Слоистые полимерные композиционные материалы (ПКМ), в том числе тонколистовые, находят все более широкое применение в изделиях авиационной техники[1–6]. Они входят в состав слоистых гибридных материалов, таких как СИАЛ и GLARE, в которых тонкие листы (0,3–0,5 мм) алюминиевых конструкционных сплавов чередуются со слоями стеклопластика толщиной 0,2–0,5 мм на основе клеевых препрегов, армированных высокопрочными стеклонаполнителями [7, 8]. Слоистые ПКМ, например боропластики, толщиной до 1 мм применяются в ремонтных технологиях для стабилизации трещин в алюминиевых сплавах за счет снижения коэффициента интенсивности напряжений (КИН) в вершине трещины [9, 10]. Слоистые тонколистовые ПКМ применяются также для элементов конструкций современной авиационной техники (АТ) [11, 12], например обшивок разрезных хвостовых секций лопастей несущего винта вертолета.

В элементах конструкций слоистые тонколистовые ПКМ подвергаются сложному нагружению, сочетающему в зависимости от условий эксплуатации в различной степени I, II и III моды нагружения в вершине трещины. В связи с этим для обоснованного применения тонколистовых ПКМ в изделиях АТ требуется всестороннее исследование их физико-механических свойств [13, 14].

Методы определения физико-механических характеристик тонколистовых материалов при их нагружении по модам I, II и III хорошо отработаны для металлических фольг [15–17]. Для неметаллических тонколистовых матералов – тканей, полимерных пленок, бумаг – разработаны и широко применяются стандарты для определения такой характеристики, как сопротивление раздиру. К ним относятся ГОСТ 30304, ГОСТ 26128, ГОСТ 23016, ГОСТ 13525.3 и др., предлагающие различные типы образцов и методы испытаний для определения указанной характеристики.

Наиболее простым методом для определения сопротивления раздиру является метод, описанный в ГОСТ 30304 и ГОСТ 26128, в котором образец в форме полоски с центральным надрезом (рис. 1, а) нагружается по схеме, показанной на рис. 1, б.

Рисунок 1. Геометрические размеры (а) и схема нагружения (б)

образца для испытания на раздир

В данной работе получены значения сопротивлений раздиру по моде III в трех основных направлениях (0, 90, 45 град по отношению к главному направлению армирования) для различных тонколистовых слоистых ПКМ толщиной до 0,5 мм, применяемых в изделиях АТ.

Методика и образцы

Для исследований выбраны тонколистовые слоистые ПКМ на основе органических и стеклянных волокон [18]. Схемы армирования, материалы слоев и толщины представлены в табл. 1.

Таблица 1

Данные по полимерным композиционным материалам (ПКМ)

Образец в форме полоски размером 100×30 мм с центральным надрезом (см. рис. 1, а) вырезали в одном из направлений (0, 90 или 45 град по отношению к главному направлению армирования материала). Испытания проводились на универсальной электромеханической испытательной машине Zwick/Roell Z100 при комнатной температуре и постоянной скорости нагружения 5 мм/мин. Перед началом испытаний к образцам прикладывалась преднагрузка от 4 до 10 Н в зависимости от нагрузки раздира.

Результаты

Все полученные при испытаниях диаграммы раздира можно условно разделить на три типа. Первый тип – диаграммы, имеющие стадию установившегося равномерного раздира (рис. 2, а). По такому типу разрушались образцы 1-1, 1-2, 1-3, 2-1, 4-1, 5-1,6-1, 7-1, 7-2 и 7-3 (табл. 2). Для них сопротивление раздиру определялось как

                                                                      ,                                                                             (1)

где F – среднее значение нагрузки на участке установившегося раздира, Н;t – толщина образца, мм.

Второй тип – диаграммы с возрастающей, в том числе ступенчатой нагрузкой, включая диаграммы с последующим резким разрушением (рис. 2, б). По такому типу разрушались образцы 3-1, 4-2, 4-3, 6-2 и 6-3. Третий тип – ступенчатые диаграммы с максимумом в начале и последующим ступенчатым спадом нагрузки по мере роста трещины (рис. 2, в) По такому типу разрушались образцы 2-2, 2-3, 3-2, 3-3, 5-2 и 5-3. Для второго и третьего типов диаграмм условное сопротивление раздиру рассчитывалось по формуле (1), где в качестве нагрузки принимались значения первых максимумов. Полученные значения сопротивлений раздиру в зависимости от ориентации начального надреза относительно главных направлений армирования материалов показаны на рис. 3. Видно, что наиболее сбалансированным материалом является Органит 11ТЛ, для которого величина сопротивления раздиру не зависит от направления распространения трещины. Менее сбалансированным оказался трехслойный гибридный материал со схемой армирования T-64 [45°]/РВМПН-600-14 [0°]/T-64 [-45°], у которого сопротивления раздиру в направлениях начального надреза 0 и 45 град оказались на ~25% меньше, чем у Органита 11ТЛ, а в направлении 90 град – на ~60% выше.

Рисунок 2. Диаграммы при раздире тонколистовых слоистых полимерных композиционных материалов различных типов: 1 (а), 2 (б), 3 (в) – см. текст

Таблица 2

Рисунок 3. Зависимость прочности при раздире от направления начального надреза для
органопластика Органит 11ТЛ (●) и стеклопластиков со схемами армирования
T-64 [45°]/РВМПН-600-14 [0°]/T-64 [-45°] (○), T-64 [0°]/РВМПН-600-14 [0°]/T-64 [90°] (□), РВМПН-600-14[0°]/РВМПН-600-14[90°]/РВМПН-600-14[0°] (∆), T-64[0°]/T-64[±45°]/T-64[0°] (○),
T-64 [90°]/РВМПН-600-14[0°]/T-64 [90°] (∆), РВМПН-600-14[0°]/РВМПН-600-14[90°] (○)

Остальные материалы оказались значительно более разбалансированными, например, для материала РВМПН-600-14 [0°]/РВМПН-600-14 [90°]/РВМПН-600-14 [0°] сопротивления раздиру в направлениях 0 и 90 град различаются более чем в 3 раза, или имеющими значительно более низкий уровень сопротивлений раздиру, например, у материала T-64 [0°]/РВМПН-600-14 [0°]/T-64 [90°] данные характеристики во всех направлениях ниже более чем в 2 раза, чем у Органита 11ТЛ.

Совместный анализ диаграмм деформирования и характера разрушения образцов показывает, что для образцов, в схеме укладки слоев которых присутствуют слои, ориентированные в направлениях ±45 град, таких как стеклопластики со схемами армирования T-64 [0°]/T-64 [±45°]/T-64 [0°] и T-64 [45°]/РВМПН-600-14 [0°]/T-64 [-45°], при раздире в направлениях 0 и 45 град (образцы 2-2, 2-3, 3-2, 3-3) происходит поворот трещины на 90 град от направления начального надреза, что сопровождается падением нагрузки на диаграмме.

В то же время для направления 0 град начальной трещины в материалах со схемой армирования T-64 [45°]/РВМПН-600-14 [0°]/T-64 [-45°] (образец 3-1) происходит равномерный рост площади расслоения за счет отрыва верхнего слоя от слоя материала РВМПН-600-14, сопровождающийся ростом нагрузки на диаграмме деформирования. Такой же вид разрушения наблюдается для двухслойного стеклопластика
РВМПН-600-14 [0°]/РВМПН-600-14 [90°] при ориентации начального надреза в направлениях 45 и 90 град (образцы 6-2 и 6-3). Для образцов 4-2, 4-3 и 5-2 из стеклопластиков со схемами армирования T-64 [90°]/РВМПН-600-14 [0°]/T-64 [90°] и T-64 [0°]/РВМПН-600-14 [0°]/T-64 [90°] наблюдается незначительный рост трещины раздира, после чего происходит разрушение образца с распространением трещины перпендикулярно начальному направлению надреза. Диаграмма деформирования при этом имеет резкий спад. Для образцов 1-1, 1-2, 1-3, 2-1, 4-1, 5-1, 7-1 и 7-3 наблюдался устойчивый равномерный рост трещины раздира со стадией равномерного раздира на диаграмме деформирования (см. рис. 2, а). В случае образца 5-3 устойчивый равномерный рост трещины раздира сопровождался снижением нагрузки на диаграмме. Сложный характер разрушения имели образцы 6-1 и 7-2 из стеклопластиков на основе ровинга РВМПН-600-14, в которых распространение магистральной трещины совпадало с направлением начального надреза и сопровождалось сегментарным отслоением верхнего слоя с образованием в нем трещин, перпендикулярных магистральной.

Таким образом, значения сопротивления раздиру тонколистовых слоистых ПКМ на основе органических и стеклянных волокон при раздире по моде III дают дополнительную информацию для обоснованного выбора материалов при проектировании элементов конструкций АТ, выборе материалов для ремонтных технологий, проектирования и создания новых слоистых, в том числе гибридных, материалов, а полученные типы разрушений – для определения возможных причин разрушения тонколистовых ПКМ при эксплуатации.