автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Научные основы метода контроля процесса разрушения композитов с использованием электромагнитного излучения

На правах рукописи

Черникова Татьяна Макаровна

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ МЕТОДА КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ КОМПОЗИТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 05.11.13. - приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 4 АПР 2014

005547656

Омск 2014

005547656

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева»

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Иванов Вадим Васильевич

Официальные оппоненты Вострецов Алексей Геннадьевич,

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет», проректор по научной работе;

Панин Сергей Викторович,

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт физики прочности и материаловедения» СО РАН, заместитель директора по научной работе, заведующий лабораторией полимерных композиционных материалов;

Поляков Виктор Владимирович,

доктор физико-математических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный университет», декан физико-технического факультета.

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Защита состоится «16» мая 2014 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, ауд. 8421.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет»

Автореферат разослан » ^^^й-е-2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета В .Л. Хазан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Широкое использование композиционных материалов в различных отраслях промышленности, особенно в условиях повышенного влияния разрушающих факторов, приводит к необходимости исследования их прочностных характеристик для контроля разрушения и предсказания ресурса долговечности.

Одним из перспективных методов исследования прочностных характеристик и разрушения композиционных материалов является метод, основанный на регистрации импульсного электромагнитного излучения (ЭМИ), возникающего при рождении и распространении трещин. Возможность использования этого метода для контроля разрушения требует его научного обоснования, создания необходимой теоретической и экспериментальной базы для лабораторных и промышленных исследований, а также научной интерпретации контролируемой информации.

Разработка методов контроля разрушения композитов требует также целенаправленных исследований механизмов и особенностей протекания процесса разрушения композиционных материалов, связанных с возникновением в них микротрещин и микродефектов.

Для понимания сложных процессов, происходящих при разрушении композитов, требуются измерения ряда параметров, в частности, количества образующихся микротрещин, скорости их распространения, кинетики накопления микроповреждений. Кроме того, необходим контроль множества сопутствующих параметров, таких как спектральный состав излучения, энергия активации разрушения и структурно-чувствительный коэффициент. Некоторые указанные измерения могут быть сделаны с использованием метода ЭМИ, но при этом отсутствуют исследования изменения энергии активации, струкгур-но-чувствительного коэффициента в процессе нагружения, хотя значения этих параметров характеризуют процессы изменения структуры композита, а, следовательно, могли бы быть использованы для контроля процесса разрушения.

Задача продления срока службы изделий из композиционных материалов без глубокого изучения механизмов их разрушения на микро- и макроуровне оказывается трудноразрешимой.

С этой точки зрения разработка научных основ метода контроля процесса разрушения на основе импульсного электромагнитного излучения является актуальной задачей, так как способствует развитию неразрушаю-щих методов контроля, повышению качества продукции, увеличению безопасности труда и увеличению срока службы различных объектов из композиционных материалов.

Цель работы - разработка научных основ метода контроля разрушения композиционных материалов на базе импульсного электромагнитного излучения, обеспечивающих прогноз долговечности и повышение качества продукции из композиционных материалов.

Идея работы заключается в использовании установленных закономерностей импульсного электромагнитного излучения композиционных материалов на различных этапах нагружения для контроля процесса разрушения.

Задачи исследований:

- разработать теоретическую модель накопления микроповреждений и импульсного электромагнитного излучения композиционных материалов;

-выявить основные физические механизмы электризации микротрещин в композиционных материалах;

- развить основы спектральной теории импульсного электромагнитного излучения при разрушении композиционных материалов;

- разработать термодинамическую теорию устойчивости неравновесных состояний в очаге разрушения композиционных материалов с учетом накопления микротрещин;

- исследовать влияние состава, способа изготовления и режима нагружения на кинетику накопления импульсов ЭМИ и кинетические константы разрушения композиционных материалов;

- разработать метод и лабораторную измерительную систему контроля процесса разрушения и прогноза долговечности композиционных материалов на основе регистрации ЭМИ микротрещин.

Объектом исследования является процесс разрушения композиционных материалов.

Предметом исследования является метод контроля процесса разрушения композиционных материалов по параметрам импульсного электромагнитного излучения.

Методы исследования:

- анализ и обобщение научно-технической информации по методам контроля разрушения и исследования кинетики разрушения композиционных материалов;

- использование для разработки научных основ кинетической теории усталостной прочности и долговечности композиционных материалов концепции прочности твердых тел акад. РАН С.Н. Журкова, теории размерностей и подобия, физики прочности композиционных материалов, физической кинетики, механики разрушения;

- экспериментальные исследования разрушения композитов по параметрам импульсного электромагнитного излучения, возникающего при нагруже-нии образцов;

- методы математической статистики для статистической обработки результатов эксперимента с использованием компьютерных технологий.

Научные положения, выносимые на защиту:

- разработанная кинетическая модель разрушения композиционных материалов, включающая в себя нечувствительное к масштабу разрушения скорректированное кинетическое уравнение прочности С.Н. Журкова, концентрационный критерий разрушения, условие необратимости разрушения и темпе-

ратуру размягчения, может служить теоретической основой для контроля процесса разрушения и прогноза долговечности композиционных материалов;

- основными механизмами электризации трещин в композиционных материалах, позволяющими объяснить возникновение импульсного электромагнитного излучения при нагружении композитов, являются механизмы контактной электризации, пьезоэффект и дилатационное взаимодействие точечных дефектов структуры с неравновесным механическим полем движущейся трещины;

- предложенная спектральная теория импульсного электромагнитного излучения позволяет объяснить связь параметров ЭМИ с механическими и электрическими свойствами композиционных материалов; при этом рост размеров возникающих трещин приводит к смещению спектров ЭМИ в область низких частот, составляющих 0,2-0,3 от частоты, обратной времени релаксации зарядов на их берегах, а основная частота в линейчатом спектре излучения трещин зависит от их критической концентрации в объеме композита и кинетических констант разрушения материала;

- термодинамическая теория устойчивости неравновесных состояний в очаге разрушения показывает, что очаг разрушения композиционных материалов как открытая неравновесная система может находиться в устойчивом состоянии по отношению к малым изменениям температуры, действующим напряжениям (деформациям), внутренней энергии и поверхности разрушения в случае, если второй дифференциал энтропии очага разрушения отрицателен, а первая производная по времени от второго дифференциала энтропии не отрицательна, т.е. является знако-постоянной функцией приращений координат системы;

- энергия активации разрушения и структурно-чувствительный коэффициент зависят от состава, технологии изготовления, способа нагружения и величины приложенного напряжения; структурно-чувствительный коэффициент уменьшается при увеличении нагрузки, а энергия активации растет;

- разработанный метод контроля процесса разрушения композитов реализован на лабораторной измерительной системе, которая позволяет регистрировать в реальном масштабе времени кинетику накопления микротрещин и на этой основе программными средствами определять кинетические константы разрушения, частотный состав ЭМИ и стадийность разрушения композитов в процессе их нагружения.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций базируются на:

- использовании апробированных методов классической механики хрупкого разрушения, физики прочности полимерных композиционных материалов, физической кинетики, теории размерностей и подобия, тензорного анализа, термодинамики необратимых процессов, методов статистического анализа и обработки экспериментальных результатов;

- экспериментальной проверке основных моделей и положений теории в лабораторных условиях и удовлетворительном соответствии теоретических представлений и результатов эксперимента;

- использовании апробированных методов теории случайных процессов и статистического анализа, а также вычислительной техники для проверки адекватности предложенных моделей экспериментальным данным.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней:

- предложена кинетическая модель накопления микроповреждений структуры композиционных материалов, опирающаяся на кинетическую теорию С.Н. Журкова, включающая кинетические константы разрушения материала как линейные функции температуры и применимая к любым масштабным уровням разрушения;

- выявлены основные физические механизмы электризации микротрещин, позволяющие объяснить возникновение импульсного электромагнитного излучения при нагружении композитов;

- предложена спектральная теория импульсного электромагнитного излучения, позволяющая объяснить связь параметров ЭМИ с механическими и электрическими свойствами композиционных материалов и микротрещинами;

- разработана термодинамическая теория устойчивости необратимых процессов в очаге разрушения твердых тел как в открытой неравновесной системе с учетом накопления микротрещин, получен универсальный критерий эволюции очага разрушения, определяющий направление его эволюции в зависимости от скорости изменения основных термодинамических координат очага;

- установлено влияние способов изготовления и состава полимерных композитов на кинетические константы их разрушения, определяемые по параметрам ЭМИ;

- изучены статистические свойства кинетического процесса накопления микроповреждений структуры полимерных композиционных материалов в различных режимах нагружения и показано, что этот процесс на последней стадии не является марковским;

- получена количественная связь между амплитудой напряжений при асимметричном циклическом нагружении и числом циклов до полного разрушения полимерных композиционных материалов, учитывающая частоту циклического процесса;

- разработан экспресс-метод прогноза долговечности полимерных композитов на основе регистрации импульсного электромагнитного излучения при зарождении трещин, позволяющий оценивать долговечность композитов при любых неизотермических режимах циклического нагружения;

- разработан метод контроля процесса разрушения композиционных материалов, заключающийся в том, что по изменению энергии активации, структурно-чувствительного коэффициента и частотного состава ЭМИ можно определять стадийность процесса разрушения фенопластов и углепластиков;

- разработана система контроля процесса разрушения композиционных материалов на основе персональной ЭВМ, регистрирующая в реальном масштабе времени параметры импульсной электромагнитной эмиссии при их на-гружении.

Личный вклад автора заключается в формулировке задач исследований, разработке проблемы в целом, в личном участии и выполнении теоретических и экспериментальных исследований и анализе их результатов; в формулировке всех выводов, положений, закономерностей, описанных в диссертации; личном участии в разработке метода и системы контроля процесса разрушения композитов на основе регистрации ЭМИ.

Научное значение работы заключается в разработке научных основ метода контроля процесса разрушения композитов по параметрам импульсного электромагнитного излучения, которые могут быть использованы как теоретическая база для создания новых методов контроля разрушения различных материалов; в установлении закономерностей электромагнитного излучения композитов, находящихся под нагрузкой, закономерностей изменения энергии активации разрушения и структурно-чувствительного коэффициента, определяемых по параметрам ЭМИ, которые способствуют расширению представлений о механизме генерации импульсного электромагнитного излучения композитов и углублению знаний о действии механического нагружения на материалы.

Практическое значение работы определяется возможностью использования полученных результатов и предложенного метода для контроля стадий разрушения на основе изменения кинетических констант композиционных материалов и частотного состава ЭМИ, а также в возможности прогнозирования ресурса долговечности композитов.

Применение полученных результатов при разработке системы контроля процесса разрушения композиционных материалов позволяет повысить качество продукции, увеличить безопасность труда и срок службы различных техногенных объектов.

Полученные в диссертации результаты рекомендуется использовать для разработки на их основе неразрушающих бесконтактных экспресс-методов и систем контроля разрушения с построением конкретных методик прогнозирования разрушения по результатам регистрации импульсного электромагнитного излучения нагруженных материалов.

Основные положения диссертационной работы вошли составной частью в «Методические рекомендации по изучению кинетики разрушения композитных материалов на основе регистрации параметров импульсного электромагнитно излучения при их нагружении». Данные рекомендации применяются при выполнении исследований композитов в Институте углехимии и химического материаловедения СО РАН (г. Кемерово).

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Результаты работы использованы при разработке системы измерений для изучения физико-механических свойств углепластиков по контракту с Ин-

статутом химии твердого тела и механохимиии СО РАН при выполнении научно-исследовательской работы «Разработка метода, оборудования и изучение динамики разрушения композитов на основе анализа электромагнитной эмиссии» в рамках Федеральной целевой программы Министерства промышленности и торговли РФ «Разработка, восстановление и организация производства стратегических, дефицитных и импортозамещающих материалов и малотоннажной химии для вооружения, военной и специальной техники на 2009-2011 годы и на период до 2015 года».

На основе проведенных исследований разработаны способы определения долговечности композиционных материалов при циклических нагрузках (пат. № 2145416, пат. № 2439532).

Научные результаты используются в учебном процессе в Кузбасском государственном техническом университете при изучении курса «Механика разрушения».

Апробация работы. Работа и отдельные ее части докладывались и получили одобрение на I научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (Сибресурс 95)" (Кемерово, 1995); III Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем" (Йошкар-Ола, Казань, Москва, 1996); VI Международной конференции по химии и физико-химии олигомеров (г. Черноголовка, 1997); VI Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин" (г. Нижний Новгород, 1999); Международных научно-технических конференциях "Композиты - в народное хозяйство России" (г. Барнаул, 1995, 1997, 1998, 1999); на Международном симпозиуме Восточно-азиатских стран по полимерным композиционным материалам и передовым технологиям «Композиты XXI века» (Саратов, 2005); XIII Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» (Нижний Новгород, 2005); Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, автоматизация» (Барнаул, 2006); Международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития'2007» (Одесса, 2007); Международных научно-практических конференциях «Измерения в современном мире-2009» (Санкт-Петербург, 20Q7, 2009); XII, XIII Международных научно-практических конференциях "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири." (Кемерово, 2008, 2010, 2012); VI, VII, VIII, IX Международных научно-практических конференциях «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах» (Кемерово, 2005,2007, 2009, 2011,2013).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 52 работы, в том числе 11 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента на изобретения, 2 монографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 разделов и заключения, изложенных на 319 страницах, содержит 101 рисунок, 36 таблиц, список литературы из 202 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, определены научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведена краткая характеристика работы.

В первой главе приводится обзор имеющихся к настоящему времени результатов исследования процесса разрушения композитов, методов контроля процесса разрушения и прогноза долговечности материалов.

Анализ литературных данных показал: несмотря на то, что количество элементарных механизмов разрушения, составляющих физическую картину повреждения композитов, невелико (растрескивание связующего, межслой-ное расслоение, отслоение волокна и матрицы, разрыв и местная потеря устойчивости волокна), завершенная механическая модель, описывающая накопление, взаимодействие и распространение повреждений вплоть до исчерпания несущей способности композита посредством перечисленных локальных актов разрушения, не создана даже применительно к статическому нагружению.

Кинетическая модель С.Н. Журкова является наиболее универсальной моделью элементарного акта разрушения и перехода процесса накопления микроповреждений структуры материалов на стадию макроскопического разрушения. Но отсутствие систематических исследований этой проблемы препятствует её широкому использованию при контроле разрушения и прогнозе долговечности композитных материалов в сложных условиях нагружения. Основным препятствием на пути решения проблемы контроля процесса разрушения и прогноза долговечности композитных материалов является отсутствие простого и надежного метода определения кинетических констант разрушения.

Проведенный анализ показал, что существует множество методов исследования накопления ми1фоповреждений: метод масспектроскопии; механо-эмиссии электронов; рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами (РРМУ); ультразвуковой; акустической эмиссии; электромагнитного излучения (ЭМИ). Применение этих методов для контроля процесса разрушения и оценки долговечности нередко связано с необходимостью больших временных и финансовых затрат. Некоторые методы не безопасны для обслуживающего персонала (например, с использованием рентгеновских лучей). Поэтому с целью сокращения трудоёмкости работ, сокращения времени и финансов, необходимо развивать бесконтактные экспресс-методы контроля, не требующие внедрения в объем материала.

Развитие методов контроля процесса разрушения, основанных на регистрации импульсного электромагнитного излучения (ЭМИ), является в связи с этим актуальной задачей.

Метод исследования накопления микроповреждений с использованием регистрации импульсного ЭМИ выгодно отличается от других методов тем, что позволяет исследовать кинетику накопления микроповреждений без кон-

такта с материалом; не требуется внешний источник возбуждения, поскольку источники ЭМИ находятся в самом материале. Метод ЭМИ является очень информативным, обладает высокой разрешающей способностью, поскольку скорость распространения сигнала ЭМИ равна скорости электромагнитной волны, что позволяет разделить сигналы от отдельных трещин.

Метод позволяет регистрировать отдельные импульсы ЭМИ, определять их форму, длительность, амплитуду, регистрировать в реальном масштабе времени кинетику накопления Микротрещин. Однако не исследованы ни механизмы ЭМИ, ни изменение кинетических констант в процессе нагру-жения в композитах данным методом. Практически не изучены статистические закономерности ЭМИ при испытаниях композитов на длительную и усталостную прочность. Весьма малочисленны литературные источники, в которых исследуется импульсное электромагнитное излучение композитов при циклических нагрузках.

Поскольку метод позволяет исследовать кинетику возникновения микротрещин, появляется возможность использовать данный метод для контроля процесса разрушения композиционных материалов.

Электромагнитное излучение композиционных материалов регистрируется в очень широком спектральном диапазоне: 10 - 107Гц. В связи с этим следует вывод, что не существует единственного элементарного механизма генерации излучения. Поэтому для понимания процессов, протекающих при деформировании и разрушении композиционных материалов, а тем более для построения последовательной теории электромагнитных процессов при их на-гружении, необходимо выяснить механизмы возникновения заряда на берегах образующихся трещин.

Последовательная спектральная теория импульсного электромагнитного излучения композиционных материалов, которая позволила бы установить качественную и количественную связь между параметрами импульсов ЭМИ и механическими характеристиками композиционных материалов, отсутствует.

Для построения научных основ метода контроля разрушения композиционных материалов важным является изучение основных термодинамических параметров очага разрушения и формулировка критериев его устойчивости на разных этапах его эволюционного развития, поскольку очаг разрушения с точки зрения термодинамики необратимых процессов может рассматриваться как неравновесная открытая система, которая в процессе своей эволюции за счет внешних сил и теплообмена с окружающим очаг материалом проходит ряд стадий развития.

Проведение подобных исследований способствовало бы развитию методов контроля разрушения, позволило бы проводить более точный и достоверный контроль состояния материалов в конструкциях при возникновении в них повреждений и опасных дефектов.

При использовании для контроля процесса разрушения импульсного ЭМИ важным является вопрос автоматизации процесса регистрации парамет-

ров сигналов ЭМИ, их программной обработки, а также научной интерпретации контролируемой информации.

Для исследования статистических закономерностей фрактальных структур, каковыми являются трещины, в последнее время используется херстов-ская статистика. Поэтому проведение экспериментальных исследований по прямому наблюдению кинетики накопления повреждений с целью определения показателя Херста представляется перспективным.

Таким образом, на основе анализа литературных источников сделан вывод об актуальности развития научных основ метода контроля процесса разрушения композиционных материалов с использованием электромагнитного излучения и применения их для разработки измерительной системы контроля процесса развивающегося разрушения.

В заключении первой главы на основе анализа рассмотренных работ сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены механизмы электризации композиционных материалов при возникновении и распространении трещин.

Разрушение структуры композиционных материалов при механическом нагружении представляет собой неравновесный необратимый термодинамический процесс, при котором возникает целый ряд вторичных явлений: электронная эмиссия, электромагнитное излучение в широком диапазоне частот - от инфракрасного до рентгеновского спектра излучения, распространение акустических волн и другие явления. При этом наиболее важными являются электризация материала и релаксация возникающего электромагнитного поля при рождении и распространении трещин.

Вместе с тем следует отметить, что до настоящего времени, несмотря на большой объем работ, посвященных полимерным композиционным материалам, слабо изучены наиболее вероятные механизмы электризации трещин и связь параметров их электромагнитного излучения с механическими характеристиками композитов: вязкостью разрушения, модулем упругости, плотностью и рядом других параметров.

Особый интерес при изучении разрушения композитов и электромагнитного излучения при распространении в них трещин представляют явления контактной электризации, так как композиционные материалы являются гетерогенными структурами, состоящими из смолы и частиц наполнителя. Разрушение композитов может приводить к разделению двойных электрических слоев на границе наполнителя и связующего, что приводит к образованию зарядов на поверхности трещин и остаточным явлениям после разрушения.

Рассматривая механизм образования двойного электрического слоя при соприкосновении двух твердых тел, предложенный Л. Лёбом, и связывая раскрытие трещины с вязкостью разрушения, проведена оценка возникающей поверхностной плотности зарядов вблизи вершины трещины по выражению

s = ££0^м

Uñ —

яап

Г

4zeKIc M 2a г

и

kW+кТ \ъ— си

V ^ J

где ze- заряд диффундирующих катионов, Ем - модуль Юнга; К/с - вязкость разрушения отрывом; 2а0 - стартовый размер зародышевой трещины; 2а -линейный размер трещины в процессе ее распространения; г- расстояние от вершины трещины, с", с2" - концентрация ионов на поверхности первого и второго тела соответственно; eso - диэлектрическая проницаемость; A W -разность работ выхода однотипных ионов, к - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

Для порядковой оценки величины возникающей плотности зарядов,

полагая с^ = С^, и учитывая, что разность работ выхода ионов А Ж

может меняться от 0,2 до нескольких эВ, а толщина двойного слоя составляет несколько десятков ангстрем, получена оценка возникающей по-

верхностной плотности зарядов SQ = 10 -И 0"'

Кл/м2.

Другим наиболее вероятным механизмом электризации трещин является механизм электризации за счет неравновесной диффузии точечных дефектов структуры - ионов внедрения и заряженных вакансий. Поскольку данный механизм тесно связан с пьезоэлектрическими свойствами композиционных текстур, рассматривая совместное их влияние на зарядовое состояние трещины в рамках линейной модели диффузии и используя для определения линейной плотности заряда трещин нормального отрыва выражения, полученные в работах В.В. Иванова, Д.В. Алексеева, была оценена величина линейной плотности зарядов и дипольного момента (на единицу длины фронта трещины).

0?°-

p{d) rxvI

gg0Q ze

ijEMcrc ~10-13 Кл/м;

Q¡

(d)

CeZ

2 Л

D

10

-17

Кл;

f \'/2 Члг

D

£Sq Q

'10-13-fl0-14 Кл/м;

p(n) ,

v

V

D

ssSl

<10-14-=-10-15 Кл.

где заряд на единицу длины фронта трещины, Рх/,1- дипольный момент на единицу длины фронта трещины в продольном направлении, О - дилатация решетки при наличии катионной вакансии, ас - предел текучести, и2 -раскрытие трещины, се - скорость распространения упругих волн, х -дебаевский радиус экранирования, £> - коэффициент самодиффузии дефектов, ¿, - пьезомодуль, индексы "<я?" и "и" обозначают вклады в плотности заряда, обусловленные дилатационным взаимодействием и пьезоэф-фектом соответственно. Для оценки использованы типичные значения характеристик композитов (фенопластов): Б ~ 10'" м2/с; С2 ~ 10"29м3; гг ~ 10'" Кл; ^ ~ Ю"9 м ; 4 ~ Ю"14 +10'15 Кл/Н; се = и ~ 103 м/с; ст, ~ 107 Па; Ем ~ 109 Па.

Из проведенных оценок линейной и поверхностной плотности заряда в вершине трещины сделан вывод, что наибольший вклад в электризацию трещин при разрушении композиционных материалов вносят механизмы контактной электризации, пьезоэффект и дилатационное взаимодействие точечных дефектов структуры с неравновесным механическим полем движущейся трещины.

В третьей главе приведена теоретическая модель накопления микроповреждений структуры в композиционных материалах.

В качестве кинетической модели формирования очага разрушения и накопления микроповреждений использовалась модель, включающая уравнение С.Н. Журкова для скорости трещинообразования, концентрационный критерий разрушения и условие необратимости разрушения Бейли, позволяющая описывать накопление повреждений структуры при произвольной зависимости действующих напряжений от времени ег = ег ^.

Однако этой модели присущи некоторые существенные недостатки, главными из которых являются узкий температурный диапазон и отсутствие в модели масштабной зависимости времени до разрушения испытываемых образцов от их размера.

Расширить температурный диапазон модели позволяет учет зависимости кинетических констант разрушения от температуры:

и0 = и0(\-т/тт)

9

у=у(1-Т/Тт),

где и0, у , - энергия активации разрушения и структурно-чувствительный коэффициент, Т - температура эксперимента, К; Тп - температура, близкая к температуре размягчения композиционных материалов на основе фенолофор-мальдегидных смол.

Для учета масштаба разрушения были использованы основные представления теории размерностей и подобия. Получен масштабный коэффициент для перехода от одного уровня к другому {Ьс = 104/3 5 21,5 ).

Получено, что кинетическая модель накопления повреждений структуры композитов для сложных неизотермических условий нагружения имеет следующий вид:

И*

(МО-^о) кТ

(1)

{Ы* IV)

-1/3

■ = е,

(2)

Лг*

о г0

кТ

(3)

где N (?) - скорость трещинообразования; Ы* - критическое количество трещин с размером I на ¡-том масштабном уровне разрушения; V- объем очага разрушения, тп = 10'ь с - период тепловых колебаний атомов, к - постоянная Больцмана; <т (/) - приложенное напряжение, / — время.

Первое уравнение (1) представляет собой скорректированное кинетическое уравнение С.Н. Журкова для скорости трещинообразования, уравнение (2) есть концентрационный критерий разрушения, а уравнение (3) - условие необратимости накопления повреждений структуры материала.

Кинетическая модель (1) - (3) нечувствительна к масштабному уровню разрушения, а кинетические константы 1/0 и у , найденные на образцах для соответствующего (в данном случае - пятого) масштабного уровня разрушения, могут быть использованы в аналогичных условиях нагружения (объемное, одноосное сжатие-растяжение) для контроля и прогноза разрушения на любом иерархическом уровне.

Для циклического нагружения с постоянной скоростью нагружения-разгрузки полное число циклов до разрушения образца (долговечность) можно определить из выражения

ГоЬеГ<Гл/. кТ

пч =-^-ехР

КкТу

[ехр(^сгА / кТ) -1], (4)

где f - частота нагружения, Гц ; <7^ - амплитуда меняющегося напряжения, Па.

По кинетической кривой накопления микротрещин можно найти кинетические константы разрушения У, О0 для каждого испытываемого образца. Константы находятся из решения системы нелинейных уравнений

ШЛГ.-Щ

--х

а-(1-ехр(а-(,))

= 0

/?= 1п

1 г0 J п

V а

Из данных уравнений найдутся параметры а и /?, где

а = у&1кТ ; /3 = 1101кТ, а по ним - энергия активации разрушения и структурно-чувствительный коэффициент

и0 = РкТ, у -акТ!& .

(5)

Здесь <т — скорость изменения приложенного напряжения; - число импульсов ЭМИ (микротрещин), зафиксированных на интервале t¡

Алгоритм решения данных нелинейных уравнений был реализован на ЭВМ и позволяет находить кинетические константы разрушения в процессе нагружения образца вплоть до его полного разрушения.

Температура размягчения Тт и значения кинетических констант разрушения композитов у,1/0 для абсолютного нуля температуры определятся из выражений:

ип =

У 5 \ ^ У 5 Л

ЕВД - Х^ш [Е^

чм л 1=1

V г=1

( 5 Л /

( $ \ IX2

0=1 У

~(* Л 4.1=1 г \ Й2 У

¿=1 ($ \ и=1 У (5 V Е^о/ Л

-т,/тт)

г = м_;

¿(1 -Т{!Тт)2 ;=1

где 5 - число испытаний образцов при различных температурах 7]; (/0, у -

кинетические константы разрушения, экстраполируемые для абсолютного нуля температуры.

Таким образом, кинетическая модель накопления микроповреждений структуры композитных материалов и импульсного электромагнитного излучения, включающая в себя кинетическое уравнение для скорости микротре-щинообразования С.Н. Журкова - С.Б. Ратнера, нечувствительна к масштабу разрушения и применима к образцам материалов любых линейных размеров.

В четвертой главе приводится термодинамическая теория устойчивости равновесия и стационарных состояний очага разрушения композитов.

С точки зрения термодинамики необратимых процессов очаг разрушения может рассматриваться как неравновесная открытая система, которая в процессе своей эволюции за счет внешних сил и теплообмена с окружающим очаг материалом проходит ряд стационарных устойчивых этапов развития. Причем переход от одного этапа к другому происходит скачкообразно под влиянием изменений внутренних экстенсивных и интенсивных параметров системы, накапливающихся в процессе эволюции очага. Завершающая стадия - собственно разрушение, представляет собой очередной этап эволюции данной системы, характеризующий переход материала в новое устойчивое состояние под-влиянием внешних и внутренних факторов в процессе эволюции рассматриваемой системы. Поэтому задачей термодинамики очага является получение критериев устойчивости на разных этапах эволюции очага как открытой неравновесной системы и описание основных параметров, ответственных за внутренние качественные изменения системы. Одним из таких экстенсивных параметров, который характеризует качественные необратимые изменения в системе, является ее энтропия. Известно, что производство энтропии в необратимых процессах внутри системы является положительной величиной, а второй дифференциал энтропии системы характеризует устойчивость равновесия на разных этапах ее эволюции.

Рассмотрена эволюция очага разрушения в нагружаемых композитах, полагая, что при накоплении и быстром распространении микротрещин имеет место локальное равновесие малых объемов поверхности разрушения и частей объема вследствие того, что микроскопические части системы приходят в равновесное состояние значительно раньше, чем устанавливается равновесие между ними. Поэтому можно говорить о температуре, химическом потенциале и других термодинамических параметрах очага.

Тогда уравнение Гиббса в приращениях координат системы примет вид

8г,=т + ацбе9-2узфф& (6)

где ев - внутренняя энергия единицы объема очага; о у, в у - компоненты тензора напряжений и деформаций; 5- энтропия единицы объема очага; уэфф -эффективная поверхностная энергия разрушения; ¿Е - приращение поверхностей разрушения в очаге.

По правилу Эйнштейна по повторяющимся индексам г и ]' производится суммирование.

Используя (6) и соотношения теории упругости, получено выражение для второго дифференциала энтропии:

S2S = -—

Ц8Г)2 +K(S0)2 +2GSeCij Ssc,-2

эфф

8Z

№

<0.

(7)

или

S2S< 0

где Cs- теплоемкость при постоянной деформации; К - объёмный модуль упругости; G - модуль сдвига; 0 — £и - объёмная деформация; - деформация чистого сдвига.

Достаточным условием устойчивости равновесного состояния очага разрушения является неравенство S2S < 0, которое свидетельствует о том, что в состоянии устойчивого равновесия энтропия в очаге достигает своего максимального значения. Устойчивость очага как неравновесной термодинамической необратимой открытой системы на разных стадиях накопления микротрещин определяется на основе второго дифференциала энтропии как функции A.A. Ляпунова, причем знак S2S < 0 определяет знак > 0 в достаточном условии устойчивости очага разрушения в момент t=t0\

— {S2S)t >0 . dt 0

Индекс Г0 означает, что при дифференцировании коэффициенты квадратичной формы (7) остаются теми же, что и момент времени ?0•

Из (8) с учетом (6) и (7) можно получить универсальный критерий эволюции очага разрушения в виде

где Р - производство энтропии в системе; IV^ компонента теплового по-

То есть очаг разрушения композитных материалов как открытая неравновесная система может находиться в устойчивом состоянии по отношению к малым изменениям температуры, действующим напряжениям (деформациям), внутренней энергии и поверхности разрушения в случае, если второй дифференциал энтропии очага разрушения отрицателен, а первая производная по времени от второго дифференциала энтропии не отрицательна, т.е. является знако-постоянной функцией приращений координат системы.

Данный критерий вытекает лишь из допущения о наличии локального равновесия в очаге разрушения и не накладывает никаких ограничений на величины первых производных по времени от параметров очага. Общий критерий эволюции (9) указывает направление процесса эволюции очага в зависимости от изменения интенсивных параметров очага, включая и скорость мик-ротрегцинообразования. При рассмотрении эволюции очага необходимо знать точки перехода системы из одного стационарного состояния в другое, в которых система ведет себя хаотичным образом (точки бифуркации). Именно в этих точках эволюция системы в зависимости от малых флуктуаций её параметров может пойти в дальнейшем качественно различными путями.

В пятой главе приведены основы спектральной теории импульсного электромагнитного излучения при возникновении трещин.

На основе представлений о генерации импульсного ЭМИ самой трещиной при движении ее заряженных берегов предполагается, что форма импульса ЭМИ обусловлена ростом диполыюго момента при раскрытии трещины. Для дипольного момента трещины Р(0 получено выражение:

+2/эфф

(9)

тока; Г,у 1 =дТ Х!дх^ х-- декартова координата.

Ая(\-у)атр50{ут )3 _

где а=а(()/итр - приведенный радиус трещины в процессе её роста;

<ттр- критическое напряжение по Гриффитсу, при котором трещина начинает распространяться; и - скорость распространения трещины; 8о - плотность поверхностного заряда на берегах трещины; V - коэффициент Пуассона; тр — время релаксации заряда на берегах трещин; / - время.

Таким образом, рост дипольного момента и заряда в вершине трещины в процессе движения и релаксации зарядов после остановки обуславливают форму импульсов радиоизлучения при распространении трещины.

Форма импульса, обусловленного ростом дипольного момента трещины, имеет вид, изображенный на рис. 1.

Е/Ет

Рис. 1. Форма импульса ЭМИ при погружении композитов

Релаксация заряда в вершине трещины происходит непрерывно в процессе её распространения. При этом время релаксации заряда определяется выражением

К ]1

О^аМ-у2)

(П)

где ар - межатомное расстояние; 2а0 - стартовый размер зародышевой трещины; Л, - удельная электрическая проводимость материала; еей - диэлектрическая проницаемость материала.

Преобразуя электрическую и магнитную составляющую излучения от дипольного момента трещины (10) с помощью интеграла Фурье, получим сплошные спектры ЭМИ отдельных трещин:

кв(®)|2~

М®)| -

1 -2{со2тн /тр~тн/тр+ 2)со 8ш(<атн/тр) (1 + ®2)2

г2/1 , —2\2/—2 —2\ -2 2 2~' <<;1)>

аГО + йГ) С® +Ш;)туелв{

2 2 2

£2 е\со2{со +о)р)

2(1 + 2 Ш2тн1тр-Ш2) (1 + ю2)2

соб(£У гн / г,) + (1 + а? 2гй2 / г2)

(«тах »0,

где |а£(«а)|2 — квадрат модуля спектральной плотности электрической составляющей излучения; атах — максимальный приведенный радиус трещины после

_ Л _ , 03 ч ее остановки; <а„ = (—) =-—; со = ; т, - время жизни заряда в мате-

тэ Тр

риале, Тр - время релаксации заряда на берегах трещин.

Для магнитной составляющей:

—Ч|2 2у2у1(\-со$сотн1т )

ая(®) -

Ш2{ 1 + Ш2)2

» («тах « !)

2

1 со2{\ + Ш2)

1 + (1 + а1у + 2(аГ -1)соъ(ттн /тр)--4Ш5т(Штн/тр)

,(атв »1),

где |ая(й>)| — квадрат модуля спектральной плотности магнитной составляю-

щей излучения; ух = -

Аяа{\-у)8й{от р)

в

р) со$6 ■ П1Л 2

2пг

а - напряжение, действующее на образец; г- сферические координаты диполя; г - расстояние от начала координат (где находится вершина трещины) до точки приема.

На рис. 2 изображены кривые приведенных квадратов спектральных плотностей электрической (кривые 1 - 4) и магнитной (кривые 5, 6, 7) составляющих излучения.

Рис. 2. Спектры импульсов радиоизлучения одиночных трещин: 1,2,5,6 -спектры электрической (1,2) и магнитной (5,6) составляющей излучения для малых приведенных размеров трещин(атах = ТИ / Тр «I); 3 - спектр электрической составляющей излучения для атах =20, тр !тз =100; 4 - спектр электрической составляющей излучения для атах =10, тр /г3 = 10/ 5 - спектр магнитной составляющей излучения для атах = 0,1; 6 - спектр магнитной составляющей излучения для атах = 0,01; 7 - спектр магнитной составляющей

излучения для ат!а. —25

Из приведенного рисунка видно, что с увеличением размеров трещин спектральные плотности смещаются в область низких частот, составляющих

(0,2-0,3)^"', где частота У~Тр] определяется временем релаксации зарядов на

берегах трещин (11).

В действительности микротрещины возникают почти периодически со средней частотой, превосходящей на отдельных этапах разрушения 10 имп/с. В этом случае спектр излучения становится не сплошным, а линейчатым.

Пользуясь статистической теорией генерации трещин, можно вычислить основную частоту и получить линейчатые спектры излучения. Поскольку частота процесса возникновения трещин определяется формулой

сУ = (с*К/т0)ехр

уст-Ц о кТ

то среднее время между двумя актами рождения трещин в единице объема материала найдется по формуле

сА =(г0/с*)ехр

*

где с - предельная концентрация трещин, определяемая в соответствии с концентрационным критерием разрушения по размеру рождающихся трещин, V-объем зоны разрушения; с - скорость генерации трещин в единице объема.

Таким образом, основная частота линейчатого спектра излучения из единицы объема материала равна:

кТ

2жс ¿y, --ехр

/о--U о кТ

Линейчатые спектры радиоизлучения трещин возникают вследствие рождения трещин в зоне очага разрушения с определенной частотой, обусловленной кинетическим уравнением С.Н.Журкова.

В результате проведенных исследований получена связь параметров электромагнитного излучения (N, <р, г „,тр)с механическими и электрическими свойствами композиционных материалов (а0, V, N*, Uq, у, д0:).

В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований особенностей импульсного ЭМИ при разрушении композиционных материалов на основе фенолоформальдегидных смол и различного типа наполнителей, а также углепластиков. Исследовались порошковые фенопласты Т214, 0203, Т250, Т266, Т110, 0122, текстолиты ПТК, ПТМ, ГТГН и углепластики КИМФ, ГСП, АРВУ.

Исследования образцов композиционных материалов проводились на установке, позволяющей регистрировать импульсы электромагнитной эмиссии длительностью от 0,1 мкс до 100 мс, записывать их форму, определять характеристики каждого отдельного импульса, время нарастания, время релаксации зарядов, считать полное число импульсов за определенный промежуток времени, записывать диаграмму нагружения, отслеживать кинетику процесса накопления повреждаемостей структуры на основе счета импульсов электромагнитной эмиссии.

Типичные кинетические кривые накопления числа импульсов для фенопластов и углепластиков приведены на рис. 3, рис. 4.

юО!

Ш11

100 300 500 700 900 1100

Рис. 3. Кинетика накопления импульсов ЭМИ в фенотасте Т266

Рис. 4. Кинетика накопления импульсов ЭМИ в углепластике АРВУ

При анализе экспериментальных данных по кинетике накопления импульсов ЭМИ установлено, что электромагнитное излучение сопровождает процесс нагружения от начала вплоть до разрушения для всех исследованных образцов как при сжатии, растяжении, так и при циклических нагрузках.

При этом экспериментальные кинетические зависимости для различных типов образцов подчиняются уравнению С.Н. Журкова. Сплошная линия на рис.3, рис.4 - теоретическая зависимость.

Поскольку генерация импульсов электромагнитного излучения происходит вследствие движения заряженных берегов распространяющейся трещины и движущегося заряда в её вершине, по параметрам импульсов ЭМИ были определены скорость прорастания трещины (и) и её размеры (I) (табл.1).

Средняя скорость распространения трещин в образцах находилась из выражения

о=Ыг ,

/ нр

где И. - размер магистральной трещины разрушения; тнр - время нарастания фронта импульса электромагнитной эмиссии, зарегистрированного в момент раскола образца.

Размеры микротрещин Ь, накапливаемых в процессе нагружения образцов, определялись по выражению

Ь=о-тн ,

где гИ - время нарастания фронта импульсов, регистрируемых на ранних стадиях нагружения (до полного разрушения).

Кроме того, размеры образующихся микротрещин (Ьтеор) получены также из концентрационного критерия разрушения (2) на основе измерения количества импульсов при нагружении (табл. 1).

По параметрам импульсов ЭМИ были рассчитаны поверхностная плотность заряда на берегах трещины вблизи её вершины и линейная плотность заряда (табл.1).

Амплитуда импульсов ЭМИ, наблюдаемых в процессе эксперимента, определяется потенциалом поля ср, создаваемого диполем и/или зарядом в вершине трещины. Поверхностная плотность заряда на берегах трещины вблизи её вершины рассчитывалась по формуле:

8 _2££0Яр2в(р^ 0 (1-у)аЬ3

где С - модуль сдвига; Яр - расстояние от диполя до точки регистрации потенциала {Яр ~ 10 "2 м).

Оценка величины линейной плотности заряда <2 была проведена по формуле:

gj.se0Яр(р .

В табл. 1 для образцов текстолитов указано направление приложения нагружающего напряжения: вдоль или поперек расположения волокон (для Слоистых композитов). Способ изготовления: П — образец, изготовленный прессованием, ЛВ - литьевым способом с веерным заполнением формы, ЛТ -литьевым способом с торцевым заполнением формы.

Проведено исследование изменения энергии активации и структурно-чувствительного коэффициента с увеличением нагрузки (табл. 2). Введен коэффициент структурных изменений ки = у !у , показывающий, во сколько

раз уменьшается структурно-чувствительный коэффициент на данном этапе нагружения, и характеризующий этот этап для конкретного материала.

Для рассматриваемых фенопластов и текстолитов на величину кинетических констант влияют такие факторы, как состав, технология изготовления, термообработка, а также способ нагружения.

В случае минеральных наполнителей композитов структурно-чувствительный коэффициент, как правило, уменьшается на 7-8% в сравнении с органическими наполнителями (при одном и том же связующем), энергия активации разрушения либо не меняется, либо меняется очень слабо в сторону уменьшения.

Таблица 1

Характеристики микротрещин и величина зарядов, определенные по параметрам импульсов ЭМИ

Композит Способ изготов. С* 109, м-3 L, 10"4, м Lmeopy 10^ м Уэксп> ю2, м/ с Ю^Кл/м2 10 ,Кл/м

T266 п 0,91 3,92 4,01 2,62 5,75 6,49

Т214 п 4,58 1,97 1,98 1,33 6,18 2,78

0203 П 1,48 3,40 2,90 3,20 4,46 2,01

0122 П 1,22 3,38 3,09 2,25 2,96 6,55

Т110 П 0,52 2,28 4/72 1,52 6,35 3,30

Т250 П 0,62 4,80 3,86 3,73 2,09 2,36

Т214* п 1,18 2,20 3,28 1,47 2,25 2,83

Т266* лв 1,30 2,81 3,12 1,86 4,65 1,21

Т266 JIB 1,52 3,05 2,87 1,98 2,87 2,12

Т266 лт 1,45 3,08 2,91 2,04 0,68 1,77

Т250 лв 1,28 3,22 3,61 2,15 ■ 2,42 3,90

Т250 лт 1,36 3,36 2,97 2,24 1,24 3,19

ПТМ поперек П 2,36 4,09 2,36 2,78 2,71 2,13

ПТМ вдоль П 3,22 3,08 2,23 2,05 1,54 3,89

ПТМ* поперек п 3,49 5,28 2,17 4,37 4,29 3,75

ПТМ* вдоль п 1,05 4,20 3,25 2,93 3,19 2,47

ПТН поперек п 2,51 3,30 2,43 2,21 2,71 1,56

ПТН вдоль п 1,52 2,56 3,03 1,72 3,75 1,42

ПТН* поперек п 1,04 3,56 3,26 2,38 0,45 3,19

ПТН* вдоль п 0,53 1,94 4,07 1,25 1,21 0,35

КИМФ 1,39 2,95 3,27 5,88 5,48 1,89

* - образцы, прошедшие термообработку.

Таблица 2

Изменение энергии активации, коэффициента структурных изменений и частоты в образцах композитов

Компо- Параметры контроля сг/сгр

зит 0-0,6 (формирование микротрещин) 0,6-0,9 (ветвление трещин) >0,9 (пред-разрушение)

Т214 Увеличение энергии активации, % 5-6 6-8 10

Коэффициент структурных изменений 1,3 1,5 2

Частота, кГц 1000 330 5

0203 Увеличение энергии активации, % 10 40-45 68

Коэффициент структурных изменений 1,2 1,5 1,7

Частота, кГц 600 250 4

Т250 Увеличение энергии активации, % 17 28-30 33

Коэффициент структурных изменений 1,5 2 3

Частота, кГц 500 330 9

Т266 Увеличение энергии активации, % 9 14-16 24

Коэффициент структурных изменений 1,5 2-3 5

Частота, кГц 1000 285 10

0122 Увеличение энергии активации, % 10-20 30-50 70

Коэффициент структурных изменений 1.1 1,2 1,5

Частота, кГц 670 140 2

Т110 Увеличение энергии активации, % 8 12-16 28

Коэффициент структурных изменений 1,3 1,5 2

Частота, кГц 500 330 8

КИМФ Увеличение энергии активации, % 2-3 4-6 7

Коэффициент структурных изменений 2 3-3,5 5

Частота, кГц 100 20-30 1-2

ГСП Увеличение энергии активации, % 5-8 8-11 11-13

Коэффициент структурных изменений 2,5 3-4 5

АРВУ Увеличение энергии активации, % 2-4 4-7 8

Коэффициент структурных изменений 2 3-4 5-6

Состав связующего влияет как на энергию активации разрушения так и на структурно-чувствительный коэффициент. Замена новолачной фенолофор-мальдегидной смолы на резольную в качестве связующего приводит к росту энергии активации разрушения на 4%, а структурно-чувствительного коэффициента - более чем на 30%.

При исследовании влияния способа изготовления на структурно-чувствительные коэффициенты, выявлено, что у образцов композиционных материалов с силикатными наполнителями наименьшее значение энергии активации разрушения наблюдается при их изготовлении торцевым литьем.

Исследовалось также электромагнитное излучение при растяжении образцов фенопластов и по параметрам импульсов ЭМИ определены кинетические константы.

Средние значения энергии активации разрушения полимерных композитов в режиме растяжения оказываются несколько меньше, чем в режиме сжатия, что обусловлено локальным ростом температуры в зоне пластического течения образцов при растяжении. Средние же значения структурно-чувствительного коэффициента при растяжении оказываются в 3-4 раза больше, чем при сжатии, что связано с различием пределов прочности композитов на растяжение и сжатие.

При исследовании циклической усталостной прочности композитов при изотермическом сжатии установлено, что в диапазоне изменения предельного числа циклов 0</?ч<103 связь предельной амплитуды циклического нагруже-ния с числом циклов удовлетворительно (ошибка не более 12%) описывается уравнением (4), вытекающим из кинетической модели. При неизотермическом циклическом нагружении и ич>103 кривые усталостной прочности удовлетворительно (с ошибкой не более 4%) описываются уравнением, вытекающим из условия необратимости накопления повреждений структуры с учетом роста температуры в процессе циклических испытаний образцов. Определение циклической долговечности в этом случае сводится к вычислению следующего интеграла:

Л = т0п;5 ^

где ст({), Г(/) - напряжение и температура как функции времени.

Проведено исследование статистики временного потока импульсов ЭМИ. Главным результатом этого исследования является установление того, что поток импульсов ЭМИ, а следовательно, и порождающий ЭМИ процесс накопления элементарных повреждений на последней стадии разрушения нельзя описывать как марковский случайный процесс.

Данный вывод подтверждается исследованием статистики нормированного размаха Херста для потока импульсов ЭМИ. С этой целью исследовалась степенная зависимость Херста

Д, /5, ~ (12)

где - стандартное отклонение, Я, - размах, * - время, Н -показатель Херста.

Получены значения показателей Херста на последней стадии, лежащие в интервале 0,55-1,5 при значениях коэффициентов детерминации Л -0,93-0,96.

V/ | ехр

п

у(\-Т/Тт)ст({)-и0(1-Т/Тт) кТ(0

Согласно существующей классификации показателей Херста в теории фрактальных временных рядов, марковским случайным процессам соответствуют значения показателя Херста, близкие к 0,5, тогда как наблюдаемые значения соответствуют персистентным (поддерживающим тенденцию) случайным процессам.

Как показал анализ зависимостей /5,) = /(^Г), статистика нор-

мированного размаха накопленных средних отклонений до некоторого момента времени хорошо подчиняется уравнению Херста (12). В дальнейшем начинается его хаотическое скачкообразное изменение. Такое изменение показателя Херста в этом случае должно характеризовать хаотическое поведение системы в точках бифуркации в процессе эволюционного развития очага. Это может быть обусловлено лишь переходом формирующегося в образцах композиционных материалов очага разрушения в новое качественное состояние (образование крупных трещин и их ансамблей, подготавливающих разрыв образца).

Показатель Херста зависимости (12) для статистики нормированных отклонений накопленных средних при изучении временных потоков структурных повреждений в композиционных материалах может служить критерием эволюции очага разрушения, особенно в характерных точках перехода очага в новое состояние (точки бифуркации). Причем устойчивая стационарная стадия эволюции очага характеризуется линейным участком логарифмической кривой зависимости накопленных нормированных отклонений от времени с показателем Херста на стадии хаотического накопления трещин Н~ 0,5 и Н> 0,5 на завершающих стадиях.

Приведенные в главе результаты проверки адекватности модели при 5 % уровне значимости по Р-критерию Фишера свидетельствуют, что предлагаемая модель накопления микроповреждений структуры композитов находится в хорошем соответствии с экспериментальными данными и может быть использована для контроля процесса разрушения и определения числа циклов до разрушения композиционных материалов.

В седьмой главе на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований предлагается метод контроля разрушения и прогноза долговечности композиционных материалов, заключающийся в том, что по результатам исследования электромагнитного излучения при разрушении образцов определяют кинетические константы композитов и по их изменению проводят контроль разрушения, а также рассчитывают долговечность образца. Кроме того, метод ЭМИ можно применять для контроля технологии изготовления композиционных материалов и разработки рекомендаций по их изготовлению.

Возможности использования метода ЭМИ для оценки прочностных характеристик фенопластов базируются на существовании связей между ними с одной стороны и параметрами импульсного ЭМИ - с другой.

В качестве регистрирующей системы предлагается использовать систему контроля разрушения композитов, разработанную на базе высокочастотных АЦП и персонального компьютера (ПК).

Основными характеристиками системы являются частота дискретизации; разрешающая способность; количество одновременно опрашиваемых каналов; наличие программируемых (настраиваемых) усилителей; пиковая производительность; наличие дискретных входов/выходов; возможность внешнего запуска процесса преобразования; доступность средств программирования измерительной платформы.

На основе теоретических и экспериментальных исследований были сформулированы основные принципы построения системы контроля процесса разрушения композитов, которые заключаются в следующем.

1. Мониторинг процесса разрушения необходимо начинать с самых ранних стадий нагружения.

2. Рекомендуемый частотный диапазон приема сигналов составляет 50 Гц - 10 МГц в целях минимального искажения импульсов радиоизлучения. При этом прием сигналов узкополосными устройствами не рекомендуется вследствие смещения частоты на завершающей стадии процесса разрушения в низкочастотную область.

3. Фильтрацию полезного сигнала рекомендуется осуществлять программными средствами на основе анализа формы импульса, его амплитуды и длительности в соответствии с развитой спектральной теорией импульсного электромагнитного излучения.

4. Полное число трещин в контролируемом образце определяется в реальном масштабе времени и передается в память ПК (на основе определения их числа в зонах чувствительности датчиков (антенны)).

Для измерения параметров импульсного ЭМИ и контроля разрушения композиционных материалов была разработана система измерений, структурная схема которой представлена на рис. 5.

В качестве АЦП были использованы платы ЛА-н150-14РС1 и РюоБсоре 4224, которые являются наиболее оптимальными для решения поставленных задач.

Разработанная система контроля процесса разрушения композитов позволяет изучать также форму и длительность отдельных импульсов на экране монитора. Поэтому можно записать импульс от магистральной трещины разрушения в образце композита, и по длительности нарастания фронта импульса и размеру образующегося магистрального разрыва оценить скорость распространения трещин в данном композиционном материале путем деления размера образовавшейся магистральной трещины на время нарастания фронта импульса ЭМИ. На основе полученной скорости распространения трещины разрушения и длительности импульсов ЭМИ можно оценить размер накопленных микротрещин.

Рис. 5. Структурная схема установки на базе АЦП ЛА-н150-14РС1. 1 — экранированная ячейка с образцом и датчиком электромагнитной эмиссии; 2 — нагружающее устройство; Д — датчик, измеряющий механические усилия со стороны нагружающего устройства.

На рис. 6 приведен отдельный импульс, характерный для микротрещин, накапливающихся в процессе нагружения образца.

Рис. 6. Осциллограмма одиночного импульса при нагружении углепластика КИМФ (внизу увеличенный фрагмент)

На рис.7 приведена кинетика выделения импульсов ЭМИ при нагружении образца углепластика КИМФ, полученная после обработки сигналов ЭМИ программными средствами.

.■■■Hill

Рис. 7. Кинетика выделения импульсов ЭМИ для образца углепластика

КИМФ

Аппаратные и программные ресурсы платы ЛА-н150-14РС1 позволяют автоматизировать процесс накопления импульсов и выполнять предварительную обработку сигналов.

Дальнейшая обработка полученных результатов позволяет отслеживать кинетику изменения энергии активации разрушения образцов, их структурно-чувствительного коэффициента и судить о стадийности разрушения композиционных материалов в процессе нагружения образцов.

Система обладает следующими преимуществами.

1. Основана на измерении ЭМИ (как наиболее совершенном методе, обладающем высокой разрешающей способностью).

2. Характеризуется повышенным информационным ресурсом.

3. Может работать как в непрерывном режиме, так и в режиме ожидания

Предлагаемая система позволяет реализовать метод контроля процесса

разрушения на основе измерения параметров импульсного ЭМИ следующим образом.

1. Контрольная партия образцов разрушается на измерительной установке. В момент разрушения образца регистрируется нагрузка и путем деления этой нагрузки на площадь сечения образца находится разрушающее напряжение ор, Па. Определяется среднее значение разрушающего напряжения.

2. Исследуемый образец композита помещается в нагружающее устройство измерительной системы контроля разрушения и нагружается с постоянной скоростью.

3. В процессе нагружения образца с помощью измерительной системы регистрируются в реальном масштабе времени импульсы электромагнитной эмиссии, которые сопровождают процесс возникновения и распространения микротрещин, и ведется их счет.

4. При регистрации процесса нагружения композита программными средствами строится кинетическая кривая накопления импульсов ЭМИ (накопления микротрещин).

5. Рассчитывается средняя скорость нагружения образца путем деления приложенного напряжения на время приложения нагрузки, Па/с.

6. Выбирается интервал времени таким образом, чтобы в каждом таком интервале было не менее 6-10 импульсов ЭМИ.

7. На каждом таком временном интервале находят кинетические параметры разрушения - энергию активации разрушения и структурно-чувствительный коэффициент по формулам (5).

8. Рассчитывается коэффициент структурных изменений к — у ¡у

Сравнивая полученные значения энергии активации и коэффициента структурных изменений для данного материала (табл. 2), можно определить на какой стадии разрушения находится образец.

Значение коэффициента структурных изменений к = 4-5 для углепластиков и к = 3-4 для фенопластов свидетельствует о приближении критической стадии разрушения.

9. Проводится анализ частоты ЭМИ на каждом этапе нагружения и по моменту ухода частоты в низкочастотную область (табл.2) судят о формировании магистрального разрыва.

При циклическом нагружении одновременно с контролем процесса разрушения По параметрам импульсного электромагнитного излучения можно прогнозировать долговечность образцов из композиционных материалов. Для этого разработан способ определения долговечности образцов из композиционных материалов, который заключается в том, что по полученной кинетической зависимости ЭМИ с использованием формул (5) определяются кинетические константы прочности II0 , у , исходя из которых находятся средние

значения кинетических констант разрушения для данного композиционного материала. Определяют долговечность образца, используя формулу (4).

Предложенный способ определения долговечности имеет ряд преимуществ, которые заключаются в том, что скорость нагружения выбирается любой; при этом снижается влияние температурных эффектов, тем самым повышается точность определения О0 ,у , а, следовательно, и долговечности материалов; нагружение образца производится только при возрастающей нагрузке. Это позволяет не выполнять полный цикл нагружение-разгрузка при циклическом испытании', что дает возможность, не снижая точности прогноза долговечности материала образцов, избежать трудоемких испытаний на усталостную прочность.

При расчете долговечности композиционных материалов при циклическом нагружении для образцов фенопластов расхождение экспериментальных и теоретических данных составило примерно 5%.

Кроме того, метод контроля разрушения на основе импульсного ЭМИ можно использовать для оценки прочностных характеристик композиционных материалов при их изготовлении, проверки технологии изготовления и разработки рекомендаций по изготовлению композиционных материалов, поскольку данный метод позволяет получать информацию о механических свойствах материала при его разрушении, количестве образующихся микротрещин и их размерах, об энергетических и кинетических константах материала. Метод имеет преимущества перед другими методами.

Например, для того чтобы экспериментально определить энергию активации разрушения V ' по температурной зависимости, необходимо для

каждого материала изучить температурную зависимость прочности от времени до разрушения. То есть требуются длительные испытания материала на прочность при различных температурах, что представляет собой сложную и трудоемкую экспериментальную проблему.

Метод, основанный на регистрации импульсного электромагнитного излучения, возникающего в нагруженных композитах, существенно упрощает задачу. Тот факт, что параметры ЭМИ определяются кинетическими характеристиками повреждения материала, делает возможным установление качественных и количественных закономерностей развития этого процесса.

Оценка прочностных характеристик, имеющих большое значение для улучшения качества композиционных материалов в условиях химического производства, осуществляется путем последовательного выполнения следующих операций:

а) определения кинетической зависимости образования микротрещин (импульсов ЭМИ) в материале;

б) расчета по параметрам импульсов ЭМИ размеров трещин, скорости их распространения и критической концентрации;

в) расчета энергии активации разрушения и структурно-чувствительного коэффициента;

г) расчета работы разрушения и эффективной поверхностной энергии;

д) определения по рассчитанным данным оптимального режима изготовления материала.

Указанным методом рекомендуется выбирать способ изготовления материала; устанавливать необходимость проведения термообработки; выбирать необходимый химический и структурный состав фенопластов.

Таким образом, в работе предложен метод контроля процесса разрушения композиционных материалов на основе регистрации импульсного электромагнитного излучения образцов, предоставляющий возможность проводить диагностику разрушения в образце на основе совместного анализа изменения О0 , у и частоты ЭМИ.

Разработанная измерительная система контроля процесса разрушения композитов использована для исследования разрушения углепластиков по

контракту с Институтом химии твердого тела и механохимии СО РАН и в учебном процессе КузГТУ при изучении курса «Механика разрушения».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся научно-квалификационной работой, разработана совокупность теоретических положений, которую можно квалифицировать как научное достижение, имеющее важное значение для развития не-разрушающих методов контроля, повышения качества продукции и увеличения безопасности техногенных объектов в оборонной и химической отраслях промышленности.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. Разработанная кинетическая модель накопления микроповреждений структуры и формирования очага разрушения в композиционных материалах, включающая нечувствительное к масштабу разрушения кинетическое уравнение прочности Журкова-Ратнера, условие необратимости разрушения, концентрационный критерий разрушения и кинетические константы разрушения как линейные функции температуры, с высокой степенью надежности адекватна экспериментальным данным при различных режимах нагружения и может служить основой для контроля разрушения и прогноза долговечности композиционных материалов по импульсному электромагнитному излучению.

2. Основными физическими механизмами электризации трещин в композиционных материалах, позволяющими объяснить возникновение импульсного электромагнитного излучения при нагружении композитов являются механизмы контактной электризации, пьезоэффект и дилатационное взаимодействие точечных дефектов структуры с неравновесным механическим полем движущейся трещины. Наибольшая поверхностная плотность заряда в вершине трещины может достигать 10"4— 10"2Кл/ м2. Линейная плотность заряда не превосходит Ю"10 Кл/ м.

3. Разработанная термодинамическая теория устойчивости очага разрушения в твердых телах как в открытых неравновесных системах позволяет предсказывать влияние малых приращений основных интенсивных термодинамических параметров очага на устойчивость его состояний в процессе эволюционного развития. На основе принципа минимума производства энтропии получен общий критерий эволюции очага разрушения, не накладывающий никаких ограничений на производные от термодинамических параметров очага, за исключением предположения о существовании локального равновесия в малых областях очага разрушения.

4. При росте размеров возникающих трещин спектры ЭМИ смещаются в область низких частот, составляющих 0,2-0,3 от частоты, обратной времени релаксации зарядов на их берегах, а основная частота в линейчатом спектре излучения трещин зависит от их критической концентрации в объеме композита и кинетических констант разрушения материала.

5. Установлено влияние величины нагрузки, состава композита и режима нагружения на структурно-чувствительный коэффициент и энергию активации.

Структурно-чувствительный коэффициент уменьшается при увеличении нагрузки, а энергия активации возрастает.

Состав связующего существенно влияет как на энергию активации разрушения, так и на структурно-чувствительный коэффициент. Замена новолач-ной фенолоформальдегидной смолы на резольную в качестве связующего приводит к росту энергии активации разрушения и структурно-чувствительного коэффициента.

В случае минеральных наполнителей композитов структурно-чувствительный коэффициент, как правило, уменьшается на 7-5-8% в сравнении с органическими наполнителями (при одном и том же связующем), а энергия активации разрушения либо не меняется, либо меняется очень слабо в сторону уменьшения. У образцов композиционных материалов с силикатными наполнителями наименьшее значение энергии активации разрушения наблюдается при их изготовлении торцевым литьем. Влияние же способа изготовления на структурно-чувствительный коэффициент таких образцов оказывается прямо противоположным.

Значения структурно-чувствительного коэффициента при сжатии в несколько раз меньше, чем при растяжении. Значения энергии активации в режиме сжатия оказываются больше, чем при растяжении, что обусловлено локальным ростом температуры в зоне пластического течения образцов при растяжении.

6. При исследовании циклической усталостной прочность композитов в условиях изотермического сжатия установлено, что в диапазоне изменения предельного числа циклов 103 связь предельной амплитуды циклического нагружения с числом циклов удовлетворительно (ошибка не более 12%) описывается линейным уравнением, вытекающим из кинетической модели. При неизотермическом циклическом нагружении и и„>103 кривые усталостной прочности удовлетворительно (с ошибкой не более 4%) описываются уравнением, вытекающим из условия необратимости накопления повреждений структуры с учетом роста температуры в процессе циклических испытаний образцов.

7. Изучение статистических свойств кинетического процесса накопления микроповреждений структуры композиционных материалов на основе фено-лоформальдегидных смол позволило установить на высоком уровне статистической достоверности (со значением коэффициента детерминации Я2>0,9), что этот процесс нельзя считать марковским случайным процессом. Это находится в полном согласии с полученными оценками показателя Херста Н>0,5 для подавляющего числа образцов полимерных композитов и характерно для случайных процессов с памятью (наследственностью).

8. Разработаны способы определения долговечности образцов из композиционных материалов при циклических нагрузках, основанные на предло-

женной модели накопления повреждений структуры композиционных материалов и расчете долговечности по параметрам импульсного ЭМИ (пат. № 2145416, пат. № 2439532).

9. Разработан метод контроля процесса разрушения композиционных материалов, заключающийся в том, что по изменению энергии активации и структурно-чувствительного коэффициента, рассчитываемых по параметрам ЭМИ, можно определять стадийность процесса разрушения фенопластов и углепластиков.

10. Разработана лабораторная измерительная система контроля процесса разрушения композиционных материалов на основе персональной ЭВМ, регистрирующая в реальном масштабе времени параметры импульсной электромагнитной эмиссии при трещинообразовании и их разрушении.

И. Предложенный метод и система контроля разрушения композиционных материалов использованы при проведении исследований по контракту с институтом химии твердого тела и механохимии СО РАН.

Эффективность разработанного метода подтверждена результатами его использования для оценки физико-механических свойств образцов при проведении исследований по изучению разрушения композиционных материалов в научно-исследовательской лаборатории кафедры теоретической и геотехнической механики Кузбасского государственного технического университета.

Основные результаты диссертации опубликованы

в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Иванов, В.В. Херстовская статистика временных потоков структурных повреждений композиционных материалов как показатель эволюции очага разрушения / В.В.Иванов, В.И. Климов, Т.М. Черникова // Прикл. мех-ка и техн. физика. - 1997 - Т. 38, № 1. - С. 136-139.

2. Иванов, В.В. К теории электризации композиционных материалов при рождении и распространении трещин / В.В. Иванов, Т.М. Черникова. В.И. Климов// Вестник КузГТУ.- 1998.-№ 2.-С. 35-38.

3. Черникова. Т.М. Исследование электризации полимерных композиционных материалов при разрушении их структуры / Т.М. Черникова, В.И. Климов, В.В. Иванов // Заводская лаборатория. - 2000 - № 5.- С. 51-54.

4. Иванов, В.В. Метод электромагнитной эмиссии как эффективное средство для исследования кинетики разрушения материалов / В.В. Иванов, Т.М. Черникова. К.В. Ардеев // Вестн. КузГТУ - 2002. - № 6. - С. 5-9.

5. Черникова. Т.М. Исследование усталостной прочности материалов при циклических нагрузках / Т.М. Черникова, В.В. Иванов, В.И. Климов, Е.М. Михайлова // Вест. КузГТУ,- 2005. - № 2. - С. 73-75.

6. Черникова. Т.М. О кинетике разрушения материалов при их растяжении / Т.М. Черникова, В.В. Иванов, Е.М. Михайлова // Вест. КузГТУ - 2005. -№ 2. - С. 75-77.

7. Черникова. Т.М. // Спектры электромагнитного излучения отдельных трещин в ближней зоне / Т.М. Черникова, В.В. Иванов, Е.А. Михайлова // Пол-зуновский вестник- 2011. - № 3/1. - С. 103-106.

8. Черникова. Т.М. // Статистика накопления и линейчатые спектры электромагнитного излучения микротрещин в композиционных материалах / Т.М. Черникова, В.В. Иванов, Е.А. Михайлова // Ползуновский вестник,- 2011. -№3/1.-С. 66-70.

9. Черникова. Т.М. О разработке системы контроля разрушения материалов на основе электромагнитного излучения // Т.М. Черникова, В.В. Иванов // Вестн. КузГТУ-2012.- № 6. - С. 144-147.

10. Иванов, В.В. Определение кинетических констант разрушения // В.В. Иванов, Л.А. Белина, Д.Ю. Сирота, Т.М. Черникова, // Вестн. КузГТУ.-2012-№ 6. - С. 13-16.

11. Черникова, Т.М. Метод контроля разрушения композиционных материалов на основе анализа электромагнитного излучения // Т.М. Черникова, В.В. Иванов // Естественные и технические науки - 2012 - № 6. - С.365-369.

патенты:

12. Пат. № 2145416 Российская Федерация G 01 N29/14 Способ определения долговечности образцов из композиционных материалов при циклических нагрузках / В.И. Климов, В.В. Иванов, П.В. Егоров, Т.М. Черникова и др. - № 98113702/28; заявл. 09.07.1998; опубл.10.02.2000, Бюл. № 4.

13. Пат. № 2439532 С2 Российская Федерация G01 N 3/32 Способ определения долговечности образцов из композиционных материалов при циклическом нагружении / Т.М. Черникова, В.В. Иванов, Е.А. Михайлова [и др.]. - № 2010105502/28; заявл. 15.02.2010; опубл.10.01.2012, Бюл. № 1.

монографии:

14. Климов, В.И. Контроль разрушения и долговечности композиционных материалов / В.И. Климов, Т.М. Черникова. - Кемерово: АИН, 1997. -151с.

15. Иванов, В.В. Кинетика разрушения и усталостная прочность полимерных композиций / В.В. Иванов, В.И. Климов, Т.М. Черникова. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2003. - 233 с.

в прочих гаданиях:

16. Егоров, П.В., Энергетические характеристики разрушения горных пород и композиционных материалов / П.В. Егоров, В.В. Иванов, Т.М. Черникова. A.A. Малыпин.// Геомеханические основы подземной разработки полезных ископаемых. Сб. научн. тр.-Кемерово, 1993. - С. 4-10

17. Климов, В.И. Определение долговечности композиционных материалов экспресс-методом на основе импульсного ЭМИ / В.И. Климов, Л.Ф. Туголукова, Т.М. Черникова. А.А. Мальшин // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири ( Сибресурс' 95): тез. докл. первой Между-нар.науч.-практ. конф. - Кемерово: КузГТУ, 1995.-С.47

18. Егоров, П.В. Использование параметров импульсного электромагнитного излучения для определения характеристик разрушения композиционных материалов / П.В. Егоров, В.В. Иванов, Т.М. Черникова [и др.]// Композиты - в народное хозяйство России (Композит '95): тез. докл. Между-нар.научн. - техн. конф. - Барнаул: АлтГТУ, 1995. - С. 34.

19. Алексеев, Д.В. Херстовская статистика потока импульсов при разрушении композитов / Д.В. Алексеев, Т.М. Черникова // Композиты - в народное хозяйство России (Композит '95): тез. докл. Междунар. научн,-техн. конф. - Барнаул: АлтГТУ, 1995. - С. 16.

20. Климов, В.И. Электромагнитное излучение при нагружении композиционных материалов / В.И. Климов, В.В.Иванов, Т.М. Черникова [и др.] //Композиты- в народное хозяйство России (Композит'95):тез. докл. Междунар. научн.-техн. конф. - Барнаул, АлтГТУ, 1995. - С.35.

21. Климов, В.И. Изучение кинетического процесса разрушения композиционных материалов методом импульсного электромагнитного излучения / В.И. Климов, В.В. Иванов, Т.М. Черникова, А.А. Мальшин // Композиты - в народное хозяйство России (Композит'95): тр. Междунар. научн.-техн. конфер,- Барнаул: АлтГТУ, 1996. - С. 37-40.

22. Черникова. Т.М. Исследование кинетики разрушения фенопласов и текстолитов методом электромагнитного излучения / Т.М. Черникова [и др.] // Тез. докл. VI Междунар. конф по химии и физикохимии олигомеров.

- Черноголовка, 1997. - Т. 1. - С. 168.

23. Черникова. Т.М. Термодинамика очага разрушения в композиционных материалах на основе фенолоформальдегидных смол / Т.М. Черникова, В.В. Иванов, В.И. Климов//Тез. докл. VI Междунар. конф по химии и физикохимии олигомеров. - Черноголовка, 1997. - Т.1. - С.241.

24. Черникова. Т.М. Разрушение композиционных материалов при циклическом нагружении / Т.М. Черникова [и др.] // Композиты - в народное хозяйство России (Композит' 97): тез. докл. Междунар. научн.-техн.конф. - Барнаул: АлтГТУ, 1997. - С.28.

25. Черникова. Т.М. Механизмы электризации трещин в композиционных материалах / Т.М. Черникова, В.В. Иванов, В.И. Климов // Композиты

- в народное хозяйство России (Композит' 97): тез. докл. Междунар. научн.-техн.конф. - Барнаул: АлтГТУ, 1997. - С.29.

26. Черникова. Т.М. Контроль разрушения композитов при циклических нагрузках по импульсному электромагнитному излучению / Т.М. Черникова [и др.] // Композиты - в народное хозяйство России : тр. Междунар. научн.-техн. конфер. - Барнаул: АлтГТУ, 1998. - С. 8-13.

27. Климов, В.И. Применение метода импульсного электромагнитного излучения для контроля разрушения материалов / В.И. Климов, Т.М. Черникова, Л.Ф. Туголукова // Методы и средства измерений физических величин: тез. докл IV Всерос. науч.-техн. конф. - Ч.2.- Н. Новгород, 1999. - С. 36.

28. Климов, В.И. Исследование усталостной прочности и долговечности фенопластов методом ЭМИ / В.И. Климов, В.В. Иванов, Т.М. Черникова // Композиты - в народное хозяйство России (Композит 99): тез. докл. Между-нар. науч.-техн. конф. - Барнаул: АлтГТУ.- 1999. - С.32.

29. Климов, В.И. Метод прогноза усталостной прочности и долговечности композиционных материалов на основе экспресс-испытаний образцов / В.И. Климов, В.В. Иванов, Т.М. Черникова // Структура и динамика молекулярных систем: сб. статей,- Вып. VI. - Казань: Унипресс- 1999- С. 378-379.

30. Черникова. Т.М. Спектры электромагнитного излучения при разрушении материалов / Т.М. Черникова [и др.] // Композиты XXI века: докл. Ме-ждунар. симпоз. восточно-азиатских стран по полимерным композиционным материалам и передовым технологиям. - Саратов: Изд-во Саратовского государств. техн. ун-та, 2005. - С. 367-371.

31. Черникова. Т.М. Анализ импульсного электромагнитного излучения, возникающего при нагружении композитов / Т.М.Черникова [и др. ] // Композиты XXI века: докл. Междунар. симпоз. восточно-азиатских стран по полимерным композиционным материалам и передовым технологиям. - Саратов: Изд-во Саратовского государств, техн. ун-та, 2005. - С. 372-376.

32. Черникова. Т.М. Об использовании в методе ЭМИ спектрального анализа излучения / Т.М. Черникова, В.В. Иванов, Е.А. Михайлова // Методы и средства измерений физических величин: тез. докл. XIII Всерос. науч.-техн. конф. Материалы BHTK(Computer-Based Conferences).- Нижний Новгород: ННИМЦ «Диалог», 2005. - С. 19.

33. Черникова, Т.М. Использование метода ЭМИ в качестве эффективного средства для исследования разрушения материалов / Т.М. Черникова, В.В. Иванов, Е.А. Михайлова // Измерение, контроль, автоматизация ИКИ-2006: матер. Междунар. науч,-техн. конф. - Барнаул: АлтГТУ, 2006. - С. 43-45.

34. Черникова. Т.М. Спектральный анализ электромагнитного излучения при нагружении материалов / Т.М. Черникова, В.В. Иванов, Е.А. Михайлова // Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транс-порте'2007: сб. научн. тр. по матер. Междунар. науч.-практич. конф. - Т.1.-Одесса: Черноморье, 2007. - С. 86-87.

35. Черникова. Т. М. Измерение параметров импульсного электромагнитного излучения при разрушении композиционных материалов / Т.М. Черникова // Измерения в современном мире: тр. Междунар. научн.-техн. конф. -СПб: Изд-во политехи, ун-та, 2007. - С. 44-45.

36. Черникова. Т.М. Исследование формы импульсов электромагнитного излучения при разрушении материалов / Т.М. Черникова, В.В. Иванов, Е.А. Михайлова // Научные исследования и их практическое применение. Совре-

менное состояние и пути развития. '2007: сб. научн. трудов по матер. Между-нар. науч.-практич. конф. — Т.1. Одесса: Черноморье, 2007. - С. 50- 52.

37. Черникова, Т.М. Совершенствование метода прогноза долговечности материалов на основе экспресс-испытаний образцов / Т.М. Черникова, В.В. Иванов, Е.А. Михайлова // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах: матер. VII Междунар. науч.-практ. конф. -Т.1. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2007- С. 177-178.

38. Черникова, Т.М. Бесконтакный контроль разрушения материалов / Т.М. Черникова, В.В. Иванов, Е.А. Михайлова // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах: матер. VII Междунар. науч.-практ. конф. - Т.1. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2007 - С. 220-222.

39. Черникова, Т.М. О контроле разрушения материалов на основе спектрального анализа ЭМИ / Т.М.Черникова, В.В.Иванов, Е.А.Михайлова // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: матер. XII Междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2008 - С. 145-146

40. Черникова, Т.М. О разработке метода неразрушающего прогноза долговечности материалов / Т.М.Черникова // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: матер. XII Междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2008 - С. 196-197

41. Черникова. Т.М. Определение прочностных характеристик композиционных материалов методом ЭМИ / Т.М. Черникова // Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании'2008: сб. научн. тр. по матер. Междунар. науч.-практич. конф. - Одесса: Черноморье, 2008. - С. 34-35

42. Черникова, Т.М. Экспресс-метод прогноза долговечности материалов / Т.М. Черникова // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах: матер. VIII Междунар. науч.-практ. конф. -Т.1. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2009 - С. 175-177.

43. Черникова, Т.М. Современные методы исследования разрушения материалов / Т.М. Черникова // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах: матер. VIII Междунар. науч.-практ. конф. -Т.1. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2009 - С. 105-107.

44. Михайлова, Е.А. Об измерении интенсивности ЭМИ при нагружении композитов / Е.А. Михайлова, Т.М. Черникова // Измерения в современном мире-2009: сб. науч. тр. Междунар. научн.-прак. конф. - СПб: Изд-во политехи. ун-та, 2009. - С. 43-45.

45. Черникова. Т.М. О контроле процесса разрушения материалов по параметрам импульсного электромагнитного излучения / Т.М. Черникова, Д.Е. Татаринов, А.Э. Евстратов // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс-2010: матер. XIII Междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2010-С. 66-67.

46. Черникова. Т.М. Разработка системы контроля процесса разрушения материалов / Т.М. Черникова, В.В. Иванов // Безопасность жизнедеятельности

предприятий в промышленио развитых регионах: матер. IX Междунар. науч,-практ. конф. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2011 - С. 101-102.

47. Черникова. Т.М. О некоторых способах определения долговечности образцов из композиционных материалов / Т.М. Черникова // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах: матер. IX Междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2011- С. 103-105.

48. Черникова. Т.М. Метод контроля разрушения композиционных материалов / Т.М. Черникова // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс-2012: матер. IX Междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово: КузГТУ, 2012 - С. 288-289.

49. Черникова. Т.М. Способ определения долговечности композиционных материалов / Т.М. Черникова, В.В. Иванов // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс-2012: матер. IX Междунар. науч.-практ. конф, - Кемерово: КузГТУ, 2012- С. 290-291.

50. Черникова. Т.М. Оценка прочностных характеристик фенопластов при различных способах изготовления // Т.М. Черникова // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах: матер. X Междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово: КузГТУ, 2013 - С. 102-104.

51. Черникова. Т.М. Принципы построения автоматизированной системы контроля разрушения материалов // Т.М.Черникова, В.В. Иванов // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах: матер. X Междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово: КузГТУ, 2013 - С. 104— 106.

52. Черникова. Т.М. Основы спектральной теории импульсного электромагнитного излучения при разрушении композиционных материалов / Т.М. Черникова, В.В.Иванов. - Кемерово: Кузбас. гос.техн.ун-т., 2013.-37 с.

Подписано в печать 11.02.2014 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ №33 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28. Полиграфический цех федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева». 650000, г. Кемерово, ул. Д. Бедного, 4А

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева»

На правах рукописи УДК 620.178.3

ЧЕРНИКОВА ТАТЬЯНА МАКАРОВНА

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ МЕТОДА КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ КОМПОЗИТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

СО

Специальность 05.11.13. - приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Ю £ „

О Научный консультант —

доктор технических наук, О профессор Иванов В.В.

см § ю °

Кемерово 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................8

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ И ПРОГНОЗА ДОЛГОВЕЧНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ......................................18

1.1. Теоретические модели разрушения композиционных материалов.................................................................................18

1.2. Методы исследования накопления микроповреждений

и контроля разрушения..................................................................27

1.3. Применение импульсной электромагнитной эмиссии для исследования кинетики накопления повреждений

и контроля разрушения...................................................................33

1.4. Методы оценки усталостной прочности и долговечности

в условиях простого нагружения при различных температурах..............39

1.5. Методы оценки долговечности композитов при

циклических нагрузках...................................................................45

1.6. Анализ существующих разработок в области датчиков регистрации электромагнитной эмиссии при разрушении материалов..................49

1.7. Выводы. Цель и задачи исследований.....................................56

2. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ МИКРОТРЕЩИН В КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ..........................................60

2.1. Электризация композиционных материалов

при возникновении трещин...............................................................60

2.2. Диффузионный механизм электризации и пьезоэффект..............64

2.3. Выводы..........................................................................69

3. КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НАКОПЛЕНИЯ МИКРОПОВРЕЖДЕНИЙ СТРУКТУРЫ И ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИХ НАГРУЖЕНИИ..........................................71

3.1. Кинетическая модель накопления повреждений в композитах при неизотермических режимах нагружения.......................................71

3.2. Кинетика накопления микроповреждений структуры композитов и определение кинетических констант

их разрушения при циклическом нагружении.......................................77

3.3.Вывод ы...........................................................................80

4. ТЕРМОДИНАМИКА ОЧАГА РАЗРУШЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.............................................81

4.1. Основные законы сохранения в очаге разрушения.....................81

4.2. Уравнение баланса энтропии...............................................85

4.3. Основные термодинамические потенциалы.............................86

4.4. Второй дифференциал энтропии.............................................87

4.5. Термодинамическая устойчивость равновесия в очаге разрушения...................................................................................95

4.6. Условия термодинамической устойчивости неравновесных состояний.....................................................................................99

4.7. Устойчивость очага при наличии волновых процессов.............101

4.8. Термическая устойчивость очага.........................................103

4.9. Устойчивость термических и волновых процессов в очаге разрушения....................................................................................108

4.10. Универсальный критерий эволюции очага разрушения...........112

4.11. Критерий устойчивости равновесия и эволюции очага

при наличии трещин....................................................................115

4.12. Выводы.......................................................................117

5. ОСНОВЫ СПЕКТРАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ РАЗРУШЕНИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ..............................................118

5.1. Волновые уравнения для электромагнитного поля....................118

5.2. Условие квазистационарности электромагнитного поля.............122

5.3. Запаздывающий вектор-потенциал поля осциллятора

в проводящей среде.........................................................................123

5.4. Форма импульса радиоизлучения, обусловленного распространением микротрещин.......................................................131

5.5. Время релаксации заряда на берегах трещины..........................134

5.6. Спектры электромагнитного излучения отдельных

трещин в ближней зоне..................................................................138

5.7. Линейчатые спектры излучения микротрещин..........................144

5.8. Выводы........................................................................147

6. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ КОНСТАНТ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И СТАТИСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭМИ ПРИ ИХ РАЗРУШЕНИИ..........................................149

6.1 Лабораторная установка.....................................................149

6.2. Исследуемые образцы......................................................155

6.3. Исследование кинетики электромагнитного излучения композиционных материалов при их сжатии.......................................161

6.4.. Анализ сигналов ЭМИ при нагружении композиционных материалов.................................................................................169

6.5. Определение скорости распространения и размеров

трещин по параметрам импульсов ЭМИ.............................................182

6.6. Херстовская статистика потока импульсов электромагнитной эмиссии при сжатии композиционных материалов...............................186

6.7. Электромагнитное излучение и кинетические константы

при растяжении фенопластов..........................................................192

6.8. Исследование электромагнитного излучения, усталостной прочности и долговечности композиционных материалов

при циклических нагрузках...........................................................197

6.8.1. Кинетика выделения импульсов ЭМИ при

циклических нагрузках..................................................................197

6.8.2. Экспериментальное исследование усталости

композитов.................................................................................199

6.8.3. Влияние температуры на циклическую усталостную долговечность полимерных композитов при изотермическом

сжатии..................................................................................................203

6.8.4. Влияние температуры на усталостную долговечность композитов при неизотермическом циклическом сжатии.......................207

6.9. Определение энергетических и кинетических характеристик композитов по параметрам ЭМИ при сжатии......................................209

6.9.1. Исследование изменений кинетических констант разрушения фенопластов в зависимости от типа наполнителя.................................218

6.9.2. Исследование изменений кинетических констант разрушения

в зависимости от типа связующего....................................................222

6.9.3. Исследование кинетических констант разрушения

в зависимости от способа изготовления композита................................227

6.9.4. Влияние термообработки на энергию активации

разрушения.................................................................................233

6.9.5. Влияние термообработки на структурно-чувствительные коэффициенты............................................................................237

6.9.6. Изменение механических характеристик композитов

под влиянием термообработки.........................................................239

6.10. Сравнение средних значений кинетических констант разрушения в режимах растяжения, сжатия

и циклических нагрузок................................................................243

6.11. Проверка адекватности кинетической модели разрушения экспериментальным данным...........................................................250

6.12. Выводы.......................................................................259

7. МЕТОД И СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ И ПРОГНОЗА ДОЛГОВЕЧНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.......................................................................................................260

7.1. Разработка измерительной системы регистрации

кинетики разрушения композитов....................................................260

7.2. Метод контроля процесса разрушения на основе

импульсного ЭМИ.........................................................................270

7.3. Пример применения метода контроля разрушения для образцов композиционных материалов.............................................274

7.4. Прогноз долговечности образцов

композиционных материалов..........................................................277

7.5. Пример прогноза долговечности композиционных материалов при циклическом нагружении..........................................283

7. 6. Определение прочностных характеристик фенопластов

при различных способах изготовления...............................................286

7.7. Пример оценки прочностных характеристик фенопластов методом ЭМИ.............................................................288

7.8. Выводы.........................................................................291

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................293

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................297

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Широкое использование композиционных материалов в различных отраслях промышленности, особенно в условиях повышенного влияния разрушающих факторов, приводит к необходимости исследования их прочностных характеристик для контроля разрушения и предсказания ресурса долговечности.

Одним из перспективных методов исследования прочностных характеристик и разрушения композиционных материалов является метод, основанный на регистрации импульсного электромагнитного излучения (ЭМИ), возникающего при рождении и распространении трещин. Возможность использования этого метода для контроля разрушения требует его научного обоснования, создания необходимой теоретической и экспериментальной базы для лабораторных и промышленных исследований, а также научной интерпретации контролируемой информации.

Разработка методов контроля разрушения композитов требует также целенаправленных исследований механизмов и особенностей протекания процесса разрушения композиционных материалов, связанных с возникновением в них микротрещин и микродефектов.

Для понимания сложных процессов, происходящих при разрушении композитов, требуются измерения ряда параметров, в частности, количества образующихся микротрещин, скорости их распространения, кинетики накопления микроповреждений. Кроме того, необходим контроль множества сопутствующих параметров, таких как спектральный состав излучения, энергия активации разрушения и структурно-чувствительный коэффициент. Некоторые указанные измерения могут быть сделаны с использованием метода ЭМИ, но при этом отсутствуют исследования изменения энергии активации, структурно-чувствительного коэффициента в процессе нагружения, хотя значения этих параметров характеризуют процессы изменения структуры композита, а, следовательно, могли бы быть использованы для контроля

процесса разрушения.

Задача продления срока службы изделий из композиционных материалов без глубокого изучения механизмов их разрушения на микро- и макроуровне оказывается трудноразрешимой.

С этой точки зрения разработка научных основ метода контроля процесса разрушения на основе импульсного электромагнитного излучения является актуальной задачей, так как способствует развитию неразру-шающих методов контроля, повышению качества продукции, увеличению безопасности труда и увеличению срока службы различных объектов из композиционных материалов.

Цель работы — разработка научных основ метода контроля разрушения композиционных материалов на базе импульсного электромагнитного излучения, обеспечивающих прогноз долговечности и повышение качества продукции из композиционных материалов.

Идея работы заключается в использовании установленных закономерностей импульсного электромагнитного излучения композиционных материалов на различных этапах нагружения для контроля процесса разрушения.

Задачи исследований:

- разработать теоретическую модель накопления микроповреждений и импульсного электромагнитного излучения композиционных материалов;

-выявить основные физические механизмы электризации микротрещин в композиционных материалах;

- развить основы спектральной теории импульсного электромагнитного излучения при разрушении композиционных материалов;

- разработать термодинамическую теорию устойчивости неравновесных состояний в очаге разрушения композиционных материалов с учетом накопления микротрещин;

- исследовать влияние состава, способа изготовления и режима нагружения на кинетику накопления импульсов ЭМИ и кинетические константы разрушения композиционных материалов;

- разработать метод и лабораторную измерительную систему контроля процесса разрушения и прогноза долговечности композиционных материалов на основе регистрации ЭМИ микротрещин.

Объектом исследования является процесс разрушения композиционных материалов.

Предметом исследования является метод контроля процесса разрушения композиционных материалов по параметрам импульсного электромагнитного излучения.

Методы исследования:

- анализ и обобщение научно-технической информации по методам контроля разрушения и исследования кинетики разрушения композиционных материалов;

- использование для разработки научных основ кинетической теории усталостной прочности и долговечности композиционных материалов концепции прочности твердых тел акад. РАН С.Н. Журкова, теории размерностей и подобия, физики прочности композиционных материалов, физической кинетики, механики разрушения;

- экспериментальные исследования разрушения композитов по параметрам импульсного электромагнитного излучения, возникающего при на-гружении образцов;

- методы математической статистики для статистической обработки результатов эксперимента с использованием компьютерных технологий.

Научные положения, выносимые на защиту:

- разработанная кинетическая модель разрушения композиционных материалов, включающая в себя нечувствительное к масштабу разрушения скорректированное кинетическое уравнение прочности С.Н. Журкова, концентрационный критерий разрушения, условие необратимости разрушения и температуру размягчения, может служить теоретической основой для контроля процесса разрушения и прогноза долговечности композиционных материалов;

и

- основными механизмами электризации трещин в композиционных материалах, позволяющими объяснить возникновение импульсного электромагнитного излучения при нагружении композитов, являются механизмы контактной электризации, пьезоэффект и дилатационное взаимодействие точечных дефектов структуры с неравновесным механическим полем движущейся трещины;

- предложенная спектральная теория импульсного электромагнитного излучения позволяет объяснить связь параметров ЭМИ с механическими и электрическими свойствами композиционных материалов; при этом рост размеров возникающих трещин приводит к смещению спектров ЭМИ в область низких частот, составляющих 0,2-0,3 от частоты, обратной времени релаксации зарядов на их берегах, а основная частота в линейчатом спектре излучения трещин зависит от их критической концентрации в объеме композита и кинетических констант разрушения материала;

- термодинамическая теория устойчивости неравновесных состояний в очаге разрушения показывает, что очаг разрушения композиционных материалов как открытая неравновесная система может находиться в устойчивом состоянии по отношению к малым изменениям температуры, действующим напряжениям (деформациям), внутренней энергии и поверхности разрушения в случае, если второй дифференциал энтропии очага разрушения отрицателен, а первая производная по времени от второго дифференциала энтропии не отрицательна, т.е. является знако-постоянной функцией приращений координат системы;

- энергия активации разрушения и структурно-чувствительный коэффициент зависят от состава, технологии изготовления, способа нагружения и величины приложенного напряжения; структурно-чувствительный коэффициент уменьшается при увеличении нагрузки, а энергия активации растет;

- разработанный метод контроля процесса разрушения композитов реализован на лабораторной измерительной системе, которая позволяет регистрировать в реальном масштабе времени кинетику накопления микротрещин и

на этой основе программными средствами определять кинетические константы разрушения, частотный состав ЭМИ и стадийность разрушения композитов в процессе их нагружения.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций базируются на:

- использовании апробированных методов классической механики хрупкого разрушения, физики прочности полимерных композиционных материалов, физической кинетики, теории размерностей и подобия, тензорного анализа, термодинамики необратимых процессов, методов статистического анализа и обработки экспериментальных результатов;

- экспериментальной проверке основных моделей и положений теории в лабораторных условиях и удовлетворительном соответствии теоретических представлений и результатов эксперимента;

- использовании апробированных методов теории случайных процессов и статистического анализа, а также вычислительной техники для проверки адекватности предложенных моделей экспериментальным данным.

Научная новизна работы заключается