Способ определения локальной адгезионной прочности и усилия межфазного трения в волокнистых композиционных материалах

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНОЙ АДГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ И УСИЛИЯ МЕЖФАЗНОГО ТРЕНИЯ В ВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Жандаров Сергей Федорович Юркевич Олег Романович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(56) ЖАНДАРОВ С.Ф. и др. Международная научно-техническая конференция Полимерные композиты - 2003 Тезисы докладов. - Гомель, 2003. - С. 9697... //. - 2002. - . 78. - .547-569. ЗЕЛЕНСКИЙ Э.С. и др. // Российский химический журнал. - 2001. - Т. .2. - С. 56-74.(57) Способ определения локальной адгезионной прочности и усилия межфазного трения в волокнистых композиционных материалах, заключающийся в том, что волокно погружают в каплю связующего до глубины, составляющей 3-30 диаметров волокна, формируют адгезионное соединение между волокном и связующим, вытягивают волокно из связующего и регистрируют силу вытягивания, проводят испытания не менее 50 образцов с погружением волокна на различную глубину, строят график зависимости силы вытягивания от глубины погружения и, приближая его методом наименьших квадратов к наилучшей теоретической кривой, описываемой уравнением где- модуль упругости волокна, и- коэффициенты термического расширения волокна и матрицы соответственно, - разность между температурой, при которой термическое напряжение в образце отсутствует, и температурой, при которой ведут испытания,определяют значения локальной адгезионной прочности и усилия межфазного трения. Изобретение относится к определению адгезионной прочности, а именно к измерению локальной адгезионной прочности и усилия межфазного трения при нагружении соединений армирующих волокон с полимерными, керамическими и металлическими связующими в композиционных материалах методами вытягивания (- и ). Сущность методов вытягивания заключается в том, что формируется адгезионный контакт между исследуемым волокном и каплей связующего, наносимой непосредственно на волокно (вариант ) или предварительно зафиксированной на жесткой подложке (вариант -), и к свободному концу волокна прикладывается нарастающая нагрузка . При некотором значении этой нагрузки (сила вытягиванияв) происходит межфазный сдвиг по границе раздела и волокно вытягивается из капли связующего. Известен ряд способов определения адгезионной прочности в системах волокно - связующее,основанных на измерении силы вытягивания в. В одном из них 1 сдвиговая адгезионная прочность рассчитывается аналогично стандартному методу для клеевых соединений 2 по формулев/, где- диаметр волокна, е - глубина погружения (длина склейки). Недостатком способа является то, что полученное значение арр (кажущаяся адгезионная прочность) зависит от геометрии образца (прежде всего, глубины погружения) и,таким образом, характеризует не прочность адгезионной связи на границе раздела волокно - связующее в данных условиях формирования, а лишь эффективную сдвиговую прочность самого образца. Поэтому более правильно характеризовать прочность адгезионной связи локальным параметром, постоянным по длине погруженного волокна (локальная адгезионная прочность ) и, таким образом, не зависящим от длины склейки. Поскольку непосредственное измерение локальной адгезионной прочности невозможно, используются различные модели, связывающиес измеряемыми в эксперименте величинами (в частности, силой вытягивания в). В одной из моделей 3 анализируется распределение межфазных сдвиговых напряжений вдоль погруженного волокна и предполагается, что межфазный сдвиг происходит, когда максимальное значение сдвигового напряжения(у нагружаемого конца волокна) достигает(при этомв). При определении локальной адгезионной прочности по этому способу она рассчитывается по формуле 4 в(1)2,24 где- величина, обратная критической длине,- максимально возможное значение продольного термического напряжения в волокне при данных условиях формирования 3, 4. В отличие от первого способа определяемая величинаявляется не усредненным, а локальным параметром, т.е. должна отражать реальную прочность адгезионной связи. Одна 2 13606 1 2010.10.30 ко недостатком способа является то, что он игнорирует фактический механизм разрушения образцов в методах вытягивания. Как было обнаружено экспериментально и подтверждено теоретически 5, 6, разрушение образца на межфазной границе происходит не мгновенно в тот момент, когда максимальное значение сдвигового напряжения равно ,а путем прорастания хрупкой трещины, в котором значительную роль играют силы трения между волокном и связующим в уже отслоенных зонах. Процесс роста межфазной трещины состоит из двух стадий 1) стабильное прорастание, сопровождающееся увеличением приложенной к волокну силы(за счет увеличения поверхности трения) и 2) нестабильное (катастрофическое) разрушение оставшейся части межфазной границы при достижении силойнекоторого максимального значения (измеряемая величина в), когда силы адгезии в оставшейся связанной части межфазной поверхности уже недостаточно, чтобы препятствовать полному вытягиванию волокна. Первая стадия начинается при(при этом приложенная нагрузка равна силе отслаивания ), а переход к нестабильной фазе происходит после достижения силойзначения в. Таким образом, уравнение (1) оказывается неверным входящее в него значение в зависит не только от межфазной адгезионной прочности, но и от трения в системе, и не может использоваться для прямого вычисления . Однако его можно исправить, заменив силу вытягивания силой отслаивания 4(2)2. 42 Существуют способы определения локальной адгезионной прочности, основанные на уравнении (2) 7-9. Однако для его практического применения эти способы должны включать измерение силы отслаивания , что является очень сложной экспериментальной задачей. При обычном испытании образца методами вытягивания (запись кривой удлинение - нагрузка) точканеразличима среди других точек экспериментальной кривой (надежно регистрируется только максимумв). Для измерениянеобходимы либо непрерывное наблюдение за ростом трещины в образце и регистрация зависимости длины трещины от нагрузки 7, либо контроль за аксиальным напряжением в волокне методами рамановской спектроскопии 8, либо использование установки, имеющей очень большой собственный коэффициент упругости, и испытание образцов с длиной свободного конца волокна, не превышающей 30-50 мкм 9, что позволяет обнаружить на записываемой кривой удлинение-нагрузка излом в точке. Любой из этих способов накладывает значительные ограничения на класс систем волокно - связующее, для которого возможно экспериментальное определение . В частности, для непрерывного наблюдения за ростом трещины связующее должно быть прозрачным, что исключает из рассмотрения металлы, керамику и многие полимеры. Напряжения методами рамановской спектроскопии можно измерять только в некоторых видах волокон из полимерных материалов и специальных стекол. К тому же оба способа предполагают использование длиннофокусных микроскопов, оборудованных системами видеорегистрации, что делает измерение локальной адгезионной прочности чрезвычайно трудоемким и дорогим процессом. Регистрация же точки излома на кривой удлинение - нагрузка с помощью большинства промышленно выпускаемых испытательных машин невозможна даже при очень коротких длинах свободного конца волокна, т.к. их собственная упругость значительно меньше необходимых для этого величин. Поэтому для упрощения процедуры измерения необходим способ, корректно связывающий значениес надежно измеряемой силой вытягивания в. Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ 10, использующий зависимость в (и, соответственно, ) от длины склейки (масштабный фактор адгезионной прочности). Он включает измерение силы вытягивания волокна в из капли связующего, закрепленной на специальном держа 3 13606 1 2010.10.30 теле или непосредственно на волокне, в широком диапазоне длин склейки, расчет значений кажущейся адгезионной прочностии построение графика зависимости арр от е с последующей экстраполяцией арр на нулевую длину склейки (графическое нахождение предела). Возможность такой экстраполяции обоснована двумя основными 0 физическими причинами 1) при уменьшении длины склейки уменьшается и площадь отслоенной зоны, в которой действуют силы трения в момент разрушения образца, поэтому значениеобусловлено только межфазной адгезионной прочностью, но не трением 2) поскольку площадь склейки также стремится к нулю, величина арр должна стремиться к значению локальной адгезионной прочности арр. Однако непосредственная графическая экстраполяция значений арр приводит к значительной погрешности в экстраполированных значениях , т.к. производная / при малых е очень велика. К тому же в этой области длин склейки увеличивается погрешность измерения самих значений арр. Задачей изобретения является одновременное измерение двух важнейших параметров,характеризующих адгезионную прочность в волокнистых композитах, - локальной адгезионной прочности и усилия межфазного трения, при одновременном упрощении процедуры измерения. Поставленная задача решается тем, что погружают волокно в каплю связующего (свободно висящую или зафиксированную на подложке) до глубины, составляющей 3-30 диаметров волокна, формируют адгезионное соединение и вытягивают волокно из связующего, регистрируя максимальную силу, необходимую для полного вытягивания волокон при различных глубинах погружения, и величины обоих измеряемых параметров - локальной адгезионной прочности и усилия межфазного трения - определяют методом наименьших квадратов, приближая экспериментальную зависимость измеренной силы вытягивания от глубины погружения теоретической кривой при испытании не менее 50 образцов. Предлагаемый способ основан на использовании масштабного фактора адгезионной прочности (зависимость в и арр от е), но в отличие от прототипа 10 он не ограничивается экстраполяцией этой зависимости, полученной для коротких длин склейки, а основывается на получении экспериментальной кривой вв достаточно широком диапазоне е(3-30 диаметров волокна) и приближении ее наилучшей теоретической кривой с использованием метода наименьших квадратов. Указанный выбор диапазона длин склейки обусловлен тем, что при е 3 велика погрешность значений арр и к тому же эти значения выходят за пределы применимости теоретических моделей, рассматривающих распределение сдвиговых напряжений вдоль погруженной длины волокна 3, 10, а при 30 значительную долю волокон не удается вытянуть из связующего - происходит их обрыв,т.к. прочность волокна меньше суммарной силы адгезии. В выбранном диапазоне длин склейки зависимость силы вытягивания от е можно выразить в явном виде. Известно, что значение текущей силы , приложенной к волокну, связано с длиной межфазной трещины а в этот момент соотношением 11 где- постоянная, зависящая от уровня остаточных термических напряжений в системе- усилие межфазного трения в отслоенных зонах. Максимум , равный в, достигает ся либо при конечной длине трещины и условии 0 , либо (если производнаяне равна нулю ни при каком а) в одном из концов отрезка 0 ае. Вычисления дают 13606 1 2010.10.30 Исключая а из системы уравнений (3)-(4) и особо рассматривая случай чаем зависимость в в явном виде Величинарассчитывается с учетом термомеханических свойств компонентов системы,(8) 4 где- модуль упругости волокна,и- коэффициенты термического расширения волокна и матрицы соответственно,- разность между температурой, при которой термические напряжения в образце отсутствуют (для полимеров принимается равной температуре стеклования), и температурой, при которой производятся испытания. Таким образом, уравнение (5) содержит два неизвестных параметра - локальную адгезионную прочностьи усилие межфазного трения в отслоенных зонах . Оба параметра являются характеристиками границы раздела волокно - матрица, оказывающими влияние на свойства волокнистых композитов, получаемых из данной пары компонентов. Оба они могут быть определены методом наименьших квадратов (приближение экспериментальной зависимости внаилучшей экспериментальной кривой). Для повышения точности определенияипредлагаемым способом и уменьшения систематической ошибки общее число испытанных образцов должно быть не менее 50,при этом относительная погрешность измерениясоставляет менее 10 . Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 и 3 представлены результаты эксперимента по предлагаемому способу (сила вытягивания в зависимости от длины склейки), на фиг. 2 и 4 - кажущаяся сдвиговая прочность, на фиг. 5 - зависимость дисперсии кажущейся сдвиговой прочности от длины склейки. Примеры осуществления способа. Пример 1 Определяли локальную адгезионную прочность соединений арамидных волокон(идентичных волокнам Кевлар) с эпоксидной смолой 20. Диаметр волокон составлял 12 мкм. Образцы формировали, погружая единичные волокна в каплю жидкой смолы при 85 С до глубины 50-400 мкм, с последующим отверждением смолы при 80 С в течение 6 часов согласно рекомендации изготовителя. После полного отверждения образцы выдерживали при комнатной температуре в течение 24 ч и затем испытывали методом -,прилагая к свободному концу волокна медленно возрастающую нагрузку (скорость перемещения зажима разрывной машины составляла 0,2 мкм/с). Для каждого образца регистрировали силу вытягивания в и откладывали ее на графике зависимости в от длины склейки е. В целях контроля точности предлагаемого способа для всех образцов фиксировали также значение силы отслаивания , определяемое по излому на кривой удлинение 5 13606 1 2010.10.30 нагрузка (это оказалось возможным, т.к. жесткость испытательной установки была достаточно большой, а длину свободного конца волокна поддерживали в пределах 20-50 мкм). Результаты эксперимента представлены на фиг. 1 (сила вытягивания) и 2 (кажущаяся сдвиговая прочность). Пунктирная кривая 1 соответствует измерению по 13 образцам с длинами склейки 100-200 мкм. Параметры, обеспечивающие наилучшее приближение 13 экспериментальных точек теоретической кривой, составили 71,8 МПа и 8,6 МПа. В то же время значение , определенное по значениям силы отслаивания для этих же образцов (заведомо точный, но трудоемкий метод), было равно 58,311,0 МПа. Очевидно,количества образцов и диапазона изменения длины склейки оказалось недостаточно для обеспечения достаточно малой ошибки измерения. Расширив диапазон е от 3 до 30 диаметров волокна (40-400 мкм) и доведя число испытанных образцов до 52 (сплошная кривая 2), получили оптимальный набор параметров 59,0 МПа и 25,8 МПа, в то время как по значениям силы отслаивания было вычислено 56,65,4 МПа. Была проведена независимая оценка межфазного трения между волокном и матрицей (по участкам кривых удлинение - нагрузка, соответствующим вытягиванию после полного отслаивания) и получено значение 259 МПа. Таким образом, предлагаемый метод позволяет с хорошей точностью определитьипри условии, что число образцов достаточно велико (более 50) и длины склейки распределены в достаточно широком диапазоне. Следует отметить, что некоторые образцы с е 320 мкм разрушались (обрыв волокна) до завершения испытания, т.е. при е 30 возрастает количество холостых испытаний. Пример 2 Анализировали экспериментальные данные, взятые из статьи 12, авторы которой определяли адгезионную прочность соединений стальной проволоки диаметром 150 мкм с эпоксидной смолой ЭДТ-10. Поскольку целью статьи было исследование дисперсии (разброса) кажущейся сдвиговой прочности в различных диапазонах длин склейки, всего было испытано 1269 образцов при длинах склейки, изменяющихся от 0,15 до 2,45 мм, т.е. от 1 до 16 диаметров проволоки. Мы определили параметрыипо предложенному нами методу значения этих параметров оказались равными 85,4 и 14,7 МПа соответственно(фиг. 3 и 4). Точки на фиг. 3 и 4 представляют средние значения, рассчитанные для нескольких образцов в узких поддиапазонах длин склейки (0,05-0,2 мм, 0,2-0,4 мм и т.д. числа у точек соответствуют количеству образцов в данном поддиапазоне). Теоретические кривые хорошо описывают зависимость как силы вытягивания (фиг. 3), так и кажущейся сдвиговой прочности (фиг. 4) от длины склейки во всем диапазоне значений е. Явно выпадает только точка, соответствующая е 0,05-0,2 мм, и в некоторой степени не соответствует теоретической кривой точка для следующего поддиапазона (до 0,4 мм, т.е. примерно до 2,7 диаметра проволоки). Это подтверждается и фиг. 5, на которой изображена зависимость дисперсии кажущейся сдвиговой прочности от длины склейки. Значительный разброс значений арр при 1 е 3 обусловлен не только большой погрешностью измерения малых длин склейки, но и таким дополнительным фактором, как наличие на волокне мениска смачивания смолой, длина которого сравнима с длиной склейки. Поэтому образцы с длинами склейки (глубинами погружения) менее трех диаметров волокна следует исключить из рассмотрения. Источники информации 1. Ширяева Г.В. и Андреевская Г.Д. // Пластические массы. - 1962. -4. - С. 43-46. 2. ГОСТ 14759-69. Клеи Метод определения прочности при сдвиге. Государственный комитет по стандартам. - Москва, 1981. 3.. . 1997, . 57, . 957-964. 6 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.