Контроль качества полимерных композиционных материалов

Цель работы: научиться определять предел прочности и модуль упругости при растяжении, сжатии, сдвиге в плоскости листа и межслоевом сдвиге полимерных композиционных материалов.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

К основным методам контроля качества полимерных композиционных материалов (ПКМ) относятся испытания на растяжение (0º, 90º), сжатие (0º, 90º), сдвиг в плоскости листа и межслоевой сдвиг.

6.1. Испытание на растяжение ПКМ (0º, 90º)

0º, 90º − угол между направлением, в котором исследуются свойства материала, и направлением укладки слоев наполнителя в ПКМ.

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

Модуль упругости при растяжении ПКМ (Е_р, ГПа) – коэффициент, характеризующий сопротивление ПКМ растяжению при упругой деформации.

Упругая деформация – деформация, исчезающая после прекращения действий внешних сил. При этом ПКМ принимает первоначальные размеры и форму.

Испытание на растяжение ПКМ состоит в кратковременном растяжении образца из ПКМ на растяжение с постоянной скоростью деформирования, при котором определяют: 1) предел прочности при растяжении как отношение максимальной нагрузки F_max, предшествующей разрушению образца, к начальной площади поперечного сечения образца; 2) модуль упругости как отношение напряжения к соответствующей относительной деформации при нагружении образца из ПКМ в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования.

Для испытаний на растяжение ПКМ, армированных однонаправленными лентами, однонаправленными тканями или ортотропными тканями, применяют образцы в виде полосы прямоугольного сечения с закрепленными на концах накладками (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение образца ПКМ для

испытания на растяжение

Размеры образцов приведены в таблице.

Размеры образцов ПКМ для испытаний на растяжение

Наиболее часто в качестве накладок используют полимерные материалы, армированные стекловолокном на основе Е-стекла (переплетенным или непереплетенным). Направление укладки волокон накладок должно составлять угол 45º с направлением укладки волокна образцов ПКМ. Успешно применяют стальные контакты или контакты, сделанные из того же материала, что и материал, который проходит испытания.

Для приклеивания накладок используют клей или клеевой состав, который обеспечивает сдвиговую прочность, достаточную для проведения измерения предела прочности образца без отделения накладок до конца эксперимента.

Типичные зависимости напряжения от деформации при растяжении в направлении 0º/90º для различных образцов ПКМ (1-7) показаны на рис. 2.

Рис. 2. Диаграммы растяжения ПКМ: σ_р – предел прочности при растяжении образца № 6

Предел прочности при растяжении ПКМ определяют по формуле:

, (1)

где b, мм – ширина образца ПКМ и h, мм – толщина образца ПКМ.

Модуль упругости при растяжении ПКМ определяют по формуле:

(2)

где F₁ – нагрузка в Н на образец ПКМ при относительном удлинении ε₁ = 0,1%; F₂ – нагрузка в Н на образец ПКМ при относительном удлинении ε₂ = 0,3%; l₁ – удлинение образца в мм при ε₁ = 0,1%; l₂ – удлинение образца в мм при ε₂ = 0,3%; l₀ – рабочая зона экстензометра или другого измерителя деформации, мм.

За окончательный результат испытаний принимается среднее арифметическое результатов не менее 5-ти измерений.

Среднее арифметическое результатов измерений <σ_р> и <Е_р> вычисляют соответственно по формулам:

<σ_р> = и (3)

<Е_р> = , (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 ПКМ вычисляют соответственно по формулам:

s_σр = и (5)

s_Eр = (6)

6.2. Испытание на сжатие ПКМ (0º, 90º)

Предел прочности при сжатии ПКМ (σ_сж, МПа, ГПа) – напряжение, приложенное к образцу ПКМ при сжатии, выше которого происходит разрушение образца.

Модуль упругости при сжатии ПКМ (Е_сж, ГПа) – коэффициент, характеризующий сопротивление ПКМ сжатию при упругой деформации.

Испытание на сжатие ПКМ состоит в кратковременном сжатии образцов ПКМ с постоянной скоростью деформирования, при котором определяют: 1) предел прочности при сжатии σ_сж, равный отношению максимальной нагрузки F_max, предшествующей разрушению образца, к начальной площади поперечного сечения образца; 2) модуль упругости Е_сж, равный отношению напряжения к соответствующей относительной деформации при нагружении образца из ПКМ в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования.

Форма и размеры образцов ПКМ для испытаний на сжатие приведены на рис. 3.

Рис. 3. Схематическое изображение образца ПКМ для

испытания на сжатие

Минимальная толщина образца определяется по формуле:

, (7)

где l_g – длина измерительного участка, мм; σ_сж – ожидаемая предельная прочность при сжатии, МПа; E_изг – ожидаемый модуль упругости при изгибе, МПа; G_xz – межслоевой модуль сдвига по толщине, МПа.

Значение G_xz обычно принимают около 4 ГПа, которое является разумной оценкой для большинства полимерных матричных композиционных материалов, испытываемых при комнатной температуре.

Зависимости напряжения от деформации при сжатии образцов ПКМ в направлении 0º/90º схожи с аналогичными зависимостями при растяжении образцов ПКМ в направлении 0º/90º. Формулы для расчета предела прочности и модуля упругости ПКМ при сжатии такие же, как и в разделе 6.1. Разница в том, что значения параметров, входящих в формулы, находятся из диаграмм сжатия ПКМ.

6.3. Испытание на сдвиг в плоскости листа ПКМ

Предел прочности при сдвиге в плоскости листа ПКМ (τ_12пр, МПа) – напряжение, приложенное к образцу ПКМ при сдвиге в плоскости листа, выше которого происходит разрушение образца.

Модуль упругости при сдвиге в плоскости листа ПКМ (G₁₂, ГПа) – коэффициент, характеризующий сопротивление ПКМ растяжению при сдвиговой деформации.

Предел прочности и модуль упругости при сдвиге в плоскости листа определяются путем проведения испытаний на растяжение с постоянной скоростью деформирования образцов симметричных ПКМ, состоящих из слоев с ориентацией только ±45° (рис. 4).

Рис. 4. Направления волокон армирующего наполнителя в

образце ПКМ для испытания на сдвиг в плоскости листа:

X, Y – оси образца; 1, 2 – оси слоев ПКМ

Предел прочности при сдвиге в плоскости листа τ₁₂ определяется как отношение максимальной нагрузки F_max, предшествующей разрушению образца, к начальной площади поперечного сечения образца, а модуль сдвига G₁₂ – как отношение напряжения к соответствующей относительной деформации при сдвиговых деформациях в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования.

Для испытаний на сдвиг в плоскости листа применяют такие же образцы, как и образцы для испытаний на растяжение.

Типичные зависимости напряжения от деформации при сдвиге в плоскости листа для различных образцов ПКМ (1-3) показаны на рис. 5.

Рис. 5. Результаты испытаний различных образцов ПКМ

на сдвиг в плоскости листа: τ_12пр2 – предел прочности при

сдвиге в плоскости листа образца № 2

Предел прочности при сдвиге в плоскости листа рассчитывается по формуле:

(8)

где b, мм – ширина образца ПКМ и h, мм – толщина образца ПКМ.

Модуль сдвига в плоскости листа рассчитывается по формуле:

(9)

где Δτ₁₂ – разность в значениях сдвиговых напряжений, соответствующих двум различным точкам на линейном участке кривой τ₁₂ как функция сдвиговой деформации γ₁₂, МПа; Δγ₁₂ – разность в значениях сдвиговых деформаций, соответствующая Δτ₁₂ на зависимости τ₁₂ = f(γ₁₂).

В свою очередь разность в значениях сдвиговых деформаций рассчитывается по формуле:

(10)

где Δl₁/l₀ – изменение продольной деформации, %; Δl₂/l₀ – изменение поперечной деформации, %; l₀ – длина рабочей области образца, мм.

За окончательный результат испытаний принимается среднее арифметическое результатов не менее 5-ти измерений.

Среднее арифметическое результатов измерений <τ₁₂> и <G₁₂> вычисляют соответственно по формулам:

<τ_12пр> = (11)

<G₁₂> = , (12)

где и – суммы первичных результатов измерений предела прочности и модуля упругости при сдвиге в плоскости листа; n – общее число измерений.

Среднее квадратичное отклонение τ₁₂ и G₁₂ вычисляют соответственно по формулам:

s_τ12 = и (13)

s_G12 = . (14)

6.4. Испытание на межслоевой сдвиг ПКМ

Предел прочности при межслоевом сдвиге ПКМ (τ_13пр, МПа) – напряжение, приложенное к образцу ПКМ при межслоевом сдвиге, выше которого происходит разрушение образца.

Образцы для испытания в форме короткой балки нагружаются в центре, как показано на рис. 6.

Рис. 6. Схема испытания на межслоевой сдвиг

Концы образца устанавливаются на двух опорах, допускающих боковое перемещение. Нагружение производится с помощью нагружающего валика непосредственно в геометрический центр образца. Пределел прочности τ_13пр определяется как отношение максимальной нагрузки F_max, предшествующей разрушению образца, к начальной площади поперечного сечения образца:

(15)

где b, мм – ширина образца ПКМ и h, мм – толщина образца ПКМ.

Рекомендуемые размеры образцов для испытаний на межслоевой сдвиг показаны на рис. 7.

Рис. 7. Рекомендуемые размеры образцов в мм

Отношение расстояния между нагружающим валиком и опорами к толщине образца должно составлять 4 мм, а минимальная толщина образца – 2,0 мм. Рекомендуются также следующие соотношения размеров образцов: длина образца = h  6, а ширина образца = h  2.

Типичные зависимости напряжения от приращения прогиба в середине образца а при межслоевом сдвиге различных образцов ПКМ показаны на рис. 8.

Рис. 8. Зависимости τ₁₃ от а

За окончательный результат испытаний принимается среднее арифметическое результатов не менее 5-ти измерений.

Среднее арифметическое результатов измерений τ_13пр вычисляют по формуле:

<τ_13пр> = , (16)

где – суммы первичных результатов измерений предела прочности; n – общее число измерений.

Среднее квадратичное отклонение τ_13пр вычисляют по формуле:

s_τ13пр = . (17)

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется пределом прочности и модулем упругости при растяжении ПКМ? Приведите формулы для их расчета. Размерности прочности и модуля упругости.

2. Какой формы образцы применяются при испытании ПКМ на растяжение? Размеры образцов. Как исключить проскальзывание и раздавливание образца ПКМ в захватах испытательной машины?

3. Пояснить сущность метода испытаний ПКМ на растяжение.

4. Что называется диаграммой растяжения ПКМ? В каких осях она строится? Чем отличаются абсолютная и относительная деформации? Как они обозначаются? Какова их размерность?

5. Каково назначение испытаний на сжатие ПКМ? Требования, предъявляемые к формам и размерам образцов, и формулы для расчета предела прочности и модуля упругости при испытаниях на сжатие ПКМ.

6. Каковы особенности проведения испытаний на сдвиг в плоскости листа ПКМ? Напишите формулы для расчета предела прочности и модуля упругости при сдвиге в плоскости листа ПКМ.

7. Дайте определение предела прочности при межслоевом сдвиге ПКМ. Как его определяют в эксперименте? Образцы для испытаний на межслоевой сдвиг.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ASTM D 3039/D 3039M – 00. Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials. – West Conshohocken, PA: American society for testing and materials, 2000. – 13 p.

2. ASTM D 6641/D 6641M – 01. Standard test method for determining the compressive properties of polymer matrix composite laminates using a combined loading compression (CLC) test fixture. – West Conshohocken, PA: American society for testing and materials, 2001. – 9 p.

3. ASTM D D 3518/D 3518M – 94. Standard test method for in-plane shear response of polymer matrix composite materials by tensile test of a ± 45° laminate. – West Conshohocken, PA: American society for testing and materials, 1994. – 7 p.

4. ASTM D D 2344/D 2344M – 00. Standard test method for short-beam strength of polymer matrix composite materials and their laminates. – West Conshohocken, PA: American society for testing and materials, 2000. – 8 p.

СОДЕРЖАНИЕ

Практическое занятие № 1. Теории адгезии.......................1

Практическое занятие № 2. Определение предела

прочности и модуля упругости при растяжении

углеродных волокон и углеродных волокон, пропитанных

полимерным связующим......................................................5

Практическое занятие № 3. Технология получения

текстильных структур на ткацком оборудовании

рапирного типа.....................................................................12

Практическое занятие № 4. Контроль качества

полимерных связующих.....................................................16

Практическое занятие № 5. Контроль качества

препрегов..............................................................................24

Практическое занятие № 6. Контроль качества

полимерных композиционных материалов.......................27

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к подготовке к практическим занятиям (семинарам) № 1-6

по дисциплине «Теория и технологии процессов производства, обработки и переработки композиционных материалов

в изделиях» для студентов направления 150100.62 «Материаловедение и технология материалов» (профиль «Конструирование и производство изделий

из композиционных материалов») очной формы обучения

Составитель

Калгин Александр Владимирович

В авторской редакции

Компьютерный набор А.В. Калгина

Подписано к изданию 04.02.2015.

Уч.- изд. л. 2,5.

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»