Перспективные композиты XXI века на основе органических и неорганических полимеров и новые металлические сплавы, приоритетные технологии, структура, свойства

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОМПОЗИТЫ XXI ВЕКА НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ И НЕОРГАНИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРОВ И НОВЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ, ПРИОРИТЕТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА

АНАЛИЗ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩЕГО ПРИ НАГРУЖЕНИИ КОМПОЗИТОВ

Т.М. Черникова, В.В. Иванов, В.И. Климов, Е.А. Михайлова

Кузбасский государственный технический университет, г. Кемерово

Известно, что при разрушении различных материалов возникает импульсное электромагнитное излучение (ЭМИ), генерируемое образующимися трещинами. В настоящее время на основе исследования импульсного электромагнитного излучения, возникающего при нагружении, изучается процесс разрушения, который имеет большое значение при решении задач прочности и долговечности конструкций из композиционных материалов [1].

Реализация потенциальных возможностей импульсного электромагнитного излучения как средства диагностики и кинетики разрушения композиционных материалов сдерживается отсутствием общего подхода к изучению связи характеристик повреждаемости материала с параметрами ЭМИ. Однако методу ЭМИ присущи новые подходы, заключающиеся в непосредственной оценке влияния дефекта на прочность контролируемого объекта [1,2], основанной на том, что если дефект развивается, то он излучает импульс и можно определить момент достижения трещиной критического размера, то есть фактически контролировать ход процесса.

В настоящее время среди различных теорий прочности материалов выделяется кинетическая теория разрушения, разрабатываемая с 50-х гг. ленинградской научной школой во главе с С.Н. Журковым. Согласно этой теории разрушение рассматривается как необратимый процесс накопления субмикро- и микротрещин, возникающих в результате термофлуктуационных разрывов межатомных связей в механически напряженном материале.

Основываясь на положениях кинетико-статистической модели разрушения: кинетического уравнения прочности твердых тел С.Н. Журкова, вытекающего из него уравнения для скорости трещинообразования, условия необратимости накопления трещин и концентрационного критерия разрушения твердых тел [1,2], по параметрам импульсного электромагнитного излучения можно определять кинетические константы материала и проводить контроль разрушения.

Целью данной работы является экспериментальное исследование импульсного электромагнитного излучения, возникающего при разрушении композиционных материалов.

В качестве объектов исследования использовались фенопласты, композиционные материалы на основе фенолоформальдегидных смол. Перечень исследованных материалов приведен в табл.1.

Таблица 1

Исследованные композиционные материалы

Марка материала	Связующее	Наполнитель
Ж-13-010-89	Новолачная фенолоформальдегидная смола	Карбонат кальция
О-20-210-75СК	Новолачная фенолоформальдегидная смола	Древесная мука и тальк
Э-39-0127-48	Новолачная фенолоформальдегидная смола	Стеклопорошок
Э-2-330-02	Резольная фенолоформальдегидная смола	Древесная мука
О3-010-02	Новолачная фенолоформальдегидная смола	Древесная мука
Э10-342-63	Резольная фенолоформальдегидная смола	Плавиковый шпат и древесная мука

Для проведения измерений образцы приготавливались партиями по 10 штук прессованием (П) и литьевым способом с веерным (ЛВ) или торцевым (ЛТ) заполнением формы. Образцы имели вид прямоугольной призмы с размерами 10х10х15 мм³. Образцы испытывались в условиях одноосного сжатия при увеличении нагрузки с постоянной скоростью.

Исследования проводились на установке, позволяющей в процессе всего эксперимента регистрировать количество импульсов, амплитуду сигналов, приложенную нагрузку, наблюдать форму сигнала [1].

Импульсное электромагнитное излучение наблюдается у композиционных материалов всех рассматриваемых в работе видов практически от начала нагружения. Типичные кинетические кривые накопления числа импульсов для фенопластов приведены на рисунке. Простейший качественный анализ кинетических кривых показывает, что образцы фенопластов ведут себя по-разному .

В одном случае на начальном этапе нагружения происходит медленное накопление числа импульсов (микроповреждений структуры), а затем их количество резко нарастает (рис., Э39). В другом случае (рис., Ж13) число сигналов ЭМИ нарастает практически с постоянной скоростью вплоть до момента разрушения образца. Иногда наблюдается период медленного накопления количества импульсов перед разрушением. Возможны случаи, когда кинетическая кривая накопления импульсов имеет ступенчатый характер (рис., Э10).

Кинетика накопления импульсов ЭМИ при сжатии фенопластов

Для рассматриваемых фенопластов на характер кинетических зависимостей влияет такой фактор, как технология изготовления. Для образцов, изготовленных прессованием, характерно более равномерное в течение всего времени накопление числа повреждений, в то время как для образцов, изготовленных литьем, резкое нарастание числа повреждений происходит непосредственно перед разрушением.

Возникновение импульса ЭМИ обусловлено зарождением трещины, а форма сигнала определяется кинетикой её прорастания.

При нагружении образцов фенопластов наблюдаются импульсы различной амплитуды. Практически от начала нагружения и до нагрузок s @ (0,35 -0,40) s_р (s_р – разрушающее напряжение) выделяются пологие импульсы низкой амплитуды (время нарастания фронта импульса t_н @ 2 мкс, время релаксации t _р @ 2 мкс, амплитуда А @ 1,0 - 1,5 мВ). При нагрузках s > (0,35 ¸ 0,40) s_р появляются остроконечные импульсы большей амплитуды (t_н @ 1 мкс, t _р @ 1 мкс, А @ 2 мВ). Импульсы первого типа также продолжают выделяться. При этом начинает появляться еще и третий тип импульсов: пологие, очень маленькой амплитуды (t _н @ 1,5 мкс, t_р @ 1,5 мкс, А @ 0,5 мВ). По мере увеличения нагрузки увеличивается и амплитуда импульсов, но на фоне сигналов большой амплитуды в процессе всего нагружения наблюдаются и импульсы малой амплитуды.

При напряжении больше ~ 0,7 s_р появляются первые мощные импульсы ЭМИ с амплитудой до 5 - 7 мВ. На заключительном этапе нагружения при s > 0,9 s_р резко увеличивается количество выделяющихся импульсов. Число мощных импульсов с амплитудой сигнала ЭМИ на 1 - 2 порядка больше амплитуды основной массы сигналов и составляет несколько единиц за весь период нагружения. В образцах композиционных материалов такие мощные сигналы сопровождаются развитием трещин, при этом нарушается связь между отдельными частями образца и он разрушается. При расколе образцов сигнал имеет самую большую амплитуду (10 - 70 мВ).

Амплитуда импульсов ЭМИ, наблюдаемых в процессе эксперимента, определяется потенциалом поля, создаваемого диполем и/или зарядом в вершине трещины. В настоящей работе по параметрам импульсов ЭМИ были рассчитаны поверхностная плотность заряда (d₀) на берегах трещины вблизи ее вершины и линейная плотность заряда Q, составившие величину d₀ ~ 10^-4 Кл/ м², Q ~ 10^-11 Кл/м.

На основе гипотезы генерации импульсов электромагнитного излучения вследствие движения заряженных берегов распространяющейся трещины, можно определить скорость прорастания трещины v @ (1,25¸4,37) × 10² м/ с, её размеры L @ (1,94 ¸ 5,28) 10^{-4 м, а также критическую концентрацию с*} @ (0,52 ¸ 3,49)× 10⁹ м^-3).

Обработка результатов испытаний композиционных материалов по методике, описанной в [1], позволила получить экспериментальные значения характеристик различных композитов, приведенные в табл. 2. Наиболее важными характеристиками являются энергия активации разрушения (U₀) межатомных связей; структурно-чувствительный коэффициент (g), называемый иначе коэффициентом перенапряжения межатомных связей в наиболее слабом звене структуры; полная работа разрушения (А); эффективная поверхностная энергия разрушения композитов (Г).

Таблица 2

Кинетические и энергетические характеристики образцов фенопластов

Композит	Способ изготовления	U0, 10-19, Дж	g, 10-28, м3	А, Дж	Г, 105, Дж/м2
Э39	П	1,55	0,91	21,95	3,62
Ж13	П	1,53	0,91	17,95	0,34
О3	П	1,60	1,10	50,11	1,72
Э2	П	1,62	1,38	24,45	2,69
Э10	П	1,51	1,06	15,58	2,46
О20	П	1,56	1,02	24,69	4,86
Ж13	П	1,53	0,94	17,07	1,33
Э39	ЛВ	1,56	0,86	28,58	1,41
Э39	ЛВ	1,58	0,88	29,12	1,56
Э39	ЛТ	1,61	0,84	28,75	1,82
О20	ЛВ	1,56	1,03	29,29	2,11
О20	ЛТ	1,56	0,79	28,80	2,48

Анализируя полученные результаты, можно отметить, что наблюдается некоторая зависимость энергетических и кинетических параметров от состава фенопластов. Структурно-чувствительный коэффициент, полная работа разрушения меньше у образцов, имеющих минеральный наполнитель или минеральный с органическим (Э10, Ж13, Э39, О20), чем у образцов, имеющих только органический наполнитель (О3, Э2). Эффективная поверхностная энергия меньше у образцов, имеющих только минеральный наполнитель (Ж13, Э39). Кроме того, полная работа разрушения для образцов, изготовленных литьевым способом, больше, чем для образцов, изготовленных прессованием (кроме фенопласта О3).

Тот факт, что параметры импульсов ЭМИ определяются кинетическими характеристиками повреждения композиционного материала, делает возможным установление качественных и количественных закономерностей развития этого процесса.

По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что использование импульсного электромагнитного излучения при разрушении композиционных материалов позволяет изучать процессы, происходящие на микроуровне и, используя кинетический подход к проблеме прочности, определять параметры этих процессов на основе данных механических испытаний.

Литература