автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Трещиностойкость полимерных клеевых соединений листовых материалов при длительном воздействии факторов космического пространства

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Применение полимерных материалов в наружных элементах долговременных орбитальных станций и развитие исследований воздействия на них факторов околоземного космического пространства.

1.2. Подходы механики разрушения к оценке и прогнозированию прочности и долговечности полимерных материалов и клеевых соединений по инициированию и кинетике роста дефектов (трещин) в них.

Глава 2. Исследования влияния факторов космического пространства на трещиностойкость, структуру и свойства клеевого слоя и поверхностей разрушения клеевых соединений листовых ПКМ в пассивных экспериментах в натурных и имитирующих космические условиях.

2.1. Выбор метода и типа образца для оценки критических параметров трещиностойкости полимерных клеевых соединений листовых материалов.

2.2. Объекты исследований.

2. 3. Натурный пассивный эксперимент.

2.3.1. Условия эксперимента и методы исследования.

2.3.2. Результаты и их обсуждение.

2.4. Пассивные эксперименты в условиях, имитирующих воздействие факторов космического пространства.

2.4.1. Установка и условия имитации ФКП.

2.4.2. Исследование воздействия атомарного кислорода на клеевое соединение с докритически нагруженной трещиной.

2.4.3. Исследование эрозионного воздействия атомарного кислорода на поверхности разрушения ПКС.

Актуальность проблемы. Использование долговременных автоматических и пилотируемых крупногабаритных космических систем в условиях околоземного космического пространства и дальнего космоса поставило на первый план задачи обеспечения максимальных сроков их активной работы в условиях воздействия многообразных факторов космического пространства (ФКП). Важнейшую роль в создании наружных элементов конструкций долговременных крупногабаритных космических систем и обеспечении их эффективной работы играют обладающие высокими удельными деформационно-прочностными характеристиками клеевые соединения листовых алюминиевых сплавов и армированных высокопрочными и высокомодульными волокнами (стеклянными, углеродными, органическими) слоистых полимерных композиционных материалов.

В таких соединениях, представляющих собой трехслойные системы с резко различными термоупругими свойствами склеиваемых материалов и клеевого слоя, резко выраженными границами раздела между ними и сложными физико-химическими процессами, протекающими при формировании и отверждении клеевого слоя, особенно велика вероятность образования макроскопических дефектов типа трещин, их инициирование и рост под действием усадочных напряжений, прикладываемых нагрузок и факторов окружающей среды. Согласно представлениям линейной упругой и квазиупругой механики разрушения сопротивление инициированию и росту трещин (трещиностойкость) при критических (кратковременных предельных) и длительных докритических нагрузках определяет, соответственно, несущую способность и долговечность материалов и их соединений при заданных условиях эксплуатации. Поэтому оценка критических и контроль докритических параметров трещиностойкости при воздействии соответствующих нагрузок и факторов окружающей среды имеют важнейшее значение с точки зрения оценки и прогнозирования несущей способности и долговечности элементов конструкций, содержащих клеевые соединения листовых материалов. Однако, применительно к элементам космических конструкций исследования и разработки в этом направлении не проводились.

Целью работы является разработка, с использованием подходов и методов линейной упругой и квазиупругой механики разрушения, методик и проведение систематических исследований влияния длительного воздействия факторов космического пространства в натурных и имитирующих космические условиях па критические и докритические параметры трещиностойкости полимерных клеевых соединений листовых материалов, применяемых в наружных элементах конструкций космических аппаратов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести анализ особенностей воздействия факторов космического пространства на полимерные материалы и клеевые соединения и выбрать параметры и методы, предлагаемые в линейной упругой и квазиупругой механике разрушения для оценки и контроля их устойчивости к инициированию и росту трещин при критических и докритических нагрузках.

2. Разработать методики и провести пассивные эксперименты в натурных и имитирующих космические условиях по исследованию влияния факторов космического пространства на критические параметры трещиностойкости, структуру и свойства клеевого слоя и поверхностей разрушения клеевых соединений листовых полимерных комозиционных материалов (ПКМ).

3. Разработать и проверить расчетную методику оценки кинетики докритического роста трещин и построения обобщенных кинетических (С-У) диаграмм для стеклообразных полимеров и клеевых соединений на их основе с использованием термофлуктуационной теории долговечности полимеров и модели неупругой локальной зоны вблизи вершины трещины при квазиупругом ее росте.

4. Разработать и отработать в наземных условиях экспериментальную методику дистанционного контроля за кинетикой докритического роста трещины в клеевых соединениях листовых материалов и построения О- V диаграмм применительно к активным экспериментам в имитирующих и натурных космических условиях.

5. Организовать и провести активный космический эксперимент по определению кинетики докритического роста трещины в клеевых соединениях листов алюминиевого сплава и слоистого ПКМ и построению С- V диаграмм при длительном воздействии реальных ФКП, обработать и провести предварительный анализ и обобщение результатов натурного эксперимента.

6. Разработать рекомендации по использованию полученных результатов при создании устойчивых к воздействию факторов космического пространства полимерных материалов и клеевых соединений и методик оценки и прогнозирования их несущей способности и долговечности, а также выдать гарантии на продление сроков эксплуатации клеевых соединений листовых материалов на орбитальном комплексе «Мир» и Международной космической станции (МКС).

Работа выполнялась в соответствии с Программой «Научные исследования, эксперименты и целевые работы на орбитальной станции «Мир» 1993-1999 г.г.», международным проектом INTAS (Joint Research Project INTAS 94-3311) в 1994- 1996 г.г. по теме «Оценка и прогнозирование долговечности ПКМ и клеевых соединений в космических условиях по кинетике докритического роста трещин», а также входит в долгосрочную программу «Научные и прикладные исследования и эксперименты на Российском сегменте Международной космической станции».

Научная новизна результатов работы:

1. Установлено снижение критических параметров трещиностойкости полимерных клеевых соединений листовых ПКМ при их длительной пассивной экспозиции в имитирующих и натурных условиях воздействия факторов космического пространства, в первую очередь, высокого вакуума, термоциклирования, атомарного кислорода и жестких излучений, обусловленное процессами удаления низкомолекулярных компонентов, доотверждения и деструкции клеевого слоя и связующего ПКМ. Эти процессы протекают особенно интенсивно на открытых поверхностях и вблизи вершины трещины, где концентрируются наибольшие локальные деформации и напряжения, и проявляются наиболее резко на границах раздела материалов.

2. Разработана модель докритического роста трещины в псевдоупругих полимерах и клеевых соединениях на их основе при длительном статическом нагружении с использованием подходов линейной квазиупругой механики разрушения (модели развития неупругой зоны вблизи вершины трещины Баренблатта-Дагдейла) и термофлуктуационной теории долговечности полимеров (уравнения Журкова). На основе этой модели разработаны расчетная и экспериментальная методики оценки кинетики докритического роста трещины при заданном ее раскрытии, в начальный момент большем критического, и построения обобщенных кинетических G-V диаграмм для псевдоупругих полимеров и клеевых соединений. Показана адекватность методик с использованием литературных и экспериментально полученных данных для полиметилметакрилата и модельной отвержденной эпоксиаминной композиции соответственно.

3. Получены кинетические G-V диаграммы для клеевых соединений на основе трех типов клеев промышленных марок (ЭПК-1, К-300-61, ВК-9) и двух типов листовых материалов (слоистого стеклопластика КАСТ-В и алюминиевого сплава АМг-6) в имитирующих и натурных условиях длительного воздействия факторов космического пространства в наземном и космическом (на Международной космической станции) активных экспериментах с использованием разработанной методики и аппаратуры для дистанционного контроля за докритическим ростом трещины при заданной нагрузке непосредственно в ходе эксперимента. Установлено повышение скорости докритического роста трещины в клеевых соединениях листовых материалов на 1-3 десятичных порядка при воздействии факторов космического пространства в натурных условиях (при одинаковой нагрузке на трещину) по сравнению с наземными условиями.

Практическая значимость полученных результатов:

1. Разработаны, прошли наземную отработку и использованы в длительном космическом эксперименте методика и аппаратура «КРТ» для дистанционного контроля за ростом трещины в полимерных слоистых материалах и клеевых соединениях непосредственно в условиях эксплуатации.

2. На основе полученных в результате длительных пассивных и активных космических экспериментов данных о влиянии факторов космического пространства на критические и докритические параметры трещиностойкости клеевых соединений листовых материалов, используемых и перспективных, для наружных элементов конструкций долговременных орбитальных комплексов, разработаны рекомендации по созданию устойчивых к воздействию факторов космического пространства полимерных слоистых материалов и клеевых соединений, проведены оценка и прогнозирование их долговечности с использованием G-V диаграмм и выданы гарантии на продление срока эксплуатации соединений на орбитальных комплексах «Мир» и «МКС» до 15 лет.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на 14 научно-технических конференциях и симпозиумах, в том числе международных: 2-й и 3-й Международный аэрокосмический конгресс (Москва, 1997 и 2000 гг.);

6-й Международный симпозиум SAMPE, JISSE-6 (Япония, 1999 г.); 7-й и 8-й Международные симпозиумы по материалам в космосе IS-MSE-7; 8 (Тулуза и Аркашон, Франция, 1997 и 2000г.г.); Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения» (Москва, 1994-2001 г.г.); Российская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии (Москва, 1997 г.).

Публикации. Основные положения работы изложены в следующих статьях: 1 статья в сборнике «Научные труды МАТИ им. К. Э. Циолковского», 1 статья в журнале «Конструкции из композиционных материалов», 1 статья в журнале «High Performance Polymers», 1 статья в журнале «Aircraft Engineering and Aerospace Technology: An International Journal».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментальные результаты пассивных экспериментов по влиянию длительной экспозиции ПКС в натурных и имитирующих воздействие ФКП условиях на их трещиностойкость, структуру и свойства клеевого слоя и поверхность разрушения.

2. Полуэмпирическая расчетная методика оценки кинетики докритического роста трещины в стеклообразных псевдохрупких полимерах и ПКС при заданном раскрытии трещины в условиях статического нагружения и построения кинетических G-V - диаграмм, результаты расчетов и сравнение с экспериментальными данными.

3. Методика и аппаратура для дистанционного контроля за кинетикой докритического роста трещины при заданном ее раскрытии в образцах ПКС при заданных внешних условиях и построения кинетических G-Y - диаграмм.

4. Экспериментальные результаты, получаемые при проведении активного эксперимента в натурных условиях воздействия ФКП на МКС и в наземных условиях, по оценке кинетики докритического рост трещин при заданном ее раскрытии в 7-ми типах образцов ПКС, а также рассчитанные по этим результатам кинетические G-V - диаграммы для 4-х лет экспозиции.

Автор выражает благодарность научному консультанту, кандидату технических наук Козлову Николаю Алексеевичу («МАТИ»-РГТУ им. К. Э. Циолковского) за помощь, оказанную при выполнении экспериментальных исследований и обсуждении полученных результатов.

выводы

1. Установлено снижение критических параметров трещиностойкости полимерных клеевых соединений листовых ПКМ при их длительной пассивной экспозиции в имитирующих и натурных условиях воздействия факторов космического пространства, в первую очередь, высокого вакуума, термоциклирования, атомарного кислорода и жестких излучений, обусловленное процессами удаления низкомолекулярных компонентов, доотверждения и деструкции клеевого слоя и связующего ПКМ. Эти процессы протекают особенно интенсивно на открытых поверхностях и вблизи вершины трещины, где концентрируются наибольшие локальные деформации и напряжения, и проявляются наиболее резко на границах раздела материалов.

2. Разработана модель докритического роста трещины в псевдоупругих полимерах и клеевых соединениях на их основе при длительном статическом нагружении с использованием подходов линейной квазиупругой механики разрушения (модели развития неупругой зоны вблизи вершины трещины Баренблатга-Дагдейла) и термофлуктуационной теории долговечности полимеров (уравнения Журкова). На основе этой модели разработаны расчетная и экспериментальная методики оценки кинетики докритического роста трещины при заданном ее раскрытии, в начальный момент большем критического, и построения обобщенных кинетических С?- V диаграмм для псевдоупругих полимеров и клеевых соединений. Показана адекватность методик с использованием литературных и экспериментально полученных данных для полиметилметакрилата и модельной отвержденной эпоксиаминной композиции соответственно.

3. Получены кинетические С? - V диаграммы для клеевых соединений на основе трех типов клеев промышленных марок (ЭПК-1, К-300-61, ВК-9) и двух типов листовых материалов (слоистого стеклопластика КАСТ-В и алюминиевого сплава АМГ-6) в имитирующих и натурных условиях длительного воздействия факторов космического пространства в наземном и космическом (на Международной космической станции) активных экспериментов с использованием разработанной методики и аппаратуры для дистанционного контроля за докритическим ростом трещины при заданной нагрузке непосредственно в ходе эксперимента. Установлено повышение скорости докритического роста трещины в клеевых соединениях листовых материалов на 1 - 3 десятичных порядка при воздействии

137 факторов космического пространства в натурных условиях (при одинаковой нагрузке на трещину) по сравнению с наземными условиями.

4. Разработаны, прошли наземную отработку и использованы в длительном космическом эксперименте методика и аппаратура «КРТ» для дистанционного контроля за ростом трещины в полимерных слоистых материалах и клеевых соединениях непосредственно в условиях эксплуатации.

5. На основе полученных в результате длительных пассивных и активных космических экспериментов данных о влиянии факторов космического пространства на критические и докритические параметры трещиностойкости клеевых соединений листовых материалов, используемых и перспективных, для наружных элементов конструкций долговременных орбитальных комплексов, разработаны рекомендации по созданию устойчивых к воздействию факторов космического пространства полимерных слоистых материалов и клеевых соединений, проведены оценка и прогнозирование их долговечности с использованием (7- V диаграмм и выданы гарантии на продление срока эксплуатации соединений на орбитальных комплексах «Мир» и «МКС» до 15 лет.

2.5. Заключение

Проведенные пассивные эксперименты по длительной экспозиции клеевых соединений ПКМ в натурных и имитирующих воздействие ФКП условиях и систематические исследования в лабораторных условиях изменения структуры и свойств клеевой прослойки и критических параметров устойчивости к инициированию и росту предварительно заданных трещин показали, что трещина в таких соединениях растет преимущественно в межфазной области клеевой слой - слой связующего на поверхности ПКМ. Полученные данные свидетельствуют о резко выраженном воздействии ФКП, в особенности термоциклирования, высокого вакуума и атомарного кислорода на состав и структуру открытых поверхностей полимерных компонентов клеевых соединений вследствие удаления низкомолекулярных летучих компонентов и протекания химических реакций в объеме полимерных компонентов, а также окислительно-эрозионных процессов на свободных поверхностях, в том числе у краев дефекта, где концентрируются небольшие локальные напряжения. Задержка в оценке влияния этих эффектов на параметры и условия роста дефектов в пассивных экспериментах, обусловленная необходимостью извлечения образцов из места экспозиции, а также последействие наземных факторов, в первую очередь кислорода воздуха и влаги, затрудняют получение корректных данных о реальном поведении дефектов в условиях эксплуатации и использование этих данных для оценки и прогнозирования работоспособности и долговечности полимерных клеевых соединений в реальных условиях.

С этой точки зрения очевидно, что более целесообразна разработка методов дистанционного (in situ) контроля поведения дефектов, или трещин при заданных условиях нагружения и параметрах окружающей среды, позволяющих проводить такой контроль непосредственно в натурных или имитирующих натурные условиях, т. е. в активных экспериментах, и получать данные, позволяющие корректно оценивать и прогнозировать долговечность материалов и элементов конструкций. Разработке и исследованию такого метода применительно к росту трещин в полимерных клеевых соединениях при воздействии ФКП посвящена вторая часть исследований в данной работе.

Глава 3. Разработка и проверка расчетной методики оценки кинетики докритического роста трещин в полимерных материалах и клеевых соединениях

3.1. Разработка методики расчета кинетики докритического роста трещины и построения в-У диаграмм для стеклообразных полимеров с использованием подходов линейной механики разрушения и термофлуктуационной теории долговечности полимеров

Как показано в литературном обзоре, применение подходов ЛМР для анализа нагружения и псевдохрупкого роста трещины в квазиупругом теле с трещиной базируется на представлении об упругом поведении тела в целом и о развитии неупругих деформаций только в зоне вблизи вершины трещины, причем размер этой зоны значительно меньше размера трещины. Это позволяет использовать основные макромеханические соотношения ЛМР для расчета трещинодвижущих сил (ТДС) и критических условий инициирования трещины с учетом макрогеометрии тела и условий нагружения в сочетании с микромеханическими параметрами и деформационными критериями развития локальных неупругих зон вблизи вершины трещины, вводимых в соответсвующих моделях.

Применительно к стеклообразным полимерам, к которым относятся большинство отвержденных густосетчатых полимеров, в том числе эпоксидные полимеры, а также ПКМ и клеевые соединения на их основе, наиболее эффективной моделью локальной неупругой зоны вблизи вершины псевдохрупкой трещины является модель Баренблатта-Дагдейла (рис. 3.1). В этой модели локальная зона неупругих деформаций, или зона предразрушения, возникающая при действии макроскопических напряжений сг и являющаяся продолжением трещины, сдерживается когезионными силами (<тс), соответствующими для стеклообразных полимеров пределу вынужденной эластичности (образованию крейз или полос сдвига). Размер локальной зоны / и ее предельное (критическое) значение 1С как параметры нагрузки на трещину и критерии ее критического роста связаны с энергетическим параметром трещинодвижущей силы следующими соотношениями [45,49]: т т Г т а \ « /

V г

5 4 * С-*-> Ос

--сгс нни

Рис. 3.1. Схема локальной зоны неупругих деформаций (пояснения в тексте)

1 к Ев, ^ л ЕС1С 8 с 8

Другим важным параметром в этой модели, характеризующим нагрузку на трещину, является предельное локальное раскрытие неупругой зоны вблизи вершины трещины 8, равное диаметру закругления (или "затупления") вершины трещины перед неупругой зоной (см.рис.3.1). Величина 8 описывается соотношением [46, 50]: к +1 )сгг1 д = ~-(3.2)

ЛЦ О где: к - 3-4 уи к = ~ У для плосконапряженного и плоско деформированного

1-V состояния соответственно; у - коэффициент Пуассона; /и - модуль упругости при Е ч сдвиге (ц =-).

1-у)

Для плосконапряженного и плоскодеформированного состояний значения 5 и его критическая величина 8с связаны с энергетическим параметром трещинодвижущей силы (бу) и критерием критического роста трещины (Сь) соотношениями соответственно:

3.3)

5 =-, 0С=

3.4)

Критические условия инициирования и роста трещины в модели Баренблатта-Дагдейла могут быть определены как традиционными для ЛМР энергетическими и силовыми макромеханическими, так и деформационными микромеханическими (локальными) критериями. Макромеханические критерии соответствуют достижению параметрами ТДС, определяемыми нагрузкой на тело с дефектом и его геометрией, своих предельных значений, равных сопротивлению инициирования трещины КГ=К1С). Микромеханические критерии соответствуют достижению геометрическими параметрами локальной зоны неупругих деформаций своих предельных значений (1=10 б=5с), зависящих от предельной локальной деформируемости материала. Если нагрузка на трещину или локальная деформация неупругой зоны меньше предельной (С//<Ст1С, К1<К1С, 1<1& 8<8С), то быстрый (критический) рост трещины не может происходить и возможно только ее медленное докритическое подрастание в результате процессов, протекающих в неупругой зоне вблизи вершины трещины и уменьшающих сопротивление ее росту.

В предлагаемой нами модели при любой нагрузке на трещину, меньшей критической, в соответствие со схемой, приведенной на рис. 3.1, локальная зона неупругих деформаций развивается по псевдопластическому механизму вынужденной высокоэластичности в виде микрокрейз (под действием локальных растягивающих напряжений) или локальных полос сдвига (под действием сдвиговых напряжений) и сопровождается ориентационной вытяжкой полимерных цепей. В этой зоне на псевдопластически деформированный полимер действует постоянное локальное напряжение, равное предельному напряжению неупругих деформаций <тс и обусловленное действием когезионных внутри- и межмолекулярных связей. Докритическое подрастание трещины возможно как результат достижения локальных критических условий в неупругой зоне вследствие ослабления во времени когезионных сил и развития предельных деформаций из-за разрыва внутри- и межмолекулярных связей, в частности, по термофлуктуационному механизму, описываемому в теориях долговечности и длительной прочности полимеров [44, 114, 116], или в результате воздействия агрессивных сред (реагентов) и излучений.

Для описания зависимости сгс от времени ? вследствие термофлуктуационного механизма ослабления когезионных сил в настоящей работе используется уравнение кинетической теории прочности полимеров, часто называемое уравнением Журкова, которое базируется на представлении о решающей роли в разрушении полимера, при длительном действии малых нагрузок, повреждений на молекулярном уровне - активационных (термофлуктуационных) разрывов связей, аналогичных химическим реакциям или проскальзыванию цепей: tp=ToexVp0-r*<r]/k*T} (3.5) где: /р - статическая долговечность (время до разрушения); го - константа, совпадающая с периодом тепловых колебаний атомов; U0 - энергия активации разрыва связей; у- константа материала, характеризующая распределение нагрузки на связи и зависящая от структуры полимера; к - константа Больцмана; Т -температура; а - растягивающее напряжение.

Из уравнения Журкова может быть получено выражение для зависимости от времени сгс: и ИТ ac(t)=-2- - — In (t/T0) (3.6) у у

Используя это соотношение, а также макро- и микромеханические уравнения JIMP, связывающие нагрузку Р на образец с трещиной или смещение (деформацию) Л в нем с нагрузкой на трещину (G\ и.К{) (уравнения 1.5-1.9, глава 1, раздел 1.2) и геометрические параметры неупругой зоны вблизи вершины трещины / и Ôс G\ или Ki и ас (уравнения 3.1-3.4), соответственно, можно проанализировать возможности и найти способы расчета кинетики докритического роста трещины при различных условиях нагружения.

Ниже такой анализ проведен для двух основных видов длительного статического нагружения образца с трещиной типа ДКБ (см. рис. 1.2а, 1.9а, глава 1, раздел 1.2): при постоянной нагрузке Р и постоянном раскрытии трещины Л. За макромеханический параметр ТДС принят энергетический параметр G} в условиях плоско-напряженного состояния, а в качестве основной микромеханической характеристики неупругой зоны вблизи вершины трещины - ее максимальное раскрытие 8. При этом предполагается, что докритический рост трещины происходит тогда, когда величина макромеханического параметра ТДС (Gj) при заданной длине трещины а меньше критической (Gj<G]C), а микромеханический параметр достигает своего предельного значения (Ô=SC). Достижение трещиной своей критической длины (ас) и, соответственно, критического значения трещинодвижущей силы Gic приводит к критическому росту трещины.

Первый тип нагружения: постоянная нагрузка на образец (режим ползучести, />=const.).

Начальная длина трещины а0<аСУ раскрытие вершины трещины 8 в ненагруженном образце равно 0. Нагрузка Р<Рс прикладывается мгновенно и поддерживается постоянной, обеспечивая начальную нагрузку на трещину Gi(0) = 12Р ^ а ^

-Г~ < °1С (см. уравнение 1.9а, глава 1, раздел 1.2) и практически мгновенное

ЕЬп развитие неупругой зоны вблизи вершины трещины <5(0) = G/ ^ <SC (см. уравнение гс(0)

3.3), где <тс(0) - начальный предел текучести (крейзообразования) полимера. В процессе выдержки под нагрузкой S возрастает вследствие уменьшения сгс в соответствии с уравнением (2.4). За некоторое время, которое можно назвать индукционным периодом (iu), величина 8 достигнет критического значения (8=8С), что соответствует микромеханическому условию начала докритического подрастания трещины. Подрастание трещины сопровождается возрастанием макромеханической нагрузки на трещину (—>0), что делает его нестабильным, da т.е. самоускоряющимся и в зависимости от величины нагрузки Р этот процесс может достаточно быстро перейти в критическую стадию. Таким образом, при P=const экспериментально определить кинетику докритического подрастания трещины в псевдохрупких стеклообразных полимерах и, следовательно, получить G-V диаграмму практически невозможно, так как в течение основного периода времени происходит скрытое развитие неупругой зоны до критических размеров, а процесс докритического подрастания после его начала протекает с ускорением и достаточно быстро. В предлагаемой модели индукционный период развития неупругой зоны может быть рассчитан, исходя из микромеханических условий начала докритического подрастания трещины, (8=8С), только если задать характер изменения G\B этот период.

Второй тип нагружения: постоянное раскрытие трещины (режим релаксации нагрузки, ¿1-const.). Такой тип нагрузки можно осуществить двояко. В первом случае исходную трещину (а0<ас, <5=0) быстро раскрыть на величину Л, меньшую критической (Л<ЛС), и поддерживать ее постоянной. Начальная величина нагрузки на трещину в соответствии с уравнением 1.9а (см. главу 1, раздел 1.2 литобзора, зависящая только от длины трещины а:

3.7)

16а вызовет практически мгновенное раскрытие зоны неупругих деформаций до начальной величины <5(0)<<^

Также как и при первом типе нагружения до начала докритического роста трещины раскрытие неупругой зоны должно достичь значения 8С, то есть должен наблюдаться скрытый, индукционный период. После достижения микромеханического условия докритического подрастания трещины в отличие от Р=соти при А=сот\ это подрастание трещины должно быть стабильным, с1Сг так как —<0. Скорость этого процесса и ее зависимость от Сг\(а), то есть б-V да диаграмма, могут быть рассчитаны из условия: в) С/с

С7С(/) С7С( 0)

С использованием соотношений (3.6) и (3.7) получаем:

3.8) ~ * [^о - КТ 1п(—)] (3.9) 16а(/)4 у т0 где: - время, в течение которого трещина подрастает докритически: ^ = t-tu (/ - общее время нагружения; ¿и - индукционный период развития 8от ¿^0) до 8С). Из соотношения (2.7) получаем: а(/) =

3 ЕИ3А2у

ШС(У0 -ЯТЩ^-))

3.10); у= — = Л а(011Т

3.11)

88

Очевидно, что необходимость определения и учета индукционного периода докритического развития неупругой зоны затрудняет как расчет, так и экспериментальное определение С- V диаграммы при таком задании постоянного раскрытия трещины. Исключить необходимость определения ¿и можно, если сразу задать раскрытие трещины, большее или равное критическому, при ее исходной длине а0 и поддерживать А=сот1. Критическое раскрытие трещины вызовет ее быстрое подрастание на некоторую величину Аа, пока макромеханическая нагрузка на трещину (^(а) (см. уравнение 3.9) не станет меньше С^с и трещина не остановится. Длина трещины а(0)=ао+Аа принимается за начальную, локальное раскрытие неупругой зоны при этом соответствует критической величине д(0)=3с, и, следовательно, трещина с течением времени сразу, без индукционного периода, должна докритически стабильно подрастать. Для оценки скорости этого процесса и построения С-Vдиаграммы можно использовать соотношения (3.9-3.11), заменив ¿р на

При этом расчет С- V диаграммы для известных констант уравнения Журкова {ио, т0, у), критических параметров трещиностойкости (<, Зс) и деформационных прочностных свойств (Е, <тс) материала может быть проведен последовательно:

1. По формуле (3.10) рассчитывается зависимость длины трещины от времени для выбранных временных интервалов.

2. По формулам (3.9 и 3.11) рассчитываются зависимости (7/ и V от длины трещины в соответствующие периоды времени.

3. По зависимости С (а) и ¥(а) строится С- V диаграмма.

89

3.2. Проверка методики расчета кинетики докритического роста трещины и построения в-У диаграмм при постоянном раскрытии трещины стеклообразных полимеров

3.2.1. Полиметилметакрилат (ПММА)

Выбор ПММА для проведения модельных расчетов кинетики докритического роста трещины обусловлен большим числом проведенных исследований этого материала методами механики трещин и кинетической теории прочности и большим количеством имеющихся по нему литературных данных [50, 77-79]. В таблице 3.1 (в числителе) обобщены найденные в литературе и необходимые для проведения модельных расчетов данные о параметрах уравнения Журкова для ПММА (энергии активации процесса разрушения 1/0, структурно-чувствительном коэффициенте у и предэкспоненциальном множителе г0), критических значениях параметров 01С и Зс, а также о модуле упругости при растяжении Е и пределе текучести сгс. Там же (в знаменателе) приведены взятые для модельных расчетов значения вышеуказанных параметров.

Расчеты с помощью пакета компьютерных прикладных программ МаЛСаё проводили применительно к монолитным образцам ДКБ (см. рис. 1.8а, глава 1, раздел 1.2) со следующими геометрическими характеристиками:

0=25 мм; Д= 0,5 мм; /г=10 мм; ¿=20 мм.

При расчетах значение температуры принимали равным 300°^.

Полученные данные приведены в таблице 3.2 и на рис. 3.2-3.3.

1. Исходные данные для выбора неметаллических материалов. Ограничитель П17375-082. БРК РКК «Энергия». -182 с.

2. Барбашов Е.А. и др. Некоторые результаты испытаний полимерных материалов после экспонирования в условиях открытого космоса. // Космическая технология и материаловедение. М.: Наука, - 1982. - С. 78-84.

3. Гуняев Г. М., Старцев О. В., Никишин Е. Ф. и др. Влияние натурной экспозиции в космосе на физико-механические свойства углепластика // Механика композитных материалов, 1983. - № 2. - С. 211 - 220.

4. Жигун И. Г. и др.Влияние длительного воздействия экстремальных условий на свойства предварительно нагруженных композитов при растяжении, сжатии и сдвиге // Механика композитных материалов, 1987, - № 5. - С. 813 - 821.

5. Старцев О. В., Никишин Е. Ф. Старение полимерных композитных материалов в условиях открытого космоса // Механика композитных материалов, 1993, - № 4, -С. 457-467.

6. Startsev О. V., Issupov V. V., Nikishin Е. F. The Gradient of Mechanical Characteristics Across the Thickness of Composite Laminates after Exposure in LEO Environment // Polymer Composites, Feb. 1998. V. 19. - № 1. - p. 435 - 444.

7. Козлов Н. А., Бабаевский П. Г. Изменение диэлектрических свойств полимерных материалов в условиях, имитирующих космические //Сб. трудов XXIV Чтений Циолковского /, ИИЕГ АН СССР, Москва, 1990, С. 114-120.

8. Babayevsky P. G., Kozlov N. A. New Data on Polymer and Composite Dielectricth

9. Properties during Long-Term Exposure in Space Environment // Proceedings of the 6 Japan International SAMDE Symposium. Tokyo, 1999, - p. 961-964.

10. Babayevsky P. G., Kozlov N. A., Shubin A. N. Techniques and Instrumentation for Development of Space Experiment on Polymer Materials //Aircraft Engineering and Aerospace Technology: An International Journal. 2001. - V. 73. - N 4, - p. 367-373.

11. Разработка методики и аппаратуры, неразрушающей электротопографической дефектоскопии слоев материалов и покрытий // Научно-технический отчет, Институт Физики АН УССР. 1987. - 120 с.

12. Григорян О. Р. и др. Прибор для экологического мониторинга на ОК «МИР» // Инженерная экология. 1997. - № 2. - С. 44-50.

13. Шаварин Ю. Я. и др. // Радиационная стойкость полимерных и полимерсодержащих материалов в условиях космоса. М.: НИИТЭХИМ. - 1988. -Вып. 9, - С. 91-109.

14. Милинчук В. К., Тупичов В.И., Брисман Б.А. и др. Радиационная стойкость органических материалов. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1986. 272 с.

15. Милинчук В. К., Клишпонт Э.Р., Туничов В.И. Основы радиационной стойкости органических материалов. М.: Энергоатомиздат, 1992, - 256 с.

16. A. S. Levine (Ed.) 1991-1995: LDEF 69 Months In Space // 1st - 3rd Post Retrieval Symposia. - NASA.-p. 3134-3194.

17. Elrod, P. D., Jones, A. C. Test and Evaluation Capability for Space-based Systems Developed at Arnold Engineering Development Center // ITEA Journal. 1993.

18. Tagaka, M. Recent Development of the Laser Induced Breakdown Type AO Source atit

19. Osaka University // 20 International Symposium on Space Technology and Science: Proceedings. Gifii, Japan. - May 19-25, 1996. - p. 1-5.

20. Tennison R. C. Space Environment Effects on Polymer Matrix Composites. the UTIAS / LDEF experiments // Proceedings of the 5th International Symposium on Materials in a Space Environment. - France, Toulouse. - CNES. - 1992. - p. 93-110.

21. Proceedings of the 1st- 8th International Symposia on "Material in Space Environment. Nordwijk, the Netherlands Toulouse, Arcachon, France. - ESA-CNES - ONERA. -1980-2000.-p. 788-790.

22. Proceedings of the 1st 5th International Conference on "Protection of Materials and Structures from the LEO Space Environments". Toronto - Canada. - 1992-2000. -531 p.

23. Proceedings of EOIM 3BMDO Experiment Workshop. - June 22-23, 1993. - Arcadia, California, USA. - 423 p.

24. Pailow A., Pailler C. Behaviour of Carbon/Epoxy Composites in simulated LEO and GEO environments // 6th International Symposium on Materials in a Space Environment: Proceedings. ESTEC, Nordwijk, the Netherlands. - ESA Publ., - 1994. - p. 95-102.

25. Tenney D. R. Composite Materials for Space Structures // 3rd International Symposium on Materials in a Space Environment, ESEC. Nordwijk, the Netherlands. - ESA publ. -1985,-p. 9-21.

26. Funk J. G., Sykes G. F. Space Radiation Effects on PEEK in Films and Composites // SAMPE Quarterly. 988. - V. 19. - N 3. - p. 19-26.

27. Rose M. F. Electrical Insulation and Dielectrics in the Space Environment // Electrical Insulation. 1987. -V. El-22. -N. 5. - p. 555-571.

28. Golub M. A., Vedeven T. Reactions of AO with Various Polymer Films // Polymer Degradation and Stability. 1988. - V. 22. -p. 325-338.

29. Arnold G. S., Peplinski D. R. Reactions of AO with Polymer Films //AIAA Journal. -1985. V. 23. - N 10. -p. 1621-1626.

30. Reddy M. R. Review: Effect of LEO Atomic Oxygen on Spacecraft Materials // J. Mater. Sci., V. 30. - 1995. - p. 281-301.

31. Pakirisami S. Review: AO Resistant Coatings for LEO Space Structures // J. Mater. Sci., -V. 30.- 1995.-p. 308-320.

32. Visentine D. MIR Solar Array Returned Experiment // AIAA 99-0100. 37th AIAA Aerospace Sciences. - Keno, NV, USA. - 1999.

33. Letin V. A., Babayevsky P. G. Comparative Analysis of Solar Array Fragments Degradation at Different Structures Scale during and after Long-Term Exposure Overboard the "Mir" Space Station // High Performance Polymers. 2001. - V. 13. -p. S453-S460.

34. Bogus K. Solar Array Environmental Interaction // Space Environment Prevention of Risks Related to Spacecraft Charging. Toulouse, France. - CNES. - 1996. -p. 353-365.

35. Tutrin Ju. Book of Abstracts 8th- ISMSE 5th - ICPMSE. - Arcachon, France. - June, 2000.-p. 51-58.

36. Babel H. K., Jones C. Materials and Process Technology Developed for the International Space Station // Proceedings of the 7th International Symposium on "Materials in Space Environment". Toulouse, France. - June, 1997. - p. 31 - 47.

37. Protection of Materials and Structures from LEO Space Environment. -Kluwer Acad. Publ., 1999, 331 p.

38. Tribble C. US Russian Thermal Control Coatings Results in LEO // J. Spacecraft and Rockets. - 1996. - V. 33. - N 1, -p. 160-167.

39. Новиков Jl. С., Черник В. Н., Бабаевский П. Г. и др. Исследование углепластика КМУ-4Л с покрытием ЭКДМ-1 при лабораторной имитации длительного полета в ионосфере // Перспективные материалы. 2001. - N 5. -С. 20-26.

40. Special issue papers: High Performance Polymeric Materials for Space Application, High Performance Polymers, 2000.- V. 12. N 1.-140 p.

41. Бокшицкий M. H. Длительная прочность полимеров. M.: Химия, 1978. - 308 с.

42. Нильсен Л. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. Пер. с анг. -М.: Химия, 1978. 310 с.

43. Нарисава И. Прочность полимерных материалов. Пер с яп. —М.: Химия, 1987. -398 с.

44. Кинлок Э. Адгезия и адгезивы: Наука и технология. Пер. с анг. М.: Мир, - 1991. - 484 с.

45. Тамуж В.П., Куксенко B.C. Микромеханика разрушения полимерных материалов. Рига: «Зинанте», 1978. 294 с.

46. Curtin, К. A., Scher, Н. Time-dependent damage evolution and failure in materials // Physical Rev. B. -1997. V. 55. - N 18. -p. 1238-1250.

47. Williams, J. G. Application of Linear Fracture Mechanics // Advances in Polymer Sci. Failure in Polymers. Springer, Berlin-Heidelberg, 1978, -N 4, - p. 67-120.

48. Бабаевский П. Г., Кулик С. Г. Трещиностойкость отвержденных полимерных композиций. М.: Химия, 1991. - 334 с.

49. Миллер К. Ползучесть и разрушение. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1986. -119 с.

50. Reifsnider, К. L. Life Prediction Analysis: Directions and Divagations // Proceedings of 6th ICCM 2nd ECCM. - Elsevier Appl. Sci., 1987. - V. 4. -p. 4.1-4.31.

51. Нешпор Г. С., Кудрявцева Г. Д., Армягов А. А. Методы получения R-кривых и их применение для оценки материалов // Заводская лаборатория. -1985. -т. 51. N1. -С. 64-73.

52. Баренблат Г.И. Математическая теория трещин, образующихся при хрупком разрушении // Прикл. математика и техническая физика. -1961. №4. -С. 3 - 56.

53. Панасюк В.В. Предельное равновесие хрупких тел с трещинами. Киев: Наукова Думка, 1968.-248 с.

54. Сиратори М., Миеси Т., Мацусита X. Вычислительная механика разрушения. Пер. с японск. М.:Мир, 1986. - 334 с.

55. В. 3. Партон, Е. М. Морозов. Механика упругопластичного разрушения. М.: Наука, 1985.- 183 с.

56. Evans A. G. A method for evaluating the time-dependent failure characteristics of brittle materials and its application to polycrystalline alumina // J. Mat. Sci., 1972. - V.7. -p. 1137- 1146.

57. Beer H. R. Static Fatigue and time failure predictions of particular filled epoxide resin composite // J. Mat. Sci., 1986. -V. 21. -p. 3661-3667.

58. A. G. Evans, H. Johnson. The fracture stress and its dependence on slow crack growth // J. Mat. Sci., 1975.-V. 21.-p. 241.

59. Броек Д. Основы механики разрушения. Пер.с англ. под ред В.К. Кудряшова. -М.Металлургия, 1978. 256 с.

60. Govila R.K. Material parameters for life prediction in ceramics // Ceramics for High-Performace Applications. Part III. Reliability. New York - London Plenum Press. -1983. -p.535-567.

61. B. J.Pletka, S.M. Wiederhorn. A comparison of failure predictions by strength and fracture mechanics techniques// J.Mat. Sci., 1982. V. 17. -p.1247- 1268.

62. Ritter J. E., Wiederhorn S. M., Fuller E. R. Application of fracture mechanics in assuring against fatigue of ceramics components // Ceramics for high-performance applications, ogy series. New York London: Plenum Press, 1983. - V.6. -p.503 - 533.

63. M.R.Begley, B.N.Cox, R.M.McMeeking II J. Of Engineering for Gas Turbines and Power. Oct. 1998. - V.120. - p. 808 - 812.

64. Quing Ma. A four-point bending technique for studying subcritical crack growth in thin films and at interfaces // J.Mater Sci., Mar. 1997. V.12. - No.3. -p. 840 - 845.

65. B. Rhanim, C.Olagnon, G.Fantozzi, R.Toerrcillas, Crack propagation behaviour in mullite at high temperatures by double-torsion technique // J. Eur.Cer.Soc., 1997. -V.17.-p. 85-89.

66. Г. В. Гаврилов. Длительная трещиностойкость вязкоупругого стареющего композита при статических нагрузках // Прикладная механика, 1999. -Том 35. -№2. С. 85 - 89.

67. А.А. Каминский, Г.В. Гаврилов. Докритический рост макротрещин в ортотропном вязкоупругом стареющем композите при статических нагрузках // Прикладная механика, 1999. Т. 35. - №6. -С.92 - 96.

68. D.T. Baron, T.C. Miller, C.T.Liu, Subcritical Crack Growth in a Composite Solid ropellant // J. Of Reiforced Plastics and Composites, 1999. -Vol.18. -No.3. -p. 233 -250.

69. Satoshi Zoshida, Jun Matsuoka, Naohiro Soga // J.Am.Ceram.Soc, 1999. -V.82 6. -p.1621 -1623.

70. D. C. Phillips, J. M. Scott. Determination of the K, V diagram of epoxide resins // J. Mat. Sci. Letters. 1974. - V. 9. - p. 1205.

71. Williams D.P., Evans A.G. A Simple Method for Studying Slow Crack Growth // J. Testing and Evaluation, 1973. -V.1.-N4. -p.264 270.

72. Athkins, A.G, Mai, Y. W. Elastic and plastic fracture: metals, polymers, ceramics, composites. -Chichester: Ellis Horwood Publ., 1985. 817 p.

73. Kinloch, A.J. & Shaw, S. J. Development in adhesives-2, Ed. by A. J. Kinloch. -London: Applied Science Publishers Ltd., 1984. 82 p.

74. Kausch, H. H. Polymer Fracture. 2nd ed. Chichester: Ellis Horwood Publ. -1987, -549 P

75. Beaumont P.W.R., Young R. J. Failure of brittle polymers by slow crack growth. Part 1: crack propagation in polymethylmethacrylate and time-to-failure predictions // J. Mater. Sci., 1975. V. 10.-pp.1334- 1342.

76. Marshall, G. P. Temperature effects in the fracture of PMMA // J. Mat. Sci., 1974. -V. 9. -p. 1409- 1419.

77. M. Parvin, J.G. Williams. The effect of temperature on the fracture of polycarbonate // J. Mat Sci., 1975. V.10. -p.1883 - 1888.

78. Gledhill, R.A., Kinloch, A. J. Failure criterion for the fracture of structural adhesive joints // Polymer, 1978. V. 19. - p. 574-582.

79. S. Yamini, R. J. Young. Crack propagation in and fractography of epoxy resins // J. Mat. Sci., 1979. -V. 13. pp. 1609-1618.

80. R.A. Gledhill, A. J. Kinloch and S.J. Shaw. A self-toughening mechanism in epoxide resins // J. Mat. Sci. Letters, 1979. -V. 14. -p.1769-1772.

81. R. A. Gledhill, A. J. Kinloch. Crack growth in epoxide resin adhesives // J.Mater. Sci. Letters, 1975. -V. 10. -p. 1261 1263.

82. Gledhill, R.A. & Kinloch. Relationship between mechanical properties of and crack propagation in epoxy resin adhesives // Polymer. 1978. -V.19. - p.574 - 582.

83. Philips, D.C., Scott, J. M. Determination of the K,V diagram of epoxide resins // J.Mater. Sci. Letters, 1974. -V.9. p. 1202 - 1205.

84. С. A. Stassinakis, P. S. Theocaris, V Kytopoulos. Slow crack propagation through biomaterial interfaces studied by scaning electron microscopy // J.Mater. Sci, 1986, V.21.-p. 1155- 1160.

85. R. J. Young, P.W.R. Beaumont. Failure of brittle polymers by slow crack growth. Part 2: Failure process in a silica particle-filled epoxy resin composite // J.Mater. Sci., 1975. -V.10. -p.1343 1350.

86. ASTM D 3762 79 (Reapproved 1988). Standard Test Method for Adhesive-Bonded Surface Durability of Aluminium (Wedge Test). Annual Book of ASTM Standards. -V. 15.06. - p. 268 -271.

87. ASTM D 3433 75. (Reapproved 1985) Standard Practice for Fracture Strength in Cleavage of Adhesives in Bonded Joints. - V. 15.06. - p.226 -232.

88. ASTM D 5041 93b. Standard Test Method for Fracture Strength in Strength in Cleavage of Adhesives in Bonded Joints, V. 15.06. - p. 415-419.

89. ASTM D 1876 72 (Reapproved 1983). Standard Test Method for Peel Resistance of Adhesives (T-Peel Test). - p. 120 - 122.

90. ASTM E 561 86. Standard Practice for R-curve Determination. - p. 571 - 582.

91. ASTM D 1062 78 (Reapproved 1983). Standard Test Method for Cleavage Strength of Metal-to-Metal Adhesive Bonds. - p. 49 - 51.

92. ASTM D 3933 80. Standard Practice for Preparation of Aluminum Surfaces for Structural Adhesives Bonding (Phosphoric Acid Anodizing). - p. 303 - 306.

93. ASTM D 2651 79 (Reapproved 1984). Standard Practice for Preparation of Metal Surfaces for Adhesive Bonding, - p. 165 - 169.

94. ASTM D 1183 70. (Reapproved 1987). Standard Test for Resistance of Adhesives to Cyclic Laboratory Aging Conditions. - p. 66 - 67.

95. ASTM D 1151 90. Standard Test method for Effect of Moisture and Temperature on Adhesive Bonds. - p. 64 - 65.

96. BS 5350: Part CT.1986. Determination of cleavage strength of adhesive bonds. 6 p.

97. BS 5350:Part C12:1979. 180° 'T' peel test for a flexible-to-flexible assembly. -4 p.

98. BS 5350:Part C7:1990. Determination of creep and resistance to sustained application of force. 4 p.

99. ISO 13586:2000. Plastics Determination of fracture toughness (GIC and KIC) -Linear elastic fracture mechanics (LEFM) approach. - 16 p.

100. ISO 15107:1998. Adhesives Determination of cleavage strength of bonded joints. - 5 p.

101. Методические рекомендации. Определение характеристик трещиностойкости полимерных композиционных материалов при статических нагрузках. -Львов: ФМИ АН УССР, 1984. -78 с.

102. J.KJethwa, A.J.Kinloch, G.Wallington. A new method for determining the adhesive fracture energy when bonding thin or coated substrates // J.Mat. Sci Letters, 1993. -V.14. p. 155- 157.

103. J.C.Mc.Millan. Durability test methods for aerospace bonding // Developments in Adhesives. Ed. Kinloch A.J. London: Applied Science Publishers, 1981. - 419 p.

104. Грабильников А. С., Ларина H. Д. Методы определения трещиностойкости клеевых соединений. // Нестандартные методы исследования структуры и свойств полимерных материалов. М.: МАТИ, 1990. - Вып. 6, -24 с.

105. Mostovoy, S., Ripling, Е. J. Adhesion Sci. And Technol., N-Y: Plenum Press, 1975,-p. 513-519.

106. Практикум по полимерному материаловедению. Под ред. П.Г. Бабаевского. -М.: Химия, 1980.-255 с.

107. Д. Ван Кревелен, Р. Хофтицер. Свойства и химическое строение полимеров. Пер. с англ. М.: Химия, 1976. 312 с.

108. П.Г. Бабаевский, А.Н. Шубин, П.Г. Вагстафф. Физико-механические свойства и характер разрушения эпоксиаминных композиций, отвержденных в виде пленок, клеевых прослоек и блочных образцов // Конструкции из композиционных материалов, 1999. -№4. -С. 36 47.

109. A.C. Любимов. Кратковременная и длительная прочность эпоксидных композиций холодного отверждения // Физико-химическая механика материалов. 1985. -Т. 21. - N 5. -С. 124-125.