CC BY
4DOI: 10.24412^-37269-2024-1-44-47
ВЛИЯНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПКМ
Старцев В.О.
НИЦ «Курчатовский институт» - ВИАМ, г. Москва [email protected]
В работе приведены результаты анализа изменения механических показателей более 4600 наборов ПКМ при экспонировании в 7 климатических зонах в течение 0,5-23 лет. Показано, что изменение относительного коэффициента сохраняемости адекватно описывается логнормальным распределением, а смещение центра распределения является информативной количественной оценкой для ранжирования агрессивности климатических зон, сравнения климатической стойкости различных классов ПКМ, выявления наиболее чувствительных к климатическому старению механических показателей.
Систематизированы результаты измерения механических свойств ПКМ после экспонирования в открытых условиях различных климатических зон [1-9]. Для рассмотрения выбраны композиционные материалы на основе полимерных матриц и стеклянных, углеродных, органических и гибридных волокнистых наполнителей с разнообразными схемами армирования. Рассмотрено 4600 наборов ПКМ, экспонированных в условиях 7 климатических зон в течение от 0,5 до 23 лет. В массиве данных больше всего сведений об углепластиках (42%) и стеклопластики (около 34%), органопластиках (около 16%). Сведений о боропластиках, базальтопла-стиках и гибридных ПКМ меньше (8%), однако это составляет более 350 наборов образцов, что является достаточным количеством для получения обобщающей информации.
ПКМ экспонировались в теплом, влажном (Батуми, Сочи), очень холодном (Якутск), умеренно холодном (Москва) и умеренно теплом (Геленджик) климате. На долю проверки климатического воздействия этих 4 зон приходится около 90% всех изученных ПКМ. Еще 10% значений составляют сведения по экспонированию образцов в условиях тропического, умеренного климата и в условиях высокогорья.
Для оценки климатического воздействия на механические свойства ПКМ определялись пределы прочности и модули упругости при изгибе, сжатии, растяжении, межслойном сдвиге. Более чем в 60% случаев механические показатели ПКМ после различного времени климатического воздействия определены при комнатной температуре, в 33% случаев - при повышенных температурах. Однако даже 5,1% измерений, выполненных при низких температурах, составляют 235 вариантов. Такого количества достаточно для выявления общих закономерностей изменения механических свойств ПКМ в широком интервале температур.
На рис. 1 показаны гистограммы распределения сохраняемости механических показателей 4600 наборов ПКМ после климатических испытаний без разделения на климатические зоны, продолжительность экспонирования и измеряемые характеристики. Использован обобщенный показатель (относительный коэффициент сохраняемости) кя = (Я? /Ко), где ^ - пределы прочности и модули упругости при растяжении (о?, Е?), сжатии (ое, Ее), изгибе (оь, Еь), межслойном сдвиге (т, О), измеренные после различных сроков экспонирования; Ко - исходные значения соответствующих показателей. Из 4600 наборов образцов почти в 30% случаев изменение показателя кя находится в пределах 0,9-1, то есть, не превышает 10% от исходных значений. Вероятность более значительного снижения уровня механических показателей уменьшается по закону, близкому к закону нормального распределения. Вид гистограмм распределения изменения показателя кя, измеренного при комнатной, повышенных и низких температурах изменяется несущественно (рис. 1).
Уровень изменения показателя
а)
б)
50
45
40
^ 35
2*30
С 25
§20 О
С[15 10 5 0
45,
25,0
6,1
6,5
1,2 1,81,8 1 1 « 12
А А о 6 6
Уровень изменения показателя кя,% В) Г)
Рис. 1. Гистограммы распределения сохраняемости механических показателей ПКМ после климатических испытаний без разделения на климатические зоны, продолжительность экспонирования и измеряемые характеристики - для всех температур (а), при комнатной температуре (б), при повышенных температурах (в),
при низких температурах (г) испытаний
Важным результатом анализа данных, представленных на рис. 1, является выявление более 30% случаев кя>1, то есть улучшения механических показателей после пребывания ПКМ в открытых климатических условиях. В большинстве случаев увеличение кя>1 объясняется эффектами доотверждения полимерной матрицы.
Гистограммы распределения сохраняемости обобщенного показателя кя были проанализированы с использованием нормального и логнормального распределения.
(Л (А г! со ^ о о о* о о"
Уровень изменения показателя
Рис. 2. Аппроксимация гистограмм распределения показателя kR ПКМ после экспонирования в зоне теплого влажного климата функциями нормального и логнормального распределений
На рис. 2 показан пример гистограмм распределения показателя кя для всех измеренных механических показателей ПКМ после экспонирования в зоне теплого влажного климата.
Нормальное распределение является распространенной моделью для описания процессов, при которых действует большое количество независимых случайных величин. Если считать, что климатические показатели изменяют механические показатели ПКМ без взаимного влияния, то плотность вероятности нормально распределенной величины х=кя с параметрами смещения д и масштаба а имеет вид:
Однако в ряде работ по исследованиям климатического старения ПКМ отмечено проявление синергизма, при котором воздействие температуры, влажности, интенсивности солнечной радиации и других значимых климатических факторов не является аддитивным. Поэтому целесообразно использовать представление о мультипликативном взаимодействии агрессивных факторов, при котором каждый новый элементарный эффект деструкции, пластификации, структурной релаксации, доотверждения зависит от состояния системы, сформированного переменными факторами. В этом случае при статистической обработке крупного массива данных по изменению показателя кя от условий и продолжительности климатического экспонирования, типа материала, измеряемого прочностного показателя было предположено, что распределение сохраняемости механических показателей ПКМ правильнее характеризовать несимметричным логнормальным распределением
чтобы точнее оценить наиболее вероятные уровни сохраняемости механических показателей ПКМ после климатических воздействий. Центр симметричного распределения, который соответствует максимальной высоте функции (1) определяется параметром д. При использовании (2) центр распределения определяется модой ехр (д-а2).
Исследование смещения распределения позволяет проводить глубокий анализ закономерностей изменения механических показателей ПКМ при натурном экспонировании в различных аналитических срезах.
Например, общее число случаев изменения показателя кя от 1,0 до 0,8 после экспонирования в открытых климатических условиях изменяется незначительно от 51% (очень холодный климат) до 49,2% (тропический климат). Однако существенные различия обнаруживаются для кя<0,6: после воздействия очень холодного климата имеется лишь 4,6% ПКМ, а после экспонирования в условиях тропиков -15%. Для выбранного диапазона изменений кя можно утверждать, что вероятность ухудшения механических показателей ПКМ в тропическом климате в 3,3 раза выше, чем после экспонирования в очень холодном климате. При этом смещение максимума плотности распределения (1) при переходе от очень холодного к тропическому климату оказалось несущественным (4%), но снизилось на 9% (от 89% до 80%) для логнор-мального распределения (2).
Аналогичный анализ чувствительности механических показателей выявил, что самым стабильным механическим показателем является модуль упругости при изгибе, наиболее вероятное значение которого остается на исходном уровне. Модуль упругости при растяжении также проявляет высокую стабильность к климатическим воздействиям, но распределение (2) дает оценку наиболее вероятного значения этого показателя для экспонированных ПКМ на уровне 91%. Наибольшие изменения обнаружены для пределов прочности при изгибе и сдвиге ПКМ на уровне 17-18%. Можно сделать вывод, что физико-химические эффекты климатического старения полимерных матриц ПКМ наилучшим образом выявляются при сдвиговых и изгибных нагрузках образцов.
(1)
(2)
Анализ влияния продолжительности экспонирования на распределение показателя кя ПКМ при объединении результатов испытаний в различных климатических зонах дает очевидный результат, однако представляет интерес количественная оценка большого массива экспериментальных результатов. Наиболее вероятное значение показателя кя ПКМ, определенное распределением (2), изменяется от 94% после 0,5 лет экспонирования до 77% после 10 лет испытаний.
Этот подход позволяет оценить климатическую стабильность основных классов ПКМ в зависимости от продолжительности экспонирования. После любых сроков испытаний (от 1 до 10 и более лет) углепластики демонстрируют наивысшую стабильность механических показателей. После 10 лет климатического воздействия наиболее вероятное значение показателя кя углепластиков снизилось на 13%, тогда как для стеклопластиков аналогичное уменьшение составило 27%. Особенно заметно преимущество углепластиков проявилось при кя<0,8. После 10 лет экспонирования выявлен 21% случаев, при которых у углепластиков кя<0,8, а в стеклопластиках это происходит в 46% случаев.
Таким образом показано, что адекватной моделью изменения относительного коэффициента сохраняемости является смещенное (логнормальное) распределение, а смещение центра распределения является информативной количественной оценкой. Выявлено, что доля ПКМ с коэффициентом сохраняемости ниже 0,6 является объективной количественной характеристикой агрессивности климата. Если результаты измерений прочности или модуля упругости конкретного материала выпадают из общей закономерности, то это является основанием для более детального и внимательного анализа и дополнительных измерений. При постановке задач климатических испытаний ПКМ можно заранее учитывать, что наиболее изменяющимся показателем окажется предел прочности при изгибе, а самым стабильным показателем - модуль упругости при изгибе.
Литература
1. Каблов Е.Н., Старцев В.О. Системный анализ влияния климата на механические свойства полимерных композиционных материалов по данным отечественных и зарубежных источников (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2018. № 2. С. 47-58.
2. Vapirov Y.M., Krivonos V.V., Startsev O.V. Interpretation of the anomalous change in the properties of carbon-fiber-reinforced plastic KMU-1u during aging in different climatic regions // Mechanics of Composite Materials. 1994. Vol. 30, No 2. P. 190-194.
3. Baker D.J. Evalution of Composite Components on the Bell 206L and Sikorsky S-76 Helicopters. NASA AVSCOM Technical Memorandum 4195. Hampton. Virginia, 1990. P. 35.
4. Кириллов В.Н., Ефимов В.А., Матвеенкова Т. Е., Коренькова Т.Г. Влияние последовательного воздействия климатических и эксплуатационных факторов на свойства стеклопластиков // Авиационная промышленность. 2004. № 1. С. 45-48.
5. Sookay N.K., Klemperer C.J., Verijenko V.E. Environmental testing of advanced epoxy composites // Composite Structures. 2003. Vol. 62. P. 429-433.
6. Vodichka R., Nelson B., van der Berg J., Chester R. Long-term environmental durabillity of F/A-18 composite material. Melbourn, Australia: DSTO Aeronautical and Maritime Research Laboratory, 1999. P. 18.
7. Startsev O.V., Krotov A.S., Golub P. Effect of climatic and radiation ageing on properties of glass fibre reinforced epoxy laminates // Polymers and Polymer Composites. 1998. Vol. 6, No 7. P.481-488.
8. Baker D.J. Ten-year ground exposure of composite materials used on the Bell model 206L helicopter flight service program. NASA Technical Paper 3468. ARL Technical Report 480. Hampton. Virginia, 1994. P. 54.
9. Williams J.G. The effects of tropical weathering on glass-reinforced epoxy resins // Composites. 1977. Vol. 8, No 3. P. 121-200.
