Эпоксидные полимеры и композиции - Чернин И.3.
Скачать (прямая ссылка):
'71
Рис. 6.5. Распределение значений внутренних напряжений в эпоксидном пластике вдоль поверхности цилиндрического армирующего элемента при их гексагональной упаковке (объемная доля армирующих элементов 0,64; температура отверждения около 170 °С) [37]:
а — радиальные напряжения; б — касательные напряжения; / — объемная доля наполнителя 1>2=0,64; 2 — и2 = 0,7; 3 — и2 = 0,8.
В предельном случае полного сближения жестких армирующих элементов или их расположения на монолитном основании весь компаунд будет в состоянии максимального трехосного растяжения. Этот случай наиболее опасен с точки зрения растрескивания компаунда.
Большой интерес представляет распределение нормальных напряжений на поверхности залитых элементов. На рис. 6.6 показана зависимость Кф1 от угла при гексагональной упаковке армирующих элементов [37, 41, 42]. Нормальные напряжения на границе раздела могут иметь как положительные (растяжение), так и отрицательные (сжатие) значения, причем с увеличением объемной доли армирующих элементов возрастает доля их поверхности, на которой действуют напряжения растяжения, и значение этих напряжений. При малом содержании армирующих элементов на поверхности раздела наблюдается только сжимающее напряжение, вызывающее увеличение адгезии [37, 44, 46]. Наиболее опасными являются растягивающие нормальные напряжения, вызывающие появление трещин на границе раздела и нарушение адгезии, а в некоторых случаях и разрушение залитых деталей. Касательные напряжения, возникающие вокруг залитых деталей, также могут приводить к местному отслаиванию компаунда. В тех случаях, когда армирующие элементы закреплены на какой-нибудь подложке, распределение напряжений более сложное, причем увеличивается роль растягивающих напряжений и вся конструкция деформируется (коробление).
Таким образом, для уменьшения концентрации напряжения и опасности растрескивания эпоксидных компаундов необходимо или изменять конструкцию заливаемой детали, увеличивая Кф и уменьшая жесткость конструкции, или изменять свойства компаунда, уменьшая оо без уменьшения прочности.
172
Выбор материала для заливки определенной конструкции, как видно из изложенного выше, является весьма сложной задачей. В ряде работ [5, 8, 9] предлагается использовать в ка-честве критерия работоспособности уровень внутренних напряжений, возникающих на каких-либо модельных конструкциях. Значение критического напряжения зависит от чувствительности герметизируемых элементов к давлению.
Как правило, в области стеклообразного состояния внутренние напряжения в эпоксидных компаундах линейно зависят от температуры и становятся практически равными нулю около температуры стеклования. В тех случаях, когда температура отверждения ниже температуры стеклования, температура Т0 линейно зависит от температуры отверждения и обычно превышает ее на 15—20 °С [45, 46]. При оценке и исследовании внутренних напряжений в эпоксидных компаундах следует учитывать влажность окружающей среды, так как напряжения в эпоксидных полимерах сильно зависят от влажности [47]. В некоторых случаях может изменяться даже знак внутренних напряжений [47], что приводит к неправильному представлению об уровне напряжений в полимере. Скорость изменения напряжений при увлажнении зависит «от коэффициента диффузии воды в компаунде и его толщины; процесс этот может быть весьма длительным. В сухой атмосфере внутренние термические напряжения в эпоксидных компаундах практически не изменяются во времени [47]. Данные о сравнительно быстром снижении внутренних напряжений при комнатной температуре, приводимые некоторыми авторами, связаны, вероятно, с диффузией воды из атмосферы.
Расчет внутренних напряжений из модуля упругости Е, определенного стандартными методами, и значений ТКР не дает хорошего совпадения с экспериментом: расчетные значения внутренних напряжений для эпоксидных материалов в 2—3 раза превышают экспериментальные. Для жестких эпоксидных
(в
¦2Л
Рис. 6.6, Распределение значений Кф1 вдоль кратчайшего расстояния между волокнами при квадратичной упаковке армирующих элементов (объемная
доля волокон 0,5) [37]: / — касательные напряжения; 2—осевые напряжения; 3 — радиальные напряжения.
173
компаундов с Тс « 120°С 0ВН для плоской модели может превышать 10 МПа.
Однако, если использовать в расчетах нерелаксирующую часть модуля [48, 49, 65], определенную из кривых релаксации напряжения, совпадение с экспериментальными данными вполне удовлетворительное. Если для изделия сложной формы можно рассчитать Кф, то, определив о0 в какой-либо простой модели (например, консольным методом), можно найти значения внутренних напряжений для сложных конструкций. Это позволяет оценить работоспособность залитых конструкций в тех случаях, когда критерием работоспособности изделия является давление на чувствительные к нему элементы.
Для оценки внутренних напряжений и работоспособности компаундов предложено [5, 9] использовать напряжения, возникающие в образце компаунда, закрепленного в жесткой раме, при охлаждении. При этом образец находится под действием одноосного внутреннего напряжения, т. е. Кф= 1. Этот метод весьма удобен, так как можно применить любые образцы, а не только тонкие пленки, как в большинстве других методов.
