Трещиностойкость полимерных клеевых соединений листовых материалов при длительном воздействии факторов космического пространства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Шубин, Александр Николаевич

• Шубин, Александр Николаевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шубин, Александр Николаевич

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Применение полимерных материалов в наружных элементах долговременных орбитальных станций и развитие исследований воздействия на них факторов околоземного космического пространства.

1.2. Подходы механики разрушения к оценке и прогнозированию прочности и долговечности полимерных материалов и клеевых соединений по инициированию и кинетике роста дефектов (трещин) в них.

Глава 2. Исследования влияния факторов космического пространства на трещиностойкость, структуру и свойства клеевого слоя и поверхностей разрушения клеевых соединений листовых ПКМ в пассивных экспериментах в натурных и имитирующих космические условиях.

2.1. Выбор метода и типа образца для оценки критических параметров трещиностойкости полимерных клеевых соединений листовых материалов.

2.2. Объекты исследований.

2. 3. Натурный пассивный эксперимент.

2.3.1. Условия эксперимента и методы исследования.

2.3.2. Результаты и их обсуждение.

2.4. Пассивные эксперименты в условиях, имитирующих воздействие факторов космического пространства.

2.4.1. Установка и условия имитации ФКП.

2.4.2. Исследование воздействия атомарного кислорода на клеевое соединение с докритически нагруженной трещиной.

2.4.3. Исследование эрозионного воздействия атомарного кислорода на поверхности разрушения ПКС.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Трещиностойкость полимерных клеевых соединений листовых материалов при длительном воздействии факторов космического пространства»

Актуальность проблемы. Использование долговременных автоматических и пилотируемых крупногабаритных космических систем в условиях околоземного космического пространства и дальнего космоса поставило на первый план задачи обеспечения максимальных сроков их активной работы в условиях воздействия многообразных факторов космического пространства (ФКП). Важнейшую роль в создании наружных элементов конструкций долговременных крупногабаритных космических систем и обеспечении их эффективной работы играют обладающие высокими удельными деформационно-прочностными характеристиками клеевые соединения листовых алюминиевых сплавов и армированных высокопрочными и высокомодульными волокнами (стеклянными, углеродными, органическими) слоистых полимерных композиционных материалов.

В таких соединениях, представляющих собой трехслойные системы с резко различными термоупругими свойствами склеиваемых материалов и клеевого слоя, резко выраженными границами раздела между ними и сложными физико-химическими процессами, протекающими при формировании и отверждении клеевого слоя, особенно велика вероятность образования макроскопических дефектов типа трещин, их инициирование и рост под действием усадочных напряжений, прикладываемых нагрузок и факторов окружающей среды. Согласно представлениям линейной упругой и квазиупругой механики разрушения сопротивление инициированию и росту трещин (трещиностойкость) при критических (кратковременных предельных) и длительных докритических нагрузках определяет, соответственно, несущую способность и долговечность материалов и их соединений при заданных условиях эксплуатации. Поэтому оценка критических и контроль докритических параметров трещиностойкости при воздействии соответствующих нагрузок и факторов окружающей среды имеют важнейшее значение с точки зрения оценки и прогнозирования несущей способности и долговечности элементов конструкций, содержащих клеевые соединения листовых материалов. Однако, применительно к элементам космических конструкций исследования и разработки в этом направлении не проводились.

Целью работы является разработка, с использованием подходов и методов линейной упругой и квазиупругой механики разрушения, методик и проведение систематических исследований влияния длительного воздействия факторов космического пространства в натурных и имитирующих космические условиях па критические и докритические параметры трещиностойкости полимерных клеевых соединений листовых материалов, применяемых в наружных элементах конструкций космических аппаратов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести анализ особенностей воздействия факторов космического пространства на полимерные материалы и клеевые соединения и выбрать параметры и методы, предлагаемые в линейной упругой и квазиупругой механике разрушения для оценки и контроля их устойчивости к инициированию и росту трещин при критических и докритических нагрузках.

2. Разработать методики и провести пассивные эксперименты в натурных и имитирующих космические условиях по исследованию влияния факторов космического пространства на критические параметры трещиностойкости, структуру и свойства клеевого слоя и поверхностей разрушения клеевых соединений листовых полимерных комозиционных материалов (ПКМ).

3. Разработать и проверить расчетную методику оценки кинетики докритического роста трещин и построения обобщенных кинетических (С-У) диаграмм для стеклообразных полимеров и клеевых соединений на их основе с использованием термофлуктуационной теории долговечности полимеров и модели неупругой локальной зоны вблизи вершины трещины при квазиупругом ее росте.

4. Разработать и отработать в наземных условиях экспериментальную методику дистанционного контроля за кинетикой докритического роста трещины в клеевых соединениях листовых материалов и построения О- V диаграмм применительно к активным экспериментам в имитирующих и натурных космических условиях.

5. Организовать и провести активный космический эксперимент по определению кинетики докритического роста трещины в клеевых соединениях листов алюминиевого сплава и слоистого ПКМ и построению С- V диаграмм при длительном воздействии реальных ФКП, обработать и провести предварительный анализ и обобщение результатов натурного эксперимента.

6. Разработать рекомендации по использованию полученных результатов при создании устойчивых к воздействию факторов космического пространства полимерных материалов и клеевых соединений и методик оценки и прогнозирования их несущей способности и долговечности, а также выдать гарантии на продление сроков эксплуатации клеевых соединений листовых материалов на орбитальном комплексе «Мир» и Международной космической станции (МКС).

Работа выполнялась в соответствии с Программой «Научные исследования, эксперименты и целевые работы на орбитальной станции «Мир» 1993-1999 г.г.», международным проектом INTAS (Joint Research Project INTAS 94-3311) в 1994- 1996 г.г. по теме «Оценка и прогнозирование долговечности ПКМ и клеевых соединений в космических условиях по кинетике докритического роста трещин», а также входит в долгосрочную программу «Научные и прикладные исследования и эксперименты на Российском сегменте Международной космической станции».

Научная новизна результатов работы:

1. Установлено снижение критических параметров трещиностойкости полимерных клеевых соединений листовых ПКМ при их длительной пассивной экспозиции в имитирующих и натурных условиях воздействия факторов космического пространства, в первую очередь, высокого вакуума, термоциклирования, атомарного кислорода и жестких излучений, обусловленное процессами удаления низкомолекулярных компонентов, доотверждения и деструкции клеевого слоя и связующего ПКМ. Эти процессы протекают особенно интенсивно на открытых поверхностях и вблизи вершины трещины, где концентрируются наибольшие локальные деформации и напряжения, и проявляются наиболее резко на границах раздела материалов.

2. Разработана модель докритического роста трещины в псевдоупругих полимерах и клеевых соединениях на их основе при длительном статическом нагружении с использованием подходов линейной квазиупругой механики разрушения (модели развития неупругой зоны вблизи вершины трещины Баренблатта-Дагдейла) и термофлуктуационной теории долговечности полимеров (уравнения Журкова). На основе этой модели разработаны расчетная и экспериментальная методики оценки кинетики докритического роста трещины при заданном ее раскрытии, в начальный момент большем критического, и построения обобщенных кинетических G-V диаграмм для псевдоупругих полимеров и клеевых соединений. Показана адекватность методик с использованием литературных и экспериментально полученных данных для полиметилметакрилата и модельной отвержденной эпоксиаминной композиции соответственно.

3. Получены кинетические G-V диаграммы для клеевых соединений на основе трех типов клеев промышленных марок (ЭПК-1, К-300-61, ВК-9) и двух типов листовых материалов (слоистого стеклопластика КАСТ-В и алюминиевого сплава АМг-6) в имитирующих и натурных условиях длительного воздействия факторов космического пространства в наземном и космическом (на Международной космической станции) активных экспериментах с использованием разработанной методики и аппаратуры для дистанционного контроля за докритическим ростом трещины при заданной нагрузке непосредственно в ходе эксперимента. Установлено повышение скорости докритического роста трещины в клеевых соединениях листовых материалов на 1-3 десятичных порядка при воздействии факторов космического пространства в натурных условиях (при одинаковой нагрузке на трещину) по сравнению с наземными условиями.

Практическая значимость полученных результатов:

1. Разработаны, прошли наземную отработку и использованы в длительном космическом эксперименте методика и аппаратура «КРТ» для дистанционного контроля за ростом трещины в полимерных слоистых материалах и клеевых соединениях непосредственно в условиях эксплуатации.

2. На основе полученных в результате длительных пассивных и активных космических экспериментов данных о влиянии факторов космического пространства на критические и докритические параметры трещиностойкости клеевых соединений листовых материалов, используемых и перспективных, для наружных элементов конструкций долговременных орбитальных комплексов, разработаны рекомендации по созданию устойчивых к воздействию факторов космического пространства полимерных слоистых материалов и клеевых соединений, проведены оценка и прогнозирование их долговечности с использованием G-V диаграмм и выданы гарантии на продление срока эксплуатации соединений на орбитальных комплексах «Мир» и «МКС» до 15 лет.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на 14 научно-технических конференциях и симпозиумах, в том числе международных: 2-й и 3-й Международный аэрокосмический конгресс (Москва, 1997 и 2000 гг.);

6-й Международный симпозиум SAMPE, JISSE-6 (Япония, 1999 г.); 7-й и 8-й Международные симпозиумы по материалам в космосе IS-MSE-7; 8 (Тулуза и Аркашон, Франция, 1997 и 2000г.г.); Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения» (Москва, 1994-2001 г.г.); Российская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии (Москва, 1997 г.).

Публикации. Основные положения работы изложены в следующих статьях: 1 статья в сборнике «Научные труды МАТИ им. К. Э. Циолковского», 1 статья в журнале «Конструкции из композиционных материалов», 1 статья в журнале «High Performance Polymers», 1 статья в журнале «Aircraft Engineering and Aerospace Technology: An International Journal».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментальные результаты пассивных экспериментов по влиянию длительной экспозиции ПКС в натурных и имитирующих воздействие ФКП условиях на их трещиностойкость, структуру и свойства клеевого слоя и поверхность разрушения.

2. Полуэмпирическая расчетная методика оценки кинетики докритического роста трещины в стеклообразных псевдохрупких полимерах и ПКС при заданном раскрытии трещины в условиях статического нагружения и построения кинетических G-V - диаграмм, результаты расчетов и сравнение с экспериментальными данными.

3. Методика и аппаратура для дистанционного контроля за кинетикой докритического роста трещины при заданном ее раскрытии в образцах ПКС при заданных внешних условиях и построения кинетических G-Y - диаграмм.

4. Экспериментальные результаты, получаемые при проведении активного эксперимента в натурных условиях воздействия ФКП на МКС и в наземных условиях, по оценке кинетики докритического рост трещин при заданном ее раскрытии в 7-ми типах образцов ПКС, а также рассчитанные по этим результатам кинетические G-V - диаграммы для 4-х лет экспозиции.

Автор выражает благодарность научному консультанту, кандидату технических наук Козлову Николаю Алексеевичу («МАТИ»-РГТУ им. К. Э. Циолковского) за помощь, оказанную при выполнении экспериментальных исследований и обсуждении полученных результатов.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Шубин, Александр Николаевич

выводы

1. Установлено снижение критических параметров трещиностойкости полимерных клеевых соединений листовых ПКМ при их длительной пассивной экспозиции в имитирующих и натурных условиях воздействия факторов космического пространства, в первую очередь, высокого вакуума, термоциклирования, атомарного кислорода и жестких излучений, обусловленное процессами удаления низкомолекулярных компонентов, доотверждения и деструкции клеевого слоя и связующего ПКМ. Эти процессы протекают особенно интенсивно на открытых поверхностях и вблизи вершины трещины, где концентрируются наибольшие локальные деформации и напряжения, и проявляются наиболее резко на границах раздела материалов.

2. Разработана модель докритического роста трещины в псевдоупругих полимерах и клеевых соединениях на их основе при длительном статическом нагружении с использованием подходов линейной квазиупругой механики разрушения (модели развития неупругой зоны вблизи вершины трещины Баренблатга-Дагдейла) и термофлуктуационной теории долговечности полимеров (уравнения Журкова). На основе этой модели разработаны расчетная и экспериментальная методики оценки кинетики докритического роста трещины при заданном ее раскрытии, в начальный момент большем критического, и построения обобщенных кинетических С?- V диаграмм для псевдоупругих полимеров и клеевых соединений. Показана адекватность методик с использованием литературных и экспериментально полученных данных для полиметилметакрилата и модельной отвержденной эпоксиаминной композиции соответственно.

3. Получены кинетические С? - V диаграммы для клеевых соединений на основе трех типов клеев промышленных марок (ЭПК-1, К-300-61, ВК-9) и двух типов листовых материалов (слоистого стеклопластика КАСТ-В и алюминиевого сплава АМГ-6) в имитирующих и натурных условиях длительного воздействия факторов космического пространства в наземном и космическом (на Международной космической станции) активных экспериментов с использованием разработанной методики и аппаратуры для дистанционного контроля за докритическим ростом трещины при заданной нагрузке непосредственно в ходе эксперимента. Установлено повышение скорости докритического роста трещины в клеевых соединениях листовых материалов на 1 - 3 десятичных порядка при воздействии

137 факторов космического пространства в натурных условиях (при одинаковой нагрузке на трещину) по сравнению с наземными условиями.

4. Разработаны, прошли наземную отработку и использованы в длительном космическом эксперименте методика и аппаратура «КРТ» для дистанционного контроля за ростом трещины в полимерных слоистых материалах и клеевых соединениях непосредственно в условиях эксплуатации.

5. На основе полученных в результате длительных пассивных и активных космических экспериментов данных о влиянии факторов космического пространства на критические и докритические параметры трещиностойкости клеевых соединений листовых материалов, используемых и перспективных, для наружных элементов конструкций долговременных орбитальных комплексов, разработаны рекомендации по созданию устойчивых к воздействию факторов космического пространства полимерных слоистых материалов и клеевых соединений, проведены оценка и прогнозирование их долговечности с использованием (7- V диаграмм и выданы гарантии на продление срока эксплуатации соединений на орбитальных комплексах «Мир» и «МКС» до 15 лет.

2.5. Заключение

Проведенные пассивные эксперименты по длительной экспозиции клеевых соединений ПКМ в натурных и имитирующих воздействие ФКП условиях и систематические исследования в лабораторных условиях изменения структуры и свойств клеевой прослойки и критических параметров устойчивости к инициированию и росту предварительно заданных трещин показали, что трещина в таких соединениях растет преимущественно в межфазной области клеевой слой - слой связующего на поверхности ПКМ. Полученные данные свидетельствуют о резко выраженном воздействии ФКП, в особенности термоциклирования, высокого вакуума и атомарного кислорода на состав и структуру открытых поверхностей полимерных компонентов клеевых соединений вследствие удаления низкомолекулярных летучих компонентов и протекания химических реакций в объеме полимерных компонентов, а также окислительно-эрозионных процессов на свободных поверхностях, в том числе у краев дефекта, где концентрируются небольшие локальные напряжения. Задержка в оценке влияния этих эффектов на параметры и условия роста дефектов в пассивных экспериментах, обусловленная необходимостью извлечения образцов из места экспозиции, а также последействие наземных факторов, в первую очередь кислорода воздуха и влаги, затрудняют получение корректных данных о реальном поведении дефектов в условиях эксплуатации и использование этих данных для оценки и прогнозирования работоспособности и долговечности полимерных клеевых соединений в реальных условиях.

С этой точки зрения очевидно, что более целесообразна разработка методов дистанционного (in situ) контроля поведения дефектов, или трещин при заданных условиях нагружения и параметрах окружающей среды, позволяющих проводить такой контроль непосредственно в натурных или имитирующих натурные условиях, т. е. в активных экспериментах, и получать данные, позволяющие корректно оценивать и прогнозировать долговечность материалов и элементов конструкций. Разработке и исследованию такого метода применительно к росту трещин в полимерных клеевых соединениях при воздействии ФКП посвящена вторая часть исследований в данной работе.

Глава 3. Разработка и проверка расчетной методики оценки кинетики докритического роста трещин в полимерных материалах и клеевых соединениях

3.1. Разработка методики расчета кинетики докритического роста трещины и построения в-У диаграмм для стеклообразных полимеров с использованием подходов линейной механики разрушения и термофлуктуационной теории долговечности полимеров

Как показано в литературном обзоре, применение подходов ЛМР для анализа нагружения и псевдохрупкого роста трещины в квазиупругом теле с трещиной базируется на представлении об упругом поведении тела в целом и о развитии неупругих деформаций только в зоне вблизи вершины трещины, причем размер этой зоны значительно меньше размера трещины. Это позволяет использовать основные макромеханические соотношения ЛМР для расчета трещинодвижущих сил (ТДС) и критических условий инициирования трещины с учетом макрогеометрии тела и условий нагружения в сочетании с микромеханическими параметрами и деформационными критериями развития локальных неупругих зон вблизи вершины трещины, вводимых в соответсвующих моделях.

Применительно к стеклообразным полимерам, к которым относятся большинство отвержденных густосетчатых полимеров, в том числе эпоксидные полимеры, а также ПКМ и клеевые соединения на их основе, наиболее эффективной моделью локальной неупругой зоны вблизи вершины псевдохрупкой трещины является модель Баренблатта-Дагдейла (рис. 3.1). В этой модели локальная зона неупругих деформаций, или зона предразрушения, возникающая при действии макроскопических напряжений сг и являющаяся продолжением трещины, сдерживается когезионными силами (<тс), соответствующими для стеклообразных полимеров пределу вынужденной эластичности (образованию крейз или полос сдвига). Размер локальной зоны / и ее предельное (критическое) значение 1С как параметры нагрузки на трещину и критерии ее критического роста связаны с энергетическим параметром трещинодвижущей силы следующими соотношениями [45,49]: т т Г т а \ « /

V г

5 4 * С-*-> Ос

--сгс нни

Рис. 3.1. Схема локальной зоны неупругих деформаций (пояснения в тексте)

1 к Ев, ^ л ЕС1С 8 с 8

Другим важным параметром в этой модели, характеризующим нагрузку на трещину, является предельное локальное раскрытие неупругой зоны вблизи вершины трещины 8, равное диаметру закругления (или "затупления") вершины трещины перед неупругой зоной (см.рис.3.1). Величина 8 описывается соотношением [46, 50]: к +1 )сгг1 д = ~-(3.2)

ЛЦ О где: к - 3-4 уи к = ~ У для плосконапряженного и плоско деформированного

1-V состояния соответственно; у - коэффициент Пуассона; /и - модуль упругости при Е ч сдвиге (ц =-).

1-у)

Для плосконапряженного и плоскодеформированного состояний значения 5 и его критическая величина 8с связаны с энергетическим параметром трещинодвижущей силы (бу) и критерием критического роста трещины (Сь) соотношениями соответственно:

3.3)

5 =-, 0С=

3.4)

Критические условия инициирования и роста трещины в модели Баренблатта-Дагдейла могут быть определены как традиционными для ЛМР энергетическими и силовыми макромеханическими, так и деформационными микромеханическими (локальными) критериями. Макромеханические критерии соответствуют достижению параметрами ТДС, определяемыми нагрузкой на тело с дефектом и его геометрией, своих предельных значений, равных сопротивлению инициирования трещины КГ=К1С). Микромеханические критерии соответствуют достижению геометрическими параметрами локальной зоны неупругих деформаций своих предельных значений (1=10 б=5с), зависящих от предельной локальной деформируемости материала. Если нагрузка на трещину или локальная деформация неупругой зоны меньше предельной (С//<Ст1С, К1<К1С, 1<1& 8<8С), то быстрый (критический) рост трещины не может происходить и возможно только ее медленное докритическое подрастание в результате процессов, протекающих в неупругой зоне вблизи вершины трещины и уменьшающих сопротивление ее росту.

В предлагаемой нами модели при любой нагрузке на трещину, меньшей критической, в соответствие со схемой, приведенной на рис. 3.1, локальная зона неупругих деформаций развивается по псевдопластическому механизму вынужденной высокоэластичности в виде микрокрейз (под действием локальных растягивающих напряжений) или локальных полос сдвига (под действием сдвиговых напряжений) и сопровождается ориентационной вытяжкой полимерных цепей. В этой зоне на псевдопластически деформированный полимер действует постоянное локальное напряжение, равное предельному напряжению неупругих деформаций <тс и обусловленное действием когезионных внутри- и межмолекулярных связей. Докритическое подрастание трещины возможно как результат достижения локальных критических условий в неупругой зоне вследствие ослабления во времени когезионных сил и развития предельных деформаций из-за разрыва внутри- и межмолекулярных связей, в частности, по термофлуктуационному механизму, описываемому в теориях долговечности и длительной прочности полимеров [44, 114, 116], или в результате воздействия агрессивных сред (реагентов) и излучений.

Для описания зависимости сгс от времени ? вследствие термофлуктуационного механизма ослабления когезионных сил в настоящей работе используется уравнение кинетической теории прочности полимеров, часто называемое уравнением Журкова, которое базируется на представлении о решающей роли в разрушении полимера, при длительном действии малых нагрузок, повреждений на молекулярном уровне - активационных (термофлуктуационных) разрывов связей, аналогичных химическим реакциям или проскальзыванию цепей: tp=ToexVp0-r*<r]/k*T} (3.5) где: /р - статическая долговечность (время до разрушения); го - константа, совпадающая с периодом тепловых колебаний атомов; U0 - энергия активации разрыва связей; у- константа материала, характеризующая распределение нагрузки на связи и зависящая от структуры полимера; к - константа Больцмана; Т -температура; а - растягивающее напряжение.

Из уравнения Журкова может быть получено выражение для зависимости от времени сгс: и ИТ ac(t)=-2- - — In (t/T0) (3.6) у у

Используя это соотношение, а также макро- и микромеханические уравнения JIMP, связывающие нагрузку Р на образец с трещиной или смещение (деформацию) Л в нем с нагрузкой на трещину (G\ и.К{) (уравнения 1.5-1.9, глава 1, раздел 1.2) и геометрические параметры неупругой зоны вблизи вершины трещины / и Ôс G\ или Ki и ас (уравнения 3.1-3.4), соответственно, можно проанализировать возможности и найти способы расчета кинетики докритического роста трещины при различных условиях нагружения.

Ниже такой анализ проведен для двух основных видов длительного статического нагружения образца с трещиной типа ДКБ (см. рис. 1.2а, 1.9а, глава 1, раздел 1.2): при постоянной нагрузке Р и постоянном раскрытии трещины Л. За макромеханический параметр ТДС принят энергетический параметр G} в условиях плоско-напряженного состояния, а в качестве основной микромеханической характеристики неупругой зоны вблизи вершины трещины - ее максимальное раскрытие 8. При этом предполагается, что докритический рост трещины происходит тогда, когда величина макромеханического параметра ТДС (Gj) при заданной длине трещины а меньше критической (Gj<G]C), а микромеханический параметр достигает своего предельного значения (Ô=SC). Достижение трещиной своей критической длины (ас) и, соответственно, критического значения трещинодвижущей силы Gic приводит к критическому росту трещины.

Первый тип нагружения: постоянная нагрузка на образец (режим ползучести, />=const.).

Начальная длина трещины а0<аСУ раскрытие вершины трещины 8 в ненагруженном образце равно 0. Нагрузка Р<Рс прикладывается мгновенно и поддерживается постоянной, обеспечивая начальную нагрузку на трещину Gi(0) = 12Р ^ а ^

-Г~ < °1С (см. уравнение 1.9а, глава 1, раздел 1.2) и практически мгновенное

ЕЬп развитие неупругой зоны вблизи вершины трещины <5(0) = G/ ^ <SC (см. уравнение гс(0)

3.3), где <тс(0) - начальный предел текучести (крейзообразования) полимера. В процессе выдержки под нагрузкой S возрастает вследствие уменьшения сгс в соответствии с уравнением (2.4). За некоторое время, которое можно назвать индукционным периодом (iu), величина 8 достигнет критического значения (8=8С), что соответствует микромеханическому условию начала докритического подрастания трещины. Подрастание трещины сопровождается возрастанием макромеханической нагрузки на трещину (—>0), что делает его нестабильным, da т.е. самоускоряющимся и в зависимости от величины нагрузки Р этот процесс может достаточно быстро перейти в критическую стадию. Таким образом, при P=const экспериментально определить кинетику докритического подрастания трещины в псевдохрупких стеклообразных полимерах и, следовательно, получить G-V диаграмму практически невозможно, так как в течение основного периода времени происходит скрытое развитие неупругой зоны до критических размеров, а процесс докритического подрастания после его начала протекает с ускорением и достаточно быстро. В предлагаемой модели индукционный период развития неупругой зоны может быть рассчитан, исходя из микромеханических условий начала докритического подрастания трещины, (8=8С), только если задать характер изменения G\B этот период.

Второй тип нагружения: постоянное раскрытие трещины (режим релаксации нагрузки, ¿1-const.). Такой тип нагрузки можно осуществить двояко. В первом случае исходную трещину (а0<ас, <5=0) быстро раскрыть на величину Л, меньшую критической (Л<ЛС), и поддерживать ее постоянной. Начальная величина нагрузки на трещину в соответствии с уравнением 1.9а (см. главу 1, раздел 1.2 литобзора, зависящая только от длины трещины а:

3.7)

16а вызовет практически мгновенное раскрытие зоны неупругих деформаций до начальной величины <5(0)<<^

Также как и при первом типе нагружения до начала докритического роста трещины раскрытие неупругой зоны должно достичь значения 8С, то есть должен наблюдаться скрытый, индукционный период. После достижения микромеханического условия докритического подрастания трещины в отличие от Р=соти при А=сот\ это подрастание трещины должно быть стабильным, с1Сг так как —<0. Скорость этого процесса и ее зависимость от Сг\(а), то есть б-V да диаграмма, могут быть рассчитаны из условия: в) С/с

С7С(/) С7С( 0)

С использованием соотношений (3.6) и (3.7) получаем:

3.8) ~ * [^о - КТ 1п(—)] (3.9) 16а(/)4 у т0 где: - время, в течение которого трещина подрастает докритически: ^ = t-tu (/ - общее время нагружения; ¿и - индукционный период развития 8от ¿^0) до 8С). Из соотношения (2.7) получаем: а(/) =

3 ЕИ3А2у

ШС(У0 -ЯТЩ^-))

3.10); у= — = Л а(011Т

3.11)

88

Очевидно, что необходимость определения и учета индукционного периода докритического развития неупругой зоны затрудняет как расчет, так и экспериментальное определение С- V диаграммы при таком задании постоянного раскрытия трещины. Исключить необходимость определения ¿и можно, если сразу задать раскрытие трещины, большее или равное критическому, при ее исходной длине а0 и поддерживать А=сот1. Критическое раскрытие трещины вызовет ее быстрое подрастание на некоторую величину Аа, пока макромеханическая нагрузка на трещину (^(а) (см. уравнение 3.9) не станет меньше С^с и трещина не остановится. Длина трещины а(0)=ао+Аа принимается за начальную, локальное раскрытие неупругой зоны при этом соответствует критической величине д(0)=3с, и, следовательно, трещина с течением времени сразу, без индукционного периода, должна докритически стабильно подрастать. Для оценки скорости этого процесса и построения С-Vдиаграммы можно использовать соотношения (3.9-3.11), заменив ¿р на

При этом расчет С- V диаграммы для известных констант уравнения Журкова {ио, т0, у), критических параметров трещиностойкости (<, Зс) и деформационных прочностных свойств (Е, <тс) материала может быть проведен последовательно:

1. По формуле (3.10) рассчитывается зависимость длины трещины от времени для выбранных временных интервалов.

2. По формулам (3.9 и 3.11) рассчитываются зависимости (7/ и V от длины трещины в соответствующие периоды времени.

3. По зависимости С (а) и ¥(а) строится С- V диаграмма.

89

3.2. Проверка методики расчета кинетики докритического роста трещины и построения в-У диаграмм при постоянном раскрытии трещины стеклообразных полимеров

3.2.1. Полиметилметакрилат (ПММА)

Выбор ПММА для проведения модельных расчетов кинетики докритического роста трещины обусловлен большим числом проведенных исследований этого материала методами механики трещин и кинетической теории прочности и большим количеством имеющихся по нему литературных данных [50, 77-79]. В таблице 3.1 (в числителе) обобщены найденные в литературе и необходимые для проведения модельных расчетов данные о параметрах уравнения Журкова для ПММА (энергии активации процесса разрушения 1/0, структурно-чувствительном коэффициенте у и предэкспоненциальном множителе г0), критических значениях параметров 01С и Зс, а также о модуле упругости при растяжении Е и пределе текучести сгс. Там же (в знаменателе) приведены взятые для модельных расчетов значения вышеуказанных параметров.

Расчеты с помощью пакета компьютерных прикладных программ МаЛСаё проводили применительно к монолитным образцам ДКБ (см. рис. 1.8а, глава 1, раздел 1.2) со следующими геометрическими характеристиками:

0=25 мм; Д= 0,5 мм; /г=10 мм; ¿=20 мм.

При расчетах значение температуры принимали равным 300°^.

Полученные данные приведены в таблице 3.2 и на рис. 3.2-3.3.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шубин, Александр Николаевич, 2003 год

1. Исходные данные для выбора неметаллических материалов. Ограничитель П17375-082. БРК РКК «Энергия». -182 с.

2. Барбашов Е.А. и др. Некоторые результаты испытаний полимерных материалов после экспонирования в условиях открытого космоса. // Космическая технология и материаловедение. М.: Наука, - 1982. - С. 78-84.

3. Гуняев Г. М., Старцев О. В., Никишин Е. Ф. и др. Влияние натурной экспозиции в космосе на физико-механические свойства углепластика // Механика композитных материалов, 1983. - № 2. - С. 211 - 220.

4. Жигун И. Г. и др.Влияние длительного воздействия экстремальных условий на свойства предварительно нагруженных композитов при растяжении, сжатии и сдвиге // Механика композитных материалов, 1987, - № 5. - С. 813 - 821.

5. Старцев О. В., Никишин Е. Ф. Старение полимерных композитных материалов в условиях открытого космоса // Механика композитных материалов, 1993, - № 4, -С. 457-467.

6. Startsev О. V., Issupov V. V., Nikishin Е. F. The Gradient of Mechanical Characteristics Across the Thickness of Composite Laminates after Exposure in LEO Environment // Polymer Composites, Feb. 1998. V. 19. - № 1. - p. 435 - 444.

7. Козлов Н. А., Бабаевский П. Г. Изменение диэлектрических свойств полимерных материалов в условиях, имитирующих космические //Сб. трудов XXIV Чтений Циолковского /, ИИЕГ АН СССР, Москва, 1990, С. 114-120.

8. Babayevsky P. G., Kozlov N. A. New Data on Polymer and Composite Dielectricth

9. Properties during Long-Term Exposure in Space Environment // Proceedings of the 6 Japan International SAMDE Symposium. Tokyo, 1999, - p. 961-964.

10. Babayevsky P. G., Kozlov N. A., Shubin A. N. Techniques and Instrumentation for Development of Space Experiment on Polymer Materials //Aircraft Engineering and Aerospace Technology: An International Journal. 2001. - V. 73. - N 4, - p. 367-373.

11. Разработка методики и аппаратуры, неразрушающей электротопографической дефектоскопии слоев материалов и покрытий // Научно-технический отчет, Институт Физики АН УССР. 1987. - 120 с.

12. Григорян О. Р. и др. Прибор для экологического мониторинга на ОК «МИР» // Инженерная экология. 1997. - № 2. - С. 44-50.

13. Шаварин Ю. Я. и др. // Радиационная стойкость полимерных и полимерсодержащих материалов в условиях космоса. М.: НИИТЭХИМ. - 1988. -Вып. 9, - С. 91-109.

14. Милинчук В. К., Тупичов В.И., Брисман Б.А. и др. Радиационная стойкость органических материалов. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1986. 272 с.

15. Милинчук В. К., Клишпонт Э.Р., Туничов В.И. Основы радиационной стойкости органических материалов. М.: Энергоатомиздат, 1992, - 256 с.

16. A. S. Levine (Ed.) 1991-1995: LDEF 69 Months In Space // 1st - 3rd Post Retrieval Symposia. - NASA.-p. 3134-3194.

17. Elrod, P. D., Jones, A. C. Test and Evaluation Capability for Space-based Systems Developed at Arnold Engineering Development Center // ITEA Journal. 1993.

18. Tagaka, M. Recent Development of the Laser Induced Breakdown Type AO Source atit

19. Osaka University // 20 International Symposium on Space Technology and Science: Proceedings. Gifii, Japan. - May 19-25, 1996. - p. 1-5.

20. Tennison R. C. Space Environment Effects on Polymer Matrix Composites. the UTIAS / LDEF experiments // Proceedings of the 5th International Symposium on Materials in a Space Environment. - France, Toulouse. - CNES. - 1992. - p. 93-110.

21. Proceedings of the 1st- 8th International Symposia on "Material in Space Environment. Nordwijk, the Netherlands Toulouse, Arcachon, France. - ESA-CNES - ONERA. -1980-2000.-p. 788-790.

22. Proceedings of the 1st 5th International Conference on "Protection of Materials and Structures from the LEO Space Environments". Toronto - Canada. - 1992-2000. -531 p.

23. Proceedings of EOIM 3BMDO Experiment Workshop. - June 22-23, 1993. - Arcadia, California, USA. - 423 p.

24. Pailow A., Pailler C. Behaviour of Carbon/Epoxy Composites in simulated LEO and GEO environments // 6th International Symposium on Materials in a Space Environment: Proceedings. ESTEC, Nordwijk, the Netherlands. - ESA Publ., - 1994. - p. 95-102.

25. Tenney D. R. Composite Materials for Space Structures // 3rd International Symposium on Materials in a Space Environment, ESEC. Nordwijk, the Netherlands. - ESA publ. -1985,-p. 9-21.

26. Funk J. G., Sykes G. F. Space Radiation Effects on PEEK in Films and Composites // SAMPE Quarterly. 988. - V. 19. - N 3. - p. 19-26.

27. Rose M. F. Electrical Insulation and Dielectrics in the Space Environment // Electrical Insulation. 1987. -V. El-22. -N. 5. - p. 555-571.

28. Golub M. A., Vedeven T. Reactions of AO with Various Polymer Films // Polymer Degradation and Stability. 1988. - V. 22. -p. 325-338.

29. Arnold G. S., Peplinski D. R. Reactions of AO with Polymer Films //AIAA Journal. -1985. V. 23. - N 10. -p. 1621-1626.

30. Reddy M. R. Review: Effect of LEO Atomic Oxygen on Spacecraft Materials // J. Mater. Sci., V. 30. - 1995. - p. 281-301.

31. Pakirisami S. Review: AO Resistant Coatings for LEO Space Structures // J. Mater. Sci., -V. 30.- 1995.-p. 308-320.

32. Visentine D. MIR Solar Array Returned Experiment // AIAA 99-0100. 37th AIAA Aerospace Sciences. - Keno, NV, USA. - 1999.

33. Letin V. A., Babayevsky P. G. Comparative Analysis of Solar Array Fragments Degradation at Different Structures Scale during and after Long-Term Exposure Overboard the "Mir" Space Station // High Performance Polymers. 2001. - V. 13. -p. S453-S460.

34. Bogus K. Solar Array Environmental Interaction // Space Environment Prevention of Risks Related to Spacecraft Charging. Toulouse, France. - CNES. - 1996. -p. 353-365.

35. Tutrin Ju. Book of Abstracts 8th- ISMSE 5th - ICPMSE. - Arcachon, France. - June, 2000.-p. 51-58.

36. Babel H. K., Jones C. Materials and Process Technology Developed for the International Space Station // Proceedings of the 7th International Symposium on "Materials in Space Environment". Toulouse, France. - June, 1997. - p. 31 - 47.

37. Protection of Materials and Structures from LEO Space Environment. -Kluwer Acad. Publ., 1999, 331 p.

38. Tribble C. US Russian Thermal Control Coatings Results in LEO // J. Spacecraft and Rockets. - 1996. - V. 33. - N 1, -p. 160-167.

39. Новиков Jl. С., Черник В. Н., Бабаевский П. Г. и др. Исследование углепластика КМУ-4Л с покрытием ЭКДМ-1 при лабораторной имитации длительного полета в ионосфере // Перспективные материалы. 2001. - N 5. -С. 20-26.

40. Special issue papers: High Performance Polymeric Materials for Space Application, High Performance Polymers, 2000.- V. 12. N 1.-140 p.

41. Бокшицкий M. H. Длительная прочность полимеров. M.: Химия, 1978. - 308 с.

42. Нильсен Л. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. Пер. с анг. -М.: Химия, 1978. 310 с.

43. Нарисава И. Прочность полимерных материалов. Пер с яп. —М.: Химия, 1987. -398 с.

44. Кинлок Э. Адгезия и адгезивы: Наука и технология. Пер. с анг. М.: Мир, - 1991. - 484 с.

45. Тамуж В.П., Куксенко B.C. Микромеханика разрушения полимерных материалов. Рига: «Зинанте», 1978. 294 с.

46. Curtin, К. A., Scher, Н. Time-dependent damage evolution and failure in materials // Physical Rev. B. -1997. V. 55. - N 18. -p. 1238-1250.

47. Williams, J. G. Application of Linear Fracture Mechanics // Advances in Polymer Sci. Failure in Polymers. Springer, Berlin-Heidelberg, 1978, -N 4, - p. 67-120.

48. Бабаевский П. Г., Кулик С. Г. Трещиностойкость отвержденных полимерных композиций. М.: Химия, 1991. - 334 с.

49. Миллер К. Ползучесть и разрушение. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1986. -119 с.

50. Reifsnider, К. L. Life Prediction Analysis: Directions and Divagations // Proceedings of 6th ICCM 2nd ECCM. - Elsevier Appl. Sci., 1987. - V. 4. -p. 4.1-4.31.

51. Нешпор Г. С., Кудрявцева Г. Д., Армягов А. А. Методы получения R-кривых и их применение для оценки материалов // Заводская лаборатория. -1985. -т. 51. N1. -С. 64-73.

52. Баренблат Г.И. Математическая теория трещин, образующихся при хрупком разрушении // Прикл. математика и техническая физика. -1961. №4. -С. 3 - 56.

53. Панасюк В.В. Предельное равновесие хрупких тел с трещинами. Киев: Наукова Думка, 1968.-248 с.

54. Сиратори М., Миеси Т., Мацусита X. Вычислительная механика разрушения. Пер. с японск. М.:Мир, 1986. - 334 с.

55. В. 3. Партон, Е. М. Морозов. Механика упругопластичного разрушения. М.: Наука, 1985.- 183 с.

56. Evans A. G. A method for evaluating the time-dependent failure characteristics of brittle materials and its application to polycrystalline alumina // J. Mat. Sci., 1972. - V.7. -p. 1137- 1146.

57. Beer H. R. Static Fatigue and time failure predictions of particular filled epoxide resin composite // J. Mat. Sci., 1986. -V. 21. -p. 3661-3667.

58. A. G. Evans, H. Johnson. The fracture stress and its dependence on slow crack growth // J. Mat. Sci., 1975.-V. 21.-p. 241.

59. Броек Д. Основы механики разрушения. Пер.с англ. под ред В.К. Кудряшова. -М.Металлургия, 1978. 256 с.

60. Govila R.K. Material parameters for life prediction in ceramics // Ceramics for High-Performace Applications. Part III. Reliability. New York - London Plenum Press. -1983. -p.535-567.

61. B. J.Pletka, S.M. Wiederhorn. A comparison of failure predictions by strength and fracture mechanics techniques// J.Mat. Sci., 1982. V. 17. -p.1247- 1268.

62. Ritter J. E., Wiederhorn S. M., Fuller E. R. Application of fracture mechanics in assuring against fatigue of ceramics components // Ceramics for high-performance applications, ogy series. New York London: Plenum Press, 1983. - V.6. -p.503 - 533.

63. M.R.Begley, B.N.Cox, R.M.McMeeking II J. Of Engineering for Gas Turbines and Power. Oct. 1998. - V.120. - p. 808 - 812.

64. Quing Ma. A four-point bending technique for studying subcritical crack growth in thin films and at interfaces // J.Mater Sci., Mar. 1997. V.12. - No.3. -p. 840 - 845.

65. B. Rhanim, C.Olagnon, G.Fantozzi, R.Toerrcillas, Crack propagation behaviour in mullite at high temperatures by double-torsion technique // J. Eur.Cer.Soc., 1997. -V.17.-p. 85-89.

66. Г. В. Гаврилов. Длительная трещиностойкость вязкоупругого стареющего композита при статических нагрузках // Прикладная механика, 1999. -Том 35. -№2. С. 85 - 89.

67. А.А. Каминский, Г.В. Гаврилов. Докритический рост макротрещин в ортотропном вязкоупругом стареющем композите при статических нагрузках // Прикладная механика, 1999. Т. 35. - №6. -С.92 - 96.

68. D.T. Baron, T.C. Miller, C.T.Liu, Subcritical Crack Growth in a Composite Solid ropellant // J. Of Reiforced Plastics and Composites, 1999. -Vol.18. -No.3. -p. 233 -250.

69. Satoshi Zoshida, Jun Matsuoka, Naohiro Soga // J.Am.Ceram.Soc, 1999. -V.82 6. -p.1621 -1623.

70. D. C. Phillips, J. M. Scott. Determination of the K, V diagram of epoxide resins // J. Mat. Sci. Letters. 1974. - V. 9. - p. 1205.

71. Williams D.P., Evans A.G. A Simple Method for Studying Slow Crack Growth // J. Testing and Evaluation, 1973. -V.1.-N4. -p.264 270.

72. Athkins, A.G, Mai, Y. W. Elastic and plastic fracture: metals, polymers, ceramics, composites. -Chichester: Ellis Horwood Publ., 1985. 817 p.

73. Kinloch, A.J. & Shaw, S. J. Development in adhesives-2, Ed. by A. J. Kinloch. -London: Applied Science Publishers Ltd., 1984. 82 p.

74. Kausch, H. H. Polymer Fracture. 2nd ed. Chichester: Ellis Horwood Publ. -1987, -549 P

75. Beaumont P.W.R., Young R. J. Failure of brittle polymers by slow crack growth. Part 1: crack propagation in polymethylmethacrylate and time-to-failure predictions // J. Mater. Sci., 1975. V. 10.-pp.1334- 1342.

76. Marshall, G. P. Temperature effects in the fracture of PMMA // J. Mat. Sci., 1974. -V. 9. -p. 1409- 1419.

77. M. Parvin, J.G. Williams. The effect of temperature on the fracture of polycarbonate // J. Mat Sci., 1975. V.10. -p.1883 - 1888.

78. Gledhill, R.A., Kinloch, A. J. Failure criterion for the fracture of structural adhesive joints // Polymer, 1978. V. 19. - p. 574-582.

79. S. Yamini, R. J. Young. Crack propagation in and fractography of epoxy resins // J. Mat. Sci., 1979. -V. 13. pp. 1609-1618.

80. R.A. Gledhill, A. J. Kinloch and S.J. Shaw. A self-toughening mechanism in epoxide resins // J. Mat. Sci. Letters, 1979. -V. 14. -p.1769-1772.

81. R. A. Gledhill, A. J. Kinloch. Crack growth in epoxide resin adhesives // J.Mater. Sci. Letters, 1975. -V. 10. -p. 1261 1263.

82. Gledhill, R.A. & Kinloch. Relationship between mechanical properties of and crack propagation in epoxy resin adhesives // Polymer. 1978. -V.19. - p.574 - 582.

83. Philips, D.C., Scott, J. M. Determination of the K,V diagram of epoxide resins // J.Mater. Sci. Letters, 1974. -V.9. p. 1202 - 1205.

84. С. A. Stassinakis, P. S. Theocaris, V Kytopoulos. Slow crack propagation through biomaterial interfaces studied by scaning electron microscopy // J.Mater. Sci, 1986, V.21.-p. 1155- 1160.

85. R. J. Young, P.W.R. Beaumont. Failure of brittle polymers by slow crack growth. Part 2: Failure process in a silica particle-filled epoxy resin composite // J.Mater. Sci., 1975. -V.10. -p.1343 1350.

86. ASTM D 3762 79 (Reapproved 1988). Standard Test Method for Adhesive-Bonded Surface Durability of Aluminium (Wedge Test). Annual Book of ASTM Standards. -V. 15.06. - p. 268 -271.

87. ASTM D 3433 75. (Reapproved 1985) Standard Practice for Fracture Strength in Cleavage of Adhesives in Bonded Joints. - V. 15.06. - p.226 -232.

88. ASTM D 5041 93b. Standard Test Method for Fracture Strength in Strength in Cleavage of Adhesives in Bonded Joints, V. 15.06. - p. 415-419.

89. ASTM D 1876 72 (Reapproved 1983). Standard Test Method for Peel Resistance of Adhesives (T-Peel Test). - p. 120 - 122.

90. ASTM E 561 86. Standard Practice for R-curve Determination. - p. 571 - 582.

91. ASTM D 1062 78 (Reapproved 1983). Standard Test Method for Cleavage Strength of Metal-to-Metal Adhesive Bonds. - p. 49 - 51.

92. ASTM D 3933 80. Standard Practice for Preparation of Aluminum Surfaces for Structural Adhesives Bonding (Phosphoric Acid Anodizing). - p. 303 - 306.

93. ASTM D 2651 79 (Reapproved 1984). Standard Practice for Preparation of Metal Surfaces for Adhesive Bonding, - p. 165 - 169.

94. ASTM D 1183 70. (Reapproved 1987). Standard Test for Resistance of Adhesives to Cyclic Laboratory Aging Conditions. - p. 66 - 67.

95. ASTM D 1151 90. Standard Test method for Effect of Moisture and Temperature on Adhesive Bonds. - p. 64 - 65.

96. BS 5350: Part CT.1986. Determination of cleavage strength of adhesive bonds. 6 p.

97. BS 5350:Part C12:1979. 180° 'T' peel test for a flexible-to-flexible assembly. -4 p.

98. BS 5350:Part C7:1990. Determination of creep and resistance to sustained application of force. 4 p.

99. ISO 13586:2000. Plastics Determination of fracture toughness (GIC and KIC) -Linear elastic fracture mechanics (LEFM) approach. - 16 p.

100. ISO 15107:1998. Adhesives Determination of cleavage strength of bonded joints. - 5 p.

101. Методические рекомендации. Определение характеристик трещиностойкости полимерных композиционных материалов при статических нагрузках. -Львов: ФМИ АН УССР, 1984. -78 с.

102. J.KJethwa, A.J.Kinloch, G.Wallington. A new method for determining the adhesive fracture energy when bonding thin or coated substrates // J.Mat. Sci Letters, 1993. -V.14. p. 155- 157.

103. J.C.Mc.Millan. Durability test methods for aerospace bonding // Developments in Adhesives. Ed. Kinloch A.J. London: Applied Science Publishers, 1981. - 419 p.

104. Грабильников А. С., Ларина H. Д. Методы определения трещиностойкости клеевых соединений. // Нестандартные методы исследования структуры и свойств полимерных материалов. М.: МАТИ, 1990. - Вып. 6, -24 с.

105. Mostovoy, S., Ripling, Е. J. Adhesion Sci. And Technol., N-Y: Plenum Press, 1975,-p. 513-519.

106. Практикум по полимерному материаловедению. Под ред. П.Г. Бабаевского. -М.: Химия, 1980.-255 с.

107. Д. Ван Кревелен, Р. Хофтицер. Свойства и химическое строение полимеров. Пер. с англ. М.: Химия, 1976. 312 с.

108. П.Г. Бабаевский, А.Н. Шубин, П.Г. Вагстафф. Физико-механические свойства и характер разрушения эпоксиаминных композиций, отвержденных в виде пленок, клеевых прослоек и блочных образцов // Конструкции из композиционных материалов, 1999. -№4. -С. 36 47.

109. A.C. Любимов. Кратковременная и длительная прочность эпоксидных композиций холодного отверждения // Физико-химическая механика материалов. 1985. -Т. 21. - N 5. -С. 124-125.