Методика испытаний на одноосное растяжение однонаправленных композиционных материалов при пониженных температурах

В настоящее время полимерные волокнистые композиционные материалы (ПВКМ) широко применяются в различных отраслях. Для рационального использования ПВКМ необходимо всестороннее исследование механических свойств, в том числе в условиях рабочих температур эксплуатации. Изделия из ПВКМ обладают рядом неоспоримых преимуществ, таких как небольшой вес, обусловленный небольшой плотностью материала, не высокая цена производства; легкость и простота перевозки. Наряду с преимуществами также существует и ряд недостатков. Эти недостатки связаны с изготовлением, механической обработкой, эксплуатацией и прежде всего с исследованием механических свойств ПВКМ и конструкций из них [1]. Таким образом, исследование механических характеристик ПВКМ и проблема определения зависимостей механических характеристик композиционных материалов от температуры является актуальной задачей [2].

Целью данной работы являлись доработка и опробование методики механических испытаний образцов однонаправленного стеклопластика, описанной в [3, 4], с максимально высоким реализуемым наполнением хрупкими высокомодульными волокнами на одноосное растяжение при нормальных и пониженных температурах. Объектом исследования являлся однонаправленный стеклопластик Direct "E" Roving 0,7 - ortophtalic polyester resin 0,3 с 70%-ным содержанием армирующего элемента.

Повышенное содержание объемной доли волокна приводит к увеличению прочности материала вдоль направления армирования и к резкому уменьшению прочности в поперечном направлении армирования. Также особенностью является существование материала в виде первичного элемента конструкции - однонаправленной ленты поперечным размером 40x5 мм с периферийной обсыпкой кварцевым песком. Использование стандартных методов для определения механических характеристик не всегда возможно. В таких случаях исследователи пользуются специально разработанными методиками [3-7].

Для учета перечисленных особенностей была спроектирована и изготовлена специальная захватная часть. Образец стеклопластика выполняется в виде стержня постоянного сечения. Захватные части имеют форму стальной гильзы (рис. 1, а), один конец которой закрепляется в захватах испытательной машины, а в другом выполняется глубокое конусное отверстие для погружения в него стеклопластикового образца. Закрепление стеклопластикового образца в конусном отверстии стальной гильзы производится посредством эпоксидного клея, без поперечного обжатия. Степень прочности такого захвата определяется свойствами связующего, глубиной погружения и углом конуса. Вклеивание стержней в гильзы производилось при помощи эпоксидного клея с увеличенной долей отвердителя, а также нанесением меток на рабочую часть образца при помощи маркера для использования бесконтактного оптического экстензометра (рис. 1, б).

Рис. 1. Эскиз захватной части ( а ) и внешний вид образца высоконаполненного стеклопластика для проведения испытаний на одноосное растяжение с нанесенными метками для возможности использования бесконтактного видеоэкстензометра ( б)

Испытания однонаправленного стеклопластика при растяжении вдоль направления армирования в условиях комнатной и пониженных температур проводились на универсальной электромеханической системе Instron 5882. В качестве измерителя деформаций использовался бесконтактный видеоэкстензометр Instron AVE. Необходимость при- менения оптического экстензометра AVE или иного бесконтактного экстензометра обусловлена характером разрушения образцов данного материала. Пониженные температуры достигались в термокамере при помощи жидкого азота [7]. Использование термокамеры дает возможность проведения режима термостатирования и самого испытания при действии выбранной температуры. Режим термостатирования включал в себя линейное охлаждение образцов и всей нагружающей цепи до выбранных отрицательных температур со скоростью 5°С/мин и выдержку в течение 2 часов, из расчета 20 минут на миллиметр толщины. При испытаниях осевое нагружение осуществлялось со скоростью перемещения траверсы 5 мм/мин.

Типовые диаграммы деформирования однонаправленного стеклопластика из испытаний на растяжение при 0 °C и -30 °C представлены на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Типовая диаграмма деформирования однонаправленного стеклопластика при пониженной температуре 0 °C

Всего было испытано 8 образцов однонаправленного высокона-полненного стеклопластика Direct "E" Roving 0,7- ortophtalic polyester resin 0,3 на одноосное растяжение вдоль направления армирования при пониженных температурах: 4 образца при температуре -30 °C и 4 образца при температуре 0 °C. Результаты испытаний однонаправленного стеклопластика на растяжение при пониженных температурах -30 °C и 0 °C приведены в таблице.

Рис. 3. Типовая диаграмма деформирования однонаправленного стеклопластика при пониженной температуре -30 °C

Результаты испытаний однонаправленного стеклопластика на растяжение при пониженных температурах

Примечание : средние значения предела прочности и модуля Юнга при температуре 22 °C получены в [3] по 12 образцам и приведены для сравнения.

Для образцов, испытанных при пониженных температурах, статистически достоверно определены модуль Юнга и предел прочности. Все испытываемые на одноосное растяжение образцы однонаправленного стеклопластика Direct "E" Roving 0,7- ortophtalic polyester resin 0,3 при пониженных температурах -30 °C и 0 °C разрушились (рис. 4) в рабочей зоне, что свидетельствует о справедливости мнения о дора- ботке специальных захватных частей, предложенных в работах [3, 4]. Такой вид разрушения происходит от разрыва и отслоения волокон при полном разрушении матрицы [8].

В качестве рекомендаций для проведения испытаний в условиях повышенных температур вместо эпоксидного клея предлагается использовать промышленный клей марки К 300-61 с рабочим диапазоном температур от -60 °C до +300 °C либо клей марки ВК-9 с рабочим диапазоном температур от -60 °C до +250 °C.

Рис. 4. Вид разрушенных образцов однонаправленного стеклопластика после испытания на одноосное растяжение при пониженных температурах

Таким образом, экспериментальное исследование показало, что данная методика проведения испытаний на одноосное растяжение в условиях пониженных температур позволяет определять механические характеристики однонаправленных композиционных материалов при разрушении образцов в рабочей части.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №12-08-31336мол_а)