автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Роль технологических факторов в формировании структурно-напряженного состояния конструкционных стеклопластиков

На правах рукописи

Арсентьева Светлана Николаевна

РОЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ В ФОРМИРОВАНИИ СТРУКТУРНО-НАПРЯЖЕННОГО состояния КОНСТРУКЦИОННЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ

05.02.01 - Материаловедение в машиностроении

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул - 2005 г.

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И. И. Ползунова

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Маркин Виктор Борисович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Марков Андрей Михайлович; кандидат физико-математических наук Насонов Алексей Дмитриевич

Ведущая организация:

Московский государственный авиационный институт (Технический университет)

Защита состоится " 20 " декабря 2005 года в_часов на заседании диссертационного совета Д. 212. 004. 07 в Алтайском государственном техническом университете им. И. И. Ползунова по адресу: 656038, Ал тайский край, г. Барнаул, пр. Ленина, 46,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технологического университета им. И. И. Ползунова.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенные печатью организации, просим выслать по указанному адресу на имя секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан" 19 " ноября 2005 г.

А. А. Бердыченко

Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.004.07 кандидат технических наук, доц<

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Широкое практическое применение стеклопластиковых конструкций началось в конце пятидесятых годов прошлого столетия и с тех пор области их использования расширяются.

На сегодняшний момент можно смело утверждать, что стеклопластики являются самым распространенным классом полимерных композиционных материалов. Именно для стеклопластиков разработаны различные модели прогнозирования упруго-прочностных свойств, условия монолитности, позволяющие оптимально подобрать состав компонентов материала и обеспечить их совместную работу. Однако, несмотря на достаточное освещение проблемы, нет единого мнения о комплексном влиянии различных технологических и структурных факторов, таких как температура, время отверждения, диаметр изделия, на эксплуатационные характеристики конструкционных стеклопластиков. Влияние вышеуказанных факторов связывается многопараметрическим анализом компонентного состава композиции, режимов совмещения и структурообразования в материале, дефектностью структуры, возможными механизмами разрушения, масштабным фактором и т. п.

Несмотря на то, что вопросы долговечности и механики разрушения для композитов вообще и для стеклопластиков в частности достаточно описаны в литературе (Н. Н. Трофимов, М. 3. Канович, П. Г. Бабаевский, С. Л. Рогинский, В. А. Калинчев, М. С. Макаров и др.), процессы взаимодействия, протекающие в материале, их кинетика и динамика не до конца изучены. Таким образом, исследование комплексного влияния структурных и технологических параметров на уровень внутренней напряженности, механику разрушения, а, следовательно, на срок службы материала является актуальной задачей современного композиционного материаловедения.

Цель работы

Цель работы заключается в исследовании комплексного влияния геометрических и технологических факторов на структурно-напряженное состояние конструкционных стеклопластиков. Достижению поставленной цели служит решение комплекса задач:

• исследовать влияние состава конструкционного стеклопластика на развитие структурной поврежденности и уровень упруго-прочностных свойств;

• установить связь температурно-временного режима отверждения и геометрии изделия с уровнем внутренней напряженности материала;

• разработать математическую модель прогнозирования прочности стеклопластикового элемента малого диаметра;

• определить взаимосвязь диаметра изделия с его характеристиками в процессе разрушающих испытаний;

• разработать рекомендации к изменению существующей промышленной технологии получения стеклопластиковых изделий с целью минимизации влияния структурных и технологических факторов на качество готового изделия.

Объект, предмет и методы исследования

В настоящей работе объектами исследования являются процессы формирования стеклопластика, предметом исследования служат стеклопластиковые изделия малого диаметра на примере центрального силового элемента оптоволоконного кабеля. Применяемые в работе методы исследований включали:

• исследование кинетики отверждения эпоксидных композиций различного состава методом дифференциальной калориметрии;

• изучение кинетики изменения вязко-упругих свойств композита в процессе отверждения методом динамического механического анализа;

• определение физико-механических характеристик посредством разрушающих испытаний.

Научная новизна работы

• Установлена связь температурно-временного режима отверждения с диаметром изделия и внутренней напряженностью, позволяющая качественно оценить его срок службы.

• Впервые представлен параметр К^, учитывающий диаметр проектируемого стержня, при количественной оценке упруго-прочностных свойств стеклопластиков по правилу смеси.

• Впервые предложена модель для прогнозирования прочности стеклопластикового стержня малого диаметра представленного в виде монослоя, закрученного по спирали Архимеда.

• Впервые предложен вариант оптимизации технологического процесса с целью получения изделия с минимальным уровнем структурной напряженности путем совместного решения неравенств теории монолитности и правила смеси с учетом диаметра изделия.

Практическая значимость

Практическая значимость работы заключается в разработанном комплексе технологических и конструкционных решений, позволяющих обеспечить получение стеклопласти-ковых стержневых элементов с хорошим уровнем эксплуатационных показателей.

• Предложен режим отверждения стеклонластиковых изделий малого сечения на примере центрального силового элемента оптоволоконного кабеля, обеспечивающий получение композита с минимальным уровнем напряжений.

• Предложен комплекс мероприятий, позволяющий данный техпроцесс сделать экономически эффективным.

• Усовершенствован метод проектирования технологических режимов новых изделий путем введения метода динамического механического анализа.

• Результаты работы внедрены в промышленном производстве (ООО "БЗС", г. Бийск) и в учебном процессе АлтГТУ на кафедре физики и технологии композиционных материалов (ФиТКМ).

Апробация работы

Результаты проведенных исследований были представлены на открытом конкурсе на лучшую работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в высших учебных заведениях РФ "Химические науки, химическая технология, биотехнология, биоинженерия, химическое машиностроение" Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева, 2002 г. (работа отмечена грамотой); на IX (2003 г.) и X (2004 г.) международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Современные техника и технология", г. Томск; IV городской научно-практической конференции молодых ученых "Молодежь - Барнаулу", г. Барнаул, 2003 г. (работа отмечена дипломом), на региональной научной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых "Наука. Техника. Инновации" - НТИ-2002, г. Новосибирск (работа отмечена дипломом), на второй Сибирской Студенческой LEOS конференции-конкурсе, г. Новосибирск, 2003 г. (работа отмечена дипломом), на XXXIII Уральском семинаре, г. Миасс; на III Всероссийской научно-практической конференции, г. Пенза.

На защиту выносятся

1. Оценка комплексного влияния геометрических и технологических факторов на структурно-напряженное состояние конструкционных стеклопластиков.

2. Модель, функционально связывающая прочность связи на границе раздела волокно-матрица, структурную дефектность, уровень внутренних напряжений с температурно-временными режимами отверждения и геометрией изделия.

3. Рекомендации к техпроцессу, позволяющие обеспечить получение стеклопластиковых стержневых элементов с хорошим уровнем эксплуатационных показателей с учетом комплексного влияния различных факторов.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 10 работ, подана заявка на патент РФ.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов по работе, списка литературы и приложения. Общий объем работы составил 128 машинописных страниц, в том числе 55 рисунков, 25 таблиц. Список литературы включает 122 наименования использованных источников.

Во введении показана актуальность работы, сформулированы цель и задачи, выносимые на защиту. В главе 1 приведены сведения о взаимодействии компонентов стеклопластика, а также отражены основные конструкционно-технологические факторы, оказывающие существенное влияние на взаимосвязь структура - технология - свойства. Глава 2 содержит сведения об основных факторах, отвечающих за возникновение дефектов в стеклопластике. Особое внимание уделено температуре и времени выдержки. Исходя из связи состав - структура -свойства - технологические параметры, осуществлен выбор методологии исследования. В главе 3 предложена модель математического моделирования прочности в направлении армирования СП изделия сплошной цилиндрической формы, основанная на представлении стержня из непрерывных волокон, заключенных в полимерную матрицу, в виде спирали Архимеда. При этом каждый виток спирали рассматривается как монослой композиционного материала, расстояние между витками равно нулю, химическое взаимодействие между слоями отсутствует, а напряжения изгиба в монослое малы и незначительны. Глава 4 посвящена экспериментальным исследованиям по оценке содержания ускорителя в объеме связующего, выбору оптимального режима отверждения, подтверждению адекватности предложенной модели. В 5 главе даны рекомендации по улучшению техпроцесса производства СП изделия конструкционного назначения. В заключении сделаны выводы о целесообразности проводимых исследований и разработок, которые позволили решить проблему получения качественного конструкционного стеклопластика, с учетом комплексного влияния структурных, геометрических и технологических факторов на уровень внутренней напряженности, механизм разрушения и срок службы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Физико-химические и термомеханические аспекты технологии получения конструкционных стеклопластиков

Проведенный анализ показывает, что прочность связи полимера со стекловолокном определяется:

• размерами стекловолокна (диаметр, длина);

• содержанием компонентов;

• смачивающей или пропитывающей способностью связующего по отношению к стекловолокнистой армирующей основе;

• адгезией связующего к поверхности стекловолокна;

• усадкой связующего при отверждении;

• отношением коэффициентов линейного термического расширения волокна и полимера и другими факторами. Оценка уровня физико-химической и термомеханической

совместимости различных компонентов конструкционного стеклопластика подтверждает целесообразность и эффективность применения эпоксидных олигомеров в сочетании с ангидридным отвердителем для получения композита на основе стеклянных волокон.

Анализ существующих математических моделей, позволяющих оценивать уровень упруго-прочностных свойств и прогнозировать процессы разрушения стеклопластиков, показывает, что ни одна из них не дает возможности комплексной оценки влияния различных конструкционно-технологических факторов па срок службы стеклопластикового изделия.

Исследования механизма разрушения стеклопластика демонстрируют, что предельные состояния материала определяются как деформагивностью и прочностью исходных компонентов, так и технологическими факторами, с которыми связано появление остаточных напряжений и пористости. При этом выбор оптимального режима отверждения является основным способом снижения остаточных напряжений в композите.

Однако открытым остается вопрос об изучении комплексного воздействия на формирование структурно-напряженного состояния конструкционных стеклопластиков таких факторов, как:

• состав конструкционного стеклопластика (процентное содержание и природа компонентов);

• влияние технологических параметров структурообра-зования (время и температура полимеризации);

• влияние геомеарии изделия на физико-механические характеристики и уровень дефектности в материале;

• поврежденность структуры на молекулярном и надмолекулярном уровнях.

Факторы, определяющие прочность стеклопластиков. Методология исследования

Проведенный анализ позволил выявить основные факторы, отвечающие за возникновение дефектов в стеклопластике, основными из которых являются пористость и пустоты, приводящие не только к нарушению структуры матрицы в объеме, но и к нарушению связи на границе радела волокно-матрица. Кроме того, в материале существуют остаточные напряжения, концентрация которых приходится на межфазный слой. В связи с этим, особое внимание следует уделить температуре и времени выдержки при данной температуре.

Уровень температуры и время отверждения с учетом типа применяемого связующего выбирается таким образом, чтобы обеспечить заданные требования по физико-механическим характеристикам отвержденной матрицы в КМ, с одной стороны, а .с другой - создать оптимальную связь на границе раздела между компонентами. При этом необходимо учитывать, что температура в пластике меняется несколько иным способом, чем температура в полимеризаторах (рисунок 1).

В связи с особенностью структуры стеклопластиков, а также возможными дефектами, возникающими при их изготовлении, осуществлен выбор методов исследования, которые включают: динамический механический анализ, метод дифференциальной калориметрии, разрушающие механические испытания.

Полимеризаторы

Рисунок 1 - Изменение температуры стеклопластикового стержня (1) и температуры в камерах полимеризации (2) при прохождении через полимеризаторы 1...7

Таким образом, одной из актуальных задач является выявление взаимосвязи состав - структура - свойства - технология, применительно к стеклопластиковым стержням малого диаметра на примере конкретного изделия. Для этого необходимо создать адекватную модель, комплексно учитывающую рассмотренные факторы.

Разработка метода прочностного моделирования изделий цилиндрической формы малого диаметра

Для вычисления основных характеристик стеклопластикового изделия малого диаметра, оценки поведения его компонентов при отверждении, а также выявления возможных дефектов и механизма разрушения разработана модель, в которой элемент стеклопластика представлен как монослой закрученный по спирали Архимеда (рисунок 2). При этом толщина монослоя (с) настолько мала, что напряжениями при изгибе, возникающими в нем, можно пренебречь. Шаг спирали (а) или зазор между поверхностями монослоя равен нулю, а химическое взаимодействие между слоями отсутствует.

Такое представление позволяет применить правило смеси для расчета прочностных характеристик изделий круглого

сечения. Поскольку традиционные модели основаны на использовании пучка волокон без учета матрицы, то данное предложение является перспективным.

(1

Рисунок 2 - Модель представления изделия, в виде монослоя, закрученного по спирали Архимеда, где 1 - изделие цилиндрической формы; 2 -стеклянное волокно; 3 - монослой; 6 - диаметр изделия; а - шаг спирали; с - толщина монослоя

Расчет проводится для сплошного цилиндрического изделия малого диаметра (1-3 мм) произвольной длины.

Состав материала следующий: наполнитель - непрерывное стекловолокно, ориентированное вдоль оси цилиндра марки РБН, ГОСТ 17139 (80 %) и эпоксидная матрица (20 %), в ее основе: эпокси-диановая смола (ЭД-22), ГОСТ 10587-84; отвердитель - изометилтетрогидрофталевый ангидрид (Изо-МТГФА), ТУ 38.103149-85; ускоритель - УП-606/2.

В первом приближении считается, что адгезионная прочность на границе раздела волокно-матрица - идеальна, волокна распределены равномерно по объему, структура матрицы в объеме - идеальна. Оценка упругих физико-механических характеристик проводится на допущении о жесткой связи между наполнителем и матрицей, их совместной деформации и подчинении закону Гука. Для простейшей модели прочность и модуль упругости при растяжении рас-

считываются по правилу смеси (таблица 1) с учетом поправочного коэффициента на диаметр изделия (Ка):

ах=(Еи- ет -Ут+ ЕгвгЧ^-К<1 (1)

где стх - прочность композита; Ет - модуль упругости матрицы; Е^ - модуль упругости волокна; гт - деформативность матрицы; - деформативность волокна; Ут - объемное содержание матрицы; Уг - объемное содержание волокна.

Таблица 1 - Физико-механические показатели, рассчитанные по правилу смеси________

Прочность при растяжении, МПа Модуль упругости, ГПа Поперечный модуль упругости, ГПа Коэффициент Пуассона

2803,20 58,64 15,01 0,21

Коэффициент Ка является поправочным коэффициентом, учитывающим влияние "масштабного фактора". Формализация нахождения коэффициента сводится к следующему:

1. У=Р(Х), (2) где У - есть характеристика системы, т. е. диаметр изделия;

X - параметры моделируемой системы; Б - функция, описывающая взаимосвязь. Исходя из проведенного анализа, следует:

2. У является коэффициентом, учитывающим диаметр изделия, т. е. У=Ка-

3. Х-{Х]+Х2+.. .+ХП} - состав параметров:

X] - параметр, учитывающий диаметр изделия, Хг - параметр, учитывающий одноосность (стержень), Хз - параметр, учитывающий возможность компонентов связующего перемещаться в пространстве.

4. Область изменения параметров: Х1=(1=1...3 мм,

Хг=2, т. к. движение возможно только в двух направлениях (вдоль оси образца),

Хз=6, три оси координат, два направления от центра координат.

5. Точность или предельно допустимая погрешность оценки Ка, согласно принятым нормам, допускается 5... 15%. На основании правил моделирования, представленную модель можно принять адекватной рассматриваемой системе, т. к. она удовлетворяет требованиям по составу характеристик и параметров, а также точности воспроизведения данных характеристик в рассматриваемой области определения.

В соответствии с условиями оптимизации моделирования, размерность по расчету коэффициента, учитывающего диаметр изделия равна двум (один параметр и одна характеристика). И сложность задачи равна единице, т. е.:

К„ =/и

л-йГ

(3)

Значения коэффициентов К<1 для разных диаметров представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Коэффициент Ка для разных диаметров (с!)

с1, мм 1,0 1,5 1,8 2,6 3,0

Ка 0,663 0,764 0,810 0,902 0,937

Значения характеристик с учетом диаметра изделия представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Физико-механические показатели с учетом диаметра изделия (ф _____

~ ' 4 мм Показатель -—_______ 1,0 1,5 1,8 2,6 3,0

Предел прочности при расгяжении, МПа 1858 2142 2271 2528 2626

Модуль упругости, ГПа 38,88 44,80 47,50 52,89 54,95

Поперечный модуль упругости, ГПа 9,95 11,47 12,16 13,54 14,06

Таким образом, видно, что с увеличением диаметра изделия, увеличиваются и прочностные характеристики. Связано это, прежде всего, с увеличением числа волокон.

Структура композита считалась идеальной, однако в реальном материале существуют дефекты, которые существенно снижают физико-механические характеристики. Это приводит к необходимости использования коэффициента М -критерия монолитности. Данный коэффициент является результатом расчетов, выполненных в соответствии с теорией монолитности (М=0,62), тогда представленная модель будет иметь следующий вид:

h; - коэффициент соответствия характеристик связующего условиям монолитности;

Ф, - коэффициенты значимости параметров связующего при различных видах деформациях.

Предложенная модель позволяет обосновать существование пор в материале как образование зазора между стенками монослоя. Значения упруго-прочностных показателей для изделий различного диаметра с учетом возможных дефектов, а также экспериментальные данные представлены на рисунках 3 и 4.

Увеличение диаметра изделия сопровождается нелинейным ростом: предела прочности при растяжении и модуля упругости. Кроме того, значение прочности в сильной мере зависят от критерия монолитности, т. к. именно эта характеристика в большей степени определяется связью на границе раздела волокно-матрица, и наличием межслойных дефектов. Toi да как модуль упругости при растяжении определяется в первую очередь свойствами волокна, и наличие пор в матрице (воздушные включения между слоями) не играет значи- 1 тельной роли при растяжении.

Сравнение расчетных значений основных характеристик с >

экспериментальными данными свидетельствуют о необходимости учета диаметра, что дает более точные результаты и ускоряет выбор технологических параметров формирования изделий.

ax=(Em- tm-Vm+ Ef-Sf-Vd-Kd-M, где M=Sh,-(pi,

(4)

(5)

а, МПа

с1, мм

Рисунок 3 - Зависимость предела прочности (сг) от диаметра изделия (с1), где 1 - кривая, полученная без учета критерия монолитности по предложенной модели; 2 - кривая, полученная с применением модели для прочности пучка волокон; 3 - экспериментальная кривая; 4 - кривая, полученная с учетом критерия монолитности по предложенной модели

с1, мм

Рисунок 4 - Зависимость модуля упругости (Е) от диаметра изделия (с1), где 1 - экспериментальная кривая, 2 - кривая, полученная по модели

Таким образом, предложенная модель позволяет предсказать основные физико-механические характеристики стекло-пластиковых изделий цилиндрической формы малого диаметра, а также решить обратную задачу, т. е. выбрать диаметр изделия в зависимости от заданных характеристик, что не позволяют другие модели. При этом учитывается влияние "масштабного фактора".

Представленную модель можно использовать при описании процесса отверждения композиционного материала при его прохождении через температурные зоны. На рисунке 5 представлена рассматриваемая модель с учетом нагрева. Процесс нагрева и отверждения идет от наружных слоев к внутренним по радиусу изделия, создавая температурный градиент по диметру.

Рисунок 5 - Покольцевые нагрев и отверждение изделия

Существующий температурный градиент по диаметру изделия можно изобразить в виде зависимости:

'V 4

прохождения

т

полимеризации у

(6)

где Б - функция от скорости прохождения изделия зон полимеризации и температуры полимеризации;

Т - температура полимеризации, различная по зонам;

V - скорость прохождения изделия через зоны полимеризации, величина, обратная времени нахождения в данных зонах.

Анализ данной зависимости позволяет выделить четыре случая поведения отверждающейся композиции, которые подтверждают, что правильно подобранные скорость прохождения изделия через зоны полимеризации и температуры в полимеризаторах являются основными технологическими факторами получения работоспособного пластика.

1 случай. Высокая скорость прохождения изделия через зоны полимеризации и высокие температуры полимеризации приводят к тому, что поверхностный слой оказывается наиболее дефектным, а центральный слой - недоотвержденным. Физико-механические характеристики такого материала в процессе эксплуатации будут изменяться со временем.

2 случай. Низкая скорость прохождения и низкая температура в полимеризаторах ведут к равномерному нагреву изделия, градиент температур по диаметру будет минимальным, можно говорить о слиянии монослоев.

3 случай. Низкая скорость и высокие температуры. В данном случае происходит послойное выгорание материала.

4 случай. Высокая скорость и низкие температуры, при этом компоненты связующего не успевают вступить в реакцию.

Установлена качественная связь параметров получения композита с его структурой и срокам службы материала. Таким образом, функция, описывающая связь технология -структура - свойство имеет следующий вид:

Т = f

зкспл J

'су К W = F

рани

V

у пуст

атв итв

Vy )

где, осв - прочность связи на границе волокно-матрица; Vrtycm - количество пустот и трещин; Краен - коэффициент равновесия системы, обратный уровню напряженности (UHanp);

Vy - количество ускорителя; Tome - температура отверждения;

tome - время выдержки в каждой стадии отверждения, величина обратная скорости прохождения изделия через данную стадию (Voms).

При растяжении изделия цилиндрической формы механизм разрушения можно представить в виде нескольких этапов. Для наглядности можно выделить участок монослоя, контактирующего с другим монослоем (рисунок 6) и рассмотреть механизм разрушения при растяжении поэтапно.

2

Рассматриваемый участок, взятый из модели

Рисунок 6 - Схема предлагаемой модели для рассмотрения механизма разрушения стеклопластикового изделия, где 1 - матрица в объеме монослоя, закрученного по спирали Архимеда; 2 - стекловолокно в монослое; 3 - переходный слой волокно-матрииа

Предложенный механизм характерен для КМ, эксплуатирующихся в нормальных условиях, без учета воздействия влаги и агрессивных сред. Повышение температуры среды и увеличение нагрузки способствуют увеличению скорости прохождения этапов, о чем свидетельствую аналитические и экспериментальные данные. Согласно данному механизму разрушения, время до разрушения можно увеличить снижением количества пустот (т. е. зазор между слоями должен быть равен нулю по всему объему), приданием системе более равновесного состояния, достижением оптимальной прочности на границе раздела. В этом случае материал разрушится

хрупко. В случае плохой адгезии разрушение пойдет с вытягиванием волокна.

Рисунок 7 - Разрушение стеклопластика при растяжении, где 1 этап: растяжение волокна (1), рост напряжения в межфазном слое волокно-матрица (2) и повышение уровня напряженности между монослоями (3); 11 этап: зарождение микротрещен между слоями (1), увеличение уровня напряженности в матрице (2), нарушение связи на границе раздела волокно-матрица (3); III этап: оголение поверхности волокна (1), рост напряжения и микротрещин на границе между монослоями (2) и в межфазном слое (3); рост трещины, проходящей между монослоями (4), рост микротрещин в монослое (5), образование трещин на волокне (6) и их рост; IV этап: рост поперечной трещины (1); разрыв волокон (2); и, наконец, разрушение материала

Таким образом, необходимо практически подтвердить достоверность проведенных исследований и адекватность предложенной модели.

Экспериментальные исследования по составу композиции и режимам отверждения

Исследование влияние содержания ускорителя УП-606/2 в эпоксидном связующем (от 1 до 5 объемных процентов) на уровень вязко-упругих свойств и температуру стеклования (Tg) методом динамического механического анализа показало одновременное увеличение и динамического модуля сдвига (G) и максимума тангенса угла механических потерь

^шахЗ) с увеличением концентрации ускорителя, что свидетельствует об увеличении диссипативных характеристик материала, возрастании трещиностойкости и вибропрочности. При этом, композицию с концентрацией УП-606/2 порядка 1 % рекомендуется применять в условиях действия растягивающих нагрузок в температурном интервале эксплуатации до 120°С, а композицию с концентрацией УП-606/2 -5% рекомендуется применять в условиях работы материала на сжатие и нагружение в трансверсальном направлении, а также в режимах динамического нагружения.

Таблица 4 - Влияние содержания ускорителя на вязко-упругие характеристики и температуру стеклования _

Состав, объемных % б при 20°С, ГПа °с т,, °С т2, °С

ЭД - 22 (50%) Изо-МГТФА(49%) УП-606/2 (1 %) 0,93 105 101 110 0,22

ЭД - 22 (50%) Изо-МГТФА(47% ) УП-606/2 (3 %) 1,07 88 83 93 0,26

ЭД 22 (50%) Изо-МГТФА(45% ) УП-606/2 (5 %) 1,32 88 82 94 0,33

Повышение процентного содержания ускорителя в композиции (от 1 % до 5 %), позволяет повысить модуль сдвига с 0,93 ГПа до 1,32 ГПа, сдвинуть температуру стеклования в сторону уменьшения до 80 °С, и повысить уровень структурной ' э однородности в два раза, что выражается в существовании пика тангенса угла механических потерь на половине высоты.

Исследование влияния ускорителя на кинетику процесса отверждения методом дифференциальной калориметрии показало, что его наличие позволяет снизить температуру отверждения с 225 °С до 150 °С и уменьшить время прохождения процесса полимеризации.

Исследование влияние типа отвердителя на трещино-стойкость стеклопластикового стержня позволило установить, что наименее стабильный рост трещин и наиболее высокие значения показателей трещиностойкости характерны для эпоксидных полимеров без отвердителя, а с отвердите-лем Изо-МТГФА - коэффициент концентрации напряжений принимает наименьшее значение - 0,63, по сравнению с композицией без отвердителя - 0,87 и на основе малеинового ангидрида - 0,67.

Нахождение оптимального температурно-временного режима отверждения сводится к расчету степени отверждения а по разнице между тепловым эффектом реакции отверждения неотвержденного образца (<30) и тепловым эффектом от-вержденного образца (()). По расчетным данным строятся кривые отверждения (рисунок 8). На основе которых, предлагается оптимальный режим отверждения, представленный на рисунке 9. При предлагаемом режиме достигается степень отверждения -91%.

t, час

-♦-при 100 'С -«-при 120 "С -»-при 150 'С Рисунок 8 - Кинетические кривые отверждения системы на основе смолы ЭД-22

^ час

Рисунок 8 - Температурный режим отверждения композиции на основе смолы ЭД - 22

Предложенный режим отверждения, позволит повысить физико-механические характеристики конструкционного стеклопластика и снизить уровень остаточных напряжений.

Исследования влияния диаметра изделия на температурные (методом динамического механического анализа) и механические характеристики (разрушающие испытания), показали, что с увеличением диаметра изделия температуры а-переходов сдвигаются в зону более низких температур," тангенс угла механических потерь уменьшается, предел прочности и модуль упругости при растяжении увеличивается (таблица 5). Данные результаты подтверждают адекватность предложенной модели. При этом значения экспериментальных и расчетных данных лежат в пределах погрешности.

Таблица 5 - Температурные и механические характери-

стики для стеклопластиков различного диамет] ра

Показатель Единица измерения Значение для изделий диаметром 1,8 мм Значение для изделий диаметром 2,6 мм

Температура начала а-дерехода °с 56 50

Температура второй границы а-перехода °с 102 91

Температура максимума тангенса угла механических потерь °с 94 90

Предел прочности при растяжении МПа 1211 1523

Модуль упругости при растяжении ГПа 47,62 50,98

Таким образом, результаты проведенных исследований целесообразно распространить на реальный технологический процесс, с целыо получения наименее дефектного материала, а следовательно, обладающего лучшими эксплуатационными характеристиками.

Рекомендации для технологического процесса В настоящее время около десяти предприятий России занимаются производством центрального силового элемента оптоволоконного кабеля, одно из лидирующих положений занимает ООО "Бийский завод стеклопластиков", однако и он столкнулся с проблемой повышения качества данного изделия. Для решения данной проблемы проведены дополнительные исследования в результате которых установлено, что снижение скорости протяжки , стеклопластика даже при существующих температурах, ведет к повышению физико-химических характеристик (таблица 6).

Таким образом, рекомендуется уменьшить скорость протяжки изделия с 10-8 м/мин до 4-6 м/мин при одновременном изменении температур их распределения в полимеризаторах. Рекомендуемый температурный режим в полимеризаторах лежит в диапазоне от 150 °С до 300 °С.

Таблица 6 - Влияние снижения скорости протяжки на температуру разрушения ((1=2,2 мм)__

Скорость протяжки V, м/с Температура разрушения Тр, °С Температура стеклования Тс, °С Предел прочности при растяжении о, М11а

10 71,4 ±2,4 59,3 ±2,1 1380

8 78,8 ± 2,6 63,3 ± 1,9 1412

6 96,2 ±3,0 75,0 ±1,6 1457

Примечание: Доверительная вероятность равна 0,95

Снижение скорости протяжки ведет к снижению производительности линии и к увеличению себестоимости продукции, что делает эту операцию экономически невыгодной. В связи с этим целесообразно осуществлять одновременную протяжку нескольких прутков на одной линии.

Рекомендуется заменить водяное охлаждение изделия воздушным, поставив "холодильные" камеры при выходе изделия из полимеризаторов, температура в которых не должна лежать ниже 10 °С.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Осуществлен комплексный анализ влияния структурных, геометрических и технологических факторов на уровень внутренней напряженности и механику разрушения стеклопластиков, который позволил решить проблему получения качественного конструкционного материала.

2. Разработана математическая модель, функционально связывающая адгезионную прочность, структурную дефектность, уровень внутренних напряжений с температурно-временными режимами отверждения и геометрией изделия. Применение данной модели позволяет качественно оценить срок эксплуатации стержневых стеклопластиков в зависимости от диаметра и уровня монолитности. При этом коэффициент сходимости результатов или корреляции составляет порядка 5...12%. Предложенная модель позволяет решить обратную задачу, т. е. по заданному

пределу прочности рассчитать необходимый диаметр стержневого элемента.

3. Установлена качественная взаимосвязь срока эксплуатации изделия от технологических параметров и структуры получаемого материала, учет которой позволяет повысить степень отверждения материала до 97 % и снизить уровень дефектов до 2 %.

4. Разработан температурно-временной режим отверждения (скорость протяжки стеклопластикового прутка до 2 м/мин, температурный режим в полимеризаторах: от 150 °С до 300 °С.), позволяющий повысить физико-механические характеристики конструкционного СП (минимум на 5 %) и снизить уровень остаточных напряжений в материале.

Опубликованные работы по теме диссертации

1. Арсентьева С. Н. Оптоволоконный кабель в Барнауле// Молодежь - Барнаулу: Материалы научно-практической конференции/ Алт. Гос. Техн. Ун-т им. И. И. Ползунова. -Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2002 - С. 313-314

2. Термостойкость силового элемента. С. Н. Арсентьева, В. Б. Маркин, В. А. Башара// Наука. Техника. Инновации: Материалы докладов региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых в 5-ти частях/ Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002, Часть 2 - С. 48-49

3. Влияние бензольных колец на тепло- и термостойкость эпоксидного связующего. С. Н. Арсентьева, В. Б. Маркин// Инновации в машиностроении: Сборник статей III Всероссийской научно-практической конференции. -Пенза, 2003 - С. 48-50

4. Арсентьева С. Н. Стеклопластики и их термостойкость// Современные техника и технологии: Материалы IX международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых/ Томский политехнический университет - Томск: Изд-во ТПУ, 2003 - С. 98-99

5. Модификация состава связующего центрального силового элемента оптоволоконного кабеля. С. Н. Арсентьева,

B. Б Маркин// Материалы LEOS конференции-конкурса -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003 - С. 12-16

6. Арсентьева С. Н. Связь термостойкости стеклопластиков с их строением// Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр. Том XVII, №15. Москва: РХТУ им. Д И. Менделеева, 2003 - С. 51-62

7. Возможность применения правила смеси для пучка волокон. С. Н. Арсентьева, Е. С. Ананьева, В. Б. Маркин// Механика и процессы управления: труды XXXIII Уральского семинара/ Екатеринбург, 2003 - С. 14-25

8. Проблемы выбора оптимального режима отверждения. С. Н. Арсентьева, В. Б. Маркин// Современные техника и технологии: Материалы X Юбилейной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Труды в 2-х томах/ Томский политехнический университет - Томск: Изд-во ТПУ, 2004 - Т. 2 - С. 19-21

9. Арсентьева С. Н. Разработка модели представления изделия цилиндрической формы малого диаметра в виде монослоя, закрученного по спирали Архимеда// Труды международной научно-технической конференции "Композиты в народное хозяйство" ("Композит-2005")/ Под ред. В. Б. Маркина; Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2005 -

C. 178-183

10. Факторы, определяющие физико-химические характеристики стеклопластиков. С. Н. Арсентьева, В. Б. Маркин// Труды международной научно-технической конференции "Композиты в народное хозяйство" ("Композит-2005")/ Под ред. В. Б. Маркина; Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2005 - С. 211 -216

Подписано в печать 10.10.2005. Формат 60x84 1/16.

Печать - ризография. Уел .п.л. 1,39. Тираж 100 экз. Заказ 66/2005.

Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46. Лицензии: ЛР №020822 от21.09.98 года, ПЛД №28-35 от 15.07.97 Отпечатано в ЦОП АлтГТУ 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

Í2 1738

РНБ Русский фонд

2006-4 18028

V/— объемное содержание волокна в стеклопластике; у - коэффициент Пуассона волокна; цт - коэффициент Пуассона матрицы; г - адгезионная прочность, МПа; у- относительное содержание наполнителя;

Ки - коэффициент использования прочности наполнителя;

М- критерий монолитности; г, - коэффициент соответствия характеристик связующих условиям монолитности; ср1 - коэффициент значимости характеристик связующего; с1 - диаметр изделия, мм.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.

Глава 1 Физико-химические и термомеханические аспекты технологии получения конструкционных стеклопластиков.

1.1 Конструкционные пластики, армированные стекловолокном.

1.2 Влияние структуры стеклянных волокон на упругопрочностные свойства композитов на их основе.

1.3 Физико-химическая совместимость компонентов стеклопластика

1.4 Термомеханическая совместимость компонентов стеклопластика

1.5 Выводы.

Глава 2 Факторы, определяющие прочность стеклопластиков.

Методология исследования.

• 2.1 Факторы, определяющие прочность и деформативность стеклопластиков.

2.2 Влияние состава и технологи получения на развитие по-врежденности конструкций из стеклопластиков в процессе эксплуатации.

2.3 Применение ДМА для исследования состава и режима отверждения стеклопластиков.

2.4 Экспериментальные методы оценки основных физико-механических свойств стеклопластиков.

2.5 Выводы.

Глава 3 Разработка метода прочностного моделирования изделий цилиндрической формы малого диаметра.

3.1 Применение спирали Архимеда для прочностного моделирования изделий цилиндрической формы малого диаметра.

3.2 Оценка количественного влияния структурно-напряженного состояния стеклопластикового стержня на прочность.

3.3 Аналитическая оценка влияния скорости отверждения и температуры полимеризации на монолитность изделия.

3.4 Аналитическая оценка развития поврежденности и срока службы конструкционного стеклопластика.

3.5 Выводы.

Глава 4 Экспериментальные исследования по составу композиции и режимам отверждения.

4.1 Связь состава эпокси-диановой композиции с эксплуатационными характеристиками.

4.2 Регулирование состава компонентов стеклопластика конструкционного назначения и выбор режима отверждения.

4.3 Проверка адекватности предложенной модели.

4.4 Выводы.

Глава 5 Рекомендации для технологического процесса.

5.1 Технологический процесс производства стеклопластикового изделия.

5.2 Технологические параметры процесса отверждения.

5.3 Повышение качества изделия.

5.4 Выводы.

Широкое практическое применение стеклопластиковых конструкций началось в конце пятидесятых годов прошлого столетия и с тех пор области их использования расширяются.

На сегодняшний момент можно смело утверждать, что стеклопластики являются самым распространенным классом полимерных композиционных материалов. Именно для стеклопластиков разработаны различные модели прогнозирования упруго-прочностных свойств, условия монолитности, позволяющие оптимально подобрать состав компонентов материала и обеспечить их совместную работу. Однако, несмотря на достаточное освещение проблемы, нет единого мнения о комплексном влиянии различных технологических и структурных факторов, таких как температура, время отверждения, диаметр изделия, на эксплуатационные характеристики конструкционных стеклопластиков. Влияние вышеуказанных факторов связывается многопараметрическим анализом компонентного состава композиции, режимов совмещения и структурообразования в материале, дефектностью структуры, возможными механизмами разрушения, масштабным фактором и т. п.

Несмотря на то, что вопросы долговечности и механики разрушения для композитов вообще и для стеклопластиков в частности достаточно описаны в литературе (Н. Н. Трофимов, М. 3. Канович, П. Г. Бабаевский, С. Л. Рогинский, В. А. Калинчев, М. С. Макаров и др.), процессы взаимодействия, протекающие в материале, их кинетика и динамика не до конца изучены. Таким образом, исследование комплексного влияния структурных и технологических параметров на уровень внутренней напряженности, механику разрушения, а, следовательно, на срок службы материала является актуальной задачей современного композиционного материаловедения.

Стержневые стеклопластиковые конструкции получили широкое практическое применения в различных отраслях промышленности. Особенность применения стержневых элементов связана с разнообразием типоразмеров данных элементов (в частности их диаметров), что существенно затрудняет систематизацию выявления взаимосвязи структура — технология - свойства. Следовательно, целью представленной работы является исследование комплексного влияния геометрических и технологических факторов на структурно-напряженное состояние конструкционных стеклопластиков. Достижению поставленной цели служит решение комплекса задач:

• исследовать влияние состава конструкционного стеклопластика на развитие структурной поврежденности и уровень упруго-прочностных свойств;

• установить связь температурно-временного режима отверждения и геометрии изделия с уровнем внутренней напряженности материала;

• разработать математическую модель прогнозирования прочности стек-лопластикового элемента малого диаметра;

• установить зависимость упруго-прочностных свойств стеклопластико-вого стержня от комплексного влияния структурных и технологических факторов;

• разработать рекомендации к изменению существующей промышленной технологии получения стеклопластиковых изделий с целью минимизации влияния структурных и технологических факторов на качество готового изделия.

Решение поставленных задач в работе осуществлялось с применением экспериментальных методов:

• исследование кинетики отверждения эпоксидных композиций различного состава методом дифференциальной калориметрии;

• изучение кинетики изменения вязко-упругих свойств композита в процессе отверждения методом динамического механического анализа;

• определение физико-механическйх характеристик посредством разрушающих испытаний.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Установлена связь температурно-временного режима отверждения и геометрии изделия с уровнем внутренней напряженности материала.

• Разработана математическая модель, функционально связывающая прочность связи на границе раздела волокно-матрица, структурную дефектность, уровень внутренних напряжений с температурно-временными режимами отверждения, что позволяет качественно оценить срок эксплуатации стержневых стеклопластиков, рассчитать основные физические показатели с учетом диаметра изделия, решить обратную задачу.

• Проведена аналитическая оценка уровня напряженности в стеклопластиках, на основе чего установлена взаимосвязь развития поврежден-ности и срока службы конструкционного стеклопластика с уровнем напряжений на границе раздела волокно-матрица, предложен механизм разрушения в соответствии с разработанной моделью. Практическая значимость работы заключается в разработанном комплексе технологических и конструкционных решений, позволяющих обеспечить получение стеклопластиковых стержневых элементов с хорошим уровнем эксплуатационных показателей.

• Предложен режим отверждения стеклопластиковых изделий малого сечения на примере центрального силового элемента оптоволоконного кабеля, обеспечивающий получение композита с минимальным уровнем напряжений.

• Предложен комплекс мероприятий, позволяющий данный техпроцесс сделать экономически эффективным.

• Усовершенствован метод проектирования технологических режимов новых изделий путем введения метода динамического механического анализа.

• Результаты работы внедрены в промышленном производстве (ООО "БЗС", г. Бийск) и в учебном процессе АлтГТУ на кафедре физики и технологии композиционных материалов (ФиТКМ).

Результаты проведенных исследований были представлены на открытом конкурсе на лучшую работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в высших учебных заведениях РФ "Химические науки, химическая технология, биотехнология, биоинженерия, химическое машиностроение" Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева, 2002 г. (работа отмечена грамотой); на IX (2003 г.) и X (2004 г.) международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Современные техника и технология", г. Томск; IV городской научно-практической конференции молодых ученых "Молодежь - Барнаулу", г. Барнаул, 2003 г. (работа отмечена дипломом), на региональной научной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых "Наука. Техника. Инновации" - НТИ-2002, г. Новосибирск (работа отмечена дипломом), на второй Сибирской Студенческой LEOS конференции-конкурсе, г. Новосибирск, 2003 г. (работа отмечена дипломом), на XXXIII Уральском семинаре, г. Миасс; на III Всероссийской научно-практической конференции, г. Пенза.

1 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Осуществлен комплексный анализ влияния структурных, геометрических и технологических факторов на уровень внутренней напряженности и механику разрушения стеклопластиков, который позволил решить проблему получения качественного конструкционного материала.

2. Разработана математическая модель, функционально связывающая адгезионную прочность, структурную дефектность, уровень внутренних напряжений с температурно-временными режимами отверждения и геометрией изделия. Применение данной модели позволяет качественно оценить срок эксплуатации стержневых стеклопластиков в зависимости от диаметра и уровня монолитности. При этом коэффициент сходимости результатов или корреляции составляет порядка 5.12 %. Предложенная модель позволяет решить обратную задачу, т. е. по заданному пределу прочности рассчитать необходимый диаметр стержневого элемента.

3. Установлена качественная взаимосвязь срока эксплуатации изделия от технологических параметров и структуры получаемого материала, учет которой позволяет повысить степень отверждения материала до 97 % и снизить уровень дефектов до 2 %.

4. Разработан температурно-временной режим отверждения (скорость протяжки стеклопластикового прутка до 4-6 м/мин (в зависимости от диаметра изделия), температурный режим в полимеризаторах: от 150 °С до 300 °С.), позволяющий повысить физико-механические характеристики конструкционного СП (минимум на 5 %) и снизить уровень остаточных напряжений в материале.

1. Автоматизированные производства изделий из КМ / В. С. Балакирев и др.; Под ред. В. С. Балакирева. - М.: Химия, 1990. - 240 с.

2. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1974. - 568 с.

3. Адсорбция из растворов на поверхностях твердых тел / Под ред. Пар-фит Р.-М.: Наука, 1988. -215 с.

4. Альперин В. И. Конструкционные стеклопластики. М.: Химия, 1985. -480 с.

5. Андреевская Г. Д. Высокопрочные ориентированные стеклопластики. -М.: Наука, 1966.-525 с.

6. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фракционном взаимодействии. М.: Машиностроение, 1986. - 359 с.

7. Барашков Н. Н. Полимерные композиты: получение, свойства, применение М: Наука, 1984. - 128 с.

8. Бартенев Г. М. Прочность и механизм разрушения полимеров. М.:1. Химия, 1984.-280 с.

9. Бартенев Г. М., Зеленев Ю. В. Физика и механика полимеров. М.: ВШ, 1983.-392 с.

10. Басин В. Е. Адгезионная прочность. М.: Химия, 1981. - 256 с.

11. Березин А. В., Козинкина А. Н. Особенности диагностики повреждений и оценки прочности композитов // Механика композитных материалови конструкций.-Т.5.- 1999. № 1.-С. 99-119.

12. Берлин А. А., Басин В. Е. Основы адгезии полимеров. М.: Химия, 1974.-392 с.

13. Берлин А. А., Волтфсон С. А., Оминян В. Г., Еникопопов Н. С. Принципы создания композиционных полимерных материалов. М: Химия, 1990.-240 с. :ил.

14. Берлин А. А., Вольфсон С. А., Ошмян Н. С. Ениколопов Н. С. Принципы создания композиционных материалов. М.: Химия, 1990. - 240 с.

15. Бобрышев А. Н., Козомазов В. Н., Авдеев Р. И. Кинетика отверждения композиционных материалов // Пластические массы, 1998 №9 С. 28-30.

16. Болотин В. В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. - 312 с.

17. Братухин А. Г., Сироткин О. С., Сабодаш П. Ф. Материалы будущего и их удивительные свойства. М.: Машиностроение, 1995. - 128 с.

18. Будницкий Г. М. Армирующие волокна для композиционных материалов. // Химические волокна. 1990. № 5. - С. 5-14.

19. Буланов И. М., Воробей В. В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: Учеб. Для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1998, - 516 е., ил.

20. Булманис В. Н., Гусев Ю. И., Стручков А. С., Антохонов В. Б. Экспериментальное исследование особенностей деформирования и разрушения при растяжении перекрёстно армированных композитов // Механика композитных материалов. 1985. - № 6 - С. 1020-1024.

21. Вакула В. Л., Притыкин Л. М. Физическая химия адгезии полимеров. -М.: Химия, 1984.-222 с.

22. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1988. - 272 с.

23. Влияние бензольных колец на тепло- и термостойкость эпоксидного связующего. Арсентьева С. Н., Маркин В. Б. С. 48-50 Инновации в машиностроении: Сборник статей III Всероссийской научно-практической конференции. Пенза, 2003. - 152 с.

24. Возможность применения правила смеси для пучка волокон. С. Н. Арсентьева, Е. С. Ананьева, В. Б. Маркин С. 14-25 Механика и процессы управления: труды XXXIII Уральского семинара/ Екатерин. бург, 2003 408 с.

25. Волосков Г. А. Механизмы структурообразования и роль режимов охлаждения в получении бездефектных эпоксидных полимеров // Механика композитных материалов. — 1987. — № 3. — С. 640-644.26,27.30.33,34,35