Роль технологических факторов в формировании структурно-напряженного состояния конструкционных стеклопластиков

Широкое практическое применение стеклопластиковых конструкций началось в конце пятидесятых годов прошлого столетия и с тех пор области их использования расширяются.

На сегодняшний момент можно смело утверждать, что стеклопластики являются самым распространенным классом полимерных композиционных материалов. Именно для стеклопластиков разработаны различные модели прогнозирования упруго-прочностных свойств, условия монолитности, позволяющие оптимально подобрать состав компонентов материала и обеспечить их совместную работу. Однако, несмотря на достаточное освещение проблемы, нет единого мнения о комплексном влиянии различных технологических и структурных факторов, таких как температура, время отверждения, диаметр изделия, на эксплуатационные характеристики конструкционных стеклопластиков. Влияние вышеуказанных факторов связывается многопараметрическим анализом компонентного состава композиции, режимов совмещения и структурообразования в материале, дефектностью структуры, возможными механизмами разрушения, масштабным фактором и т. п.

Несмотря на то, что вопросы долговечности и механики разрушения для композитов вообще и для стеклопластиков в частности достаточно описаны в литературе (Н. Н. Трофимов, М. 3. Канович, П. Г. Бабаевский, С. Л. Рогинский, В. А. Калинчев, М. С. Макаров и др.), процессы взаимодействия, протекающие в материале, их кинетика и динамика не до конца изучены. Таким образом, исследование комплексного влияния структурных и технологических параметров на уровень внутренней напряженности, механику разрушения, а, следовательно, на срок службы материала является актуальной задачей современного композиционного материаловедения.

Стержневые стеклопластиковые конструкции получили широкое практическое применения в различных отраслях промышленности. Особенность применения стержневых элементов связана с разнообразием типоразмеров данных элементов (в частности их диаметров), что существенно затрудняет систематизацию выявления взаимосвязи структура — технология — свойства. Следовательно, целью представленной работы является исследование комплексного влияния геометрических и технологических факторов на структурно-напряженное состояние конструкционных стеклопластиков. Достижению поставленной цели служит решение комплекса задач:

• исследовать влияние состава конструкционного стеклопластика на развитие структурной поврежденности и уровень упруго-прочностных свойств;

• установить связь температурно-временного режима отверждения и геометрии изделия с уровнем внутренней напряженности материала;

• разработать математическую модель прогнозирования прочности стек-лопластикового элемента малого диаметра;

• установить зависимость упруго-прочностных свойств стеклопластико-вого стержня от комплексного влияния структурных и технологических факторов;

• разработать рекомендации к изменению существующей промышленной технологии получения стеклопластиковых изделий с целью минимизации влияния структурных и технологических факторов на качество готового изделия.

Решение поставленных задач в работе осуществлялось с применением экспериментальных методов:

• исследование кинетики отверждения эпоксидных композиций различного состава методом дифференциальной калориметрии;

• изучение кинетики изменения вязко-упругих свойств композита в процессе отверждения методом динамического механического анализа;

• определение физико-механическйх характеристик посредством разрушающих испытаний.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Установлена связь температурно-временного режима отверждения и геометрии изделия с уровнем внутренней напряженности материала.

• Разработана математическая модель, функционально связывающая прочность связи на границе раздела волокно-матрица, структурную дефектность, уровень внутренних напряжений с температурно-временными режимами отверждения, что позволяет качественно оценить срок эксплуатации стержневых стеклопластиков, рассчитать основные физические показатели с учетом диаметра изделия, решить обратную задачу.

• Проведена аналитическая оценка уровня напряженности в стеклопластиках, на основе чего установлена взаимосвязь развития поврежден-ности и срока службы конструкционного стеклопластика с уровнем напряжений на границе раздела волокно-матрица, предложен механизм разрушения в соответствии с разработанной моделью. Практическая значимость работы заключается в разработанном комплексе технологических и конструкционных решений, позволяющих обеспечить получение стеклопластиковых стержневых элементов с хорошим уровнем эксплуатационных показателей.

• Предложен режим отверждения стеклопластиковых изделий малого сечения на примере центрального силового элемента оптоволоконного кабеля, обеспечивающий получение композита с минимальным уровнем напряжений.

• Предложен комплекс мероприятий, позволяющий данный техпроцесс сделать экономически эффективным.

• Усовершенствован метод проектирования технологических режимов новых изделий путем введения метода динамического механического анализа.

• Результаты работы внедрены в промышленном производстве (ООО «БЗС», г. Бийск) и в учебном процессе АлтГТУ на кафедре физики и технологии композиционных материалов (ФиТКМ).

Результаты проведенных исследований были представлены на открытом конкурсе на лучшую работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в высших учебных заведениях РФ «Химические науки, химическая технология, биотехнология, биоинженерия, химическое машиностроение» Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева, 2002 г. (работа отмечена грамотой) — на IX (2003 г.) и X (2004 г.) международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технология», г. ТомскIV городской научно-практической конференции молодых ученых «Молодежь — Барнаулу», г. Барнаул, 2003 г. (работа отмечена дипломом), на региональной научной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Наука. Техника. Инновации» — НТИ-2002, г. Новосибирск (работа отмечена дипломом), на второй Сибирской Студенческой LEOS конференции-конкурсе, г. Новосибирск, 2003 г. (работа отмечена дипломом), на XXXIII Уральском семинаре, г. Миассна III Всероссийской научно-практической конференции, г. Пенза.

1 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Осуществлен комплексный анализ влияния структурных, геометрических и технологических факторов на уровень внутренней напряженности и механику разрушения стеклопластиков, который позволил решить проблему получения качественного конструкционного материала.

2. Разработана математическая модель, функционально связывающая адгезионную прочность, структурную дефектность, уровень внутренних напряжений с температурно-временными режимами отверждения и геометрией изделия. Применение данной модели позволяет качественно оценить срок эксплуатации стержневых стеклопластиков в зависимости от диаметра и уровня монолитности. При этом коэффициент сходимости результатов или корреляции составляет порядка 5.12%. Предложенная модель позволяет решить обратную задачу, т. е. по заданному пределу прочности рассчитать необходимый диаметр стержневого элемента.

3. Установлена качественная взаимосвязь срока эксплуатации изделия от технологических параметров и структуры получаемого материала, учет которой позволяет повысить степень отверждения материала до 97% и снизить уровень дефектов до 2%.

4. Разработан температурно-временной режим отверждения (скорость протяжки стеклопластикового прутка до 4−6 м/мин (в зависимости от диаметра изделия), температурный режим в полимеризаторах: от 150 °C до 300 °C.), позволяющий повысить физико-механические характеристики конструкционного СП (минимум на 5%) и снизить уровень остаточных напряжений в материале.