Механические свойства
Кратковременные характеристики и их разброс
При механических испытаниях образцов и элементов изделий из стеклопластиков обычно обнаруживается большой разброс результатов. Рассеяние свойств стеклопластиков является следствием неоднородности структуры, несовершенств технологии изготовления компонентов и композита. При изготовлении стеклопластиков и изделий из них практически невозможно добиться одинакового содержания армирующего материала, точного совпадения направления волокон, идентичных условий отверждения связующего. Кроме того, передача усилий от связующего к волокнам и перераспределение этих усилий у различных образцов неадекватны. В связи с этим для определения свойств стеклопластиков следует применять статистические методы обработки результатов. Естественно, что это необходимо, когда стеклопластик создается заново и минимальные (максимальные) значения определяемых свойств не регламентированы соответствующими стандартами.
Обработку результатов начинают с расположения их в возрастающий вариационный ряд. Затем определяют среднее арифметическое значение X и среднеквадратическое (стандартное) отклонение отдельных значений от среднего.
Опыт показывает, что результаты кратковременных механических испытаний стеклопластиков обычно распределяются по закону, близкому к нормальному. Поэтому для первичной оценки свойств следует пользоваться нормальным распределением, которое протабулировано и имеет разработанные оценки параметров.
Влияние времени действия нагрузки и температуры на деформационные характеристики
При температуре, не превышающей температуру начала деструкции связующего, стеклянные волокна ведут себя как линейно-упругие материалы. Синтетические смолы, используемые в качестве связующих, обладают вязкоупругими свойствами, поэтому деформации стеклопластиков в общем случае заметно зависят от продолжительности и температуры эксплуатации.
В однонаправленных или ортогонально-армированных стеклопластиках под действием постоянной нагрузки, приложенной в направлении армирования, возникает ползучесть, однако через несколько часов она фактически прекращается, и кривая ползучести выходит на плато. Это вполне понятно, так как в первый момент усилие распределяется между волокном и связующим, но напряжения в связующем релаксируют, и постепенна вся нагрузка передается на волокно.
При нагружении стеклопластиков, хаотически армированных и ориентированных под углом 45° к направлению нагружения, ползучесть не затухает и продолжается до разрушения материала, поэтому анизотропия ползучести ориентированных стеклопластиков выражена в значительно большей степени, чем анизотропия упругих свойств, и резко возрастает с повышением температуры.
Закономерности проникновения агрессивных сред в материалы
Агрессивные среды в зависимости от процессов, протекающих в материале, можно разделить на физически и химически агрессивные. Первые вызывают обратимые изменения в материале, не сопровождающиеся разрушением химических связей. Химически агрессивные среды вызывают необратимые изменения химической структуры полимера. Специфическое влияние оказывают поверхностно-активные среды, понижающие поверхностную энергию твердого тела, что способствует появлению разнообразных дефектов при меньших внешних усилиях. Воздействие физически агрессивных сред часто сопровождается необратимыми процессами, например вымыванием низкомолекулярных продуктов.
Процесс переноса среды в полимере осуществляется как по механизму активированной диффузии, обусловленному тепловым движением сегментов макромолекул и градиентом концентрации, так и по механизму субмикрокапиллярного потока, обусловленного наличием в стеклопластике пор, трещин и других факторов.
В результате диффузии среды в полимер происходит его пластификация, вымывание примесей, непрореагировавшйх при отверждении мономеров и продуктов распада, а также деструкция или структурирование. При этом среда проникает также на границы раздела «стекло – связующее», вызывая ослабление, адгезионных связей и отделение волокна от связующего. В дальнейшем может происходить также коррозия стеклянного волокна с образованием щелочных продуктов, вызывающих омыление связующего.
Среда, проникшая через поры и другие микродефекты, число которых обычно возрастает с увеличением содержания волокон, прежде всего вызывает ослабление связи между стеклом и связующим, отделение волокна от связующего и рост трещин.
Для бездефектных (пористость менее 2%) стеклопластиков среднее содержание физически агрессивной жидкой среды в стеклопластике толщиной h к моменту времени τ можно вычислить по формуле:
где Q∞ - конечная (предельная) концентрация среды в материале; D- коэффициент диффузии среды в стеклопластик. Коэффициент диффузии жидкостей в материале определяют путем измерения прироста массы образцов, погруженных в жидкость. В общем случае скорость диффузии уменьшается при увеличении содержания волокна, при увеличении жесткости термореактивных связующих, приводящего к уменьшению их относительного удлинения при разрыве и возрастает с повышением температуры.
Однако, как правило проникновение жидкости в нагруженный стеклопластик происходит не в результате диффузии через поры миллиметрового размера, а о результате проникновения по более крупным порам и трещинам (дефектам структуры). Причины образования пор в стеклопластиках весьма разнообразны. Поры могут возникать в результате выделения газообразных побочных продуктов в процессе отверждения связующего при испарении растворителей или других низкомолекулярных веществ в закрытом объеме. Появление пор обусловливается и недостаточной смачиваемоетью поверхности стеклянных волокон связующим, а также его усадкой, в результате чего на границе раздела стекло - связующее образуются воздушные полости.
Следовательно, пористость стеклопластиков зависит как от химического состава связующего и подготовки поверхности стекловолокна, так и от технологических режимов изготовления изделия. Общая пористость стеклопластика включает сложную систему отдельных и связанных между собой полостей различного размера и конфигурации. Микроструктурные исследования показали, что наименьшую пористость (2-4%) имеют стеклопластики на основе эпоксидных связующих, не содержащих пассивных растворителей. Жидкие полиэфирные связующие позволяют получать стеклопластики с пористостью 4-8%. Пористость стеклопластиков на основе фенольных и кремнийоргагаических связующих составляет соответственно 10-14 и 18-25% от объема образца.
Под нагрузкой агрессивная среда интенсивно проникает в стеклопластик не только по начальным дефектам, но и по растущим трещинам в связующем, а также по границе раздела стекло - связующее, что вызывается: наличием поверхностных царапин и складок; начальной изогнутостью волокон, которые под нагрузкой стремятся к выпрямлению, особенно для стеклопластиков, армированных тканями; концентрацией напряжений на концах волокон конечной длины; концентрацией напряжений плотной укладки армирующих материалов из параллельных нитей При двухосном растяжении; температурными остаточными напряжениями в связующем, расположенном между волокнами, и на границах раздела, вызванными разностью коэффициентов температурного расширения стеклянного волокна и полимера и появляющихся в процессе охлаждения композита после его отверждения (они могут быть достаточно велики).