Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Разработка и исследование трехмерно армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя Гареев Артур Радикович

Разработка и исследование трехмерно армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя
<
Разработка и исследование трехмерно армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя Разработка и исследование трехмерно армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя Разработка и исследование трехмерно армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя Разработка и исследование трехмерно армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя Разработка и исследование трехмерно армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя Разработка и исследование трехмерно армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя Разработка и исследование трехмерно армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя Разработка и исследование трехмерно армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя Разработка и исследование трехмерно армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя Разработка и исследование трехмерно армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя Разработка и исследование трехмерно армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя Разработка и исследование трехмерно армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя Разработка и исследование трехмерно армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя Разработка и исследование трехмерно армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя Разработка и исследование трехмерно армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Гареев Артур Радикович. Разработка и исследование трехмерно армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя: диссертация ... кандидата технических наук: 05.16.06 / Гареев Артур Радикович;[Место защиты: Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита "НИИграфит" (ФГУП "НИИграфит")].- Москва, 2015.- 112 с.

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Трехмерно-армированные полимерные композиционные материалы /обзор литературных данных с. 11-29

1.1 Актуальность применения трехмерно-армированных ГЖМ с. 11-12

1.2 Классификация многомерно-армированных полимерных композиционных материалов с. 13-14

1.3 Описание методов получения наполнителей и применение многомерно-армированных ГЖМ с. 14-29

1.3.1.Иглопробивная технология армирования двухмерных наполнителей с. 14-16

1.3.2.Метод прошивного армирования двухмерных наполнителей с. 16-18

1.3.3. Создание пространственных связей в непрерывно армированных послойных наполнителях за счет введения дискретных волокон или нитевидных кристаллов с.18-20

1.3.4.Получение трех и п-мерно армированных наполнителей ткачеством с.20-25

1.3.5.Получение наполнителей вязанием с.26-29

Глава 2. Объекты и методы исследования, оборудование с.30-44

2.1.Объекты исследования с.30-32

2.2. Методы исследования. Оборудование с.32-44

Глава 3. Теоретическая и опытная отработка процесса инфузии

Определение основных параметров процесса, проницаемости наполнителя, условий инфильтрации связующего в капилляры стержней .

Оценка влияния пористости с.45-68

Глава 4. Исследование взаимодействия матрицы и межфиламентарного связующего. Оценка эффективности применения эпоксидных связующих для изготовления стержней с.69-79

Глава 5. Исследование механических характеристик ЗБ-армированного углепластика в условиях сжатия. Анализ особенностей разрушения материала с учетом критической длины продольных и трансверсальных армирующих элементов с.80-96

Основные результаты и выводы с.97-100

Список использованных источников

Описание методов получения наполнителей и применение многомерно-армированных ГЖМ

Иглопробивная технология для армирования двухмерных наполнителей (англ. "Z-pinned") запатентована компанией Aztex Corporation и применяется для повышения ударной вязкости и предотвращения межслойного расслаивания композита [27-30]. Для армирования двухмерного пакета (плоскость XY) наполнителя по высоте (по оси Z) применяются короткие металлические иглы или нити. Технология включает несколько операций, в том числе введение игл в термопластичную вспомогательную форму, размещение изготовленной формы на поверхности двухмерного наполнителя, размещение в вакуумном мешке и выдержку в условиях заданной температуры и давления. Наличие вспомогательных операций снижает технологичность данного процесса [12].

Увеличение доли третьего направления указанным методом, в том числе при использовании материалов с более высокой плотностью приводит к снижению удельной прочности иглопробивных ПКМ и механическому повреждению нитей в слое XY.

Зависимости по прочности в плоскости симметрии и по предельной нагрузке при поперечном отрыве от объема межслойного армирования для данной группы ПКМ приведены на рис. 2,3, соответственно.

Представленные зависимости отражают снижение прочности в плоскости XY и кратное увеличение стойкости к расслаиванию при содержании доли Z-арматуры от 1%. Указанные особенности учитываются при проектировании материала, наиболее характерная доля армирования по оси Z для данной группы материалов до 5 %.

Метод прошивного армирования двухмерных наполнителей применяют для повышения ударной вязкости и предотвращения межслойного расслаивания композита, а также для изготовления сложных форм наполнителя за счет сшивания отдельных послойных пакетов. Преимуществом метода является возможность локального использования в местах концентрации напряжений, в том числе на периметрах отверстий, длинных кромках изделий [12, 31, 32].

Сравнение упругих свойств и предела прочности при межслойном сдвиге для углепластиков, изготовленных на основе исходного двухмерного (в плоскости XY) наполнителя и аналогичного наполнителя с прошивкой слоев приведены в таблице 1.

В случае прошитого по толщине наполнителя композит демонстрирует значительное увеличение жесткости и прочности при межслойном сдвиге, при этом уступает в жесткости в плоскости XY.

Зависимость ударной вязкости прошитых ПКМ от доли и типа нитей, используемых для прошивки [12, 33]. Возможность вариации свойств композита за счет выбора нитей третьего направления, сохранения минимальной массы получаемых материалов, применения прошивки локально (по месту) на готовых структурах двухмерных наполнителей позволили обеспечить широкую применимость прошитых ГЖМ в технике.

Данный метод применяется для получения соединений в нахлест, в панелях жесткости, в соединениях продольных наборов крыла [34-36]. Метод был применен в центральной части фюзеляжа многоцелевого истребителя Eurofighter и при изготовлении переборок в хвостовой части самолета Airbus А380 [12, 37].

Применение методов иглопробивного и прошивного армирования двухмерных наполнителей позволяет увеличивать ударную вязкость, стойкость материалов к расслаиванию и сопротивление межслойному сдвигу.

Характерная объемная доля межслойной арматуры (Z) при использовании данных методов от 1 до 5%, создаваемые перечисленными методами композиты реализуют максимальные упругие и прочностные характеристики в плоскости укладки слоев (XY). При этом при армировании исходного наполнителя происходит нарушение целостности расположенных в плоскости симметрии нитей.

Введение дискретных волокон в матрицу выполняется в объеме до 15 %, при этом технологически сложным является обеспечение фильтрации коротких волокон через непрерывные волокна, диспергирования и ориентации волокон в объеме матрицы. Для эффективной реализации прочности дискретного волокна в композите рекомендуемым является соотношение длины волокна к его диаметру — 100 при 1а 200 мкм, таким образом, наиболее эффективное упрочнение может достигаться при введении тонких фракций нитевидных кристаллов [2].

Возможность ориентации дискретных волокон в заданном направлении позволяет достигать повышения упругих и прочностных характеристик исходного двухмерного наполнителя в третьем направлении без снижения исходных свойств. Сравнительные данные для случаев исходного ГЖМ и ГЖМ с введенными дискретными волокнами приведены в таблице 2.

Характеристики непрерывно армированных ГЖМ с применением дискретных упрочняющих волокон и без них [2]. Армирующий наполнитель Содержаниеуглеводородныхволокон, % Содержаниенитевидныхкристаллов, % МПа (Ту,МПа МПа у,МПа T-xz?МПа МПа Ех, ГПа Gxz, ГПа Углеродный жгут 56 48,3 9 1020 890 1435 400 520 100 170 30 48 100 180 180 140 3,5 3,6 Углеродная лента 44 36 12 650 580 3074 350 380 77 86 25 38 - 120 100 2,8 ЗД На основании приведенных данных введение дискретной фазы позволяет увеличивать сопротивление материала при межслоином сдвиге, в то же время повышая прочность при сжатии в плоскости (XY). При этом обеспечение заданной ориентации дискретных волокон в среде полимерной матрицы и условиях механического взаимодействия с непрерывной фазой волокон является технологически сложной задачей.

Вискеризация армирующего наполнителя выполняется следующими методами [2]: - выращивания нитевидных кристаллов на поверхности волокон из газовой фазы; - осаждением дискретных волокон и нитевидных кристаллов на поверхность волокон и тканей из аэрозолей и суспензий, в том числе в электрическом поле.

Описанные методы не нашли широко практического применения по причине технологически сложной реализации, в том числе необходимости проведения высокотемпературных процессов на синтетических волокнах и энергетически затратных переделов диспергирования.

Применение систем двух, трех нитей позволяют получать ткачеством структуры наполнителей с направленными механическими, теплофизическими свойствами и вариацией объемных долей армирующих волокон в избранных направлениях. Особенностью данных структур является наличие периодического искривления одного или нескольких направлений армирующих нитей, свойства получаемых материалов определяются степенью их искривленности (углом наклона у). Наиболее распространенные и получившие применение в материалах виды архитектуры наполнителей для систем двух и трех нитей приведены на рисунках 5,6.

Создание пространственных связей в непрерывно армированных послойных наполнителях за счет введения дискретных волокон или нитевидных кристаллов

Определение вязкости полимерных связующих выполняли в работе ротационным вискозиметром Elcometer 2300 в соответствии с ГОСТ 25271-93 (ИСО 2555-89) «Пластмассы. Смолы жидкие, эмульсии или дисперсии. Определение кажущейся вязкости по Брукфильду». Измерения вязкости выполняли при температурах от 20 до 70 С, при угловых скоростях шпинделя 10-50 об/мин.

Измерение производили на шпинделе с D=34,7 мм. Для поддержания температуры испытуемого полимерного состава нагревание осуществляли в чаше с водой. Средний объем пробы связующего составлял 90 мл.

Определение модуля упругости, предела прочности при сжатии и растяжении образцов углепластика проводили на машине Zwick/Roell Z250, максимальная нагрузка при испытаниях до 250 кН, класс точности датчика силы в диапазоне нагрузок - 0,5 по ISO7500-1, ошибка измерения деформации при 20 С менее 1,0 %.

При определении оптимальной формы образцов материала для испытаний в условиях сжатия проводили апробацию образцов цилиндрической формы, формы галтели с рабочей частью диаметром 15 мм и высотой образца 30 мм (рис. 11). Рис. 11. Образец для испытаний на сжатие в форме галтели.

По результатам оценки полученных результатов за основную форму образцов для испытаний в условиях сжатия приняли цилиндрическую. На этапах отработки размеров изготовляли образцы с различными соотношениями высоты и диаметра (рис.12), в том числе:

Цилиндрические образцы изготовлялись механической обработкой из получаемых заготовок углепластика (рис.13). При изготовлении образцов допускалось предельное отклонением размеров до 0,2 мм, не допускалось отклонение армирующих стержней, расположенных по оси симметрии образцов более чем на 2 градуса.

Типовая заготовка полученного материала незначительно превосходит размеры исходного наполнителя (650 145 145 мм) с учетом образования припусков в точке подачи связующего. При определении формы образцов для испытаний на растяжение учитывали ГОСТ 25.601-80, в котором рекомендуемой формой является лопатка с шириной сечения рабочей части 15±0,5 мм. Исходя из поперечного сечения заготовок материала в 145 мм, с учетом припуска на механическую обработку изготавливали лопатки длиной 130 мм с шириной и длиной рабочего сечения 15 мм, 8 мм, соответственно (рис.14).

Исследование микроструктуры материала, определение однородности межфазных границ, объема закрытой пористости в образцах углепластиков и армирующих стержнях, среднего эквивалентного диаметра пор выполняли на основании объемных моделей материала, реконструированных методом компьютерной рентгеновской томографии на современном оборудовании SkyScan 1172, 1272 фирмы Bruker microCT.

В основе метода лежит восстановление изображения объекта исследования на основании полученных теневых проекций. Теневые проекции объекта принимает рентгеновская камера при просвечивании образца лучом микрофокусной рентгеновской трубки. Образец размещается на поворотной платформе, угол поворота регулируется с дискретностью до секунды.

При задании параметров сканирования образца существует возможность указания количества просвечиваний на каждую секунду поворота образца. На основе тысяч проекций, собранных под разными углами при вращении объекта, программное обеспечение реконструирует набор виртуальных сечений объекта и предоставляет трехмерную модель материала с разрешением до 1 мкм на пиксель цифрового изображения

Полученная 3D модель образца материала может быть исследована в любой плоскости среза (рис. 17). Программное обеспечение позволяет идентифицировать фазы и включения разной плотности, в том числе различные дефекты, которые в подавляющем большинстве для исследуемого материала являются порами [75-78]. Рис.17 Построение внутренних сечений образца из исходной реконструированной модели.

Задание плоскостей и построение сечений в трех проекциях исследуемого образца. Расчет профилей распределения пористости и объемных долей материалов в пористой среде выполняли с помощью программного пакета СТАп(рис. 18).

При обработке в программном обеспечении используется метод пороговой сегментации [75-78]. Для повышения производительности программный комплекс применяет модели асинхронного программирования и параллельной обработки данных. Основным источником данных для анализа являются реконструированные изображения срезов материалов, получаемые с компьютерного микротомографа.

На основе одного из многочисленных двухмерных изображений реконструированных сечений образца проводятся следующие операции: -выбор «области интереса» для выделения интересующей части изображения для дальнейшего анализа; -преобразование выбранной области изображения к бинарному виду; -анализ текущего двухмерного изображения, по результатам которого могут быть получены сведения о распределении по размерам, периметре, форме, ориентации пор. -объемный анализ выбранного сегмента объекта на основе ранее проделанных стадий выбора «области интереса» и бинаризации отдельных сечений.

В результате анализа могут быть получены сведения об общем объеме пор, количестве пор, открытой и закрытой пористости. Применение данного метода позволяет определять значения объемной доли пористости среды в доверительном интервале ±0,01% [75-78].

Расчет профилей распределения пористости с помощью программного пакета СТАп. Выполнение распределения пор по объему и эквивалентным диаметрам. Выбор «области интереса», бинаризация с контролем пористости. Построение гистограммы распределения пор по среднему эквивалентному Для исследования структурных особенностей материала применяли также средства оптической микроскопии. В работе применяли оптический микроскоп Axio Observer Aim при увеличении хЮО, х200, х500 и хЮОО в плоско-поляризованном свете с последующей оцифровкой изображений. Исследование проводилось в направлении перпендикулярном одной из осей симметрии на основе изготовленных шлифов.

Полученные оптические снимки позволили оценить особенности формирования межфазных границ. На основании полученных изображений структуры для образцов углепластиков, изготовленных на армирующих структурах с различными типами стержней, в программном пакете Axio Vision выполняли автоматизированный расчет общей площади занимаемой филаментами (с пересчетом в долю от общей площади), а также площади и средних эквивалентных диаметров капилляров между филаментами (рис. 19).

Методы исследования. Оборудование

Учитывая неоднородность поверхности филаментов стержня, включающей углеродную фазу и фазу ПВС, значение краевого угла смачивания (0) определяли отдельно для каждой поверхности. Каплю жидкости диаметром от 2 до 5 мм наносили на твердую поверхность с помощью шприца.

Измерение угла проводилось с помощью компьютерной программы TopView (х64) (см. рис. 35). Рис. 35. Слева - краевой угол Справа - краевой угол смачивания смачивания связующим тип 2 на связующим тип 2 на поверхности углеродной поверхности. ПВС. Значение равновесного краевого угла смачивания для гетерогенной поверхности выполняли в соответствии с выражением (4) [15]. Ф Фг - доли ПВС и углеродной поверхности; cosex,cose2- для краевых углов смачивания на поверхности ПВС и углеродной поверхности.

Значение динамической вязкости л, при которой достигается пропитка стержня, определяли для единичного поперечного стержня на основании выражения (3), при этом допускали возможность проникновения связующего на концах стержня и отсутствие проницаемости в структуру стержня в поперечном направлении.

На этом основании задавали 1=72,5 мм, то есть половину от длины стержней, расположенных в армирующей структуре в плоскости X,Y. Максимальным временем процесса пропитки т считали время до начала гелеобразования (табл. 9). Значения R задавали для каждого типа стержня в соответствии с определенными ранее (табл. 11).

По итогам расчета получили предельно малые значения динамической вязкости связующего, необходимые для достижения пропитки армирующих стержней всех 3 типов п 1,5 10"3 Па с.

Дополнительно определяли значения динамической вязкости связующего, при которых обеспечивается пропитка капилляров стержня, через выражение (1) для одномерного случая течения жидкости в капилляре с постоянной скоростью г/ = —Y Допускали наличие в стержне капилляра длинной 1 = 72,5 мм с постоянным сечением, задавали АР = 78 453,2 Па, т -время до начала гелеобразования, коэффициент проницаемости Кет в соответствии с табл. 12 для гексагональной укладки филаментов, образующих между собой капилляр. В результате также получили значения п 1,5 10" Па с, при которых связующее заполнит капилляр.

Таким образом, устранение пор в структуре стержней за счет инфильтрации в них эпоксидного связующего при формировании матрицы углепластика может быть достигнуто при г 1,5 10-3 Па с. Реализовать такую динамическую вязкость эпоксидных связующих без потери физико-механических свойств и снижения технологичности процесса не представляется возможным. В этой связи однородность структуры стержней необходимо обеспечивать на этапе их пултрузионного изготовления.

Для оценки допустимых значений пористости материала, не оказывающих значимого влияния на механическую прочность, проводили испытания образцов для определения модуля упругости и предела прочности при сжатии.

Оценку влияния пор на реализацию прочности трехмерно-армированного углепластика проводили на цилиндрических образцах углепластиков высота Н=20 мм, диаметр D=20 мм. Образцы были изготовлены из заготовок материала с различными значениями пористости. Определение значения пористости образцов выполняли аналогично предыдущему опыту, после чего проводили механические испытания образцов в условиях сжатия. Полученные данные приведены в таблице 13.

Таблица 13. Влияние пористости на механическую прочность. С вязу ющее Vnop% в исследуемомобъеме материала,доверительныйинтервал ±0,01% Модульупругостипри сжатии,ГПа Коэф. вариациии, % оСЖ; МПа Коэф. вариации и, % Кол-вообразцов Тип 1 1,41 29,20 3,23 362,6 2,91 5

Установили, что в соответствии с полученными данными, для углепластиков с трехмерной ортогональной стержневой структурой армирования статистически значимое разупрочнение наступает при содержании пористости в объеме от 7,9 %. Для ламинарных полимерных композиционных материалов коэффициент реализации прочности 1 =0,985 при Vnop%=2,5 и снижается до 1 =0,970; 0,945 при Vnop%=7,0; 15,0 соответственно [2].

Применены зависимости, позволяющие проводить первичную оценку проницаемости армирующих стержневых структур. Для рассмотренных стержневых наполнителей, учитывая их структуру, объем, размеры, форму в качестве оптимального процесса жидкофазного формирования матрицы принят процесс вакуумной инфузии при АР = 78,5 кПа. Определены параметры процесса, в том числе длительность t 12 мин., схема подачи, рекомендуемые значения динамической вязкости связующих 0,5 г 0,76 Па с (при Т 28С).

Показано, что выбранные параметры процесса обеспечивают однородность материала, в том числе на границе раздела стержень - матрица, и уровень пористости композита до 3%. Выполнена оценка применимости установленных параметров для структур наполнителя при вариации диаметра армирующих стержней dcp.

Установленные режимы показали эффективность при изготовлении 85 заготовок углепластика и применяются в разработанном технологическом процессе.

Предложена методика оценки параметров, обеспечивающих инфильтрацию связующего в капиллярную структуру армирующих стержней. Установлено, что пористость стержней тип 1 - 3 от 33,9 до 51%. Устранение данных пор за счет инфильтрации в них эпоксидного связующего при формировании матрицы углепластика может быть достигнуто на предельно малых динамических вязкостях п 1,5 10" Па с . Данные значения вязкости не могут быть реализованы для современных высокопрочных эпоксидных связующих без значительного снижения их физико-механических свойств. Таким образом, однородность структуры стержней необходимо обеспечивать на этапе их изготовления с применением альтернативных ПВС полимерных составов.

Выполнена оценка порогового значения пористости в трехмерно армированном углепластике на основе стержневой структуры наполнителя. Установлено, что при превышении значения пористости выше 7,9 % происходит снижение прочностных характеристик материала.

Определение основных параметров процесса, проницаемости наполнителя, условий инфильтрации связующего в капилляры стержней

Представленная в сечении структура образца имеет малую пористость и малочисленные нитевидные дефекты матрицы, граница раздела фаз выделена, но однородна. Армирующие стержни, расположенные в плоскости XY сохранили целостность, что указывает на их неэффективную работу. Наблюдаются признаки расслоения матрицы по границе армирующих стержней на отдельных стержнях внешнего радиуса. При удаленности менее чем 2,3 мм от сечения №1, рассматриваемый микрообъем композита преимущественно сохранил целостность, что указывает на малую эффективность работы материала при разрушении.

При анализе продольных сечений образца Н=40 мм, D=20 мм (связующее тип 1) установили множественное дробление армирующих стержней по оси нагружения Z (рис. 44) разрушение (дробление) стержней направления Z В процессе нагружения стержни подверглись дроблению до минимальной эффективной длины (L кр), то есть длины достаточной для включения отрезков стержней в работу. Данное значение зависит от прочности и жесткости стержня и матрицы, а также диаметра стержня, величины взаимодействия на границы стержень - матрица [2]. Аналогичным образом трансверсальное разрушение было реализовано и в структуре образцов первых серий Н=20 мм, D=15 мм (рис. 45).

Поперечное сечение образца Н=20 мм, D=15 мм, связующее тип 1, армирующие стержни тип 3. - дефекты стержней, являющиеся порами, 2 -малочисленные случаи адгезионного разрушения. Наличие дефектов внутри поперечных стержней являются пористостью, объем которой в армирующих стержнях тип 3 достигает 51%, что было показано в главе 3. Стержни поперечного сечения, как и в предыдущем образце, сохранили целостность, случаи адгезионного расслоения единичны. Рис. 46 Поперечное сечение образца Н=20 мм, D=15 мм связующее тип 1, армирующие стержни тип 3. -разрушение (дробление) стержней направления Z. В результате анализа разрушенных образцов установлено, что армирующие стержни, расположенные по оси нагружения образца (Z), испытывали многочисленное дробление до значения Ькр. Данное значение составило в среднем от 1 до 5 мм (по результатам анализа 30 произвольных сечений 3 образцов). Для единичных филаментов углеродного волокна значения Ькр имеют на порядок меньшие значения 0,3-0,35 мм (по Келли) [2,56]. Таким образом, полученные значения минимальной эффективной длины для армирующих стержней являются особенностью и обусловлены значениями их диаметра.

Последующее увеличение диаметра образцов углепластика на связующем тип 1 (Н=50, D=25 мм) привело к увеличению асж, Е (п. 3. табл. 17) и разрушению образцов с явным перерезанием стержней, в том числе поперечных X,Y.

На основании проведенного анализа установили, что матрица тип 1, обладающая наибольшей деформационной способностью (см.табл. 15) не обеспечивает совместность работы армирующих элементов в образцах при D 25 мм, что подтверждается отсутствием разрушения стержней X,Y в условиях достаточного адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз. При этом в случае применения связующих тип 2, 3 с более высокими значениями Е и меньшей деформационной способностью (табл. 15) совместность работы обеспечивается при меньшей эффективной длине поперечных стержней, что подтверждается экспериментально.

На образцах, разрушенных при образовании плоскости среза, оценивали степень разрушения стержней направлений XY (рис.47) - единичные случаи разрушения поперечных стержней. Рис. 47. Поперечное сечение образца Н=40 мм, D=20 мм, разрушившегося с перерезанием стержней наполнителя, связующее тип 2, армирующие стержни тип 2.

До момента разрушения образца с потерей структурной целостности стержней всех трех направлений, поперечные стержни претерпевали единичные нарушения целостности при этом минимальная длина образующихся отрезков составила не менее 7 мм (по результатам анализа 50 произвольных сечений 5 образцов). При этом стержни направления Z, как и в рассмотренных ранее образцах, находились уже в разрушенном до минимальной эффективной длины состоянии.

Развитие процесса разрушения стержней Z отслеживалось на диаграмме асж - є для образцов углепластика (рис. 48).

Приведенные значения деформации являются завышенными, так как при разрушении образца контактный тензометр не применялся, деформации фиксировали по перемещению траверсы. Наличие на диаграмме зоны квазипластичности обусловлено преимущественно процессом разрушения Z-стержней и перераспределения нагрузки от разрушенных участков стержней на граничные армирующие стержни через непрерывную фазу матрицы. Последующее упрочнение обусловлено возрастанием поперечных деформаций образца и вовлечением в работу трансверсалъных армирующих элементов (X, Y).

Различие значений эффективной длины поперечных (X,Y) и продольных (Z) стержней может быть обусловлено способностью стержня работать в условиях сжатия не только во взаимодействии с матрицей, но и как самостоятельный элемент.

Определение эффективной длины Ькр армирующих стержней при вариации упругих и деформационных свойств связующих является необходимым условием реализации прочности разработанного композита. Разработка подходов для оценки эффективной длины армирующих элементов, а также вопросы применимости для рассмотренных структур наполнителя существующих зависимостей для определения Ькр являются предметом дополнительного независимого исследования.

Полученные в работе на основе экспериментов результаты позволили разработать рекомендации по минимально допустимым длинам армирующих стержней в кромках и тонкостенных элементах изделий. Основным размером образцов для испытаний приняли Н=40 мм, D=20 мм, в случае образцов углепластика на связующем тип 1 - Н=50 мм, D=25 мм.

На основании полученных результатов испытаний наиболее эффективным связующим, позволяющим максимально реализовать прочность исходной армирующей структуры, приняли связующее Тип 3. Максимальные значения прочности углепластика достигли в случае применения армирующих каркасов собранных из стержней с эпоксидным «межфиламентарным» связующим.

Похожие диссертации на Разработка и исследование трехмерно армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя