Технологические дефекты полимерных слоистых композиционных материалов

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 621

DOI 10.21685/2072-3059-2017-2-7

Е. Д. Карташова, А. Ю. Муйземнек

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ДЕФЕКТЫ ПОЛИМЕРНЫХ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Аннотация.

Актуальность и цели. Перспективным путем обеспечения высоких требований к эксплуатационным характеристикам современной аэрокосмической, автомобильной и военной техники при уменьшении ее массы является использование полимерных слоистых композиционных материалов. Одной из причин, сдерживающих их более широкое применение, является наличие технологических дефектов, оказывающих существенное влияние на физико-механические характеристики этих материалов. Изучение влияния технологических дефектов на физико-механические свойства полимерных слоистых композиционных материалов включает описание дефектов, их классификацию, выявления причин их появления. Целью изучения является разработка мероприятий по предотвращению появления технологических дефектов, создание методов учета их влияния на эксплуатационные свойства изделий из полимерных слоистых композиционных материалов, установление допускаемых значений характеристик технологических дефектов.

Материалы и методы. В качестве исследуемых материалов выбраны полимерные слоистые композиционные материалы. При изучении технологических дефектов использованы оптические методы исследования микро- и макроструктуры.

Результаты. Приведено краткое описание дефектов изделий из полимерных слоистых композиционных материалов, приведена классификация технологических дефектов по этапу возникновения и на основе особенностей их строения, являющихся общими для каждой группы дефектов.

Выводы. Классификация технологических дефектов по этапу возникновения и на основе особенностей их строения является основой разработки мероприятий по предотвращению появления технологических дефектов, созданию методов учета их влияния на эксплуатационные свойства изделий из полимерных слоистых композиционных материалов, установлению допускаемых значений характеристик технологических дефектов.

Ключевые слова: полимерные слоистые композиционные материалы, дефекты полимерных слоистых композиционных материалов, изделия, микро- и макроструктура полимерных слоистых композиционных материалов.

E. D. Kartashova, A. Yu. Muyzemnek

TECHNOLOGICAL DEFECTS OF POLYMERIC LAYERED COMPOSITE MATERIALS

Abstract.

Background. A promising way of ensuring high requirements for the performance characteristics of modern aerospace, automotive and military equipment with its mass reduction is the use of polymeric layered composite materials. One of the reasons restraining their wider use is the presence of technological defects that have a significant effect on the physico-mechanical characteristics of these materials. The study of the influence of technological defects on the physico-mechanical properties of polymeric layered composite materials includes the description of defects, their classification, and the causes of their appearance. The purpose of the study is to develop measures to prevent the occurrence of technological defects, to develop methods for recording their effect on the operational properties of products made of polymeric layered composite materials, to establish permissible values of the characteristics of technological defects.

Materials and methods. Polymeric layered composite materials were chosen as the research materials. When studying technological defects, optical methods for studying micro- and macrostructures were used.

Results. The article briefly describes defects of products made of polymeric layered composite materials, as well as a classification of technological defects according to the stage of occurrence and on the basis of the features of their structure that are common for each group of defects.

Conclusions. The classification of technological defects at the stage of occurrence and on the basis of the features of their structure is the basis for development of measures to prevent the occurrence of technological defects and for creation of methods for recording their effect on the operational properties of products made of polymeric layered composite materials.

Key words: polymeric layered composite materials, defects in polymeric layered composite materials, products, micro- and macrostructure of polymeric layered composite materials.

Введение

Высокие требования к современной аэрокосмической, автомобильной и военной технике вызывают необходимость существенного улучшения физико-механических характеристик материалов при уменьшении их плотности. Перспективным путем решения этой задачи является использование полимерных слоистых композиционных материалов (ПСКМ). Современные ПСКМ имеют высокую удельную прочность, высокую удельную жесткость и другие уникальные физико-механические свойства. Новые, прежде всего вакуумные, технологии позволяют изготавливать из ПСКМ изделия больших размеров и сложной формы. Однако ПСКМ свойственны и недостатки, сдерживающие их распространение, к числу которых следует отнести наличие дефектов, возникающих при производстве и эксплуатации, плохую повторяемость свойств от образца к образцу, низкую ударную вязкость, приводящую к высокой повреждаемости изделий при эксплуатации, большой удельный объем, гигроскопичность и токсичность при эксплуатации [1, 2]. Наблюдаемое в настоящее время существенное улучшение физико-механических свойств компонентов ПСКМ не всегда обеспечивает пропорциональное повышение качества изделия.

Сложность состава ПСКМ, многообразие армирующих и связующих, различные технологии изготовления препрегов и методов формования обусловливают и многообразие получаемых дефектов [3-5]. Изучение влияния

технологических дефектов на физико-механические свойства ПСКМ включает описание дефектов, классификацию, выявление причин их появления. Цель такого изучения - разработка мероприятий по предотвращению появления технологических дефектов, создание методов учета их влияния на эксплуатационные свойства изделий из ПСКМ, установление допускаемых значений характеристик технологических дефектов. Известна классификация дефектов ПСКМ по следующим классификационным признакам:

- стадии образования (производство или эксплуатация, в том числе использование по назначению, хранение, транспортировка или техническое обслуживание и ремонт);

- глубине расположения (поверхностные или внутренние);

- степени раскрытия;

- размерам (макродефекты - размером свыше 60-100 мкм и микродефекты - размером до 60-100 мкм);

- степени опасности дефектов [6].

Классификация технологических дефектов также может быть осуществлена:

- по этапу возникновения дефекта;

- на основе особенностей их строения, являющихся общими для каждой группы дефектов.

1. Классификация технологических дефектов по этапу возникновения

Технологические дефекты ПСКМ могут возникнуть на следующих этапах: изготовление препрега (жгутового или тканого), раскрой ткани, сборка тканевого пакета, формование детали, последующая механическая обработка.

На этапе изготовления жгутовых препрегов могут возникнуть дефекты типа: нарушения состава компонентов, раздвижки и скручивания жгутов, образования местных непропитанных участков, натеков связующего, стыков и нахлестов отдельных жгутов, повышенной или пониженной плотности раскладки жгутов и связанной с этим разной плотности укладки жгутов в препреге. Появление таких дефектов приводит к изменению толщины монослоя препрега.

На этапе изготовления тканого препрега могут возникать дефекты, привнесенные тканью: близна (дефект ткани, возникающий в результате отрыва и выпадения одной или нескольких нитей основы); провисание фона ткани; наработанный пух; повышенная влажность, а также такие как местные натеки связующего, нарушение состава компонентов, смещение текстуры ткани, складки от воздействия разделительного слоя.

На этапе раскроя наиболее часто встречающимися дефектами являются: нарушение угла вырезки; подрез отдельных нитей; нарушение текстуры при снятии шаблона; деформирование раскроя при транспортировке; отклонение места реза от контура шаблона и нарушение текстуры армирующего в зоне реза.

На этапе сборки тканевого пакета могут появиться дефекты, связанные с нарушением угла выкладки, смещением зоны выкладки, искривлением волокон препрега в плоскости слоев, образованием волнистости препрега. Неравномерное натяжение при выкладке и изменение усилий прикатки могут привести к искривлению волокон в плоскости ткани или формированию

складки. На этапе сборки пакета между слоями могут оказаться куски разделительного материала и прилипшие к препрегу инородные включения, может быть нарушен порядок выкладки слоев, завышена температура прикаточного ролика. Вероятность образования дефектов на этапе выкладки для толстостенных деталей особенно велика из-за большого количества слоев и интенсивного уменьшения жесткости подложки с каждым выкладываемым слоем.

На этапе формования деталей могут возникнуть следующие дефекты: складки и искривления волокон в результате уплотнения и перемещения материала, нарушение состава материала; натеки связующего или раковины из-за неравномерного температурного поля; подмятия из-за попадания на поверхность наружных слоев посторонних включений, забоин на оснастке, стыков разделительных пленок или впитывающих слоев; расслоения и трещины от внутренних напряжений в материале, возникающих при проведении термообработки, охлаждении детали или при небрежном снятии детали с оснастки.

На этапе механической обработки возможно возникновение дефектов типа скатов, царапин, забоин, выкрашивание в зоне механообработки, отрыв поверхностных слоев и образование трещин от воздействия инструмента.

2. Классификация технологических дефектов на основе особенностей их строения

По особенностям строения технологические дефекты можно разделить на пять групп.

1. Несоответствие показателей связующего и армирующего требуемым значениям по всему объему детали или ее значительной части.

1.1. Низкая степень отверждения связующего. Дефект заключается в наличии не полностью полимеризовавшихся исходных компонентов связующего. Причинами возникновения этого дефекта являются несоответствие соотношения количества исходных компонентов в связующем, отклонение от нормы температурно-временного режима полимеризации.

Известно, что рекомендуемый верхний предел рабочей температуры материалов с термореактивной матрицей соответствует 95-98 % степени конверсии реакционно-активных групп. При этом обеспечивается характерный для данного материала уровень температуры стеклования и связанная с ней теплостойкость материала. Нарушение в составе и соотношении компонентов связующего, отклонения в режиме формования (например: значительное изменение скорости повышения температуры, уменьшение температуры и продолжительности формования, прерывание процесса формования), как правило, приводят к снижению степени полимеризации материала. Дефекты, вызванные низкой степенью отверждения матрицы, приводят к снижению теплостойкости материала, резкому ухудшению водо- и влагостойкости, а также других эксплуатационных характеристик, снижение сопротивления материала к воздействию агрессивных сред, а также изменение характера разрушения материала при статической и усталостной динамической нагрузке. Отклонение в составе в значительном объеме материала приводит к серьезным изменениям прочностных характеристик, упругости и эксплуатационной надежности [7].

1.2. Отклонение от требуемого состава и качества связующего и армирующего в композите. Причинами возникновения этого дефекта являются

грубые нарушения в подготовке исходных компонентов. Дефекты 1.1 и 1.2 относятся к группе наиболее опасных дефектов, однако в практике они встречаются довольно редко, так как являются следствием грубейших нарушений технологического процесса производства.

1.3. Повреждение нитей или тканей армирующего. Дефект заключается в наличии разрушенных волокон в нити, нитей в ткани или сломанных пучков.

2. Инородные включения и несплошности.

2.1. Инородные включения. Могут быть поверхностными или внутренними. Обусловлены попаданием инородного материала в исходные компоненты при изготовлении, раскрое и выкладке ткани, пропитке и последующей полимеризации.

2.2. Пористость. Заключается в появлении зон, содержащих повышенное количество пор. Опасность этого дефекта определяется объемным содержанием, размером, формой и расположением. Причинами пористости является несоблюдение режима формования: времени и величины приложенного давления; колебания давления при формовании, скорости подачи связующего и скорости нагрева, а также отклонение от требуемых значений количественного и качественного состава препрега. При использовании вакуумных технологий процесс образования пор зависит от скорости фронта связующего. На рис. 1,а показаны поры на поверхности углепластика.

б)

Рис. 1. Пористость (а), сухие пятна (б) Engineering sciences. Machine science and building 83

2.3. Сухие пятна. Дефект заключается в появлении локальных зон армирующего, не пропитанных связующим. На рис. 1,б показаны сухие пятна в стеклопластике.

2.4. Газовые раковины. Представляют собой полости, образованные выделившимися из композита или внедрившимися в него газами. Поверхность газовых раковин гладкая. Газовые раковины могут быть одиночными и групповыми. Причинами появления газовых раковин являются повышенное содержание летучих элементов в композите, нарушение режимов формования или полимеризации.

2.5. Расслоения. Различают замкнутые, т.е. изолированные от кромок детали, с выходом на кромку детали и подповерхностные. Причинами расслоения являются: попадание различных смазок и пленок внутрь материала; нарушение режимов изготовления - высокая температура, повышенная скорость охлаждения, случайное тепловое или механическое воздействие; отсутствие антиадгезионного покрытия на поверхности оснастки. На рис. 2,а показано расслоение слоистого композита с выходом на кромку детали, возникшее в результате интенсивного механического воздействия.

2.6. Неприклеи. Классифицируют так же, как и расслоения. Основная причина появления - отсутствие или недостаток связующего на поверхностях соединяемых слоев.

Воздействие расслоений и неприклеев на свойства материала зависит главным образом от типа напряженного состояния. Расслоения и неприклеи при растяжении на прочность и модуль упругости фактически не влияют, а при сжатии прочность материала может существенно уменьшаться в зависимости от местоположения и размеров дефекта.

2.7. Трещины. Различают поверхностные, внутренние и сквозные. Причинами возникновения трещин являются нарушение режима изготовления, прежде всего скорости охлаждения, механическое воздействие высокой интенсивности. На рис. 2,б показана сквозная трещина с выходом на кромку детали в образце из стеклопластика.

б)

Рис. 2. Расслоение

Трещина в изделии является концентратором напряжений. Трещины приводят к нарушению целостности композита. Через трещины материал и отдельные его компоненты подвергаются воздействию окружающей среды, что может привести к появлению дефектов типа расслоение.

3. Искажения структуры композита.

3.1. Отклонения угла армирующего. Показателем этого дефекта является угол отклонения направления укладки армирующего от заданного. Причиной появления дефекта являются ошибки в раскрое и выкладке тканевого пакета. На рис. 3,а показано отклонение угла армирующего при выкладке ткани на поверхность с двоякой кривизной.

3.2. Искривление волокон в плоскости слоев. Представляют искривления волокон в плоскости слоев с небольшим угловым отклонением волокон армирования от исходного значения. Чаще всего дефекты этого типа не носят масштабный характер, и искривления, как правило, наблюдаются только в одном или нескольких слоях материала, при этом их размеры в разы меньше размеров элемента конструкции.

а

б)

Рис. 3. Отклонение угла армирующего

Дефекты искривления волокон приводят к изменению структуры композита. Степень влияния этих дефектов на сопротивление деформированию разрушения возрастает с увеличением степени армирования композита, так как при большом количестве волокон дефекты одинакового размера влияют на большее число слоев композита.

3.3. Свиль - изгиб волокон, создающий характерный рисунок на поверхности композита. Показателями, характеризующими свиль, являются величина изгиба волокон, геометрические размеры, ориентация и количество затронутых свилем слоев. Причинами образования свиля является плохое уплотнение тканевого пакета при формовании.

3.4. Складки, гофры. Различают поверхностные или внутренние складки. Причинами появления складок являются ошибки при сборке тканевого пакета, плохое его уплотнение, колебания приложенного давления при формовании. На рис. 3,б показаны складки, образующиеся при выкладке ткани на поверхность с двоякой кривизной.

3.5. Стыки и нахлесты. Влияют на механические характеристики за счет изменения структуры материала - в зоне нахлеста увеличивается степень армирования материала, а в зоне стыка уменьшается.

3.6. Отклонение от требуемого объемного содержания связующего и армирующего в композите. Причинами возникновения этого дефекта являются несоответствие количества исходных компонентов в препреге, несоблюдение режима формования - продолжительности и величины приложенного давления.

4. Поверхностные дефекты.

4.1. Подмятие - объемное несовершенство поверхности композита. Причинами появления подмятия являются дефекты оснастки, дефекты впитывающих и разделяющих слоев, посторонние включения на поверхности оснастки.

4.2. Царапины. Причинами появления поверхностных трещин являются механические воздействия при снятии деталей с оснастки и последующей механической обработке изделия.

4.3. Выкрашивание по кромкам отверстий и гнезд. Причинами появления данного дефекта являются несоблюдения режимов механической обработки, плохая заточка инструмента.

4.4. Сколы. Причиной появления дефекта является нарушение режима снятия детали с оснастки.

Подмятия, царапины, выкрашивание по кромкам отверстий и гнезд, сколы являются концентраторами напряжений, которые уменьшают несущую способность материала. Влияние концентраторов напряжений на прочность композита уменьшается с увеличением длительности статического нагруже-ния, а также при увеличении скорости деформирования при одноразовом статическом и динамическом нагружении.

4.6. Отрыв поверхностных слоев. Причины появления - нарушение условий прижима подкладываемого материала, неправильная заточка материала, несоблюдение режимов обработки композита - высокая скорость подачи инструмента.

4.7. Недоформовка. Представляет собой отклонение размеров сечения профиля от номинальных размеров. Различают недоформовку профиля по

высоте, отклонения по ширине отбортовки. Причина появления - нарушение условий прижима подкладываемого материала при выкладке или формовании, при которых армирующее не плотно прилегает к поверхности оснастки. На рис. 4,а показано отклонение формы ступицы вентилятора из углепластика от номинальной.

» .>Ж#

. » »

Рис. 4. Недоформовка

4.8. Наплывы связующего. Представляют собой слои связующего на поверхности композита. Причина появления - избыток связующего в композите. На рис. 4,б показаны наплывы связующего на поверхности углепластика.

5. Дефекты, обусловленные изменениями объема.

5.1. Остаточные напряжения. Обусловлены изменениями объема отдельных компонентов при полимеризации, различием термоупругих свойств армирующего и связующего, химической усадкой. Остаточные напряжения могут стать причиной коробления или расслоения детали.

5.2. Коробление. Представляет собой изменение формы детали после снятия с оснастки, происходящее в результате перераспределения остаточных напряжений.

Заключение

Классификация технологических дефектов на основе общих для каждой группы особенностей их строения является основой для разработки мероприятий по предотвращению появления технологических дефектов, созданию методов учета их влияния на эксплуатационные свойства изделий из полимерных слоистых композиционных материалов, установлению допускаемых значений характеристик технологических дефектов.

Библиографический список

1. Мэттьюз, Ф. Композитные материалы. Механика и технология / Ф. Мэттьюз, Р. Ролингс. - М. : Техносфера, 2004. - 408 с.

2. Конструкционные композиционные материалы / под ред. Е. Н. Каблова. - М. : ФГУП ВИАМ, 2012. - 58 с.

3. Cawley, P. Defect: types and NDT for composites and bonded joints / P. Cawley, R. Adams // Materials Science and Technology. - 1989. - Vol. 5. - P. 406-447.

4. Круглянский, И. М. Классификатор методов и средств неразрушающего контроля конструкций из полимерных композиционных материалов / И. М. Круглянский, А. А. Алексеенко и др. // Научные труды МАТИ им. К. Э. Циолковского. -2003. - Вып. 6 (78). - С. 222-226.

5. Будимирова, Т. С. Исследование взаимосвязи технологии изготовления полимерных подшипников скольжения с эксплуатационными режимами нагружения / Т. С. Будимирова, В. Я. Савицкий, А. Ю. Муйземнек, Р. С. Зиновьев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2016. -№ 2 (38). - С. 124-135.

6. Мурашов, В. В. Дефекты монолитных деталей и многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов и методы их выявления. Ч. 1. Дефекты монолитных деталей и многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов / В. В. Мурашов, А. Ф. Румянцев // Контроль. Диагностика. - 2007. - № 4. - С. 23-32.

7. Вашуков, Ю. А. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композитных материалов. Мультимедийный образовательный модуль / Ю. А. Вашуков. - Самара : Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2012. - 185 с.

References

1. Mett'yuz F., Rolings R. Kompozitnye materialy. Mekhanika i tekhnologiya [Composite materials. Mechanics and technology]. Moscow: Tekhnosfera, 2004, 408 p.

2. Konstruktsionnye kompozitsionnye materialy [Structural composite materials]. Ed. by E. N. Kablov. Moscow: FGUP VIAM, 2012, 58 p.

3. Cawley P., Adams R. Materials Science and Technology. 1989, vol. 5, pp. 406-447.

4. Kruglyanskiy I. M., Alekseenko A. A. et al. Nauchnye trudy MATI im. K. E. Tsiol-kovskogo [Proceedings of MATI named after K.E. Tsiolkovsky]. 2003, iss. 6 (78), pp. 222-226.

5. Budimirova T. S., Savitskiy V. Ya., Muyzemnek A. Yu., Zinov'ev R. S. Izvestiya vys-shikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2016, no. 2 (38), pp. 124-135.

6. Murashov V. V., Rumyantsev A. F. Kontrol. Diagnostika [Control. Diagnostics]. 2007, no. 4, pp. 23-32.

7. Vashukov Yu. A. Tekhnologiya raketnykh i aerokosmicheskikh konstruktsiy iz kompozitnykh materialov. Mul'timediynyy obrazovatel'nyy modul' [The technology of rocket and aerospace structures of polymeric materials. A multimedia educational module]. Samara: Izd-vo Samar. gos. aerokosm. un-ta, 2012, 185 p.

Карташова Екатерина Дмитриевна

аспирант, Пензенский государственный университет

E-mail: katrina89@yandex.ru

Муйземнек Александр Юрьевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и прикладной механики и графики, Пензенский государственный университет

E-mail: muyzemnek@yandex.ru

Kartashova Ekaterina Dmitrievna Postgraduate student, Penza State University

Muyzemnek Aleksandr Yur'evich Doctor of engineering sciences, professor, head of sub-department of theoretical and applied mechanics and graphics, Penza State University

УДК 621 Карташова, Е. Д.

Технологические дефекты полимерных слоистых композиционных материалов / Е. Д. Карташова, А. Ю. Муйземнек // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2017. -№ 2 (42). - С. 79-89. БОТ 10.21685/2072-3059-2017-2-7