CC BY
614
|Выпуск 2
УДК 678,67.014,67.017,67.019
Б. Н. Белецкий,
главный технолог, ОАО «Концерн “НПО” Аврора»;
В. М. Петров,
д-р техн. наук, профессор, ФГБОУ ВПО ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова;
С. Н. Безпальчук,
инженер, ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»
УЧЕТ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИЦИОННЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ПРОЦЕССЫ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
THE PHYSICAL-MECHANICAL CHARACTERISTICS OF COMPOSITE PLASTICS INFLUENCE ON THE PROCESSES OF DESTRUCTION
AT REALIZATION OF TECHNOLOGICAL PROCESS OF MACHINING
AND EXTREME CONDITIONS
В статье рассмотрены вопросы разрушения композиционных углепластиков антифрикционного назначения, применяемых в качестве дейдеудных подшипников судовых валопроводов, опор скольжения центробежных насосов и паровых турбин.
In the article the questions offracture of composite antifriction carbon fiber-reinforced plastics assignment used as sterntube bearings of ship shafting, bearings in centrifugal pumps and steam turbines.
Ключевые слова: композиционный антифрикционный углепластик, опора скольжения, дейдвудный подшипник, валопровод, физико-механические характеристики, полимерная матрица, термореактивное связующее.
Key words: composite antifriction carbon fiber reinforced plastic, bearing slides, sterntube bearings, shaft line, physico-mechanical properties, polymer matrix, thermoreactive binder.
армирующих волокон, распределяет действующие внешние напряжения по объему композита, обеспечивая равномерную нагрузку на волокна и ее перераспределение при разрушении части армирующих волокон. В качестве матрицы используют эпоксидные, полиэфирные, фенолформальдегидные смолы, полиамиды, кремнийорганические полимеры (полимерные КУ), синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные КУ), и так называемый пиролитический углерод (пироуглеродные КУ) [1; 2]. В данной работе речь пойдет о композиционных материалах с термореактивной матрицей, основные свойства фенолформальдегидных и эпоксидных смол приведены в табл. 1. С увеличением предела прочности матрицы прочность композиционного материала увеличивается.
При соблюдении условий монолитности композиции матрица почти не влияет на коэффициенты распределения внешней нагрузки. Нарушение монолитности КУ возможно вследствие: уменьшения содержания в них связывающего компонента; увеличения степени наполнения ар-
ГЛЕПЛАСТИКИ — это композиционные материалы, в которых выгодно сочетаются свойства полимерной матрицы и углеродного армирующего материала. Матрица обеспечивает монолитность композита, фиксирует форму изделия и взаимное расположение
мирующим материалом; пористости; изменения свойств матрицы и прочности сцепления ее с волокнами.
В процессе термического или естественного старения матрица утрачивает способность перераспределять нагрузки, возникающие от действия внешних сил между армирующими волокнами.
Армирующий материал воспринимает основные напряжения, возникающие в композите под действием внешних нагрузок, и обеспечивает жесткость и прочность композиции.
Таблица 1
Физико-механические свойства материала матрицы КУ
Полимер Условная плотность, кг/м3 Макс. рабочая температура, °С Прочность*, МН/м2
при растяжении при сжатии
Эпоксидная смола 90-220 110 — 1,0-2,5
Фенолформальдегидная смола К-40 190-230 120-130 2,0 0,8
Кремнийорганическая смола 200-400 250-300 0,6 0,8-14,0
* Под прочностью подразумевается максимальное напряжение, при котором материал разрушается.
В качестве армирующего материала используется угольное волокно, низкомодульное и высокомодульное (см. рис. 1) [3].
Установлено, что углеродные волокна микрогетерогенны и представляют собой пример са-моармированного композита, содержащего не менее двух фаз. Обе фазы состоят из фибрилл, с включениями турбостратных кристаллитов. Причем первая фаза состоит из более широких и толстых лент (фибрилл) поликонденсированного ароматического углерода с повышенной степенью продольной ориентации, а вторая — из более узких, менее ориентированных и сильно переплетенных лент [4, с. 86-93].
Рис. 1. а — микрофотография угольного волокна (*400) [3]; б — структура углеродного волокна: А — поверхностный слой; В — высокоориентированная зона;
С — низкоориентированная зона;
1 — микрофибриллы; 2 — аморфный углерод
Выпуск 2
Выпуск 2
Менее ориентированные узкие фибриллы присутствуют обычно в центральной части волокна — ядре, в то время как более совершенные широкие располагаются с внешней стороны — оболочки волокна. Кристаллиты служат своеобразной арматурой, удерживающей длинные ленты аморфной (по данным темнопольной просвечивающей электронной микроскопии и широкоугловой дифракции электронов) матрицы. Размеры лент значительно превышают размеры кристаллитов. Поэтому ленты являются проходными и участвуют в построении большого числа кристаллитов. Хотя поверхность волокна является наиболее ориентированной его частью, она содержит как выходящие на поверхность края кристаллитов, так и бездефектные основные атомные плоскости. Различие в свойствах углеродных волокон определяется различиями в структуре, обусловленной прежде всего температурой термообработки и операцией вытягивания при их получении. Граница раздела процессов карбонизации и графитации лежит в области температур термообработки 1500-1800 °С [1]. С повышением температуры термообработки повышается содержание углерода, закономерно увеличиваются термоокислительная устойчивость и электропроводность, теплоемкость и теплопроводность, значительно возрастает модуль упругости, но прочность волокна, тканей и нитей на его основе снижается. С повышением температуры термообработки изменяется структура углеродного волокна, соотношение между аморфным и закристаллизованным углеродом, увеличиваются размеры кристаллитов, повышается степень ориентации кристаллитов относительно оси волокна.
Свойства армирующего материала приведены в табл. 2 [2].
Композиционные углепластики относятся к анизотропным материалам.
Таблица 2
Физико-механические свойства армирующего материала КУ
Свойства Высокомодульное волокно Низкомодульное волокно
Модуль упругости, ГПа 300-700 200-250
Прочность при растяжении, ГПа 2,0-2,5 2,5-3,2
Плотность, г/см3 1,3—2,0 1,3-2,0
Диаметр, мкм 5-50 5-50
Анизотропия свойств зависит от способа армирования, который определяет пространственное расположение армирующих волокон в матрице. Разработаны технологии и существуют различные способы армирования, различающиеся по виду содержания армирующего материала в матрице и пространственному направлению углеродных нитей, основные способы армирования приведены в табл. 3.
Содержание армирующего материала в композициях конструкционно выражается через коэффициент объемного содержания армирующего волокна в матрице V равный отношению объемной доли армирующего волокна к общему объему композита. Значения данного коэффициента для композита, армированного непрерывными волокнами, составляют 0,3-0,8, а с хаотическим расположением дискретного волокна не превышают 0,2-0,3, что связано с технологическими трудностями плотной упаковки дискретных наполнителей. Механические характеристики композиционного материала зависят от содержания армирующего волокна в матрице V физико-механических свойств материала в матрице и армирующего материала и удельной поверхности контакта данных компонентов.
Таблица 3
Способы армирования композиционного углепластика
/ЯШ (шш JP Щ
Короткими волокнами Непрерывным волокном Непрерывным волокном Три семейства нитей
ш ш Ш
Непрерывным волокном Короткими волокнами Тканью п семейств нитей
Хаотичное армирование Одномерно армированные Двухмерно армированные Пространственное армированные
Модуль упругости Е композиционного углепластика является одним из важнейших физикомеханических характеристик, поэтому возникает необходимость исследования этой характеристики с учетом всех особенностей данного композита. На рис. 2 приведены зависимости [4] между напряжениями и деформациями при растяжении КУ с различной структурой армирования.
Наиболее высокие прочность и жесткость достигаются в КУ с взаимно параллельным расположением непрерывных волокон при нагружении их в направлении ориентации волокна.
Упругие характеристики в направлении главных осей симметрии — модули нормальной упругости Ех и Е, коэффициенты Пуассона vx vxz и модули сдвига Gx , Gxz — можно вычислить с удовлетворяющей точностью по формулам [5; 6, с. 118-124]:
а. МПа
75
50
Z5
/1
3,
Г
4
5
О ОЛ 0.8 1.2 €%
Рис. 2. Схема армирования композита (а), график зависимости между напряжениями и деформациями при растяжении (б):
1 — 0°; 2 — ±10°; 3 — 0,90°; 4 — ±45°; 5 — 90°
Выпуск 2
|Выпуск 2
E = E V; x a a7 (1)
Еу Ez (i-v.Y (2)
v = v = v V + v (1- v ); yx xz a a mv a7’ (3)
Gm(\ + Va) ^ xz (1-FJ ’ (4)
где Е Ет — модули нормальной упругости волокна и матрицы, МПа; v vm — коэффициенты Пуассона волокна и матрицы.
Регулирование степени анизотропии и свойств материалов в плоскости армирования достигается перекрестным расположением армирующих слоев. При ортогональной схеме укладки слоев прочность (о., оу) и модуль упругости (Ex, Еу) пропорциональны объемному содержанию волокон в направлении армирования.
Деформативные (модуль Юнга, коэффициент Пуассона и модуль сдвига) свойства материалов с ортогональной укладкой при их нагружении под углом к основным осям упругой симметрии рассчитывают с использованием уравнений по известным значениям Ex Е, E45 и vxy:
= £';(.(cos4(p + /Msin22(p + «sin49) (5)
= Ex\lvxy +4m-4(2m-c)sin29l , (6)
где E — модуль Юнга при нагружении под углом ф к основной оси ox;
E45 — модуль сдвига при нагружении под углом 45° к основной оси ox;
G^ — коэффициент Пуассона при нагружении под углом ф к основной оси ox; v — коэффициент Пуассона при нагружении под углом ф к основной оси ox.
n, c, т — коэффициенты пропорциональности:
п =
т = с-
и-1
(7)
‘-‘у ^45 ^
Прочность при растяжении, сжатии, сдвиге в плоскости армирования также рассчитывают по аналогичным формулам, позволяющим вычислить прочность для любого направления на основании экспериментальных или расчетных значений прочности в продольном, поперечном и диагональном (под углом 45°) направлениях.
Взаимодействие материала матрицы с поверхностью углеродного волокна зависит от адгезионной прочности взаимодействия полимерной матрицы и углеродного волокна [5], что оказывает непосредственное влияние на прочность связи компонентов композиции, от которой существенно зависят такие характеристики композита, как продольная, поперечная и сдвиговая прочность, вязкость разрушения, модуль упругости, термостойкость и др. В табл. 4 [5] приведены значения адгезионной прочности ряда полимеров, используемых в качестве связующих для углепластиков и изделий из них при d = 9 мкм, S = 6 • 103 мм2.
Таблица 4
Адгезионная прочность связующей (материала матрицы)
Связующее Адгезионная прочность, МПа
углеродное волокно стеклянное волокно
Эпоксидиановое ЭДТ-10 41,5 40,0
Эпоксифенольное 5-211 41,0 41,0
Эпокситрифенольное ЭТФ 43,0 —
Эпоксидные алифатические
УП-612 40,5 —
додцпд 43,0 —
Полиамидное СП-6 34,0 30,0
ВЕСТИ И КД
ПОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
ШККОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. 0. МАКАРОВА,
Для сравнения в табл. 4. приведены значения исследуемых полимеров при адгезии их к бесщелочному стеклянному волокну того же диаметра. Видно, что исследованные связующие обладают высокой адгезией к углеродным волокнам. Адгезионные прочности различных эпоксидных связующих близки между собой.
Теория межфазных явлений [2; 7, с. 31-39] в полимерных композиционных материалах может рассматриваться как совокупность трех основных частей — адсорбции полимеров на твердых поверхностях армирующего материала, адгезии полимеров к этим поверхностям и структуры и свойств межфазного слоя на границе раздела полимер-твердое тело. При этом МФС может в первом приближении рассматриваться как гомогенный, хотя анализ показывает, что его следует описывать как негомогенный материал. Этому слою А. В. Теокарис приписывает свойства независимой фазы, что удобно для расчетов, но некорректно с термодинамических позиций. Рассмотрение механического поведения системы может быть проведено на основе трехслойной (рис. 3) или N-слойной модели. В последнем случае межфазная область рассматривается как состоящая из N слоев с разными свойствами.
Армирующие болокно Не ж фазная структура
Матрица
Рис. 3. Трехфазная модель строения композиционного материала
Оценка модуля упругости композита Е выражается в данном случае соотношением, определяющим аддитивность [6] вклада волокна, матрицы и межфазного слоя:
+ Е. + Е
a a a
(8)
где Ea а a — модуль Юнга армирующего материала и его объемная доля, МПа;
Е а — модуль Юнга межфазного слоя и его объемная доля, МПа;
Ета — модуль Юнга материала матрицы и его объемная доля, МПа.
Если рассматривать элемент наполненного полимера с цилиндрическим включением (волокна), то выражение имеет вид
Е =
(9)
где га — величина радиуса армирующего материала; г. — величина радиуса межфазного слоя; rm — величина радиуса матрицы;
Величина модуля упругости межфазного слоя также зависит от содержания наполнителя или радиуса волокна:
Ei(f) = Ет + Ef(rf / гУ - Em(rf / г)г|2.
Для граничных условий (г = г.) имеем
Е1 Ы = Ет+ Еа (Га / п) V “ Еш {га / #}) Т\2.
(10)
(11)
В этих соотношениях экспоненты ц1 и ц2 являются характеристиками адгезии, определяющими передачу напряжений от матрицы к наполнителю.
Выпуск 2
Выпуск 2
Модуль нормальной упругости КУ, как говорилось выше, зависит от направления армирования, в работах [2; 3; 5] показана данная зависимость. На рис. 4 представлена схема строения углепластика, из которой видно, что углепластики являются ортотропными в осях, совпадающих с направлениями армирования (1 — направление по основе (х), 2 — направление по утку (у), 3 — трансверсальное направление (z)). Соотношение количества волокон в основе и утке равно 10:8. Показатели механических свойств углепластиков в различных направлениях представлены в табл. 5.
Рис. 4. Схема направлений армирований углепластика:
1 — направление вдоль основы армирующей ткани; 2 — направление вдоль утка армирующей ткани; 3 — направление, трансверсальное плоскости армирующей ткани
Пространственную анизотропию упругих и прочностных свойств углепластиков УГЭТ и ФУТ можно охарактеризовать значениями модулей нормальной упругости Е1, Е2, Е3, модуля сдвига в плоскости листа G1,2 и межслойных модулей сдвига G2,3, G3,1; разрушающих напряжений при растяжении о+, о+, о+ и сжатии о“, о-, о- и разрушающего напряжения при межслойном сдвиге т13 (табл. 5).
Таблица 5
Физико-механические свойства композиционных углепластиков
Свойства ФУТ УГЭТ
Модуль нормальной упругости, МПа, в плоскости листа по основе Е1 17 000 18 000
в плоскости листа по утку Е2 12 000 13 000
в трансверсальном направлении Е3 8000 8500
Модуль сдвига, МПа, в плоскости листа, G1,2 6000 6700
Модуль сдвига, МПа, межслойный, G1,3 = G2,3 4500 5000
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа, в плоскости листа по основе а 200 280
в плоскости листа по утку а 160 240
в трансверсальном направлении а 10 14
Разрушающее напряжение при сжатии, МПа, в плоскости листа по основе а 200 300
в плоскости листа по утку а 180 250
в трансверсальном направлении а 300 400
Разрушающее напряжение при межслойном сдвиге, МПа, ij 3 20 25
ВЕСТН1Г
ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
ШККОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. 0. МАКАРОВА
Заключение
В соответствии с соотношением 10:8 все показатели упругости и прочности вдоль волокон основы в 1,3—1,4 раза больше, чем вдоль волокон утка. Разрушающее напряжение при растяжении в трансверсальном направлении в приблизительно 20 раз ниже, чем вдоль слоев ткани.
Поведение слоистого материала при сжатии существенно отличается от поведения при растяжении. В этом случае с3- даже выше с- и с,- — приблизительно в 1,5 раза.
Для углепластиков характерна значительная анизотропия теплофизических свойств — коэффициент теплопроводности в направлениях 1, 2 в 50 раз выше, чем в направлении 3: ^ ~ ^2 = 38 Вт/мК, ^3 = 0,7 Вт/мК. Анизотропия теплофизических свойств объясняется значительным различием в теплопроводности полимерной матрицы и углеродных волокон.
Все вышеизложенное позволяет сделать главный вывод: при проектировании изделий из композиционных углепластиков антифрикционного назначения, а также реализации технологического процесса их механической обработки необходимо учитывать особенности исходной заготовки (плита — метод прессования; слои параллельно или навитая заготовка — слои радиально). Причем главным фактором, в технологической наследственности определяющим основные эксплуатационные характеристики опоры скольжения, является ориентация волокон по отношению к линии действия основных нагрузок в виде сил и моментов.
1. Технологии производства изделий и интегрированных конструкций из композиционных материалов в машиностроении / науч. ред. А. Г. Братухин, А. С. Боголюбов, О. С. Сироткин. — М.: Готика, 2003. — 516 с.
2. Белецкий Е. Н. Обеспечение заданной точности и качества поверхности на операциях сверления антифрикционных углепластиков на основе результатов моделирования процесса резания: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.07 / Е. Н. Белецкий. — Саратов. СГТУ, 2010. — 134 с.
3. Абозин И. Ю. Некоторые вопросы механической лезвийной обработки углепластиков / И. Ю. Абозин, В. М. Петров // Вопросы материаловедения: науч.-техн. жури. — 2001. — № 2 (26).
4. Полимерные композиты в триботехнике. Проблемы создания и применения. Опыт эксплуатации: докл. науч.-техн. семинара, 14-15 ноября 2000 г. — СПб.: ЦНИИ КМ «Прометей», 2000.
5. Голъденблат И. И. Критерии прочности конструкционных материалов / И. И. Гольденблат,
В. А. Койнов. — М.: Машиностроение, 1968. — 192 с.
6. Маркин В. Б. Расчетная оценка вязкоупругих характеристик межфазных слоев и закономерности их влияния в полимерных композиционных материалах / В. Б. Маркин, Л. М. Аникеева, А. В. Тарасов // Композиты — в народное хозяйство России (Композит-95): тр. Междунар. науч.-техн. конф. — Барнаул: АлтГТУ им. И. И. Ползунова, 1995.
7. Армированные пластики — современные конструкционные материалы // Российский химический журнал. — 2001. — Т. XLV, № 2.
Список литературы
Выпуск 2
