Введение

В современном двигателестроении увеличивается массовая доля применения полимерных композиционных материалов (ПКМ), в том числе разработанных специалистами НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ [1–3], что позволяет значительно снизить массу изделия, обеспечивая при этом высокий уровень эксплуатационных свойств.

В процессе эксплуатации все узлы и детали газотурбинного двигателя (ГТД) подвержены действию температурных полей и термоциклических воздействий, которые приводят к разупрочнению материалов [4]. В связи с этим применение ПКМ в деталях ГТД, которые в большей степени подвержены воздействию циклических температур, чем металлы, вызывает у конструкторов обоснованные опасения, которые могут быть устранены только положительными результатами экспериментов.

Использование ПКМ в защитных экранах и других элементах ГТД требует также подтверждения, что термоциклические воздействия и температура эксплуатации не вызовут уменьшения характеристик сопротивления пробивающему воздействию (СПВ), чем и обосновывается необходимость проведения экспериментальных исследований, представленных в данной статье. В научно-технической литературе встречаются сведения о влиянии технологических параметров и термоциклических воздействий на прочностные свойства модифицированных углепластиков [5]. В работах [6–10] опубликованы результаты исследования влияния механических нагрузок и климатических факторов на свойства конструкционных ПКМ из стеклопластиков. В данной статье описаны результаты экспериментальных исследований по определению влияния термоциклических воздействий на статические, динамические и прочностные свойства группы стеклопластиков.

Материалы и методы

Для исследования влияния термоциклических воздействий на статические прочностные свойства ПКМ разработаны и изготовлены стеклопластики типа ВПС на основе стеклоткани Т-10-80 и связующего ЭДТ-10, отличающиеся по содержанию связующего (по массе) и вариантам армирования, входящие в экспериментальную группу. При проведении экспериментов использована установка УИТ-2. Характеристики стеклопластиков приведены в таблице.

Характеристики стеклопластиков

Параметры циклов выбраны исходя из условий эксплуатации конструктивных элементов ГТД из ПКМ, расположенных над лопатками вентилятора, и составляли: (150±5) ⇄ (30±5) °С, максимальное число циклов 200 и скорости нагрева и охлаждения 10 °С/мин.

Термоциклическое воздействие на образцы из ПКМ проводили следующим образом. В то время как образцы, помещенные в один из двух контейнеров установки УИТ-2, подвергали нагреву в термокамере, во втором контейнере другие образцы охлаждали струей воздуха. Нагрев и охлаждение образцов контролировали с помощью термопар, помещенных в образцы-свидетели, находящиеся в группе образцов. После нагрева до максимальной температуры производилось автоматическое переключение контактов в электрической схеме, и контейнер с нагретыми образцами с помощью реверсивного двигателя перемещался в зону охлаждения, а контейнер с охлажденными образцами – в термокамеру. В дальнейшем процесс «нагрев–охлаждение» повторяли заданное число раз (рис. 1).

Рис. 1. Термоциклы воздействия (в виде зависимости температуры T от времени τ): τ_охл – время охлаждения образцов; τ_н – время нагрева образцов; τ_ц – время цикла «нагрев–охлаждение»; τ_n – время нахождения образцов в интервале температур от 150 до 155 °С

Пунктирной и сплошной линиями обозначены циклы «нагрев–охлаждение» образцов в первом и втором контейнерах. Продолжительность цикла составляла 30 мин. Режим термоциклического воздействия подбирали таким образом, чтобы время нагрева и охлаждения образцов было одинаковым. Это осуществляли с помощью регулирования количества тепла, поступающего в термокамеру. Количество циклов контролировали с помощью записей, сделанных самописцем на диаграмме прибора. Для исследования степени влияния термоциклического воздействия на прочностные свойства, для ПКМ задавали число циклов, равным 50, 100 и 200, после чего образцы подвергали испытаниям. Перед проведением статических и динамических испытаний образцы контролировали по внешнему виду, массе, плотности и степени полимеризации. На рис. 2 приведены графические зависимости изменения массы, плотности и степени полимеризации от числа термоциклов, воздействующих на композиционные материалы (образцы КС-1–КС-9 – см. таблицу). Из приведенных зависимостей видно, что в процессе термоциклического воздействия в образцах ПКМ происходят определенные химические превращения, такие как дополимеризация связующего (рис. 2, в), частичная деструкция полимерного связующего, за счет которой в основном происходит изменение массы и плотности (рис. 2, а, б).

Рис. 2. Зависимости относительного изменения массы (а) и плотности (б) полимерного
композиционного материала (ПКМ), а также степени полимеризации связующего в ПКМ (в)
от числа циклов (N), где 1 – КС-3; 2 – КС-6; 3 – КС-9 (см. таблицу)

Результаты и обсуждение

Таким образом, можно сделать вывод, что ПКМ после термоциклических воздействий приобрели новые качества по сравнению со своим первоначальным состоянием, поэтому для их отличия в обозначение композиционных материалов введена дополнительно буква после номера варианта с цифровым обозначением количества циклов.

Приведенные обозначения материалов расшифровываются, например для КС-6-Т100, так: 6 вариант, подвергшийся термоциклическим воздействиям (Т) в количестве 100 циклов.

Рассмотрим влияние термоциклических воздействий на статические характеристики прочности стеклопластиков при растяжении и сжатии.

Термоциклические воздействия могут вызывать изменение физико-механических свойств как гомогенных, так и гетерогенных материалов [11]. В особенности термоциклическое воздействие оказывает негативное влияние на ПКМ, о чем свидетельствуют, в частности, результаты ранее приведенных экспериментов.

Для проведения испытаний при растяжении из плит готового стеклопластика размерами 400×400×3, 400×400×6, 400×400×10 и 400×400×20 мм вырезали в соответствии с ГОСТ 11262–2017 образцы с помощью алмазного круга. Образцы для испытаний при сжатии вырезали из плит в соответствии с ГОСТ 4651–2014. Образцы вырезали во взаимно перпендикулярных в плоскости плит направлениях – согласно схеме, приведенной на рис. 3.

Рис. 3. Схема вырезания образцов, предназначенных для статических и динамических прочностных испытаний из плит стеклопластика с однонаправленным армированием [0°] (а); с перекрестным армированием [0°, 90°] при соотношении слоев 1:1 (б) и с квазиизотропным армированием [0°, ±45°, 90°] при соотношении слоев 1:1:1:1 (в)

Испытание образцов при растяжении проводили на разрывной машине при скорости движения захватов 0,016·10^–3 м/с. Минимальное количество K образцов, обеспечивающее достоверное определение прочностных и деформационных характеристик каждой группы стеклопластиков, заданной относительной ошибкой ξ = 0,05, определяли по формуле

из которой для распределения Стьюдента t= 2,78 при коэффициенте вариации ν = 10–15 % значение K получилось равным 5 (K ≥ 5).

Увеличение процентного содержания полимерного связующего в стеклопластиках (для всех рассматриваемых материалов) вызывает (рис. 4) уменьшение предела прочности при растяжении в направлениях I и II. Причем эти зависимости монотонно убывают с увеличением содержания связующего (в исследованном диапазоне) как для материалов с явно выраженной анизотропией (кривые 1 и 2 на рис. 4), так и для квазиизотропных материалов (кривая 3).

Рис. 4. Зависимость предела прочности при статическом растяжении  от содержания полимерного связующего для группы стеклопластиков КС-1–КС-9 (см. таблицу) в направлениях I и II (см. рис. 3): 1 – для однонаправленных стеклопластиков КС-1, КС-4 и КС-7; 2 – для перекрестно армированных стеклопластиков КС-2, КС-5 и КС-8; 3 – для квазиизотропных стеклопластиков КС-3, КС-6 и КС-9

Из полученных графических зависимостей установлено, что наибольшая зависимость параметра σ^с_в  от направления вырезки образцов наблюдается у однонаправленных стеклопластиков, а наименьшая – у квазиизотропных.

Термоцикликлическое воздействие по методике, изложенной ранее, привело к некоторому изменению плотности структуры изучаемых материалов и фактическому «появлению» новых материалов. Анализируя результаты испытаний этих материалов (рис. 5), можно сделать вывод, что изменение значений статических пределов прочности при растяжении (в обоих направлениях I и II) невелико и составляет для всех стеклопластиков не более 7–10 % от исходного значения в направлении I и 4–7 % – в направлении II.

Некоторые изменения, отмеченные в значениях прочности при растяжении, можно объяснить частично разупрочнением полимерной матрицы [12], а частично нарушением адгезионной связи между полимерной матрицей и армирующим волокном.

Результаты испытаний образцов стеклопластиков КС-1–КС9 (см. таблицу) при сжатии (образцы для испытаний вырезали из плит размером 400×400×10 мм только в направлении I) приведены на рис. 6.

Результаты испытаний при сжатии термоциклированных образцов, приведенные на рис. 7, показывают, что изменение значений σ_сж от количества термоциклических воздействий происходит в сторону уменьшения, однако оно незначительно для всех рассмотренных материалов.

Основными видами разрушения являются разрушения типа сколов, расслоений и потери устойчивости армирующих волокон. Анализ отличий в видах разрушений стеклопластиков при различных уровнях термоциклических воздействий не составлял предмета данного исследования.

Рис. 5. Изменение значений предела прочности при статическом растяжении в зависимости от количества циклов N при термоциклическом воздействии для стеклопластиков с различным содержанием связующего для направлений I и II (см. рис. 3): 1 – для однонаправленных стеклопластиков КС-1, КС-4 и КС-7; 2 – для перекрестно армированных стеклопластиков КС-2, КС-5 и КС-8; 3 – для квазитропных стеклопластиков КС-3, КС-6 и КС-9

Рис. 6. Диаграммы изменения предела прочности при сжатии для стеклопластиков с различными вариантами армирования (1 – однонаправленные; 2 – перекрестно армированные; 3 – квазиизотропные) в зависимости от содержания в них полимерного связующего

На основании приведенных результатов исследований можно сделать вывод о незначительном влиянии термоциклического воздействия на прочностные характеристики стеклопластиков.

Исследование прочности стеклопластиков при изгибе и сдвиге проводили на образцах, вырезанных только в направлении I (см. рис. 3) в соответствии с ГОСТ 4648–2014 и ГОСТ 14759–69.

Из данных рис. 8. видно, что предел прочности при изгибе (σ_изг) у нетермоциклированных стеклопластиков зависит от схемы армирования и содержания связующего, при этом он заметно уменьшается. Наибольший порядок снижения значений σ_изг наблюдается у однонаправленных стеклопластиков. Термоциклические воздействия на образцы из стеклопластиков КС-1–КС-9 вызывают (рис. 9) резкое снижение значений σ_изг уже после первых термоциклов. При дальнейшем наращивании количества циклов снижение прочности несколько уменьшается. Последовательность расположения зависимостей σ_изг(N) друг над другом для данных материалов сохраняется независимо от содержания полимерного связующего в ПКМ.

Рис. 8. Диаграмма изменения значений предела прочности при изгибе в зависимости от содержания полимерного связующего в нетермоциклированнных стеклопластиках: 1 – однонаправленных; 2 – перекрестно армированных; 3 – квазиизотропных

Исследовано влияние вариантов армирования, процентного содержания полимерного связующего у тех же стеклопластиков на предел прочности при сдвиге (τ_сдв) на образцах, вырезанных в направлении I (см. рис. 3), и представлено для случаев отсутствия термоциклирования в виде графиков, изображенных на рис. 10.

Рис. 10. Диаграммы изменения значений предела прочности при сдвиге от содержания полимерного связующего для стеклопластиков с различными вариантами армирования (см. обозначения на рис. 9)

Изменение значений предела прочности при сдвиге у всех рассмотренных стеклопластиков носит линейный характер, причем для стеклопластиков с квазиизотропным армированием (кривая 3) наблюдается небольшое их увеличение, а для стеклопластиков с однонаправленным и перекрестным армированием (кривые 1 и 2 соответственно) – незначительное уменьшение.

Предварительные термоциклические воздействия на материал приводят к уменьшению значений пределов прочности при сдвиге (рис. 11), причем, так же как и при изгибе, основное снижение прочности происходит на первой стадии (N < 1000 циклов) накопления внутренних изменений микроструктуры. Общее снижение значений τ_сдв для некоторых материалов достигает 50 % от исходного значения.

Таким образом, имеет место существенное влияние предварительных термоциклических воздействий на пределы прочности при изгибе и сдвиге, объясняемое разупрочнением полимерной матрицы [13] за счет происходящих в период термоциклического воздействия химических превращений (деструкции, дополимеризации), образования микротрещин от появления тепловых напряжений и т. д., а также за счет нарушения адгезионной прочности между волокнами и полимерной матрицей из-за различия в температурных коэффициентах линейного расширения (ТКЛР), которые в основном определяют уровни возникающих в армированных материалах напряжений второго рода.

Для проведения исследований на длительную прочность образцы вырезали в направлении I (см. рис. 3) из плит размером 400×400×3 мм. Образцы достаточно быстро нагружали, после чего производили замер развивающейся деформации в виде зависимостей деформации от времени ε–t (при постоянном нагружении). Уровни нагрузок составляли 0,2–0,3 от соответствующего предела прочности при растяжении. Испытательная установка состояла из системы «быстрого» нагружения, устройства для замера деформации и счетчика времени. Испытания проводили при температуре 20 °С и относительной влажности 80 %.

В экспериментах на длительную прочность стеклопластиков после предварительных термоциклических воздействий рассматривались материалы только после 100 циклов «нагрев–охлаждение».

Функции ползучести J(t) являются  линейно возрастающими функциями (рис. 12), причем для квазиизотропных стеклопластиков рост значений более заметен, чем для однонаправленных, которые из всех рассмотренных материалов обладают наименьшей прогрессирующей податливостью. Следует отметить, что изменение содержания полимерного связующего стеклопластика на 5 % (по массе) приводит к изменению значений J(t) в среднем до 8 %.

Влияние предварительных термоциклических воздействий (рис. 12, б) на стеклопластики в части, касающейся ползучести, выразилось в большем росте кривых ползучести с сохранением порядка расположения полученных зависимостей (рис. 12, а), что можно объяснить в том числе снижением прочностных характеристик полимерной матрицы.

Рис. 12. Функции ползучести J(t) для стеклопластиков в исходном состоянии (а) и после предварительного термоциклического воздействия (N = 100 циклов) (б) для образцов КС-1 (1), КС-2 (4), КС-3 (7), КС-4 (2), КС-5 (5), КС-6 (8), КС-7 (3), КС-8 (6), КС-9 (9)

Известно, что скорости деформирования оказывают существенное влияние на прочностные и упругие характеристики испытываемого материала [14], на механизм его разрушения [13]. Для металлических сплавов повышение скорости деформирования приводит в большинстве случаев к возрастанию значений пределов текучести и прочности металла [15]. Экспериментальные результаты исследования влияния скорости деформирования на прочностные свойства армированных пластиков показывают, что углепластики обладают немонотонной зависимостью прочности при растяжении от скорости нагружения, а у однонаправленных композитов прочность при ударном нагружении контролируется свойствами армирующих волокон, если соотношение модулей волокон и матрицы равно не менее 20, а сдвиговая прочность во всех случаях определяется свойствами матрицы.

При больших скоростях деформирования установлено [14], что в среднем при изменении скорости деформирования  на один порядок прочность при комнатной температуре изменяется на 10–20 % у полимеров и на 5–10 % у стеклопластиков, а при повышенных температурах – на 30–40 % у полимеров и на 15–20 % у стеклопластиков.

В связи с этим исследование динамической прочности конкретных ПКМ представляет значительный интерес, так как его результаты могут повлиять на методы проектирования конструкций, работающих в условиях ударного нагружения, и, в частности, на проектирование защитных экранов ГТД. В том числе необходим учет влияния термоциклических воздействий, имеющих место в процессе реальной эксплуатации ГТД в связи с тем, что они могут внести коррективы в изменение значений характеристик динамической прочности.

Для исследования степени влияния скорости деформирования на прочностные и упругие характеристики ПКМ, а также установления зависимости динамической прочности от термоциклических воздействий использовали ту же группу стеклопластиков КС-1–КС-9 (см. таблицу). Образцы вырезали в направлении I (см. рис. 3). Испытания проводили на вертикальном копре при скоростях деформирования ε^· = 2–3 с^–1. Регистрацию напряжений и деформаций, вызванных ударным нагружением, производили с помощью пьезоэлектрического датчика силы и фольговых тензодатчиков типа 2ФПКА-5-200, наклеенных на рабочую поверхность образца. Затем полученные зависимости P = P(t) и ε = ε(t) перестраивали в координаты σ–ε.

Значения динамического предела прочности , найденные из диаграмм σ–ε, с увеличением содержания связующего уменьшаются, но незначительно (рис. 13). В то же время для однонаправленных стеклопластиков наблюдается значительный рост динамического предела прочности (на ~60 %) по отношению к статическому (рис. 13, б), причем с увеличением содержания связующего отношение  увеличивается для рассмотренных материалов.

Рис. 13. Диаграммы динамического предела прочности σ^д_в и отношения  (где σ^с_в – статический предел прочности) в зависимости от содержания связующего для разных вариантов укладки (см. обозначения на рис. 9; значения  получены при скорости деформирования ε^· = 2–3 с^–1)

На рис. 14 показаны зависимости динамического модуля упругости Е^с от содержания связующего, также полученные из диаграмм σ–ε. Видно, что значения модуля упругости немного снижаются, однако из сравнения полученных значений Е^с с соответствующим статическим значением Е^с видно, что наибольшее увеличение значений модуля упругости (в ~2 раза) наблюдается у квазиизотропных стеклопластиков (кривая 3 на рис. 14), а наименьшее (в 1,8 раза) – у однонаправленных стеклопластиков.

Рис. 14. Зависимость динамического модуля упругости при растяжении от содержания связующего в стеклопластиках с различными вариантами армирования (1 – однонаправленные; 2 – перекрестно армированные; 3 – квазиизотропные), а также зависимость относительного изменения модуля упругости при растяжении от содержания связующего при скорости деформирования  ε^·= 2–3 с^–1

Графики изменения динамического предела прочности  σ^д_вот количества циклов N представлены на рис. 15 и фактически являются линейно-убывающими функциями, причем снижение значений σ^д_в в исследованном диапазоне N составляет (в зависимости от содержания связующего) для однонаправленных стеклопластиков 11–15 %, для перекрестно армированных 13–17 %, для квазиизотропных 30–35 %.

Заключения

Результаты исследования влияния термоциклических воздействий на свойства стеклопластиков, показали, что они не оказывают существенного воздействия на исследуемые стеклопластики и все показатели соответствуют требованиям, предъявляемым для эксплуатации конструктивных элементов из них.

На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что увеличение скорости деформирования приводит к значительному увеличению значений предела прочности при растяжении и модуля упругости. Предварительные термоциклические воздействия вызывают некоторое снижение значений прочностных и упругих динамических характеристик, что в свою очередь не сказывается отрицательно на работе стекловолокнистых ПКМ в конструкции защитных экранов или мотогондол для ГТД.