Виктор Маркин - Контроль качества изготовления и технология ремонта композитных конструкций

Обычно уже в ненагруженном элементе отслоение имеет начальный прогиб, полученный, например, в процессе изготовления.

Расслоения могут происходить в слоистых композиционных материалах при механической обработке конструкции или детали, определенной технологическим процессом изготовления. Механическая обработка композиционных материалов имеет ряд особенностей, отличающих их от аналогичной обработки металлов. Наличие слоистой структуры композита способствует тому, что при износе режущих инструментов происходит расслоение материала. Кроме того, при перерезании армирующих волокон, особенно при перекрестном армировании, наблюдается разлохмачивание перерезанных волокон, что приводит к ухудшению качества поверхностного слоя, способствующему возрастанию влагопоглощения и снижению несущей способности конструкции.

Оптимальные для конкретных условий эксплуатации физико-механические и теплозащитные свойства композиционных материалов практически полностью достигаются формированием заданной пространственной структуры и зависят от степени соответствия реальной структуры расчетным параметрам, поэтому наличие структурных нарушений (дефектов) в композите может стать решающим фактором, определяющим работоспособность современных изделий.

Характерной особенностью структурных дефектов пространственно-армированных композиционных материалов является то, что наряду с дефектами, присущими традиционным материалам (трещины, раковины, поры, рыхлоты, посторонние включения и т. д.), могут образовываться дефекты, характерные только для данного вида композитов, связанные с особенностями структуры армирующего каркаса и метода формирования матрицы. Причем характер дефектов, возникающих на различных этапах изготовления материала, существенно отличается друг от друга.

На стадии изготовления каркасов возникают дефекты, связанные с отклонениями от следующих расчетных параметров структуры: направление укладки армирующих жгутов, периодичность расположения структурных элементов, расстояние между жгутами и пакетами жгутов, объемное содержание жгутов в каждом направлении армирования.

Дефекты, которые образуются на этапе формирования матрицы, связаны, в основном, с отклонениями от расчетного распределения плотности конечного материала, хотя и не исключены нарушения структуры армирующего каркаса, возникающие на различные рода подготовительных операциях. На этом же этапе возможно образование, вследствие нарушения технологических режимов насыщения таких дефектов, как раковины, рыхлости и трещины.

Дефекты типа «посторонние включения», обычно металлического характера, могут образовываться на каждом этапе изготовления изделий из композиционных материалов.

Проведенные исследования позволили определить характер влияния различных видов структурных дефектов на физико-механические и теплозащитные свойства композитов.

Наличие различного шага укладки жгутов вдоль координатных осей может быть одной из причин отличия расчетных значений упругих констант от реальных характеристик материалов.

Наличие искривленных волокон в ортогонально-армированном композиционном материале существенно снижает его жесткость при растяжении и сжатии. Создание предварительного натяжения арматуры при изготовлении каркасов способствует некоторому увеличению модулей упругости и прочности в направлении натяжения за счет исключения случайных искривлений жгутов, однако чрезмерное натяжение в одном направлении может вызвать нарушение ортогональности в других. Исследования показали, что отклонения армирующих жгутов от заданного направления армирования даже на 3° может приводить к снижению прочности композита до 20%.

Уменьшение числа армирующих жгутов в каком-либо направлении обычно является следствием их припусков или обрывов и приводит к снижению прочности композиционного материала при растяжении. Так, при уменьшении числа жгутов в рабочем сечении образцов материала КИМФ, подвергнутых механическим испытаниям, с 9 до 6 прочность при растяжении снижается на 30%.

Повышенная пористость оказывает заметное влияние на модуль упругости в трансверсальном направлении, где содержание волокон мало, а влияние матрицы на формирование жесткости указанного направления весьма значительно. Кроме того, дефекты при изготовлении деталей и узлов из композиционных материалов могут возникать в процессе механической обработки. Наиболее типичными из них являются отслоение, водопоглощение, структурные дефекты, разрушение армирующих волокон.

Возникновение деструктированного диспергированного слоя, значительно ухудшает эксплуатационные характеристики изделий из композитов.

При контактном взаимодействии полимера с металлом (инструментом) возбуждается механический процесс, повышается кинетическая активность системы. Этот процесс протекает с массовым образованием свободных радикалов за счет разрыва ковалентных связей у макромолекул. Для образования свободных микрорадикалов при механическом воздействии на полимер требуется энергия порядка 210–240 кДж/моль.

Поскольку в процессе резания контактируют ювенильные поверхности металла и полимера, то это приводит, с одной стороны, к пластифицированию металлической поверхности, а с другой – к углублению процесса деструктирования макромолекул, вызываемого каталитическим действием металла.

Как известно, наличие кислорода резко изменяет механизм и скорость деструкционных процессов. Экспериментально подтверждены интенсивные окислительные процессы, происходящие в зоне резания, что в свою очередь указывает на углубление процессов деструкции полимера.

В результате деструкции в зоне резания находятся продукты деструкции – метиленовые, гидроксильные, карбонильные и альдегидные группы, углеродо-водородные комбинации, являющиеся поверхностно активными веществами, которые вызывают специфический вид износа инструмента. Кроме того, в результате деструкции полимера обильно выделяются летучие вещества, в том числе и токсичные. Степень деструкции можно оценить сравнительно, т. е. по числу стабильных микрорадикалов в весовой единице поверхностного слоя.

С точки зрения эксплуатационных характеристик поверхностного слоя в результате деструкции представляет несомненный интерес определение глубины деструкции. На размер и интенсивность деструктивных процессов влияет главным образом теплота, выделяемая в зоне резания, и механическое воздействие, приводящее к разрыву цепей полимера. Толщина дефектного поверхностного слоя материала после механической обработки составляет 350–420 мкм.