Оптический метод оценки деградации свойств полимерных композитов, армированных углеродными волокнами, при циклическом нагружении

Цель работы — изучение процесса усталости в композитах на основе полиимида, армированных коротким углеродным волокном. Для этого использованы параметры петель механического гистерезиса, такие как площадь петли, секущий и динамический модули, установленные в ходе циклических испытаний. Петли гистерезиса получены посредством разработанного аппаратно-программного комплекса, в основе которого лежит оптический метод определения деформации на основе корреляции цифровых изображений (DIC). Описаны методики расчета модулей и параметров петель механического гистерезиса. Представлены результаты их оценки, а также экспериментальные данные по усталостному поведению композитов на основе полиимида, армированных короткими углеродными волокнами. Показано, что важной количественной мерой, отражающей различия в усталостном поведении исследованных композитов, является величина потерь энергии на гистерезис. Для композита с карбонизированными волокнами потери за цикл составили 35 кДж/м³, тогда как для композита с графитизированными волокнами — 23 кДж/м³, что на 34 % меньше. При этом долговечность последнего была в ~40 раз ниже. В ходе циклических испытаний наблюдалось снижение как секущего модуля (до 11 %), так и динамического модуля (до 3,5 %). У композита с карбонизированными волокнами, обладающего большей долговечностью, снижение было в два раза больше. Таким образом, оценка петель механического гистерезиса по параметрам секущего и динамического модулей, а также площади, получаемая методом DIC, может быть эффективно использована для интерпретации отличия усталостных характеристик на стадии накопления рассеянных повреждений. Однако это не позволяет однозначно прогнозировать остаточную долговечность. Решение данной задачи требует проведения дальнейших системных исследований с использованием подходов механики разрушения.

1. Hugaas Е., Echtermeyer А. Т. Filament wound composite fatigue mechanisms investigated with full field DIC strain monitoring / Open Eng. 2021. Vol. 11. N 1. P. 401 - 413. DOI: 10.1515/eng-2021-0041

2. Qiao Y., Salviato M. Micro-computed tomography analysis of damage in notched composite laminates under multi-axial fatigue /Compos. Part В Eng. 2020. Vol. 187. P. 107789. DOI: 10.1016/j.compositesb.2020.107789

3. Battams G. P., Dulieu-Barton J. M. Data-rich characterisation of damage propagation in composite materials / Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 2016. Vol. 91. P. 420 - 435. DOI: 10.1016/j.compositesa.2016.08.007

4. Boufaida Z., Farge L„ Andre S., et al. Influence of the fiber/ matrix strength on the mechanical properties of a glass fiber/ thermoplastic-matrix plain weave fabric composite / Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 2015. Vol. 75. P. 28 - 38. DOI: 10.1016/j.compositesa.2015.04.012

5. Kalteremidou K. A., Aggelis D. G., Hemelrijck D. Van, et al. On the use of acoustic emission to identify the dominant stress/strain component in carbon/epoxy composite materials / Meeh. Res. Commun. 2021. Vol. 111. P. 103663. DOI: 10.1016/j.mechrescom.2021.103663

6. Broughton W. R., Gower М. R. L., Lodeiro М. J., et al. An experimental assessment of open-hole tension-tension fatigue behaviour of a GFRP laminate / Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 2011. Vol. 42. N 10. P. 1310 - 1320. DOI: 10.1016/j.compositesa.2011.05.014

7. Pannier Y., Foti E, Gigliotti M. High temperature fatigue of carbon/polyimide 8-harness satin woven composites. Part I: Digital Image Correlation and Micro-Computed Tomography damage characterization / Compos. Struct. 2020. Vol. 244. P. 112255. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.112255

8. Izzaty R. E., Astuti B., Cholimah N. Fatigue of Structures and Materials I Angewandte Chemie International Edition, 6(11); 951 - 952 / Ed. Schijve J. Dordrecht. — Netherlands: Springer, 2009. P. 5 - 24.

9. Bokhoeva L. A., Baldanov A. B., Rogov V. E., Chermo-shentseva A. S., Ameen T. The effect of the addition of nanopowders on the strength of multilayer composite materials / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2021. Vol. 87. N 8. P. 42 - 50. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-8-42-50

10. Khlybov A. A., Kabaldin Yu. G., Ryabov D. A., Anosov M. S., Shatagin D. A. Study of the damage to 12Crl8NilOTi steel samples under low cycle fatigue using methods of nondestructive control / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2021. Vol. 87. N 5. P. 61 - 67. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-5-61-67

11. Shrestha R., Simsiriwong J., Shamsaei N. Mean strain effects on cyclic deformation and fatigue behavior of polyether ether ketone (PEEK) / Polym. Test. 2016. Vol. 55. P. 69 - 77. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2016.08.002

12. Berer M., Major Z., Pinter G., et al. Investigation of the dynamic mechanical behavior of polyetheretherketone (PEEK) in the high stress tensile regime / Meeh. Time-Dependent Mater. 2014. Vol. 18. N 4. P. 663 - 684. DOI: 10.1007/S11043-013-9211-7

13. Baxter T. The development and application of the load-stroke hysteresis technique for evaluating fatigue damage development in composite materials. — Virginia Polytechnic Institute and State University, 1994. — 156 p.

14. Ruggles-Wrenn M. B., Noomen M. Fatigue of unitized poly-mer/ceramic matrix composites with 2D and 3D fiber architecture at elevated temperature I Polym. Test. 2018. Vol. 72. P. 244-256. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2018.10.024

15. Abbasnezhad N., Khavandi A., Fitoussi J., et al. Influence of loading conditions on the overall mechanical behavior of polyether-ether-ketone (PEEK) / Int. J. Fatigue. 2018. Vol. 109. P. 83 - 92. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2017.12.010

16. McKeen L. W. Fatigue and Tribological Properties of Plastics and Elastomers, 2nd Edition. 2010. ISBN 9780080964508

17. Takahara A., Magoine T., Kajiyama T. Effect of glass fibermatrix polymer interaction on fatigue characteristics of short glass fiber-reinforced poly(butylene terephthalate) based on dynamic viscoelastic measurement during the fatigue process / J. Polym. Sci. Part В Polym. Phys. 1994. Vol. 32. N 5. P. 839 -849. DOI: 10.1002/polb.1994.090320507

18. Movahedi-Rad A. V., Keller T., Vassilopoulos A. P. Modeling of fatigue behavior based on interaction between time- and cyclic-dependent mechanical properties / Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 2019. Vol. 124. P. 105469. DOI: 10.1016/j.compositesa.2019.05.037

19. Benaarbia A., Chrysochoos A., Robert G. Kinetics of stored and dissipated energies associated with cyclic loadings of dry polyamide 6.6 specimens / Polym. Test. 2014. Vol. 34. P. 155-167. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2014.01.009

20. Tao G., Xia Z. A non-contact real-time strain measurement and control system for multiaxial cyclic/fatigue tests of polymer materials by digital image correlation method / Polym. Test. 2005. Vol. 24. N 7. P. 844 - 855. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2005.06.013

21. Chen С. C., Chheda N., Sauer J. A. Craze and Fatigue Resistance of Glassy Polymers / J. Macromol. Sci. Part B. 1981. Vol. 19. N 3. P. 565 - 588. DOI: 10.1080/00222348108015318

22. Pichon P. G., Boutaous M., Me’chin E., et al. Simulation and Measurement of the Self Heating and Thermal Stability of Polymers Under Fatigue Sollicitations. Vol. 7. Fluid Flow, Heat Transfer and Thermal Systems, Parts A and B. ASMEDC, 2010. P. 653 - 661.

23. Huang X. Fabrication and properties of carbon fibers / Materials (Basel). 2009. Vol. 2. N 4. P. 2369 - 2403. DOI: 10.3390/ma2042369

24. Karacan I., Erzurumluoglu L. The effect of carbonization temperature on the structure and properties of carbon fibers prepared from poly (m-phenylene isophthalamide) precursor / Fibers Polym. 2015. Vol. 16. N 8. P. 1629 - 1645. DOI: 10.1007/S12221-015-5030-6

25. Zhang X., Lu Y., Xiao H., et al. Effect of hot stretching graphitization on the structure and mechanical properties of rayon-based carbon fibers / J. Mater. Sci. 2014. Vol. 49. N 2. P. 673 - 684. DOI: 10.1007/s10853-013-7748-0

26. Shelestova V. A., Letova L. N., Kostelcev V. V., et al. Effect of the type of a carbon-fiber filler on the properties of fluororubber compositions / Polym. Mater. Technol. 2019. Vol. 5. N 2. P. 76 - 81. DOI: 10.32864/polymmattech-2019-5-2-76-81