EoW July 2008

Техническая статья

наружным диаметром 245 мкм. Таким образом, волокна с более толстыми слоями покрытия должны включать первичное покрытие с высокой кавитационной стойкостью в сочетании с вторичным покрытием, обладающем более быстрой релаксацией напряжения. 2.1.2 Образование пустот в первичном покрытии. На рис. 4 показаны полученные под микроскопом изображения пустот, сформировавшихся в волокне с покрытием наружным диаметром 500 мкм при цикличном температурном колебании в интервале от 85 ºC до -60 ºC. В слое первичного покрытия наблюдаются разрывы различного размера неправильной формы. Тот факт, что разрывы покрытия широко раскрыты и представляют собой полости, указывает на присутствие трехосного растягивающего напряжения в первичном слое при комнатной температуре. разрушения известно, что параметр, представляющий сопротивляемость материала возникновению кавитации, называется кавитационной стойкостью. Когда трехосное напряжение достигает этой критической точки, материал начинает разрушаться, и в нем образуются внутренние пустоты. Расчеты, которые были подтверждены экспериментально, показывают, что для идеальной резины трехосное напряжение, необходимое для того, чтобы очень маленькое сферическое отверстие могло неограниченно раздуться, составляет (5/6)E, где E – модуль Юнга [6]. Любой микроскопический дефект сшивки материала может стать местом появления разрыва. Это означает, что для первичного покрытия с модулем 1 МПа трехосное растягивающее напряжение, равное 0,83 МПа, уже может вызвать образование пустот в соответствии с механизмом неограниченного роста, если материал покрытия ведет себя как идеальная резина. При правильном подборе молекулярного строения структуры сшивки покрытия можно достичь желаемого высокого уровня сопротивления кавитации, при этом кавитационная стойкость может значительно превышать модуль покрытия. В обладающих высокой кавитационной стойкостью первичных покрытиях данного типа небольшие раковины не будут неограниченно развиваться, и материал не будет иметь разрывов даже при относительно высоком уровне растягивающего напряжения, которое может присутствовать в первичном покрытии. Из теории механики 2.2 Образование пустот под действием механических напряжений В дополнение к гидростатическому растягивающему напряжению, вызванному температурными колебаниями, образованию пустот в первичных покрытиях может также способствовать анизотропное трехосное напряжение, обусловленное механическим

воздействиям на волокно с покрытием. Ранее уже сообщалось, что разрывы покрытия наблюдались под воздействием высокого усилия натяжения при протяжке волокна через перемоточное устройство для проведения испытаний покрытия на сопротивление отслаиванию [4] . Когда внешнее механическое усилие воздействует на волокно с покрытием, слои покрытия деформируются, и в результате в материале покрытия возникает участок с неравномерным напряжением. На рис. 5 схематично показана деформация слоев покрытия под воздействием поперечного усилия F. Так как материал вторичного покрытия гораздо тверже, чем материал первичного покрытия, вторичный слой ведет себя как пустотелая трубка, подвергающаяся боковому сдавливанию, причем профиль трубки становится овальным, а толщина покрытия не меняется. Первичное покрытие с обеих сторон связано со стеклом и вторичным покрытием, что приводит к его внутренней деформации.Участкипервичногопокрытия по направлению приложения усилия сжимаются, а участки, перпендикулярные направлению приложения усилия, удлиняются. Поле напряжения на этих удлиненных участках имеет значительную трехосную составляющую, которая может вызвать кавитацию в первичном покрытии, если величина напряжения превысит кавитационную стойкость этого покрытия. На рис. 6 показано поле среднего нормального напряжения, рассчитанное методом конечных элементов для слоя первичногопокрытия волокна с размерами наружного диаметра 125, 240, 410 мкм в условиях смоделированного воздействия поперечного усилия.

Результат вычислений количественно показывает поля напряжения, изменяющиеся от поля сжатия (-) до поля растяжения (+). Как показано на рис. 6, самому большому растягивающему напряжению подвергаются участки, перпендикулярные направлению приложения усилия и ближайшие к обеим сторонам границы между стеклом и первичным покрытием, а также между первичным покрытием и вторичным покрытием. На этих участках в случае приложения поперечного механического усилия возможность возникновения кавитации наиболее велика. На рис. 7 представлено несколько примеров пустот в первичном покрытии, намеренно созданных механическими поперечными ударными воздействиями. Поперечное усилие должно динамически меняться в зависимости от скорости удара в направлении вдоль волокна (скользящее усилие) или перпендикулярно волокну (ударное усилие). Статическое поперечное усилие может привести только к отслаиванию. Механическое ударное воздействие, результаты которого показаны на рис. 7, было создано с помощью металлического стержня диаметром 1 мм, поступательно перемещаемого в направлении вдоль волокна. Было изготовлено приспособление, при помощи которого металлический стержень подключался к автоматическому прибору для определения сопротивления истиранию, при этом контроль скорости и величины прилагаемого усилия осуществлялся путем размещения на приспособлении грузов различной массы. На уровень напряжения в покрытии оказывают влияние как величина усилия, так и скорость удара. При очень низкой скорости чаще

Рис. 7. ▼ ▼ Примеры образования пустот и отслаиваний в слое первичного покрытия при механическом поперечном ударном воздействии

Рис. 8. ▼ ▼ Положение образца при испытании на кавитационную стойкость

Стеклянная пластина

Смола (100µm)

Кварцевый брусок

75

EuroWire – июль 2008 г.