Материал: Основы создания полимерных композитов

жимах нагружения. Для этого необходимо было измерить характе­ ристики исследуемых материалов в указанных выше интервалах вре­ мени нагружения в сопоставимых условиях. Поскольку нагружение такой длительности (долговечности) осуществимо только в активном режиме, измерение прочности образцов в условиях статики также проводили при активном нагружении. В качестве объектов исследо­ вания были представлены образцы стеклопластиков, изготовленные методами РНК и традиционными на основе связующего ЭД-16+ПАТ и стеклотканей Т-41, отличающихся составами замасливающих ком­ позиций, указанных в табл. 19, а также литые образцы связующих ЭД-16 + ПАТ и ЭДХ + ПАТ.

Все образцы имели вид дисков диаметром 50 ± 0,5 мм и толщи­ ной 10 ± 0,2 мм. Традиционные образцы стеклопластиков изготавли­ вались при стехиометрическом соотношении компонентов связую­ щего. Композиты, полученные методом РНК, - при соотношениях, указанных в гл. 3. Режимы изготовления композитов обоих видов: температура прессования - 160 °С, удельное давление прессования - 10 МПа, время выдержки - 5 мин/мм.

Испытания образцов при активном нагружении в статических условиях производили методом чистого изгиба со скоростью нагру­ жения, изменяемой в пределах 4 порядков - на машине Дубова-Ре- геля [16, 18]. Результаты испытаний представлены в табл. 20.

Испытания образцов в режиме импульсного ударно-волнового нагружения осуществляли с помощью лазерного дифференциального интерферометра скорости (ЛДИС) с использованием явления откола [5, 17]. Указанные выше исследуемые материалы являлись частью со­ ставного образца, используемого при испытаниях этим методом. Об­ разец представлял собой конструкцию из двух дисков, склеенных ме­ жду собой: алюминиевого диска диаметром 50 ± 0,5 мм и толщиной 20 ± 0,2 мм и диска из исследованного материала указанных выше размеров. Такая конструкция образца исключала пробивание иссле­ дуемого материала после удара, а главное, обеспечивала прохожде­ ние из алюминиевой подложки в стеклопластик импульса с недис­ кретным фронтом, что очень существенно, так как обработка экспе­ риментальных данных проводилась в акустическом приближении.

Для получения в образце интенсивного импульса сжатия с пло­ ским фронтом использовался ударник в виде цилиндрического тонко­ стенного стакана с наружным диаметром приблизительно 15 мм, толщиной дна 3 мм, изготовленного из алюминия АД-1. Ударник раз­ гонялся со скоростью 500 ± 30 м/с при помощи газовой баллистиче­ ской установки. Измерение скорости ударника производилось систе­ мой электромагнитных датчиков.

С помощью ЛДИС экспериментально определяют скорость сво­ бодной тыльной поверхности образца U(t), что позволяет в соответ­ ствии с теорией распространения волн [5, 8, 16] определить времен­

441

ную эволюцию силовых импульсов <т(/)> действующих на некотором расстоянии от тыльной поверхности внутри образца. В акустическом приближении, справедливом при упругом характере реакции тела на волновой импульс, значения действующих в сечении откола растяги­ вающих напряжений определяются по формуле а (/) = 1/2/7 CAU(i), где р и С - плотность вещества образца и скорость звука в нем;

AU(t) - разность ординат зависимости £/(/) и этой же зависимости, смещенной по оси времени на отрезок 2х0!с.

Рис. 40. И нтерф ерограм мы композита. С корость: а - 600 м/с, 6 - 300 м/с.

1 - интерферограмма, 2 - профиль скорости свободной поверхности р (+),

3 - силовой импульс ст(+)

На рис. 40 для примера приведены две из полученных интерфе­ рограмм, расшифрованные по ним профили скорости свободной по­ верхности и построенный по профилю U(t) силовой импульс <j(t), действовавший в сечении откола. Наличие откола определялось визу­ ально при разрезании образца после опыта. В сечении откола дейст­ вовал силовой растягивающий импульс cr(l), близкий к треугольному с длительностью 5 и 14 мкс, с максимумами Omaxi = 23 кг/мм2 и ошах2 = 16 кг/мм2, что и принято в качестве характеристики прочности

стеклопластика.

Обращает на себя внимание практическое отсутствие временной зависимости прочности ненаполненных композиций ЭД-16 + ПАТ и

442

ЭДХ + ПАТ при изменении долговечности (г) примерно на 10 поряд­ ков (от 103 с до 10'7): временные зависимости прочности композиций имеют вид почти вертикальной "стенки" (рис. 41, кр. 2), причем зна­ чения прочности указанных выше композиций, измеренные при ак­ тивном режиме нагружения, практически одинаковы и составляют 10,4 кг/мм2 для композиции ЭД-16 + ПАТ и 9,2 кг/мм2 для компози­ ции ЭХД + ПАТ.

lg г

2

з

Рис. 41. Временные зависимости прочности для различны х материалов: 1 - металлы, 2 - стеклопластик РН К , 3 - стеклопластик традиционны й

Таким образом, полученные результаты показывают, что уро­ вень прочности традиционных композитов в статических и квазистатических условиях испытаний (г> 103-г ИИ с) определяется преиму­ щественно прочностью адгезионных контактов и существенно ниже прочности ненаполненных композиций связующего.

Уровень прочности композитов, изготовленных методом РНК, при определенном виде армирующего стеклонаполнителя приближа­ ется к уровню прочности ненаполненных связующих. Однако при динамических испытаниях (г< НИ 4- К)-7 с) уровни прочности стекло­ пластиков обоих видов существенно превышают прочность чистого связующего (когезионную прочность), при 'этом закономерности процесса разрушения сложны и определяются, видимо, конкуренцией процессов когезионного и адгезионного разрушения.

Помимо сказанного, совокупность полученных данных позво­ ляет, опираясь на известные представления о динамике процессов разрушения, дать полную и достаточно достоверную картину измене­ ния прочностных свойств композитов в исследованном диапазоне долговечностей.

Известно, что долговечность твердых тел определяется, главным образом, временем, затрачиваемым на зарождение и/или подрастание наиболее опасного дефекта до критического размера ("очаг разруше-

443

ния"), после которого происходит сравнительно быстрое разделение образца на части за счет "прорастания" через его сечение магистраль­ ной трещины. В этой области долговечностей положение и наклон экспериментальных кривых в координатах Igrсгописываются обыч­ но в терминах формулы Журкова

где r0, U0- константы, у - структурно чувствительный коэффициент. Наличие вертикальной "стенки" можно объяснить, например,

влиянием вязко-упругого перехода в разрушении - скачкообразным изменением коэффициента у. Согласно этим представлениям ясно, что примерное совпадение уровней прочности традиционных стекло­ пластиков и адгезионных контактов в квазистатической области од­ нозначно указывает, что зародыши критического размера - очаги разрушения - в стеклопластике возникают на адгезионных контактах связующего со стеклотканью. Промежуток времени, необходимый для прорастания из очага разрушения магистральной трещины через сечения образца,

Дг = (1ч-Ю)^-, v

где L0 - поперечный размер; множитель 1 ч- 10 учитывает нерегуляр­ ный характер поверхности разрушения, ее волнистость; v = 0,2С - скорость роста магистральной трещины (С - скорость звука). "Вклад" этого промежутка времени в полную долговечность при долговечно­ стях по крайней мере т> 10 4 - 10-3 остается пренебрежительно малым. При меньших долговечностях этот "вклад" становится сравнимым с полной долговечностью, а при т< 10*5 - превалирующим, т.е. практи­ чески определяет всю наблюдаемую долговечность (Дг« г).

Важно отметить, что приведенная выше формула для Дг отно­ сится к единственному на сечении очагу разрушения, а при наличии нескольких очагов на сечении должна заменяться на формулу

/ ± . T » \ j 4 n V ,

где п - концентрация очагов (см*2); 1/ 4 п = Ь - средний путь, прохо­

димый одной магистральной трещиной до ее слияния с другими тре­ щинами.

Фрактография поверхностей разрушения образцов из отвер­ жденных эпоксидных композиций показала, что при долговечностях

444

жденных композиций при динамических испытаниях почти верти­ кальный ход временных зависимостей прочности до долговечностей г< 10'6 есть прежде всего результат увеличения многоочаговости раз­ рушения.

Сходная ситуация при динамических испытаниях имеет место, по-видимому, для адгезионных контактов при долговечностях 10 3> т> 10-6. Однако при г» 10'6 достигается, очевидно, "предельная" для адгезионного контакта многоочаговость разрушения я, опреде­ ляемая состоянием поверхности раздела. Тогда в силу того, что

п = const(o) и г = —=}■— = const (<т) Vnva^

временная зависимость прочности lgr - а приобретает вид горизон­ тальной "динамической ветви" (рис. 41, кр. 1), наблюдаемой ранее для тел другой природы - металлов [83]. При этом прочность адгези­ онного контакта может превышать даже прочность полимера-свя- зующего благодаря тому, что более легкое и раннее (во времени) за­ рождение очагов адгезионного разрушения обуславливает одновре­ менную разгрузку в прилегающем слое полимера-связующего и, сле­ довательно, отсутствие в ней очагов разрушения.

С точки зрения микромеханики адгезионного разрушения важно подчеркнуть, что в области горизонтальной "динамической ветви" зависимость lgr(о) процесса разрушения имеет кинетический харак­ тер. Кинетика адгезионного разрушения определяет, в частности, за­ висимость адгезионной прочности композитов обоих видов в указан­ ной области от скорости нагружения (экспериментально - от вели­ чины наклона переднего фронта импульса, действовавшего в сечении откола). Увеличение наблюдаемой адгезионной прочности с ростом скорости нагружения VHпри VH> 106 кг/см2 (рис. 42) есть, очевидно, результат "перегрузочной" способности, определяемой условием <т= VH и являющейся, в конечном счете, следствием условия V = const(о).

Исходя из этого, можно предложить следующую схему измене­ ния временной зависимости прочности стеклопластиков, изготовлен­ ных по традиционной и РНК технологиям (см. рис. 42), которая со­ ответствует полученным экспериментальным данным и может слу­ жить для прогнозирования прочностных свойств стеклопластиков в широком диапазоне времен нагружения.

Вплоть до пересечения L-образной временной зависимости адге­ зионной прочности (рис. 42, кр. 1) с практически вертикальной вре­ менной зависимостью когезионной прочности полимерного связую­ щего (рис. 42, кр. 2) прочность традиционного стеклопластика опре­ деляется главным образом адгезионной прочностью и близко ей со­ ответствует.

445