К ПРОЕКТИРОВАНИЮ УГЛЕПЛАСТИКОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ С УЧЕТОМ АДГЕЗИИ ВОЛОКНА К МАТРИЦЕ Нелюб В.А.,Гуськов А.М.,Белов П.А.

МГТУ им. Н.Э.Баумана


Номер: 12-1
Год: 2014
Страницы: 62-66
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

свойства углепластиков, адгезия, адгезионная прочность, проектирование композитов, properties of plastics, adhesion, adhesive durability, composites design

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

На примере углепластика КМУ-4э-2м (ВИАМ) показан алгоритм проектирования равнопрочного по модам «разрушение волокна» и «отслоение матрицы от волокна» композита. Алгоритм существенным образом опирается на тот экспериментальный факт, что предельная деформация композита, как правило, меньше предельной деформации волокна и матрицы. Вторым существенным моментом алгоритма является существование разработанных технологий управления адгезией волокна к матрице режимами окислительной обработки углеродных волокон. Показано, что этот углепластик обладает большим резервом прочности, зависящим от качества адгезии волокна к матрице.

Текст научной статьи

На примере углепластика КМУ-4э-2м (ВИАМ) рассмотрим механические характеристики самого углепластика и его компонентов (наполнитель - лента ЭЛУР-П0,08, связующее - ЭНФБ-2М). Таблица 1 Механические характеристики углепластика КМУ-4э-2м. Предел прочности при растяжении МПа 1100 Модуль упругости при растяжении ГПа 135 Таблица 2 Механические характеристики углеродных волокон ленты ЭЛУР-П0,08. Предел прочности волокна при растяжении, МПа 2820 Модуль упругости волокна при растяжении, ГПа 235 Таблица 3 Механические характеристики матрицы - ЭНФБ-2М. Предел прочности при растяжении, МПа 84 Модуль упругости при растяжении МПа 2800 С точки зрения классической теории композитов [1], на основании правила смеси, можно определить относительную объемную долю волокна по данным Таблиц 1, 2, 3: где: , , - соответственно модуль Юнга композита, волокна и матрицы, - относительная объемная доля волокна (для данного композита ). Соответственно, можно определить запасы прочности волокна и матрицы: Здесь: - пределы прочности соответственно композита, волокна и матрицы, - запасы прочности соответственно волокна и матрицы. Отсюда следует, что при разрушении композита и волокно, и матрица в соответствии с экспериментальными данными, полученными отдельно для волокон и матрицы, ещё не разрушены. Тот же вывод можно сделать и сравнивая предельные деформации композита , волокна и матрицы: Таблица 4 Предельные деформации углепластика КМУ-4э-2м и его компонентов 0,008 0,012 0,030 Формально этот факт можно объяснить не удовлетворительной адгезией волокна к матрице. Действительно, предположение, что предельная деформация композита, меньшая предельной деформации и волокна, и матрицы, определяется разрушением адгезионной связи между волокном и матрицей, может объяснить наблюдаемый экспериментально аномально низкий предел прочности композита. При выводе «адгезионного» обобщения формулы Фойхта [2], было установлено, что: (1) - адгезионный модуль пары волокно-матрица, - расстояние между волокнами (для данного композита ). Из формулы (1) следует: (2) В [2] также дано уравнение закона Гука для «адгезионного напряжения»: (3) где: - деформация растяжения поверхности адгезионного контакта, - адгезионное напряжение, - абсолютная величина адгезионного модуля пары волокно-матрица. С учетом численных значений Таблиц1-4, адгезионные свойства для углепластика КМУ-4э-2м имеют следующие величины: Соответственно, действующие в волокне и матрице напряжения, при нагрузке, соответствующей пределу прочности композита, имеют следующие значения: Так же, как и при анализе Таблицы-4 и запасов прочности, ей предшествующих, можно сделать вывод о том, что и волокно и матрица на момент разрушения композита не догружены. Если необходимо спроектировать равнопрочный по волокну и адгезии волокна к матрице углепластик, то предельные деформации волокна и поверхности контакта волокно-матрица должны быть равны. Умение управлять адгезионными свойствами поверхности контакта [3] позволяет этого добиться соответствующим временем и температурой термоокисления волокон. Так как в процессе термоокисления в общем случае меняются и предел адгезионной прочности, и адгезионный модуль, рассмотрим как предельные случаи два варианта проектирования равнопрочного композита, представленных на Рис. 1 и Рис.2. Рис.1. Проектирование равнопрочного композита при постоянном пределе адгезионной прочности Рисунок-1 иллюстрирует возможность того, что повышая предельную деформацию поверхности контакта волокно-матрица с 0,0081 до 0,0120 (или что то же - снижения адгезионного модуля с 47467Па∙м до 32230Па∙м), можно добиться повышения прочности композита с 1100МПа до 1620МПа, и в конечном итоге - равнопрочности углепластика по модам «разрушение волокна» и «отслоение матрицы от волокна». Рис.2. Проектирование равнопрочного композита при постоянном адгезионном модуле пары волокно-матрица Рисунок-2 иллюстрирует возможность того, что повышая адгезионную прочность с 58МПа до 85МПа, можно добиться повышения прочности композита с 1100МПа до 1620МПа, и в конечном итоге - равнопрочности углепластика по модам «разрушение волокна» и «отслоение матрицы от волокна». ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Изложенная методика проектирования композита с учетом влияния адгезии волокна к матрице позволяет сделать следующие выводы. 1. Методика позволяет проектировать равнопрочный по модам «разрушение волокна» и «отслоение матрицы от волокна» композит. 2. Методика позволяет объяснить противоречие, возникающее при сравнении предельной деформации композита и его компонентов, в рамках классических представлений теории композитов (где не учитывается адгезия волокна к матрице). 3. Факт пониженной прочности волокнистых композитов должен стимулировать постановку и проведение экспериментальных работ по исследованию механических свойств полимерных матриц на микроуровне. Потребность в таких экспериментальных работах обусловлена коллоидно-химическим (гетерофазным) строением матриц различного класса, структура и механические свойства которых формируются при активном влиянии поверхности армирующего наполнителя.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.