Старение полимерных композиционных материалов в условиях экстремально холодного климата

УДК 539.4:551.58

  • Олег Владимирович Старцев Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр СО РАН» (Якутск, Россия)
  • Михаил Петрович Лебедев Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН (Якутск, Россия)
  • Анатолий Константинович Кычкин Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН (Якутск, Россия)
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, термоциклы, внутренние напряжения, микротрещины, деструкция, вода, замерзание, плавление, прочность

Аннотация

Представлен обзор исследований воздействия температуры, влаги, солнечной радиации и других агрессивных факторов внешней среды на свойства полимерных композиционных материалов для обоснования механизма их старения в условиях экстремально холодного климата. Показано, что в композитах развиваются внутренние напряжения, вызванные неодинаковым термическим расширением армирующих волокон и полимерных матриц. Эти внутренние напряжения вызывают появление микротрещин, их слияние и формирование макроповреждений в объеме связующего или на границе с волокнами. Стеклопластики, углепластики и другие армированные материалы, экспонируемые в открытых климатических условиях, могут накапливать в порах и капиллярах воду, способную превращаться в твердую фазу при температурах ниже 0 оС и усиливать внутренние напряжения. Под воздействием УФ компоненты солнечной радиации даже в холодном климате поверхность материалов подвергается деструкции и микрорастрескиванию, увеличивая число источников внутренних напряжений. Под воздействием сезонных и суточных термоциклов механические свойства композиционных материалов ухудшаются.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Metrics

Загрузка метрик ...

Биографии авторов

Олег Владимирович Старцев, Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр СО РАН» (Якутск, Россия)

доктор технических наук, главный научный сотрудник

Михаил Петрович Лебедев, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН (Якутск, Россия)

доктор технических наук, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник

Анатолий Константинович Кычкин, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН (Якутск, Россия)

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник

Литература

Pochiraju K.V., Tandon G.P., Schoeppner G.A. Long-term durability of polymeric matrix composites. Springer, 2012.

Martin R. Ageing of composites. Cambridge, 2008.

Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 г. // Авиационные материалы и технологии. 2012. № S.

Ruzek R., Behal J. Certification programme of airframe primary structure composite part with environmental simulation // International Journal of Fatigue 2009. Vol. 31. URL: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2008.05.028.

Булманис В.Н., Старцев О.В. Прогнозирование изменения прочности полимерных волокнистых композитов в результате климатического воздействия // Якутский филиал СО АН СССР; Институт физико-технических проблем Севера. Якутск, 1988.

Vapirov Y.M., Krivonos V.V., Startsev O.V. Interpretation of the anomalous change in the properties of carbon-fiber-reinforced plastic KMU-1u during aging in different climatic regions. // Mechanics of Composite Materials. 1994. Vol. 30. URL: https://doi.org/10.1007/BF00635852.

Панин С.В., Старцев О.В., Кротов А.С. Диагностика начальной стадии климатического старения ПКМ по изменению коэффициента диффузии влаги // Труды ВИАМ. 2014. № 7.

Startseva L.T., Panin S.V., Startsev O.V., Krotov A.S. Moisture diffusion in glass-fiber-reinforced plastics after their climatic aging // Doklady Physical Chemistry. 2014. Vol. 456. URL: https://doi.org/10.1134/S0012501614050054.

Каблов Е.Н., Старцев В.О. Системный анализ влияния климата на механические свойства полимерных композиционных материалов, по данным отечественных и зарубежных источников // Авиационные материалы и технологии. 2018. № 2.

Каблов Е.Н., Старцев В.О., Иноземцев А.А. Влагонасыщение конструктивно-подобных элементов из полимерных композиционных материалов в открытых климатических условиях с наложением термоциклов // Авиационные материалы и технологии. 2017. № 2.

Славин А.В., Старцев О.В. Свойства авиационных стеклопластиков и углепластиков на ранней стадии климатического воздействия // Труды ВИАМ. 2018. № 9.

Dexter H.B. Long-term environmental effects and flight service evaluation of composite materials. // Report NASA. 1987. No. NASA TM-89067.

Hoffman D.J. Bielawski W.J. Environmental exposure effects on composite materials for commercial aircraft // NASA. CR-187478. 1990.

Baker D.J. Ten-Year Ground Exposure of Composite Materials Used on the Bell Model 206L Helicopter Flight Service Program // NASA Technical Paper 3468, ARL Technical Report 480. Hampton. Virginia. 1994.

Vodicka R. Environmental Exposure of Boron-Epoxy Composite Material // DSTO Aeronautical and Maritime Research Lab., Melbourn, Australia, DST0-TN-0309. 2000.

Nishizaki I., Sakurada H., Tomiyama T. Durability of Pultruded GFRP through Ten-Year Outdoor Exposure Test // Polymers. 2015. Vol. 7. URL: https://doi.org/10.3390/polym7121525.

Bulmanis V.N., Gunyaev G.M., Krivonos V.V., Mashinskaya G.P., Merculova V.N., Milyutin G.I., Gerasimov A.A. Kuz'min S.A. Atmospheric durability of polymer-fiber composite in cold climate // Mechanics of Composite materials. 1991. Vol. 27. URL: https://doi.org/10.1007/BF00808081.

Kychkin A.K., Lebedev M.P., Kychkin A.A., Matveeva O.I., Marachovskii P.S. Investigation of the coefficient of linear temperature expansion of composite rods and heavy concrete // Atlantis Highlights in Material Sciences and Technology. Vol. 1. International Symposium "Engineering and Earth Sciences: Applied and Fundamental Research" (ISEES 2019). 2019. URL: https://doi.org/10.2991/isees-19.2019.87.

Бабенко Ф.И., Герасимов А.А., Родионов А.К., Сухов А.А., Федоров С.П., Федоров Ю.Ю. Оценка эксплуатационных характеристик полимерных материалов и изделий в условиях холодного климата // Вестник ЯГУ. 2006. Т. 3.

Каблов Е.Н., Лебедев М.П., Старцев О.В., Голиков Н.И. Климатические испытания материалов, элементов конструкций, техники и оборудования в условиях экстремально низких температур // Труды VI Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. Т. 1. Якутск, 24-29 июня 2013 г. Якутск, Ахсаан, 2013.

Петрова А.П. Свойства клеев и материалов на их основе в условиях Арктики. Обзор // Клеи. Герметики. Технологии. 2017. № 4.

Startsev V.O., Lebedev M.P., Kychkin A.K. Influence of moderately warm and extremely cold climate on properties of basalt plastic armature // Heliyon. 2018. Vol. 4. Article e01060.URL: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2018.e01060.

Андреева Н.П., Павлов М.Р. Николаев Е.В., Курносов А.О. Исследование влияния воздействия атмосферных факторов на свойства полимерного конструкционного стеклопластика на цианэфирной основе в естественных условиях холодного, умеренного и тропического климата // Труды ВИАМ. 2019. № 3.

Авиационные материалы. Справочник в 13 томах. Т. 13. Климатическая и микробиологическая стойкость неметаллических материалов / под общ. ред. Е.Н. Каблова. М., 2015.

Dutta P.K. Structural fiber composite materials for cold regions // J. Cold Reg. Eng. 1988. Vol. 2. URL: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0887-381X(1988)2:3(124).

Старцев О.В., Медведев И.М., Кротов А.С., Панин С.В. Зависимость температуры поверхности образцов от характеристик климата при экспозиции в натурных условиях // Коррозия: материалы, защита. 2013. № 7.

Hahn H.T. Residual Stresses in Polymer Matrix Composite Laminates // J. of Composite Materials. 1976. Vol. 10. URL: https://doi.org/10.1177/002199837601000401.

Startsev O.V., Krotov A.S., Startseva L.T. Interlayer Shear Strength of Polymer Composite Materials During Long Term Climatic Ageing // Polym. Degrad. and Stab. 1999. Vol. 63. URL: https://doi.org/10.1016/S0141-3910(98)00086-X.

Li H., Xian G., Lin Q., Zhang H. Freeze-thaw resistance of unidirectional-fiber-reinforced epoxy composites // Journal of Applied Polymer Science. 2012. Vol. 123. URL: https://doi.org/10.1002/app.34870.

Pride R.A. Environment effects of composites for aircraft // CTOL Transport Technol. 1978.

Ray B.C., Rathore D. Environmental Damage and Degradation of FRP Composites: A Review Report // Polymer Composites. 2015. V0l. 36. URL: https://doi.org/10.1002/pc.22967.

Abdelmola F., Carlsson L.A. Water uptake in epoxy matrix with voids: Experiments and modeling. // Journal of Composite materials. 2018. 2018. V 21.

Abdelmola F., Carlsson L.A. State of water in void-free and void-containing epoxy specimens // Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2019. Vol. 26. URL: https://doi.org/10.1177/0731684419833469.

Kablov E.N., Startsev O.V, Krotov A.S., Kirillov V.N. Climatic aging of composite materials: 1. Aging mechanisms // Russ. Metall. 2011. № 10. URL: https://doi.org/10.1134/S0036029511100065.

Kablov E.N., Startsev O.V, Krotov A.S., Kirillov V.N. Climatic aging of composite aviation materials: 2. Relaxation of the initial structural nonequilibrium and through thickness gradient of properties // Russian Metallurgy (Metally). 2011. №. 10. URL: https://doi.org/10.1134/S0036029511100077.

Kablov E.N., Startsev O.V, Krotov A.S., Kirillov V.N. Climatic aging of composite aviation materials: 3. Significant aging factors // Russ. Metall. 2012. № 4. URL: https://doi.org/10.1134/S0036029512040040.

Tsotsis T.K. Effects of Sub-Freezing Temperatures on Graphite/Epoxy Composite Materials // J. of Engineering Materials and Technology. 1989. Vol. 111. URL: https://doi.org/10.1115/1.3226492.

Сокова С.Д. Выбор электроизоляционных материалов для ремонта с учетом их совместимости и особенностей эксплуатации // Вестник МГСУ 2010. № 4.

Bansil R., Wiafe-Akenten J., Taaffe J.L. Raman spectroscopy of supercooled water // J. Chem. Phys. 1982. Vol. 76. URL: https://doi.org/10.1063/L443295.

D'Arrigo G., Maisano G., Mallamace F., Migliardo P., Wanderlingh F. Raman scattering and structure of normal and supercooled water // J. Chem. Phys. 1981. Vol. 75. URL: https://doi.org/10.1063/1.442629.

Morishige K., Yasunaga H., Matsutani Y. Effect of pore shape on freezing and melting temperatures of water // J. Phys. Chem. 2010. Vol. 114. URL: https://doi.org/10.1021/jp910759n.

Nakamura K., Hatakeyama T., Hatakeyama H. Studies on bound water of cellulose by differential scanning calorimetry. // Textile Research Journal. 1981. Vol. 51.URL: https://doi.org/10.1177/004051758105100909.

Zhou J., Lucas J.P. Hygrothermal effects of epoxy resin. Part I: the nature of water in epoxy // Polymer. 1999. Vol. 40. URL: https://doi.org/10.1016/S0032-3861(98)00790-3.

Tian H., Wei C., Lai Y., Chen, P. (2018). Quantification of Water Content during Freeze-Thaw Cycles: A Nuclear Magnetic Resonance Based Method. // Vadose Zone Journal. 2018. Vol. 17. № 160124. URL: https://doi.org/10.2136/ vzj2016.12.0124.

Verghese K. Haramis J., Patel S., Senne J., Case S., Lesko J. Enviro-mechanical durability of polymer composites // In book Long Temi Durability of Structural Materials / eds by P.J.M. Monteiro, K.P. Chong, J. Larsen-Basse, K. Komvopoulos. 2001. URL: https://doi.org/10.1016/B978-008043890-0/50012-2.

ASTM D7792 / D7792M-15. Standard Practice for Freeze/Thaw Conditioning of Pultruded Fiber Reinforced Polymer (FRP) Composites Used in Structural Designs. ASTM International, West Conshohocken, PA. 2015.

Lopez-Anido R., Michael A.P., Sandford T.C. Freeze-thaw resistance of fiber-reinforced polymer composites adhesive bonds with underwater curing epoxy // J. of Materials in Civil Engeneering. 2004. Vol. 16. URL: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0899-1561(2004)16:3(283).

Starzhenetskaya T.A., Davydova N.N. Change of the physicomechanical properties of fibrous polymer composites exposed to moisture and low temperatures // Mechanics of Composite materials. 1996. Vol. 31. UTL: https://doi.org/10.1007/BF00632625.

Heshmati M., Haghani R., Al-Emrani M. Durability of CFRP/steele goints under cyclic wet-dry and freeze-thau conditions // Composites Part B. 2017. Vol. 126. URL: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2017.06.011.

Jedidi J., Jacquemin F. Vautrin A. Accelerated hygrothermal cyclical tests for carbon/epoxy laminates // Composites. Part A. 2006. Vol. 37. URL: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2005.05.007.

Karbhari V. M. Response of Fiber Reinforced Polymer Confined Concrete Exposed to Freeze and Freeze-Thaw Regimes. Journal of Composites for Construction, 2002. Vol. 6. URL: https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0268(2002)6:1(35).

Awaja F., Zhang S., Tripathi M., Nikiforov A., Pugno N. Cracks, microcracks and fracture in polymer structures: Formation, detection, autonomic repair //Progress in Materials Science. 2016. Vol. 83. URL: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2016.07.007.

Chin J.W Durability of composites exposed to ultraviolet radiation. / In book: Durability of Composites for Civil Structural Applications / ed. by V.M. Karbhari. 2007. Woodhead Publishing Limited. URL: https://doi.org/10.1201/9781439824399.ch5.

Belec L., Nguyen T.H., Nguyen D.L., Chailan J.F Comparative effects of humid tropical weathering and artificial ageing on a model composite properties from nano- to macroscale // Composites. Part A. 2015. Vol. 68. URL: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2014.09.028.

Николаев Е.В., Павлов М.Р, Лаптев А.Б., Пономаренко С.А. К вопросу определения сорбированной влаги в полимерных композиционных материалах // Труды ВИАМ. 2017. № 8.

Lu T., Solis-Ramos E., Yi Y.-B., Kumosa M. Synergistic environmental degradation of glass reinforced polymer composites // Polymer Degradation and Stability. 2016. Vol. 131. URL: https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2016.06.025.

Опубликован
2020-03-06
Как цитировать
1. Старцев О. В., Лебедев М. П., Кычкин А. К. Старение полимерных композиционных материалов в условиях экстремально холодного климата // Известия Алтайского государственного университета, 2020. № 1(111). С. 41-51. URL: http://izvestiya.asu.ru/article/view/%282020%291-06.