Материал: Основы создания полимерных композитов

показателя длины образца, что подтверждается некоторыми экспери­ ментальными данными. Для количественной оценки прочности ком­ позита можно воспользоваться соотношением (разд. III)

п =<TaF a Y j 7liP i

Методика определения величин Tjt и (р{ дана в разд. IV. Исполь­

зуя значения этих величин, получим [14]:

Таким образом, зная свойства и относительное содержание ис­ ходных компонентов и их вклад в формирование высокопрочной структуры, можно прогнозировать прочность композита. Для этого следует несколько видоизменить написанное выше уравнение, пред­ ставив его в следующем виде:

Е ^

&сп ~ Еа\ ^ 7адг а

где

А = ^ ~ , В = ^ ~ , С = ^ - . тадг т. т.

С учетом значений ди, и щ и соотношения тадг « тсов« 0,65<тс по этому уравнению с использованием компьютера были построены но­ мограммы (рис. IV-1, IV-2, IV-3 [14]), позволяющие решать как пря­ мую, так и обратную задачи прогнозирования прочностных свойств материала. Хорошая сходимость теоретических и экспериментальных данных позволяет рекомендовать это уравнение для практического использования.

Исследуем теперь в аспекте рассмотренных выше статистически вероятностных моделей разрушения армированных полимеров при растяжении кинетику и механизм разрушения некоторых однона­ правленных композитов. Объекты исследования - композиты на ос­ нове стекловолокна бесщелочного состава и трех типов эпоксидных связующих: УП-610, ЭДТ-10 и Э-181-ЭД-10. Отвердитель - ТЭАТ.

Испытание этих прозрачных для видимой области спектра опти­ чески активных материалов проводилось методами фотоупругости на поляризационно-проекционной установке ППУ-7, которая позво­ ляет, во-первых, получать интерференционную картину в белом и монохроматическом свете при различных увеличениях; во-вторых,

281

синхронно и раздельно поворачивать плоскости поляризации при­ бора с подвижного пульта управления; и наконец, фотографировать интерференционную картину зеркальным фотографическим аппара­ том типа "Зенит".

Рис 3. Оптическая схема установки ППУ-7

Оптическая схема ППУ-7 представлена на рис. 3. Лучи от источ­ ника света 7 сводятся конденсатором 2 на поляризатор 4 и, пройдя последний, преобразуются конденсаторной линзой 5 в параллельный пучок. Исследуемый образец устанавливается в параллельном пучке света перпендикулярно к оптической оси. Изображение модели 12 на матовом стекле фотоаппарата создается системой линз 9 - 7 7 , в фо­ кусе которой помещается анализатор 70. Слюдяные пластины 6 и 8 располагаются по обе стороны от модели в параллельном пучке све­ та. При фотографировании необходимо убрать съемный объектив установки и получить изображение модели на матовом стекле "Зе­ нита" с помощью объектива фотоаппарата.

Испытания образцов на растяжение проводили на разрывной установке (рис. 4). Нагрузку осуществляли с помощью стандартных гирек, которые подкладывались на специальную чашечку нагру­ жающего устройства. Перед началом испытаний рычаг 7 устанавли­ вали в равновесное положение с помощью противовеса 2. План экс­ периментальных работ предусматривает возможность наблюдения за механизмом разрушения в процессе фактического нагружения ком­ позита.

Образец стеклопластика в виде одного слоя стекловолокон в эпоксидной матрице растягивался в направлении, параллельном во­ локнам. Диаметр волокон d = 100 мкм. Число волокон варьировалось от 10 до 20, толщина образцов 0,35-0,42 мм, ширина 20-30 мм.

При нагрузке ~80% от предельной наблюдаются разрывы от­ дельных волокон. Волокно у места разрыва находится в ненагруженном состоянии. Это место выглядит как белое Х-образное пятно, при­ чем длина белой области соответствует длине неэффективной части волокна.

282

1

X

2

Рис. 4. Принципиальнаясхемаразрывной установки

С ростом нагрузки волокна разрушаются в случайных местах, причем, вследствие перераспределения усилий полимерной матрицей, разрывы наблюдаются в случайных точках, а не накапливаются у мест первоначального разрушения.

Последовательность разрушения волокон композита показана на примере приведенных на рис. 5 фотографий, иллюстрирующих кинетику накопления разрывов образца № 20 (связующее ЭД-10, стекло марки б/щ). Влияние свойств связующего на кинетику разру­ шения иллюстрируется на рис. 6.

Далее было исследовано влияние температуры на процесс накоп­ ления повреждений при одноосном растяжении. Испытания проводи­ лись в термокамере (рис. 7) с рабочей температурой 70 °С. После ус­ тановки образца 4 в зажимы камера закрывалась двумя стыкующи­ мися крышками 7, и в течение 5 мин устанавливалась необходимая температура (70 °С). Ток в нагревающем элементе 5 регулировался стандартным лабораторным автотрансформатором. Поляризован­ ный монохроматический свет проходил через кварцевые стекла 2 термокамеры. Стабильность температуры контролировалась термо­ метром Тл-4 (3). Далее испытания при повышенной температуре проводились по той же методике, что и для нормальных условий.

Эти испытания показали, что в зоне разрыва волокна вместо ха­ рактерных Х-образных изоклин, имеющих место при комнатной тем­ пературе, при повышенной температуре образуются округлые пятна, которые со временем растут (увеличение пятна вокруг разрыва во­ локна в 1 , 5 - 2 раза визуально наблюдается в течение 5 - 6 с с мо­ мента разрыва).

Далее, в отличие от статистической модели накопления случай­ ных разрывов волокон при нормальных условиях, с увеличением температуры наблюдается образование трещины вдоль поверхности раздела волокно - связующее из-за неспособности полимерной мат­ рицы передавать упругие напряжения (так как с ростом температуры показатели упруго-прочностных свойств матрицы падают; следова­ тельно, падает и коэффициент монолитности (сплошности) системы М, т.е. композит начинает работать как пучок несвязанных волокон).

283