Effect of Temperature on Physical and Mechanical Properties of Monolithic Polycarbonate

Full Text

1. Введение В настоящее время активно развивается рынок отечественных полимерных и композиционных материалов, в том числе монолитного поликарбоната. Изучение физико-механических свойств поликарбоната с учетом его широкого использования в разных сферах позволит обеспечить высокую степень надежности конструкций при эксплуатации в широком диапазоне температур. Ранее авторы статьи провели серию экспериментов [1] на растяжение и изгиб с целью определения физико-механических свойств поликарбоната в стандартных условиях. Также результаты экспериментальных исследований по определению различных физических, механических, оптических и других свойств монолитного поликарбоната приведены в [2-10]. При этом прочностные и деформационные характеристики этого материала как одного из вида пластмасс зависят от температурного режима эксплуатации элементов конструкций [11; 12]. Сложные молекулярные процессы и структура пластмасс обуславливает специфические особенности деформации полимеров в зависимости от температуры [13]. Поэтому для расширения возможностей использования монолитного поликарбоната в качестве базового материала монолитных поликарбонатных систем в различных климатических условиях важной задачей представляется изучение физико-механических характеристик монолитного поликарбоната при условиях, отличающихся от стандартных условий испытаний, что позволит обеспечить механическую безопасность ограждающих светопрозрачных конструкций. В связи с этим авторами статьи были проведены серии испытаний монолитного поликарбоната на растяжение в диапазоне температур от -60 до +80 °C. 2. Экспериментальные исследования В рамках исследования были испытаны серии образцов трех производителей различных толщин, а именно 4 и 10 мм. Образцы были изготовлены механическим способом на универсальном станке ЧПУ из листового поликарбоната (рис. 1). Рис. 1. Размеры образцов для испытания монолитного поликарбоната (Тип 1В по межгосударственному стандарту ГОСТ 11262-2017[15]): l3 = более 150 мм; l1 = 60 мм; r = 60° l2 = 108,0 мм; b2 = 20 мм; b1 = 10 мм; h = 4 мм; L0 = 50 мм; L = 115 мм Источ ник: выполнено Н.А. Кудрявцевым по ГОСТ 11262-20171 Figure 1. Dimensions of monolithic polycarbonate test specimens (Type 1B according to GOST 11262-20171 standard): l3 = over 150 mm; l1 = 60 mm; r = 60°, l2 = 108,0 mm; b2 = 20 mm; b1 = 10 mm; h = 4 mm; L0 = 50 mm; L = 115 mm Sou rce: made by N.A. Kudryavtsev in according to ГОСТ 11262-20171 Испытания на растяжение выполнялись в соответствии с требованиями межгосударственных стандартов ГОСТ 343702017[16] и ГОСТ 11262-20171, где приведены общие принципы по определению механических свойств при растяжении и требования к типу образцов и методам их подготовки соответственно. Для оценки влияния температуры окружающей среды на физико-механические свойства монолитного поликарбоната испытания проводились в температурной камере с возможным диапазоном температур от -60 до +300 °C (рис. 2). Испытания проводились для следующих значений температур: -60, -40, -20, -10, -5, 0, +5, +15, +23, +30, +45, +60, +80 °C. Образцы изготавливались из поликарбоната трех производителей: KARBOGLASS (толщиной 4 мм), NOVATRO (толщиной 4 и 10 мм), DANPALON (толщиной 4 мм). В каждую серию для одного значения температуры входило по три образца каждого производителя. Влияние температуры оценивалось на следующие характеристики монолитного поликарбоната: Ø относительное удлинение при разрыве; Ø предел текучести при растяжении; Ø прочность при разрыве; Ø деформации монолитного поликарбоната, соответствующие концу упругой стадии и началу проявления пластических деформаций (т. В на диаграмме «напряжения - деформации» при растяжении - рис. 3). 3. Результаты Рис. 2. Образец после испытания в температурной камере Источ ник: фото АО «ЦНИИПромзданий» Figure 2. Specimen after testing in the temperature chamber Sou rce: photo by JSC «Tsniipromzdanii» Характер диаграммы «напряжения - деформации» при различных значениях температур идентичен диаграмме при стандартных испытаниях (рис. 3), но значения параметрических точек имеют отличия. Рис. 3. Диаграмма «напряжения - деформации» при растяжении при стандартных условиях испытания: σрт - предел текучести при растяжении; σрр - прочность при разрыве; σру - предел упругости Источ ник: выполнено авторами [1] Figure 3. Tensile stress-strain diagram under standard test conditions: σрт - tensile yield strength; σрр - tensile stress at break; σру - elastic limit Sou rce: made by the authors [1] Предел текучести при растяжении монолитного поликарбоната изменяется линейно в зависимости от температуры, при этом при температурах ниже 23 °C, соответствующей стандартным условиям испытаний, прочность повышается, а при более высоких температурах происходит снижение прочности при растяжении (рис. 4, табл.). В таблице приведен коэффициент γ’, учитывающий изменение прочности монолитного поликарбоната при условиях его эксплуатации, отличных от стандартных условий. Данные экспериментальных исследований монолитного поликарбоната согласуются с поведением различных пластмасс при повышенных и пониженных температурах. Так в [14] к расчетным сопротивлениям пластмасс (например, для стеклопластиков), эксплуатируемых при повышенных температурах, вводятся понижающие коэффициенты условия работы материалов в конструкциях. Прочностные свойства поликарбоната при различных температурах / Strength properties of polycarbonate at various temperatures Рис. 4. График зависимости прочности при растяжении от температуры Источ ник: выполнено авторами Figure 4. Relationship between tensile strength and temperature Sou rce: made by the authors Аналогичную зависимость от температуры показывает и прочность монолитного поликарбоната при разрыве (рис. 5). Рис. 5. График зависимости прочности при разрыве от температуры Источ ник: выполнено авторами Figure 5. Relationship between tensile stress at break and temperature Sou rce: made by the authors В начале нагружения монолитный поликарбонат работает упруго и подчиняется закону Гука, но при некотором уровне напряжений, соответствующим т. В на рис. 3, происходит отклонение от линейной зависимости между напряжениями и деформациями, начинают проявляться пластические деформации. При отрицательных температурах поликарбонат теряет пластичность и становится более хрупким (рис. 6, а). Для анализа физическо-механических свойств (прочности при растяжении, прочности при разрыве, относительного удлинения при разрыве) поликарбоната при различных температурах были применены два основных математических метода обработки данных: метод скользящего среднего и интерполяция модифицированным методом Акима (Modified Akima или «Мakima») [15]. В начале, чтобы уменьшить «шум» и выделить основной тренд в полученных экспериментальных данных, был применен метод арифметического скользящего среднего. Этот метод подразумевает создание нового набора данных, где каждое значение является средним значением определенного количества точек данных за установленный период температуры. Данный период называется размером окна обработки данных. Скользящее среднее численно равно среднему арифметическому значений исходной функции за установленный период и вычисляется по формуле SMA SMAt t 1 pt n pt , n n где SMAt - значение простого скользящего среднего в точке t,; SMAt 1 - предыдущее значение простого скользящего среднего; pt-n - значение исходной функции в точке t-n (в случае временного ряда, самое «раннее» значение исходной функции, используемое для вычисления предыдущей скользящей средней); pt - значение исследуемой функции в точке t (в случае временного ряда, текущее - последнее значение). Авторами было проведено исследование влияния размера окна обработки данных (диапазонов периодов температуры) на результат сглаживания. По результатам проведенного анализа оптимальным оказался размер окна в 2 °C. Первый шаг математической обработки позволил сгладить график исходных данных, выявить общий тренд и обеспечить улучшение визуализации графиков. а б Рис. 6. График зависимости относительного удлинения при разрыве от температуры: а - образцов различных производителей и толщин; б - усредненный методом «Мakima» Источ ник: выполнено авторами Figure 6. Relationship between relative elongation at break and temperature: a - specimens of different manufacturers and thicknesses; б - averaged by the "Makima" method Sou rce: made by the authors Вторым шагом было применение интерполяции методом сплайна Акима для более детального представления о поведении поликарбоната при промежуточных значениях температур (относительно температур, при которых проведены испытания). Данный метод является вариацией кубической интерполяции, названной в честь ее создателя Хироши Акима. В методе используются кубические полиномы для создания плавной кривой между исходными точками данных и предотвращения нежелательных колебаний. Преимущество сплайна Акима заключается в том, что он использует только значения из соседних узловых точек (не меняя значения самих узловых точек) при построении коэффициентов интерполяционного полинома между любыми двумя узловыми точками. В результате обработки экспериментальных данных вышеуказанными методами были получены более плавные и детализированные графики взаимосвязи температуры и физико-механических свойств поликарбоната. Графики деформаций образцов различных производителей представлены на рис. 6, б. Из графика видно, что при температурах, превышающих 15 °C, относительное удлинение при разрыве близко к значению удлинения при стандартных условиях испытания, равного 71,17 % [1]. Кроме того, представляет интерес изучить влияние температуры на начало зоны пластических деформаций (точка В на рис. 3). Начиная с т. В, график «напряжения - деформации» приобретает криволинейный характер, что является подтверждением пластического деформирования материала. Для поиска точки В применялся метод линейной регрессии. В рамках данного математического анализа были выявлены участки, на которых графики «напряжения (МПа) - деформации (мм)» следуют линейной тенденции, и определены точки отклонения от линейности. С помощью метода линейной регрессии по данным напряжений (МПа) и деформаций (мм) вычислен регрессионный полином первого порядка. Метод регрессионного анализа состоит в вычислении предсказанных значений напряжений (МПа) на основе уравнения линейной регрессии и последующем вычислении остатков, т.е. разницы между исходными и предсказанными значениями напряжений (МПа) [16]. Была определена мера оценки линейности - «среднеквадратичная ошибка». Данная характеристика показывает, насколько предсказания модели отличаются от наблюдаемых значений. Чем меньше среднеквадратичная ошибка, тем ближе предсказанные значения к наблюдаемым, и тем точнее модель. Рассчи- (yi yp)2 , где: уi - настоящее значение; тывается среднеквадратичная ошибка по формуле n yp - предсказанное значение; n - количество наблюдений. Для определения линейности данных было установлено пороговое значение, равное 10 % от максимального значений напряжений (МПа). Если разница между реальными значениями и значениями, предсказанными на основе линейной регрессии, не превышает установленного порога, считается, что данные на данном участке соответствуют линейной зависимости. Данный метод позволил упростить процесс анализа и минимизировать возможные ошибки, связанные с человеческим фактором, так как алгоритмы математической статистики работают автоматически и исключают субъективную интерпретацию, что вполне возможно при геометрическом «ручном» анализе. Точки, где происходит отклонение от линейного поведения графика, являются началом необратимых пластических деформаций (соответствуют пределу упругости). В [1] для нормальных условий испытаний напряжения, соответствующие пределу упругости, принимались равными 30 МПа, что было предложено использовать в качестве расчетного сопротивления на растяжение в расчетах по первой группе предельных состояний. Анализ полученных экспериментальных данных (рис. 7) показал, что напряжения, соответствующие окончанию упругой стадии деформирования, при диапазоне температур от -60 до +80 °C, превышают 30 МПа, поэтому введение понижающих коэффициентов при расчетах поликарбоната на растяжение по первой группе предельных состояний не требуется. Рис. 7. График зависимости напряжений, соответствующих т. В, от температуры Источ ник: выполнено авторами Figure 7. Stresses corresponding to point B as a function of temperature Sou rce: made by the authors Также представляет интерес оценить изменение деформаций, соответствующих длине горизонтального участка на диаграмме деформирования, в зависимости от температуры испытания. На рис. 8 представлены диаграммы «напряжения - деформации» для температур испытания -60, +30, +80 °C. Рис. 8. Диаграммы работы монолитного поликарбоната на растяжение при t = -60 °C, +30 °C, +80 °C Источ ник: выполнено авторами Figure 8. Tensile performance diagrams of monolithic polycarbonate at t = -60 °C, +30 °C, +80 °C Sou rce: made by the authors Как видно из графиков (рис. 8 и 9), температура испытания влияет на величину пластических деформаций, соответствующих длине горизонтального участка. Для условий испытаний близких к стандартным (t =30 °C) для образцов толщиной 4 мм деформации, соответствующие длине участка от точки С до конца горизонтального участка, составляют в среднем 45 мм. При температуре +80 °C они увеличиваются и составляют 50 мм (рис. 8). При t = -60 °C эти деформации уменьшаются и равны 7 мм, что свидетельствует о повышение хрупкости монолитного поликарбоната при отрицательных температурах. Рис. 9. График зависимости пластических деформаций, соответствующих деформациям от точки С до конца горизонтального участка на диаграмме растяжения, от температуры Источ ник: выполнено авторами Figure 9. Plastic strains corresponding to strains from point C to the end of the horizontal section in the stress-strain diagram as a function of temperature Sou rce: made by the authors 4. Заключение 1. В результате проведенных экспериментальных исследований выявлена зависимость прочностных свойств монолитного поликарбоната от температуры эксплуатации. При температурах ниже температуры, соответствующей нормальным условиям испытаний, происходит повышение предела текучести при растяжении и прочности при разрыве. При температурах выше 23 °C наблюдается снижение предела текучести при растяжении и прочности при разрыве. Так, при t = -60 °C прочность на растяжение увеличивается на 44 %, при t = 80 °C прочность на растяжение снижается на 24 % по сравнению со стандартными условиями испытания. 2. При отрицательных температурах относительное удлинение при разрыве меньше заявленного производителями для стандартных условий, ввиду того что поликарбонат теряет пластичность. При этом значение относительного удлинения при разрыве при температурах, превышающих 15 °C, не сильно отличается от стандартных условий испытания (t = 23 °C) и находится на уровне примерно 71 %. 3. Напряжения, соответствующие началу пластического деформирования, при диапазоне температур от -60 до +80 °C находятся выше значения 30 МПа, предлагаемого в качестве расчетного сопротивления на растяжение при расчете по первой группе предельных состояний без введения коэффициентов условий работы материала. 4. Кроме анализа влияния температуры на прочность монолитного поликарбоната при растяжении представляет интерес для дальнейшего исследования оценка влияния температуры на прочность при сжатии и изгибе, а также изменение ударной вязкости при отрицательных температурах.

About the authors

Kirill V. Avdeev

JSC “Central Research and Design Experimental Institute of Industrial Buildings and Structures - Tsniipromzdanii”

Email: 6136133@mail.ru
ORCID iD: 0009-0009-8369-3159

Deputy General Director - Chief Engineer

Moscow, Russia

Vladimir V. Bobrov

JSC “Central Research and Design Experimental Institute of Industrial Buildings and Structures - Tsniipromzdanii”; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University)

Author for correspondence.
Email: vbobrov1985@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-7796-0072

Candidate of Technical Sciences, Head of the Sector of the Department of Surveys of Buildings and Structures, JSC “Central Research and Design Experimental Institute of Industrial Buildings and Structures - Tsniipromzdanii”, Associate Professor of the Department of Reinforced Concrete and Stone Structures, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University)

Moscow, Russia

Mikhail A. Tuchin

JSC “Central Research and Design Experimental Institute of Industrial Buildings and Structures - Tsniipromzdanii”

Email: m.tuchin@cniipz.com
ORCID iD: 0009-0009-7888-7987

Head of the Sector of the Structural Systems Department

Moscow, Russia

Ekaterina V. Domarova

JSC “Central Research and Design Experimental Institute of Industrial Buildings and Structures - Tsniipromzdanii”; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University)

Email: cathie_p@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1193-201X

Engineer of Structural Systems Department, JSC “Central Research and Design Experimental Institute of Industrial Buildings and Structures - Tsniipromzdanii”, Senior Lecturer of the Department of Reinforced Concrete and Stone Structures, Moscow State University of Civil Engineering

Moscow, Russia

Nikita A. Kudryavtsev

JSC “Central Research and Design Experimental Institute of Industrial Buildings and Structures - Tsniipromzdanii”

Email: n.kudryavtsev@cniipz.com
ORCID iD: 0009-0000-8740-9826

Engineer of Structural Systems Department

Moscow, Russia

Pavel V. Skakun

JSC “Central Research and Design Experimental Institute of Industrial Buildings and Structures - Tsniipromzdanii”

Email: 89152892984@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0005-6124-1152

Chief Specialist of Structural Systems Department

Moscow, Russia

References

Supplementary files