Старение полимерных композиционных материалов в условиях экстремально холодного климата
УДК 539.4:551.58
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
Metrics
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.
