Оценка механических свойств армирующих волокон и нитей - особенности деформирования
При изучении механических свойств новых видов волокон, используемых для армирования, особенно сверхпрочных и сверхвысокомодульных, работающих в высоконагруженных материалах и изделиях, оказалось, что ряд уже ставших традиционными методик, принятых для химических волокон и нитей технического назначения, нуждается в корректировке или специальной разработке. Поэтому ниже рассмотрены некоторые методы испытаний армирующих волокон и нитей, позволяющие оценить их применимость в качестве армирующих компонентов в композитах. Кроме того, потребовалась разработка ряда новых методов, специфических для оценки армирующих характеристик волокон и нитей. Особенно важной является оценка «поперечной» неравномерности филаментов в пучке (нити).
Рассмотрим процесс деформирования элементарных нитей (филаментов) и их «коллектива» в виде нескрученного пучка с минимальным фрикционным взаимодействием между ними. В этом случае на основе деформации отдельных филаментов можно построить картину деформации их пучка.
Деформирование реального пучка филаментов будет зависеть от особенностей взаимодействия между ними, определяемого силами трения. Очевидно, что фрикционное взаимодействие между филаментами возрастает по мере увеличения длины образца или создания крутки. Это можно видеть по мере того как пучку придается некоторая крутка, увеличивающая эффект фрикционного взаимодействия.
Особенности оценки механических свойств сверхвысокомодульных и сверхпрочных армирующих волокон и нитей
Метод «сухого пучка» позволяет определить среднюю прочность филаментов, если они фрикционно не связаны. Образец некрученой нити имеет малую длину (желательно 10 мм), и его концы склеены быстро твердеющей смолой. Малая длина гарантирует минимальное трение между филаментами. Для единичного испытуемого пучка определяется работа деформирования до разрыва. Работа деформирования до разрыва может быть представлена как сумма работы для всех филаментов:
W*н=ΣW*ф=0,5Σσ*фε*ф
Относительная деформация при разрыве
.
Тогда средняя прочность нитей может быть вычислена по уравнению:
и 
- средняя работа деформирования до разрыва филамента и волокна;
и 
- разрушающее напряжение волокна и его среднее значение,
и 
- удлинение при разрыве волокна и его среднее значение,
и 
- среднее поперечное сечение волокна и длина образца нити,
Eн - модуль деформации филамента (нити).
Этот метод в случае прямолинейной или близкой к ней диаграммы растяжения дает результаты в удовлетворительной корреляции с многократными (занимающими длительное время) испытаниями отдельных филаментов. Практические ограничения для этого метода связаны с неточностью определения модуля упругости и длины отрезка испытуемой нити. Поэтому данный метод используется в действительности главным образом для углеродных, керамических, стеклянных и других волокон/нитей, которые находятся в глубоко застеклованном (хрупком) состоянии (для них диаграмма деформирования - прямая, что соответствует закону Гука). Модуль упругости для этих волокон/нитей определяется из акустических данных, поскольку для них результаты этого определения дают цифры, равные механическому модулю.
Следует заметить, что испытания одиночных углеродных волокон являются особо трудоемкой работой, и метод «сухого пучка» для них - удачный практически приемлемый метод.
Размерный (масштабный) эффект разрывных характеристик нитей. Наличие размерного (масштабного) эффекта следует из статистической (физической) теории разрушения твердых тел. Присутствие дефектов в нитях, которые случайным образом распределены относительно их длины и различаются по размеру и степени опасности, приводит к тому, что характер гистограмм и средние значения разрывных характеристик зависит от размера образца. Причина этого - большая вероятность попадания более крупных и опасных дефектов с ростом длины образца.
На основе теории слабого звена и статистического анализа прочности твердых тел, а также экспериментально показано, что прочность филаментов или нитей в зависимости от их зажимной длины описывается показательной функцией. Эта зависимость аппроксимируется прямой линией в логарифмических координатах:
и 
- средние значения разрывных характеристик: прочности, удлинения и работы при деформировании до разрыва;
, 
и 
- экспериментально определяемые коэффициенты;
l - длина образца.
Для быстрой оценки размерной зависимости размера механических свойств и степени дефектности филаментов и нитей, можно использовать коэффициенты kp b ke, которые равны отношению средней прочности и среднего удлинения при различной зажимной длине:
kp =P*2/P*1 и kε=ε*2/ ε*1
Значения l1 и l2 для филаментов и нитей выбираются различающимися, например, на один десятичный порядок: для филаментов 5-10 мм и 50-100 мм и для нитей 30-50 мм и 300-500 мм. Значения коэффициентов kp b ke, различны и заключаются в диапазоне 0,55-0,98 для различных филаментов и нитей. Чем меньше эти коэффициенты, тем меньшая дефектность и большая однородность в механических свойствах. Чтобы оценивать размерный эффект, можно также использовать произведение этих коэффициентов kp´ke, который характеризует отношение работы деформирования до разрыва при двух различных длинах. Этот показатель более чувствителен при оценке дефектности и неравномерности образцов.
Таким образом, размерные коэффициенты - это новые критерии для того, чтобы оценивать дефектность и неравномерность нитей и их можно рекомендовать для прогнозирования стабильности переработки в различных технологических процессах.
Укажем на некоторые методические проблемы испытаний сверхвысокомодульных и сверхпрочных нитей. Процедура и оборудование для проведения испытаний высокопрочных и высокомодульных нитей имеют свою специфику. Среди этих особенностей следует назвать следующие:
1. Невозможность использования устаревших динамометров маятникового типа, поскольку маятниковые приборы не позволяют фиксировать полную (включая правую часть) диаграмму растяжения. Следует заметить, что практически все современные динамометры снабжены электронными датчиками и позволяют вести необходимые испытания.
2. Вследствие малой деформативности нитей и высокой нагрузки при испытаниях возрастает вероятность погрешностей, связанных с зажимными устройствами: люфты, деформации прокладок в зажимах и др. Поэтому необходимо применение динамометров, снабженных надежными зажимными устройствами, способными выдерживать высокие нагрузки и надежно закреплять образцы без их травмирования, возникновения разнодлинности филаментов в нитях (эффект «бочки») и возможных перекосов.
3. Для исключения ошибок при определении модуля упругости нитей с очень высокими значениями модуля упругости (более 60-100 ГПа), связанных с возможными «паразитными» деформациями в зажимных устройствах, можно предложить метод оценки деформации при двух длинах филаментов или нитей и отнесения разности деформаций к разности соответствующих нагрузок, рекомендованный в работах.
4. Особенностью закрепления образцов высокопрочных и высокомодульных нитей является выбор типа зажимов. Для определения прочности целесообразно применение зажимов типа «улитки», тогда как для определения модуля упругости и удлинения при разрыве - плоских зажимов.
5. Особое внимание должно быть уделено надежности закрепления высокопрочных и высокомодульных нитей в зажимных устройствах для исключения проскальзывания отдельных филаментов, что может исказить деформационные характеристики.
6. Для определения разрывных характеристик сверхпрочных и сверхвысокомодульных нитей необходимо заклеивание образцов в специальные прокладки с применением быстротвердеющего связующего. Это же относится к испытаниям микропластиком. Необходимо применение процедуры заклеивания образцов с помощью специально подобранных связующих, не вызывающих набухания и изменения свойств нитей.
Оценка изменения свойств технических (сверхпрочных и сверхвысокомодульных) нитей при эксплуатационных воздействиях. В практике переработки и эксплуатации технических (в том числе высокомодульных и высокопрочных) нитей необходима оценка изменения механических свойств и по полученным данным причин происходящих изменений их структуры - протекания изменений молекулярной/надмолекулярной структуры. Это, например, можно оценить по изменению диаграмм растяжения при термическом старении нитей. Изменение диаграммы растяжения (изменение модуля упругости по начальной части кривой растяжения, положения точек разрыва) позволяет оценить происходящие структурные изменения: структурное старение, деструкцию или изменение жесткости молекулярных цепей при циклизации или образовании межмолекулярных сшивок.
Изменение размерного эффекта разрывных характеристик и изменение диаграммы растяжения дает важную информацию относительно увеличения дефектности в течение процесса старения волокон и нитей.
Инверсная оценка интегральной дефектности структуры и неравномерности по нормированным показателям их механических свойств. Механические свойства высокоориентированных филаментов и технических нитей зависят от двух групп структурных факторов: общего уровня упорядоченности надмолекулярной структуры и дефектности. Оценка деформативности и разрывных характеристик позволяют получить существенную информацию относительно двух указанных характеристик структурного совершенства образцов, если использовать нормализованные значения модуля упругости и разрушающего напряжение по отношению к соответствующим предельно-достижимым (Епр) или теоретическим (sпр) значениям.
Модуль упругости E зависит только от общей структурной упорядоченности филаментов - числа нагруженных молекулярных цепей, этот показатель нечувствителен к структурным дефектам. Нормализованные значения реального экспериментального модуля упругости дают возможность вычислить коэффициент KE , характеризующий упорядоченность структуры образцов:
KE = E/Eпр
Прочность филаментов зависит одновременно от общей упорядоченности структуры и от наличия структурных и локальных дефектов. Нормализация величины разрушающего напряжения производится к предельно достижимой (при 293 K) или теоретической прочности (s*пр или s*теор) что соответствует коэффициентам Ks* и Ks**, позволяющим сравнивать относительную сумму структурной упорядоченности/неупорядоченности и дефектности оцениваемых образцов.
Ks* = s*/s*пр и Ks** = s*/s*теор
Разница коэффициентов (KE - Ks) дает относительную оценку интегральной дефектности (одновременно на молекулярном, надмолекулярном и микроуровне). Структурная неоднородность и дефектность были оценены для различных технических филаментов и нитей: полиэфирных, параарамидных, углеродных (графитированных) и др.
Метод импульсно-акустической эмиссии оценки «поперечной» неравномерности филаментов в нити
В процессах разрушения твердых тел возникает ряд физических эффектов, что происходит и при разрушении волокон и нитей. В месте разрыва каждого филамента возникают импульсы светового и электромагнитного излучения. Однако эти импульсы чрезвычайно слабы и трудно регистрируются. Более надежным является использование возникающего акустического импульса, энергия которого во много раз больше, поскольку отдается весь запас работы, затраченной при деформировании каждого филамента.
Метод акустической эмиссии дает возможность исследования процессов прорастания трещин при разрушении твердых тел, в том числе волокон, нитей и текстиля. Однако при изучении процессов разрушения нитей (некрученых пучков филаментов) появляется возможность «слушать» процесс поочередного разрыва каждого отдельного филамента. Спектр отдельных импульсов при разрыве позволяет понимать весь процесс разрушения (неодновременный разрыв филаментов) и определять наличие неоднородности свойств - «слабых» дефектных филаментов. Это уже принципиально новое в оценке механики комплексных нитей.
В импульсно-акустическом методе параллельный пучок филаментов (раскрученная нить) подвергается растяжению до полного разрыва всех филаментов. Поочередное разрушение каждого филамента в процессе растяжения пучка дает акустические импульсы, которые фиксируются акустическим датчиком и регистрируются измерительной системой. Датчик прикреплен к зажиму динамометра и связан с электронной регистрационной системой.
Все акустические импульсы и диаграмма растяжения регистрируются и позволяют фиксировать координаты каждого импульса по шкале деформаций. Только одна компактная группа импульсов при разрыве возникает для предельно однородного пучка. Чем больше неоднородность и наличие дефектных филаментов, тем больше ширина акустического спектра импульсов. Величина и положение первого импульса или первых импульсов, которые находятся на расстоянии от главной группы импульсов разрыва, дают информацию относительно количества и степени дефектности филаментов.
Импульсно-акустический метод позволяет по результатам нескольких испытаний нитей подробно оценить их внутреннюю или «поперечную» неравномерность и дефектность. Это чрезвычайно важно в производстве технических, особенно высокомодульных и высокопрочных нитей, так как позволяет вести постоянный контроль состояния фильеры и появление дефектных нитей при их формовании и последующих операциях вытягивания. Он также дает важную информацию о процессе переработки этих нитей и появлении ненормальностей в технологии.
Импульсно-акустический метод очень перспективен также для изучения разрушения и других волокнистых (текстильных) материалов: тканей, трикотажных полотен, нетканых материалов.
Подробнее см. книгу «Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты», вышедшую в издательстве «Научные основы и технологии».