Определение предела прочности и модуля упругости при растяжении углеродных волокон и углеродных волокон, пропитанных полимерным связующим

Цель работы: определение предела прочности и модуля упругости углеродных волокон при растяжении.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Предел прочности при растяжении углеродного волокна (σ_р, МПа, ГПа) – напряжение, приложенное к образцу углеродного волокна при растяжении, выше которого происходит разрушение образца.

Модуль упругости углеродного волокна (Е, ГПа) – коэффициент, характеризующий сопротивление углеродного волокна растяжению при упругой деформации.

Предел прочности и модуль упругости определяют по результатам экспериментов по растяжению с постоянной скоростью деформирования углеродного моноволокна до его разрушения. В процессе эксперимента в реальном времени одновременно регистрируются: 1) нагрузка, которая прикладывается к образцу; 2) изменение размеров образца (длины) под действием приложенной нагрузки. Нагрузка регистрируется при помощи тензометрических датчиков, изменение размеров – по перемещению подвижной части используемой разрывной машины. По полученным кривым нагрузка-удлинение с использованием величины площади поперечного сечения образца рассчитываются предел прочности и модуль упругости углеродного моноволокна.

Отобранное пинцетом углеродное моноволокно аккуратно наклеивается с помощью клея БФ-6 на бумажную рамку с рекомендуемой толщиной 0,1мм (рис. 1).

Рис. 1. Рамка для закрепления углеродного волокна

Закрепленный в рамке образец устанавливают в захваты разрывной машины и устанавливают значение скорости перемещения подвижного захвата разрывной машины в диапазоне от 5 до 7 мм/мин. Перед измерением перерезают обе стороны рамки посередине так, чтобы обрезанные концы рамки не касались друг друга. Образец нагружают до разрушения и записывают кривую нагрузка-удлинение (рис. 2, а).

Рис. 2. а − кривая нагрузка-удлинение для углеродного

волокна; б – зависимость для определения податливости

системы К

По кривой нагрузка-удлинение определяют ΔF и Δl в диапазоне 0,15F_макс – 0,4F_макс. Затем строят зависимость отношения от начальной длины образца l₀ (рис. 2, б). Податливость системы K будет равна значению, которая получается при экстраполяции зависимости = f(l₀) на нулевую начальную длину образца (т.е. значению при l₀ = 0).

Предел прочности при растяжении углеродного моноволокна рассчитывается по формуле:

, (1)

где F_макс, Н – значение максимального напряжения в момент разрушения образца; S, мм² – площадь поперечного сечения моноволокна.

Модуль упругости углеродного волокна рассчитывается по формуле:

, (2)

где ΔF, Н – разница между значениями нагрузок 0,4F_макс – 0,15F_макс; Δl, мм − разница в удлинениях углеродного моноволокна, соответствующая разности 0,4F_макс – 0,15F_макс; l₀, мм − начальная длина образца, соответствующая длине разреза рамки и K, мм/Н – податливость системы.

За окончательный результат испытания принимают среднее арифметическое результатов не менее 20-ти измерений.

Среднее арифметическое результатов измерений <σ_р> и <Е> вычисляют по формулам (3) и (4) соответственно:

<σ_р> = , (3)

<Е> = , (4)

где и – суммы первичных результатов измерений предела прочности и модуля упругости при растяжении соответственно; n – общее число измерений.

Среднее квадратичное отклонение предела прочности и модуля упругости при растяжении углеродных волокон вычисляют соответственно по формулам:

s_σр = и (5) s_Е = . (6)

Метод определения предела прочности и модуля упругости при растяжении углеродных волокон, пропитанных полимерным связующим, аналогичен методу определения предела прочности и модуля упругости при растяжении углеродных волокон.

Для пропитки углеродных волокон используют установку, схема которой приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема установки для пропитки углеродных волокон:

1 – держатель бобины с волокном; 2, 4 – тефлоновые ролики; 3 – пропиточная ванна; 5 – рамка для закрепления пропитанного волокна

Порядок пропитки следующий:

− помещают бобину с углеродным волокном в держатель;

− помещают полимерное связующее нужной вязкости для пропитки в ванну;

− пропускают волокно через ванну со связующим и систему роликов для достижения заданного содержания смолы в волокне;

− закрепляют пропитанное волокно на рамке, которую затем помещают в сушильный шкаф;

− отверждают связующее в соответствии с инструкциями изготовителя;

− извлекают рамку с пропитанным волокном, и разрезают пропитанное волокно на образцы для проведения испытаний на растяжение.

Необходимо приготовить достаточное количество образцов для проведения, по крайней мере, 5-ти испытаний.

Для измерений могут использоваться образцы как с накладками, так и без накладок.

Если разрушение образца с большой частотой происходит внутри зажимов разрывной машины или происходит проскальзывание образца в процессе измерения, рекомендуется использование накладок на концах образцов. Накладки, кроме того, способствуют выравниванию образца в зажимах разрывной машины.

Если использование накладок необходимо, то их длина должна быть не менее 50 мм (рис. 4).

Рис. 4. Образец пропитанного полимерным связующим

углеродного волокна с накладками

В качестве материала для накладок используется картон. Допускается также использование накладок из стеклотекстолита. Для приклеивания накладок используется любой цианакрилатный клей или двухкомпонентная эпоксидная смола.

Для испытаний образцов с накладками расстояние между накладками l₁ должно составлять от 150±5 мм до 200±5 мм. Для образцов без накладок полная длина образца должна быть равна от 250±5 мм до 300±5 мм.

Для расчета предела прочности и модуля упругости углеродного волокна, пропитанного полимерным связующим, используются формулы (1) и (2) соответственно, где S, мм² – площадь поперечного сечения пропитанного углеродного волокна, вычисляемая по формуле:

, (7)

где Т, текс − линейная плотность пропитанного углеродного волокна; ρ, г/см³ − плотность пропитанного углеродного волокна.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение понятиям «предела прочности при растяжении углеродного полокна» и «модуля упругости при растяжении углеродного волокна».

2. Поясните сущность методики испытаний на растяжение углеродных волокон?

3. Запишите формулы для расчета предела прочности и модуля упругости при растяжении углеродного волокна.

4. Пропитка полимерным связующим углеродных волокон и их испытание на растяжение.

5. Формулы для расчета предела прочности и модуля упругости при растяжении углеродного волокна, пропитанного полимерным связующим.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГОСТ 32667-2014. Волокно углеродное. Определение свойств при растяжении элементарной нити. – Введ. 2015–09–01. – М: Стандартинформ, 2014. – 24 с.

2. ГОСТ Р ИСО 10618-2012. Волокно углеродное. Метод определения механических свойств пропитанных смолой нитей при растяжении. – Введ. 2014–01–01. – М: Стандартинформ, 2013. – 22 с.

Практическое занятие № 3