Повышение стойкости к растрескиванию стеклопластика с помощью промежуточного слоя

В процессе формования изделий из стеклопласти­ков на границе раздела наполнителя со связующим возникают остаточные напряжения. Наиболее су­щественный вклад в напряженное состояние материа­ла вносят термические напряжения. Они появляются при охлаждении формуемого изделия вследствие раз­личия термоупругих свойств связующего и наполни­теля.

Уровень этих напряжений может быть столь ве­лик, что даже в ненагруженном изделии образуются микротрещины. Если остаточные напряжения сум­мируются с напряжениями, возникающими под дейст­вием внешней нагрузки, то резко возрастает опас­ность образования трещины. При этом нарушает­ся герметичность изделия, ухудшаются его диэлектри­ческие свойства, начинается разрушение материала.

Одним из способов снижения остаточных микронап­ряжений является создание на границе раздела на­полнителя со связующим промежуточного эластично­го слоя . Установлено, что формировать такие слои целесообразно с использованием явления изби­рательной адсорбции поверхностью наполнителя не­обходимого компонента связующего.

Объектом изучения служил стекловолокнит с однонаправлен­ным расположением волокон на основе фенолрформальдегидного связующего резольного типа. Стойкость к растрескиванию стеклопластика характеризовали плотностью поверхностной энергии разрушения (у), поскольку она является мерой сопротивления материала началу разрушения. Проявление трещин фиксировали по изменению его жесткости (G) и логарифмического декремента затухания механических вынужденных колебаний стеклопласти­ка (б). При этом предполагалось, что «G» и «б» достаточно чувстви­тельны к изменениям, происходящим в материале под действием микронапряжений, так как образование новых поверхностей в образцах должно влиять на работу сил трения и, следовательно, на «G» и «б». Для определения у на образцы стеклопластика длиной 240 мм и шириной 50 мм наносили дефект в виде трещины. Ло­гарифмический декремент затухания и жесткость измеряли на образцах микростеклопластика длиной 150 мм и диаметром 0,5 мм.

Методика оценки «у» основана на построении диаграммы раз­рушения образца. Образцы ис­пытывали на универсальной испытательной машине при скорости деформирования 5 мм/мин. Величину «у» определяли на основании зависимости, вытекающей из энергетического метода Гриффитса.

Жесткость и логарифмический декремент затухания измеряли с помощью торсионного маятника.

Критические напряжения в микростеклопластиках, при которых происходит растрескивание связующего, создавали охлаждением образцов в жидком азоте. Первые замеры произ­водили после выдержки в течение 1 ч, последующие — через каж­дые 3 сут. Максимальная длительность экспозиции составила 12 сут.

Поскольку эластичные промежуточные слои формировались избирательной адсорбцией оксиалкиленорганосилоксановых блок-сополимеров различной молекулярной массы, то предполагалось, что толщина этих слоев и, следовательно, влияние на параметры стойкости к растрескиванию стеклопластика будут различными. Толщину адсорбционных слоев блок-сополимеров оценивали ме­тодом эллипсометрии. Полированное стекло алюмоборсиликатного состава с показателем преломления 1,5166 (при 20 °С и длинне волны 632,8 нм) обрабатывали хромпиком, промывали дистилли­рованной водой и высушивали. После обработки поверхности его выдерживали в течение 24 ч в спиртовых растворах блок-сополи­меров, концентрации которых соответствовали критической кон­центрации мицеллообразования. Затем стёкла с адсорбирован­ными на них слоями блок-сополимеров промывали спиртом и высушивали. Толщину адсорбционных слоев измеряли на эллипсометре в двух зонах при угле падения 70° с точностью опре­деления азимутов в положении гашения 2'. Результаты интер­претировали с помощью номограмм, рассчитанных на ЭВМ по формулам Друде для однослойной однородной пленки.

Анализ экспериментальных данных показал, что плотность поверхностной энергии разрушения однонаправленного стеклопластика при введении на границу раздела промежуточного слоя толщиной по­рядка 20—25 нм увеличивается в 2—3 раза:

Значения па­раметров трещиностойкости определяли по результатам ис­пытаний 12 образцов.

Меньшее увеличение плотности поверхностной энергии разрушения при формировании слоя из сополимера с молекулярной массой 3000, чем в случае эластичного слоя с молекулярной массой 1500, объяс­няется меньшей гибкостью макромолекул сополи­мера. В образцах без промежуточного слоя после 1 ч экспозиции в жидком азоте наблюдается резкое воз­растание механических вынужденных колебаний, которое продолжается в течение 9 суток. Это свидетельствует о возникновении в мате­риале новых поверхностей, вызванных растрескивани­ем материала. Более высокое значение механических вынужденных колебаний микростек­лопластиков без промежуточного слоя в исходном со­стоянии может быть связано с большим уровнем оста­точных микронапряжений, вызвавших появление тре­щин в связующем еще до выдержки в жидком азоте.

Возникновение трещин в пластиках приводит и к рез­кому снижению их жесткости. В образцах с промежуточным эластичным слоем наблюдается не­значительное увеличение механических вынужденных колебаний, которое прекращается че­рез 3—6 суток выдержки в жидком азоте. Жесткость та­ких образцов остается практически неизменной.

Таким образом, промежуточные эластичные слои в стеклопластике, сформированные избирательной адсорбцией блок-сополимеров, снижая уровень остаточ­ных микронапряжений в материале, повышают его стойкость к растрескиванию.

К списку