Свойства ВПКМ при динамическом нагружении.
Структура и состав ПКМ, ВПКМ определяет их поведение и в условиях динамического нагружения (циклического, ударного, термоциклического) и дает возможность эффективного регулирования таких параметров, как усталостная прочность, демпфирующая способность, вибропрочность, термонагруженность.
Состав и структура ПКМ, ВПКМ в полной мере соответствует основному способу направленного регулирования параметров динамических вязко–упругих свойств, заключающемуся в создании гетерофазных систем с резко различными временами релаксации сегментов в фазах, систем с несовместимыми компонентами.
Вязкоупругие свойства полимеров и полимерных материалов в динамических условиях характеризуются возникновением в них затухающих колебаний, определяемых значениями логарифмического декремента затуханий, мерой демпфирующей способности материала θ,
θ = ln Аi / Аi+1, где А=А0·е-αt, α = θ·ω= π·tgδ·ω
и вынужденных колебаний
σ(ω) = σА·e–iωt,
ε(ω) = εА·e–i(ωt–δ)
σ(ω) / ε(ω) = E*
E* = E′ – i·E′′
E′′ / E′ = tg δ, где:
E′ – упругая составляющая, отвечающая за накопление энергии и ее возвращение;
E′′ – вязкая составляющая, потери на внутреннее трение;
tg δ – угол механических потерь.
Тангенс угла механических потерь tg δ и температурный интервал эффективного вибропоглощения ΔТэфф определяют уровень вибропоглощения. Высокая эффективность применения ПМ и ПКМ для снижения вибрации (и шума) обусловлена специфической особенностью полимеров, заключающейся в повышенной способности к диссипации внешней энергии. Молекулярный механизм поглощения энергии колебаний в полимерах объясняется теорией релаксации, в основе которой лежат процессы перехода полимерной системы к состоянию термодинамического равновесия за счет реализации различных видов молекулярного движения, сопровождающихся диссипативными потерями энергии. Каждому виду молекулярного движения соответствует релаксационный процесс, характеризующийся определенным значением энергии активации и своим временем релаксации. Для любого релаксационного процесса характерно проявление резонансного максимума на кривой температурной зависимости коэффициента механических потерь (наиболее интенсивный релаксационный переход и наибольшая диссипация энергии соответствует переходу полимера из стеклообразного в эластическое состояние). У гомополимеров область перехода (высота пика механических потерь может быть значительной) перекрывает незначительный частотный и температурный диапазон. В широких пределах (tg δ 0,1 – 0,3; частоты 5–10000 Гц) изменяются параметры при сополимеризации, изменений природы и количественных соотношений звеньев как в основных цепях макромолекул, так и в боковых звеньях, что используется для целенаправленном конструировании выбропоглощающих композиций.
ПКМ, ВПКМ на основе полимеров с высокими значениями tg δ 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 σN ·θ 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 σ – ln N, где N число циклов нагружения, горизонтальная асимптота и термин "предел усталости" неприменим. Используют условный предел усталости σхN, при котором ПКМ выдерживает определенное количество циклов (N·107, 2N·107) нагружения.
, где
х = εмN /εм, εмN – предельная деформация матрицы, при которой происходит усталостное разрушение ПКМ. Если εм = (0,05–0,07)σ+, т.е. около 200 МПа, σхN ПКМ возрастает до 800–1200 МПа. σхN возрастает и с ростом Е+.
Усталостное разрушение однонаправленных ПКМ начинается с матрицы при достижении в ней определенного уровня напряжений (для углеволокнитов σN = 520 МПа, связующее ЭНФБ, σN = 420 МПа, связующее 5–211Б). Величина предела выносливости (σПКМ)N углеволокнитов (ПКМ – углеволокнит) для знакопеременного цикла составляет (0,3–0,5)σ+, для знакопостоянного – (0,3–0,5)σ+. 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)σ+, 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 τcд 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 θ, мера деформирующей способности материала конструкций, поврежденных высокочастотными динамическими нагрузками, определяет механизм усталостного разрушения ПКМ (механический или тепловой). θ 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 θ возрастает в 1,5–2 раза, что положительно сказывается на работе деталей при резонансных колебаниях. θ 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:
| Наполнитель в ПКМ: | Значения θ при: | |
| Свободные колебания | Вынужденные колебания | |
| Кордная тканая лента | 0,8 | 1,5 |
| Жгут | 0,5 | 1,1 |
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.
|
Рисунок 5. Усталостные свойства ВПКИ (тип А, Б, В, Е; Г, Д – для сравнения); характеристика значения удельного предела прочности при растяжении к плотности σ+/ при различных типах динамического нагружения.
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).
θ = 0,3 θм·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 θ (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 θ от уровня относительных деформаций ε при ориентации армирующих элементов под углом к оси образца (цифры на кривых).
1- бороволокнит; 2 – углеволокнит; 3 – стекловолокнит.
Вибропрочность σN·θ определяет собственную частоту колебаний материала, зависящей в значительной степени от демпфирующих свойств и ориентации волокон в ВПКМ (σN·θ имеет максимальные значения в диапазоне углов армирования 15–30о).
При действии нагрузок под углом армирования σN уменьшается, θ – возрастает. (σN·θ)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 θ и σN·θ ВПКМ существенно превосходят эти показатели для металлов (таблица 12).
Таблица 12.
Сравнительные показатели усталостной прочности σN , логарифмического декремента затухания колебаний θ и вибропрочности σN·θ для металлов и однонаправленных прессованных эпоксидных ВПКМ.
| Материал | σN, МПа | θ, % | σN·θ, МПа |
| Титан ВТ-8 | 0,03 | ||
| Сталь 18ХНВА | 0,06 | ||
| Стекловолокнит | 1,5 | ||
| Бороволокнит | 0,5 | ||
| Углеволокнит | 1,2 |
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 υ1 и υ2 практически не влияет на собственные частоты при колебании по изгибным и крутильным формам. Частоты пластинчатых форм при уменьшении υ1 увеличиваются на 3–5 %, при уменьшении υ2 – 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).
| Материал | Ориентация волокон, градусы | σ+, ГПа | Нагрузка % от [σ]+ | Долговечность, часы |
| 1. Однонаправленный эпоксидный стекловолокнит (60 %, стекло S) | 1,83 | 0,01 | ||
| 2. Однонаправленный эпоксидный кевлароволокнит (60 % К-49) | 1,41 | 104 | ||
| 3. Углеволокнит эпоксидный (60 % УВ "AS") | 1,41 | >1000 | ||
| 4. Углеволокнит эпоксидный (60 % УВ "НТ", 120оС) | [0,90]о | 0,58 | ||
| 5. Алюминиевый сплав 7075-Т6 | – | 0,49 |
Таблица 14.
Теплопроводность конструкционных материалов.
| Материал | λх106, Вт/м·К | |
| 1.Углепластики на основе волокон: | Структура | |
| 0о | [0, ±45, 90]o | |
| AS (∥/⊥) | 11,4–19,0/0,52 | 3,8–5,7 |
| НТ | 22,8–38,0 | 5,7–11,4 |
| НМ | 53,5–66,5 | 11,4–22,8 |
| 2. Эпоксидные стеклопластики | 3,8 | 0,38 |
| 3. Алюминиевый сплав | 152–238 | |
| 4. Сталь | 17,1–51,3 | |
| 5. Эпоксидный однонаправленный кевлароволокнит (54 % об К–49) ⊥/∥ | 0,012/0,141 | – |
| 6. Отвержденная эпоксидная матрица | 1,41–11,2 |
Таблица 15.
Сравнительные свойства конструкционных материалов.
| Свойства | Стекловолокниты | Органоволокниты (СВМ, Кевлар) | Углеволокниты с углеродными волокнами | Борово-локниты, волокна В/W | Al | Ti | Cталь | ||
| Стекло Е | Стекло S | Высоко-прочными | Высоко-модульные | ||||||
| Плотность, г/см3 | 2,1 | 2,0 | 1,25–1,44 | 1,6 | 1,6 | 2,0 | 2,68–2,8 | 4,47–4,8 | 7,75–8,1 |
| Е+∥, ГПа | 45/32 | 76/32 | 145/88 | 210/135 | 62–73 | 105–125 | 186–215 | ||
| Е+⊥, ГПа | 5,5 | 6,9 | 62–76 | 105–125 | 186–215 | ||||
| Модуль сдвига, GIc | 5,2–5,5 | 7,6 | 2,0–2,1 | 4,8–5 | 4,8–5 | 4,8–6,2 | – | – | – |
| Коэффициент Пуассона, v+ | 0,28 | 0,28 | 0,34 | 0,25 | 0,25 | 0,25 | – | – | – |
| σ+∥, МПа | 1020/600 | 1240/640 | 760/460 | 1240/620 | |||||
| σ+⊥, МПа | |||||||||
| σ–∥, МПа | 620/300 | 280/104 | 960/250 | 3300/600 | |||||
| σ–⊥, МПа | |||||||||
| τсд, МПа | 70 (до 100) | 80 (до 100) | 30–60 | 30–80 (до 100) | 30–70 | Высокая | |||
| Относительные удлинения, % ε+∥/ ε+⊥, ε–∥/ ε–⊥, | 2,3/0,4 1,4/1,1 | 2,9/0,4 1,3/1,1 | 1,6/0,5 2,0/2,5 | 0,9/0,4 0,9/1,6 | 0,3/0,4 0,3/2,8 | 0,36/0,4 0,6/1,5 | – – | – – | – – |
| Логарифмический декремент затухания колебаний, θ, % | 1,5/4,6 | –/5 | 1,2/3,2 | 0,5/2,8 | 0,7 | 0,03 (ВТ-8) | 0,06–0,07 (18ХНВА) | ||
| Усталостная прочность, σN, МПа | 200/140 | –/180 | 350/250 | 350/200 | |||||
| Вибпрочность, σN·θ, МПа | 300/650 | –/900 | 420/800 | 175/560 | До 90 | ||||
| Термонагруженность, Е+·α·102, ГПа/к, | 3,0 | 1,4 | 1,08 | 10,8 | 16,8 | ||||
| Трещиностойкость ак, кДж/м2 | 10–580, 270 (СВАМ) | 40–120 (КМУ-9) | До 400 (Д16Т-300) | – | (30ХГСА) | ||||
| GIc, Дж/м2 | До 810 | 430-1130 | До 210 | – | – | – | – | ||
| Удельная прочность, σ+/ ρ, км | 70–100 / 50–60 | 140–180/ 80–120 | 70–100/40–60 | 60/30 | 14-16 | 16-24 | |||
| (Металлы 4-53) | |||||||||
| Удельный модуль упругости Е+/ ρ·103, км | 2,6–3,2/1,1–2 | 5,9–7,0/ 3,9–4,6 | 8–12/5,3–8,0 | 12,3 | 2,7–2,7 | 2,2–2,4 | 2,5–2,9 | ||
| (Металлы 2,2–3,6) |
В знаменателе – данные для ортотропных (1:1) волокнитов.