Исследование и моделирование многослойного композитного материала с применением базальтовой ткани

Введение. В работе изучены и смоделированы полимерные композитные материалы (КМ) с армирующим составом на основе базальтовых и стеклянных тканей. В качестве связующего использовалась эпоксидная смола. Исследовались 11- и 13-слойные композиты.

В [1] отмечены технологические и иные особенности КМ, в том числе определяющие распределение нагрузки в слоях. Здесь же рассмотрен принцип «простого» моделирования композитного материала в различных системах автоматизированного проектирования (САПР), а также описано поведение КМ в зависимости от вида нагружения.

Описан метод увеличения сопротивления межслойному сдвигу в полимерных КМ за счет добавления в связующее мелкодисперсных твердых частиц (например, стекла) 1 . Исследован процесс возникновения межслойных напряжений [2]. Вполне возможно, что применение этого способа позволило бы избежать расслоения и повысить допустимые напряжения образцов.

В [3–5] определены объемное содержание связующего, способы его нанесения на армирующий материал, метод укладки, порядок операций и т. д.

Известно, что вид деформации и разрушения композитного полимера определяется его формой, качеством и связующим (в том числе его объемным содержанием) 1 . Выведена соответствующая зависимость [6, 7].

В [8–10] описано моделирование детали из КМ с использованием метода конечных элементов (МКЭ) в САПР.

В представленной работе также использован МКЭ. С его помощью:

— проверена достоверность определения напряжений в местах разрушения образцов и коэффициентов запаса прочности,

— выявлены особенности использования допущений, облегчающих расчет изделий из полимерных КМ, испытанных ранее на разрывных машинах.

В [11] описано влияние формы, вида и типа армирующих компонентов на термические и механические свойства полимерного композиционного материала.

В [12, 13] отмечены возможности применения композитов в машиностроении, автомобилестроении, строительстве и т. д.

Цели исследования:

— обосновать применение базальтовых тканей в полимерных КМ,

— определить их прочностные свойства при различных армирующих компонентах,

• — проверить возможности моделирования КМ методом конечных элементов.

Материалы и методы

В работе изучен композитный материал на основе базальтовой и стеклянной ткани и стекломата. В качестве связующего использована эпоксидная смола ЭД-20 с отвердителем полиэтиленполиамином (ПЭПА). Армирующие вещества: стеклоткань ТР-0,5, базальтовая ткань БТ-11 и стекломат плотностью 300 г/м 2 . Особенностью эксперимента было применение сразу нескольких видов армирующего материала в одном композите.

Обоснование использования базальтовой ткани и моделирования методом конечных элементов. В настоящее время в КМ редко используется базальтовая ткань, хотя она обладает характеристиками, важными для качественных композитов: высокая ударная вязкость, высокая удельная прочность, жаропрочность, экологическая чистота, высокая стойкость к коррозии и воздействию кислот, низкая теплопроводность, доступная цена, радиопрозрачность и хорошие звукопоглощающие свойства. Также стоит отметить, что базальт — это горная порода, и его запасы практически не ограничены. При производстве базальтового волокна горная порода расплавляется, из нее вытягиваются нити, которые используются для изготовления ткани, ровинга и т. д. По прочности базальтовое волокно превосходит стекловолокно и приближается к углеволокну. Цена базальтового волокна немного выше стекловолокна, однако значительно ниже углеволокна. Это позволяет производить изделия более высокого качества, чем стекловолоконные, но при этом дешевле, чем из углеволокна. Особый интерес представляет использование в одном КМ нескольких армирующих материалов: стекло- и базальтовой ткани, а также стекломата.

При моделировании композитов в САПР необходимо задавать материалам различные характеристики, что создает известные сложности. В рамках данной работы определяется возможность стандартного исследования конструкций методом конечных элементов. Для этого анизотропный материал «приравнивают» к изотропному, и изделия проектируются таким образом, чтобы можно было приложить нагрузки вдоль направления волокон.

Использование конструкционных тканей позволяет с некоторым допущением моделировать поведение КМ. Однако необходимо учитывать вид плетения тканей и угол поворота между слоями. Таким образом, следует получить результаты эксперимента по определению прочностных свойств и выяснить предел прочности при растяжении и изгибе. С учетом этой информации можно смоделировать композит на данные виды нагружения, поскольку материал продолжает разрушаться после повреждения наружного слоя при изгибе и дефектного слоя при растяжении. Если при растяжении в композите нет дефектов, разрушение в основном происходит в опасном сечении.

Механика

Подготовка к эксперименту. Для проведения эксперимента были изготовлены образцы из композитного материала (рис. 1).

• 1    Антибас И. Р., Дьяченко А. Г. Исследование процесса разрушения слоистого композитного материала // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения : сб. ст. 10-й междунар. науч.-практ. конф. в рамках 20-й междунар. агропром. выставки «Интерагромаш-2017». Ростов н/Д, 2017. С. 179–181.

  

  а )

  
  
  

  б )

  Рис. 1. Образцы для испытаний: на изгиб ( а ); на растяжение ( б)

  
  

В первом случае (рис. 1 а ):

— тип укладки — сэндвич (симметричное расположение слоев во всех образцах),

— указывается общее количество слоев на один образец (сначала наружный, затем средний, затем внутренний),

— 4 слоя базальтовой ткани (БТ),

— 2 слоя стеклоткани (СТ),

— 7 слоев стекломата (СМ).

Во втором случае (рис. 1 б ):

— 6 слоев базальтовой ткани (БТ),

— 5 слоев стеклоткани (СТ).

В обоих случаях связующее — смола ЭД-20, отвердитель — ПЭПА.

Таким образом, получены два вида материала. Их различия позволяют проверить:

— есть ли смысл использовать ткани вместе с матами,

— какие эффекты даст сочетание различных видов материалов.

Изготовление образцов. Образцы изготавливались последовательной укладкой слоев тканей (рис. 2 а ) на основание, обтянутое пленкой, т. к. между смолой и пленками нет адгезии.

б )

в )

Рис. 2. Изготовление образцов: вырезка материала ( а ), удаление излишков смолы ( б ), механическая обработка ( в )

После укладки всех слоев их нагревали и одновременно разглаживали шпателем через пленку (рис. 2 б) — так получилась ровная поверхность без излишков смолы. Схема изготовления:

• 1)    вырезание образцов с запасом на мехобработку,

• 2)    подготовка основания,

• 3)    активация смолы,

• 4)    укладка слоев,

• 5)    разглаживание,

• 6)    фиксация,

• 7)    отверждение,

• 8)    мехобработка (рис. 2 в ).

Испытания на растяжение и изгиб. Испытания на растяжение и изгиб производились на разрывной машине (рис. 3-5).

Рис. 3. Разрывная машина

Механика

а )

• б )

  Рис. 4. Испытания: на изгиб ( а ); на разрыв ( б )

  
  
  

а )

Рис. 5. Результаты разрушения образцов: на растяжение ( а ), на изгиб ( б )

б )

Результаты исследования

Выводы по испытаниям. По итогам испытаний можно сделать следующий вывод: при сочетании тканей и матов характерной особенностью разрушения является расслаивание на границе различных видов материала (рис. 5). Если же речь идет только о слоях ткани, такой явной особенности не наблюдается. Используемые в качестве армирующего вещества ткани рвутся в месте максимальных напряжений, а затем резко разрушаются. Первоначально разрушаются отдельные волокна, что сопровождается характерным звуком. Затем волокна вытягиваются из матрицы — и разрушается сама матрица. Об этом свидетельствует изменение цвета — место разрушения «белеет» и выглядит более матовым. Результаты испытаний представлены в табл. 1.

Таблица 1

Характеристики композитных материалов, исследованных на изгиб и разрыв

	6БТ5СТ/ЭД-20	4БТ2СТ7СМ/ЭД-20
Макс. усилие при изгибе, кг	500	965
Макс. усилие при разрыве, кг	3560	2600
Макс. напряжение при изгибе, МПа	265,1	239,5
Макс. напряжение при разрыве, МПа	191,8	120
Параметры образца и расстояние между опорами при изгибе, мм*	b = 64,2; h = 5,5; L = 70	b = 61,7; h = 8,2; L = 70
Размеры сечения при разрыве, мм	b = 35; h = 5,2	b = 29,5; h = 7,2
Плотность, кг/м 3	650	700
*Здесь b — средняя ширина образца, h — средняя толщина образца, L — расстояние между опорами.

Моделирование композитных материалов и проверка испытаний. Для моделирования выбран материал 6БТ5СТ. Его характеристики внесены в библиотеку «Компас 3D», созданы твердотельные модели. С использованием модуля APM FEM для «Компас 3D» произведены расчеты методом конечных элементов. При этом возникали трудности, обусловленные подбором оптимальных размеров конечных элементов. Для расчетов использованы следующие допущения: места закреплений и приложений нагрузок выполнялись незначительным вытягиванием «полос» шириной 0,1–0,2 мм. На данных участках не стоит учитывать результаты напряжений и коэффициентов запаса прочности, т. к. они некорректны. Такие упрощения позволяют прикладывать нагрузки и устанавливать закрепления в любых местах на моделях. Оптимальный размер сетки — от 2 до 3 мм.

Карты результатов расчетов по напряжениям и коэффициенту запаса предела прочности представлены на рис. 6.

2ьа.1 /з svm mi la

Механика

Рис. 6. Карты результатов: по напряжениям ( а ), ( в ); по коэффициенту запаса предела прочности ( б ), ( г )

Результаты моделирования позволяют утверждать, что настоящие образцы разрушаются в местах, испытывающих максимальные напряжения. Из-за погрешности моделирования коэффициент запаса предела прочности не равен единице, и уменьшение размеров конечных элементов решает эту проблему. Также стоит сказать, что данный метод будет нормально реализован при моделировании конструкций, работающих на растяжение или сжатие, поскольку эти процессы сопровождаются в основном нормальными напряжениями. Однако в ходе испытаний выяснилось, что при различных коэффициентах удлинения у армирующих материалов происходит расслоение вдоль линии нагружения на границе слоев из-за недостаточной межслойной адгезии и высоких касательных напряжений.

Обсуждение и заключения. Применение базальтовых тканей в качестве армирующего вещества позволяет получать изделия со свойствами как стекло-, так и углепластиков. При этом такой КМ будет незначительно дороже стеклопластика и намного дешевле углепластика. Следует отметить хорошие показатели удельной прочности базальта, его абсолютной негорючести, высокой ударной вязкости, стойкости к УФ-излучению. Базальт является диэлектриком, поэтому может использоваться при изготовлении корпусов радиоаппаратуры.

Эксперименты показали более высокие прочностные характеристики тех КМ, в которых больше слоев базальтовой ткани и не применяется стекломат. Использование стекломата в качестве сердечника обусловливает высокие межслойные сдвиговые напряжения, что стимулирует межслойное разрушение и при растяжении, и при изгибе. Максимальные напряжения при изгибе для образца с большим количеством слоев базальтовой ткани составили 261,5 МПа (против 239 МПа с меньшим количеством слоев базальтовой ткани). Кроме того, отмечено явное превосходство по максимальным напряжениям при растяжении — 190 МПа против 120 МПа.

Результаты проведенных расчетов позволяют утверждать, что изделия из композитных материалов (приравненных к изотропным материалам) можно моделировать в САПР методом конечных элементов. Очень важно учитывать вид нагружения на изделие, поскольку КМ, в основном, обладают анизотропными свойствами (нагрузка прикладывается с учетом направления волокон). Так, в многослойных КМ из конструкционных тканей необходимо направлять нагрузки вдоль волокон. Кроме того, нужно учитывать межслойный сдвиг, различную адгезию между слоями и т. д. Главным допущением данного метода является «постоянство» толщины данного материала, количества слоев и порядка их расположения.

Полученные данные и метод нуждаются в дальнейшем исследовании, что позволит создать сортамент композитных материалов с известными характеристиками, моделировать их и выполнять соответствующие расчеты.