Санкт-Петербург
В процессе формования изделий из стеклопластиков на границе раздела наполнителя со связующим возникают остаточные напряжения. Наиболее существенный вклад в напряженное состояние материала вносят термические напряжения. Они появляются при охлаждении формуемого изделия вследствие различия термоупругих свойств связующего и наполнителя.
Уровень этих напряжений может быть столь велик, что даже в ненагруженном изделии образуются микротрещины. Если остаточные напряжения суммируются с напряжениями, возникающими под действием внешней нагрузки, то резко возрастает опасность образования трещины. При этом нарушается герметичность изделия, ухудшаются его диэлектрические свойства, начинается разрушение материала.
Одним из способов снижения остаточных микронапряжений является создание на границе раздела наполнителя со связующим промежуточного эластичного слоя . Установлено, что формировать такие слои целесообразно с использованием явления избирательной адсорбции поверхностью наполнителя необходимого компонента связующего.
Объектом изучения служил стекловолокнит с однонаправленным расположением волокон на основе фенолрформальдегидного связующего резольного типа. Стойкость к растрескиванию стеклопластика характеризовали плотностью поверхностной энергии разрушения (у), поскольку она является мерой сопротивления материала началу разрушения. Проявление трещин фиксировали по изменению его жесткости (G) и логарифмического декремента затухания механических вынужденных колебаний стеклопластика (б). При этом предполагалось, что «G» и «б» достаточно чувствительны к изменениям, происходящим в материале под действием микронапряжений, так как образование новых поверхностей в образцах должно влиять на работу сил трения и, следовательно, на «G» и «б». Для определения у на образцы стеклопластика длиной 240 мм и шириной 50 мм наносили дефект в виде трещины. Логарифмический декремент затухания и жесткость измеряли на образцах микростеклопластика длиной 150 мм и диаметром 0,5 мм.
Методика оценки «у» основана на построении диаграммы разрушения образца. Образцы испытывали на универсальной испытательной машине при скорости деформирования 5 мм/мин. Величину «у» определяли на основании зависимости, вытекающей из энергетического метода Гриффитса.
Жесткость и логарифмический декремент затухания измеряли с помощью торсионного маятника.
Критические напряжения в микростеклопластиках, при которых происходит растрескивание связующего, создавали охлаждением образцов в жидком азоте. Первые замеры производили после выдержки в течение 1 ч, последующие — через каждые 3 сут. Максимальная длительность экспозиции составила 12 сут.
Поскольку эластичные промежуточные слои формировались избирательной адсорбцией оксиалкиленорганосилоксановых блок-сополимеров различной молекулярной массы, то предполагалось, что толщина этих слоев и, следовательно, влияние на параметры стойкости к растрескиванию стеклопластика будут различными. Толщину адсорбционных слоев блок-сополимеров оценивали методом эллипсометрии. Полированное стекло алюмоборсиликатного состава с показателем преломления 1,5166 (при 20 °С и длинне волны 632,8 нм) обрабатывали хромпиком, промывали дистиллированной водой и высушивали. После обработки поверхности его выдерживали в течение 24 ч в спиртовых растворах блок-сополимеров, концентрации которых соответствовали критической концентрации мицеллообразования. Затем стёкла с адсорбированными на них слоями блок-сополимеров промывали спиртом и высушивали. Толщину адсорбционных слоев измеряли на эллипсометре в двух зонах при угле падения 70° с точностью определения азимутов в положении гашения 2'. Результаты интерпретировали с помощью номограмм, рассчитанных на ЭВМ по формулам Друде для однослойной однородной пленки.
Анализ экспериментальных данных показал, что плотность поверхностной энергии разрушения однонаправленного стеклопластика при введении на границу раздела промежуточного слоя толщиной порядка 20—25 нм увеличивается в 2—3 раза:
Значения параметров трещиностойкости определяли по результатам испытаний 12 образцов.
Меньшее увеличение плотности поверхностной энергии разрушения при формировании слоя из сополимера с молекулярной массой 3000, чем в случае эластичного слоя с молекулярной массой 1500, объясняется меньшей гибкостью макромолекул сополимера. В образцах без промежуточного слоя после 1 ч экспозиции в жидком азоте наблюдается резкое возрастание механических вынужденных колебаний, которое продолжается в течение 9 суток. Это свидетельствует о возникновении в материале новых поверхностей, вызванных растрескиванием материала. Более высокое значение механических вынужденных колебаний микростеклопластиков без промежуточного слоя в исходном состоянии может быть связано с большим уровнем остаточных микронапряжений, вызвавших появление трещин в связующем еще до выдержки в жидком азоте.
Возникновение трещин в пластиках приводит и к резкому снижению их жесткости. В образцах с промежуточным эластичным слоем наблюдается незначительное увеличение механических вынужденных колебаний, которое прекращается через 3—6 суток выдержки в жидком азоте. Жесткость таких образцов остается практически неизменной.
Таким образом, промежуточные эластичные слои в стеклопластике, сформированные избирательной адсорбцией блок-сополимеров, снижая уровень остаточных микронапряжений в материале, повышают его стойкость к растрескиванию.