Стандарт регулирует методику проведения испытаний при растягивающих нагрузках полимерных композитных материалов (ПКМ), усиленных каркасом из волокон высокой прочности (углеродных, борных, органических и др.), а также вводит термины «схема армирования», «скорость испытания», «деформация перехода» и др.
Композиционные конструкционные материалы сегодня находят применение в самых разных отраслях производства, причем их разнообразие поражает воображение. Наиболее востребованными наряду с гибридами, стали углепласты и стеклопласты; боропласты и органопласты.
Применение композитов в конструкциях летательных аппаратов приблизительно следующее: из полимерных композитов на стеклопластик приходится ≈ 42%, на углепласт ≈30%, на органопласт ≈27%, на боропласт ≤1%; из металлических композитов ≥90% приходится на бороалюминий.
В качестве связующего чаще всего применяют смеси на базе смол (полиэфирных, эпоксидных, фенолформальдегидных).
Каркасом стеклопластов чаще всего становятся ткани (толщиной 0,1 ÷ 0,3 мм) из стеклянных нитей (лент, жгутов) полотняного или саржевого плетения, а также плетеные сети с разным размером ячеек (стекломаты). Ткани грубого плетения (рогожа) могут быть толщиной ≤0,5 мм. Плотность стеклянного каркаса – 2,1÷2,6 г/см3. Стеклопласты дешевы, стабильны под воздействием тепла, биологических и химических факторов, а также характеризуются высокой механической прочностью, они высокотехнологичны при армировании (легко и без дефектов формируют сложные поверхности малого радиуса). Прочностные свойства стеклопластов:
Недостатком стеклопластов (в особенности полых) является их высокая плотность и гигроскопичность.
Углепласты формируют из волокон углерода, при этом для армирования применяют однонаправленные нити/ ленты ровинга толщиной 0,005 - 0,01 мм, прошитые поперечной нитью с шагом 5 - 10 мм. Ширина ленты может быть от 5 до 400 мм. Применяется грубая ткань (рогожа) саржевого плетения шириной ≤1 м, толщиной 0,2 ÷ 0,35 мм.
Углеродные нити по прочности почти аналогичны стеклянным, но имеют меньшую плотность (1,7 ÷ 2,0 г/см3), повышая тем самым удельную прочность. Удельная жесткость углепластов выше стеклопластов.
Показатели прочности угольных волокон:
Современные углепласты электропроводны, коррозионностойки, устойчивы к циклическим нагрузкам, характеризуются низким коэффициентом теплового расширения. Армирующие углеродные волокна устойчивы к воздействию высоких температур, и стабильность углепласта ограничивается термостабильностью матрицы. Большая перспектива для углеродной арматуры открывается в би сталеамидных и полиамидных матрицах. Углепласты на базе полиамидной матрицы устойчивы кратковременно при 530°С, и ≈70000 часов – при ≤230°С. Недостатком углепластов является их слабая технологичность, и, соответственно узкий ассортимент, хрупкость и высокая стоимость.
Органопласты – композиты на основе полимеров с каркасом из высокопрочных волокон арамидов (в виде жгутов и узких лент) в виде тканей полотняного/ саржевого плетения, толщиной 0,1 ÷ 0,25 мм, которые характеризуются отличными показателями термостабильности, прочности при растягивающей нагрузке, устойчивостью при циклических нагрузках, устойчивостью к сдвигу, высоким значением модуля упругости. Низкая плотность (1,43÷1,45 к кг/см3) Арамидные волокна, уступая по удельному модулю упругости лишь борным и углеродным волокнам, характеризуются самой высокой удельной прочностью:
Недостатком армирующих органопластов является небольшой ассортимент каркасов на их основе и высокая стоимость.
Боропластами называют композиты с борными волокнами или нитями в качестве каркаса с плотностью 2,5 кг/см3, параллельно направленные толстые (90 ÷ 110 мкм) волокна которых сплетают в ткань, при этом содержание волокон бора на единицу объема композита невысоко, что усиливает роль каждого волокна, участвующего в распределении нагрузки. Ущерб, наносимый боропласту разрушением одного армирующего волокна, сравним с разрушением в плоскости сечения ≈180 стеклянных или органических нитей.
Боропласты термостабильны вплоть до 400°С, характеризуются высокими показателями жесткости, устойчивостью к циклическим нагрузкам и высокой механической прочностью.
К недостатками боропластов можно отнести разброс прочностных параметров (≤30%), хрупкость, шероховатость, жесткость и невысокую технологичность (радиус изгиба ≤100 – 150 мм).
Полимерные композитные материалы могут представлять собой гибриды, которые для придания конкретных качеств материалу составляются из сочетания различных материалов: для создания жесткого и вязкого материала углеродный каркас сочетают с органическим или стеклянным армированием.
Физико-механические свойства термопластичных матриц
Для стандартных образцов композитов, в соответствии с требованиями данного нормативного документа – при трех значениях температуры (нормальной, пониженной; повышенной), при неизменной скорости нагружения (или деформирования до момента разрыва) определяют следующие механические характеристики:
- коэффициент Пуассона;
- модуль упругости;
- прочность (при растяжении);
- приращение длины в момент разрушения;
- деформацию перехода (на би линейной диаграмме).
Образцы композитов на тканевой основе для производства авиационных деталей при их испытании на растяжение должны иметь следующую форму:
Рекомендуемые размеры образцов (размеры в миллиметрах).
Технология изготовления, способы обработки, топография их выемки нормируются технической документации на материал, и изготавливаются по единому методу формования. Они должны быть гладкими, без видимых внешних дефектов. После окончания подготовительных мероприятий (выравнивания поверхности и кондиционирования) до начала испытаний в трех рабочих точках определяют площадь образцов (А = w × h, мм2) внося в протокол усредненное значение трех измерений. Образцы крепят в захватах накладками из других композитов, упругость которых не превышает таковой у испытуемого образца. Накладки изготавливают со скосами 5 ÷ 90°, но применять лучше с углом скоса 30° ÷ 35 ± 0, 5%. Накладки приклеиваются к образцу, сопротивление сдвигу клея ≤30 МПа. Минимальная длина накладок lн мм, вычисляют по формуле:
где h – толщина образца, мм;
σB – прочность материала при растяжении, Мпа;
σSU – прочность при сдвиге соединения «материал образца – материал накладки», Мпа.
Маркировка готовых образцов (не менее 5 для каждого режима) каждой партии должна обеспечить возможность легкой идентификации материала, условий эксперимента и номер партии, но не влиять на результаты испытаний. Любые изменения условий проведения испытаний должны фиксироваться в протоколе.
Перед началом испытаний по требованию заказчика производят стандартное кондиционирование образцов, измерение толщины и ширины (в центре и по краям). При расчетах учитывают минимальное значение площади трансверсального сечения. Перед запуском испытательной машины по контрольному образцу тремя экстензометрами центрируют ее силовую цепочку, нормируя величину деформаций изгиба.
Величины деформации изгиба (%) вычисляют:
Расположение экстензометров на контрольном образце
Для калибровки нагрузку повышают (со скоростью εave ≥0, 001 мм/мм) до величины на всех экстензометрах 0,0005 мм/мм. Деформация изгиба допускается ≤5%. При необходимости калибровку совершают повторно, изменяя условия. Образец продольной осью плотно закрепляют захватами соосно нагрузке, не разрушая их. Масштаб нагрузки настраивают в диапазоне 20 ÷ 80% от max значения шкалы. Датчики измерения деформации крепят вдоль и поперек средней части образца. Управляемую деформацию рекомендуется осуществлять со скоростью 0,01 мин-1 (длительность единичного измерения – 1,0 ± 0, 5 мин). Время термостатирования образцов – ≥20 мин на 1 мм толщины.
Модуль упругости образца зависит от величины относительного изгиба (By мм/мм):
где εf – значение деформации, фиксируемое на фронтальном датчике деформации, мм;
εb – значение деформации, фиксируемое на тыльном датчике деформации, мм.
При растягивающей нагрузке определяют как продольную, так и поперечную деформацию; для установления прочностных параметров (временное сопротивление и предел прочности) образцы равномерно растягивают вплоть до разрушения, фиксируя нагрузки 3 раз в секунду (совокупно ≥100 для образца) и величину нагрузки разрыва Pmax.
Деформацию перехода εпер, %, определяют графически на графике пересечения условно линейных участков:
Для каждой серии испытаний рассчитывают среднеарифметическое значение x̅, среднеквадратическое отклонение Sn-1 и коэффициент вариации CV, %, по формулам
где xi – величина по испытанию; n – количество образцов.
Результаты исследований анализируют в соответствии с шаблонами (тип, зона, место), формируя протокол испытаний:
Протокол испытаний
Результаты испытаний заносят в протокол испытаний, который должен содержать:
- наименование материала, схему укладки;
- наименование предприятия-изготовителя, метод изготовления, номер партии;
- количество и тип образцов, маркировку и геометрические размеры;
- способ кондиционирования, температуру и влажность испытательной среды;
- тип средств измерений и испытаний, заводской номер, класс точности датчика силы;
- способ измерений деформации и нагрузки (класс точности экстензометра, датчика силы);
- режим испытания;
- значения характеристик, определяемых по настоящему стандарту, для каждого образца;
- тип, зону и местоположение разрушения каждого образца;
- любые отклонения от условий, описанных в настоящем стандарте;
- дату проведения испытаний;
- Ф.И.О. и должность оператора;
- Ссылку на настоящий стандарт.
Рекомендуется заносить в протокол диаграммы деформирования, фотографии разрушенных образцов, информацию о пористости образцов и др.
На базе полученных результатов подготавливаются ТУ (технические условия) на материалы. На результаты исследований, кроме вышеописанных, влияют материал, места вырубки образцов и методика их подготовки; слои материала и технология их укладки, пористость и объемный % армирования.
При проведении испытаний композитных материалов при растягивающей нагрузке получают следующие физико-механические данные:
- предел прочности при растяжении;
- максимальная деформация при растяжении;
- модуль упругости при растяжении;
- коэффициент Пуассона (далее – коэффициент поперечной деформации);
- деформация перехода.
По результатам межлабораторных испытаний 9-и независимых лабораторий при изучении шести видов композитов (≤5 образцов каждого) с различной конфигурацией слоев, была установлена статистическая точность определения модуля упругости, предела прочности (при разрыве) и деформации разрушения. Средние значения вариативных коэффициентов SrlX SRIX соответственно, характеризуют повторяемость и воспроизводимость.
Статические данные
Приведенные данные позволяют сравнить повторяемость полученных параметров физико-механических свойств композитов при растягивающей нагрузке (в пределах 1 лаборатории) и воспроизводимость (нескольких лабораторий). В наименьшей степени повторяются и воспроизводятся значения деформации при разрушении, в отличие от значения модуля упругости, который характеризуется максимальными воспроизводимостью и повторяемостью.
На воспроизводимость и повторяемость в большой степени влияют конфигурация укладки слоев композита, способы подготовки (материала и образца), условия проведения испытаний, фиксация параметров испытаний.
Для проведения испытаний на прочность при растягивающей нагрузке композитных материалов, которые применяются в авиационном строительстве требуется набор сертифицированного оборудования, соответствующего требованиям государственного стандарта. Прежде всего это универсальные испытательные машины, экстензометры, муфельные печи, термопары, толщинометры. Для этих целей предлагаем наше сертифицированное оборудование.