CC BY
52
УДК 620.16
ЦИКЛИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ УГЛЕПЛАСТИКОВ НА ОСНОВЕ КЛЕЕВОГО ЭПОКСИДНОГО СВЯЗУЮЩЕГО Т-107
А.М. Кудрин1, К.С. Габриельс2
*ЗАО «Русавиаинтер», г. Воронеж, Россия 2Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: в рамках комплексных исследовательских испытаний технологического материала, адаптированного для процессов автоматизированной выкладки, на основе углеродного волокна Formosa 12K и клеевого эпоксидного связующего Т-107, было проведено моделирование долговременной механической нагрузки на материал - испытания на усталость. Исследования показали, что качественное прогнозирование остаточных свойств ПКМ определяется испытаниями на прочность после ударного воздействия и циклическими схемами нагружения. Проведенные циклические физико-механические испытания в соответствии со стандартами ASTM D 5766 и D 7615 позволили определить величину максимальной нагрузки (механического сопротивления материла с концентратором напряжений) на уровне 50,62 кН, а также сымитировать реальные условия эксплуатации. Определен характер разрушения материала - LGM (lateral-gage-middle) - разрушение ПКМ по всей толщине образца непосредственно в области сквозного отверстия с присутствием незначительных расслоений в рабочей зоне в направлениях ± 45° от центра отверстия. Схожий характер разрушения, но с гораздо более серьезными последствиями наблюдался при циклическом нагружении образцов ПКМ с амплитудным диапазоном от 10 % до 70 % от нагрузки разрушения. Образцы с диапазонами нагружения 20-60 % и 15-65 % выдержали 106 циклов усталостных испытаний без видимой деформации, показав остаточную прочность на уровне 90 % от первоначального значения
Ключевые слова: полимерный композиционный материал, углепластик, ПКМ, испытания на усталость, растяжение с отверстием, циклические испытания
Введение
На сегодняшний день полимерные композиционные материалы (ПКМ) сохраняют статус наиболее привлекательных
инновационных материалов современности и, как следствие, продолжают создавать устойчивую потребность в разработке новых наукоемких технологических решений, обеспечивающих их применимость не только для аэрокосмической отрасли, но в гражданских, бытовых сферах. Существенное расширение применимости ПКМ в качестве конструкционных материалов предъявляет повышенные требования к методам контроля основных эксплуатационных характеристик. Базовый набор физико-механических испытаний существенно расширяется в сторону сложных комплексных прочностных испытаний, имитирующих длительную эксплуатацию в агрессивных рабочих средах. Одними из таких видов испытаний являются усталостные испытания. Циклическая нагрузка имитирует разрушение ПКМ вследствие наложения дискретных микродеформаций материала (разрушение волокна, отслаивание волокна от матрицы, микротрещины матрицы
© Кудрин А.М., Габриельс К.С., 2018
связующего), приводящих к макродеформации - образованию трещины, позволяющей в реальности агрессивной среде, в первую очередь влаге, разрушить материал [1].
Любой материал, подверженный циклической нагрузке, разрушится, если приложенная нагрузка превысит его сопротивление. Усталостные испытания проводятся при нагрузках меньших прогнозируемого сопротивления ПКМ. При проведении испытаний искусственно создаются дефекты, влияющие на силу сопротивления материала («предел выносливости»): агрессивная среда, температурные перепады, повреждения на поверхности и/или наличие сквозного отверстия.
Авиационные материалы постоянно подвержены ударам и долговременным механическим нагрузкам (усталости). Вызванные ими повреждения визуально практически не идентифицируются до момента полного разрушения. Единственным методом контроля и определения жизненного цикла используемого материала являются
прочностные испытания, моделирующие реальные эксплуатационные условия. Имитация ударного воздействия на ПКМ описана в работе [2]. Однако исследования показывают, что данных об ударном
воздействии часто недостаточно для достоверного прогноза остаточных свойств ПКМ [3], необходимо проведение дополнительных испытаний на усталость.
Циклические испытания проводят в первую очередь для определения времени, характера и механизма разрушения при действии нагрузки с целью определения максимально возможного срока эксплуатации конструкции из ПКМ, в особенности в сравнении с аналогичными испытаниями для металлических сплавов. Также важны статистические данные для сравнения поведения различных материалов в стандартных условиях - с целью выбора уже существующих и разработки новых композитов.
Стандартный комплексный метод циклических испытаний ПКМ представляет собой испытание на усталость при одноосном растяжении-сжатии с применением
специализированного оборудования,
позволяющего оказать на материал циклическое воздействие (до 1 млн. циклов) низкой частоты, имитирующее жизненный цикл изделия. В результате строится SN-диаграмма (остаточная прочность-количество циклов) или кривая Войлера, которая помогает количественно оценить предельную нагрузку, способную выдержать испытуемый материал
[4-5].
В ПКМ основная роль в подобных испытаниях отводится полимерному связующему, качество которого практически полностью отвечает за остаточную жесткость материала. В данной работе рассмотрено поведение эпоксидного связующего нового поколения полимерных материалов.
Методика эксперимента
Моделирование долговременной нагрузки на ПКМ с использованием циклических схем нагружения с определением предела сопротивления материала проводилось на элементарных образцах углепластика, полученного на основе однонаправленного безуткового препрега с армирующим наполнителем Formosa 12K в термореактивной эпоксидной матрице Т-107, разработанной ЗАО «ИНУМиТ» [6]. Изготовление препрега производилось в рамках адаптации технологического материала для систем автоматизированной выкладки, которое
предусматривало комплексные исследовательские испытания прочностных и эксплуатационных характеристик материала с построением математической модели, позволяющей прогнозировать эксплуатационные свойства ПКМ на стадии изготовления [7, 8].
Испытания проводились при комнатной температуре (23 (± 2) °С) в соответствии со стандартами ASTM D 5766 [9] и D 7615 [10].
Подготовка элементарных образцов ПКМ для испытаний на растяжение с отверстием и циклические испытания осуществлялись по схеме выкладки [+457-4570790°^ в 16 слоев каждый. Испытания на растяжение проводились с помощью двухколонной рамы 5985; образцы с концентратором напряжений (рис. 1) - со сквозным отверстием (диаметр из соотношения 1:6 к ширине образца) устанавливали соосно с захватами машины. По итогам испытаний определяли остаточные предел прочности и модуль упругости.
I-
W
L L0 "ГО
зона захватов
рабочая зона
Рис. 1. Схематическое изображение элементарного образца для испытаний на растяжение с отверстием: L - длина образца, Lo - рабочее расстояние, W - ширина, d - диаметр сквозного отверстия
Циклические испытания проводили в сервогидравлической испытательной системе для динамических и статических испытаний 8802 на образцах аналогичной геометрии. Частота колебаний одноосного растяжения-сжатия была задана низкой - 5 Гц, чтобы не допустить аутогенный перегрев образца во время испытаний. Количество циклов испытаний - 106. Предварительная постоянная нагрузка была выбрана на уровне
40 % от величины максимальной нагрузки разрушения. Амплитуды циклов растяжения-сжатия задавались от ± 20 % до больших значений, приведших к досрочному разрушению образца ПКМ. По результатам испытаний определялась величина предельной амплитудной нагрузки на полимерный композиционным материал, остаточный предел прочности образцов, выдержавших
циклические испытания.
Результаты и обсуждения
Для определения максимальной нагрузки разрушения (предела сопротивления материала) в соответствии со стандартом ASTM D 5766 [9] были изготовлены элементарные образцы в количестве 5 штук со сквозным серединным отверстием, диаметром согласно пропорции к ширине 1:6 (рис. 2). Основные геометрические размеры
элементарных образцов приведены в табл. 1.
Ширила
Рис. 2. Вид образца с отверстием в виде полосы прямоугольного сечения
Таблица 1
Геометрические размеры образцов
Наименов ание Значение, мм
Длина образца L 250 ± 0,5
Рабочее расстояние Lo > 50
Ширина образца W 36,0 ± 0,5
Толщина образца h 1,0
Диаметр отверстия d 6
разрушения. Для всех образцов определен характер разрушения, согласно методикам, описанным в работах [9, 12-13] - LGM (Ыега1-gage-mLddle) - разрушение ПКМ по всей толщине образца непосредственно в области сквозного отверстия с присутствием незначительных расслоений в рабочей зоне в направлениях ± 45° от центра отверстия (рис. 3). Результаты испытаний приведены в табл. 2. Средние значения остаточного предела прочности в 5 раз ниже истинных значений аналогичных образцов ПКМ (2097,58 МПа для образцов ПКМ, выложенных в автоматизированном режиме [8]); значения остаточного модуля упругости - ниже в 3 раза (146,92 ГПа). Относительное удлинение составило 0,93 %. Значения остаточного предела прочности для образцов углепластика с концентратором напряжений соответствуют уровню в 400-500 МПа аналогичных материалов на основе эпоксидных смол [13]. Рассчитанное среднее значение максимальной нагрузки является входным параметром «максимальная нагрузка разрушения» для циклических испытаний.
Рис. 3. Внешний вид образца ПКМ после испытаний на растяжение с отверстием
Таблица 2
Результаты испытаний на растяжение ПКМ с
отве зстием
№ Fmax, кН ^раст., МПа F ^раст.? ГПа
1 51,35 436,14 52,4
2 50,76 422,26 50,21
3 48,69 409,74 49,26
4 48,12 404,76 49,25
5 52,38 440,65 51,98
Ср. 50,26 422,71 50,62
Испытания на растяжение проводились согласно общепринятой методике испытаний на растяжение [11] до полного разрушения с фиксацией максимальной нагрузки
По результатам статических испытаний были определены входные данные для циклических испытаний по методу прямого нагружения, при постоянно действующей
предварительной нагрузке с заданной амплитудой дополнительного воздействия [10]:
- максимальная нагрузка - 50,62 кН;
- предварительная нагрузка (40 % от максимальной нагрузки) - 20,12 кН;
- частота колебаний одноосного растяжения-сжатия - 5 Гц;
- количество циклов испытаний - 106 шт.;
- амплитуда циклов нагрузки относительно значения предварительной нагрузки (амплитуда дополнительного воздействия) -± 20 %, ± 25 %, ± 30 %.
Нагружение образцов ПКМ
осуществлялось программным путем по синусоиде от минимального до максимального значения на каждый цикл, за ноль принято значение предварительной нагрузки (40 % от максимальной). Образцы с диапазонами нагружения 20-60 % и 15-65 % выдержали испытания, образец с амплитудой нагружения 10-70 % полностью разрушился в области концентратора напряжения на 519 376 цикле (рис. 4). Контроль за температурой образца в рабочей зоне исключает термическую составляющую разрушения, вызванную аутогенным нагреванием образца в ходе циклического нагружения.
Рис. 4. Внешний вид образца ПКМ с диапазоном нагружения 10-70 %
Наличие большей амплитуды испытаний при одинаковой частоте существенно увеличило одноосное сжатие высокой интенсивности в области концентратора
напряжений (отверстия). Наблюдаемый визуально характер разрушения показал продольное расслоение ПКМ незадолго до полного разрушения.
Образцы с меньшими диапазонами нагружений, выдержавшие циклические испытания, показали снижение прочности на 10 % (380 ± 10 МПа) от остаточного предела прочности тех же образцов до испытаний. В отличие от металлических сплавов авиационного назначения, остаточная прочность которых существенно снижается при циклических испытаниях, достигая предельно низких значений задолго до 106 циклов (потери составляют до 50-70 %) [14], полимерные композиты, армированные углеродными волокнами, демонстрируют одинаково высокие значения вплоть до момента разрушения.
Свойство ПКМ - не проявлять видимых деформаций до момента полного разрушения, отрицательно сказывается на методах визуального контроля и диагностики повреждений изделий. Частичное приведение SN-диаграммы к «металлическому» виду (расширение диапазона циклов нагружений, предшествующих полному разрушению) возможно с применением гибридных ПКМ. Аналогично с демпфирующей способностью противостоять распространению трещины при ударных воздействиях на гибридные армированные структуры (стеклоуглепластики [15]), включение в разнонаправленную (+45°/-45°/0°/90°) структуру углепластика слоев стеклопластика позволит существенно повысить трещиностойкость ПКМ. Вариация соотношений стекло- и углепластика должна выбираться эмпирически, ее результаты могут послужить продолжением работ по исследованию усталостных испытаний полимерных композитов.
Заключение
Проведенные циклические испытания полимерных композиционных материалов на основе термореактивного эпоксидного связующего нового поколения Т-107 показали хорошие результаты остаточных механических свойств образцов ПКМ. Полимерная матрица показала высокий уровень сопротивления циклическим и ударным нагрузкам [2]. Наличие концентратора напряжения (отверстия) существенно снижает остаточную прочность материала (в 5 раз от истинных
значений прочности), тем не менее позволяет выдерживать долговременное циклическое низкочастотное воздействие (106 циклов) в широком диапазоне нагружений. Остаточная прочность ПКМ, выдержавших циклические испытания, составила 90 % от первоначальных значений.
Литература
1. Sims G. Fatigue test methods, problems and standards // Fatigue in Composites: Science and Technology of the Fatigue Response of Fiber-Reinforced Plastics. 2003. P. 3662.
2. Определение предела прочности полимерного композиционного материала на сжатие после удара в соответствии со стандартом ASTM D 7137/ А.М. Кудрин, О.А. Караева, К.С. Габриельс, А.В. Солопченко // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2018. T. 14. № 2. С. 164-169.
3. Cairns D.S., Lagace P.A. Residual Tensile Strength of Graphite/Epoxy and Kevlar/Epoxy Laminates with Impact Damage // Composite Materials: Testing and Design. 1990. Vol. 9. P. 48-63.
4. Fatigue life evaluation for carbon/epoxy laminate composites under constant and variable block loading/ P.N.B. Reis, J.A.M. Ferreira, J.D.B. Costa, M.O.W. Richardson // Composites Science and Technology. 2009. Vol. 69. P. 154160.
5. Derewonko A., Gieleta R. Carbon-epoxy composite fatigue strength - experiment and FEM numerical estimation // Journal of KONES powertrain and transport. 2012. Vol. 19. № 3. P. 103-110.
6. Т-107 - http://inumit.ru/rus/produkciya-i-uslugi/ugleplastiki/Resins/
7. Prediction of polymer composite material products using neural networks/ A.V. Gaganov, O.A. Karaeva, A.M. Kudrin, A.A. Gurtovoy // International Conference on Innovative Material Science and Technology. 2016. P. 398405.
8. Оптимизация технологии изготовления материала для процесса автоматизированной выкладки/ М.Ю. Воскобойник, О.А. Караева, А.М. Кудрин, Д.В. Полухин, А.А. Лялин // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13. № 3. С. 128-133.
9. ASTM D 5766/D 5766M «Test Method for Open-Hole Tensile Strength of Polymer Matrix Composite Laminates»
10. ASTM D 7615/D 7615M «Standard Practice for Open-Hole Fatigue Response of Polymer Matrix Composite Laminates»
11. ASTM D 3039/D 3039M «Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials»
12. Unified Model for Predicting the Open Hole Tensile and Compressive Strengths of Composite Laminates for Aerospace Applications/ P. Davidson, E.J. Pineda, Ch. Heinrich, A.A. Waas // 54th AIAA Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference. 2013. P. 1-26.
13. Fan X.L., Qin W.J., Suo T. Experimental Investigation on the Tensile Strength of Composite Laminates Containing Open and Filled Holes // Проблемы прочности. 2014. № 2. С. 141-146.
14. Esp B. Practical Analysis of Aircraft Composites // Grand Oak Publishing. USA. 2017. 737 p.
15. The Influence of Content of Reinforcing Filler on Mechanical Properties of Carbon-Glass Fiber Reinforced Plastics in Matrix T-107/ O.V. Ovdak, Yu.E. Kalinin, A.M. Kudrin, O.A. Karaeva, D.Ya. Degtyarev // Inorganic Materials: Applied Research. 2018. Vol. 9. Issue 1. P. 108113.
Поступила 14.05.2018; принята к публикации 24.07.2018 Информация об авторах
Кудрин Алексей Михайлович - канд. физ.-мат. наук, директор по науке, ЗАО «Русавиаинтер» (394004, Россия, г. Воронеж, ул. Ленинградская, 31-В), e-mail: [email protected]
Габриельс Константин Сергеевич - канд. физ.-мат. наук, инженер-исследователь кафедры физики твердого тела, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
CYCLIC TESTS OF CARBON FIBER REINFORCED PLASTICS BASED ON HOT-MELT EPOXY
BINDER T-107
A.M. Kudrin1, K.S. Gabriels2
^'Rusaviainter", Voronezh, Russia 2Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: within the framework of complex research tests of technological material adapted for automated layout - based on carbon fiber Formosa 12K and hot-melt epoxy binder T-107, modeling of long-term mechanical stress (fatigue tests) was carried out. The studies showed that qualitative prediction of residual properties of CFRP was determined by strength tests after impact and cyclic loading schemes. Performed cyclic physical and mechanical tests in accordance with ASTM D 5766 and D 7615 allowed to determine the value of the maximum load (mechanical resistance of the material with the stress concentrator) at the level of 50.62 kN, and also to simulate the real operating conditions. The article shows the nature of the material destruction - LGM (lateral-gage-middle) - the destruction of the CFRP along the entire thickness of the sample directly in the region of the notch with the presence of insignificant delamination in the working zone in the directions ± 45 °
from the center of the notch. A similar type of failure, but with much more destruction, was observed with cyclic loading of CFRP samples with an amplitude range from 10 % to 70 % of the fracture load. Samples with loading ranges of 20-60 % and 15-65 % withstood 106 cycles of fatigue tests without visible deformation, showing a residual strength of 90 % from the original value
Key words: polymeric composite material, CFRP, carbon fiber reinforced plastics, fatigue test, notch tension strength, cyclic tests
References
1. Sims G. "Fatigue test methods, problems and standards", Fatigue in Composites: Science and Technology of the Fatigue Response of Fiber-Reinforced Plastics, 2003, pp. 36-62.
2. Kudrin A.M., Karaeva O.A., Gabriels K.S., Solopchenko A.V. "Determination of the ultimate strength of polymer composite material for compression after impact, in accordance with standard ASTM D 7137", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta), 2018, vol. 14, no 2, pp. 164-169.
3. Cairns, D.S., Lagace P.A. "Residual tensile strength of graphite/epoxy and kevlar/epoxy laminates with impact damage", Composite Materials: Testing and Design, 1990, vol. 9, pp. 48-63.
4. Reis P.N.B., Ferreira J.A.M., Costa J.D.B., Richardson M.O.W. "Fatigue life evaluation for carbon/epoxy laminate composites under constant and variable block loading", Composites Science and Technology, 2009, vol. 69, pp. 154-160.
5. Derewonko A., Gieleta R. "Carbon-epoxy composite fatigue strength - experiment and FEM numerical estimation", Journal of KONESpowertrain and transport, 2012, vol. 19, no. 3, pp. 103-110.
6. "T-107", available at: http://inumit.ru/rus/produkciya-i-uslugi/ugleplastiki/Resins/
7. Gaganov A.V., Karaeva O.A., Kudrin A.M., Gurtovoy A.A. "Prediction of polymer composite material products using neural networks", International Conference on Innovative Material Science and Technology, 2016, pp. 398-405.
8. Voskoboybik M.Yu., Karaeva O.A., Kudrin A.M., Polukhin D.V., Lyalin A.A. "Optimization of the material manufacturing technology for the automated computation process", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta), 2017, vol. 13, no. 3, pp. 128-133.
9. ASTM D 5766/D 5766M "Test method for open-hole tensile strength of polymer matrix composite laminates"
10. ASTM D 7615/D 7615M "Standard practice for open-hole fatigue response of polymer matrix composite laminates"
11. ASTM D 3039/D 3039M "Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials"
12. Davidson P., Pineda E.J., Heinrich Ch., Waas A.A. "Unified model for predicting the open hole tensile and compressive strengths of composite laminates for aerospace applications", 54th AIAA Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, 2013, pp. 1-26.
13. Fan X.L., Qin W.J., Suo T. "Experimental investigation on the tensile strength of composite laminates containing open and filled holes", Strangth Problems (Problemy prochnosti), 2014, vol. 2, pp. 141-146.
14. Esp B. "Practical analysis of aircraft composites", Grand Oak Publishing, USA, 2017, 737 p.
15. Ovdak O.V., Kalinin Yu.E., Kudrin A.M., Karaeva O.A., Degtyarev D.Ya. "The influence of content of reinforcing filler on mechanical properties of carbon-glass fiber reinforced plastics in matrix T-107", Inorganic Materials: Applied Research, 2018, vol. 9, issue 1, pp. 108-113.
Submitted 14.05.2018; revised 24.07.2018 Information about the authors
Aleksey M. Kudrin, Cand. Sc. (Physics and Mathematics), Director for Sciences, CJSC "Rusaviainter", (31-B Leningradskaya st., Voronezh, 394004, Russia), e-mail: [email protected]
Konstantin S. Gabriels, Cand. Sc. (Physics and Mathematics), Research Engineer, Voronezh State Technical University (14 Moskovsky prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: [email protected]
