Упругие постоянные ориент. стеклопластиков / Упругие постоянные ориент. стеклопластиков.doc

Московский институт электронной техники.

(Технический Университет)

Кафедра КФН.

Хрычиков Андрей

Курсовая работа

по курсу:

Квантовая теория и

статистическая физика.

Москва 2004 г.

ОБ УПРУГИХ ПОСТОЯННЫХ ОРИЕНТИРОВАННЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ

Содержание:

Введение

Механические свойства стеклопластиков обусловливаются со­вместной деформацией стеклянных волокон и полимерных свя­зующих. В последних, как известно, имеет место значительная высокоэластическая деформация. По этой причине, несмотря на высокий предел упругости стеклянных волокон, в стеклопластике в целом возникают и неупругие деформации, роль и влияние ко­торых различны в зависимости от температуры, направления и скорости деформации, а также от режима нагружения. Так, на­пример, в случае растяжения с большей скоростью деформации значение неупругой составляющей мало, а при растяжении с по­стоянным напряжением (ползучесть) весьма значительна.

Однако теоретическое рассмотрение совместных деформаций стеклянных волокон и полимерных связующих показывает, что даже параметры неупругой деформации стеклопла­стиков тесно связаны с их упругими константами.

Таким образом, для изучения поведения стеклопластиков как материала, а также для расчета элементов конструкции прово­димо располагать значениями упругих констант и их зависимо­стью от направления деформации.

Однако в связи с наличием неупругих деформаций, выделение упругой составляющей из непосредственно измеряемой суммар­ной деформации часто затруднительно.

Одной из задач настоящей работы являлось выявление, хотя бы в первом приближении, условий измерения именно упругих де­формаций, находящихся в фазе с напряжением.

В опубликованных ранее работах было показано, что при изуче­нии упругой деформации стеклопластика ею можно рассматривать как ортотропную пластинку, к которой применимы соответствую­щие формулы теории упругости анизотропного тела. Приведенные далее экспериментальный данные, относящиеся к строго ориен­тированному стеклопластику СНАМ, подтверждают применимость этих формул к подобным материалам.

В то же время для создания стеклопластика с заданными свой­ствами важно иметь возможность теоретического определения его констант по свойствам исходных компонентов. Поэтому другой задачей работы являлось получение и экспериментальное апро­бирование приближенных формул для вычисления упругих кон­стант стеклопластиков по свойствам исходных компонентов, пер­воначально для элементарного слоя, а затем и для стеклопла­стики в целом.

Исходный материал и методика

эксперимента.

В качестве исходного материала для экспериментального оп­ределения упругих постоянных — модуль упругости Е и коэффи­циента Пуассона μ, был использован СВАМ на связующем БФ-4(СВАМ - стекловолокнистый анизотропный материал).

СВАМ имеет строго ориентированную структуру стеклянных во­локон, позволяющую получить высокую прочность и жесткость, При приложении нагрузки в волокнах этого материала отсутствуют напряжения изгиба и контактные напряжения, неизбежно возни­кающие при растяжении пле­теных структур, т. е. стеклопластиков с ткаными наполнителями.

Это обстоятельство значительно упрощает теоретический ана­лиз и воз­можность сопоставления с экспериментом.

Кроме того, другие ориентированные стеклопластики, такие как АГ-4с и ЛОС, мало отличаются по своим механическим свойствам от СВАМ.

Выбор в качестве связующего БФ-4 обусловливался наличием достаточно полного комплекса данных об этом полимере, по­зволяющего получить теоретические значения упругих констант для стеклопластика.

Материал прессовался последующему технологическому режиму: дав­ление 30 кг/см³, температура полимеризации ~ 160°; время выдержки 15 мин. на 1 мм толщины изделия. Всего отпрессовано пять листов перекрестной структуры и два листа однонаправленной. Процентное содержание связующего в листах было различным. Характеристики листов сведены в таблице 1.

Таблица 1

Из полученных листов, под углами φ = 0, 15, 30, 45 и 90° по отношении к одной из осей упру­гой симметрии были вырезаны образцы для испытаний, представляющие собой прямоугольники размерами 245 * 30 * δ мм (δ — толщина образна). За направление осей упругой симметрии принято направление стеклянных волокон в пластике.

В каждом направлении вырезалось по два идентичных образца. На образец клеем БФ-2 на­клеивались проволочные тензодатчики базой 10 мм сопротивлением 100 ом с последующей полимеризацией в течение 6 часов. При измерении деформаций активный датчик включался в одно плечо моста Уитстона, а компенсационный в другое. Для определения продольной и попереч­ной деформации использовались два электронных измерителя деформаций конструкции инсти­тута им. Н. Г. Жуковского.

Как известно, деформация стеклопластика при растяжении, сжатия в нормальных условиях (тем­пература 20°, давление 1 атм.) приближенно является суммой двух составляющих — упругой и высокоэластической

ε = е + ε*, (1)

где ε - деформация стеклопластика, измеряемая непосредственно, е - упругая составляющая, ε* - высокоэластическая составляющая.

Проведенные эксперименты показывают, что остаточная деформация чрезвычайно мала и ею практически можно пренебречь.

Причем, если упругая деформация связана с напряжением однозначно по закону Гука, то высо­коэластическая деформация зависит не только от напряжения, но и от скорости деформации.

На основании рассмотрения совместной деформации полимера-связующего и армирующих эле­ментов в работе были получены уравнения связи, определяющие скорость деформации в за­висимости от напряженного и деформированного состояния пластика.

В случае одноосного изотермического растяжения вдоль оси х соответ­ствующее уравнение имеет вид

(2)

где ε_х = е_х + ε_х* - суммарная деформация, функция f_х(σ,ε) = σ - Е_∞,x ε*_х = σ(1 + Е_∞,x /Е_xx) - Е_∞,x ε_х , Е_хх — модуль упругости, Е_∞,x — модуль высокоэластичности, η_х и m_х — соответственно коэффициенты начальной вязкости и модуль скорости высокоэластической деформации. Описанные далее эксперименты проводились при постоянной скорости деформации (v_ε = dε/dt = const) и в поле однородного напряжения. При этом из (2) следует дифференциальное уравнение диаграммы растяжения вдоль оси х

(3)

вполне аналогичное такому же уравнению для гомогенного полимера. Отличие лишь в значении констант Е_хх, Е_∞,x, η_х и m_х которые в данном случае зависят от направления приложения нагрузки по отношению к осям упругой симметрии стеклопластика.

Величины констант определяются свойствами исходных компонентов: стеклянных волокон и связующих. Как видно из уравнения (3), упругая и высокоэластическая составляющие деформации развиваются одновременно. Однако величиной последней, представленной вторым слагаемым в уравнении (3), при определенных условиях можно пренебречь. В частности, ясно, что при v_ε →∞,dσ_x/dε_x → Е_хх. Так как целью рассматриваемой работы являлось определение упругих констант, то весьма важно было обеспечение условий измерения именно упругих деформаций. В других работах было найдено, что для определения упругих постоянных стеклотекстолитов минимальное значение скорости деформации, при которой практически исключается влияние высокоэластической деформации, должно составлять 0,01—0,05% в 1 мин, Од­нако наиболее объективным методом контроля исключения высокоэластической деформации является построение циклической диаграммы «нагруз­ка - разгрузка».

При обеспечении условий измерения только упругой деформации точки нагрузки и разгрузки должны лежать на одной прямой.

На рис. 1 показаны экспериментальные циклические диаграммы σ = σ(ε) для образца СВАМ, φ = 45°, при двух значениях скорости деформации. Диаграмма σ = σ(ε) на фиг. 1.а, отвечающая v_ε = 0,015% мин., действительно оказывается линейной, причем точки, соответствующие нагрузке и
разгрузке, почти совпадают. Диаграмма на фиг. 1.б, полученная при v_ε = 0,001% / мин., является нелинейной и образует своеобразную гистерезисную петлю: процессы нагрузки и разгрузки заметно отличаются, поскольку при столь малой скорости v_ε, успевает проявиться высокоэластическая деформация.

Все приведенные далее экспериментальные данные получены при скоро­сти деформации v_ε = 0,01 - 0,02% / мин.

Измерения упругих деформаций для каждого из образцов повторялись четыре раза, за окончательный результат принималось среднее из четырех измерений. Максимальное отклонение в показаниях индивидуального измерения от среднего составляло около 5%.

Контролем правильности служили линейность и совпадение диаграмм σ = σ(ε) при цикле «нагрузка — разгрузка». Полученные диаграммы σ = σ(ε) соответствовали при­веденной на фиг. 1.а.