Физикохимия и механика композиционных материалов

К 90-летию Московского государственного университета инженерной экологии (МИХМ)




       А.А. Шевченко

ФИЗИКОХИМИЯ И МЕХАНИКА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ





Допущено У МО высших учебных заведений РФ по образованию в области материаловедения, технологии материалов и покрытий в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки специалистов 150500 «Материаловедение, технологии материалов и покрытий» по специальности 150502 «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов»

ПРОФЕССИЯ

ЦЕНТР ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММ

Санкт-Петербург
2010

УДК 678.01
ББК 30.36
Ш31




        Рецензенты:
        доктор технических наук, профессор Б. Г. Попов
        доктор технических наук, профессор М.А. Шерышев





Ш31 Шевченко А. А.
      Физикохимия и механика композиционных материалов: Учебное пособие для вузов. — СПб.: ЦОП «Профессия», 2010. 224 с: ил.
      ISBN 978-5-91884-003-0

      В книге приведены сведения в области физикохимии и механики полимеров, а также композиционных материалов на их основе. Большой интерес представляют данные, освещающие закономерности деформирования и разрушения этих материалов при совместном воздействии на них технологических (агрессивных) сред и механических факторов, что характерно для эксплуатации химического оборудования. Рассмотрены методы испытания композиционных материалов, их аппаратурное оформление и организация исследований в этой области.
      Книга предназначена для студентов, аспирантов и преподавателей вузов, а также для специалистов в области расчета и конструирования химического оборудования, изготовленного из композиционных материалов.




                                                   УДК 678.01
                                                   ББК 30.36








ISBN 978-5-91884-003-0

                               © ЦОП «Профессия», 2010
                               © Шевченко А.А., 2010
© Оформление, ЦОП «Профессия», 2010

Оглавление


Гчава 1. Композиционные материалы....................9
        1.1 Классификация композиционных материалов................................. 12
       1.2 Методы переработки в изделия............ 15
Глава 2. Механические свойства полимеров
       и   композиционных материалов на их основе...24
       2.1 Диаграмма растяжения
           кристаллических и аморфных полимеров.....25
       2.2 Релаксационные процессы..................28
        2.3 Физические аспекты прочности и разрушения ... твердых тел. Долговечность и длительная ......
           прочность................................39
Глава 3. Элементы линейной теории вязкоупругости....44
       3.1 Модель Максвелла.........................46
       3.2 Модель Кельвина..........................50
       3.3 Модель Максвелла—Томпсона................54
       3.4 Модели композиционных материалов.........59
Глава 4. Структурная механика композиционных материалов..........................................65
       4.1 Структура и свойства композитов.
           Анизотропия свойств и ее регулирование...65
        4.2 Влияние содержания компонентов и геометрических характеристик волокон на механические свойства композитов.........72
       4.3 Оценка прочности композитов..............76
Глава 5. Основы линейной механики разрушения........78
        5.1 Прочность и вязкость разрушения материалов..................................78
       5.2 Особенности разрушения композитов........86
       5.3 Стохастические модели разрушения...........
           и масштабный эффект прочности............89
       5.4 Влияние надрезов на вязкость разрушения..97
        5.5 Определение поверхностной энергии разрушения по податливости образца..........99
       5.6 Ра.бота разрушения..................... 102
       5.7 Ударные испытания...................... 105

Оглавление

Глава 6. Механика разрушения композиционных материалов.........................................107
       6.1 Разрушение композитов с дисперсными наполнителями.............................. 107
       6.2 Разрушение композитов с непрерывными волокнами...................................115
       6.3 Разрушение композитов с короткими волокнами............•..................... 123
Глава 7. Работоспособность композиционных материалов в химическом оборудовании...............129
       7.1 Процессы и параметры, определяющие.........
           работоспособность ненапряженных композитов............................. 133
       7.2 Факторы, определяющие работоспособность напряженно-деформированных композитов... 165
Глава 8. Методы испытаний материалов...............178
       8.1 Кратковременные статические испытания на растяжение, сжатие, изгиб и срез.........181
       8.2 Длительные испытания на долговечность и ползучесть............................... 184
       8.3 Испытания пластмасс на химическую стойкость, водопоглошение и старение........ 190
       8.4 Испытания полимерных материалов на проницаемость агрессивными средами .... 193
Методы определения стойкости к действию химических сред. ГОСТ 12020—72 ................... 199

            ПРЕДИСЛОВИЕ_________________________








        Главная цель дисциплины «Физикохимия и механика композиционных материалов» — дать комплекс знаний о физико-химических процессах, протекающих при взаимодействии между матрицей и наполнителем в процессе создания композиционных материалов с заданными свойствами. Эта дисциплина включает сведения о характере деформирования и разрушения при воздействии на композиционные материалы механических сил и внешней среды, о совместном эффекте механических напряжений и внешней среды, а также о путях оптимизации композиционных систем применительно к их эксплуатации в конструкциях технологического оборудования на предприятиях химической, нефтехимической и родственных им отраслей промышленности. Дисциплина базируется на знаниях, приобретенных студентами при изучении таких предметов, как физика, химия, сопротивление материалов, композиционные материалы, методы оптимизации композиционных материалов.
   В результате изучения дисциплины «Физикохимия и механика композиционных материалов» студент должен знать механизмы формирования композиционных систем с заданными свойствами, а также процессов их деформирования и разрушения. Он должен уметь обоснованно выбирать материал для конструкции, исходя из условий ее работы, который обеспечивал бы надежную и долговечную эксплуатацию, а также владеть навыками прогнозирования работоспособности композиционных материалов в конкретных эксплуатационных условиях.
   Знания, полученные студентами при изучении этой дисциплины, будут использованы при изучении курсов «Строительной механики композиционных материалов» и «Расчетов на прочность и методов испытаний конструкций из композиционных материалов».

Предисловие

   Курс состоит из двух частей. В первой части излагаются традиционные знания в области физикохимии и механики полимеров, а также композиционных материалов на их основе. Во второй части рассмотрены вопросы деформирования и разрушения этих материалов при совместном воздействии на них технологических (агрессивных) сред и механических факторов. Точно так же построено настоящее учебное пособие, в котором представлены сведения о методах испытаний, их аппаратурном оформлении и организации исследований.
   При написании пособия автор использовал учебную, монографическую и справочную литературу, а также результаты собственных исследований и разработок своих коллег, полученных в разные годы на кафедре «Защита технических систем от действия окружающей среды» в Московском государственном университете инженерной экологии (МГУИЭ, бывший МИХМ). Список использованной литературы приведен в конце книги.
   Автор выражает безграничную благодарность проректору МАТИ им. К.Э. Циолковского доктору технических наук, профессору П.Г. Бабаевскому, а также рецензентам: доктору технических наук, профессору Б.Г. Попову (МГТУ им. Н.Э. Баумана) и доктору технических наук, профессору М.П. Шерышеву (РХТУ им. Д.И. Менделеева) за внимательное прочтение рукописи, высказанные замечания и рекомендации по ее изданию.
   Автор признателен А. В. Корслову за помощь при оформлении и подготовке рукописи.
   Всем читателям, приславшим свои отзывы, замечания и конструктивные предложения, которые будут учтены при дальнейшей переработке этого учебного пособия, — горячая благодарность автора.

            ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ



Обозначения
а - расстояние между частицами наполнителя
С— концентрация вещества, податливость образца (гл. 5, 6) Со — объемное содержание арматуры
   — начальная концентрация химически нестойких связей (гл. 7)
D — коэффициент диффузии d — диаметр волокна
Е — модуль упругости, или модуль Юнга, энергия активации (ГЛ. 7)
Eq — мгновенный модуль упругости
Eₜ - текущий модуль упругости
Еж — длительный модуль упругости
F— площадь поперечного сечения образца, площадь мембраны (гл. 8)
Fq - начальная площадь поперечного сечения образца G — модуль сдвига, масса (гл. 7 и 8)
(7С - поверхностная энергия разрушения, скорость освобождения упругой энергии
I — поток вещества
/ — интенсивность массопереноса
К— коэффициент интенсивности напряжений, коэффициент капиллярности (гл. 4); коэффициент проницаемости (гл. 7) к — константа скорости химических реакций къ — константа Больцмана
L, / — длина, длина трещины (гл, 5) /с — критическая длина волокна Р — действующая сила, движущая сила массопереноса (гл. 7), парциальное давление
Q — количество сорбируемого вещества, масса
R - универсальная газовая постоянная, коэффициент гидравлического сопротивления (гл. 7)
Г — ресурс времени
ос — поверхностная энергия, поверхностное натяжение у - термофлуктуационный объем (гл. 2 и 7)
Уу;- энергия, поглощаемая в процессе образования новой поверхности при росте трещины (удельная поверхностная энергия разрушения)

Основные обозначения и сокращения

8 — деформация, толщина образца £ — относительная деформация е₀ - мгновенная деформация ев - вязкая деформация (деформация течения) ев э - высокоэластическая деформация Л — вязкость
0 - краевой угол смачивания, угол ориентации волокон (гл. 6), время «запаздывания» (гл. 8)
X - константа проникновения, т. е. функция коэффициента диффузии и равновесной концентрации среды (гл. 7); коэффициенты
     (гл. 4); концевая зона у фронта трещины (гл. 5)
ц — коэффициент Пуассона
о, <зь — соответственно действующее и разрушающее напряжения
ов - напряжение вязкого течения ов э — высокоэластическое напряжение сти, ор,(ар), осж — соответственно разрушающие напряжения при изгибе, растяжении, сжатии
оу - упругое напряжение
оу— разрушающее напряжение при растяжении элементарных волокон
т — время релаксации, напряжение при сдвиге (гл. 6) т₀ — период собственных колебаний атомов тд - долговечность (время до разрушения) |<р| - допустимая влажность (гл. 5)
Ф — мера микроповреждений (гл. 7)

Сокращения
АИП - аппарат искусственной погоды КМ — композиционный материал ЛУМР - линейная упругая механика разрушения М М Р — молекулярно-массовое распределение ПАВ — поверхностно-активное вещество ПКМ - полимерный композиционный материал СВАМ - стекловолокнистый армированный материал УУКМ - углерод-углеродный композиционный материал

                Глава 1.





            КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ






        В общем понимании «композиционный материал» — это материал, состоящий из двух или нескольких различных компонентов. Большинство известных неметаллических материалов (стекла, керамика, пластмассы, мастики, резины, лакокрасочные материалы и др.) можно считать композиционными материалами. Однако в современных представлениях к этому классу относят вполне определенные материалы.
  Композиционные материалы (композиты, КМ) — это гетерофазные системы, состоящие из двух или более компонентов, в которых сохраняются индивидуальные свойства каждого компонента. Композиционные конструкционные материалы по совокупности различных свойств выгодно отличаются от металлических конструкционных материалов, что позволяет совершенствовать существующие конструкции, а также открывать новые пути в области конструирования и технологии изготовления изделий самого различного назначения. Тот факт, что необходимые функциональные свойства этих материалов формируются в процессе изготовления конкретной конструкции, во много раз увеличивает их перспективность за счет варьирования состава и структуры.
  Для конструкционных композиционных материалов характерен ряд признаков.
  Во-первых, состав и форму компонентов определяют заранее. Во-вторых, вид и количественный состав компонентов подбирают в зависимости от заданных свойств формируемого материала. В-гретьих, сформированный материал однороден в макромасштабе и неоднороден наиикроуровне: компоненты различаются по свойствам, и между ними существует граница раздела — межфазный слой.

Глава 1. Композиционные материалы

   Как правило, компоненты композиций различают по геометрическому признаку. Компонент, обладающий непрерывностью по всему объему, получил название матрица, а дискретный компонент, разделенный в объеме композиции — арматура (усиливающий, армирующий компонент, наполнитель).
   В качестве матрицы могут быть использованы металлы и их сплавы, органические и неорганические полимеры, керамика и другие вещества. Усиливающими, или армирующими, компонентами могут быть дисперсные частицы или волокна материалов различной природы. По виду арматуры выделяют две группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые композиционные материалы. Они отличаются друг от друга структурой и прочностью.
   Дисперсно-упрочненные композиты представляют собой системы, в матрицах которых равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго компонента в количестве, не превышающем 2-4% (об.). Здесь всю механическую нагрузку в конструкции воспринимает матрица, а дисперсный наполнитель обеспечивает эффективное сопротивление пластическим деформациям.
   У волокнистых композитов пластичная, как правило, матрица армируется высокопрочными волокнами. В этом случае стремятся к обеспечению равномерного распределения механической нагрузки на арматуру с использованием ее высокой прочности. Объемная доля высокопрочных и высоко-модульных волокон в таких композитах может достигать 75%. Отличительной особенностью волокнистых композитов является анизотропия свойств, обусловленная преимущественным расположением волокон в том или ином направлении.
   Механические свойства волокнистых композиционных материалов определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матриц и прочностью связи на границе матрица-волокно. Именно соотношение этих параметров определяет весь комплекс механических свойств и механизм разрушения композита. Его работоспособность, надежность и долговечность зависят от правильности выбора исходных компонентов и технологии формирования изделия. Здесь уместно заметить, что не всегда достижение