Статическая усталость и ползучесть полимерных волокнистых композитов

30.06.2015

Особенностью полимерных волокнистых композитов является их чувствительность к продолжительности и направлению действия нагрузки. Деформативные и прочностные свойства композитов при длительном статическом нагружении определяются реологическими свойствами полимерного связующего и армирующих волокон, их содержанием и ориентацией в материале и зависят от вида напряженного состояния и температуры.
Воздействие на материал постоянного напряжения сопровождается ползучестью — нарастанием во времени деформации материала. Увеличение деформации в общем случае связано с изменением конформации сегментов полимерных молекул, разрывом межмолекулярных связей и их рекомбинацией, образованием микротрещин и является следствием накопления повреждений в материале. Повреждаемость композитов проявляется в растрескивании матрицы, нарушении сцепления по поверхности раздела, разрушении отдельных волокон. Для композитов, армированных кручеными нитями и тканями, дополнительный рост деформации при статическом нагружении вызывается выпрямлением отдельных волокон.
При описании деформативных и прочностных свойств волокнистых композитов принимается, что армирующие волокна являются идеально упругими, а полимерное связующее представляет собой упруговязкий материал, поведение которого описывается интегральным уравнением Больцмана—Вольтерра:
Статическая усталость и ползучесть полимерных волокнистых композитов

Если точность описания кривой ползучести (рис. 4.15) уравнением (4.9) недостаточна, то используют более сложные уравнения, содержащие большее число коэффициентов релаксации, которые определяются по кривым ползучести.
В отличие от полимерного связующего армирующие наполнители, за исключением ряда органических волокон, обладают малой ползучестью. Как видно из рис. 4.16, деформативные свойства стеклянных и борных нитей во времени практически не изменяются.
Деформация однонаправленного композиционного, материала при нагружении вдоль волокон описывается уравнением:
Статическая усталость и ползучесть полимерных волокнистых композитов

Из уравнения (4.10)^ следует, что ползучесть композита уменьшается с увеличением степени наполнения, модуля упругости армирующих волокон и модуля длительной упругости связующего. На рис. 4.17 приведены кривые ползучести ряда волокнистых композитов на основе эпоксидных смол, свидетельствующие о том, что наименьшей ползучестью при приложении напряжения, равного 0,25 от предела прочности композита, обладают боро- и карбоволокниты. В процессе ползучести происходят релаксация и перераспределение напряжений во времени между компонентами композита, в результате чего действующие напряжения в волокнах возрастают, а в полимерном связующем уменьшаются. С увеличением деформации в процессе ползучести наблюдается понижение модуля упругости композита. На рис. 4.18 приведены результаты экспериментов, полученные при исследовании процесса изменения модуля нормальной упругости при нагружении фенолоформальдегидного стеклотекстолита постоянным сжимающим напряжением, составляющим 0,4 от кратковременного разрушающего.
Статическая усталость и ползучесть полимерных волокнистых композитов
Статическая усталость и ползучесть полимерных волокнистых композитов
Статическая усталость и ползучесть полимерных волокнистых композитов

Длительная прочность композиционных материалов в зависимости от вида напряженного состояния (растяжения и сжатия вдоль волокон) определяется следующими аналитическими выражениями:
Статическая усталость и ползучесть полимерных волокнистых композитов

Операторы ft+ и ftт являются функциями времени нагружения, коэффициента армирования, модуля упругости армирующих волокон и реологических характеристик связующего (Hм, Eм, nм). Так, например
Статическая усталость и ползучесть полимерных волокнистых композитов

Появление характеристик сдвига в уравнении (4.12) связано с тем, что разрушение при сжатии происходит от сдвига в плоскости, ориентированной под некоторым углом к направлению действующей силы.
Временная зависимость прочности при межслойном сдвиге описывается уравнением:
Статическая усталость и ползучесть полимерных волокнистых композитов

В уравнение (4.14) входят еще показатели, характеризующие реологические свойства полимерной матрицы, модуль длительной упругости при сдвиге G∞м и критическая величина работы напряжений Wм, которая представляет собой площадь диаграммы σ—ε в момент разрушения матрицы. Показатель k служит мерой нелинейности зависимости τ—γ.
Статическая усталость и ползучесть полимерных волокнистых композитов
Статическая усталость и ползучесть полимерных волокнистых композитов

На рис. 4.19 показано изменение отношения длительной прочности за время t к разрушающему напряжению стекловолокнита при кратковременном нагружении. Эту характеристику принято называть коэффициентом длительного сопротивления kt = σt/σ0. Из рисунка видно, что kt зависит от вида нагружения и уменьшается в ряду: растяжение>сжатие>сдвиг.
Приведенные в табл. 4.8 значения коэффициентов длительного сопротивления различных композитов за время нагружения до 1000 ч показывают, что с увеличением модуля упругости волокон длительная прочность композитов возрастает.
Для всех волокнистых композитов характерно явление анизотропии длительной прочности (рис. 4.20). Связь между длительной прочностью и логарифмом долговечности, как правило, является линейной и имеет вид σt = A—Blgt, где А и В — константы материала. Длительная прочность в любом направлении для однонаправленных и перекрестно-армированных композитов может быть вычислена по приведенному уравнению при подстановке прочности, соответствующей долговечности материала.
Прочность композитов является функцией температурно-временного воздействия. При длительном статическом нагружении прочность материалов уменьшается в результате накопления в нем повреждений. В общем виде длительная прочность при растяжении (или долговечность — время до разрушения при заданном напряжении) полимерных материалов достаточно хорошо описывается известным уравнением Журкова для зависимости долговечности t от приложенного напряжения σ и температуры Т:
Статическая усталость и ползучесть полимерных волокнистых композитов

Регелем предложено распространить это уравнение на композиционные материалы, используя правило аддитивности для расчета параметров U0, γ, исходя из упруго-прочностных характеристик компонентов материала и его состава.
На рис. 4.21 и 4.22 приведены экспериментальные данные зависимости длительной прочности при растяжении и изгибе от температуры и времени нагружения для стекло-, боро- и карбоволокнитов.
Статическая усталость и ползучесть полимерных волокнистых композитов
Статическая усталость и ползучесть полимерных волокнистых композитов

Линейная зависимость между длительной прочностью и логарифмом долговечности композитов при нагружении их в направлении армирования и под углом к нему сохраняется и при повышенных температурах. С повышением температуры испытания долговечность материалов уменьшается, а наклон прямых σ+t—lg't для композитов увеличивается, что, согласно кинетической концепции прочности, свидетельствует о возрастании скорости возникновения в них дефектов. При этом основные дефекты возникают, по-видимому, в матрице, поскольку с повышением температуры влияние вида волокон на долговечность композитов сказывается в меньшей степени.
Приведенные на рис. 4.23 зависимости длительной прочности при сжатии от логарифма, долговечности композита свидетельствуют о том, что с повышением температуры наблюдается отклонение от линейной зависимости. Так, зависимость σ-xt—lgt для карбоволокнита представляется ломаной линией в отличие от прямой, полученной при 293 К. Появление излома наблюдается и при испытании ортогонально-армированного карбоволокнита в направлении армирования и под углом π/4, причем в последнем случае точка перегиба сдвигается в сторону меньшего значения долговечности. Появление излома на кривой σ+xt—lgt, по-видимому, связано с изменением характера возникновения дефектов в композите. Если на начальном участке прочность определяется дефектами матрицы, то с увеличением времени нагружения начинают сказываться дефекты, возникающие по границе раздела, существенно влияющие на прочность при межслойном сдвиге.
Статическая усталость и ползучесть полимерных волокнистых композитов

Термоустойчивость композитов при длительном статическом нагружении сжатием ниже, чем при растяжении. Так, длительная прочность при сжатии стекловолокнита при температуре 373 К с ростом продолжительности нагружения снижается интенсивнее, чем при растяжении, и на базе долговечности 100 ч составляет 0,25 σх против 0,45 σ+х, характерной для случая растяжения.
На рис. 4.24 приведены экспериментальные данные о зависимости длительной прочности при межслойном сдвиге от продолжительности нагружения при различных температурах для бороволокнита. С повышением температуры испытания наклон кривых тxzt—lgt уменьшается.
В табл. 4.9 приведены данные, позволяющие сопоставить термоустойчивость композитов в условиях длительной изотермической выдержки при действии нагрузки и без нее. Рассмотрение экспериментальных данных показывает, что с увеличением температуры и продолжительности ее воздействия влияние нагружения на снижение термоустойчивости армированных пластиков увеличивается, поскольку напряженное состояние в композитах способствует зарождению дефектов и ускорению их развития.
Статическая усталость и ползучесть полимерных волокнистых композитов

Полнота отверждения, степень сшивания полимерного связующего оказывают более существенное влияние на термоустойчивость при длительном статическом нагружении, чем при кратковременном. Если испытания при нормальной температуре не обнаруживают различия в поведении материала, то при 353 К снижение длительной прочности карбоволокнита, отвержденного при 393 K, в 2,5 раза больше, чем материала, отвержденного при 443 К.
Упрочнение матрицы введением в ее состав нитевидных кристаллов в значительной степени сказывается на термоустойчивости при статической усталости композитов. Так, длительная прочность (t=100 ч) при изгибе карбоволокнита, содержащего в своем составе нитевидные кристаллы β-рутила, с увеличением температуры испытания на 60 К практически не изменилась (рис. 4,25), в то время как для материала без нитевидных кристаллов она уменьшилась на 35%.
Статическая усталость и ползучесть полимерных волокнистых композитов

При введении в матрицу нитевидных кристаллов изменение несущей способности и вязкоупругих свойств не может не сказаться на взаимодействии смолы и волокна, на механизме и интенсивности протекания во времени процессов разрушения, на передаче усилий и перераспределении напряжений между компонентами нагруженной композиционной системы. Об этом, в частности, наглядно свидетельствует сопоставление значений параметра, определяющего долговечность или статическую усталость, — предельной работы разрушения (площадь под диаграммой в координатах σ—ε на рис. 4.26) — чистой и наполненной нитевидными кристаллами эпоксидных матриц. Поскольку прочность элементов наполнителя (карбоволокон) определяется их предельной деформацией, являющейся величиной постоянной и не зависящей от режима нагружения и времени, при удлинении, равном относительной деформации при разрыве, однонаправленных карбоволокнитов (ε = 0,7%), предельная работа разрушения для отвержденного полимера, содержащего небольшие добавки высокодисперсных высокомодульных частиц, оказывается на 40—45% больше, чем для обычного связующего такого же типа. При этом по мере возрастания длительности пребывания под нагрузкой эта разница в поведении чистой и наполненной нитевидными кристаллами смол становится все ощутимее.
Введение в межволоконное пространство композитов хаотически распределенных нитевидных кристаллов увеличивает суммарную поверхность раздела системы, изменяет условия перераспределения напряжения в ней вследствие образования новых очагов зарождения микротрещин, а также преград при их развитии и прорастании и тем самым резко тормозит и осложняет рост и накопление макроразрушений в напряженных объемах.
Для дальнейшего продвижения трещин, возникших в наполненном нитевидными кристаллами отвержденном полимере и встретившихся с высокодисперсными твердыми частицами, в соответствии с принципом напряженно-временной аналогии необходимы либо дополнительная энергия (другими словами, повышение приложенного усилия), либо увеличение длительности процесса накопления повреждений в композите под влиянием неизменной нагрузки. Очевидно, чем выше содержание в связующем нитевидных кристаллов, тем больше, препятствий для развития трещин, нарушающих монолитность и целостность карбоволокнитов. Однако оптимальный объем тонковолокнистой дискретной фазы, вводимой в матрицу при изготовлении высоконаполненных непрерывной арматурой материалов, должен устанавливаться с учетом основного требования, заключающегося в том, что предельная деформация упрочненной матрицы должна быть выше соответствующей характеристики волокон.