Трещиностойкость слоистых полимерных композиционных материалов (обзор)

Слоисто-волокнистые полимерные композиционные материалы (ПКМ) один из наиболее перспективных классов материалов для применения в авиастроении [1–5], энергетике [6–8], строительстве [9], транспорте [10–13] и других отраслях народного хозяйства. Данные материалы представляют собой сложную гетерогенную систему, состоящую из чередующихся слоев армирующего наполнителя, соединяющей их полимерной матрицы, а также межфазной зоны (границы) между волокнами и матрицей.

Такая структура ПКМ приводит к сильной анизотропии их физико-механических свойств в зависимости от выбранного направления. Так, в направлениях укладки армирующего наполнителя ПКМ имеют высокий уровень физико-механических характеристик, определяемых свойствами волокон, упруго-прочностные характеристики которых на порядки превосходят аналогичные показатели полимерных матриц. В то же время свойства ПКМ при сдвиге в плоскости листа [14, 15], а также межслоевые характеристики, такие как трещиностойкость в условиях отрыва (мода I), поперечного (мода II) и продольного (мода III) сдвига, крайне малы, поскольку определяются в первую очередь свойствами полимерной матрицы [16–20].

Энергетической характеристикой межслоевой трещиностойкости является удельная работа расслоения (вязкость межслоевого разрушения), которая представляет собой предел отношения изменения упругой энергии, накопленной в образце при его нагружении, к бесконечно малому приращению площади межслоевой трещины. Данная характеристика важна для описания процесса разрушения материала в рамках механики разрушения твердых тел, а также обладает сильной зависимостью от структурных особенностей материала и внешних факторов, таких как температура, влажность и др.

Известно довольно много методов определения межслоевой трещиностойкости как для случаев чистых, так и смешанных режимов разрушения, реализуемых в образцах различной геометрии и при различной схеме приложения нагрузки [21]. В большинстве случаев при определении межслоевой трещиностойкости применяются образцы в форме полосы прямоугольного постоянного сечения длиной 2L и толщиной 2h с начальным заложенным межслоевым расслоением длиной а.

В зависимости от типа деформированного состояния в вершине трещины, описанные в литературе методы определения удельной работы расслоения [22–25] можно разделить на следующие группы по действующим модам:

• чистая мода I (нормальный отрыв), реализуемая в методах испытаний (рис. 1, а):

– DCB (double cantilever beam – двухконсольная балка);

– TDCB (tapered double cantilever beam – утоняющаяся двухконсольная балка);

– WTDCB (width tapered double cantilever beam – сужающаяся двухконсольная балка);

– EDT (edge delamination test/tension – испытание образца с расслоением на торце);

– метод отрывающих моментов;

• чистая мода II (поперечный сдвиг), реализуемая в методах испытаний (рис. 1, б):

– ENF (end notch flexure – изгиб образца с краевым расслоением);

– ONF (over-notched flexure – изгиб с приложением нагрузки над расслоением);

– 4ENF (four-point bend end-notched flexure – четырехточечный изгиб образца с краевым расслоением);

– SENF (stabilized end notched flexure – изгиб с обратной связью образца с краевым расслоением);

– TENF (tapered end-notched flexure – изгиб утоняющегося образца с краевым расслоением);

– ELS (end-load split – расщепление краевым нагружением);

– CBEN (cantilever beam enclosed notch – консольная балка с расслоением в заделке);

• чистая мода III (продольный сдвиг), реализуемая в методах испытаний (рис. 1, в):

– SCB (split cantilever beam – расщепление консольной балки);

– MSCB (modified split-cantilever beam – модифицированное расщепление консольной балки);

• смешанная мода I+II, реализуемая в методах испытаний (рис. 2, а):

– MMB (mixed mode bending – изгиб с реализацией смешанной моды);

– SLB (single-leg bending – изгиб с опорой на одну лапку);

– OLB (over-leg bending – изгиб с опорой на одну лапку и приложением нагрузки над расслоением);

– SCB (single cantilever beam – консольная балка с нагружением на одну лапку);

– CLS (cracked lap shear – растрескивание от сдвига);

– ADCB (asymmetric double cantilever beam – асимметричная двухконсольная балка);

– ATDCB (asymmetric tapered double cantilever beam – асимметричная утоняющаяся двухконсольная балка);

– FRMM (fixed ratio mixed mode – фиксированное соотношение смешанной моды)/SMMF (symmetrical mixed mode flexure – смешанная мода при симметричном изгибе)/MMELS (mixed mode end load split – смешанная мода при концевом расщеплении);

– ASMMF (asymmetrical mixed mode flexure – смешанная мода при асимметричном изгибе);

– SLFPB (single-leg four point bending – четырехточечный изгиб с опорой на одну лапку);

– IDCB (imposed displacement cantilever beam – установленное смещение консольной балки);

• смешанная мода II+III, реализуемая в методах испытаний (рис. 2, б):

– EST (edge crack torsion under torsion loading – перекашивание образца с краевой трещиной);

– PENF (prestressed end-notched flexure – изгиб преднагруженного образца с краевым расслоением).

В настоящее время из приведенных методов за рубежом стандартизованы следующие:

– по моде I: метод DCB – по ASTM D 5528/D 5528M и метод DCB и TDCB – по ASTM D 3433, в том числе при росте межслоевой трещины усталости (ASTM D 6115);

– по моде II: метод ENF – по ASTM D 7905/D 7905M и метод ELS – по ISO 15114;

– для смешанного режима – моды I+II: метод MMB – по ASTM D 6671/D 6671M. Помимо стандартов ASTM существуют международные стандарты ISO, стандарты Европейского союза EN и др. В настоящее время ведется разработка Российских национальных стандартов ГОСТ Р на определение характеристик трещиностойкости по методам DCB, ENF и ELS.

Наиболее часто при разработке материалов, их паспортизации (общая квалификация) и специальной квалификации определяют величину удельной работы расслоения в условиях отрыва G_Iс по методу DCB и в условиях поперечного сдвига G_IIс по методу ENF. Расчет величины G_Iс проводят, используя метод модифицированной балочной теории, метод калибровки по податливости или метод модифицированной калибровки по податливости [26]. Для расчета величины G_IIс используют метод, основанный на замере длины трещины при испытании или на определении податливости образца.

В таблице приведены данные по величине удельной работы расслоения G_Iс и G_IIс для конструкционных ПКМ [27] на основе углеродных (HTS40, T-800HB, УТ-900, Porher 4510, 3692, 14535) и стеклянных (Т-10(ВМП)-14, Porher 7781) наполнителей, а также высокодеформативных эпоксидной (ВСЭ-1212) и цианэфирных (ВСТ-1208 и ВСТ-1210), тетранитрильной (ВСН-31), бисмалеинимидной (БМИ-3) и эпоксидной матриц (ЭДТ-69Н) [28–30].

Анализ данных таблицы показывает, что слоистые ПКМ в зависимости от типа армирующего наполнителя можно разделить на две группы по отношению к удельной работе расслоения по модам I и II (G_IIс/G_Iс). Так, для ПКМ на основе углеродных жгутовых наполнителей и однонаправленных тканей это отношение составляет 2,31–3,58, в то время как для ПКМ на основе равнопрочных тканей оно находится в диапазоне
1,24–2,02. Причем это соотношение выполняется как для ПКМ с относительно хрупкими матрицами (БМИ-3 и ВСН-31), так и для ПКМ с высокодеформативными матрицами (ВСЭ-1212 и ВСТ-1208).

Рис. 1. Методы определения удельной работы расслоения при действии в вершине трещины чистой моды I (а), II (б) и III (в)

Рис. 2. Методы определения удельной работы расслоения при действии в вершине трещины комбинации

мод I+II (а) и II+III (б)

Значения удельной работы расслоения для конструкционных ПКМ

Следует отметить, что для ПКМ на основе одинаковых наполнителей большей трещиностойкостью обладают материалы на основе эпоксидной матрицы ВСЭ-1212. Так, значения удельных работ расслоения по модам I и II для углепластика ВКУ-39 (матрица ВСЭ-1212) более чем в 3 раза превышают аналогичные значения для углепластика БМИ-3/3692 (матрица БМИ-3), а для стеклопластика ВПС-48/7781 (матрица ВСЭ-1212) они соответственно в 1,2 и 1,7 раз больше значений для стеклопластика ВПС-47/7781 (матрица ВСТ-1208).

Такой результат достигается за счет изменения механизма разрушения ПКМ с полимерной матрицей ВСЭ-1212, обладающей микрофазовым разделением на уровне «реактопласт–термопласт» по сравнению с однофазными матрицами.

Анализ поверхности разрушения стеклопластиков ВПС-47/7781 и ВПС-48/7781, полученной методом сканирующей электронной микроскопии [31, 32], показывает, что при межслоевом расслоении по моде I (рис. 3, а, б) поверхность разрушения характеризуется менее выраженным рельефом, чем при расслоении по моде II (рис. 3, в, г), для которого в изломе характерно появление гребнеобразных структур. Формирование более развитой поверхности разрушения в процессе гребнеобразования за счет сдвиговой микропластической деформации приводит к повышению трещиностойкости при переходе от моды I к моде II в однофазных относительно хрупких матрицах.

Рис. 3. Поверхности разрушения стеклопластиков ВПС-47/7781 и ВПС-48/7781 при расслоении по моде I (а и б соответственно) и моде II (в и г соответственно) при направлении движения магистральной трещины на рисунках сверху вниз

В то же время в матрицах с выделившейся термопластичной фазой гребнеобразование не является доминирующим механизмом разрушения по моде II, что хорошо видно по размеру формирующихся гребней (рис. 3, г). Сдвиговая пластическая деформация фазы термопласта и диссипация энергии при скольжении по межфазным границам «реактопласт–термопласт» обуславливают повышение энергоемкости процесса межслоевого разрушения в стеклопластике с полимерной матрицей ВСЭ-1212. Микротрещины, инициируемые у поверхности волокна, развиваются в полимерную матрицу до областей с непрерывной фазой термопласта. При продвижении трещины в фазу полиарилсульфона начинается интенсивная пластическая деформация этой фазы, при этом домены эпоксидного реактопласта пластически не деформируются. На рис. 4 проиллюстрировано изменение интенсивности деформирования непрерывной фазы термопласта между эпоксидными доменами в стеклопластике ВПС-48/7781 при расслоении по моде I и моде II [33].

Рис. 4. Поверхности разрушения полимерной матрицы ВСЭ-1212 в стеклопластике
ВПС-48/7781 при расслоении по моде I (а) и моде II (б)

В заключение следует отметить, что при значительном количестве методов определения характеристики межслоевой трещиностойкости, которых по литературным источникам более 27, в настоящее время стандартизованы порядка 5. При этом за рубежом постоянно ведутся работы по разработке новых методов испытаний, повышению информативности и стандартизации существующих. Так, согласно работе [34] Американским обществом по испытанию материалов (ASTM International) ведутся работы по стандартизации метода EST для определения удельной работы расслоения по моде III.