Справочник по композиционным материалам

Воздействие влаги и температуры

УВ инертны относительно влаги и большинства органических растворителей [302]. Поэтому сорбция влаги композиционным материалом обусловливается в основном органическими связую­щими. На рис. 11.43 представлены кривые влагопоглощения ряда чистых эпоксидных связующих [303]. Различная химическая природа органических связующих обусловливает особенности их влагопоглощения. На рис. 11.44 показана кинетика влагопогло­щения композита Л5-3501-5 при 71 °С и относительной влажности 75 и 95 % [304]. В волокнистых материалах существуют три не­зависимых механизма адсорбции влаги: диффузия в связующее, поверхностная адсорбция на УВ и заполнение трещин и пустот [305, 306].

В основном адсорбция влаги — диффузионный процесс, за­висящий от температуры и относительной влажности и подчиняю­щийся второму закону Фика [289, 305]. Чаще всего адсорбция и десорбция влаги определяются по относительному изменению массы образца КВМ. Картер и Киблер [307] предложили метод измельчения образца для определения равновесной влажности и коэффициента диффузии влаги в УВ-эпоксидных и УВ-полиимид - ных КВМ. Пользуясь этим быстрым методом контроля, они смогли выявить различия в сорбционных свойствах различных связую­щих. Впоследствии Белани и Бротман [308] показали, что между электросопротивлением и квадратом содержания влаги в КМ существует линейная зависимость. Это связано с тем, что при на­бухании связующего под действием влаги уменьшается контакт

11.9. Жизнеспособность КВМ при изотермическом старении

Поставщик

Волокно/ связующее

ТСт _

400 °С

^ст —

50Q °С

<«о. ч

Tto, ч

Tan ч

F«o. «

Дженерал дайиэмикс

Селиои

3,5

_____ 1

0,3

12,5

6000/5208

Т6300/5208

2,3

35,0

0,2

3,6

Г300/5208

4,0

44,0

0,4

3,7

Г300/5208

3,7

35,7

0,3

3,5

AS/3501

2,6

30,5

0,3

1,3

Локхид/Саннивейл

T300/F178

10,0

42,5

0,5

2,0

UC РІТСНІШ

1,8

_____ а

0,3

______ а

Г300/5208

2,6

25,5

0,3

0,9

T300/F178

6,0

_____ 3

0,5

2,7

ТШ/РМЕЫЬ

9,5

38,0

1,5

4,7

Локхид/Джорджиа

AS/2080

6,7

18,5

0,7

1,2

Г300/5208

3,2

46,0

0,3

2,7

AS/3501

1,5

38,5

0,2

1,2

GMA/9 76

1,3

_____ і

0,2

25,0

GF70/7534

3,0

_____ і

0,3

______ 1

Локхид/Берйани

Г300/5208

1,7

36,0

0,2

2,2

7300/934

1,3

23,0

0,2

2,7

Мак-Доинел/Дуглас

Г300/5208

5,0

38,5

0,4

1,2

AS/3501

0,3

7,2

0,3

1,2

Нортроп

AS/3501

2,5

23,5

0,2

1,2

Грумман

AS/3501

3,7

43,5

0,3

1,5

МИТ

MODU/PPQ

50

_____ і

2,4

12,5

НАСА/ Локхид

HTS/PMRA5

10,5

39,0

0,6

1,2

1 Более 50 % после 72 ч.

2 Испытание прервано по выходе иа плато при £>50%. г Испытание прервано при <50 %.

Гст — температура старения.

Между волокнами, и как следствие — рост элек­трического сопротивления. Броунинг [309] методом ИК-спектроскопии в ближ­ней области определял степень сшивки эпоксид ных связующих и пара­метры влаго поглощения. Адсорбция влаги опреде­лялась по величине спек­тра поглощения ОН-групп при длине волны 1,91 мкм. Распределение влажности по глубине образца в угле­пластиках с эпоксидным связующим изучалось ав­торами работы [310]. Эта методика основана на по­лучении тонких срезов g помощью микротома 6 последующим взвешиванием до сушки и после нее.

На рис. 11.45 показан профиль влажности по толщине образца для композита Т300-5208 [310]. Во влажной среде при влажности 95 % и температуре 66 °С и в воде при той же температуре про­фили влажности совпадают (см. рис. 11.45). В других исследова­ниях была найдена корреляция между механическими свойствами углепластиков после кипячения в воде и равновесной влажно­стью образцов после пребывания во влажной среде [311J. Преиму­ществом использования кипящей воды является сокращение вре­мени эксперимента. Кельбель и др. [312, 313], используя ультра­звуковую технику эксперимента, показали наличие корреляции между влагопоглощением углепластиков с эпоксидными связую­щими, падением прочности при межслоевом сдвиге и уменьшением

Рис. 11.43. Кривые адсорбции в зависимости от времени t нахождения в воде чистых свя­зующих (размеры образцов 25Х 120Х 13 мм);

■ т К о/

--------------------------- — ' 'О

Тмо тка

В

5 *

3

Г 1

О_>

2

1 — Е = 450; 2 — X = 904; 3 — Х = 2003; 4 — Е = 350; 5 — Е = 293;

Т/то — увеличение массы образца

Рис. 14.45. Зависимость потери влаги в слое т/іщ после сушки от толщины b образца однонаправленного углепла­стика Г300/5208, подвергнутого обра­ботке в течение 119 ч при 66 °С:

А — влажность 95 % при содержании влаги в Образце-./ — 0,50; 2 — 0,49; 3 — 0,50 %; б — погружение в воду при содержании влаги в образце; 4 — 0,56; 5 — 0,52; 6 0,55% Образцы из панели 1S VI136 со сшивкой 10/14/77 и без дополнительной сшивки; содержание (массоваядоля) свя­зующего 29,3 %, плотность р = 1579 кг/м»

Рис. 14.44. Динамика влагопоглощения матрицы тм/тт и композита mK/mK0 на основе Л5=3501-5 при 71 °С; наполнение УВ 70 % (массовая доля) и 63 % (объемная доля) при относительной влажности 95 (1) и 75 % (2). Скорость влаго - пропускания 1,25 нм/ч, толщина пленки 1 мм затухания ультразвуковых колебаний. Интерес читателей мо­жет вызвать обзор методов неразрушающего контроля потери свойств КВМ при влагопоглощении [314].

Адсорбция влаги приводит к набуханию и пластификации связующих (а вероятно, и к разрыву водородных эпоксидно - эпоксиводородных связей) ниже температуры стеклования Т0. Результатом последнего является снижение механических свойств КВМ, особенно при повышенных температурах [289, 309, 311, 315, 316].

Ей,™ а

Рис. 11.46. Зависимость модуля изгиба Яиуглепла етика «Торнел 300»— «Фай - берит 1034» от температуры Т и влагосодержании W

Сут

Рис. 11.47. Изменение предела прочно­сти при сдвиге (метод короткой балки) тсд при различном времени экспози­ции t под действием температуры и влажности:

1 —• температура испытаний 25 °С; 2 — условие обработки—вакуум, 23 °С, испы­тание при 176 °С; 3 — влажность 50 %, 23 °С, испытание при 176 "С; 4 — вода, 23 °С, испытание при 176 °С; 5 — влаж­ность 100 %, 89 °С, испытание при 176 °С

Равновесная влажность и степень снижения физико-механи­ческих свойств КВМ определяются следующими параметрами: природой связующих [289, 303, 317, 318], содержанием и ориента­цией волокна [311, 317, 319—322], поверхностной обработкой волокна [312, 313], степенью отверждения [294, 307], геометрией образца [317], температурой, влажностью среды и временем экс­позиций [289, 309, 322], предварительной нагрузкой [323], ка­чеством КВМ [306, 324], методами испытаний [311, 322]. На рис. 11.46 [319] и 11.47 [318] показаны типичные результаты, дающие представление о влиянии влажности и температуры на прочностные и упругие характеристики углепластиков. Полный обзор этих данных был сделан Шеломи Спрингером [319, 320]. Для КВМ на основе УВ и фенольных либо других полимерных связующих характерно меньшее снижение физико-механических показателей под воздействием влаги, нежели для углепластиков с эпоксидными связующими [291 ]. Изменение адсорбционной способности и сдвиговых характеристик для углепластиков с по-

200 t-ОО 600 800 t, ч Я)

200 Ш 600 В00 t, ч

В)

Рис. 11.48. Зависимость предела прочности при межслоевом сдвиге тсд (а) со­держания влаги W (б) от времени пребывания в воде / при 100 °С: ф 1 — обработка УВ раствором Гантреца; 2 — обработка УВ водородом

Верхностной обработкой УВ показано на рис. 11.48 [312]. Ком­позиты на основе УВ, подвергнутые поверхностной обработке, имеют большую влагостойкость, если волокна обработаны рас­твором Гантреца. Раствор Гантреца (фирма «Дженерал анилайн энд филм») представляет собой водный раствор гидрофильного высокомолекулярного сополимера малеинового ангидрида и ме- тилвинилового эфира [312]. Сравнивая результаты обработки УВ азотной кислотой, силаном и бромом, Харрис [325] нашел, что обработанное кислотой волокно имеет самое большое влаго - поглощение при 100 °С. Степень диффузии влаги в композит может быть уменьшена при использовании защитных покрытий из полиуретанов [322, 323] или стекла [292].

Б, МПа 6,МПа

Рис. 11.49. Зависимость напряжение о — деформация є сухого (а) и равновесного влажного (б) образцов, сшитых по амино­группам ТГМДА — эпоксидного связую­щего. Температура испытаний:

О 0,5 1,0 1,5 2,0 1,5 3,0 е,% а)

J — комнатная; 2 — 95 ?С; 3 — 120 ?С; і — 150'G

Изменяются параметры влагопоглощения и при приложении внешней нагрузки к углепластику с эпоксидным связующим [303, 309]. При испытании однонаправленного углепластика на растя­жение [304] вид разрушения меняется под воздействием влаги от хрупкого до пластичного. На рис. 11.49 [309] и 11.50 [304] показано влияние влажности на кривые напряжение — дефор­мация сшитых по аминогруппам эпоксидных связующих TGMDA и однонаправленных КВМ марки Л5-3501-5 соответственно. Обычно эффект обратим и свойства матрицы после высушивания возвращаются к исходным [311, 316]. В случае, если кроме влаж­ности на образец действует еще и температура, способность ма­териала к влагопоглощению меняется [309, 326]. Это касается и развития трещин при увеличении напряжения, которые облег­чают адсорбцию влаги. В последних обзорах Луса и Спрингера подтверждено наличие эффекта термического растрескивания угле­пластиков с эпоксидными связующими [290]. Однако оказывается,
что это зависит от механических и сорбционных свойств: угле­пластик 7"300-5209 весьма чувствителен к температурному рас­трескиванию, а Г300-1034 — нет.

Кельбель [312, 313] обнаружил падение прочности при сдвиге в углепластике HTS-BP907 после выдерживания в воде при 100 °С в течение 1000 ч и последующего высушивания (рис. 11.51).

Сі, МПа

8 е,%

Это является свидетельством сниже­ния взаимодействи я в системе во­локно — связующее [312, 325]. В то же время разрушение композитов в результате поглощения влаги стано­вится менее хрупким [313]. Влаж­ность и температура существенно

Гсд, МПа

-100 - во -20 20 60 100 Г,°С

Рис. 11.50. Типичные кривые зависимости напряжение о — деформация є одно­направленного углепластика /1S-3501-5 при различных температурах и влаж­ности (объемное содержание волокна v — 63 %; влажность воздуха <р = 75 % — соответствует равновесному привесу образца 1,05 %s а ф = 95 % — 1,6 %)j

1 — комнатная температура (КТ), ф = 95 %; 2 — КТ, сухое волокно (CB); 3 — КТ, Ф = 75 %; 4 ~ 250 °С, CB; 5 — 300 °С, CB; 6 — 250 °С, ф = 75 %; 7 — 250 °С, ф = = 95 %; 8 — 300 ?С, ф = 75 %; 9 — 300 °С, ф = 95 %

Рис. 11.51. Зависимость предела прочности при межслоевом сдвиге тсд от тем­пературы Т для не подвергнутого (1) и подвергнутого (2) гидротермической об­работке (1000 ч при 100° в воде о последующей сушкой) и обезвоженного угле­пластика SC-2-3

Влияют и на усталостные свойства композитов [323]. Любин [388] показал обратимость действия влаги на графит. Естествен­ное или принудительное удаление влаги восстанавливает исход­ные прочностные свойства УВ.

Было показано там же, что влажность позволяет создать хо­рошие условия для ламинирования углепластика алюминиевой фольгой [389].

Справочник по композиционным материалам

Пластики, полученные методом намотки

Быстрое развитие исследований и применение материалов, полученных намоткой, привело к созданию большого числа специ­фикаций и стандартов на методы их испытаний. Следующие стан­дарты ASTM представляют собой интерес: ASTM D2290-76. Определение предела …

Другие виды испытаний

Ряд испытаний должен проводиться при повышенных темпера­турах. Зависит это от типа композиционного материала и области его применения. Обычные композиты не должны терять проч­ность и модуль после получасовой экспозиции при темпера­туре …

Влияние длительной выдержки в окем*М;-г! иа глубине 1737 м на свойства СВКМ

Показатель Исходные значения После выдерж­ки на глубине 1737 м в тече­ние 1045 сут Показатель Исходные значення После выдерж­ки на глубине 1737 м в тече­ние 1045 сут А0Ж( МПа £сш, ГПа …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.