2.1 Классификация дефектов в слоистых композитах
Использование при изготовлении изделий из композиционных материалов несовершенного оборудования, система управления которым не обеспечивает заданную точность поддержания параметров технологического процесса, приводит к возникновению в структуре материала конструкции различного рода дефектов, вызывающих снижение физико-механических характеристик или увеличение их разброса, снижение несущей способности конструкции и другие отрицательные эффекты. Появление дефектов в конструкциях из композитов, армированными непрерывными волокнами или ткаными материалами, может быть связано не только с отсутствием достаточно совершенного оборудования, но и с рядом других причин, связанных с субъективными факторами (нарушением технологического процесса, загрязненностью участка формирования структуры материала и др.) [3].
Изготовление конструкций из пространственно-армированных углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) является сложным, длительным, многоступенчатым процессом и зависит от десятков технологических параметров, изменение любого из которых может привести к необратимым нарушениям заданной структуры. Наличие структурных дефектов часто становится решающим фактором, определяющим работоспособность конструкций, особенно в экстремальных условиях высокоскоростного температурного нагружения и жестких требований к абляционной стойкости материалов [6].
В табл. 2.1. представлены технологические методы переработки полимерных композиционных материалов и наиболее характерные дефекты, присущие тому или иному методу.
Для проведения анализа дефектов, встречающихся в конструкциях из полимерных композитов, удобно представить их в виде блок-схемы, разделив на различные группы по относительным размерам и другим параметрам (рисунок 2.1). При этом подходе дефекты разделены на два больших класса: производственные дефекты, которые появляются в конструкциях либо в процессе их изготовления, либо в процессе изготовления составляющих материал компонент, и эксплуатационные повреждения, возникающие в конструкции в процессе ее эксплуатации. Кроме этого производственные дефекты могут быть разделены на три группы: микро-, мини- и макродефекты.
Рисунок 2.1 – Классификационная схема производственных дефектов и эксплуатационных повреждений в конструкциях из КМ
Таблица 2.1
Характерные дефекты типовых методов формирования изделий из полимерных композиционных материалов
Метод контактного формирования (без прикатки, с прикаткой, с уплотнением)
Характеристика изделий: Крупногабаритные изделия сложной формы, оболочки, листы больших размеров
Дефекты формирования: Пористость, расслоения, разнотолщинность, неравномерное распределение связующего, участки неполного отверждения, увеличение разброса физико-механических характеристик, складки, разориентация волокон, участки с низким содержанием связующего, коробление изделия, риски на поверхности
Метод формирования эластичной диафрагмой
Характеристика изделий: Крупно- и среднегабаритные изделия сложной формы
Дефекты формирования: Неравномерное распределение связующего, разориентация волокон, расслоения, складки, участки неполного отверждения связующего, локальная пористость
Метод авто- и гидроклавного формования
Характеристика изделий: Крупно- и среднегабаритные изделия простой и сложной формы
Дефекты формирования: Расслоения, пористость, складки, разориентация армирующего материала
Метод вакуумного формования
Характеристика изделий: Среднегабаритные изделия простой и сложной формы
Дефекты формирования: Пористость, складки армирующих слоев, неравномерное распределение связующего, разориентация слоев
Метод сухой и мокрой намотки (однонаправленная)
Характеристика изделий: Крупно- и среднегабаритные изделия типа тел вращения (цилиндрические, сферические, конические, овалоидные, тороидальные оболочки), длинномерные конструкции в виде замкнутого профиля прямоугольной или другой формы
Дефекты формирования: Расслоения, пористость, неравномерное распределение связующего, утолщения в зоне нахлестов витков, участки неармированного связующего в зазорах между соседними витками, инородные включения, обрывы волокон, искривление волокон
Метод прессования тканей, пропитанных связующим, и однонаправленных препрегов
Характеристика изделий: Средне- и малогабаритные изделия простой и сложной формы
Дефекты формирования: Трещины, локальная пористость, расслоения, неравномерное распределение связующего, риски на поверхности
Микродефекты – это дефекты, размеры которых сравним с размерами армирующих элементов (элементарными волокнами) или с толщиной связующего между этими элементами. К микродефектам можно отнести дефекты, возникающие в элементарных армирующих волокнах, в прослойках, связующего между этими волокнами, а также на границе раздела волокно – матрица.
Наиболее характерными дефектами этой группы можно назвать микропоры, микротрещины, включения инородных кристаллов в структуру элементарных волокон, искривление фибрилл, разориентацию микрофибрилл и др. Микроскопические исследования дефектов армирующих элементарных волокон показали, что на поверхности стеклянных волокон имеются трещины глубиной 10-7 м, шириной 2 ? 10-7 м и длиной до 5 ? 10-5 м. Для борных волокон диаметром 10-4 м характерны поры и трещины размером до 8 ? 10-6 м, а также включение крупных кристаллов металлического бора в борную оболочку волокна. Трещины, встречающиеся на поверхности углеродных волокон, составляют в длину 2 ? 10-7 – 1 ? 10-6 м, а в ширину 1 ? 10-8 – 2 ? 10-7 м. Разориентация отдельных углеродных слоев (микрофибрилл) в волокнах достигается 17–23%.
В армирующих волокнах из армидных материалов размеры трещин достигают 8 ? 10-7 м.
Наличие дефектов на поверхности и в структуре элементарных армирующих волокон приводит к снижению их физико-механических характеристик и к увеличению разброса последних.
Минидефекты – это дефекты, размеры которых сравнимы с размерами толщины элементарного слоя композиционного материала. Они встречаются в виде структурных несовершенств и нарушений сплошности в элементарных слоях материала. К ним можно отнести:
– риски и царапины, соизмеримые с толщиной элементарного слоя;
– нарушение адгезионных связей на границе раздела волокно – матрица;
– волнистость и крутку армирующих волокон, разориентацию и их искривление;
– неравномерное распределение связующего в элементарном слое композита; разную степень натяжения армирующих волокон или нитей;
– обрывы отдельных элементарных волокон или нитей и другие дефекты.
Минидефекты связаны либо со структурным строением армирующего наполнителя, либо возникают в процессе технологической переработки составляющих компонент композиционного материала в изделие. К наиболее характерным структурным минидефектам можно отнести крутку элементарных волокон в нитях, регулярные и случайные искривления нитей, разориентацию армирующих волокон. Наличие этих дефектов в структуре материала является одной из причин того, что его физико-механические характеристики в изделиях значительно отличаются от подобных характеристик самих элементарных волокон. Крутка элементарных волокон, как известно, используется для повышения технологичности переработки нитей и жгутов в изделия. При этом устраняется пушение элементарных волокон и уменьшается их обрывность. Однако, наряду с этим, она приводит к снижению степени реализации упругих и прочностных показателей волокон в композиционном материале, которое сказывается при кручении высокомодульных волокон (борных и углеродных).
Разориентация армирующих волокон связана с их отклонением от заданного направления в процессе технологической переработки при изготовлении конструкций и обычно связана с несовершенством технологического оборудования или оснастки.
Регулярные искривления армирующих волокон свойственны в основном тканым наполнителям и определяются параметрами их переплетения. В отличие от регулярных искривлений случайные искривления являются в основном следствием несовершенства технологического процесса и наиболее часто возникают при изготовлении конструкций методом послойной намотки с последующей опрессовкой при термообработке, а также в процессе прессования изделий в замкнутой форме из-за неточности размеров заготовок, закладываемых в нее. Случайные искривления вызывают местное снижение жесткости материала и наиболее опасны в конструкциях, работающих на устойчивость.
Наиболее характерные минидефекты, связанные с нарушением сплошности структуры композиционных материалов, – поры и минитрещины в матрице. Появление пор связано с наличием в связующие большие количества растворителя или влаги, с неправильным выбором режимов термообработки (большая скорость нагрева, низкое давление). Кроме этого, на этапе пропитки материала при мокром методе формирования его структуры, могут образоваться воздушные пузырьки, запирающие каналы между волокнами и препятствующие капиллярному движению по ним связующего. Особенно большое количество мелких пузырьков, пор и раковин возникает при ручной выкладке конструкций из ткани, пропитанной полиэфирным связующим.
Анализ композиционных материалов с различной пористостью показывает, что с ростом длины пор и их содержания степень реализации прочностных и упругих параметров армирующих волокон в композитах уменьшается. Причем, наиболее опасны вытянутые поры, длина которых превышает критическую длину элементарного волокна в композиционном материале. Особенно пористость сказывается на сопротивлении слоистых материалов сдвиговым нагрузкам и в меньшей степени – изгибающим и растягивающим [14].
Наряду с этим, поры являются концентраторами напряжений в матрице и при внешнем воздействии на конструкцию или возникновении внутренних остаточных напряжений в материале могут быть источниками образования микро и минитрещин как в самой матрице, так и вдоль границы раздела волокно – матрица.
Минидефекты и большинство микродефектов статистическим образом распределены по объему композита и охватываются нижним пределом механических свойств композиционного материала.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.