Материал: Основы создания полимерных композитов

Таблица 1

Зависимость модуля сдвига (G, МПа) от температуры

За конечные результаты измерений принимали средние значения испытаний пяти одноименных образцов. Необходимое количество опытов определяли следующим образом. На одном температурном уровне было проведено пять параллельных опытов. По результатам эксперимента были определены дисперсия ошибки эксперимента $ 2ош= 386 и среднее квадратичное отклонение S0U1= 18,8.

Количество необходимых опытов составило п = 50:

где е - оценка точности результатов при соответствующей надежно­ сти (Р = 0,95) - принималась равной среднеквадратическому отклоне­ нию; £ = Sow.

Для каждого из исследуемых параметров по результатам экспе­ римента определяли дисперсию ошибки эксперимента, и среднеквад­ ратическое отклонение составило модуль сдвига: G = 0,35 • 105 МПа и соответственно от 0,5 до 2,2%.

Из рис. 6 видно, что в начальный период с повышением темпера­ туры модуль сдвига снижается незначительно, а при дальнейшем по­ вышении температуры наблюдается его резкое уменьшение.

Анализ результатов исследований влияния температуры на мо­ дуль сдвига свидетельствует о том, что данную зависимость необхо­ димо учитывать при расчете напряженно-деформированного состоя­ ния композита при сдвиге. Способом наименьших квадратов полу­ чили аналитическую зависимость

G = G0(l-0,05772),

где G0 - при Т0 = 293 К; Т = Т/Т0

476

G , М П а

Рис. 6. Зависимость модуля сдвига (G) оттемпературы: /, 2, 3 - связующиеЭДТ-10, К-38-1.УП 2130 соответственно

2.2.Расчет напряженно-деформированного состояния модели при сдвиге композита

При изучении процесса фрикционного разрушения первостепен­ ное значение имеет исследование напряженно-деформированного со­ стояния поверхностных и подповерхностных слоев как фактора, пре­ допределяющего и контролирующего протекание всего процесса раз­ рушения поверхности. Следует отметить, что если картина распреде­ ления упругих напряжений и деформаций в приповерхностном слое гомогенного материала в основном ясна, то в случае макрогетерогенного материала она практически не изучена.

По мере возрастания роли композиционных износостойких ан­ тифрикционных материалов, применяемых в современном машино­ строении, параллельно с совершенствованием технологии их изго­ товления требуется дальнейшая разработка общих принципов конст­ руирования высокопрочных и износостойких композиционных мате­ риалов. Наряду с экспериментальными методами, уже применявши­ мися ранее для решения этой задачи, важную роль играют теоретиче­ ские решения модельных задач. Такие модели, хотя и не совсем адек­ ватно отражающие изучаемые явления, дают возможность с помо­ щью численно-аналитических методов изучить влияние геометриче­ ских и механических параметров структурных элементов на распре­ деление компонентов тензора напряжений.

В последние годы в работах многих ученых [105 - 108] было по­ казано, что решение этой проблемы возможно лишь на основе иссле-

477

дования напряженно-деформированного состояния и устойчивости армированной системы с учетом особенностей композитов, обуслов­ ленных податливой матрицей и существенной неоднородностью ма­ териала, прочностные и деформативные свойства которого не детер­ минированы. Развитием такого подхода явилось предложение о вве­ дении понятия сплошности композита [130], которое предполагает сплошность всех компонентов, отсутствие нарушений связи по гра­ ницам их соприкосновения и однородность всей системы в целом. Композит рассматривается как сплошное тело, если потеря его проч­ ности происходит вследствие нарушения сплошности армирующих элементов при достижении в них предельных напряжений. Авторы работы [130] показали, что монолитность системы композита опре­ деляется не только прочностью арматуры и связующего, но и совмес­ тимостью их физико-механических свойств, определяемой выражени­ ем

где Еа, Ес - модуль упругости арматуры и связующего, <та и сгс - раз­ рушающие напряжения арматуры и связующего; таогт - адгезионная прочность связующего к поверхности стеклянного волокна (индекс "т" означает теоретическое значение параметра); К\ = 0,13, Кг = 0,75 и Кз = 0,62 - коэффициенты, учитывающие удельный вклад разных факторов в прочность композита.

С целью проверки расчетных значений коэффициента монолит­ ности были проведены экспериментальные исследования по опреде­ лению прочности композита [131, 132]. Для этого использовали коль­ цевые образцы, полученные методом намотки. Испытания образцов на растяжение проводили по методу NOL. Каждый опыт повторяли не менее 5 раз. Результаты испытаний подвергли статистической об­ работке. Относительная средняя квадратическая ошибка экспери­ мента составила не более 3%. В табл. 2 представлены результаты ис­ пытаний.

Таблица 2

Значения критерия монолитности (М) и модуля упругости (£) при сдвиге композитов с различными связующими

478

Анализ таблицы показывает, что с увеличением модуля упруго­ сти критерий монолитности возрастает. Тип связующего выбирается на основании условия сплошности. Для создания монолитности тре­ буются прочные связующие, необходимо выполнение системы нера­ венств [130] (табл. 3).

Таблица 3

Зависимость упруго-прочностных параметров связующего от свойств арматуры

Актуальной проблемой повышения износостойкости полимер­ ных узлов трения является оптимизация физико-механических пока­ зателей композита, в пределах которых процесс трения характеризу­ ется минимальными устойчивыми значениями сил трения и интенсив­ ности изнашивания (рис. 7). Для ее решения разработана методика определения износостойких характеристик композита, которая пре­ дусматривает проведение фрикционных испытаний на машинах тре­ ния МИ-1 и СМТ по схеме вал - частичный подшипник при следую­ щих режимах трения: скорость скольжения V - 0,1; 0,2; 0,5 м/с; удель­ ное давление Р = 0,7; 1,0; 2,0; 3,0 и 5,0 МПа.

Выбор указанных материалов и режимов испытаний был обу­ словлен наибольшей изученностью их физико-механических свойств и широким применением в узлах трения, что соответствует диапазону использования полимерных материалов в узлах трения с относи­ тельно высоким фактором PV. Время испытания составляло 5 ч.

Из анализа данных, приведенных в табл. 3 и на рис. 7, видно, что минимальный износ наблюдается при значении критерия М 0,448 - 0,488. При дальнейшем увеличении критерия М интенсивность из­ носа начинает медленно возрастать. Наши исследования показали, что такой характер зависимости I от М можно объяснить тем, что в этих пределах связующее образует защитную пленку, которая защи­ щает контртело.

В процессе работы композита внешние нагрузки воспринима­ ются только частью армирующих элементов, а передача возникаю­ щих напряжений соседним волокнам происходит через связующее. Из этого следует, что при работе в тяжелонагруженных узлах трения необходимо выбирать такие компоненты армированной системы, работа которых должна обеспечивать повышенную жесткость, моно­ литность и прочность композита, а также хорошее антифрикционное свойство.

479

I , мг/км

Рис. 7. Влияние критерия М на интенсивность изнашивания (бесщелочное стекловолокно, Р = 2 МПа, К = 0,1 м/с)

В настоящее время существуют два подхода при расчете стекло­ пластиковых конструкций - феноменологический и структурный. Наиболее простым является феноменологический подход, основан­ ный на рассмотрении композита как монолитного материала с неко­ торым тензором приведенных упругих или вязкоупругих характери­ стик. Однако он может рассматриваться как приближенный из-за не­ совместимости (в смысле монолитности) свойств элементов стекло­ пластика. Структурный подход, предполагающий существенную ге­ терогенность свойств системы, позволяет более корректно произво­ дить расчет деформационно-прочностных свойств стеклопластика, поэтому он и будет использоваться в дальнейших расчетах.

T, + dT

Т2 + dT2

В качестве исследуемой модели была выбрана простейшая трех­ слойная модель (рис. 8), состоящая из двух прямолинейных арми­ рующих упругих элементов, жестких и тонких, к которым применима гипотеза прямых нормалей, и прослойки полимерного связующего. Ввиду того что в ориентированных стеклопластиках прослойка свя­ зующего очень тонка, порядка нескольких микрон, в первом при­ ближении ее можно рассматривать как тонкую пленку, в которой воз­ никают только касательные напряжения.

480