Подходы к анализу площади адгезионного контакта при испытании модифицированным методом вытягивания из «узла».

Введение

В настоящее время большое внимание уделяется разработке и производству конструкций и изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ). Это связано с их уникальными упруго-прочностными и физико-химическими свойствами. Поэтому ПКМ получили широкое распространение в области производства авиационной и космической техники [1–3].

Наиболее широко распространенным типом связующих являются эпоксидные смолы, которые на протяжении долгого времени модифицируются разными способами [4–12]. Согласно работе [12], существуют три разных способа модификации: химическая, физическая и физико-химическая.

В XXI в. широкое распространение при производстве авиационной техники получили углеродные волокна, которые обладают уникальными прочностными и физико-химическими свойствами. Следует отметить, что поверхность углеродных волокон можно модифицировать несколькими способами, которые описаны в работах [13–20].

При разработке современных видов армированных угле- и стеклопластиков ученые и инженеры уделяют особое внимание адгезии и граничным слоям [21]. Это связано с тем, что, управляя свойствами граничного слоя, можно повысить уровень физико-механических свойств изделий из ПКМ.

Существуют несколько способов определения адгезионной прочности [21–25]. Наиболее часто используемыми прямыми (микромеханическими) методами определения адгезионной прочности в системе «волокно–полимерная матрица» являются методы pull out и push out, образцы для которых представлены на рис. 1.

Проведение испытаний методом pull out подразумевает вытягивание моноволокна из блока или капли связующего. В случае метода push out моноволокно выталкивается или выдавливается из образца ПКМ определенной толщины. В России наиболее широкое распространение получил метод pull out [26–28]. Однако метод push out достаточно долго используется в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ [22, 23, 29]. Следует отметить, что при подготовке образцов к испытаниям оба метода требуют повышенного внимания со стороны высококвалифицированного персонала. В Германии разработан специальный прибор, который позволяет снизить влияние человеческого фактора на качество образцов для исследования методом pull out. Он позволяет работать с материалами, которые плавятся в широком диапазоне температур – от 25 до 400 °С.

Для преодоления сложностей, возникающих при подготовке образцов к испытаниям, авторы работ [30, 31] предложили способ определения адгезионной прочности с помощью вытягивания волокон из «узла». Однако он предназначен исключительно для жгута из арамидных нитей и для обеспечения возможности испытаний углеродных волокон нуждается в модификации. Необходимость модификации данного метода, предложенная в работе [21], связана с тем, что углеродные волокна, по сравнению с арамидными, имеют больший модуль упругости. В ходе испытания на разрывной машине данное свойство негативно влияет на процесс определения величины адгезионной прочности. Углеродное волокно можно повредить как в момент затягивания зажимов, так и в процессе движения траверсы, так как оно не пропитано эпоксидным связующим.

В целях исключения перечисленных недостатков в работе [21] впервые предложен новый подход к созданию образцов:

• на специальной установке по изготовлению микропластиков углеродный жгут пропускают через ванну с термореактивным эпоксидным связующим и наматывают на рамки с заданной на пульте управления скоростью;
• для формирования адгезионной ячейки на пропитанный углеродный жгут, намотанный на рамку, наносят каплю того же связующего;
• в месте, куда была нанесена капля связующего, затягивают узел из арамидного волокна.

Именно с помощью метода, представленного в работах [21, 24], получены значения адгезионной прочности в системе «волокно–полимерная матрица», которые коррелируют с данными, зафиксированными методом pull out. Однако данный показатель определяется согласно формуле, приведенной в работах [30, 31], поэтому для точной оценки значений адгезионной прочности необходимо грамотно подойти к анализу и выбору метода определения зоны адгезионного контакта.

Материалы и методы

Для получения образцов модифицированным методом вытягивания из «узла» использовали эпоксидное связующее ВСЭ-30 производства НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, основные характеристики которого подробно описаны в работе [32].

В качестве углеродных наполнителей выбраны отечественные волокна марки UMT42S-3K (табл. 1).

Для затягивания «узла» выбраны волокна Русар-НТ, которые обладают высокими показателями прочности при растяжении, а также адгезии с эпоксидными связующими (табл. 2).

Для определения адгезионной прочности связи при испытании методом вытягивания из «узла» использовали стандартную разрывную машину с нагрузкой 1 кН.

Для определения адгезионной прочности эпоксидной матрицы по отношению к углеродному волокну использовали усовершенствованный метод вытягивания из «узла» [21, 24]. В качестве сравнительного метода выбран mold pull out.

Для определения адгезионной прочности зачастую используется формула [25, 26]

$$ \tau = P/S, \qquad (1) $$

где P – нагрузка, Н; S – площадь адгезионного контакта, мм².

С целью определения объемной доли волокон в образцах микропластика проводили исследование микрошлифов на конфокальном сканирующем лазерном микроскопе. Планарную съемку поверхности образцов осуществляли с применением объектива с увеличением ×50 (общее увеличение микроскопа ×1180) в режиме совмещения полей зрения (панорама 2×1, общая площадь полей зрения ~(485×255) мкм²). Объемную долю волокон определяли с применением специализированного программного обеспечения для анализа и обработки изображений. Определение данной величины в микропластике при исследовании микрошлифа основано на световом контрасте между углеродными волокнами и полимерной матрицей. Проводили операцию бинаризации, в результате которой исходное изображение в оттенках серого переводится в бинарное (черно-белое) изображение. Для этого на гистограмме интенсивности оттенков серого выставляли минимальный порог бинаризации между пиками, соответствующими структурным составляющим материала. Объемную долю волокон определяли путем вычисления отношения площади изображения, занимаемой поперечными сечениями волокон, ко всей площади поля зрения [33].

Результаты и обсуждение

Формула для расчета площади адгезионного контакта в случае испытания методом pull out должна выводиться из формул расчета площадей боковой и нижней граней цилиндра:

$$ S = 2\pi Rl + \pi R^2, \qquad (2) $$

где R – радиус моноволокна, мкм; l – длина соединения, мкм.

Однако в случае испытания микромеханическим методом вытягивания филамента из блока связующего пренебрегают расчетом площади основания цилиндра. Это связано с тем, что моноволокно можно отрезать неровно и получить неправильное сечение.

Именно поэтому площадь адгезионного контакта в случае испытаний методом pull out рассчитывается по формуле [27]

$$ S = \pi dl, \qquad (3) $$

где d – диаметр моноволокна, мкм.

Ограничивающим фактором длины соединения l является критическая длина моноволокна, которая определяется по формуле

$$ l_{кр} = \sigma_{в} d / 2\tau, \qquad (4) $$

где σ_в – прочность углеродного волокна при растяжении, МПа; τ – адгезионная прочность на границе раздела «волокно–полимерная матрица», МПа.

Согласно данным, полученным в работе [24], среднее значение адгезионной прочности при сдвиге τ на границе раздела «волокно-полимерная матрица» для связующего ВСЭ-30 и углеродного волокна марки UMT42S-3K составляет 70 МПа.

Для определения l_кр проведены испытания на специальной машине [34] с точностью до 0,01 сН согласно ГОСТ Р 57407–2017 (табл. 3).

Таким образом, для данного углеродного волокна l_кр = 200 мкм. Это критическая длина погружения моноволокна в блок связующего при испытании методом pull out.

Подготовку образцов для испытаний методом pull out проводили согласно ISO 19875:2024. С помощью специального прибора [34] методом pull out получены результаты, представленные в табл. 4. В отличие от данных, приведенных в работах [21, 24], усилие при затягивании узла не контролировали.

Согласно работам [25–28], усилие вытягивания и адгезионную прочность необходимо представлять в виде зависимости от площади контакта. Результаты определения значений площади представляют в виде S·10³.

В случае испытания методом pull out при увеличении площади контакта адгезионная прочность снижается (рис. 2), что совпадает с данными работ [25–28]. Таким образом, значение адгезионной прочности, полученное методом pull out для данной системы на участке площадью от 0,0006 до 0,0012 мм², составило 90,4 МПа.

Площадь адгезионного контакта для определения прочности при сдвиге при испытании усовершенствованным методом вытягивания из «узла» рассчитывается по формуле [30]

$$ S = \frac{\pi^2}{\varphi} \sqrt{\frac{T_1 T_2}{\rho_1 \rho_2}}. \qquad (5) $$

Данное выражение следует из формул, представленных в статье [30]:

$$ D_1 = 2 \sqrt{\frac{T_1}{\varphi \pi \rho_1}}, \qquad (6) $$ $$ D_2 = 2 \sqrt{\frac{T_2}{\varphi \pi \rho_2}}, \qquad (7) $$

где D₁, D₂ – диаметр испытываемого материала и охватывающей его комплексной нити соответственно; T₁, T₂ – линейная плотность испытываемого материала и охватывающей его комплексной нити соответственно; ρ₁, ρ₂ – объемная плотность испытываемого материала и охватывающей его комплексной нити соответственно; φ – коэффициент, характеризующий плотность упаковки цилиндрических нитей в жгуте [31].

Следует отметить, что коэффициент φ определяется согласно графику, который представлен в работах [31, 35]. Данный коэффициент при содержании нитей в жгуте >3000 практически не изменяется и составляет 0,87 [35].

Значения площади адгезионного контакта, рассчитанные по формуле (5), представлены в табл. 5.

Плотность упаковки филаментов в микропластике может сильно отличаться от данных научно-технической литературы [35]. Можно предположить, что это связано с повышенным содержанием связующего и неправильной формой углеродных моноволокон [23]. Для определения параметра φ сделаны снимки микропластиков при помощи конфокального сканирующего лазерного микроскопа (рис. 3).

В соответствии с рис. 3 коэффициент φ микропластика составляет 0,45. Именно поэтому принято решение пересчитать площадь адгезионного контакта в «узле» после экспериментального определения φ.

Получив значение φ = 0,45, можно вычислить величину площади и адгезионной прочности для данной выборки (табл. 7).

Примечание. P – напряжение; S, S – площадь контакта при теоретическом и экспериментальном значении коэффициента плотности упаковки филаментов в микропластике соответственно; τ, τ – адгезионная прочность при теоретическом и экспериментальном значении коэффициента плотности упаковки филамента в микропластике соответственно.

Среднее значение прочности при φ = 0,45 составило 40,2 МПа, что наиболее близко к прочности сдвига ПКМ, полученных из отечественных типов волокон [36].

Заключения

Значение коэффициента φ, полученное с помощью конфокального сканирующего лазерного микроскопа, составило 0,45, площадь контакта при данном коэффициенте: 2,48; 2,86 и 3,20 мм².

Разница между теоретическими и экспериментальными значениями коэффициента φ находится в диапазоне от 50 до 55 %. При теоретической площади контакта, равной 1,48 мм², среднее значение величины адгезии связующего ВСЭ-30 к углеродному волокну марки UMT42S-3K составляет 83,3 МПа, что близко к среднему значению адгезионной прочности при испытании эталонным методом pull out (90,4 МПа). Таким образом, разница значений адгезионной прочности при испытании методом pull out и модифицированным методом вытягивания из «узла» при площади контакта 1,48 мм² не превышает 10 %.

Адгезионная прочность в системе «волокно–полимерная матрица», получаемая с помощью эталонного метода pull out, уменьшается при увеличении площади контакта.

Несмотря на близкие значения адгезионной прочности, полученные модифицированным методом вытягивания из «узла» и методом pull out, необходимо предложить новые способы определения зоны адгезионного контакта.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Благодарности

Автор благодарит магистранта МГТУ им. Н.Э. Баумана Е.А. Овчинникову за проведение физико-механических испытаний образцов методом pull out.