Труды КНЦ (Технические науки вып.1/2023(14))

Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2023. Т. 14, № 1. С. 40-45. Transactions of the to la Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2023. Vol. 14, No. 1. P. 40-45. Вклад от воздействия каждого из указанных в функции f факторов зависит как от типа климата, так и от индивидуальных особенной ПКМ [9] и может влиять на общий баланс физико-химических превращений (пластификацию, набухание, гидролиз, доотверждение полимерных матриц, активируемых влагой, деструкцию под действием солнечной УФ-радиации и кислорода воздуха, структурную релаксацию наполнителя, связующего и границы их раздела, образование, микротрещин на поверхности и в объеме образцов и др. [5-9, 13, 14]), определяющих kR. В работах [1, 13, 15] показано, что главной причиной уменьшения kR ПКМ в регионах с холодным климатом является суточное и сезонное термоциклирование, которое создает скачки внутренних напряжений и формирует микрорастрескивание полимерных матриц ПКМ. Формирование микротрещин под воздействием внутренних напряжений в П КМ Чтобы обосновать изменение показателей R из совокупности факторов в функции (1) выделим те главные причины, которые определяют старение ПКМ в условиях экстремально холодного климата. Анализ, проведенный в [1, 5, 6, 13-14], раскрыл главную особенность влияния холодного климата на свойства ПКМ, которой является возникновение внутренних напряжений, вызванных неодинаковым термическим расширением армирующих волокон и полимерных матриц при понижении температуры и термоциклировании. Эти внутренние напряжения при сезонных и суточных термоциклах [1] вызывают появление микротрещин, их слияние и формирование макроповреждений в объеме связующего или на границе с волокнами. При продолжении термоциклирования остаточная прочность уменьшается. В работе [15] были изучены механические свойства 6-8-слойных стеклопластиков и углепластиков на основе эпоксидных матриц после охлаждения в камере до -60 °С и циклирования от -60 до +60 °С. Такие режимы характерны для климата Якутска [5], особенно с учетом перегрева образцов при освещении Солнцем. После воздействия 150 термоциклов было выявлено существенное понижение Ot, вызванное действием внутренних напряжений OmL, которые определяются соотношением: = Vf Ef Em(af - от) _ (2) mL Vf Ef+VmEm Ѵ оУ’ где E — модуль упругости, V — объем, а — коэффициент линейного термического расширения, T — температура, OL— напряжения вдоль волокон, индексы m и f относятся соответственно к полимерной матрице и волокну. По оценкам [1] OmL в климатических условиях Якутска достигают значений 40-60 МПа для композитов, отвержденных при 190 °С. Такие напряжения, развивающиеся в полимерных матрицах, превышают уровень прочности при межслойном сдвиге, составляющий 20 -40 МПа. Поэтому низкая зимняя температура в зоне экстремально холодного климата увеличивает уровень внутренних напряжений и приводит к потере адгезионного взаимодействия на границе полимерная матрица — волокно, способствует формированию новых микротрещин и микродефектов и ухудшает механическую прочность ПКМ. Дополнительной причиной возрастания O mL в климатических условиях является термовлажностное циклирование. Для ПКМ с гидрофильными связующими и/или волокнами зависимость их механических свойств от влагосодержания объясняется эффектами пластификации несвязанной влагой, гидролизом и доотверждением химически и физически связанной влагой [6]. При сорбции влаги также происходит набухание полимерных матриц, при котором изменение линейных размеров полимерных матриц пропорционально концентрации поглощенной воды: С = Pmiw _ Wo) = Pm^W, (3) где Wo — начальная концентрация влаги; — коэффициент влажностного расширения. Набухание полимерных матриц при сорбции влаги создает внутренние напряжения в компонентах ПКМ, величина которых определяется выражениями: VfEfE„ ,.w _ _ ѵш vf w _ v m s _ 4 (4) mL VfEf+VmEm (Pf f Pm m), (5) afL v amL • где o L — механические напряжения вдоль волокон, обусловленные набуханием, индексы m и f относятся, соответственно, к полимерной матрице и волокну. Скачки влажностных напряжений увеличивают амплитуду внутренних напряжений и повышают вероятность образования микротрещин. © Лебедев М. П., Старцев О. В., 2023 43