В последние десятилетия в различных областях промышленности и техники, в том числе в таких, как авиация, ракетостроение, судостроение, все шире используются высокопрочные композиционные материалы, в частности — композиционные материалы с полимерными матрицами.
В докладе Н. И. Рыжкова XXVII съезду КПСС отмечено, что в XII пятилетке при росте производства традиционных материалов на 6 % объем производства новых прогрессивных материалов должен вырасти на одну треть, а изготовление композиционных материалов — в 10—12 раз. Комплексной программой химизации народного хозяйства СССР определены меры по ускоренному развитию производства конструкционных полимерных материалов, в том числе стеклопластиков, углепластиков, органопла-стиков и др.
Наиболее высокими прочностью и жесткостью характеризуются пластики, армированные волокнами. Их свойства существенно зависят не только от свойств волокнистого наполнителя и матрицы, но и от взаимодействия между компонентами, в первую очередь — от адгезионной прочности на границе раздела, так как именно прочность сцепления определяет эффективность передачи напряжений через границу раздела. Поэтому для направленного регулирования свойств композитов нужно знать адгезию связующих к наполнителям и закономерности ее изменения под действием различных факторов.
Процессы, происходящие на поверхности, в значительной степени определяются ее состоянием. Поэтому чтобы судить о том, как именно влияет адгезия на физико-механические характеристики армированного материала, нужно исследовать адгезию реальных связующих к реальным наполнителям, т. е. к волокнам, непосредственно используемым при производстве армированных пластиков, с тем геометрическим и энергетическим состоянием поверхности, которым они обладают в материале.
В большинстве случаев (см., например, [1—8]) адгезионная способность жестких полимеров оценивается их адгезионной прочностью. Определение адгезионной прочности проводят в основном на макрообразцах. При этом склеивают плоские поверхности, а площадь склеивания равна десяткам и сотням квадратных миллиметров. Однако хорошо известно, что значение прочности зависит от размера испытываемых образцов. Тем более нет никаких оснований ожидать, что закономерности изменения адгезионной прочности, установленные на плоских поверхностях, будут применимы к цилиндрическим поверхностям диаметром 10—100 мкм (таков обычно диаметр волокон.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие..........,...... 5
Глаза 1. Измерение адгезионной прочности в системах полимер—-волокно 1
1.1. Изготовление и испытание образцов..........8
1.1.1. Способы изготовления образцов.............9
1.1.2. Методика испытаний.................17
1.2. Контроль характера разрушения........... . 22
1.3. Определение адгезионной прочности при использовании волокон
с различной структурой поверхности ........... 24
1.3.1. Неполимерные волокна................24
1.3.2. Полимерные волокна................28
1.4. Воспроизводимость результатов ......,.....29
Глава 2. Расчет адгезионной прочности при конкурирующих (адгезионном и когезионном) процессах разрушения.........32
2.1. Влияние прочности волокна на измеряемую адгезионную прочность ......................33
2.2. Распределение экспериментальных значений адгезионной прочности ......................36
2.3. Расчет истинного среднего значения адгезионной прочности и ее дисперсии ..... ................ 41
2.4. Анализ ошибок...................44
2.4.1. Оценка точности определения поправки Дт........44
2.4.2. Проверка гипотез^! нормальности............47
Глава 3. Локальная адгезионная прочность — мера взаимодействий через
границу раздела .................. 50
3.1. Зависимость адгезионной прочности в системах полимер — волокно от размеров соединения ............. 51
3.1.1. Зависимость т —S при диаметре волокон 100 и более микрон 51
3.1.2. Зависимость т — S при диаметре волокон 7—40 микрон. . . 52
3.2. Природа масштабного фактора............56
3.2.1. Возможные причины зависимости т —S.........56
3.2.2. Расчет остаточных напряжений . .'...........60
3.2.3. Влияние диаметра зазора...............62
3.2.4. Влияние предварительного натяжения волокон......64
3.3. Локальная адгезионная прочность и ее определение из экспериментальных данных.................67
3.4. Адгезионная прочность и прочность адгезионной связи ... 74 Глава 4. Адгезионная прочность при различных режимах отверждения 75
4.1. Зависимость адгезионной прочности от глубины отверждения эпоксидных связующих................75
4.2. Природа адгезионной прочности соединений эпоксидное связующее — волокно ...................82
4.3. Зависимость адгезионной прочности от глубины отверждения полиэфирных связующих ...............88
4.4. Влияние условий охлаждения на адгезионную прочность систем полимер — волокно .................92
4.5. Старение адгезионных соединений с различной начальной степенью отверждения связующего.............96
Глава 5. Адгезионная прочность и прочность волокнистых композитов
при различных температурах испытания и скоростях нагружения 101 5.1. Температурная зависимость адгезионной прочности систем полимер—волокно ...................101
5.2. Сравнение температурных зависимостей прочности армированных пластиков и адгезионной прочности .......... 10'
5.2.1. Стеклопластики ..................10!
5.2.2. Органопластики ..................11
5.3. Адгезионная прочность и прочность композитов при циклическом изменении температуры................11;
5.4. Влияние скорости испытания на адгезионную прочность систем полимер — волокно .................1П
5.5. Определение энергии активации процесса адгезионного разрушения из скоростных и температурных зависимостей адгезионной прочности .... ,...............12С
5.6. Сравнение зависимостей прочность — скорость нагружения для армированного пластика и его компонентов........124
"лава 6. Влияние природы связующего на адгезионную прочность в соединениях, со стеклянными волокнами...........127
6.1. Взаимодействие связующих со стеклянными волокнами с огне-полированной поверхностью ............. . 127
6.1.1. Эпоксидные связующие................128
6.1.2. Фенюлоформальдегидные связующие...........136
6.1.3. Полиорганосилоксаны ................140
6.1.4. Полиэфирные связующие...............146
6.2. Взаимодействие связующих со стеклянными волокнами с модифицированной поверхностью..............147
лава 7. Адгезионная прочность при взаимодействии связующих с высокопрочными и высокомодульными волокнами........[50
7.1. Углеродные волокна.................150
7.2. Высокопрочные органические волокна...........156
7.3. Борные волокна ..................158
7.4. Волокна карбнда кремния..............161
1зва 8. Связь прочности композитов с адгезионной прочностью соединений связующее — волокно...............163
8.1. Стеклопластики ..................165
8.1.1. Стеклопластики, полученные на основе различных связующих . 166
8.1.2. Стеклопластики, полученные на основе волокон с модифицированной поверхностью.................167
8.1.3. Сравнение теоретических представлений с экспериментом . . . 169
8.1.4. Определение критической длины и проверка статистического критерия Розена...................175
8.2. Угле-, боро- и органопластики........., . . . . 177
8.2.1. Углепластики ...................177
8.2.2. Боро*тластики ...................178
8.2.3. Органопластики ..................180
8.2.4. Адгезионная прочность полимерных матриц для гибридных композитов . . . ,.................181
Приложение ..................182
Библиографический список..........!84
