Масштабные эффекты в базальтовых нитях
Автор: Словиков С.В., Кучуков А.М.
Статья в выпуске: 6, 2025 года.
Бесплатный доступ
В данной работе представлено исследование масштабных эффектов в базальтовых нитях, учитывающее влияние на прочность двух ключевых геометрических параметров: длины рабочей зоны и площади поперечного сечения. Для базальтовых нитей, применяемых в аэрокосмической, оборонной и строительной отраслях, предлагается учет обоих параметров для точного прогнозирования прочностных характеристик. Экспериментальная часть исследования включала испытания 27 образцов базальтовых нитей с заявленными линейными плотностями 200, 1200 и 2400 текс на трех различных длинах рабочей зоны (100, 600 и 1100 мм). Площадь сечения определялась через алгоритм оптимальной упаковки волокон, что позволило перейти от линейной плотности к напряжениям. Установлено, что для тонких нитей (200 текс) увеличение длины от 100 мм до 1100 мм приводит к снижению прочности более чем в 2,8 раза, тогда как для толстых нитей (2400 текс) это снижение составляет всего около 5 %. На основе полученных данных предложена новая параметрическая экспоненциальная формула, описывающая предел прочности как функцию длины рабочей зоны и площади сечения. Предложенное уравнение демонстрирует точность с средней ошибкой 2,5 % при описании полученных экспериментальных данных. Физическая интерпретация связывает наблюдаемые эффекты с конечной длиной отдельных волокон и их статистическим распределением в нити. Результаты исследования имеют практическое значение для оптимального выбора базальтовых нитей в различных приложениях и совершенствования технологий их производства, особенно для длинномерных конструкций, где необходимо учитывать масштабные эффекты.
Базальтовое волокно, предел прочности, масштабный эффект, растяжение, линейная плотность, базальтовая нить, характеристическая длина, масштабный фактор, эффективная площадь сечения нити
Короткий адрес: https://sciup.org/146283350
IDR: 146283350 | УДК: 666.193.2:539.42:519.24 | DOI: 10.15593/perm.mech/2025.6.09
Scale effects in basalt yarns
This paper presents an investigation of scale effects in basalt fiber tows, focusing on the influence of two key geometric parameters on tensile strength: gauge length and cross-sectional area. For basalt tows used in aerospace, defense, and construction industries, it is proposed that both parameters must be considered for the accurate prediction of strength properties. The experimental segment of the study involved tensile testing of 27 basalt tow specimens with declared linear densities of 200, 1200, and 2400 tex at three different gauge lengths (100, 600, and 1100 mm). The cross-sectional area was determined using an optimal fiber packing algorithm, which enabled the conversion from linear density to stress. It was established that for fine tows (200 tex), an increase in gauge length from 100 mm to 1100 mm leads to a reduction in strength by a factor of more than 2.8, while for coarse tows (2400 tex), this reduction was only about 5%. Based on the obtained data, a new parametric exponential formula is proposed, describing the ultimate tensile strength as a function of gauge length and cross-sectional area. The proposed equation shows a mean error of 2.5% when describing the experimental data. The physical interpretation associates the observed effects with the finite length of individual fibers and their statistical distribution within the filament. The research findings have practical significance for optimal selection of basalt filaments in various applications and for improving production technologies, particularly for long-span structures where scale effects must be considered.
