Техника исследования анизотропии жесткости композиционных материалов авиационного назначения при воздействии факторов внешней среды тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ БАРНАУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Коваленко Андрей Андреевич Су

ТЕХНИКА ИССЛЕДОВАНИЯ АНИЗОТРОПИИ ЖЕСТКОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ АВИАЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ

Специальность 01.04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов,

автоматизация физических исследований

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук профессор Старцев О.В., кандидат физико-математических наук доцент Насонов А. Д.

Барнаул -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ЛИСТОВЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ АВИАЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ....................................................................... 12

1.1. СОСТАВ, ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ...........................................12

1.1.1. СВОЙСТВА АРМИРУЮЩИХ ВОЛОКОН..........................................12

1.1.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЯЗУЮЩИХ...........................17

1.1.3. ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА КОМПОЗИТОВ.............................18

1.2. АНИЗОТРОПИЯ УПРУГИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ И СПОСОБЫ ЕЕ ОПИСАНИЯ.....................................................................................................19

1.2.1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ДЕФОРМАЦИЯХ СДВИГА И КРУЧЕНИЯ.........................................................................................................19

1.2.2. КЛАССИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ АНИЗОТРОПИИ УПРУГИХ СВОЙСТВ ОДНОРОДНОГО МАТЕРИАЛА..................................................21

1.2.3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ МОДУЛЯ СДВИГА..................................26

1.2.4. КРУЧЕНИЕ ИЗОТРОПНОГО СТЕРЖНЯ............................................28

1.2.5. КРУЧЕНИЕ АНИЗОТРОПНОГО СТЕРЖНЯ.......................................30

1.3. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................................34

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................g ;:;i.v...........................................35

2.1. ВЫБОР МЕТОДА....................................U:.;..................................................35

2.2. ТЕОРИЯ МЕТОДА........................................................................................37

2.3. МАЯТНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ......................................................................................................4С

2.4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА.................................................43

2.4.1. НАЗНАЧЕНИЕ, УСТРОЙСТВО И БЛОК-СХЕМА.............................43

2.4.2. УСТРОЙСТВО МАЯТНИКА................................................................4f

2.4.3. СИСТЕМА РАСКАЧКИ..........................................................................4f

2.4.4. СИСТЕМА ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ................................................4É

2.4.5. СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ.......................................41

2.4.6. СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ КОЛЕБАНИЙ.............4É

2.4.7. ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАТУХАНИЯ........................5(

2.4.8. ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРИОДА.............................5:

ГЛАВА 3. ВЯЗКОУПРУГИЕ СВОЙСТВА ЛИСТОВЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННБ1Х МАТЕРИАЛОВ И ИХ АНИЗОТРОПИЯ......................5Î

3 Л. ИССЛЕДОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ОБРАЗЦЫ.....................................5<

3.1.1. МАТЕРИАЛЫ.........................................................................................5<

3.1.2. ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ...................................................................5<

3.2. ДИНАМИЧЕСКИЙ МЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПКМ..........................6:

3.2Л. ДИНАМИЧЕСКИЙ МЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ.

ТРАДИЦИОННЫЙ ПОДХОД..........................................................................6:

3.2.2. МЕТОДЫ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ...........................................................................................6<

3.2.3. ДИНАМИЧЕСКИЙ МЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СЛОЖНЫХ

ПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМ...............................................................................67

3.3. АНИЗОТРОПИЯ УПРУГИХ СВОЙСТВ ЛИСТОВЫХ КОМПОЗИТОВ 78

3.3.1. ИЗМЕРЕНИЕ КОМПОНЕНТ МОДУЛЯ СДВИГА ТРАНСТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ КРУТИЛЬНОГО МАЯТНИКА.................78

3.3.2. ОПИСАНИЕ АНИЗОТРОПИИ КРУТИЛЬНОЙ ЖЕСТКОСТИ И МОДУЛЯ СДВИГА ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.3.3. ОПИСАНИЕ АНИЗОТРОПИИ КРУТИЛЬНОЙ ЖЕСТКОСТИ

ЛИСТОВЫХ СЛОИСТЫХ ПЛАСТИКОВ......................................................89

3.3.4 ПАРАМЕТРЫ АНИЗОТРОПИИ КРУТИЛЬНОЙ ЖЕСТКОСТИ.......93

ГЛАВА 4. ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЛАГИ НА РЕЛАКСАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА И АНИЗОТРОПИЮ ЖЕСТКОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ.......................................................................................................105

4.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ...........................................................................105

4.2. ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ. ДИФФУЗИОННЫЙ АНАЛИЗ СОРБЦИИ И ДЕСОРБЦИИ ВЛАГИ КОМПОЗИТАМИ........................................................107

4.3. ДИНАМИЧЕСКИЙ МЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ..................................111

4.4. РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ.....................................................124

4.5. ВЛИЯНИЕ ВЛАГИ НА АНИЗОТРОПИЮ ЖЕСТКОСТИ ПКМ............129

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................138

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 144

ВВЕДЕНИЕ

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) находят широчайшее применение в авиационной и космической технике [1, 2] ввиду уникального набора свойств: высокой прочности и жесткости, малой удельной массе и т.д. Преимущество композитов связано [3] с возможностью широкого варьирования практически всеми свойствами материала путем рационального подбора его компонентов, их соотношения и распределения в объеме изделия. Это позволяет получать конструкционные материалы многофункционального назначения, обладающие уникальными служебными характеристиками.

Отметим, что технологические требования к конструкционным материалам авиационного назначения имеют, по сравнению с обычными "земными" нормами, ряд особенностей. Прежде всего это касается повышенной стабильности и воспроизводимости свойств. В большинстве случаев коэффициент вариации показателей не должен превышать 10%. Так, необоснованное повышение коэффициента безопасности конструкции с 1,5 до 2 практически исключает возможность снижения ее массы [3] в изделии (снижение общей массы летательного аппарата всегда является желательным).

Это обстоятельство требует детального знания прочностных и вязкоупру-гих свойств ПКМ, а также характера их анизотропии [4, 5]. В связи с этим весьма актуальной является задача разработки достаточно простых и точны* методов оценки этой анизотропии, что особенно важно на стадии разработка новых конструкционных материалов. При этом важно оценить их изменение при воздействии различных факторов внешней среды и прежде всего температуры, так как все механические свойства полимеров и композитов на их основе имеют резко выраженную температурную зависимость. Если для металлов [6 при изменении температуры от 273 до 573 К изменение модулей упругости едва достигает 10-12% (причем модули изменяются линейно), то для полимеров I

композитов на их основе уменьшение (причем нелинейное) модулей упругости в тех же условиях составляет один-два порядка [7].

Наиболее полное описание анизотропии упругих свойств материала может быть дано в рамках теории упругости заданием соответствующего тензора [8]. Известно, что армированный пластик можно представить в виде ортотроп-ного (а для однонаправленного композита зачастую даже транстропного) материала, что дает принципиальную возможность расчета его упругих характеристик в любом направлении. Однако необходимость учета температурной зависимости всех компонент тензора упругости при таком подходе делает задачу об исследовании анизотропии механических свойств весьма громоздкой и дорогостоящей из-за большого объема и методических трудностей соответствующих измерений (прежде всего это относится к коэффициентам Пуассона). В то же время для технических приложений зачастую не требуется полного объема информации, а достаточно иметь оценки анизотропии одной-двух компонент тензора, например, знать анизотропию модуля сдвига в плоскости листа. Для решения такого рода задач можно ограничиться исследованием анизотропии какой-либо одной достаточно легко измеряемой и информативной характеристики материала. При этом предпочтительно иметь информацию прежде всего с сдвиговых свойствах материала, так как именно они являются обычно "слабым звеном" композита и его разрушение, как правило, происходит от сдвига [5]. В то же время в литературе крайне мало сведений о сдвиговых упругих свойствах ПКМ, что связано с экспериментальными трудностями их измерения. Отметим, что в подавляющем большинстве опубликованных работ по экспериментальному исследованию анизотропии композитов речь идет об измерении компонент модуля Юнга, что объясняется сравнительно более простой методикой их определения по сравнению с измерением характеристик сдвига.

Как показано в [9], на первом этапе для решения задачи о выявлении характера анизотропии сдвиговых упругих свойств листовых композитов вполне можно ограничиться анализом изменения с температурой не модулей сдвига, г

связанных с ними крутильных жесткостей образцов с разными углами вырезки. Такой подход дополнительно позволяет [10] произвести оценку качества изготовления композита, в частности, выявить возможное несоответствие схемы армирования расчетной, а для однонаправленного материала еще и оценить глубину отверждения связующего.

В литературе можно найти достаточно большое количество публикаций, посвященных анизотропии конструкционных ПКМ, что свидетельствует об актуальности темы. Однако большинство их имеет теоретический характер, например [11, 12, 13], а экспериментальные работы типа [14, 15] и др. анализируют поведение композитов, как правило, при комнатной температуре, либо не вполне корректно используют термин "модуль упругости" [16]. Так, в [16] без подробного обсуждения методики измерения и расчета приведены температурные зависимости неких эффективных жесткостных характеристик композитов, которые называются авторами динамическими модулями Юнга Е' и сдвига С. В то же время по ссылкам на литературу видно, что в обоих случаях (при расчетах и Е', и С) авторами использовалась методика измерения упругих свойств изотропных материалов. Распространенные ошибки методики исследования упругих свойств анизотропных ПКМ с использованием крутильного маятника рассмотрены в главе 2 в разделе "Выбор метода".

Сложившаяся ситуация объясняется тем, что вопросами анизотропии упругих свойств традиционно занимаются специалисты по механике деформируемого твердого тела, для которых модуль упругости - почти константа (в смысле зависимости от температуры). Исследователи молекулярной подвижности и релаксационных процессов, которые привыкли извлекать информацию из температурных зависимостей модулей упругости, редко являются специалистами по анизотропии, тем более что установки, на которых они работают, вообще-то не предназначены для измерения модулей упругости анизотропных материалов, и без специальных методик из данных, полученных на крутильном маятнике, например, не представляется возможным вычислить модуль сдвига. На-

стоящая работа призвана служить связующим звеном между механикой материалов и физикой полимеров, которые изучают одни и те же объекты и явления, но рассматривают результаты в разных представлениях. Она позволяет использовать результаты измерений, получаемые с помощью крутильного маятника, для исследования анизотропии упругих свойств ПКМ, а также решать и обратную задачу: из температурных зависимостей параметров анизотропии извлекать информацию о релаксационных свойствах ПКМ и отдельных его компонентов.

Если не ставить перед собой цели полного описания анизотропии упругих свойств материала в широком интервале температур, то для решения задачи о выявлении характера этой анизотропии можно на первом этапе отказаться от тензориального подхода и ограничиться анализом изменения с температурой не модулей сдвига, а связанных с ними крутильных жесткостей образцов с разными углами вырезки. Для тонких образцов эта величина весьма близка к значению так называемого "чистого" [8] модуля сдвига в плоскости листа.

Под воздействием различных факторов внешней среды, таких как радиационное облучение, колебания температуры и влажности и др. в ПКМ протекают физические и химические процессы, которые вызывают необратимое снижение совокупности макроскопических показателей свойств материалов, что определяется общим термином - старение. Влияние старения на механические свойства олигомеров [17], полимеров [18] и композитов на их основе [19, 20, 21] изучалось неоднократно, на эту тему опубликованы обширные обзоры [22] и диссертации [23, 24], однако нам не удалось обнаружить ни одного достаточно обширного исследования этого влияния на анизотропию композитов. В то же время без учета анизотропии прочностных и упругих характеристик, а также прогнозирования их изменений в ходе эксплуатации невозможно оптимальное использование свойств материала в конструкции [2].

Известно [22, 24], что определяющее влияние на процессы старения ПКМ оказывают влага и высокая температура. Показано [24], что под влиянием этих

факторов в полимерном материале на молекулярном уровне могут протекать различные процессы (доотверждение, пластификация, деструкция, изменение надмолекулярной структуры и т.д.), ведущие к изменению его макроскопических свойств. С другой стороны, это изменение свойств может быть обусловлено развитием и накоплением в объеме композита дефектов, которые, как правило, возникают на границе раздела наполнителя со связующим. Выяснение соотношения этих двух причин изменения механических свойств материала (а значит, и путей их устранения), а также исследование влияния факторов термо-влажностного старения на параметры анизотропии ПКМ является важной научной и практической задачей. Это особенно актуально в условиях, когда прогресс в области авиационной и космической техники определен Президентом и Правительством в качестве одного из приоритетных направлений Российской науки.

Обширную информацию об анизотропии упругих свойств композитов, опирающуюся, как правило, на результаты собственных исследований его авторов Е.К. Ашкенази и Э.В. Ганова, можно почерпнуть в справочнике [4]. Достаточно полная характеристика анизотропии механических свойств листовых композитов авиационного назначения приводится в [25]. Однако эта подробная информация описывает свойства материала при комнатных температурах. Таким образом, задача описания анизотропии упругих свойств композитов в широком интервале температур представляется весьма актуальной. Сведений же о воздействии влаги на анизотропию упругих свойств ПКМ в литературе практически нет, хотя потребность в такого рода информации (особенно для авиационных материалов) имеется. В связи с этим можно утверждать, что в настоящее время отсутствует научно обоснованная методика экспресс-оценки анизотропии упругих свойств листовых ПКМ в широком интервале температур, совершенно необходимая при создании авиационных материалов нового поколения. Разработка такой методики является весьма важной и своевременной задачей.

В первой главе диссертации кратко излагаются основные преимущества композитов в сравнении с традиционными материалами, приводятся некоторые физико-химические характеристики связующих и волокон, наиболее часто используемых для изделий авиационной и космической техники. Обсуждаются существующие теоретические представления об анизотропии вязкоупругих свойств материалов, излагаются основные подходы, которые наиболее часто используют при теоретическом анализе анизотропии композитов. Формулируется задача исследования и обсуждаются варианты ее решения.

Во второй главе дано обоснование выбора основного метода исследования, кратко рассмотрена теория метода, приводится достаточно подробное описание экспериментальной установки и даны оценки погрешностей измеряемых величин.

В третьей главе приведены основные результаты исследования анизотропии динамической крутильной жесткости однонаправленных и слоистых листовых композитов разных классов (органо-, угле- и стеклопластиков) в широком интервале температур, включающем области а-релаксации связующего и полимерного наполнителя. Рассматривается суть метода динамического механического анализа (ДМА) и разные методики определения основных характеристик (параметров) релаксационных переходов в полимерах и, композитах на их основе по данным ДМА-измерений, обсуждаются преимущества спектрометрического подхода к анализу релаксационных свойств отдельных компонентов композита.

По измеренным значениям крутильной жесткости в предположении транстропности упругих свойств однонаправленных материалов определень; две компоненты "свободного" модуля сдвига (в плоскости листа и межслойно-го) органопластиков Органит 7ТО и Органит 11 ТО, а также углепластика КМУ-Злн. Установлена связь приведенной жесткости кручения с так называемым "чистым" модулем сдвига транстропного материала. Предложена математическая модель, позволяющая представить приведенную динамическую жест-

кость кручения образцов как функцию угла между осью образца и направлением армирования. Модель адекватно описывает угловую зависимость динамической жесткости кручения листовых ПКМ в широко