели: вчера, сегодня, завтра // Дизайн и производство мебели. 2005. № 1. С.37-40.

2. Новоселова И.В. Оценка эксплуатационных свойств прозрачных покрытий мебели // Совершенствование технологий и экономики лесопромышленного комплекса: сб. науч. тр. Воронеж: ВГЛТА, 1998. С. 95-96.

DOI: 10.12737/1766 УДК 620: 674+66

ПРОЦЕСС ИЗМЕНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ КОМПОЗИТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии Т. Н. Стородубцева кандидат технических наук, доцент кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии Э. А. Черников аспирант кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии А. И. Томилин аспирант кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии А. А. Аксомитный ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

[email protected]

Совершенствование композита по- определяющих их факторов в процессах

требовало детального изучения как взаи- изготовления конструкций, так и в услови-

мосвязи появляющихся внутренних сил и ях их эксплуатации при различных видах

силовых воздействий.

При строительстве промышленных и транспортных объектов специального назначения в изделиях и конструкциях достаточно широко применяются различные композиционные материалы, вид которых определяется реализуемыми технологическими процессами создаваемых производств и условиями их эксплуатации.

Процесс изменения механических характеристик - прочности и упругости при растяжении и сжатии, скалывании, трещиностойкости элементов композита от действия температуры в литературных источниках крайне ограничен.

Таким образом, анализ объемного напряженного состояния матрицы композита, в котором древесина является его армирующим заполнителем, вызвал необходимость провести соответствующие экспериментальные исследования [1], (например, на сжатие, рис. 1).

К ним относятся: покрытия полов, фундаменты, корпуса аппаратов и емкостей, лотки и отстойники сточных технологических вод, шпалы верхнего строения железных дорог и метрополитенов, лесовозных и трамвайных путей, переезды, платформы, подверженные воздействию химически активных жидкостей, грунтовых вод, атмосферных осадков, переменных температур, что и предопределяет необходимость обеспечения особых свойств этих материалов, основными из которых являются коррозионная стойкость, долговечность и экологическая безопасность.

Методика эксперимента была такова. Образцы помещали в термошкаф, позволявший создавать в камере необходимую

Рис. 1. Образец композита при испытании на сжатие

температуру, а именно плюс 25, 35, 45, 55, 65, 75, 85, 95, 105 и 115 °С, а для достижения температуры минус 5 °С - в морозильную камеру холодильника. В течение часа образцы выдерживали при необходимой температуре, а затем сразу испытывали на сжатие по обычной методике, (рис. 1).

С учетом падения температуры образца за время установки измерительных приборов и самого эксперимента в расчет принимали температуры от 0 °С до 110 °С с шагом 10 °С. Каждая экспериментальная точка на рис. 2, например, является средним арифметическим значением предела прочности или модуля упругости по результатам трехкратных испытаний в общей сложности 240 образцов из древесины сосны и стекловолокнистого композиционно-

го материала при соответствующей температуре.

Характер расположения экспериментальных точек на графиках позволил сделать предположение о том, что пределы прочности и модули упругости древесины и композита при растяжении, сжатии и скалывании зависят до температуры 100 °С линейно (до точки перелома на прямой). Это предположение подтвердила математическая обработка результатов опытов, которая дала возможность получить теоретические зависимости указанных характеристик от температуры методом наименьших квадратов. Суммы отклонений оказались незначительными - от 0 до 0,55 МПа (рис. 2).

Рис. 2. Графики зависимостей от температуры предела прочности и модуля упругости древесины при растяжении поперек волокон в тангенциальном направлении (сосна, влажность 12 %)

Приведенные на графике эмпирические формулы позволяют вычислить необходимые значения характеристик проч-

ности и упругости от 0 °С до 100 °С, а также соответствующие температурные коэффициенты по прочности КТ и жесткости ПТ.

Рассмотрим зависимости механических характеристик основных компонентов композита - древесины (Д) и полимерной оболочки из стекловолокнистого композиционного материала ФАМ от температуры (20 °С), МПа: модуль Юнга при растяжении и сжатии полимерной оболочки имеет одно и то же значение - 1,64-104; а для армирующего заполнителя - древесины: в тангенциальном направлении при растяжении -0,051-104, при сжатии - 0,06-104; в радиальном направлении волокон, соответственно - 0,06-104, 0,07-104; поперечном направлении: при растяжении - 1,234 -104, при сжатии - 1,07-104. Напряженное и деформируемое состояние у произвольной точки в объеме деревянного кубика, например, у его центра, является объемным, но сам кубик не является главным как и его грани не являются главными площадками, т.к. на них действуют и нормальные и касательные напряжения, поэтому с использованием специальной программы для ЭВМ были получены величины главных напряжений и главных деформаций для двух вариантов - с положительными и отрицательными нормальными напряжениями по направлению нормалей «a», «г» и «Ъ>.

Приведем значения модуля Юнга для армирующего заполнителя - древесины сосны при температуре 60 °С при растяжении и сжатии соответственно, МПа: в тан-

генциальном направлении 0,037-104 и 0,056-104; в радиальном направлении -0,056-104 - одинаковое значение при растяжении и сжатии и в поперечном направлении - 1,00-104, тоже одинаковое значение при растяжении и сжатии.

На рис. 3, а, б показаны направления разреза ствола, по которым выпиливались образцы для испытания и определения прочности древесины по направлению нагрузки [2, 3].

Были определены значения характеристик прочности при температуре 20 °С (60 °С) соответственно, полимерной оболочки, МПа: при растяжении - 19,03 (16,79), при сжатии - 20,16 (17,83); древесины - в тангенциальном направлении при сжатии поперек волокон - 7,36 (6,36), в тангенциальном направлении при скалывании поперек волокон - 6,93 (4,33), в тангенциальном направлении при растяжении поперек волокон - 3,28 (2,57), в радиальном направлении при сжатии - 5,47 (5,41), в радиальном направлении при растяжении - 5,20 (5,00). Приведем значения температурных коэффициентов по жесткости: для полимерной оболочки при растяжении, сжатии - 0,76, для древесины в тангенциальном направлении при растяжении -0,73, при сжатии - 0,93 и в радиальном направлении при растяжении - 0,93, при сжатии в радиальном - 0,80; вдоль волокон - при растяжении - 0,81, при сжатии -

0,99. Значения характеристик прочности древесины определялись в соответствии с главными направлениями упругой симметрии древесины как ортотропного тела.

После отверждения полимерной обо-

Рис. 3. а) направления разреза ствола:

1 - поперечный, 2 - радиальный,

3 - тангенциальный; б) испытание прочности древесины по направлению нагрузки

лочки образовавшееся механическое соединение, усиленное обжатием заполнителя за счет усадки создает прочную адгезионную связь в зоне раздела фаз, что подтверждается экспериментально при определении предела прочности при скалывании (разрушение происходит по полимерной мастике) и адгезионной прочности соединения полимерная оболочка - деревянный цилиндрический стержень.

Молекулярная (адсорбционная) теория Де-Бройна-Маклорена предполагает разделение адгезии полимеров на две стадии: 1 - миграция больших молекул (олимера ФАМ у нас) к поверхности

субстрата (древесины) в результате броуновского движения. При этом полярные группы, способные образовывать водородную связь, приближаются к соответствующим группам субстрата; 2 - установление адсорбционного равновесия, которое наступает потому, что при расстоянии между молекулами адгезива и субстрата меньше 5 ангстрем начинают действовать Ван-дер-Ваальсовы силы и адгезив обязательно должен обладать поляр-ностью. Эта теория вполне применима для установления причин возникновения адгезионных связей в зоне раздела между олигомером ФАМ и древесиной, так как полярность ФАМ доказана, а наличие Ван-дер-Вааль-совых сил очевидно.

Теория химических связей предполагает, что адгезия обусловлена химическими взаимодействиями адгезива и субстрата. Точной границей между адгезией, обусловленуой физическими силами, и адгезией являющейся результатом хими-чес-кого взаимодействия, установить нельзя [4], т.к. молекулы олигомера ФАМ имеют активные функциональные группы, то между такими молекулами и поверхностью целлюлозы и лигнина могут быть и химические связи.

С нашей точки зрения заполнитель оказывает большее влияние на поверхностные свойства материала, чем наполнители. Известно, что оксиды алюминия и железа имеют положительный заряд поверхности, т.е. они обладают электронно-акцепторными свойствами [5], тогда как диоксид кремния, являясь ангидридом кремния кислоты, имеет отрицательный заряд поверхности, т.е. они обладают электронно-

донорными свойствами. Таким образом, эти материалы по знаку частиц поверхностей обладают противоположными показателями. Именно это обстоятельство обуславливает их активное взаимодействие.

В этой связи необходимо подчеркнуть, что теория совместимости полимерной матрицы и поверхности наполнителя находятся в стадии разработки и становления. Введение замедлителя реакции кристаллизации (ЗРК) уменьшает значения модулей упругости композита, что приближает полученный материал к эталонному - древесине.

При температуре около ста градусов в древесине происходит уменьшение (распад) пентозанов, это сопровождается уменьшением прочности и упругости полимерной оболочки и древесины, молекула которых содержит пять атомов углерода, которые содержит клеточная оболочка древесины. И это, в свою очередь, обеспечивает механическую прочность.

В стекловолокнистом композиционном материале происходит термическая деструкция полимерного связующего - отвержденного фурфуролацетонового мономера ФАМ.

Установлено, что процесс отверждения полимерного раствора ФАМ протекает по экспоненциальному закону, т.е. неравномерно во времени Т. Вначале он достаточно интенсивен в связи с самораз-огревом его при экзотермической реакции полимеризации. Затем раствор густеет и с этого момента свободным деформациям его усадки начинают препятствовать элементы древесного заполнителя, в конкретном случае - грани деревянного кубика.

При этом у его ребер возможна концентрация напряжений.

Предложена формула для подсчета температурных напряжений на поверхности изделия из композиционного материала [1]. В ней использованы новые результаты, полученные при исследовании влияния температуры на величины модуля упругости композита и коэффициентов температурного расширения.

Результаты данной работы - механические характеристики композита (модуля упругости, пределов прочности) в зависимости от температуры его изготовления методом литьевого формования могут быть использованы при исследовании готовых изделий на долговечность, надежность, трещиностойкость, а с целью оптимизации данного процесса, необходимо соблюдать режим температуры и времени.

Библиографический список

1. Стородубцева Т.Н. Строительные древесностекловолокнистые композиционные материалы для изделий специального назначения: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Воронеж: Воронеж. гос. архи-тектурно-строит. ун-т., 2005. 43 с.

2. Справочник столярно-мебельный:

информационно-поисковая система. [Электронный ресурс]. Ц^: http://wъъd-

Ьъък.ШЪ /page/drevesina.php (дата обращения 15.08. 2013г.).

3. Древесина: информационно-поис-

ковая система. [Электронный ресурс]. Ц^: http://www.telenir.net/tehnicheskie_

паикі/stъlj amye_i_plъtшchnye_rabъty/p2. php (дата обращения 15.08. 2013г.).

4. Берлин А.А., Васин В.Е. Основы адгезии полимеров. М.: Химия, 1974. 391 с.

5. Химия привитых поверхностных соединений / под ред. Г. В. Лисичкина. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 592 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.