Диагностика состояния металлополимерных композиционных материалов во влажной среде

• Автор: Кузнецов, Андрей Александрович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Барнаул
• Количество страниц: 132 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
1. ВЛИЯНИЕ ВЛАГИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (МПКМ)
1.1. ОСОБЕННОСТИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СОВРЕМЕННЫХ СЛОИСТЫХ МЕТАЛЛОПЛАСТИКОВ ТИПА СИАЛ (GLARE)

1.2. ВЛАГОПЕРЕНОС И ЕГО МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПКМ И МПКМ

1.3. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ВЛАГИ С ЭПОКСИДНОЙ МАТРИЦЕЙ ПКМ И МПКМ

1.4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕНЕНИИ СВОЙСТВ МПКМ В ПРОЦЕССЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЛАГИ

1.5. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СВОЙСТВ МПКМ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

2.1. ВЫБОР ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. ПЛАН ЭКСПЕРИМЕНТОВ

2.1.1. СОРБЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫЙ АНАЛИЗ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

2.1.2. ОТБОР ОБРАЗЦОВ
2.1.3. АППАРАТУРА, СРЕДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ
2.1.4. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЯМ
2.1.5. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ
2.1.6. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
2.2. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ КОРРОЗИИ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛАСТИН В ОБРАЗЦАХ МПКМ НА УПРУГИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА
2.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБРАТИМОГО ВЛИЯНИЯ ВЛАГИ НА УПРУГИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
2.3.1. ИЗМЕРЕНИЕ МОДУЛЯ СДВИГА В ПЛОСКОСТИ ЛИСТА МЕТОДОМ ТРЕХОПОРНОГО ИЗГИБА
2.3.2. АЛГОРИТМ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ВЛАГИ НА УПРУГИЕ СВОЙСТВА КМ
2.3.3. АДЕКВАТНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ДМА- И ТИ-ИЗМЕРЕНИЙ
2.4. ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОЙ СРЕДЫ НА МЕЖСЛОЙНЫЙ ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ
2.4.1. УСТРОЙСТВО ЯЧЕЙКИ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СДВИГОВОЙ ДЕФОРМАЦИИ
2.4.2. АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ МЕЖСЛОЙНОЙ ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМАЦИИ НА УСТАНОВКЕ ИМАШ 5С
2.4.3. КАЛИБРОВКА ИЗМЕРЕНИЙ НАГРУЖАЮЩЕЙ СИЛЫ
2.4.4. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ НА МЕЖСЛОЙНЫЙ СДВИГ
2.5. ДИНАМИЧЕСКИЙ МЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
2.6. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ СПЕКТРОМЕТРИЯ
2.7. МЕТОД ЛИНЕЙНОЙ ДИЛАТОМЕТРИИ
2.8. ОБРАБОТКА ДАННЫХ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНОГО ПАКЕТА FITTER
3. ОСОБЕННОСТИ ВЛАГОПЕРЕНОСА В СИАЛАХ И ВЛИЯНИЕ ВЛАГИ НА ИХ СВОЙСТВА
3.1. АНОМАЛЬНАЯ ДИФФУЗИЯ НА СТАДИИ СОРБЦИИ В МПКМ
3.2. АНИЗОТРОПИЯ ВЛАГОПЕРЕНОСА И ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТНОЙ КРОМКИ
3.3. ПЛАСТИФИКАЦИЯ ЭПОКСИДНОЙ МАТРИЦЫ В СИАЛАХ

3.4. ВНУТРЕННИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ПОЛИМЕРНОЙ КОМПОНЕНТЕ МПКМ
3.5. КОРРОЗИЯ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПЛАСТИН ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА В ОБРАЗЦАХ МПКМ СИАЛ-1Н И АЛОР
3.6. НЕОБРАТИМОЕ ВЛИЯНИЕ КОРРОЗИИ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛИСТОВ СИАЛОВ НА ДИНАМИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ СДВИГА
3.7. ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОЙ СРЕДЫ НА УПРУГИЕ СВОЙСТВА ПКМ И МПКМ
3.8. ВЛИЯНИЕ ВЛАГИ НА МЕЖСЛОЙНЫЙ ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ МПКМ
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛАГОПЕРЕНОСА И ВЛИЯНИЯ ВЛАГИ НА МОДУЛЬ СДВИГА В
СИАЛах
4.1. ДВУМЕРНАЯ ФИКОВСКАЯ ДИФФУЗИЯ В МПКМ НА СТАДИИ ДЕСОРБЦИИ
4.1.1. ТЕОРИЯ ДВУМЕРНОЙ ФИКОВСКОЙ ДИФФУЗИИ В ПЛАСТИНУ С КОНЕЧНЫМИ РАЗМЕРАМИ
4.1.2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕСОРБЦИИ ВЛАГИ ДЛЯ ОБРАЗЦОВ СИАЛ-1Н
4.2. ПРОВЕРКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ МОДЕЛИ ПРИ ПРОГНОЗИРОВАНИИ ВЛАГОПЕРЕНОСА В КОНТРОЛЬНЫХ ОБРАЗЦАХ МПКМ
4.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕСОРБЦИИ ВЛАГИ ДЛЯ ОБРАЗЦОВ СИАЛ-
4.4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОРБЦИИ И ДИФФУЗИИ ВЛАГИ С ПОМОЩЬЮ АДДИТИВНОЙ МОДЕЛИ .
4.5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕСОРБЦИИ ВЛАГИ ДЛЯ ОБРАЗЦОВ СИАЛ-1Н НА ВТОРОМ ЦИКЛЕ «УВЛАЖНЕНИЕ - СУШКА»
4.6. УМЕНЬШЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРНОЙ РЕЛАКСАЦИИ НА ВЛАГОПЕРЕНОС В СИАЛ-1Н НА
ВТОРОМ ЦИКЛЕ «УВЛАЖНЕНИЕ-СУШКА»
4.7. ОБРАЗОВАНИЕ ГИДРООКИСИ НА ВНЕШНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ СИАЛОВ
4.8. АППРОКСИМАЦИЯ ЗАВИСИМОСТИ МОДУЛЯ СДВИГА СИАЛОВ И СТЕКЛОПЛАСТИКОВ ОТ ВРЕМЕНИ УВЛАЖНЕНИЯ
4.9. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МОДУЛЯ СДВИГА МПКМ ОТ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
БЛАГОДАРНОСТИ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
При изготовлении обшивки летательных аппаратов и других конструкционных изделий авиационного назначения с высокими эксплуатационными свойствами хорошо зарекомендовали себя гибридные слоистые материалы типа СИАЛ [1 - 3]*. СИАЛ - слоистый металлополимерный композиционный материал (МПКМ), состоящий из чередующихся листов алюминиевого сплава и слоев стеклопластика с регулируемой прочностью и теплостойкостью. Стеклопластик получают по технологии клеевых препрегов [1,4], состоящих из кордной ткани на основе стекловолокон, пропитанной эпоксидным связующим [1,5]. СИАЛы разрабатываются Всероссийским институтом авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ») как перспективный класс конструкционных материалов, обладающих эксплуатационными свойствами, значительно превосходящими аналогичные у современных обшивочных материалов планера. Они обладают преимуществами по плотности, усталостной прочности, вязкости разрушения, ударной прочности, другим механическим показателям, а также по огнестойкости и коррозионной устойчивости по сравнению с монолитными листами из традиционных алюминиевых сплавов типа Д16ч, 1163, В95оч и др. [1, 2, 6, 7]. В России, помимо ФГУП «ВИАМ», над разработкой технологии создания МПКМ работают и другие коллективы [8, 9]. Особенную актуальность МПКМ приобрели при использовании клеевой технологии соединения внахлест [1, 10,11] отдельных элементов обшивки, взамен клепанных соединений, являющихся концентраторами напряжений и источниками зарождения трещин. Это повышает надежность обшивки. Меньшая
' СИАЛ - аббревиатура от слов: Стекло И АЛюминий.
На втором этапе обработки рассматриваем влагоперенос в МПКМ как двумерный поток, который происходит через незащищенные торцы образца. Поэтому, учитывая анизотропию полимерной компоненты МПКМ, рассматриваем двумерную диффузию на стадии десорбции, описываемую решением дифференциального параболического уравнения второго порядка (4.4) для всей совокупности исследуемых образцов. Тензор коэффициента диффузии находим как эффективные параметры О*, и йн в ортотропных направлениях в процессе повторной обработки десорбционных данных по всей совокупности образцов одновременно. При этом учитываем влияние дефектной кромки на предельную убыль влаги и используем параметры, определенные на первом этапе обработки данных в (4.5), как начальные в процессе минимизации суммы квадратов разностей между соответствующими точками эксперимента и модели. Таким образом производим переопределение диффузионных параметров, характерных для материала в целом: И/0" В, С, Р, Он, позволяющих учесть конечные размеры образцов и анизотропию свойств МПКМ. Фиксируем, эти параметры для использования на стадии сорбции.
Вычисляем разницу (4.6) между сорбционным экспериментом и моделью с параметрами, найденными на стадии десорбции, далее аппроксимируем полученную разницу суммой релаксационной и химической составляющих (4.7).
Особенность протекания неравновесных процессов (релаксация, химическая реакция) заключается в том, что их можно разделить по времени. Сначала активно протекают релаксационные процессы, а после накопления материалом сорбента, начинает развиваться реакция окисления на поверхности металлических листов. Опорной точкой для разделения процессов по времени является точка пересечения кривых сорбции и десорбции. Начиная с этой точки,