книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов

стандартных испытаний металлов, эти образцы закрепляют в специальном зажимном приспособлении с разъемными втул­ ками, у которых конфигурация внутренней поверхности точно соответствует форме переходного участка образца. Вплоть до момента образования шейки (для тех материалов, у которых она образуется) поле деформаций по всей длине рабочего участ­ ка остается равномерным, а после образования шейки возни­ кающая неоднородность деформации затухает на расстоянии

1 . Л М

15

40 _

во

Рис. 5.4. Полимерный образец для испытаний на растяжение

В силу технологических требований у полимерных образцов длина рабочего участка несколько уменьшена (с 50 до 40 мм), конический участок заменен круговой галтелью. Это обуслов­ лено более высокой чувствительностью полимеров к концент­ рации напряжений в местах резкого изменения формы (см. рис. 5.4).

Определение деформативных характеристик

Наиболее важной и трудной проблемой при эксперимен­ тальном исследовании механических параметров полимеров является измерение их деформаций.

Вследствие малой жесткости полимеров и их чувствитель­ ности к концентрации напряжений расположение каких-либо измерительных приборов на самих образцах нежелательно. С этой точки зрения идеальным является оптический метод, при котором оптическим прибором измеряют расстояние между метками на образце.

Смещение в пространстве двух меток, нанесенных в пре­ делах рабочего участка образца, можно измерять с помощью

двух независимых катетометров типа КМ-6, по разности пока­ заний которых определяют деформацию.

Наряду с описанным можно применять метод, связанный с установкой измерительного прибора на образец. В этом слу­ чае определяют изменение расстояния между зажимами, в ко­ торых закреплены головки образца. Для измерения перемеще­ ний зажимов применяют индикаторную головку.

Однако наиболее точным (особенно для малых деформа­ ций — до 0,1...0,5 %) является метод прямого использования датчиков сопротивления, наклеиваемых на образцы.

5.4. Определение физических и структурных свойств композиционных материалов

Определение свойств препрега

Термин “препрег” используют для описания многообразия композиций волокно - связующее, которые применяют как промежуточные материалы при конструировании и изготовле­ нии изделий из волокнистых композитов.

Содержание волокна и связующего — наиболее важные параметры препрега, оказывающие существенное влияние на различные характеристики композиционных материалов и вза­ имодействие между его слоями.

Для определения качества и технологичности препрега в процессе его изготовления осуществляют контроль следующих параметров ( в процентах): содержание летучих веществ в препреге; количество связующего в препреге. Анализ проводят на образцах, которые взвешивают, сушат при температуре 160 °С + 5 °С, охлаждают и снова взвешивают.

Содержание летучих определяют, используя следующую формулу:

т - гпл

< а с с = ---------- 1 . 100 % ,

лт

где т — исходная масса образца препрега; — масса образца после сушки и охлаждения.

Содержание связующего в препреге вычисляют следующим образом:

ув рв 1000 ’

где б — толщина слоя препрега, мм; тъ — масса единицы поверхности волокна, г/м2; ув —содержание волокна, % (об.);

рв — плотность волокна, г/см3.

Определение степени отверждения

Степень отверждения характеризует полноту, закончен­ ность процесса отверждения. Наиболее достоверным способом определения степени отверждения является измерение массы неотвержденной смолы т см, растворившейся в органическом растворителе при экстрагировании в приборе Сокслета. В ка­ честве растворителя используют горячий ацетон. Результаты обрабатывают, используя зависимость

где т\ — масса колбы с экстрагированной смолой после высу­ шивания; /я0 — масса пустой колбы; т2 — масса навески испытуемого материала; Ксм —содержание смолы в испытуемом материале, %.

Для ускорения анализа иногда используют экспресс-метод, заключающийся в сопоставлении количества летучих продук­ тов, выделяющихся во время термообработки при конечной температуре отверждения (например, 160 °С для отвержденного фенолформальдегидного образца препрега).

На практике законченность процесса отверждения КМ часто требуется определять в процессе отверждения конструкции. Из­ вестно несколько косвенных методов, позволяющих не только непрерывно контролировать параметры процесса (давление, тем­ пература), но и корректировать их в целях оптимизации.

В большинстве случаев используют различные методы кон­ троля, основанные на физических явлениях и законах. Один из них построен на измерении удельного объемного электри­ ческого сопротивления отверждаемой композиции.

где у£асс —содержание волокна в КМ, % (масс.); т х — масса

образца с тиглем до выжигания; т 2 —масса образца с тиглем после выжигания; т 3 - масса тигля.

Содержание волокна вычисляют, используя следующую формулу:

ВРв

где у°б - содержание волокна в КМ, % (об.); рш — плотность

КМ; рв —плотность волокна.

Определение содержания связующего термогравиметрическим методом

Для измерения содержания связующего применяют дериватограф. Анализ проводят на образцах КМ массой около 1 г, состоящего из отвержденного связующего и армирующего на­ полнителя, которые загружают в тигли печи дериватографа. Содержание связующего в КМ рассчитывают, используя сле­ дующую зависимость:

Определение содержания связующего химическим методом

Метод основан на измерении деструкции связующего в азотной кислоте 58...59%-ной концентрации. Для проведения анализа образцы материала раздавливают под прессом и, взве­ сив, нагревают в азотной кислоте.

Согласно формуле, содержание связующего

св тх

где /?*! — масса образца; т2 ~ масса остатка образца после обработки азотной кислотой.

Расчетный способ определения пористости композита

Для вычисления пористости в соответствии с полученными результатами по наполнению и плотности используют соотно­ шение

щего, % (масс.); рсв — плотность связующего.

Более высокую точность дает метод термоструктурного ана­ лиза, который проводят на шлифах, изготовленных из образцов КМ. Анализ проводят с использованием металлографического микроскопа, при этом для исследования берут несколько шли­ фов с разных участков.

5.5. Определение механических свойств композитов

Оценку механических свойств КМ проводят как разруша­ ющими методами на специально изготовленных образцах ма­ териала, так и неразрушающими методами в изделии.

Контроль механических характеристик КМ обычно связан с определением стандартного набора параметров: прочность и модуль Юнга при растяжении и сжатии (сг, Е), прочность и модуль при сдвиге (т, С7), коэффициент Пуассона (ц).

При выборе геометрии и технологии изготовления образцов необходимо моделировать процесс изготовления предполагае­ мого изделия. Например, при оценке материалов, выполненных по технологии намотки, используют кольцевые или трубчатые образцы. Кольцевые — для оценки свойств в направлении ориентации армирующих наполнителей, трубчатые - для оп­ ределения характеристик сдвига в направлении, перпендику­ лярном направлению ориентации.

5.2. Определение свойств волокнистых наполнителей

Испытания плоских образцов на растяжение

Наиболее распространенным и хорошо изученным видом механических испытаний КМ является одноосное растяжение. Полученные при этом характеристики служат для оценки не­ сущей способности материала, так как почти все критерии прочности включают прочность при одноосном растяжении.

При этих испытаниях определяют прочность с£, модуль упругости ££, коэффициенты Пуассона (здесь х ~

продольная ось образца, у — ось, направленная по ширине образца; г ” ось, перпендикулярная плоскости образца).

Перечисленные характеристики рассчитывают, используя следующие формулы:

р >

АО

Иух ~

гх

где 0 £ ~ разрушающая нагрузка; ^ — площадь поперечного сечения рабочей части образца; ех , е+, е£ — относительные деформации мерных баз по соответствующим осям при увели­ чении нагрузки на А0 .

Форма образца для испытаний на растяжение должна со­ ответствовать следующим требованиям: в рабочей зоне образца, где производят измерения деформаций и напряжений, должно быть однородное напряженное состояние; разрушение образца должно произойти в расчетном сечении.

На практике используют образцы в виде двухсторонних лопаток с переменным по длине поперечным сечением, пря­ моугольных параллелепипедов (полосок), трехслойных балок (рис. 5.5).

рыве больше соответствующих характеристик испытуемого материала образца.

Толщину накладки рассчитывают, используя формулу

^накл 4)А,

где А — толщина образца.

Угол наклона переходного участка к плоскости образца составляет 30...35°.

Рекомендации по видам образцов, их форме, размерам для испытаний на растяжение приведены в ГОСТ 256-01—80.

Американским стандартом АБТМИ 3039—76 рекомендованы для испытаний образцов на растяжение размеры, приведенные в табл. 5.1

Таблица 5.1

Испытания плоских образцов на сжатие

При испытаниях образца на сжатие результаты в значитель­ ной степени зависят от его формы и размеров. Если при изготовлении образцов не выдержана геометрическая форма, происходит внецентровое сжатие и снижается разрушающая нагрузка.

При проведении испытаний на сжатие образцов в виде полосок и лопаток различают три способа нагружения (рис. 5.6): 1 ) нагружение по торцам образца; 2 ) нагружение по боковым граням образца; 3) одновременное нагружение по торцам и боковым граням.

Нагружение по торцам обеспечивают через плоские опор­ ные поверхности. Тангенс угла отклонения действия нагрузки

способлениями в конусных за­ жимах.

Наиболее совершенный спо­