Календарный срок и ресурс эксплуатации деталей и изделий из полимерных композитов

30.06.2015

В процессу эксплуатации детали и изделия из полимерных композитов подвергаются воздействию климатических и эксплуатационных (служебных) факторов. Результаты индивидуального и комплексного воздействия климатических и служебных факторов позволяют характеризовать работоспособность деталей из композитов и определить календарный срок и ресурс их эксплуатации.
Влияние климатического воздействия на материалы обычно изучают в условиях их естественного и искусственного старения. Имеющиеся в настоящее время данные о естественном старении эпоксидных стекло-, боро-и карбоволокнитов в зонах умеренного и субтропического климата показывают, что в течение длительной экспозиции (10 лет) в этих климатических зонах прочностные характеристики композитов остаются на достаточно высоком уровне (табл. 4.10). При пятилетней экспозиции прочность стекловолокнитов составляет 0,70—0,85, карбоволокнитов 0,85—0,99 и бороволокнитов 0,94—0,99 от исходных значений.
Календарный срок и ресурс эксплуатации деталей и изделий из полимерных композитов

О сохранении свойств полимерных композитов при более длительном климатическом воздействии можно судить по результатам их искусственного старения, имитирующего влияние различных климатических факторов: длительности воздействия повышенной температуры, суточных, сезонных и годовых перепадов температуры, солнечной радиации. Характер изменения механических свойств композитов в процессе ускоренного термостарения (рис. 4.27) свидетельствует о том, что их свойства благодаря высокой тепло- и термостабильности могут сохраняться в условиях жаркого сухого климата в течение 30 лет. При этом кажущаяся энергия активации процесса старения составляет для стекловолокнитов 55—59, а для карбо- и бороволокнитов около 63 кДж/моль. В качестве примера на рис. 4.28 показано изменение прочности при изгибе карбо- и бороволокнитов в результате термостарения при повышенных температурах.
Календарный срок и ресурс эксплуатации деталей и изделий из полимерных композитов

Переменное термостатирование в интервале температур ±298 К в течение 500 циклов (что имитирует суточное колебание температур за 10 лет), в интервале температур ±333 К в течение 10 циклов (что соответствует сезонному изменению температур за 10 лет), а также 1000-часовое воздействие ультрафиолетового излучения не вызывает существенного изменения механических свойств композитов. Некоторое (на 15—20%) снижение прочности при изгибе боро- и карбоволокнитов происходит в результате комплексного термовлажностного старения циклического характера в течение 5000 ч, что имитирует воздействие условий тропического климата (рис. 4.29).
Календарный срок и ресурс эксплуатации деталей и изделий из полимерных композитов

Снижение прочностных показателей полимерных композитов при климатическом воздействии в основном обусловлено воздействием влаги, проникающей в материал вследствие диффузии и капиллярного давления. В результате сорбции воды в композитах образуются такие структурные дефекты, как трещины в матрице и по границе раздела, трещины и изъязвление поверхности волокон, разрыв химических связей, действующих по границе раздела, обусловленный осмотическим, капиллярным давлением или давлением набухания.
Свойства полимерных связующих под действием естественного старения и воды заметно изменяются.(табл. 4.11). Водопоглощение определяется полярностью звеньев и частотой сшивания отвержденных смол и при кипячении в воде составляет 2—3%. Сорбированная влага оказывает пластифицирующее действие на отвержденные связующие, изменяя их механические и особенно электрический свойства.
Календарный срок и ресурс эксплуатации деталей и изделий из полимерных композитов
Календарный срок и ресурс эксплуатации деталей и изделий из полимерных композитов
Календарный срок и ресурс эксплуатации деталей и изделий из полимерных композитов

В табл. 4.12 приведены данные об изменении прочности эпоксидных композитов в результате двухчасового кипячения в воде. Из таблицы следует, что на стойкость композитор к воздействию влаги оказывает влияние как природа армирующих волокон, так и вид обработки их поверхности. Наиболее подвержены влиянию влаги композиты на основе минеральных волокон. Вследствие гидролитических разрывов химических связей, выщелачивания ионов щелочных и щелочноземельных металлов происходят процессы коррозии поверхности минеральных волокон в присутствии воды. Нанесение на поверхность минеральных волокон кремний-органических аппретов существенно повышает их водостойкость.
У органоволокнитов поверхность раздела, как правило, менее подвержена воздействию влаги, однако сами полимерные волокна так же, как и связующее, поглощают влагу, в результате чего изменяются их физико-механические свойства (рис. 4.30 и 4.31).
Календарный срок и ресурс эксплуатации деталей и изделий из полимерных композитов

Наибольшей водостойкостью обладают композиты, армированные углеродными и борными волокнами, что связано с химической инертностью армирующих волокон по отношению к влаге.
Календарный срок и ресурс эксплуатации деталей и изделий из полимерных композитов

В табл. 4.13 приведены результаты испытаний карбоволокнитов после термостарения в воде при 293—353 К. Наиболее чувствительны к термовлажностному воздействию показатели прочности при сжатии и сдвиге, однако даже после 1000-часового воздействия воды при 353 К карбоволокнит сохраняет до 85% исходной прочности. Активирование поверхности углеродных волокон газо- или жидкофазным травлением, как известно, повышает прочность карбоволокнитов при межслойном сдвиге, однако композиты на основе карбоволокон с активированной поверхностью обладают несколько меньшей водостойкостью. Так, прочность при межслойном сдвиге после выдержки в течение 3500 ч в воде композитов, армированных углеродными волокнами с большей реакционной способностью, снижается на 22%, что на 6% выше, чем у карбоволокнитов на основе необработанных волокон (рис. 4.32). Следует отметить обратимый характер изменения свойств композитов при воздействии влаги: после сушки в большинстве случаев свойства их восстанавливаются.
Календарный срок и ресурс эксплуатации деталей и изделий из полимерных композитов

Полимерные композиты на основе отвержденных смол характеризуются высокой химической стойкостью к различным средам (табл. 4.14). При действии агрессивных сред одновременно проявляются химические и физические эффекты, масштаб которых зависит от скорости диффузии реагента в объем композита. Наличие в материале большого числа пор и трещин увеличивает площадь контакта с агрессивными реагентами и снижает химическую стойкость. Наибольшей химической стойкостью обладают карбо- и стекловолокниты, стойкость которых к воздействию химических реагентов определяется химической стойкостью связующих (табл.4.15). Механические свойства стекло- и карбоволокнитов при длительной экспозиции в нефтепродуктах не ухудшаются, а в ряде случаев наблюдается даже повышение прочностных характеристик (табл. 4.16), как это, например, имеет место при выдержке карбоволокнитов в нагретом керосине, что связано, по-видимому, с релаксацией напряжений и пластифицирующим действием углеводородов при нагревании в бескислородной среде.
Календарный срок и ресурс эксплуатации деталей и изделий из полимерных композитов

Факторы, имитирующие влияние космического пространства, также не вызывают существенного изменения механических свойств полимерных композитов. В условиях вакуума до 133,3*10в-5 Па и гамма-излучения (60Co) при дозе до 3000 Мрад прочность их при нагреве до 473 К практически не меняется. При 523 К она уменьшается на 25%. Карбо- и бороволокниты обладают высокой радиационной стойкостью. Потеря прочности их при изгибе после облучения дозой 5000—6000 Мрад составляет не более 5%, модуль упругости материалов в этом случае остается постоянным. Воздействие комбинированного потока нейтронов и гамма-частиц не вызывает ухудшения упруго-прочностных свойств бороволокнита.
Календарный срок и ресурс эксплуатации деталей и изделий из полимерных композитов