Композиционные материалы в машиностроении. Лабораторный практикум. Учебное пособие

ИСД-3, потенциометры типа МДС-021 или другие приборы с чувствительностью не ниже 10-5 относительных единиц деформации.

Теоретические сведения

Работоспособность композита обеспечивается как правильным выбором исходных компонентов, так и рациональной технологией их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между ними при сохранении первоначальных свойств. Волокна, применяемые в конструкционных композиционных материалах, должны удовлетворять комплексу эксплуатационных и технологических требований.

К первым относятся требования по прочности, жёсткости, плотности, стабильности свойств в необходимом температурном интервале, химической стойкости и т..п Технологичность волокон определяет возможность создания высокопроизводительного процесса изготовления изделий на их основе. Важным требованием здесь является совместимость волокон с матричным материалом.

Основные типы волокон

1. Стеклянные волокна. Непрерывные стеклянные волокна образуются из расплавленной стекломассы путём вытягивания струи на выходе из фильер до диаметра5...20 мкм. Предел прочности стеклянных волокон составляет2...6 ГПа и определяется в основном составом стекломассы, условиями вытяжки и последующей обработки. Модуль упругости составляет50...130 ГПа, плотность - 2500...2600 кг/м3. При изготовлении композитных элементов конструкций стеклянные волокна используются в виде первичных нитей, ровингов (т.е. прядей нескрученных нитей), кручённых нитей и тканей на их основе. Достоинствами стеклянных волокон являются высокая прочность при растяжении и сжатии, сравнительно низкая стоимость исходных материалови процесса изготовления, хорошая совместимость с полимерными матрицами и технологичность. Недостатки связаны с низким модулем упругости и сравнительно низкой теплостойкостью.

31

2. Углеродные (или углеродистые) волокна. Они представ-

ляют собой поликристаллические вещества с высокой степенью ориентации структуры. Исходным сырьём для их получения являются органические волокна, которые можно карбонизировать без расплавления.

В зависимости от условий получения и типа исходного сырья предел прочности и модуль упругости волокон находятся соответственно в пределах2,0...3,5 МПа и 220...700 ГПа, а плотность 1750…1950 кг/м3. Наибольшей прочностью обладают волокна, нагрев которых на последнем этапепри температуре 1600 оС создаёт мелкокристаллическую структуру.

Основными достоинствами углеродных волокон являются их более высокая по сравнению со стеклянными волокнами жёсткость и высокая теплостойкость.

Так, механические характеристики углеродных волокон сохраняются неизменными при повышении температуры до 750 оС. Кроме того, эти волокна характеризуются отрицательным температурным коэффициентом линейного расширения, что в совокупности с положительным коэффициентом у матрицы -по зволяет синтезировать конструкции, сохраняющие свои размеры при температурном воздействии.

3. Борные волокна. Эти волокна получают осаждением бора на нагреваемую вольфрамовую нить диаметром 12…16 мкм. При таком процессе вокруг нити формируется борная оболочка, частично прореагировавшая с материалом нити.

В настоящее время выпускают волокна диаметром 100…200 мкм, имеющие предел прочности 2…4 ГПа, модуль упругости - 370…430 ГПа, плотность - 2500…2700 кг/м3. Борные волокна обладают высокой чувствительностью к концентраторам напряжений, чем объясняется их бόльшая прочность при сжатии, нежели при растяжении. Борные волокна хорошо совмещаются как с полимерной, так и с металлической матрицей. Их основными достоинствами являются высокая жёсткость и прочность при сжатии. К недостаткам можно отнести высокую стоимость, хрупкость и связанную с ней низкую технологичность, большую толщину элементарного слоя, определяемую диаметром волокон.

32

4. Органические волокна. Высокомодульные органические волокна получают из концентрированных растворов полимеров формованием через фильеры.

В зависимости от состава полимера и метода формования получают органические волокна, имеющие предел прочности при растяжении 1,8…3,0 ГПа, модуль упругости - 70…130 ГПа, плотность - 1410…1450 кг/м3. При достаточно высоком модуле упругости и большом предельном удлинении(до 2 %) органические волокна обладают высокой ударной вязкостью и малой чувствительностью к повреждениям. Последнее свойство позволяет сохранять до 90 % прочности волокон при получении тканевых полуфабрикатов. Органические волокна хорошо воспринимают растягивающую нагрузку. При сжатии композиты на основе органических волокон значительно уступают стеклопластикам.

Эксперименты с типичными однонаправленными композитами позволяют установить, что вид разрушения зависит от типа напряжённого состояния. На рис. 8 представлены схематично некоторые из характерных видов разрушения.

Рис. 8. Схемы разрушения волокнистых композитов: а - разрушение при растяжении вдоль волокон, сопровождающееся разрывом волокон; б - разрушение при сжатии вдоль волокон, вызванное «сколом» или расслоением; в - разрушение связующего и/или адгезионной связи волокон и связующего при растяжении поперёк волокон; г - разрушение композита, вызванное сдвиговыми напряжениями при сжатии поперёк волокон; д - расслоение материала, вызванное сдвиговыми напряжениями в плоскости образца

33

Испытания проводят в специальном приспособлении, обеспечивающем одновременное приложение нагрузки по торцевым и боковым поверхностям образца (рис. 9).

Рис. 9. Одновременное приложение нагрузки по торцевым и боковым поверхностям образца

Образцы должны иметь гладкую наружную поверхность без вздутий, сколов, трещин и других< дефектов, заметных невооруженным глазом. Шероховатость торцевых поверхностей образца должна соответствовать 0,63 мкм. Изменение толщины и ширины образца должно быть не более0,05 мм. Для определения предела прочности при сжатии в направлении армирования однонаправленных композиционных материалов применяют образцы в виде полосы прямоугольного поперечного сечения с закрепленными по концам накладками 1 (рис. 10).

Рис. 10. Образец в виде полосы прямоугольного поперечного сечения

34

Для определения предела прочности при сжатии материалов с укладкой арматуры, отличной от однонаправленной, а также однонаправленных в направлении, перпендикулярном к армированию, применяют образцы шириной 15 мм или в виде двусторонней лопатки (рис. 11).

Рис. 11. Образец в виде двусторонней лопатки

Для определения модулей упругости и коэффициентов Пуассона при сжатии композиционных материалов применяют образцы в виде параллелепипеда с прямоугольным основанием

(рис. 12).

Рис.12. Образцы в виде параллелепипеда с прямоугольным основанием

При≥определении модуля упругости ≥и коэффициента Пуассона материалов с модулем упругости 20000 МПа и толщиной 1,5 мм при разрушающей нагрузке, не превышающей 50 % этой величины, длину рабочей части образца принимают равной 60 мм.

35

Задание: провести испытания композиционных материалов на сжатие с постоянной скоростью деформирования, при котором определить: предел прочности при сжатии (напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца); модуль упругости при сжатии (отношение напряжения к соответствующей относительной деформации при сжатии образца в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования); коэффициент Пуассона (отношение поперечного относительного удлинения к продольному относительному укорочению образца при сжатии в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования).

Порядок выполнения работы

1.Перед испытанием образцы пронумеровать краской. Измеряют толщину и ширину рабочей части образца в трех местах: по краям и в середине. Участки размером менее 10 мм измеряют с точностью до 0,05 мм, размером 10 мм и более - до 0,1 мм. Среднее значение толщины и ширины образца записывают в протокол испытаний и по ним, с точностью до трех значащих цифр, определяют площадь поперечного сечения образца.

2.Испытания проводят в помещении или закрытом объеме при температуре и относительной влажности окружающего воздуха или другой среды, указанных в технических условиях на испытуемый материал. Если таких указаний нет, то испытания проводят при температуре окружающего воздуха(20±2) °С и относительной влажности воздуха (50±5) %.

3.Образец устанавливают на опорные плиты испытательной машины так, чтобы продольная ось его совпала с направлением действия нагрузки, а торцевые поверхности были параллельны опорным поверхностям плит.

4.Устанавливают механические приспособления для измерения деформаций (на образец наклеиваются тензорезисторы перед установкой в испытательную машину).

36

5. Устанавливают заданную скорость перемещения активного захвата машины (рекомендуемая 1-15 мм/мин).

6. Испытательную машину приводят в действие и записывают значение определяемых показателейP, H, Z, а также кривую «нагрузка-деформация» при сжатии.

Для определения модуля упругости или коэффициента Пуассона образец нагружают равномерно с заданной постоянной скоростью перемещения активного захвата в пределах -на

При определении предела прочности при сжатии образец равномерно нагружают с заданной скоростью перемещения ак-

Формулы для расчетов

Модуль упругости и толщину образцаh длину рабочей

кр

где h - толщина образца, мм; µ - коэффициент приведенной длины; - модуль упругости материала образца в направлении приложения нагрузки, МПа; кр - критическое напряжение при сжатии, МПа; - предполагаемый предел прочности при сжатии, принимаемый равным пределу прочности при растяжении, МПа; - модуль межслойного сдвига материала образца, МПа.

37

Таблица 8

Результаты измерений на сжатие полимерных композиционных материалов

Материал Образец

Контрольные вопросы

1.Какие требования к образцам являются ключевыми при испытаниях на сжатие?

2.Какие основные типы волокон применяются в конструкционных композиционных материалах?

3.Какие эксплуатационные и технологические требования предъявляются к волокнам композитных материалов.

4.Какие характерные особенности основных типов разрушений композитных материалов при сжатии?

5.Какие методы определения деформаций применяются при испытаниях?

Лабораторная работа № 6.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ И МОДУЛЯ УПРУГОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИСПЫТИНИЯХ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Цель работы: определить прочностные характеристики композиционных материалов при испытаниях на растяжение с постоянной скоростью деформирования.

40