Прочности стеклопластиков

Рис, 92. Схема установки преобразователей при определении прочности стеклопластика

во всем исследованном диапазоне значений лкр, то прочность при сдвиге растет с увеличением объемного содержания кристаллов до 5 %. Дальнейшее увеличение значений акр приводит к резкому снижению сдвиговой прочности стеклопластика. Это обусловлено особенностями метода виске-ризации, при котором с увеличением содержания нитевидных кристаллов и толщины слоя ткани затрудняется их внедрение в пространство между волокнами; кристаллы начинают располагаться в плоскости ткани. Оптимальное объемное содержание кристаллов, при котором достигаются максимальные значения сдвиговых характеристик 'исследуемого стеклопластика, составляют 5—6 % . Прочность при сдвиге в значительной степени определяется также диаметром нитевидных кристаллов, применяемых для виске-ризации. С уменьшением диаметра нитевидных кристаллов значение прочности возрастает (см. рис. 7.9).

примерно на 60% выше, чем в случае этилтрихлорсилана. Обработка волокна аллилтрихлорсиланом также способствует повышению предела прочности пластика на 70% по сравнению с пределом прочности материала, изготовленного с применением насыщенного производного—• пропилтрихлорсилана. В работе [53] было показано, что как аппреты хромовые комплексы изомасля-ной кислоты значительно уступают хромовым комплексам мета-криловой кислоты (Волан А): предел прочности стеклопластика с первым аппретом в 2 раза ниже, чем при использовании второго. Два соединения в каждой паре отличаются только олефиновой ненасыщенной группой. В соответствии с теорией ненасыщенная полиэфирная смола способна к сополимеризации с олефиновыми группами в аппрете.

Предельные кривые, полученные сечением поверхности прочности стеклопластика тремя взаимно ортогональными плоскостями, показаны на рис. 4.13 [42] (схема армирования материала [900/±300/90°]s). Экспериментальные данные (темные кружки) получены на трубчатых образцах, расчетные кривые — по критерию прочности Пуппо — Эвенсена. Этот метод в отличие от других рассматривает слоистый композит в

шёнйй Коэффициента затухания, точность определения которого достигает 15—20%, хотя его относительное изменение в зависимости от изменения прочности стеклопластика значительно превышает относительное изменение скорости. То же самое можно отметить и в отношении интенсивности ультразвуковой энергии и частотного спектра импульса. На эти параметры оказывают значительное влияние состояние поверхности изделия, контакт преобразователей с поверхностью материала, явления интерференции и дифракции упругих волн в материале из-за геометрических характеристик изделия. Поэтому на данном этапе развития акустических методов, на наш взгляд, наиболее целесообразным является использование скорости распространения упругих волн.

Значение ст0 в изделии определяют комплексным неразрушающим методом по многопараметровому корреляционному уравнению, предварительно устанавливаемому путем статистической обработки экспериментальных результатов измерения физических параметров (скорость ультразвука,диэлектрическая проницаемость, коэффициент тепло- или температуропроводности) и прочности на одних и тех же образцах. При контроле прочности стеклопластика указанные физические характеристики в определенных структурных направлениях материала измеряют непосредственно в изделии. Таким образом, изменение физических характеристик, измеренных в различных участках изделия, будет характеризовать изменчивость значения предела прочности стеклопластика в данном конкретном изделии.

Предел прочности стеклопластика при растяжении вдоль основы, кгс/см2 4000 460 0,115

2. Определить модуль упругости и предел прочности стеклопластика в изделии по корреляционным уравнениям [36] и табл. 4.1—4.10.

Задаваясь степенью точности определения характеристики прочности стеклопластика т = <тв/<т', можно определить такую ширину образца Ь', начиная с которой подсчет предела прочности можно производить без учета величины краевой зоны, т. е. по формуле (4.1) Эта величина будет

Рис. 4.5. Гистограммы и выравненные кривые характеристик прочности стеклопластика на основе ткани типа «Т» и полиэфирного связующего ПН-1: а — при растяжении под углом а = 0 ~ст0 = 2670 кгс/см2; S = 278 кгс/см2; N = 30; б —при растяжении под углом а = 45° ст45 = 1490,7 кгс/см2; S = 88,5 кгс/см2; N = 35; в — при растяжении под углом а = 90° о = 1669,7 кгс/см2; S = = 196,6 кгс/см3; W=28; г—при срезе т~о=896,5 кгс/см2; 5=87,1 кгс/см2; Л?=30

Рис. 4.6. Гистограммы и выравненные кривые характеристик прочности стеклопластика на основе стекложгута ЖС-04 и полиэфирного связующего ПН-1: а — при растяжении под углом а=0 ао = 3920 кгс/см2; S = 468,6 кгс/см2; N = 30; б —при растяжении под углом а=45о^6 = 1896,7 кгс/см2; S= 144 кгс/см2; N = 30; в — при растяжении под углом а = 90° а90 = 3080 кгс/см2; S = =366,4 кгс/см2; УУ=30; е—при срезе т^р= 1106,7 кгс/см2; 5=143 кгс/см2; W=30

Контроль прочности стеклопластиков. Стеклопластики являются орто-тропными материалами, прочностные и упругие свойства которых зависят от направления армирующих волокон.

Рис. 7.9. Зависимость упругих характеристик и прочности стеклопластиков на основе ткани, вискеризованной TiOz из

3. Хемосорбированный на стеклянной поверхности слой поли-меризованного аппрета способствует сохранению (Прочности стеклопластиков при увлажнении. Продукты гидролиза физически адсорбированной части аппрета либо пассивны, либо оказывают вредное влияние.

Максимальный эффект при аппретировании волокна, определяемый по повышению прочности композитов как в исходном, так и во влажном состояниях, достигается при использовании неполярных смол. Хотя сами смолы весьма устойчивы к воздействию влаги, силы Ван-дер-Ваальса между ними и стеклом очень чувствительны к действию воды, присутствующей на 'поверхности минерального наполнителя. Влияние силановых аппретов наглядно подтверждается данными Вандербильта [50] для стеклопластиков на основе аппретированных и необработанных волокон и различных смол (рис. 6). Абсолютные значения прочности стеклопластиков на основе аппретированной силаном стеклоткани в исходном и влажном состояниях оказались примерно равными (~56 кгс/мм2). Это дает основание полагать, что силанолы обеспечивают на поверхности раздела высокую концентрацию гидроксильных групп, защищающих стеклопластики от воздействия воды в процессе изготовления. Наличие силанольных групп на поверхности раздела позволяет в наибольшей степени использовать свойства смолы. Если передача напряжений через поверхность раздела препятствует дальнейшему улучшению механических свойств и водостойкости композитов со стеклянными наполнителями, то с помощью силановых аппретов отрицательное воздействие этого фактора устраняется или уменьшается.

В начале 50-х годов начали проводиться работы по изысканию способов предотвращения снижения прочности стеклопластиков на сдвиг и изгиб после кипячения в воде. В результате было разработано несколько защитных материалов, известных как покрытия, или аппреты. Они оказались чрезвычайно эффективными и позволили повысить прочность стеклопластиков при комнатной температуре непосредственно после изготовления и стабилизировать ее при 'комнатной температуре после увлажнения, (табл. 18 и 19). Силановая обработка стеклянных волокон способствовала упрочнению адгезионной связи на поверхности раздела в стеклопластиках [53, 54, 77, 94]. Были разработаны также способы предотвращения деструкции под действием воды композитов на основе волокон бора и карбида кремния. Установлено, что после окисления воло-

•ствию воды, в результате которого ухудшаются электрические свойства композита и его 'прочность на изгиб, растяжение и сдвиг. .Это послужило основанием для проведения в 50-х тодах исследований, имевших целью улучшить адгезию между волокном и смолой и, что еще более важно, (повысить .прочность композитов при комнатной температуре после кипячения в воде. Для определения .влияния температуры и влажности на свойства композитов они подвергались кипячению в воде в течение 24 ч. В результате этих .исследований было разработано несколько защитных материалов (покрытия, или аппреты), использование которых оказалось очень эффективным для повышения прочности стеклопластиков при •комнатной температуре в исходном состоянии (после изготовления) и сохранения прочности при комнатной температуре после кипячения в воде (при испытании во влажном состоянии).

В табл. 24—28 (приведены результаты исследований адгезии •смол и аппретов к стеклянным волокнам. Эти результаты показывают, что силановые аппреты способствуют значительному \повы-лию прочности стеклопластиков на изгиб во влажном состоянии. Потери прочности после кипячения в воде в течение 2 ч составляют 5—14% в зависимости от типа смолы, стекла и аппрета. Как правило, прочность композита, который армирован волокном, обработанным воланом, во влажном состоянии сохраняется хуже :всего. Этот аппрет оказывается более эффективным при использовании полиэфирных и меламиновых смол. Обработка волокон аминосиланом А-1100 эффективна для композитов на основе эпоксидной смолы, полиамидоимида, полиимида, фенольной и мелами-«овой смол, а также полиэфиров. Понижение прочности композита

после кипячения в воде чаще всего наблюдается при испытаниях на изгиб и сдвиг (табл. 26). Длительное кипячение в воде (в течение 72 ч) приводит к потере прочности стеклопластиков до 79% (табл. 27).

ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УВЛАЖНЕНИЯ СТЕКЛОТКАНЕЙ И НАГРЕВА НА ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ [102]1)

Форест [35] впервые обнаружил снижение прочности эпоксидных угле- и боропластиков в результате старения на воздухе. В отличие от стеклопластиков деструкция этих композитов происхо> дит при повышенных температурах (93 °С и выше) в зависимости от вида эпоксидной смолы, в то время как потеря прочности стеклопластиков может наблюдаться и 'при комнатной температуре. Эпоксидные смолы проявляют наибольшую способность к химическому взаимодействию при температурах 149—177 °С. Именно для работы в таком интервале температур и 'Предусматривались угле-и боропластики. Первоначально эти композиты испытывали при комнатной температуре и при 148,9 или 176,7 °С. После выдержки угле- и боропластиков на воздухе в течение нескольких месяцев при повторных испытаниях прочность на сдвиг и изгиб при повышенной температуре (177°С) значительно уменьшается и не изменяется при комнатной температуре (табл. 31 и 32).

свойства которых по сравнению с углепластиками ухудшаются уже при комнатной температуре, что свидетельствует о существовании нескольких механизмов уменьшения прочности. Стеклянные волокна более чувствительны к действию влаги, чем графитовые, 'поэтому, вероятно, деструкция поверхности раздела в стеклопластиках наступает быстрее, чем в углепластиках. Уменьшение прочности стеклопластиков связано с изменением свойств смол, деструкцией волокна и поверхности раздела, а также с релаксацией напряжений в. смолах. Потеря 'прочности композитов в результате поглощения влаги лочти одинакова для всех систем, если используется одна и та же смола. При одинаковой адгезии между волокном и смолой степень деструкции стекло-, боро- и углепластиков вследствие релаксации напряжений также должна быть одинаковой. Поэтому по степени деструкции поверхности раздела композита можно судить о стойкости его к старению. Со временем в результате деструкции прочность полимерных композитов при комнатной температуре падает. Ниже приводятся некоторые доказательства в подтверждение влияния трех названных факторов на уменьшение прочности композитов при старении.