Экспериментальные исследования влияния повышенных и высоких температур на прочностные и деформационные свойства комбинированных стеклоорганопластиков
Автор: Лобанов Д.С., Бабушкин А.В.
Статья в выпуске: 1, 2017 года.
Бесплатный доступ
Актуальной задачей является исследование и анализ влияния повышенных и пониженных (эксплуатационных) температур на механические свойства и механизмы разрушения композиционных материалов в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным режимам, а также установления температурных зависимостей упругих и прочностных характеристик волокнистых композитов, применяемых в ответственных конструкциях. Исследовались механические характеристики композиционных материалов на основе комбинированной стеклоорганоткани и двух типов связующего - полиимидного (КМ-1) и эпоксидного (КМ-2). Целью настоящей работы было исследование деградации механических характеристик композиционных материалов при повышении температуры. Исследования проводились на универсальной электромеханической системе Instron 5882, в состав которой входит термокамера и бесконтактный видеоэкстензометр. Исследования при высокой температуре 500 ºС проводились на сервогидравлической испытательной системе Instron 8850 с использованием высокотемпературной муфельной печи. Получены результаты экспериментальных исследований влияния повышенных и высокой температур на деформационные и прочностные свойства композитов двух рецептур КМ-1 и КМ-2 при растяжении и смятии вдоль утка и вдоль основы. Проведены механические испытания на растяжение и смятие при нормальной и повышенных (100, 250 ºС) температурах для КМ-1 и КМ-2. Для композита КМ-1 также проведены испытания на растяжение при высокой (500 ºС) температуре. Построены диаграммы деформирования, при растяжении и при смятии в условиях повышенных температур выявлена стадия закритического деформирования, определены значения упругих коэффициентов, пределов прочности и прочности при смятии. Построены и проанализированы зависимости деградации механических свойств композитов при повышении температуры. Выявлено преимущество рецептуры КМ-2 над КМ-1 по комплексу механических характеристик, поддающихся сравнению, в диапазоне температур от 22 до 250 ºС при растяжении и температуре 22 ºС при смятии в направлении основы.
Экспериментальная механика, композиционные материалы, стеклоорганопластик, механические свойства, методики испытаний, повышенные температуры, испытания на растяжение
Короткий адрес: https://sciup.org/146211657
IDR: 146211657 | УДК: 620.1 | DOI: 10.15593/perm.mech/2017.1.07
Experimental studies of the high temperature influence on strength and deformation properties of combined glass organoplastics
The investigation of high and low temperature influence on the mechanical properties and failure mechanisms of composite materials is an important problem, as well as the determination of the temperature dependence between elastic and strength characteristics for fiber composites which are used in critical structures. The study is focuses on combined composite materials which are based on a combined glass organofabrics with two types of matrixes (epoxy, polyimide). The aim of the present study has been to investigate the degradation of mechanical characteristics of composite materials at higher temperatures. The research has been carried out using a universal electromechanical system Instron 5882 which includes a thermal chamber and non-contact video extensometer. The high temperature studies at 500 °C have been conducted using the servo hydraulic test system Instron 8850 with a high temperature chamber. The paper presents the results of the experimental studies related to the high temperature influence on the mechanical properties of composites based on glass organofabrics with two types of matrixes (epoxy, polyimide) under tension and bearing. Mechanical tensile and bearing tests at normal and high (100 °C, 250 °C and 500 °C) temperatures were carried out. The postcritical deformation stage has been determined. The mechanical properties (elastic modulus, strength limit and bearing strength) of the composites have been found. The stress-strain diagrams for composite specimens have been built. The temperature degradation of mechanical properties for composites has been analyzed.
Список литературы Экспериментальные исследования влияния повышенных и высоких температур на прочностные и деформационные свойства комбинированных стеклоорганопластиков
- Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года//Авиационные материалы и технологии. -2012. -№ S.. -С. 7-17.
- Зорин В.А. Опыт применения композиционных материалов в изделиях авиационной и ракетно-космической техники//Конструкции из композиционных материалов. -2011. -№ 4. -С. 44-59.
- Субботин В.В., Гринев М.А. Опыт применения материалов производства ФГУП «ВИАМ» и PORCHER в конструкциях узлов и деталей авиационных силовых установок из полимерных композиционных материалов //Научный электронный журнал «Новости материаловеденья. Наука и техника» -2013. -№ 5. -URL: http://www.materialsnews.ru/plugins/content/journal/uploads/articles/pdf/45.pdf (дата обращения: 22.09.2016).
- Соколов И.И., Раскутин А.Е. Углепластики и стеклопластики нового поколения //Труды ВИАМ. -2013. -№ 4. -URL: http://www.viam-works.ru/plugins/content/journal/uploads/articles/pdf/29.pdf (дата обращения: 22.09.2016).
- Технологии и задачи механики композиционных материалов для создания лопатки спрямляющего аппарата авиационного двигателя/А.Н Аношкин //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2014. -№ 4. -С. 5-44.
- Адамов А.А., Лаптев М.Ю., Горшкова Е.Г. Анализ отечественной и зарубежной нормативной базы по механическим испытаниям полимерных композиционных материалов//Конструкции из композиционных материалов. -2012. -№ 3. -С. 72-77.
- Тарнопольский Ю.М., Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. -М.: Химия, 1981. -272 с.
- Антюфеева Н.В., Столянков Ю.В., Исходжанова И.В. Исследование и оценка свойств полимерных композиционных материалов по методикам, гармонизированным с международными стандартами//Конструкции из композиционных материалов. -2013. -№3. -С. 41-45.
- Welsh J.S., Adams D.F. Current Status of Compression Test Methods for Composite Materials//SAMPE Journal. -1997. -Vol. 33. -No. 1. -P. 35-43.
- Hussain, A.K., Adams, D.F. Experimental Evaluation of the Wyoming-Modified Two-Rail Shear Test Method for Composite Materials//Experimental Mechanics. -2004. -Vol. 44. -No. 4. -P. 354-364.
- Dixit A., Harlal Singh Mali. Modeling techniques for predicting the mechanical properties of woven-fabric textile composites: a Review//Mechanics of Composite Materials. -2013. -Vol. 49. -No. 1. -P. 1-20.
- Халиулин В.И., Двоеглазов И.В., Ковалев В.В. Методика испытаний складчатых заполнителей на поперечное сжатие//Вестн. Казан. гос. тех. ун-та им. А.Н. Туполева. -2012. -№ 4-2. -С. 85-88.
- Двоеглазов И.В., Халиулин В.И. К вопросу проведения экспериментальных исследований прочности складчатых заполнителей типа z-гофра на поперечное сжатие//Вестн. Самар. гос. аэрокос. ун-та им. академика С.П. Королева (национального исследовательского университета). -2012. -№ 5-2 (36). -С. 275-281.
- Research of the effectiveness of mechanical testing methods with analysis of features of destructions and temperature effects/A.V. Babushkin, D.S. Lobanov, A.V. Kozlova, I.D. Morev//Frattura ed Integrita Strutturale. -2013. -Vol. 24. -P. 89-95 DOI: 10.3221/IGF-ESIS.24.09
- Лобанов Д.С., Бабушкин А.В. Методика испытаний на одноосное растяжение однонаправленных композиционных материалов при пониженных температурах//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2012. -№ 4. -С. 33-41.
- Бабушкин А.В., Вильдеман В.Э., Лобанов Д.С. Испытания на растяжение однонаправленного высоконаполненного стеклопластика при нормальных и повышенных температурах//Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -2010. -Т. 76, № 7. -С. 57-59.
- Experimental research into the effect of external actions and polluting environments on the serviceablity of fiber-reinforced polymer composite materials/D.S. Lobanov, V.E. Vildeman, A.D. Babin, M.A. Grinev//Mechanics of Composite Materials. -2015. -Vol. 51. -No. 1. -P. 69-76.
- Adams D. S., Herakovich C.T. Influence of damage on the thermal response of graphite-epoxy laminates//J. Thermal Stresses. -1984. -Vol. 7. -No. 7. -P. 91-103.
- Startsev O.V., Krotov A.S., Startseva L.T. Interlayer Shear Strength of Polymer Composite Materials During Long Term Climatic Ageing//Polym. Degrad. and Stab. -1999. -Vol. 63. -P. 183-186.
- Кириллов В.Н., Старцев О.В., Ефимов В.А. Климатическая стойкость и повреждаемость полимерных композиционных материалов, проблемы и пути их решения//Авиационные материалы и технологии. -2012. -№ 5. -С. 412-423.
- Панин С.В., Старцев О.В., Кротов А.С. Диагностика начальной стадии климатического старения ПКМ по изменению коэффициента диффузии влаги //Труды ВИАМ. -2014. -№ 7. -URL: http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=688 (дата обращения: 21.09.2016).
- Экспериментальное исследование влияния дефектов на прочность композитных панелей методами корреляции цифровых изображений и инфракрасной термографии/Д.С. Лобанов //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2015. -№ 4. -С. 159-170.
- Kucher N.K., Zarazovskii M.N., Danil'chuk E.L. Deformation and strength of laminated carbon-fiber-reinforced plastics under a static thermomechanical loading//Mechanics of Composite Materials. -2013. -Vol. 48. -No. 6. -P. 669-680.
- Трещиностойкость композитных материалов на полимерных связующих при повышенных температурах/В.В. Болотин //Механика композитных материалов. -1988. -№ 5. -С. 839-844.
- Болотин В.В., Мурзаханов Г.Х., Щугорев В.Н. Влияние повышенных температур на удельную работу межслойного разрушения композитных материалов с полимерной матрицей//Механика композитных материалов. -1990. -№ 6. -С. 1033-1037.
- Димитриенко Ю.И. Разрушение композитных материалов при высоких температурах и конечных деформациях//Механика композитных материалов. -1992. -№ 1. -С. 43-54.
- Кузьмин С.А., Булманис В.Н., Стручков А.С. Экспериментальное исследование прочности и деформативности намоточных стеклопластиков и органопластиков при низких климатических температурах//Механика композитных материалов. -1989. -№ 1. -С. 57-61.
- Скудра А.М. Бертулис Д.Р. Зависимость упругих характеристик армированных пластиков от температуры и влаги//Механика композитных материалов. -1993. -№ 1. -С. 105-109.
- Скудра А.М. Бертулис Д.Р. Зависимость упругих характеристик армированных пластиков от температуры и влаги//Механика композитных материалов. -1993. -№ 2. -С. 222-226.
- Бабушкин А.В., Лобанов Д.С. Экспериментальное исследование и моделирование свойств композиционных материалов в условиях сложных термомеханических воздействий//Вестн. Нижегор. ун-та им. Н.И. Лобачевского. -Н. Новгород, 2011. -№ 4 (5). -С. 1984-1986.
- Lobanov D.S., Babushkin A.V. Deformation and fracture of fibrous polymer composites in thermo-mechanical impact conditions//Proc. of ECCM15: European Conference on Composite Materials, Venice, Italy, 24-28 June 2012. -Paper ID: 1224.
- Скудра А.А. Микроструктурный метод прогнозирования температурной зависимости упругих свойств армированных пластиков//Механика композитных материалов. -1990. -№ 4. -С. 594-598.
- Шаклеина С.Е., Соколкин Ю.В., Чекалкин А.А. Изменение микроструктуры и механических свойств стеклопластиковых труб после длительной эксплуатации на промышленных пульпо-и реагентопроводах//Техника машиностроения. -2001. -№ 5. -С. 68-70.
- Вильдеман В.Э. Закономерности и модели процессов накопления повреждений, закритического деформирования и структурного разрушения композиционных материалов//Вестник Пермского государственного технического университета. Динамика и прочность машин. -2001. -№ 2. -С. 37-44.
