4.1.4. Свойства стеклопластиков

Механические свойства. Стеклопластики, в зависимости от структуры и расположения армирующих материалов, в большин­стве случаев анизотропны, т. е. механические свойства их изменя­ются в зависимости от направления действия нагрузки.

Прочность при растяжении ориентированных стеклопластиков определяется прежде всего количеством и прочностью армирующе­го материала, адгезионной и когезионной прочностью связующего, его модулем упругости и относительным удлинением. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении стеклопластика от со­держания волокна приведена на рис. 13.

Абсолютные значения разрушающего напряжения однонаправ­ленных стеклопластиков на основе алюмоборосиликатного волок­на достигают 1 600... 1 800 МПа, а на основе волокна из стекла ВМ- 1 могут составлять 2 000...2 200 МПа. Содержание стекла в неориен­тированных стеклопластиках обычно не более 50 вес. %, причем повышение прочности с ростом количества волокон не так заметно. Влияние адгезии связующего к стеклянным волокнам на прочность стеклопластика представлено на рис. 14.

Когезионная прочность связующего, его модуль упругости и эластичности, а также относительное удлинение оказывают решаю­щее влияние на монолитность системы связующее - стеклянные во­локна. Для обеспечения монолитности стеклопластика, армирован­ного алюмоборосиликатными волокнами, необходимо, чтобы свя­зующее имело прочность при растяжении 120...150 МПа, модуль упругости 4 500...5 000 МПа, а относительное удлинение 4...5 %.

Рис. 13. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении ориен-тированных стеклопластиков от содер-жания стеклянного волокна.

Рис. 14. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении ориен­тированных стеклопластиков от адгезии связующих к стеклянным волокнам.

Прочность при сжатии в меньшей степени, чем при растяжении, зависит от прочности и количества стеклянных волокон, в то время как увеличение диаметра и модуля упругости волокон приводит к значительному увеличению разрушающего напряжения стеклопла­стика при сжатии. Очень велико влияние адгезионной прочности связующего, значение которой, для обеспечения монолитности стек­лопластика, должно составлять 80... 100 МПа.

Прочность при изгибе стеклопластиков зависит как от диамет­ров волокон, влияющих на прочность при сжатии, так и от факто­ров, определяющих прочность при растяжении. Для неориентиро­ванных стеклопластиков значение разрушающего напряжения при изгибе является средним между значениями, характеризующими прочность материала при растяжении и сжатии. Ориентированные стеклопластики имеют прочность при изгибе, близкую к прочности при растяжении при условии, что разрушение происходит от нор­мальных, а не касательных напряжений, так как ориентированные стеклопластики слабо сопротивляются сдвигу.

Модуль упругости ориентированных стеклопластиков в направ­лении армирования не зависит от диаметра волокна и определяется в первую очередь содержанием стеклянного волокна, ориентирован­ного в направлении деформирования. Ползучесть ориентированных стеклопластиков в направлениях армирования невелика и снижение модуля упругости на базе 10 часов составляет 10... 15 %. Ползучесть ортотропных стеклопластиков под углом 45° к направлениям армирова­ния при растяжении, изгибе и сжатии хорошо описывается зависимостью

,

где е - относительная деформация; с - напряжение, меньше 0,6а_р; Е₄₅ - модуль упругости под углом 45°; С - константа, равная ~ 0,3; - продолжительность действия нагрузки, мин.; = 1 мин; n = 0,2.

Влияние температуры на модуль упругости полиэфирного ортотропного стеклопластика показана на рис. 15.

Теплофизические свойства. Показатели теплофизических свойств стеклопластиков (по направлению основы ткани), полученные на различных связующих, приведены в табл. 5.

Оптические свойства. Стекло-пластики способны пропускать до 90 % лучей ви­димой части солнечного спек­тра при условии максимальной близости показателей прелом­ления связующего и стеклянно­го волокна, а также прозрач­ности этих компонентов. Наибольшее распространение получили све­топропускающие стеклопластики на основе полиэфирных смол и алюмоборосиликатного стеклянного волокна.

Атмосферостойкость стеклопластиков определяется их способ­ностью выдерживать действие различных атмосферных факторов (солнечная радиация, кислород воздуха, тепло, влага, промышлен­ные газы и т. д.) в течение определенного времени без значительно­го изменения внешнего вида и физико-механических свойств. Изме­нение прочностных свойств стеклопластиков в процессе хранения в атмосферных условиях выражается зависимостью

где <τ₀ и - соответственно прочность до и после хранения;

В - параметр, зависящий от структуры стеклопластика и климатической зоны хранения; τ - продолжительность хранения; τ₀ = 0,1 года.

Таблица 5

Теплофизические свойства стеклопластиков с различными связующими

связующие	ρ, кг/м3	Ср, дж/(кг·К)	λ, Вт/(м·К)	a, м2/с	ɑ, 1\К
фенол-формальдегидное	1,77·103		102,0	5,5	8·10-6
то же, модифицированное винифлексом	1,80·103	1,01	127,5	8,10	8·10-6
Епоксифенольное	1,73·103	1,09	125,7	7,51	6·10-6
Анилино-формальдегидное	1,80·103		113,1		18·10-6
Кремнийорганический	1,74·103				7·10-6
Полиэфирокрилатное	1,71·103	1,59	167,6	5,90	3,5·10-6

Обозначения: р - плотность, С- удельная теплоемкость, λ - коэфициент теплопроводности, а- коэффициент температуропроводнности ɑ - коэффициент термического расширения.

Опыт показывает, что механические свойства полиэфирных стек­лопластиков толщиной более 3 мм после 5 лет хранения в различ­ных климатических зонах изменяются незначительно (на 5...7 %), однако их поверхность После хранения более года теряет товарный вид. Происходит растрескивание и шелушение связующего наруж­ного слоя, стеклянное волокно выступает на поверхность. Для пре­дотвращения старения наружного слоя изделий из полиэфирных стеклопластиков в связующее этого слоя вводят ультрафиолетовые поглотители. Наружную поверхность фенольных и эпоксидных стеклопластиков защищают тонким слоем эпоксидной смолы (50... 75 мкм), окрашенной в черный цвет.

Химическая стойкость стеклопластиков определяется следующи­ми факторами, приведенными в порядке их значимости:

- химическая стойкость связующего;

- степень приближения структуры стеклопластика к стабильной;

- отсутствие пористости;

- химическая стойкость армирующего материала.

Химически стойким в данной среде при данной температуре можно

считать такое связующее, прочность которого при изгибе снижается не более, чем на 20 % после месячной выдержки в этой среде. Относительное удлинение связующего должно быть больше, чем для стеклянного волокна, иначе под действием силовых факторов в процессе изготовле­ния, монтажа и эксплуатации связующее растрескивается, и изделие бы­стро выходит из строя в результате коррозии стеклопластика.

Высокую химическую стойкость в сочетании с достаточными механическими показателями обеспечивает многослойная структура стеклопластика, состоящая из защитного слоя, содержащего 90...95 вес. % связующего, второго химически стойкого слоя, с содержанием связующего 70...75 %, конструкционного слоя и наружного слоя, ана­логичного первому. Полиэфирные связующие в защитных слоях ар­мируют штапельными стеклянными матами с массой 1 м², равной 40...60 г, эпоксидные связующие могут быть не армированными.

Для химически стойких слоев кислотостойких стеклопластиков целесообразно применять алюмоборосиликатные стекла типа 7-А и щелочные типа ЩС. Химическая стойкость изделий из стеклоплас­тиков в значительной степени зависит от плотности пластиков и наличия трещин и пор в них.

Хранение полиэфирных стеклопластиков в пресной и морской воде в течение 5 лет вызывает снижение разрушающего напряжения при растяжении на 10... 13 % , при сжатии - на 10... 15 %, при изгибе - на 15...17 %; модуля упругости - на 6...10 %.

Механические свойства стеклопластиков после выдержки их в воде до 1 года и последующего высушивания практически полнос­тью восстанавливаются.

Несущие конструкции из стеклопластиков, по сравнению с ме­таллическими из высокопрочных металлов, имеют ряд преимуществ:

- меньшая трудоемкость изготовления;

- более короткий цикл изготовления;

- низкая стоимость изделий;

- высокая удельная прочность;

- регулируемая анизотропия свойств материала;

отсутствие требований высокой квалификации персонала.

Теоретическая прочность стеклянных волокон составляет 1000...

1400 кгс/мм² (10 000...14 000 МПа), а для плавленого кварца -

2500 кгс/мм² (25 000 МПа). Снижение прочности против теорети­ческой объясняется наличием трещин на поверхности волокон и мик­родефектов структуры.

Сейчас наиболее прочные волокна - на основе магний- алюмосиликатного стекла: ~ 500...600 кгс/мм² (5000...000 МПа) при плотности р = 500...3000 кг/м³. В настоящее время применяются вы­сокомодульные стекла типа ВМС и высокопрочные - типа ВМП.

Для намотки корпусов РДТТ используются жгуты (ровинги), при­чем на них достигается прочность на 10 % выше, чем на основе крученых нитей. Это объясняется тем, что в ровингах волокна параллельны между собой, а в нити - они скручены. Чаще всего намоточные изделия получа­ют «мокрым» способом, хотя можно применять и «сухой», но он не на­шел широкого распространения, особенно для эпоксидных связующих.

Основным недостатком стеклопластиковых конструкций является то, что не все дефекты, допущенные при изготовлении, поддаются ремонту [5,10].