Навигация по таблицам
- Таблица 1. Усадка полимерных матриц композиционных материалов
- Таблица 2. Деформационные характеристики армированных композитов
- Таблица 3. Температурные деформации композиционных материалов
- Таблица 4. Методы контроля усадки и деформаций
Таблица 1. Усадка полимерных матриц композиционных материалов
| Тип матрицы | Объемная усадка, % | Линейная усадка, % | Температура отверждения, °C | Время отверждения |
|---|---|---|---|---|
| Эпоксидные смолы (ЭД-20) | 2,0-2,5 | 0,7-0,8 | 20-180 | 24-48 ч (20°C) |
| Полиэфирные смолы | 5,0-8,0 | 1,7-2,7 | 20-150 | 2-24 ч |
| Винилэфирные смолы | 5,5-7,0 | 1,8-2,3 | 20-140 | 2-12 ч |
| Фенолформальдегидные смолы | 8,0-12,0 | 2,7-4,0 | 150-200 | 0,5-2 ч |
| Полиимидные смолы | 1,5-3,0 | 0,5-1,0 | 250-350 | 2-8 ч |
| Бисмалеимидные смолы | 2,5-4,0 | 0,8-1,3 | 180-250 | 2-6 ч |
Таблица 2. Деформационные характеристики армированных композитов
| Тип композита | Содержание армирующего наполнителя, % | Усадка вдоль волокон, % | Усадка поперек волокон, % | Остаточные напряжения, МПа |
|---|---|---|---|---|
| Стеклопластик (эпоксидный) | 50-60 | 0,1-0,3 | 0,6-1,2 | 20-40 |
| Углепластик (эпоксидный) | 60-70 | 0,05-0,15 | 0,5-0,8 | 30-60 |
| Органопластик (эпоксидный) | 50-65 | 0,1-0,2 | 0,7-1,0 | 15-30 |
| Базальтопластик | 55-65 | 0,15-0,25 | 0,8-1,3 | 25-45 |
| Боропластик | 50-60 | 0,08-0,18 | 0,4-0,7 | 40-80 |
| Гибридный композит | 55-70 | 0,1-0,25 | 0,6-1,1 | 20-50 |
Таблица 3. Температурные деформации композиционных материалов
| Материал | КЛТР вдоль волокон, 10⁻⁶/°C | КЛТР поперек волокон, 10⁻⁶/°C | Температурный диапазон, °C | Максимальная деформация, % |
|---|---|---|---|---|
| Углепластик T300/эпоксидная | -0,5...1,0 | 25-35 | -60...+150 | 0,3-0,5 |
| Стеклопластик E-glass/эпоксидная | 6-8 | 20-25 | -60...+120 | 0,2-0,4 |
| Арамидный композит/эпоксидная | -2...-4 | 60-80 | -60...+180 | 0,5-0,8 |
| Базальтопластик/полиэфирная | 8-10 | 22-28 | -60...+200 | 0,3-0,6 |
| Углепластик HM/полиимидная | -1,0...-0,2 | 30-40 | -60...+300 | 0,4-0,7 |
Таблица 4. Методы контроля усадки и деформаций
| Метод контроля | Измеряемый параметр | Точность измерения | Область применения | Стандарт |
|---|---|---|---|---|
| Дилатометрия | Линейная усадка | ±0,001 мм | Образцы малых размеров | ГОСТ 24544-81 |
| Волюметрия | Объемная усадка | ±0,05% | Жидкие и твердые композиции | ASTM D955 |
| Тензометрия | Деформации и напряжения | ±1 мкм/м | Конструкции и образцы | ГОСТ 21616-91 |
| Оптическая корреляция | Поля деформаций | ±0,01% | Бесконтактные измерения | Применяется согласно стандартам испытаний |
| Ультразвуковой метод | Внутренние напряжения | ±5 МПа | Толстостенные изделия | ГОСТ 17624-2021 |
| Рентгеновская дифрактометрия | Остаточные напряжения | ±10 МПа | Поверхностные слои | ASTM E915 |
Оглавление
1. Механизмы усадки и деформаций при отверждении композитов
Усадка композиционных материалов представляет собой сложный многофакторный процесс, происходящий при переходе полимерной матрицы из жидкого состояния в твердое. Основным механизмом является полимеризационная усадка, которая происходит в результате реакции полимеризации, вследствие чего материал переходит из жидкого в твердое состояние при значительном изменении объема вследствие уменьшения расстояния между молекулами.
Процесс отверждения композитов характеризуется двумя основными фазами. В течение первой, догелевой фазы затвердевания (прегель), композит еще податлив и напряжение компенсируется за счет деформации свободной поверхности пломбы. После достижения точки гелеобразования материал теряет способность к течению, и дальнейшая усадка приводит к возникновению внутренних напряжений.
Механизм химической усадки
При образовании ковалентных связей между молекулами мономеров происходит сближение атомов на расстояние, соответствующее длине химической связи (1,5-2,0 Å), что значительно меньше межмолекулярного расстояния в жидком состоянии (3-5 Å). Это приводит к уменьшению объема системы на 5-20% в зависимости от типа полимера.
Кинетика усадки существенно различается для разных типов отверждения. Реакция полимеризации протекает медленно у композитов химического отверждения и гораздо быстрее у светоотверждаемых материалов. Это различие оказывает критическое влияние на формирование остаточных напряжений в материале.
2. Виды деформаций в композиционных материалах
Деформации в композиционных материалах при отверждении можно классифицировать по нескольким признакам: по природе возникновения, по направлению и по характеру проявления.
2.1. Химическая усадка
Химическая усадка является неизбежным следствием процесса полимеризации. Эпоксидные смолы при отверждении не выделяют летучих продуктов и отличаются малой усадкой (2–2,5%). Для сравнения, полиэфирные смолы демонстрируют значительно большую усадку - до 8%, что связано с их химической структурой и механизмом отверждения.
2.2. Температурные деформации
Температурные деформации возникают вследствие различия коэффициентов линейного термического расширения (КЛТР) компонентов композита. Трубы из полимеров характеризуются высокими значениями коэффициентов термического удлинения (в шесть-восемь раз больше, чем у металлов), при определенных температурных перепадах могут сопровождаться значительными деформациями.
Пример анизотропии температурных деформаций
В однонаправленном углепластике КЛТР вдоль волокон может быть отрицательным (-0,5×10⁻⁶/°C), в то время как поперек волокон он достигает 30×10⁻⁶/°C. Это приводит к сложному напряженному состоянию в многослойных композитах при температурных воздействиях.
2.3. Влажностные деформации
Влажностные деформации связаны с поглощением или десорбцией влаги полимерной матрицей. Бетон обладает свойством уменьшаться в объеме при твердении в обычной воздушной среде — усадка бетона и увеличиваться в объеме при твердении в воде — набухание бетона. Аналогичные процессы, хотя и в меньшем масштабе, происходят в полимерных композитах.
3. Методы измерения усадки и деформаций
Точное измерение усадки и деформаций является критически важным для прогнозирования поведения композиционных материалов и оптимизации технологических процессов их производства.
3.1. Стандартизованные методы измерения
Основным нормативным документом для измерения деформаций является ГОСТ 24544-81, который устанавливает методы испытаний для определения деформации усадки путем измерения их в направлении продольной оси незагруженного образца и деформаций ползучести путем измерения их в направлении продольной оси образца, загруженного постоянной по величине осевой сжимающей нагрузкой.
Определение деформаций усадки и ползучести должно проводиться на призматических образцах размерами 70х70х280, 100х100х400, 150х150х600, 200х200х800 мм не гидроизолированных от влагообмена с окружающей средой.
3.2. Современные методы контроля
Развитие технологий привело к появлению новых высокоточных методов измерения деформаций:
Оптическая корреляция цифровых изображений позволяет проводить бесконтактные измерения полей деформаций с точностью до 0,01%. Метод особенно эффективен для исследования неоднородных деформаций в композитах сложной структуры.
Волоконно-оптические датчики на основе брэгговских решеток обеспечивают непрерывный мониторинг деформаций внутри композита в процессе отверждения с разрешением до 1 мкм/м.
Ультразвуковые методы используются для неразрушающего контроля композиционных материалов низкочастотными акустическими методами, позволяя определять внутренние напряжения и дефекты структуры.
4. Факторы, влияющие на величину усадки
Величина усадки композиционных материалов определяется множеством факторов, которые можно разделить на несколько групп.
4.1. Состав и структура материала
Содержание армирующего наполнителя является одним из ключевых факторов. Чем больше несоответствие объема композитного материала и площади связующих поверхностей, тем значительнее негативное влияние усадки. Увеличение степени наполнения с 50% до 70% может снизить усадку композита в 2-3 раза.
Правило смесей для усадки композита
Усадка композита (εc) может быть приблизительно рассчитана по формуле:
εc = εm × Vm + εf × Vf
где εm - усадка матрицы, εf - усадка волокна (обычно ≈ 0), Vm и Vf - объемные доли матрицы и волокна соответственно.
4.2. Технологические параметры
Режим отверждения существенно влияет на конечную усадку. Негативное воздействие полимеризационной усадки на ткани зуба наблюдается и при различных методиках световой полимеризации композита. Скорость полимеризации, температура и давление определяют кинетику процесса и итоговые деформации.
4.3. Геометрия изделия
Конфигурационный фактор (C-фактор), определяемый как отношение связанных поверхностей к свободным, критически влияет на развитие напряжений. При C-факторе более 3 риск возникновения критических напряжений резко возрастает.
5. Остаточные напряжения и их влияние
Остаточные напряжения формируются в композитах в результате стесненной усадки и температурных деформаций при охлаждении после отверждения.
5.1. Механизмы формирования
При охлаждении микрообъема композита максимальное значение пластической деформации в случае частицы криволинейной формы в 10 раз превышает соответствующее значение в случае частицы круглой формы. Это демонстрирует важность геометрии включений на микроуровне.
5.2. Влияние на свойства
Остаточные напряжения могут достигать 20-60 МПа в типичных композитах, что составляет 10-30% от предела прочности матрицы. Напряжение при усадке композитных материалов может вызвать появление трещин в эмали, нарушение краевого прилегания, снижение прочности адгезии.
Экспериментальное подтверждение влияния усадки
После полимеризации мы заметили, что силы полимеризационной усадки достаточно, чтобы треснула стеклянная ампула. Это наглядно демонстрирует значительную величину возникающих напряжений.
6. Методы снижения усадки и деформаций
Контроль и минимизация усадки являются ключевыми задачами при разработке и применении композиционных материалов.
6.1. Оптимизация состава
Модификация полимерной матрицы является эффективным способом снижения усадки. Пластификаторы и модификаторы (дибутилфталат, тиокол, полиэфиры) повышают эластичность и ударную прочность, снижают вязкость, что позволяет релаксировать возникающие напряжения.
Использование наполнителей также эффективно. Наполнители (кварцевый песок, маршалит, асбест) повышают твердость и теплостойкость композиции, уменьшают усадку при отверждении.
6.2. Технологические приемы
Основными методами борьбы с полимеризационной усадкой являются: 1. Послойное внесение и направленная полимеризация пломбировочного материала. Этот подход позволяет минимизировать напряжения за счет поэтапного отверждения малых порций материала.
Оптимальная толщина порции композиционного материала - 1,5-2 мм. При этом толщина первой порции его должна быть еще меньше - примерно 0,5 мм.
6.3. Контролируемая полимеризация
Управляя факторами (контролируемая световая полимеризация), возможно продлить догелевую фазу полимеризации, а тем самым значительно снизить отрицательные воздействия полимеризационной усадки. Современные системы позволяют программировать интенсивность излучения для оптимизации процесса.
7. Современные подходы к контролю деформаций
Развитие композиционных материалов требует совершенствования методов контроля и прогнозирования деформационного поведения.
7.1. Компьютерное моделирование
При разработке изделий из композиционных материалов необходимо проектировать не только их форму, но и структуру композита. Современные программные комплексы позволяют моделировать процессы усадки с учетом анизотропии свойств, температурных полей и кинетики отверждения.
Предложены математические модели, отражающие физический смысл процессов формирования структуры разрабатываемых композиционных материалов и модели, необходимые для расчета напряжений и деформаций в объеме под действием факторов температуры и усадки.
7.2. Интеллектуальные материалы
Перспективным направлением является создание самоадаптирующихся композитов с встроенными актуаторами на основе материалов с памятью формы или пьезоэлектриков, способных компенсировать деформации в реальном времени.
7.3. Мониторинг в реальном времени
Внедрение систем структурного мониторинга здоровья (SHM) с использованием встроенных датчиков позволяет отслеживать развитие деформаций и напряжений на всех этапах жизненного цикла композитной конструкции.
Критерии оценки качества
Современные стандарты качества композитов включают следующие параметры:
- Максимально допустимая усадка: 0,5-2% (в зависимости от применения)
- Остаточные напряжения: не более 20% от предела прочности
- Коробление: не более 0,1% от характерного размера изделия
- Микротрещины: отсутствие трещин размером более 0,1 мм
