Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Термические напряжения в полимерных композиционных материалах представляют собой внутренние механические усилия, возникающие вследствие неоднородного температурного расширения структурных компонентов при изменении температуры. Фундаментальной причиной формирования таких напряжений является существенное различие коэффициентов линейного термического расширения между армирующими волокнами и полимерной матрицей, а также выраженная анизотропия самих волокон.
При нагреве композитной структуры каждая фаза материала стремится расшириться в соответствии со своим индивидуальным коэффициентом термического расширения. Однако прочная адгезионная связь на границе раздела волокно-матрица препятствует свободной деформации, что приводит к возникновению внутренних напряжений. Матрица, обладающая значительно более высоким ТКЛР по сравнению с волокнами, при нагреве испытывает сжимающие напряжения, в то время как волокна подвергаются растяжению в поперечном направлении.
Интенсивность термических напряжений зависит от нескольких ключевых факторов, включая величину температурного градиента, объёмное содержание армирующих волокон, геометрию укладки слоёв и упругие свойства компонентов. В многослойных ламинатах ситуация усложняется тем, что различно ориентированные слои обладают различными эффективными коэффициентами расширения, что создаёт дополнительные межслоевые напряжения.
Углеродные волокна демонстрируют экстремальную степень анизотропии термического расширения. Исследования, проведённые методом просвечивающей электронной микроскопии в температурном диапазоне от двадцати до одной тысячи ста градусов Цельсия, показывают, что для волокон типа IM7 продольный коэффициент составляет минус 0,4 единиц, в то время как поперечный равен 5,6 единиц в размерности 10⁻⁶/°C. Для высокомодульных волокон T1000 эти значения составляют минус 1,4 и 3,8 соответственно.
Отрицательный продольный ТКЛР объясняется микроструктурой материала, где графитовые плоскости преимущественно ориентированы параллельно оси волокна. При повышении температуры усиливаются поперечные колебания атомов углерода в плоскостях, что приводит к сокращению межплоскостного расстояния вдоль оси волокна. Одновременно межплоскостное расстояние в радиальном направлении увеличивается, обеспечивая положительный поперечный коэффициент.
Стеклянные волокна типа E-glass характеризуются практически изотропным термическим расширением с коэффициентом около 5,0 единиц в обоих направлениях. Это связано с аморфной структурой стекла, не имеющей преимущественной кристаллографической ориентации. Арамидные волокна, напротив, проявляют чрезвычайно высокую анизотропию: продольный ТКЛР составляет минус 2,7, а поперечный достигает 59,0 единиц, что обусловлено полимерной структурой с высокой степенью ориентации макромолекул.
На уровне микромеханики для прогнозирования эффективных коэффициентов термического расширения однонаправленного слоя применяются различные аналитические подходы. Метод правила смесей даёт удовлетворительную точность для продольного направления, где эффективный коэффициент определяется взвешенным средним коэффициентов компонентов с учётом модулей упругости. Для поперечного направления используются более сложные модели, учитывающие геометрию расположения волокон и взаимодействие фаз.
Метод, основанный на энергетических принципах термоупругости, позволяет получить верхние и нижние границы эффективных свойств. Данный подход использует вариационные принципы для минимизации разницы между потенциальной и дополнительной энергией системы. Для многих практически важных случаев решения оказываются точными и имеют простую аналитическую форму.
Для анализа многослойных композитных структур широко применяется классическая теория ламинатов. В рамках этого подхода температурные деформации учитываются путём введения дополнительного слагаемого в определяющие соотношения. Термомеханические деформации отдельного слоя определяются как произведение коэффициентов термического расширения на разность между текущей температурой и температурой, свободной от напряжений.
Общая деформация ламината складывается из механической составляющей, определяемой приложенными нагрузками, и температурной компоненты. Матрицы жёсткости ламината связывают результирующие усилия и моменты с деформациями срединной поверхности и кривизнами. При температурных изменениях в симметричных ламинатах искривление отсутствует, однако остаточные термические напряжения могут быть существенными.
Процесс отверждения термореактивных композитов протекает при повышенных температурах, обычно в диапазоне от 120 до 180 градусов Цельсия для эпоксидных систем. По завершении реакции полимеризации и при охлаждении до температуры эксплуатации в структуре формируются остаточные напряжения. Данные напряжения имеют две составляющие: химическую усадку матрицы в процессе отверждения и термическую компоненту, обусловленную различием коэффициентов расширения.
Температурой, свободной от напряжений, считается та точка в процессе отверждения, при которой материал приобретает достаточную жёсткость для накопления напряжений. Для большинства систем эта температура близка к максимальной температуре отверждения, поскольку при этой температуре происходит основная часть сшивки полимера, и вязкость системы ещё позволяет релаксацию напряжений. Однако реальная температура, свободная от напряжений, зависит от конкретного режима отверждения и может отличаться от максимальной температуры цикла.
Рассмотрим симметричный ламинат с укладкой нуль и девяносто градусов, охлаждаемый от температуры отверждения до комнатной. Если бы слои могли деформироваться независимо, нулевой слой испытал бы минимальные деформации в продольном направлении благодаря низкому ТКЛР углеродных волокон, в то время как девяностоградусный слой стремился бы существенно сократиться в том же направлении из-за высокого поперечного коэффициента матрицы.
Поскольку слои связаны между собой, реальная деформация является компромиссной, что приводит к растяжению нулевых слоёв и сжатию девяностоградусных слоёв в продольном направлении. Величина остаточных напряжений может достигать 30–50 мегапаскалей для углепластиков при охлаждении на 100 градусов, что сопоставимо с рабочими напряжениями и должно учитываться при проектировании.
Стандарт ASTM E831 регламентирует процедуру измерения коэффициента линейного термического расширения твёрдых материалов методом термомеханического анализа. Метод применим к материалам, сохраняющим достаточную жёсткость в рабочем температурном диапазоне, чтобы измерительный зонд не продавливал образец. Рекомендуемый нижний предел измеряемого коэффициента составляет 5 микрометров на метр на градус, хотя метод может использоваться и при более низких значениях с пониженной точностью.
Испытательный образец помещается в держатель термомеханического анализатора при комнатной температуре, и высота измеряется зондом. Печь нагревается с контролируемой скоростью, обычно десять градусов в минуту, в требуемом температурном диапазоне. Изменение размеров образца регистрируется как функция температуры, и коэффициент определяется как наклон зависимости относительного удлинения от температуры.
Для композиционных материалов необходимо изготовление образцов в трёх ортогональных направлениях: продольном, поперечном и по толщине. Для однонаправленных ламинатов продольный ТКЛР может быть близок к нулю или отрицателен, что требует особой тщательности калибровки оборудования. Поперечное и сквозьтолщинное направления, контролируемые преимущественно матрицей, показывают значительно более высокие коэффициенты.
При температурах выше стеклования полимерной матрицы модуль упругости резко снижается, что может привести к изменению характера термического расширения. Некоторые исследователи вводят понятие эффективного коэффициента термического расширения, который уменьшается при приближении к температуре стеклования, отражая пониженную способность материала генерировать напряжения в размягчённом состоянии.
При разработке композитных конструкций, работающих в условиях переменных температур, первостепенное значение имеет правильный выбор схемы армирования. Симметричные укладки слоёв относительно средней плоскости исключают термическое коробление, хотя не устраняют внутрислоевые напряжения. Квази-изотропные последовательности типа нуль, плюс-минус сорок пять, девяносто градусов обеспечивают сбалансированное поведение и минимизируют анизотропию эффективного ТКЛР.
Для прецизионных применений, где требуется минимальное термическое расширение, возможна настройка ламината путём подбора углов ориентации и объёмных долей слоёв. Использование комбинации углеродных волокон с отрицательным продольным ТКЛР и стеклянных волокон с положительным коэффициентом позволяет достичь практически нулевого расширения в заданном направлении.
Модификация цикла отверждения может существенно снизить уровень остаточных напряжений. Снижение температуры отверждения на пятнадцать - двадцать пять градусов при компенсирующем увеличении времени выдержки уменьшает температурный перепад при охлаждении и соответственно снижает термические напряжения на двадцать - тридцать пять процентов. Контролируемое медленное охлаждение после прохождения температуры стеклования со скоростью один - два градуса в минуту обеспечивает более полную релаксацию напряжений.
Для толстостенных деталей критически важно обеспечение равномерного температурного поля по сечению во время отверждения. Температурные градиенты порядка двадцати градусов в сорокамиллиметровом ламинате могут приводить к неоднородности остаточных напряжений и искажению геометрии. Применение модифицированных циклов с пониженными скоростями нагрева и охлаждения позволяет достичь более однородного распределения свойств.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.