Характеристика полимерных композиционных материалов

ПКМ, ВПКМ на основе полимеров с высокими значениями tg д имеют высокий уровень вибропоглощения (рассеивания в виде тепла механической энергии, подводимой в условиях циклического нагружения). В результате снижается амплитуда колебаний конструкций и уменьшаются связанные с такими колебаниями нежелательные эффекты, что приводит к повышению надежности и улучшению технических параметров (рис. 4).

Рисунок 4. Сравнительные характеристики вибропрочности уN ·и и параметра : 1 - ВПКМ (заштрихованы области значений для ВПКМ различного состава); 2 - сталь Х18Н9Т, 3 - алюминий АК-4-1; 4 - титан ВТ-8.

Динамическая усталость материалов является одной из основных причин, ограничивающих ресурс работы конструкций в машиностроении (в авиастроении - оболочки, лопатки, конструкции механизации крыльев, стабилизаторов и др.).

Для большинства ПКМ зависимость у - ln N, где N число циклов нагружения, горизонтальная асимптота и термин "предел усталости" неприменим. Используют условный предел усталости ухN, при котором ПКМ выдерживает определенное количество циклов (N·107, 2N·107) нагружения.

, где

х = емN /ем, емN

- предельная деформация матрицы, при которой происходит усталостное разрушение ПКМ. Если ем = (0,05-0,07)у+, т.е. около 200 МПа, ухN ПКМ возрастает до 800-1200 МПа. ухN возрастает и с ростом Е+.

Усталостное разрушение однонаправленных ПКМ начинается с матрицы при достижении в ней определенного уровня напряжений (для углеволокнитов уN = 520 МПа, связующее ЭНФБ, уN = 420 МПа, связующее 5-211Б). Величина предела выносливости (уПКМ)N углеволокнитов (ПКМ - углеволокнит) для знакопеременного цикла составляет (0,3-0,5)у+, для знакопостоянного - (0,3-0,5)у+. Пределы выносливости углеволокнитов, в основном, определяются усталостными характеристиками матрицы (углеродные волокна практически не подвержены усталостным напряжениям) и прочностью контакта волокно-матрица. Оптимальный объем волокон Vв устанавливается в зависимости от коэффициента асимметрии цикла нагружения (при знакопостоянном цикле нагружения Vв 60-64 %об.). Коэффициент усталостного сопротивления в зависимости от вида и степени асимметрии цикла равен (0,5-0,7)у+, т.е. в 2-3 раза выше, чем у стеклопластиков, что связано с высоким модулем упругости углеродных волокон и, как следствие, более низким уровнем напряжений, и меньшей повреждаемости матрицы [4].

Усталостная прочность существенно анизотропна. При изменении угла армирования от оси нагружения на ± 15о усталостная прочность КМУ-1Л снижается на 25 % (рис.5).

Демпфирующая способность - способность ПКМ рассеивать механическую энергию при циклическом нагружении в упругой области за счет внутреннего трения. В ПКМ имеет место упруговязкое рассеяние энергии, сопровождающееся переходом механической энергии в тепловую, химическую, электрическую. Демпфирование в ПКМ слагается из потерь энергии механических колебаний вследствие деформации волокон, возникновение фcд в матрице, из-за трения на границе раздела. Из-за релаксационного характера высокоэластических деформаций происходит разогрев ПКМ.

В качестве характеристики внутреннего рассеивания энергии в материале принят логарифмический декремент колебаний, определяемый по ширине резонансной кривой.

Логарифмический декремент затухания колебаний и, мера деформирующей способности материала конструкций, поврежденных высокочастотными динамическими нагрузками, определяет механизм усталостного разрушения ПКМ (механический или тепловой). и возрастает с ростом Vв, снижением Ев, увеличением искривления волокон (объемные текстуры), углов армирования; зависит от типа напряженного состояния, амплитуды напряжения. Разогрев ПКМ при циклических нагрузках происходит из-за гистерезиса потерь и низкой теплопроводности. С повышением напряжений в 8-10 раз и возрастает в 1,5-2 раза, что положительно сказывается на работе деталей при резонансных колебаниях. и ПКМ в 5-10 раз выше, чем у металлов.

С увеличением модуля сдвига наблюдается монотонное снижение механических потерь, причем кривая представляет собой ветвь равносторонней гиперболы, а произведение коэффициента механических потерь на значение модуля сдвига - величина постоянная.

Большое влияние на логарифмический декремент затухания колебаний оказывает текстура армирующего наполнителя:

Степень демпфирования понижается с уменьшением искривленности волокон в композиции. Демпфирующая способность ВПКМ существенно зависит от угла между направлениями армирования и приложения нагрузки (максимальна при углах 15-30о). Уровень демпфирования углепластиков повышается зависимости от текстуры наполнителя в ряду: кордные ленты (ЛУ-П, ЭЛУР), нити УКМ, жгуты ВП.

Демпфирующая способность углепластиков определяется в основном рассеиванием энергии в матрице, сопровождающейся переходом механической энергии в тепловую, химическую и электрическую, и существенно зависит от уровня нагружения, структуры армирования материала и рабочей температуры. Если однонаправленные углепластики имеют уровень демпфирующей способности вдоль волокон 0,5-1,0 %, то в диагонально-армированном углепластике она возрастает в 5-7 раз.

Типы нагружения:

1 - статическое;

2 - циклическая прочность после 105 циклов;

3 - циклическая прочность после 107 циклов;

Материалы:

А - однонаправленный углеволокнит [0о];

Б - эпоксидный углеволокнит [±45o];

В - эпоксидный углеволокнит [±90o];

Е - эпоксидные углеволокниты структуры [0/+45/90/- 45] и [- 45/90/+45/0];

Г - алюминий 2024-ТЗ;

Д -сталь.

По сравнения с другими ВПКМ, углепластики обладают меньшей удельной ударной вязкостью, трещиностойкостью и остаточной прочностью при наличии дефектов, т.е. большей чувствительности к концентрации напряжений. Значительное влияние на чувствительность углепластиков к концентрации напряжений оказывается структура армирования и направление приложения нагрузки по отношению к ориентации волокон.

Так при растяжении по углом ±45оС к направлению армирования, прочность углепластика очень мало зависит от размера концентратора.

Источник демпфирования (амплитуда колебаний ограничивается величиной сил сопротивления) в ВПКМ - внутреннее упруго-вязкое рассеивание энергии. С ростом демпфирующей способности материала возможен переход от механического усталостного разрушения к тепловому (критический разогрев определяет податливость потерь и зависит от податливости матриц и их Тс: ЭДТ-10 60-80оС, ЭТФ 160-180 оС, полиимидные - более 280 оС).

и = 0,3 им·Vм ·Ем /ЕВПКМ · К, где

К - коэффициент учитывающий пористость ВПКМ и качество контакта волокно-матрица

Повышение К (например, в результате аппретирования, обработки углеродных наполнителей электрохимическими окислениями, ЭХО) существенно снижает и (при использовании лент ЛУ-ЗП - на 55 %).

Анизотропия демпфирующей способности имеет ярко выраженный характер, причем экстремальные значения находятся для углепластиков в диапазоне углов армирования 15-30о, для стеклопластиков - 30-45о [4].

Анизотропия демпфирования (рисунок 6) и усталостной прочности используется для конструирования ВПКМ с максимальной вибропрочностью.

Рисунок 6. Зависимость демпфирующей способности, логарифмического декремента колебаний и от уровня относительных деформаций е при ориентации армирующих элементов под углом к оси образца (цифры на кривых).

1- бороволокнит; 2 - углеволокнит; 3 - стекловолокнит.

Вибропрочность уN·и определяет собственную частоту колебаний материала, зависящей в значительной степени от демпфирующих свойств и ориентации волокон в ВПКМ (уN·и имеет максимальные значения в диапазоне углов армирования 15-30о).

При действии нагрузок под углом армирования уN уменьшается, и - возрастает. (уN·и)max достигается в ВПКМ углами укладок 75о (УП, углепластики, боропластики, БП) - 90о (СП, стеклопластики), определяется уровнем деформаций при сдвиге. При изменении ориентации волокон относительно оси нагружения можно изменить собственные колебания пласти из СП в 1,6 раза, УП - в 2,5 раза, БП - в 3 раза. Во избежание резонансных колебаний достаточно на 15-20% изменить собственные частоты (эффективное средство повышения вибрационной надежности изделий) [4].

Значения и и уN·и ВПКМ существенно превосходят эти показатели для металлов (таблица 12).

Таблица 12. Сравнительные показатели усталостной прочности уN , логарифмического декремента затухания колебаний и и вибропрочности уN·и для металлов и однонаправленных прессованных эпоксидных ВПКМ.

Демпфирующая способность, вибро- и усталостная прочность ВПКМ зависят от угла ориентации волокон. Это позволяет регулировать в требуемом направлении резонансную частоту колебаний детали (например, лопатки) путем изменения схемы укладки волокон без изменения геометрических размеров детали, что совершенно исключается при применении металлов. Для получения требуемого уровня деформаций и повышения устойчивости элементов конструкций (например, лопаток ГТД к изгибно-крутильному флаттеру) необходимы ВПКМ с максимальной изгибной и крутильной жесткостью. Уменьшение модуля нормальной упругости Е1 на 10 % приводит к снижению частот колебаний на 5-7 %. Уменьшение х1 и х2 практически не влияет на собственные частоты при колебании по изгибным и крутильным формам. Частоты пластинчатых форм при уменьшении х1 увеличиваются на 3-5 %, при уменьшении х2 - уменьшаются на 3-5 %. Уменьшение плотности ВПКМ на 1 % приводит к незначительному увеличению частот. Снижение модуля сдвига в 2,2 раза приводит к уменьшению частот крутильных форм на 2-10 %. Наиболее существенное влияние на спектр собственных частот колебаний при изменении упругих характеристик ВПКМ оказывает изменение модуля Е1.

Большой выбор волокон и схем армирования позволяет эффективно изменять спектр частот и отстраиваться от резонансных колебаний. Начало усталостного разрушения устойчиво определяется по резкому уменьшению жесткости Е1, и резонансной частоты колебаний, резкому увеличению демпфирующей способности.

Высокие значения прочности и модуля упругости в сочетании с превосходной вибропрочностью обусловили применение высокомодульных ВПКМ для изготовления рабочих и направляющих лопаток вентиляторной ступени компрессора низкого давления. Высокая степень демпфирования углеволокнитов при крутильных и изгибных колебаниях обеспечивает значительное увеличение стойкости к флаттеру по сравнению с металлическими лопатками.

Применение высокомодульных ВПКМ в таких узлах авиационных двигателей, как корпуса компрессора и вентиляотра, воздуховоды, диски статора и ротора компрессора низкого давления, подшипники и т.д., снижает массу маршевых двигателей на 15 % и двигателей вертикального взлета и посадки на 18 %. Опыт применения углеволокнитов в авиационных двигателях может быть использован в машиностроении при создании мощных компрессоров и турбин [4].

ВПКМ имеют высокую устойчивость к ползучести (таблица 13), а их теплопроводность существенно ниже (для углепластиков зависит от структуры армирования) теплопроводности металлов (таблица 14). Сравнительные свойства конструкционных материалов приведены в таблице 15.

Таблица 13. Устойчивость конструкционных материалов к ползучести (при 20о).

Таблица 14. Теплопроводность конструкционных материалов.

Таблица 15. Сравнительные свойства конструкционных материалов.

В знаменателе - данные для ортотропных (1:1) волокнитов.

8. Эффективность применения ВПКМ в машиностроении

Эффективность применения ПМ, ПКМ, ВПКМ в машиностроении связана как со снижением массы конструкций (экономия топлива при эксплуатации транспортных средств), так и с использованием специфических свойств этих материалов. На первом этапе расчета экономического эффекта при замене металла стоимость "С" 1 кг сэкономленной массы

, где

m1, Д1, Ц1 - масса, долговечность, цена металлической детали;

m2, Д2, Ц2 - соответственно для детали из ПМ, ПКМ.

На втором этапе учитывается эффект от снижения затрат на технологию и от роста технических характеристик (грузоподъемность, скорость, упрощение конструкции и др.). Так, для быстровращающихся деталей типа "карданный вал" критическое число оборотов n определяется значением удельного модуля упругости E/с материала:

, где

К - коэффициент, для ПКМ К=20946;

L - длина вала, м;

Е - продольный модуль упругости, ГПа;

D и d - внешний и внутренний диаметры вала.

При применении ВПКМ достигается двойное снижение массы (ПКМ с высокими значениями прочности при кручении при структуре ±45о); повышение n в 2 раза при использовании однонаправленных ВПКМ; удлинение L на 40 % при заданном n (реализация карданной передачи без промежуточной опоры).

Аналогичные результаты имеют место при расчете n = K(EJ/WL4)0,5 , где J - момент сопротивления вала, W - масса единицы длины вала.

Конструкционный параметр D = у/к·с·щ2 связывает геометрические размеры конструкции с прочностью у, плотностью с материала, скоростью вращения ротора щ. По значению D ВПКМ превосходят металлы в 2-2,5 раза.

Размеры вращающихся деталей, находящихся под действием центробежных сил (диаметр маховика - аккумулятора энергии, хорда пера или средний радиус лопатки компрессора ГТД, лопасть вертолета) могут быть при одинаковых скоростях вращения увеличены в 2 раза (из ПКМ) - необходимое условие для двигателей с большой тягой и маховиков с большой энергоемкостью.

Расчеты удельной энергоемкости еw маховиков показывают высокую эффективность ВПКМ (таблица 16).

Таблица 16. Сравнение энергии, запасаемой маховиками из различных материалов.

Для дисков из ортотропных ВПКМ удельная массовая кинетическая энергия е=Е/m=у/2с при максимальной окружной скорости V=у0,5 /с0,5 существенно превышает показатели для алюминия и стали (таблицы 17).

Таблица 17. Удельная массовая кинетическая энергия свободно вращающегося кольца из различных материалов.

Критическое разрушающее напряжение укрит. для оболочки радиусом Rоб, толщиной стенки д определяется, в основном, модулем упругости Е материала:

ВПКМ с высокими значениями у, у/с эффективны для использования в рессорах, торсионах, пружинах, бамперах, спортивных луков, шестов для прыжков. Накопленная упругая энергия в изгибаемом стержне из однонаправленного стекловолокнита в расчете на 1 кг массы - наибольшая по сравнению с упругой энергией металлов.

При использовании ВПКМ (на примере стеклопластика) число листов "n" в листовых рессорах

, где

р - максимальная нагрузка;

с = dP/бV - жесткость;

[у] - допустимое напряжение при изгибе;

b - ширина листа;

д - коэффициент формы лист (д=1 для прямоугольной балки, д = 3/2 - для треугольной балки);

l1, l2 - длины плеч несимметричной рессоры;

Е - продольный модуль упругости.

С начала 50-х годов основным типом ВПКМ были высокопрочные, но низкомодульные (по сравнению с Al и Ti) стеклопластики, используемые в производстве антенных обтекателей.

Использование ВПКМ в высоконагруженных конструкциях потребовало разработки материалов с более высоким модулем упругости с сохранением высокой прочности. Разработаны углеродные, борные, высокомодульные полимерные волокна (СВМ, Кевлар, Русар, из СВМПЭ) и угле-, боро-, органопластики многофункционального назначения.

Прочность кевларопластиков близка к прочности стеклопластиков, модуль упругости их примерно в 2 раза выше, но они плохо работают на сжатие и сдвиг, трудно обрабатываются. Борные волокна и боропластики дороги. В последнее время большое внимание привлекают SiC и некоторые другие волокна. Основными конструкционными ВПКМ становятся углепластики и гибридные ВПКМ.

В 1995-2015 (20 лет) годах ожидается прирост рынка самолетов на 5-6 % в год. Потребуется 14750 новых транспортных самолетов, из них 9 % на 65-120 мест, 23 % - на 120-210 мест, 68 % на 210-500 мест.

Дальность полета возрастает до 15000 км, средняя вместимость в 2010 году возрастает с 175 до 224 мест.

Существенное увеличение качества ЛА стимулирует весовое совершенствование их конструкции и все более широкого использования высокопрочных, высокомодульных многофункциональных ВПКМ.

Соотношение массы ЛА и полезной нагрузки для дозвукового самолета составляет 4:1 (при использовании ПКМ 3:1), для сверхвукового соответственно 12:1 и 9:1 для космического аппарата (КА) на земной орбите 66:1, для КА на лунной орбите 500:1. В среднем в самолетеприходится массы на планер - 30 %, двигатель и оборудование - 20 %, топливо - 30-35 %, полезная нагрузка - 15-20 %.

Использование ВПКМ в конструкции фюзеляжа возможно только для высокопрочных ВПКМ из-за больших потоков касательных напряжений и больших сосредоточенных сил от крыла, оперения, шасси. Крупногабаритные отсеки фюзеляжей воспринимают общий изгиб, сосредоточенные перерезывающие и осевые нагрузки, в некоторых случаях - крутящие моменты.

При у+ 1 ГПа в конструкциях ЛА может быть использовано до 20 % ПКМ, при у+ 2 ГПа - до 40 % ПКМ. Повышение у+ до 2 ГПа требует перехода к использованию высокопрочных нитей типа УКН вместо лент ЛУ, ЭЛУР, что усложняет технологию. Около 40 % конструкций военных самолетов в этом случае вместо алюминия могут быть выполнены из углепластиков (Дm 12-15 %).

Планер - основная часть массы самолета, позволяющая повысить полезную нагрузку. Экономия массы ЛА при использовании ВПКМ для конструкций фюзеляжа составляет 12-28 %, крыла - 15-20 %, хвостового оперения - 15-30 %, планера вертолета - 20-22 %. При изготовлении конструкций крыльев намоткой снижения массы может достигать 30 %, фюзеляжа - 25 %, снижение количества деталей планера достигает 50 % (таблицы 18, 19). Так в конструкции ИЛ-96-300 использовано 14 % ПКМ, что дало снижение массы на 1300 кг.

Таблица 18. Расчетное снижение массы конструкций самолета при использовании ВПКМ (в %).

Таблица 19. Расчетное снижение массы конструкций самолета при использовании ВПКМ (в %).

Для ВПКМ оптимальной структуры и состава характерны:

1. малая подвижность повреждениям вследствие усталостных нагружений;

2. анизотропия свойств ВПКМ используются для улучшения динамических и аэроупругих характеристик конструкций (для лопастей несущих винтов вертолетов вибрации являются функцией частоты вращения винта);

3. улучшение изгибно-крутильных характеристик крыла позволяет эффективно использовать аэроупругие деформации крыла с обратной стреловидностью - большая маневренность на околозвуковых скоростях (в случае металлического крыла увеличение угла атаки приводит к резкому повышению нагрузок);

4. для кессона крыла самолета эффективны только ВПКМ с е ? 2 % и фсд ? 100 МПа, что затрудняет использование углеволокнитов (предельно допустимая деформация 0,4 %, при деформации углеродных волокон 1,3 %, чувствительность к ударным напряжениям; в протяженных конструкциях из углеволокнитов возникают проблемы из-за анизотропной; электропроводности; металлизированные углеродные волокна с электропроводностью меди экранируют аппаратуры от помех и удара молний).

Недостатки моноволокнистых ВПКМ в меньшей степени проявляются в поливолокнистых (гибридных) ВПКМ.

Высокие показатели упруго-прочностных свойств при статическом и динамическом нагружении эпоксидных ВПКМ на первом этапе стимулировали их применение в нагруженных конструкциях. Расширение использования ВПКМ в сильнонагруженных конструкциях привело к необходимости критического подхода к оценке возможностей эпоксидных ВПКМ. Им присущ ряд недостатков, определяемых строением эпоксидного сетчатого полимера (матрица в ВПКМ):

1. низкая теплостойкость (Тотв связующего ЭДТ-10 - 140-160оС; теплостойкость эпоксидных связующих, отвержденных даже ароматическимидиаминами и ангидридами, обычно не выше 120-140оС, НДТ/А, Т18,5, при Тс = 70-160оС). Для повышения теплостойкости используют смеси с фенольными резольными смолами, связующие ЭТФ, 5-211-БН, ЭНФБ, УНДФ;

2. низкая трещиностойкость, GIc = 400-200 Дж/м2, КIc=30 МПа·м (повышение GIc до 400 Дж/м2 при гетерофазной эластификации жидкими каучуками и термопластами);

3. низкая огнестойкость (КИ около 20, при использовании антипиренов - до 25-28, самозатухающие);

4. высокое равновесное водопоглащение (до 12 %, у отвержденных тетрафункциональных типа ЭХД, ВС 2526, 2561, 5208, MY720 - 6,5 - 8 %; при водопоглащении в 1 % повышается чувствительность ВПКМ к концентраторам напряжений, у- уменьшается на 10-15 %, у+ - на 20-30 %, фсд на 35 % (при водопоглощении 2%). Для эксплуатации конструкций из эпоксидных ВПКМ в течение 20 лет при влажности 60-80 % используют для снижения водопоглощения системы защитных многослойных покрытий, экраны из алюминиевой фольги толщиной 50мкм, медноникелевое покрытие толщиной 200 мкм).

5. Ограниченный ассортимент связующих для получения препрегов с длительной жизнеспособностью (композиции на основе эпоксидных смол с латентными отвердителями, ароматические амины, ангидриды, кислоты Льюиса, дициандиамид).

Коэффициент безопасности использования ВПКМ в конструкции f = fосн + fдоп. При fосн =1,5, из-за непостоянства свойств ВПКМ, их изменения при эксплуатации fдоп составляет не менее 1,20-1,25 (для углеволокнитов). fдоп учитывают и при расчете допустимых напряжений урасч., на которые влияют факторы окружающей среды (климатические - Склим., концентрационные Сконц.):

, где

у - разрушающее напряжение,

Сконц.=0,75-0,90.

Большинство конструкций летательных аппаратов из ВПКМ - конструкции из ВПКМ на основе модифицированных эпоксидных матриц с оптимизированными параметрами теплостойкости, огнестойкости, трещиностойкости, водопоглащения, жизнеспособности препрегов.

Аналогичные материалы используются в конструкциях судостроения (наряду с ВПКМ на основе полиэфирных матриц), автомобилестроения, в конструкциях лопастей ветроэнергетических установок.

9. Тенденции развития ВПКМ

Литература

1. Михайлин Ю.А. и др., Требования к матрицам конструкционных ПКМ. Учебное пособие, УГАТУ, Уфа, 1996, 70с.

2. Михайлин Ю.А., Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы, С.-Петербург, Изд. "Профессия", 2006, 490с.

3. Трофимов Н.Н., Канович М.З., Основы создания полимерных композитов, М.: Наука, 1999, 540с.

4. Алексашин В.М. и др., Авиационная промышленность, 1997, № 6 , с.25-30.

5. Мазутов Н.А. и др., НТС ВИМИ "Технология". Серия "Конструкции из КМ", 1989, Вып. 1, с.33-41.

6. Muelhaupt R., Kunststoffe, 2004, № 94, № 8, s. 76-88 (ИБ "Полимерные материалы", 2005, № 7).

7. Армированные пластики. Под ред. Г.С.Головкина - М.: МАИ, 1997, 402с.

8. Михайлин Ю.А., ИБ "Полимерные материалы", 2004, № 8 (63), № 9 (64), № 10 (65), № 12 (67); 2005, № 1 (68), № 2 (69), № 3 (70).

Размещено на Allbest.ru