Анализ эксплуатационных свойств армированных композитных материалов в бытовой технике

Благодаря высоким эксплуатационным показателям, композитные материалы, армированные углеродными волокнами, находят широкое применение в производстве корпусных деталей. Особенно часто такие полимеры используются для изготовления бытовой техники, потому что наряду с достаточно высокими собственно эксплуатационными свойствами (прочность, износостойкость, виброустойчивость, коррозионная стойкость и т.п.) они обладают рядом свойств, необходимых для предметов быта. Это малый вес, возможность получения сложных форм, предполагающих реализацию любых дизайнерских решений, простота достижения цветовых фантазий авторов техники и т.д. Использование композитов в силовых конструкциях, особенно в корпусных деталях, позволяет обеспечить их высокую жесткость, износостойкость и усталостную прочность, значительно уменьшить общую массу изделий при сохранении заданных прочностных характеристик [1].

Но серьезным недостатком композитных материалов является анизотропия механических свойств по разным топографическим участкам, особенно подвергнутым в процессе изготовления предварительному деформированию и частично меняющимся от образца к образцу в силу некоторых различий в структуре и форме армирующего скелета. Этот недостаток на практике компенсируют увеличением коэффициента запаса прочности за счет увеличения эффективного сечения, а, следовательно, массы изделия, что в значительной степени снижает преимущества композитов по оценке удельной прочности [3].

Для устранения такого недостатка возникает необходимость сквозного технологического контроля степени неоднородности механических свойств материала преформ методами неразрушающего контроля. Кроме возможности сохранения самого изделия, что предполагает известные экономические преимущества, такой контроль может проводиться в активной форме, позволяющей производить необходимые коррективы в самом технологическом процессе получения этих изделий, а также учитывается при оценке эксплуатационных показателей [5, c. 12–13].

Анализ существующих методов оценки деформационных показателей композиционных материалов в статическом и квазистатическом режимах показал существенные недостатки и ограниченность этих методов оценки и диагностики экслуатационных свойств полимерных конструкций. Элементы конструкций, изготовленные из угле- и стекловолокнистых композитов представляют собой по динамическим характеристикам классические вязкоупругие системы. Поэтому деформационные свойства таких материалов и получаемых из них конструкций необходимо рассматривать в динамическом режиме с учетом упругой и вязкой составляющих. Эти характеристики влияют на величину амплитуды деформации и сказываются в частотных спектрах вибраций [4].

Актуальной задачей в плане повышения эксплуатационных свойств бытовой техники является разработка и внедрение универсального неразрушающего метода определения деформационных свойств материалов и элементов конструкций, на основе использования научно обоснованных критериев оценки упругой и вязкой составляющих. При ее решении одним из авторов разработан неразрушающий резонансный метод определения деформационных показателей полимерных материалов [1]. Здесь диагностика осуществляется при инициировании гармонически изменяющихся силовых воздействиях на исследуемый материал в определенном диапазоне частот с малыми амплитудами напряжений. Это не вызывает изменений внутренней структуры исследуемого материала и позволяет регистрировать получаемые значения величины деформации ответного отклика образца. Далее производится расчет деформационных показателей материала по параметрам амплитудно-частотной характеристики [2; 9].

Представленный метод неразрушающего контроля открывает возможность развить научное направление по системному изучению механических свойств полимерных материалов при деформации сжатия, растяжения, изгиба и кручения. Метод может быть реализован для контроля изменения деформационных свойств элементов конструкций в зависимости от условий эксплуатации при нарастании усталости и перед разрушением материала [8]. Он предусматривает получение целого спектра деформационных показателей с высокой точностью и достоверностью, в частности по следующим характеристикам.

• 1.    Добротность материала Q (отношение потенциальной энергии колебаний к текущей потере, расходуемой на вязкое трение за одни период колебаний образца). Это отношение величины максимальной амплитуды деформации, определяемой в резонансном режиме, к величине квазистатической деформации образца под воздействием постоянной по величине силы. Добротность материала легко определить из амплитудно-частотной характеристики. Определив численное значение добротности и величину деформации в соответствии с законом Гука в квазистатическом режиме деформации, становится возможным рассчитать величину деформации в динамическом режиме при различных значениях частот или скоростей силового воздействия.

• 2.    Сопротивление Z со стороны исследуемого материала силовому воздействию внешней деформирующей силе в зависимости от частоты и/или скорости силового воздействия.

• 3.    Тангенс угла механических потерь tgδ (угол отставания (запаздывания) деформации от действующего силового воздействия, что вызвано вязким трением). Он определяет демпфирующие свойства материала [6].

• 4.    Время релаксации напряжения ^т.

• 5.    Коэффициент затухания ^ .

• 6.    Коэффициент жесткости К.

• 7.    Коэффициент вязкого трения В.

• 8.    Модуль упругости Е*.

• 9.    Модуль гистерезисных потерь Е**.

Для демонстрации возможностей резонансного метода проведено исследование деформационных свойств двух образцов углеволокнистого композиционного листового материала в динамическом резонансном режиме на изгиб. Результаты испытаний типичных образцов для корпусных деталей бытовой техники представлены в таблице 1.

Деформационные показатели образцов для корпусных деталей бытовой техники

Таблица 1

Характерными свойствами обладают натуральные материалы для различных деталей обуви и других изделий легкой промышленности и бытового обслуживания (табл. 2).

Деформационные показатели образцов материалов обуви на изгиб

Таблица 2

Искусственные материалы имеют несколько иные показатели (табл. 3).

Таблица 3

Деформационные показатели вспененных материалов предназначенных для изготовления ортопедических стелек

Если провести сопоставление полученных результатов испытаний, то можно видеть: коэффициент упругости К и коэффициент вязкого трения В, представленные в таблице 1, хорошо согласуются с соответствующими показателями, полученными другими известными способами, рекомендуемых стандартами и техническими условиями. При этом они не обладают в достаточной степени рядом вышеперечисленных достоинств. Требования к повышению качества выпускаемой продукции определяют необходимость введения промежуточного контроля и выдвигают задачу увеличения объема операций измерения деформационных показателей после проведения каждого цикла технологической обработки. Объем лабораторных испытаний может быть сокращен при использовании методик, приводимых в работе [9]. Реализуя разработанные способы и средства неразрушающего контроля, становится возможным полностью автоматизировать многие производственные процессы изготовления полимерных материалов, определения их деформационных показателей, повысить производительность и качество выпускаемой продукции. Направления такого развития [6] по различным отраслям легкой промышленности и бытового обслуживания имеют значительные перспективы в экономике страны.