Д.т.н. Данилов А.М., к.т.н. Круглова А.Н.

Пензенский государственный университет

архитектуры и строительства, Россия

Модифицированные эпоксидные композиты:

оценка свойств методом акустической эмиссии

Многие из используемых для исследования различных свойств эпоксидных композиционных материалов методов не позволяют непосредственно зафиксировать кинетику дефектообразования. Весьма информативным является метод акустической эмиссии (АЭ), позволяющий не только определить интенсивность, но и другие параметры (момент возникновения, положение, скорость и направление развития и др.) процесса дефектообразования. Любые изменения структуры твёрдого тела, связанные с образованием и развитием дефектов, сопровождаются сигналами акустической эмиссии. Тип эмиссионного излучения определяется характером развивающихся дефектов. Упругие деформации сопровождаются эмиссией незначительной интенсивности; пластическая деформация–непрерывным эмиссионным излучением средней интенсивности (образование микротрещин); образование магистральных трещин – импульсами с высокой амплитудой и энергией (резко выделяются при воздействии помех и шума). При различных типах источника акустическая эмиссия может представляться как импульсные или непрерывные сигналы излучения (генерируемые развивающейся трещиной или при пластической деформации).

По результатам собственных и исследований других авторов при изучении связи параметров АЭ с физико-механическими свойствами композитов использовать следующие скалярные критерии:

- (характеризует условную полную энергию АЭ, – амплитуда АЭ);

- , (отношения амплитуд АЭ на участках: I – линейной упругой работы, II – нелинейной упругой работы, III – близкий к области пластического деформирования, к сумме амплитуд на этих участках);

- , (отношения активностей АЭ на участках I, II, III, к сумме активностей на всех трех указанных участках);

- , (отношения интенсивностей АЭ на участках I, II, III, к сумме интенсивностей на всех трех указанных участках).

В экспериментах исследовались две серии эпоксидных связующих, наполненных отходами производства оптического стекла (ОПОС). В первой, с объемной степенью наполнения 0,2, в матричный материал (ММ) вводился полиметилфенилсилоксан (ПМФС); во второй серии, с объемной степенью наполнения 0,5, он распределялся по поверхности наполнителя (аппретирование). Учитывались предполагаемые границы области с интенсивными структурными трансформациями (образование перколяционного и жесткого каркаса из частиц наполнителя).

Кинетика условной средней энергии и интенсивности АЭ приводятся на рис.1-4. Определение указанных критериев при разрушении ЭС осуществлялось на основе исследований сигналов АЭ, возникающих при их механических испытаниях.

Рис. 1. Кинетика условной средней энергии АЭ для состава серии №1	Рис. 2. Кинетика интенсивности АЭ для состава серии №1
Рис. 3. Кинетика условной средней энергии АЭ для состава серии №2	Рис. 4. Кинетика интенсивности АЭ для состава серии №2

Места локальных перенапряжений в силу гетерогенного строения ЭС являются очагами разрушений (завершается макроскопическим разрушением). При разрушении происходит динамическое перераспределение напряжений, сопровождающееся возникновением упругих волн. При выходе на поверхность образца они фиксируются приемным преобразователем как сигналы акустической эмиссии.

В случае высоконаполненных компаундов разрушение материала носит квазихрупкий характер; упругие деформации, развивающиеся в структурных элементах материала, не вызывают эмиссионного излучения (при напряжениях, не превышающих 80% от временного сопротивления, акустическая эмиссия практически не регистрируется). Разрушение высоконаполненных компаундов при лавинообразном нарастании макротрещин сопровождается высоким уровнем эмиссионного излучения. Очевидно, в высоконаполненных составах импульсы акустической эмиссии порождаются микродефектами адгезионного типа: разрушение сравнительно неплотных переходных слоев для компаунда с высоким содержанием модифицирующей добавки сопровождается существенно меньшим уровнем эмиссии.

По-видимому, при акустическая эмиссия возникает от взаимных перемещений и пластического деформирования структурных элементов (на стадии, непосредственно предшествующей разрушению). Значения критериев F1, F2, F3 для оценки параметров АЭ соответствующих участкам линейной и нелинейной упругой работы материала и в области пластического деформирования приводятся в таблицах 1…4

Таблица 1. Коэффициенты корреляции для полной условной энергии АЭ

Свойство	Коэффициент корреляции
	до ФНЧ	после ФНЧ
Временное сопротивление	0,05	0,32
Относит. Деформация при	-0,02	-0,26
Модуль деформации	-0,05	0,21

Таблица 2.Коэффициенты корреляции для F-критерия,
связанного с амплитудой АЭ

Свойство	Коэффициент корреляции
	F1	F2	F3
Временное сопротивление	0,10	-0,47	0,29
Относит. Деформация при	-0,06	0,64	-0,45
Модуль деформации	0,03	-0,56	0,41

Таблица 3. Коэффициенты корреляции для F-критерия,
связанного с активностью АЭ

Свойство	Коэффициент корреляции
	F1	F2	F3
Временное сопротивление	-0,05	-0,51	0,51
Относит. Деформация при	-0,02	0,75	-0,69
Модуль деформации	-0,07	-0,61	0,61

Таблица 4. Коэффициенты корреляции для F-критерия,
связанного с интенсивностью АЭ

Свойство	Коэффициент корреляции
	F1	F2	F3
Временное сопротивление	-0,18	-0,59	0,63
Относит. Деформация при	0,18	0,76	-0,78
Модуль деформации	-0,24	-0,66	0,73

Наибольшими по модулю являются коэффициенты корреляции, вычисленные для критерия , соответствующего активности или интенсивности АЭ (0,51 и 0,63 – для временного сопротивления, -0,69 и -0,78 – для относительной деформации при разрушающем напряжении, 0,61 и 0,73 – для модуля деформации). Они более чем в два раза превосходят соответствующие значения, вычисленные для условной средней энергии.

Таким образом, очевидны целесообразность и эффективность использования сигналов акустической эмиссии для оценки свойств материалов на основе корреляционных зависимостей между ними. Наибольшие значения коэффициентов корреляции между временным сопротивлением и модулем деформации характерны для структурно-чувствительных критериев и на участках пластического деформирования. Оценку разрушения наполненного эпоксидного связующего целесообразно производить по критерию F3.

Литература:

1. Системный анализ в строительном материаловедении: Монография / Баженов Ю.М., Гарькина И.А., Данилов А.М, Королев Е.В. / Москва: МГСУ, 2012.-432 с.

2. Данилов А.М., Гарькина И.А. // Математическое моделирование сложных систем: состояние, перспективы, пример реализации. Вестник гражданских инженеров, №2(70), 2012, с. 5-11