CC BY
17
УДК 621.9.047/048
И.В. Злобина, Д.И. Кузнецов, А.Д. Лысов, Р.Н. Шамсутдинов, Н.В. Бекренев
ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ НАГРУЖЕНИЯ НА ИЗГИБНУЮ ПРОЧНОСТЬ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Аннотация. Выполнены испытания образцов угле-, стекло- и органопластика по схеме трехточечного изгиба после воздействия на них малоамплитудного нагру-жения с ультразвуковой частотой при различном числе циклов. Установлено, что для всех исследованных материалов наблюдается значительное снижение предельных напряжений изгиба после превышения определенного (критического) числа циклов: для углепластика - 6хх 106, стеклопластика и органопластика - 3 х 106. При этом в докритической области для стеклопластика установлено повышение напряжений более чем на 19 %. Ультразвуковое кратковременное нагружение может быть использовано для упрочнения отвержденных стеклопластиков в составе конечного изделия простой геометрической формы.
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, ультразвук, малоамплитудное нагружение, прочность, предельные напряжения, изгиб, температура, число циклов нагружения
I.V. Zlobina, D.I. Kusnetsov, A.D. Lysov, R.N. Shamsutdinov, N.V. Bekrenev
AFFECT OF ULTRASONIC LOADING FREQUENCIES ON THE BENDING STRENGTH OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS
Abstract. Carbon, glass and organoplastics samples were tested according to a three-point bending scheme after exposure to a low-amplitude loading with an ultrasonic
frequency at various number of cycles. It has been established that for all the materials under study, there is a significant decrease in the bending stress limit after exceeding a certain (critical) number of cycles: for carbon fiber - 6 x 106, fiberglass and organoplastics -3 x 106. At the same time, a stress increase by more than 19 % was found in the subcritical region for the fiberglass. Ultrasonic short-term loading can be used to harden cured fiberglass as part of the final product with a simple geometric shape.
Keywords: polymer composite materials, ultrasound, low-amplitude loading, strength, ultimate stress, bending, temperature, number of loading cycles
ВВЕДЕНИЕ
В современной технике получили широкое распространение армированные волокнами различной природы и тканями на их основе полимерные композиционные материалы (ПКМ). Это обосновано их более высокими удельной прочностью и коррозионной стойкостью по сравнению с известными металлами и сплавами, а также однокомпонент-ными полимерами.
К 2026 году прогнозируется рост рынка качественного углеволокна с 3,9 млрд долл. в 2019 г. до 8,0 млрд долл., а ежегодный прирост производства стеклопластиков составляет в настоящее время 8-10 % ежегодно. Также аналитиками прогнозируется рост объема потребления ПКМ с 12,3 млн т в 2020 г. до 14 млн т в 2024 г. [1, 2]. В общем объеме производства композитных конструкций ПКМ на термореактивной матрице занимают примерно 2/3 от всего объема.
Особенностью термореактивной матрицы является необратимый характер изменений в ней при повторном нагревании, что определяет повышенную температурную стойкость данных материалов по сравнению с ПКМ на термопластичной матрице. Также очень важное значение имеет лучшая смачиваемость термореактивными смолами армирующих волокон.
Высококачественные углепластики наиболее широко используются в авиации, причем с резким увеличением производства малоразмерных беспилотных летательных аппаратов эта тенденция будет усиливаться [3-5].
Наряду со стекло- и углепластиками в ряде конструкционных элементов летательных аппаратов (лопасти несущих винтов вертолетов, оболочки турбореактивных двигателей и т. п.), где важны эрозионная стойкость и сопротивление высокоэнергетическим ударным воздействиям, применяются органопластики, армированные различными ара-мидными тканями или волокнами [6-8].
Целью работы явилось изучение прочности угле-, стекло- и органопластика при трехточечном изгибе после нагружения с ультразвуковой частотой воздействия.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Первостепенное значение при обосновании требований к изделиям из ПКМ придается эксплуатационным характеристикам. При этом в производстве авиационной техники основными являются следующие требования: теплостойкость, водо- и атмосферостой-кость, прочность при растяжении вдоль волокон, прочность при сжатии вдоль волокон, трансверсальная (поперек волокон) прочность, межслоевой сдвиг, ударная вязкость, технологичность [9, 10]. При этом ПКМ характеризуются резким различием значений прочностных параметров в зависимости от ориентации действующих нагрузок относительно изделия и схемы армирования. Наиболее опасными с точки зрения повреждаемости изделий из ПКМ являются напряжения межслоевого сдвига, величина которых для большинства ПКМ на 1-2 порядка ниже, чем напряжения растяжения-сжатия. Этот факт, а также значительно меньшая по сравнению с металлами и сплавами вязкость разрушения при действии динамических нагрузок делают необходимым при проектировании и изготовлении новых конструкций из ПКМ проведение ряда материаловедческих, технологических и конструкторских мероприятий.
При прогнозировании и экспериментальной оценке надежности конструкций, находящихся под действием динамических, в частности циклических, нагрузок, широко используется понятие усталостной прочности или предела усталости - уровня напряжений, ниже которого материал изделия длительное время не будет подвергаться разрушению. Однако данный параметр не может являться объективной характеристикой в случае высоко- и сверхвысокочастотного воздействия. Экспериментально и путем моделирования показано [11-14], что в данных условиях повреждения материала начинают развиваться, а конструкция разрушаться при уровне напряжений ниже предела усталости. В ходе серии испытаний образцов из титанового сплава ВТ3-1 и алюминиевого сплава Д16Т на специальной установке, реализующей нагружение при ультразвуковых частотах, установлено, что усталостное разрушение происходит при долговечностях более чем 107 циклов для данных материалов при уровнях напряжений, существенно меньших классического предела усталости на базе 106-107 циклов. Для некоторых конструкционных элементов высокоскоростных и маневренных объектов типа летательных аппаратов различного типа весьма вероятно возникновение сверхвысокочастотных вибраций, которые могут вызвать разрушение до появления значительного уровня напряжений. Поэтому рекомендуется снижать допустимый уровень циклических напряжений и в процессе конструирования и испытания изделий осуществлять моделирование воздействия на них высоко-и сверхвысокочастотных нагрузок [11-14].
Установлено положительное влияние ультразвука на снижение дефектообразова-ния при обработке материалов с неоднородной структурой [15]. В то же время эти ре-
зультаты получены при воздействии на твердые хрупкие материалы, возможные эффекты при воздействии на композиты на полимерном связующем не исследованы.
С учетом изложенного представляет научный и практический интерес исследование изменения прочности ПКМ после большого числа циклов нагружения с высокой частотой, что в первую очередь определяется отмеченными выше отличиями свойств данной группы материалов от металлов и их сплавов. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
В экспериментах использовали образцы в виде балок размерами 75 х 10 х 5 мм из угле- и стеклопластика производства ООО «Еврокомплект», г. Калуга, и органопластика производства АО ЦВМ «Армоком», г. Хотьково Московской обл. Образцы разделяли на контрольную и опытную группы. Опытные образцы перед испытаниями подвергали воздействию ультразвука частотой 24,8 кГц с амплитудой 6 мкм при статическом нагруже-нии 20 Н в течение 1, 2, 4 и 5 минут. При каждых условиях нагружения обрабатывали по 5 образцов. Образец в держателе ультразвуковой установки (рис. 1 а) закрепляли кон-сольно так, что длина вылета балки составляла 2/3 ее длины (рис. 1 б). Ультразвуковое нагружение прикладывали на 1/2 длины образца.
а б
Рис. 1. Экспериментальная установка. Общий вид (а), рабочая зона (б)
Использован волновод с дисковым излучающим торцом диаметром 50 мм из сплава Д16Т. В процессе ультразвукового нагружения осуществляли измерение температуры поверхности образца при помощи цифрового пирометра Testo 830-T1. Затем образцы
подвергали испытанию по схеме трехточечного изгиба на модернизированном компьютерном лабораторном комплексе с программным обеспечением LabWiev, ИП «Майоров», г. Орел.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Типичные графики, отражающие кинетику нагружения образцов стеклопластика, представлены на рис. 2. Зависимость максимальных напряжений изгиба и температуры от числа циклов нагружения, определяемого частотой ультразвука и временем воздействия, представлена в табл. 1, 2 и на рис. 3.
Изменение как прочности образцов, так и их температуры удовлетворительно (с точностью 0,85-0,95) описывается полиномами 2-й степени. Исключение составляет углепластик, для которого аппроксимирующая функция представляет собой полином 3-й степени при указанной точности. Сопоставляя графики и полиномы, можно отметить, что критическое число циклов, при превышении которого начинается снижение прочности материала, для стекло- и органопластика находится в области 2900000-3000000, для углепластика - 6000000.
а
11,010,0
9,08,07,0г 6,0-I 5,04,0-
3,0 2,0-
1,0- / Л
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 «00 65 0 700 750 800 В50
б
ч
1 50 100 150 200 250 300 350 400 <50 500 550 600 650 700 750 301
в
Рис. 2. Типичные графики нагружения образцов при трехточечном изгибе (стеклопластик). Исходный образец (а), после ультразвукового нагружения в докритической области циклов (б), после нагружения с максимальным
числом циклов (в)
Таблица 1
Число циклов нагружения, температура и прочность при трехточечном изгибе ПКМ в зависимости от времени ультразвукового воздействия_
Время воздействия, мин 0 1 2 4 5
Число циклов 0 1488000 2976000 5952000 7440000
П редельные напряжения о, МПа
Углепластик 106,8 100,4 97 107,3 76,6
Стеклопластик 66,6 74,3 79,5 72,5 49,4
Органопластик 34,5 35,9 34,8 32,8 31,1
Температура образцов, °С
Углепластик 18,7 20,6 23,8 37,5 38
Стеклопластик 17,5 34,3 45,2 50 75
Органопластик 18,4 34 32,5 38 42
При этом закономерность изменения прочности от числа циклов для стеклопластика значимо отличается от других испытываемых ПКМ. Если в докритической области напряжения в угле- и органопластике практически не изменяются (наблюдается малозначимое повышение на 2-4 %), то для стеклопластика отмечается увеличение значения предельных напряжений относительно исходных образцов на 18-20 %. С дальнейшим ростом числа циклов начинается снижение прочности при изгибе, выраженное в уменьшении предельных напряжений для угле-, стекло- и органопластика на 28, 26 и 10 %, соответственно.
Таблица 2
Аппроксимирующие функции зависимостей предельных напряжений изгиба _и температуры от времени ультразвукового воздействия_
Материал Предельные напряжения Температура
Углепластик у = -2,275х3 + 15,043х2 - 24,46х + 108 у = 0,204х2 + 3,353х + 17,794
Стеклопластик у = -3,525х2 + 14,975х + 64,95 у = -0,0812х2 + 10,117х + 20,866
Органопластик у = -0,9545х2 + 8,6545х + 20,991 у = -0,3089х2 + 0,78х + 34,789
с,МПа, 1, °С о,МП а, 1, °С ст,МПа, I, °С
т, мин т, мин т, мин
а б в
Рис. 3. Зависимость предельных напряжений о (1) и температуры t (2) угле- (а), стекло- (б) и органопластика (в) от времени ультразвукового воздействия
Анализ состояния поверхности образцов ПКМ при малом увеличении (рис. 4 и 5) позволил выявить следующие особенности. Для органопластика как в докритической, так и в послекритической областях нагружения каких-либо изменений относительно исходного состояния не отмечается.
Рис. 4. Внешний вид (х40) поверхности углепластика после докритического числа циклов нагружения (а, б) и поверхности разрушения после максимального числа циклов (в, г)
Поверхность повреждения при испытаниях по схеме трехточечного изгиба угле-и стеклопластика после сверхкритического числа циклов ультразвукового нагружения имеет вид, характерный для разрушения ПКМ при действии трансверсальных нагрузок: имеют место расслоения и множественные обрывы волокон, составляющих армирующую ткань (рис. 4 и 5 в, г). В то же время на поверхности и в плоскости разрушения стеклопластика присутствуют волокна и их объединения с измененным цветом (рыжий, бурый), что может являться следствием локального термического
повреждения и подтверждается зафиксированными значениями температур, превышающих 70° С. Основное отличие между угле- и стеклопластиком отмечается в области докритического для каждого материала числа циклов нагружения. Поверхность углепластика мало отличается от исходной, отмечаются отдельные смещения групп волокон с образованием небольших трещин и углублений (рис. 4 а, б) вследствие разрыва самых слабых механических связей.
Поверхность стеклопластика, подвергнутая ультразвуковому воздействию, отличается от исходной. Отмечаются симметричные волнообразные структуры (рис. 5 а) и участки с нарушением направления укладки волокон в виде хаотично переплетенных структур, имеющих также вид сплюснутых пятен (рис. 5 б). Данным изменениям соответствует отмеченное выше увеличение прочности стеклопластика при трехточечном изгибе.
Рис. 5. Внешний вид (*40) поверхности стеклопластика после докритического числа циклов нагружения (а, б) и поверхности разрушения после максимального числа циклов (в, г)
Может быть предложено следующее объяснение полученным результатам. Отверждение связующего ПКМ происходит при повышенной температуре, что вызывает деформации как армирующих структур наполнителя, так и самого связующего. При этом коэффициенты теплового расширения компонентов ПКМ значительно различаются (для связующего в несколько раз больше), что приводит к различной степени деформации. При отверждении происходит усадка связующего, которая по указанной выше причине вызывает возникновение внутренних напряжений, приводящих к образованию структурных и поверхностных микродефектов в виде пустот (пор) и трещин.
Также во время пропитки вследствие неудовлетворительной смачиваемости наполнителя возможно образование непроклеев, что также способно привести к образованию пустот при отверждении, снижающих прочность материала [16].
Особенностью термореактивной матрицы в ПКМ является необратимый характер изменений в ней при повторном нагревании, что определяет повышенную температурную стойкость данных материалов по сравнению с ПКМ на термопластичной матрице. В то же время известно [17, 18], что при нагреве отвержденной эпоксидной матрицы до температуры порядка (40-50)° С повышается ее пластичность без деструктивных изменений, а минимальная плотность достигается при температуре 80° С.
Ультразвуковые колебания излучателя распространяются в виде волнового процесса в структуре материала, вызывая трение армирующих волокон между собой и волокон и отвержденного связующего. При этом энергия колебаний преобразуется частично в тепловую и вызывает разогрев наполнителя и матрицы. По достижении температур порядка 40° С начинается повышение пластичности, первоначально мало выраженное, тем не менее акустические волны способствуют возникновению течений в связующем и его перемещению в межслоевом пространстве ПКМ. С течением времени происходит «залечивание» дефектов (заполнение пустот и закрытие трещин), а также релаксация напряжений за счет проявления пластичности матрицы. Вследствие этого формируются новые области контактного взаимодействия «матрица - волокно» в межслоевом пространстве при повторном отверждении. В результате происходят увеличение площади контакта между слоями и соответствующее повышение прочности ПКМ. Очевидно, особенности поверхности углеродных, стеклянных и ара-мидных волокон являются причиной различных величин коэффициентов трения при контакте с отвержденной матрицей. Поэтому нагрев угле-, стекло- и органопластика до температур, при которых становятся возможными повышение пластичности матрицы и перемещение ее объемов с заполнением усадочных дефектов, достигаются при числе циклов, близком к критическому для данных волокон и матрицы. Поэтому происходит быстрое накопление внутренних повреждений в виде обрывов волокон, растрескивания еще хрупкой матрицы или разрывов в пластичных ее участках в областях
с повышенной температурой. В результате запас прочности материала оказывается сниженным и его разрушение в процессе последующих за ультразвуковым нагруже-нием испытаний происходит при пониженных относительно исходного материала напряжениях. В стеклопластике вследствие повышенного трения между волокнами при введении ультразвуковых колебаний начинается интенсивное выделение теплоты, приводящее к повышению температуры до (40-50)° С ранее достижения критического числа циклов, вследствие чего проявляются описанные выше эффекты текучести связующего и заполнение пустот в межслоевом пространстве и, соответственно, увеличение прочности материала. При дальнейшем ультразвуковом нагружении рост температуры продолжается и достигает значений высокой текучести матрицы, что значительно облегчает «залечивание» дефектов и формирование новых поверхностей контакта. Однако при этом предел выносливости армирующих волокон стеклопластика оказывается исчерпанным и они перестают выполнять в полном объеме функцию восприятия нагрузок вследствие различного вида повреждений. В результате в процессе испытаний на трехточечный изгиб происходит снижение значений предельных напряжений относительно исходного материала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Установлено, что ультразвуковые частоты нагружения ПКМ даже с малыми амплитудами смещения (порядка нескольких мкм) вызывают в течение малого времени воздействия значительное (от 10 до 28 %) уменьшение прочности материалов в зависимости от вида наполнителя. При этом наибольшее снижение прочности отмечается у углепластика. В то же время критическое число циклов, после достижения которого начинается снижение прочности, у углепластика примерно в 2 раза выше, чем у стекло- и органопластика. Наименьшее влияние на снижение прочности ультразвуковое малоамплитудное нагружение оказывает на органопластик, что определяется низким коэффициентом трения арамидных нитей и особенностями заполнения данного материала связующим при формовании.
Ультразвуковое нагружение ПКМ сопровождается локальным повышением температуры с максимумом в области приложения нагрузки и составляющем при критическом числе циклов соответственно для угле-, стекло- и органопластика 38, 75 и 42° С.
Стеклопластик характеризуется экстремальной зависимостью прочности от числа циклов ультразвукового нагружения: в докритической области отмечается повышение прочности на (18-20) %. При этом температура поверхности образцов в зоне контакта с ультразвуковым излучателем составляет более 45° С. Изложенное позволяет предложить ультразвуковое воздействие с числом циклов не более 3000000 как ме-
тод повышения изгибной прочности изделий из стеклопластика простой геометрической формы (пластины, стержни, балки и т. п.).
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. http://xn--80aplem.xn--p1ai/analytics/Mirovoj-rynok-uglerodnogo-volokna/
2. Дориомедов М.С. Российский и мировой рынок полимерных композитов (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. № 6-7 (89). С. 29-37.
3. Кошкин Р.П. Основные направления развития и совершенствования беспилотных авиационных систем: URL: http://spmagazine.ru/420 (дата обращения: 28.01.2017 г.)
4. Каблов Е.Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники // Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. № 6. С. 520-530.
5. Полимерные композиционные материалы в конструкциях летательных аппаратов / Г.М. Гуняев, Кривонос В.В., Румянцев А.Ф. и др. // Конверсия и машиностроение. 2004. № 4. URL: www: viam.ru/public.
6. Кан А.Ч., Железина Г.Ф., Соловьева Н.А. Арамидные органопластики для повышения птицестойкости элементов авиационных конструкций // Труды ВИАМ. 2021. № 1 (95) С. 77-84. DOI: 10.18577/2307-6046-2021-0-1-77-84.
7. Bhatnagar Ashok Lightweight ballistic composites. Woodhead Publishing Limited, Cambridge England, 2006. 416 p.
8. Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования / В.А. Григорян, В.Ф. Кобылкин, В.М. Маринин, Е.Н. Чистяков; под ред. В.А. Григоряна. Москва: РадиоСофт, 2008. 406 с.
9. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. 2-е изд. СПб.: Научные основы и технологии, 2010. 822 с.
10. Brinkmann S. at al. International Plastics Handbook the Resource for Plastics Engineers / Ed. Hanser. 2006. 920 p.
11. Shanyavskiy A.A., Nikitin A.D., Palin-Luc T., Very High Cycle Fatigue of D16T Aluminum Alloy // Physical Mesomechanics. 2021. Vol. 24. № 1. Pp. 77-84. URL: https://doi.org/10.1134/S1029959921010112.
12. Shanyavskiy A.A., Soldatenkov A.P., Nikitin A.D. Effect of Wave Process of Plastic Deformation at Forging on the Fatigue Fracture Mechanism of Titanium Compressor Disks of Gas Turbine Engine // Materials. 2021. Vol. 14. № 8. 1851. URL: https://doi.org/10.3390/ma14081851.
13. Шанявский А.А., Никитин А.Д., Палин-Люк Т. Сверхмногоцикловая усталость алюминиевого сплава Д16Т // Физическая мезомеханика. 2020. Т. 23. № 3. С. 4353. URL: https://doi.org/10.24411/1683-805X-2020-13005.
14. Nikitin A., Stratula B., Volkov B., Modern and future schemes of very-high cycle fatigue tests // Journal of Physics: Conference Series J. Phys.: Conf. Ser. 1479 012074 URL: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1479/17012074 (2020).
15. Бекренев Н.В., Злобина И.В., Петровский А.П. Малодефектная ультразвуковая обработка деталей навигационных приборов из неоднородных по структуре твердых, хрупких материалов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2014. № 4 (77). С. 97-103.
16. Влияние химической усадки связующего в процессе отверждения на образование остаточных напряжений в цилиндрических оболочках из композита / Ю.В. Василевич, К.А. Горелый, С.В. Сахоненко и др. // Теоретическая и прикладная механика: межведомственный сборник научно-методических статей / Министерство образования Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет. 2016. Вып. № 31. С. 67-72.
17. Гаврилов М.А. Особо плотные эпоксидные композиты на основе отходов производства: монография. Пенза: ПГУАС, 2014. 132 с.
18. Мошинский Л. Эпоксидные смолы и отвердители. Тель-Авив: Аркадия-
Пресс ЛТД., 1995. 371 с.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Злобина Ирина Владимировна —
Irina V. Zlobina -
кандидат технических наук, доцент кафедры PhD (Technical Sciences), Associate «Техническая механика и мехатроника» Professor, Department of Technical
технического университета имени Гагарина Ю.А.
Саратовского государственного
Mechanics and Mechatronics Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Кузнецов Дмитрий Игоревич —
студент Саратовского государственного
Dmitriy I. Kusnetsov -
Undergraduate,
Yuri Gagarin State Technical
University of Saratov
технического университета имени Гагарина Ю.А.
Лысов Алексей Дмитриевич —
студент Саратовского государственного
Aleksey D. Lysov -
Undergraduate,
Yuri Gagarin State Technical
University of Saratov
технического университета имени Гагарина Ю.А.
Шамсутдинов Руслан Наилевич —
студент Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Бекренев Николай Валерьевич —
доктор технических наук, профессор кафедры «Техническая механика и мехатроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Статья поступила в редакцию 24.
Ruslan N. Shamsutdinov -
Undergraduate,
Yuri Gagarin State Technical
University of Saratov
Nikolay V. Bekrenev -
Dr. Sci. Tech., Professor, Department of Technical Mechanics and Mechatronics Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
12022, принята к опубликованию 20.12.2022
