Влияние пористости в полимерных композиционных материалах на основе эпоксидной матрицы и непрерывных углеродных волокон на его физико-механические свойства - Дипломная работа

В настоящее время доля использования элементов из полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкциях современной авиационной техники стремительно растет. Наиболее эффективными и экономически целесообразными областями применения углепластиков является их использование в силовых конструкциях, таких как крыло, киль, стабилизатор, большая часть фюзеляжа, характеризующихся повышенной конструктивной сложностью, высоким уровнем действующих нагрузок и критичностью с точки зрения безопасности полета. На физико-механические свойства ПКМ оказывают влияние не только состав и структура, но и различные дефекты, возникающие при производстве и эксплуатации элементов авиационных конструкций изготовленных из них. Углепластик в элементах конструкции должен надежно работать в заданном диапазоне условий эксплуатации в течение всегопериода эксплуатации, обеспечивая необходимый уровень безопасности. Рассмотреть причины возникновения пористости и способы ее устранения; неразрушающие методы определения пористости; влияние пористости на физико-механические свойства материала; экспериментально определить объемное содержание пор и провести исследования влияния пор на свойства углепластика при растяжении и сжатии.На рис.1.1 показаны обычно наблюдаемые типы повреждений (дефектов, трещин)армированных слоистых ПКМ на трех основных уровнях (масштабах) их структуры: макро-(элементы конструкции или соединения); мезо-(слои ПКМ или адгезионные слои) и микро-(армирующие волокна и матрица), соответсвенно типы повреждений: Рисунок 1.1. Кроме того, в ПКМ присутствуют дефекты на уровне микроструктуры: поры (зоны повышенной пористости), отклонения от оптимального соотношения матрицы и армирующего наполнителя, низкая степень отверждения связующего при формовании, нарушения ориентации волокон, складки, свили, поверхностные подмятия и царапины и т. п., в зоне которых отмечается пониженная прочность материала[1]. Дефекты ПКМ различаются: по происхождению (возникают на стадии изготовления, хранения, транспортировки или эксплуатации); местоположению в детали (поверхностные, изолированные или выходящие на кромку детали); глубине залегания: раскрытию; размерам в плане данных структурных неоднородностей (макродефекты - свыше 60-100 мкм, которые обычно локализованы в объеме материала конструкции, и микродефекты - размером до 60-100 мкм. как правило, распределенные в объеме материала или в значительной его части). На этапе изготовления тканого препрега помимо дефектов, привнесенных самой тканью: близна, провисание фона ткани, наработанный пух, повышенная влажность и т.д., могут появляться такие дефекты, как: местные натеки связующего, нарушение состава компонентов, смещение текстуры ткани, складки от воздействия разделительного слоя. 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 изза неравномерного температурного поля: подмятая изза попадания на поверхность наружных слоев посторонних включений, забоин на оснастке, от стыков разделительных пленок, цулаг или впитывающих слоев: расслоения и трещины от внутренних напряжений в материале, возникающих при проведении термообработки или при охлаждении детали или при небрежном снятии детали с оснастки.Армирующий наполнитель воспринимает действующие на изделие нагрузки, связующее связывает воедино отдельные волокна наполнителя и перераспределяет нагрузки внутри изделия, а поры «вредят» совместной работе двух других составляющих композита, снижая сопротивление сжимающим и сдвиговым нагрузкам и тем самым уменьшая работоспособность конструкции [2].Размер и форма пор в ПКМ определяется структурой армирующего наполнителя и зависят главным образом от формы пространств между волокнами, а также отхимических и физических процессов, протекающих при их формовании. Обладая в общем случае произвольной формой и размерами, поры могут быть локализованы как внутри элементов структуры твердого тела (например, внутри кристаллитов, фрагментов, блоков, ячеек или гранул), так и по их границам, в зависимости от предыстории вещества, его энергетического баланса и структуры. Так, для углепластика на эпоксидном связующем при пористости 3-6%, по данным микроструктурного анализа, максимальный размер наиболее часто встречающихся пор около 80 мкм (по длине); при пористости 6-10% этот размер возрастает до 160 мкм. Разные авторы трактуют причины образования пористости в композитах по-разному: одни считают, что пористость образуется от остатков захваченного при изготовлении препрегов воздуха и летучих продуктов, другие объясняют это наличием влаги, находящейся в связующих и наполнителях, а третьи предполагают, что поры образуются и от того, и от другого [2]. Для лучшего понимания причин образования пор в препрегах и контроля за образованием дефектов в деталях, изготавливаемых за рубежом из ООА-препрегов (out-of-autoclave), в работе [2] изучали механизм образования пор в зависимости от содержа

Содержание

Введение

1. Влияние пористости на физико-механические свойства углепластика в физическом эксперименте

1.1 Литературный обзор

1.1.1 Дефекты в армированных ПКМ

1.1.2 Типы пор и размеры пористых систем

1.1.3 Причины образования пористости и способы ее устранения при автоклавном, вакуумном формовании препрегов и инфузионном формовании сухих преформ

1.1.4 Методы определения пористости

1.1.5 Влияние пористости на физико-механические свойства материала

1.2 Экспериментальная часть

1.2.1 Объекты исследований

1.2.2 Методики исследований

1.2.3 Результаты и их обсуждение

Выводы

2. Численное моделирование влияния пористости на деформационно-прочностные свойства углепластика

2.1 Литературный обзор

2.1.1 Метод конечных элементов в моделировании деформационно-прочностных свойств ПКМ

2.1.2 Аналитическое моделирование трещиностойкости полимерной композиционной матрицы

2.2 Разработка модели ПКМ с дефектом в виде поры на границе раздела волокно-матрица и исследование деформационно-прочностных свойств

2.2.1 Разработка физической модели структуры ПКМ с дефектом в виде поры на границе раздела волокно-матрица

2.2.2 Методика построения КЭ модели развития дефекта на границе раздела фаз

2.2.3 Влияние наличия поры на границе раздела на деформационно - прочностные свойства углепластика с использованием КЭ модели

Выводы

Заключение

Список литературы

В настоящее время доля использования элементов из полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкциях современной авиационной техники стремительно растет. Объем применения ПКМ в планере современного самолета находится в пределах от 25 до 50% от общего веса конструкции. Наиболее эффективными и экономически целесообразными областями применения углепластиков является их использование в силовых конструкциях, таких как крыло, киль, стабилизатор, большая часть фюзеляжа, характеризующихся повышенной конструктивной сложностью, высоким уровнем действующих нагрузок и критичностью с точки зрения безопасности полета. В связи с этим, определение физико-механических свойств, оценка прочностных характеристик, а также прогнозирование остаточного ресурса деталей и элементов конструкций из ПКМ является одной из важнейших задач авиастроения.

На физико-механические свойства ПКМ оказывают влияние не только состав и структура, но и различные дефекты, возникающие при производстве и эксплуатации элементов авиационных конструкций изготовленных из них. Одним из основных дефектов, значительно влияющих на снижение прочности авиационных конструкций является пористость. Углепластик в элементах конструкции должен надежно работать в заданном диапазоне условий эксплуатации в течение всегопериода эксплуатации, обеспечивая необходимый уровень безопасности. Поэтому объективная оценка влияния пористости на физико-механические свойства углепластика с помощью экспериментальных методов и компьютерного моделирования на этапе проектирования является актуальной задачей.

Целью работы является изучение влияние пористости в ПКМ на основе эпоксидной матрицы и непрерывных углеродных волокон на его физико-механические свойства.

Задачи: Провести анализ литературных данных о природе пористости в углепластиках. Рассмотреть причины возникновения пористости и способы ее устранения; неразрушающие методы определения пористости; влияние пористости на физико-механические свойства материала; экспериментально определить объемное содержание пор и провести исследования влияния пор на свойства углепластика при растяжении и сжатии.

Рассмотреть принципы численного моделирования влияния пор на физико-механические свойства материалов. Разработать конечно элементную модель углепластика содержащую дефект в виде поры на границе волокно-матрица, методику построения такой модели в программном комплексе ANSYS. Провести анализ полученных данных.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, 2-х глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 24 наименования; изложена на 96 страницах, включая 53 рисунка и 16 таблиц.

1. Исследование влияния пористости на физико-механические свойства углепластика в физическом эксперименте