Введение к работе
Актуальность темы,
В настоящее время достигнуты значительные успехи в изучении разрушения полимерных композиционных материалов. Процессы, приводящие к разрушению, являются чрезвычайно сложными, они включают целый ряд этапов, которые протекают по разным механизмам, зависящим от свойств материала, вида напряжённого состояния, его изменения во времени и окружающих условий. Важность проблемы постоянно привлекает ученых разных стран. В книгах представителей хорошо известных отечественных школ [Регель В.Р., Тамуж В.П., Карташов Э.М.] излагаются разные подходы к изучению и решению проблемы прочности, однако некоторые положения являются общими для всех. Во-первых, разрушение материалов представляется как процесс, развивающийся во времени. Во-вторых, прежде чем он становится катастрофическим, всегда имеет место этап, на котором происходит формирование магистральной трещины. При этом существует длительный период её докритического развития. Некоторые этапы реального поведения трещин изучены довольно хорошо. Таковыми являются, например, зарождение и накопление субмикротрещин, которые наблюдаются методом малоуглового рентгеновского рассеяния. Оптический метод позволяет наблюдать поведение трещин, начиная с размера примерно в десять микрон и более.
В то же время весь промежуточный период развития субмикротрещин от
размеров около 0,1 мкм до десятков микрон, по существу являющийся
основным этапом докритического развития разрушения, экспериментально
прямыми методами наблюдения изучался мало. Проводившиеся исследования,
например, фрактографические, в основном качественные, и не описывают
количественно кинетику и микромеханику процесса. В связи с этим изучение
закономерностей деформирования и разрушения материалов, механизмов роста
трещин в матрицах, армирующих волокнах и полимерных композитах на
микроуровне - весьма актуальная задача. і / '
1 ^Н
Целью работы являлось изучение кинетики деформирования и разрушения полимерного композита и его компонентов. Во-первых, это подразумевает исследование разрушения полимерной матрицы. Путём прямого наблюдения за его развитием в камере растрового электронного микроскопа. Во-вторых, получение сведений о характерных особенностях поверхности разрушения армирующих волокон. В-третьих, исследование деформаций в процессе отверждения толстостенной стеклопластиковой оболочки.
Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие основные задачи:
Разработать новые или адаптировать существующие методики изучения кинетики роста магистральной трещины в полимерной матрице в первую очередь in situ при нагружении образцов непосредственно в камере растрового электронного микроскопа.
Экспериментально изучить процесс зарождения и роста магистральной трещины в эпоксидной матрице ЭД-20. Для прямого наблюдения плоский образец с надрезом следует нагружать в режиме ползучести (крипа) прямо в камере растрового электронного микроскопа (in situ). Описать кинетику роста магистральной трещины и сопутствующих ей микротрещин.
Провести исследование и описать структуру поверхности арамидных и углеродных армирующих волокон и показать характерные особенности их разрушения. Использовать прямые, наиболее современные методы визуализации, в том числе растровую электронную микроскопию (РЭМ), микроскопию атомных сил (MAC) и сканирующую туннельную микроскопию (СТМ). При необходимости усовершенствовать методики эксперимента.
Изучить кинетику деформации толстостенной стеклопластиковой оболочки в осевом, радиальном и продольном направлениях в процессе её отверждения. Создать для проведения эксперимента стенд многоточечной тензометрии, разработать методику измерений деформаций и температур в контрольных точках и описать процесс локальной деформации, фиксирующий момент расслоения оболочки.
Научная новизна.
Разработана уникальная установка, для изучения кинетики зарождения и роста магистральной трещины в полимерной матрице. Установка снабжена устройством для нагружения образцов in situ в режиме крипа, а также телевизионной системой фиксации изображений в реальном времени.
Впервые записан процесс роста магистральной трещины в матрице эпоксидной смолы ЭД-20 при нагружении образца в режиме крипа прямо в камере растрового электронного микроскопа. При анализе показана, не описанная ранее в литературе, неравномерность развития магистральной трещины. Впервые измерена кинетика роста индивидуальных микротрещин и их генерации. Показана связь числа и скорости генерации микротрещин с кинетикой роста магистральной трещины.
Впервые проведена сравнительная оценка возможностей методов РЭМ, MAC и СТМ при исследовании структуры поверхности углеродных волокон.
Впервые измерена кинетика деформации толстостенной
стеклопластиковой оболочки в процессе её отверждения. Практическая значимость работы.
В диссертации получены новые данные о росте магистральной трещины и о закономерностях роста и поведения индивидуальных микротрещин с момента их рождения вплоть до разрушения полимерного образца. Эти данные необходимы для проверки и развития представлений о кинетике разрушения полимерных вязкоупругих матриц. Механизмы разрушения полимерных волокон, корреляция структуры поверхности углеродных волокон с адгезионной прочностью чрезвычайно важны для понимания основ прочности полимерных композиционных материалов (ПКМ). Экспериментальное изучение кинетики деформаций, возникающих в процессе отверждения, помогает решению проблемы технологической монолитности толстостенных оболочек.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены: на конференции молодых специалистов по механике полимеров (Рига, 1977), на
симпозиуме «Применение электронной микроскопии в современной технике» (Москва, 1978), на XI Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (Таллинн, 1979), на III Всесоюзном семинаре по физике прочности композиционных материалов (Ленинград, 1979), на V Всесоюзной конференции по композиционным материалам (МГУ, Москва, 1981), на II Всесоюзной конференции по полимерным композиционным материалам и их применении в национальной экономике (Ташкент, 1983), на Московской международной конференции по композитам, (Москва, 1990), на XII и XIV Симпозиумах «Современная Химическая Физика» (Туапсе, 2000, 2002), на 10-ой Международной конференции по механике и технологии композиционных материалов (София, Болгария, 2003), на ежегодной научной конференции Отдела полимеров и композиционных материалов ИХФ РАН (Москва, 2005, 2006).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 8 статей и 13 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 149 страницах, включает 87 рисунков и 4 таблицы. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 137 наименований.
