Wpływ temperatury na własności tłumiące żywicy epoksydowej zbrojonej włóknami ciągłymi

(1)

Seria: H U TN I CT W O z. 15 Nr kol. 546

Izabela HYLA, Oózef ŚLEZIONA, Michał GU ZI KOW SK I

Polite ch nik a śląska

Instytut Inż yn i er i i M at er iałowej

W P Ł Y W TEM PE R AT U R Y NA W ŁA SN O Ś CI TŁUMIĄCE ŻYWICY E P 0K S YD 0 W E3 Z BR O OO NEO W Ł ÓK NA MI CIĄGŁYMI

S t r e s z c z e n i e . W pracy prze dst aw io no wy n ik i badań oraz wz o r y em- piryczn e pozwa laj ąc e ustalić m odu ły sprężystości E i lo gar y t mi c z

ne d e k r e m en t y tłumienia kompozytów: żywica - w łók no szklane i żywi  ca - drut stalowy, w szerokim zakresie temperatur. Badania do ty c z y

ły żywicy epoksydowej E-51 zbrojonej w ł ók na mi ciągłymi.

1. Wstęp

Przy pr o jek to wa niu e l em en tów prz ez na czo ny ch do pracy pod dzi ał an i em ob

ciążeń okres ow o zmi en ny ch oprócz danyc h tradycyjnych stałych ma te r i a ł o  wych konieczna jest równ ież zna jomość dyna mi czn eg o mo dułu sprężystości oraz ws pó łcz yn nik a tłumienia. W pr zy padku gdy przewiduje się możliwość pra cy danego elem en tu w te mperaturach różnych od te mperatury otoczenia, istotna Jest ponadto te mperaturowa zal eżność tych wi e l koś ci (jL, 2, 5, 6j.

Za le żno ść ta ma sz czególnie duże znaczenie w m at er ia łac h kom po zytowych z osnową polimerową, której stałe materi ał owe mogą zm ieniać się dość z na c z  nie nawet przy niewie lk ich skokach temperatury. Przy tworzywach te r mo pl as  tycznych wi ąże się to w dużym stopniu z przecho dze ni em tworzywa, w n ie  wi el k i m zakresie temperatur, od stanu szklistego poprzez w y s o k oe l as t yc z n y do lepki eg o płynięcia. Wp r ow a d ze n ie do takiej osnowy koMponer.tu z b ro j ąc e  go, odpo rn ego na wysoki e temperatury, obniża wr aż liw oś ć termiczną m at e  riału finalnego, j e dn ak że jedy ni e w pewnych ograniczo ny ch rozmiarach.

Badania pro wa dz one dla tworz yw kompozyto wy ch z polimerową osnową, zbro-, jonych różnego rodzaju komponentami, wykazały, że wzrost ilości fazy zbr o

jącej powoduje ja kb y równoległe prz es unięcie krzywej E = f(T) ku wyższym war to śc i om mo d u łó w sprężystości, natomiast nie w pły wa na zmianę kształtu krzywej, co ilustrują p rz yk ła dow o w yk r e sy na rys. 1.

W n io s e k ten d o tyc zy danego, p rz yję te go typu zbrojenia. Przy zmianie kształtu lub w y m i a r ó w komponentu zb ro ją c e go równoległość ta zostaje za

chwiana (rys. 2).

(2)

84 I. Hyla i inni

Rys. 1. Zal eżn oś ć modułu sprężysto- Rys. 2. Zmiana modułu spr ężystości ści E od temper at ur y dla poli- E w zależn ośc i od temper at ury i chlor ku wi nylu z b ro j on e g o kulkami rodzaju zb ro jenia [l]

szklanymi o średnicy d = 44 a m ril . . . . . „

7 y r t- 4 1 - PCW bez zbrojenia, 2 - PCW

1 - PCW bez zbrojenia, 2 - PCW + wz mo cn i o ne kulkami szklanymi (d = 2 5 % u.c. zbrojenia, 3 PCW + 4 0 % = 44/im), 3 - PCW wzm oc n io n e włók-

u.c. zb ro jenia nem sz klanym o długości 1 = 140 ¿im, 4 - PCW wz mo cn ion e włók nem szk la 

nym o dług ośc i 1 = 2 0 0 ¿im

Za ob se r w ow a na pr aw idł ow oś ć zmian, wy st ęp ują ca zarówno w o d nie si en iu do mo du łów spr ężystości jak również do lo ga ryt mi cz neg o dekrementu tłumienia, stwarza moż liwość opr acowania pewnych zależności funkcyjnych, pomocnych przy proje kto wa niu nowych materiałów. Um ożliwiają one bowiem z ap r o je k to  wanie składu ma teriału ko mpozytowego, który posiadałby ok re ślo ny z gór y moduł sp rę żystości wzg lęd ni e wyma ga ne w ła s no ści tłumiące podczas pracy w podwy żs zon yc h temperaturach.

Oo opracow an ia wspom ni any ch za leż no śc i funkcyjnych w y ko r z ys t an o bada

nia wyko na ne dla kompozytów: żywica - włókno szklane oraz żywica - drut stalowy.

2. M a t e r ia ł y i ap ar atura pomiarowa stosowane do badań

Badania pr z e pr o wa d z on o na próbkach wykonanych z żywicy epoksydowej E- -51, zbrojonej w łó kn em szklanym ciągłym (Roving ER 2003; 0 1 0 ¿la, szkło E) , wz glę d n ie drutem stalowym St3 o średnicy 0 = 0 ,4 mm.

Do oznaczenia skrótow ego kompozycji pierwszej pr zyjęto symbol E - 5 1 - S , natomiast kompozycji drugiej E-51-D. Próbki o tr zym yw an o metodą nasycania

(3)

i p r ze ci ąg ani a lub za lewania ciekł ą osnową w łó ki en zbr oj ąc ych pr z yg o to w a  nych w formach.

Ws z ys tk ie pr óbki st osowane w ba daniach po s ia da ły kształt belek o w y  miarach 5x 8x 100 mm.

Do badań wy kor z y st a n o ELASTOMAT. - El.024, firmy "Dr Forster Institut", uzu pe łn i o ny komorą termiczną, umoż li wia ją cą prowad zen ie badań w zakresie temp. od - 1 9 0 ° C do +200°C.

Schemat stanowi sk a po mia r o we g o p r ze ds taw io no na rys. 3.

Rys. 3. Schemat urządzenia do pomiaru modułu spręż ys toś ci E i l og a r yt  micznego de kr eme nt u tłumienia

1 - próbka, 2 - wzbudniki, 3 - pu n kt y podparcia próbki, 4 - termopara, 5 - w y si ęg nik z zam on t ow a n ym i czujnikami, 6 - strefa ch ło dząca komorę temperaturową, 7 - st refa grzania, 8 - izolacja termiczna, 9 - podstawa z szyną prowadzącą, 10 - m i l i w o l t o m i e r z , 11 - elastomat 1,024 - f-my dr F or 

ster Institut

3. Pomiary

Pomi ar y badanych wielkości, tzn. modułu sp r ęż yst oś ci E i w s p ó ł c z y n n i  ka tłu mienia _A_ , prze pr owa dz on o dla p ró bek o różnym udziale ob j ę to ś c i o  wym zbrojenia, z m ie n ia j ą cy m się w gr ani ca ch od 5 do 50%. W zakresie tem

pera tu r od -1 5 0 °C do 0°C pomia ry p ro w a dz o no co 25°C, natomiast w prz e

dziale t emp er at ur od 0°C d o +160°C - co 20°C. Moduł sprężystości E wy  znaczano z za l eż n o śc i [2, 7]

E = K 1 long • 4 '0775 • 10"5 • T • I 2 • long CN/cm2J (1)

(4)

86 I. Hyla i inni

K x = 1 + 0,8821?

(

²

)

przy \

n? = 0,3 - 0,5

g d z i e :

b 1 v>

r f.

a

1 long

grubość próbki, cm, szerokość próbki, cm, długość próbki, cm, liczba Poissona, gęstość, g / cm 3 ,

pi erwsza częstość rezonansowa przy drganiach wzdłużnych, Hz.

W ł as no ści tłumiące mat eriału ok reślano przy pomoc y logarytmicznego de- krementu tłumienia

- A ,

który wy z n ac z on o dla cz ęs tości rezonansowej me

todą zanikania. Pomiar logaryt mi czn eg o dekreme nt u tłumienia sprowadzał się więc do pomiaru ilości drgań próbki w okresie czasu, w którym amplituda drgań malała z wart oś ci A q do wartości A 0/e. Proces zl iczania zaczynał się od chwili ustalenia impulsów pobudzających próbkę do drgań [7J.

4. W yni ki po miarów 1 ich opracowanie

Zm ia nę modułu sp rę żystości E w funkcji temperatury, przy różnych udziałach obj ęto śc io wyc h włóki en zbrojących, pr zed stawiono w formie g r a

ficznej na rys. 4. W yk r e sy na rys. 4a dotyczą żywicy zbrojonej włóknem szklanym (e- 51-S), natomiast na rys. 4 b - żywicy zbrojonej drutem stalo

wym (e-51-D).

Podobnie zależność log ar ytmicznego dekrementu tłumienia od temp er atu  ry, dla wymie nio ny ch uprzednio kompozycji, przedstaw io no na rys. 5a i 5b.

Oak widać z wykresów, wp row adzenie zbrojenia spowodowało znaczne po dw yż  szenie modułu sprężystości. Wzrost ten w temperaturze -150°C przekracza nawet 100% w a rt oś ci modułu tworzywa niezbrojonego. W r a z ze wz r ost em modu  łu obserwuje się spadek wła sno śc i tłumiących materiału, m ie szc zą cy się również w gra nicach 100%. Równocześnie pomiary wyk az uj ą różny charakter zao bs erw ow an ych zmian dla poszczególnych kompozycji. Przy zb rojeniu dru

tem stalowym udział obj ętościowy zb rojenia w ijości Vw = 10% podnosi mo

duł sprężystości E z warto ści ok. 150 . 103 d aN /cm 2 do wart ośc i ok.

3 2 3 2

330 . 10 daN/cm a więc aż o 180 . 10 daN/cm , natomiast zwiększenie udziału zbrojenia o dalsze 10% daje już znacznie mni ej sz y wzrost modułu, bo w yn o sz ący zaledwie ok. 70 . 103 da N/cm2 .

Oak widać, jedn ak owy wzrost udziału ob ję toś ci ow ego zbrojenia powoduje zróżnicowane pr zyrosty modułu sprężystości i to z wyraźną tendencją mal e

jącą. W przeciwieństwie do tej kompozycji, przy zbrojeniu włóknem szklą-

(5)

tłoaut sprężystości f,daN/cm

Temperatura Tt °C ⁰Temperatura T, °C⁴⁰ ⁸⁹ ¹²⁰ ¹⁶⁰

Rys. 4. W pł y w t em per at ur y na w ar t o ś c i modułu sprę żys toś ci dla różnych udzi ał ów wł ók ien w z m a c n i aj ę c yc h kompozycji

a) E51 - D, b) E 51 - S

Rys.

Temperatura T*C • jo m m

Tem peratura T‘ C 5. Za le żno ść logaryt mi cz neg o dekrementu tłumienia od tem peratury

różnych u d zi ał ów w ł ók i e n wzma cn ia jęc yc h kompozycji a) ESI - D, b) E51 - S

dla

(6)

88

X. Hyla i inni

nym 10% udziału obj ęt oś cio we go włók ien zb ro jąc yc h powoduje wzrosi modułu sprężystości (w temp. -150°C) jedynie o 10 . 103 d aN/ cm 2 w stosunku do modułu sp rę żystości żywicy n i e z b r o j o n e j , natomiast dodatek dalszych 10%

(tzn. Vw = 20%) podwyższa moduł Już o 40 . 103 d aN /cm 2 i jak widać z w y

kresów, skok ten ma tendencje zwyżkowe w miarę zwięk sz ani a udziału o bj ę  tościowego włók ien zbrojących. Pr zebiegi krzywych na rys. 4a i 4b ws k a z u  ją jedna k wyraźnie, że dla każdego z ud z i ał ó w objętośc io wyc h zbrojenia w y  stępuje pewna temperatura (tym wyższa, im wy żs zy udział zbrojenia), od której rozpoczyna się gwał to wn y spadek modułu sprężystości. Równocześnie na wykr es ach ob ra zuj ąc ych zmianę lo ga rytmicznego dekrementu tłumienia dla tychże temper atu r obserwuje się powię ksz en ie kąta nachylenia krzywych, co daje w efekcie w ię k s zy wzrost wspó łc zyn ni ka tłumienia w tych samych za

kresach temperatur. *

Otrzymane w yni ki tworzą powie rz ch nię odwzorow uj ącą zależność =

= f(T,

vw)

^oraz

A

= <f> (t, V ). Dla ich opisu konieczna jest znajomość funkcji f i $ .

W y ko rz ys tuj ąc dane otr zy man e w przeprowadz on yc h pomiarach , podjęto p r ó

bę ustalenia tych zależności. Stwierdzono, że w przypadku logarytmicznego dekrementu tłumienia p ow ie rzc hn ię

A

= $ (T, V ) prawid łow o opisuje z a  leżność

r - / " a t(i - erf i2 }) (3)

o w

Przyjmuj ąc do o b li cz eń następujące wartości, dla temp. 2 0 ° C :

A q = 0 , 3 5 , A w = 0,12 A w = 0,016

(wł.szklane) (stal)

ot rzymano

(4)

dla obu kompozycji oraz a) dla kompozyc ji E-51-S

Z = 0 ,2 66 ln V + 0, 84 2 (5)

b) dla kompozyc ji E-51-D

Z - 0,214 ln Vw + 0 ,88 7 (6)

g d z i e :

T - temperatura, K,

Vw - udział ob j ęt o śc i o wy wł ó ki en zbrojących.

(7)

Na rys. 6 p rz e dst awi on o z a le ż  ność ws pół c z yn n ik a A T od te m p era tu  ry dla obu kompozycji. Ot rzymane w y  niki sugerują, że nie jest on funk

cję rodzaju zbrojenia, a zatem za le

ży przede ws zy st k i m od w ł as no ści os

nowy.

Mo du ł sp ręż ystości można nato  miast opisa ć zależnością

E

. e s i - s

K - M EoVo + ? Ew Vw>

gdzie i

V 0 . vm - ud ział o b j ę to ś ci o wy os

nowy i wzmocnienia, Eo ' Ew -

moduły

spręż ys toś ci o s 

now y i wzmocnienia,

£ - kor ek cy j n y ws pół czy nn ik

* £ 6 I~Ó dynamiczny,

ST - w sp ó łc z y nn i k te m pe rat u

rowy równy,

Rys. 6. Z al e żno ść ws pół cz yn n i ka Aj S T = 0 (^) 1 (8) od tem pe r at u ry dla w s z y s tk i ch u-

dz ia ł ó w w zm o c ni e ni a badanych kom

pozycj i E 51- D i E 51-S T - temperatura, K,

" stałe d la określ on ych ty

pów wz m oc n i en i a i osnowy.

Pr zy jm u j ąc n ast ęp uj ące stałe dla komponentów: os no wy Eq = 35 . 103 d e H / cm2 , w zm o cn i e ni a - E szkł =. 7 . 106 d aN / c m2 i E u = 2 , 1 5 . 106 da N/ cm 2 wy zn acz on o w a rt oś ć Sj (rys. 7) równą:

a) dla kom po zyc ji E-51-S

S T = 1 0 9 0 9 5 (y)2(053 (g)

b) dla k om poz yc ji E- 5 1- D

S T - 1 0 9 7 ( 1 ) 1 '293 (10)

Prz ep ro w ad z o ne po mi ary wyk azały, że k o re k c y j n y w s pó ł cz y n ni k dy n ami cz  ny dla ko mpo z y cj i E51 -D wy no si V - 0,035, natomiast dla kompozycji

E51 -S V = 0,75.

Wy ko r z ys t uj ą c w y zn a c z o n e wsp ółczynniki, można os tatecznie przedstawić w z or y końcowe do wy zna c z an i a mo du łu spr ęż ystości ma te riału ko mpozytowego E^ wz gl ęd ni e jego l o ga r y tmi cz ne go de kr eme nt u tłumienia _A. k , będących funk-

(8)

90 I. Hyla i inni

Rys. 7. Zmiana w sp ó łcz yn ni ka ST od te mperatury dla wszyst kic h udziałów wz mo cni en ia badanych kompozycji E51 -D i E51-S

cjami zarówno udziału objętośc io we go zb ro jenia Jak i temperatury, w na

stępującej postaci:

a) dla kompozycji E-51-S

E k - 1 0 9 0 9 5 (^)2 ’0 5 3 (E0V 0 + 0,75 Ew Vw ) (ll)

\ = 0,016 + 0, 33 4 . e x p | 2-7| .°° - iłJLi. + l . l ś j .

. [l - e r f (0,266 ln Vw + 0,842)J (12)

b) dla kompozy cj i E -5 1- D

Ek = 1 0 97 ( ^) 1 '2 8 3 (EoVo + 0.035 E„VW ) (13)

= 0,12 0,23 . exp|;27300 _{— -- -}418,4-J— + 1 , 1 4 1 . |l - erf (0,214 lnVw +0 ,887)J

(14)

\

(9)

5. W ni o s ki końcowe

Prz ed st a wi o ne o pr a co w a ni e dos ta rcz a pewne gotowe zależności, które m o

gą być w dużym stopniu pr zydatne pr z y p ro je kto wa ni u m a te ri ału o o k r e ś l o  nym module spr ęż y st o ś ci E i lo gar yt mi czn ym d ekr em en cie tłumienia _A_ w różnych tem pe ra t u ra c h pracy.

Z a st o s ow a na m et oda poz wol ił a wyz na cz y ć nie zbędne ws p ó łc z yn n i ki jedynie dla wybrany ch, pod dan yc h uprz ed ni o ba daniom materiałów, co au to ma ty czn ie o g ra ni cza za sto s o wa n ie w z o r ó w ko ńc owych do tych w ł aśn ie kompozycji. N i e  mniej, nawet biorąc pod uwagę to ogran ic zen ie , pr zy toc zon e zal eż n oś c i m o  gą ok azać się bardzo pomocne pr z y p ro j ekt ow an iu ma t er i ał ó w komp oz yt owy ch p r ze zn ac zon yc h do pr ac y w t em p era tu ra ch różnych od t emp er at ury otoczenia.

Wa r t o ś c i otr zy man e z równań (ll) do (l4) wyka zu ją bardzo dobrą z g o d  ność z ana lo g ic z n ym i w i e l k o ś c i a m i uzyskanymi na drodze ek spe rymentalnej.

LITERAT UR A

[l] Kmltta S.: Ku nst s t of f e Bd 6 4. H7. 1974. '

[2j kriształ M . A . , G oł ow in S.A.: W n u t r e n i j e trenie i struktura mstałłow, Moskwa, M e t a ł ł ur g i a 1976.

[3] Sae ch tli ng S., Ze b r ow s ki W.: Kun st s to f f e Ta sch e n bu c h Car l H aus er V e r  lag - München.

(4j Brojer Z., H er t z Z., P a ne cz ek P.: Żywice epoksydowe. WNT, Warszawa 1972.

[5] Choraka W.: Po s t ęp y fizyki. Nr 5, 1967.

[6] Pietrzyk I., Go r c z y c a S. : Hutnik Nr 5, 1969.

[7] Vo rl äuf ig e G er ä t eb e s c h r e i b u n g und B ed i e nun gs an lei tu ng Elastomat R 1.024 Institut Dr Forster.

BJIHHHHE TEMHEPATyPH HA ÄEMn$HPAIWOHHHE CBOftCTBA 3H0KCHÄH0K CMOJIH AFMHPOBAHOli HEHPEPHBHHMH BOJIOKHAMM

I P e 3 d u e

B ciaiLe npeflciaBJieHhi pesyjiBTaru HOCJieAOBaHHit h OMnzpmecKHe 4>opiiyjiH, n03B0JiÄ»HHe yciaHOBHik uo^yjiH ynpyrociH E h aorapH-$-MH^ecKHä ¿jeicpeMeHT 3a*yxaHHÄ k o m i i o3 Hq h h s oMo;ia — cT&KJuiHHoe BOJiOKHO h cMOJia — cTajiLHaa npoBO—

jiOKa b mapoKOM ,B[Hana30He TeMnepaTyp»

HcoJie^OBaHHÄ KaeajiHCB anoKCH^HOä cmojim £ — 51 , apMHpoBaHOił HenpeptiBHHMH BO JIO K H aM H •

(10)

S2

I. Hyla i inni

INFLUENCE O F TEMPE RAT UR E ON DAMPING PROPERTIES OF EPOXIDE RESIN R E I N F O R C E D WITH CONTINU OU S FILAMENT

S u m m a r y

The results of the research and empirical formula that allow to adopt moduli of ela st ic ity E and logarithmic de cre me nt s of damping the com po  sites: resin-fibre glass and resin-steel wire, in a wide range of tempe

rature, have been presented in the paper.

The research dealt with epoxide resin E-51 reinforced with continuous fibres.