A study of the effect of the number of plies of orthogonally reinforced composite on its elastic and strength properties
Authors: Фирсов В.В. , Блазнов А.Н. , Зимин Д.Е. , Самойленко В.В. , Ходакова Н.Н. , Журковский М.Е. , Сакошев З.Г. 
Published: October 2024

Актуальность работы заключается в исследовании влияния схемы армирования и количества слоев на упруго-прочностные свойства полимерных композиционных материалов на основе базальтовых армирующих волокон и эпоксидного связующего. Изготовлено 3 пластины, состоящих из 2-х, 4-х и 6-ти слоев однонаправленного базальтопластика, уложенных послойно, каждый под углом 90º к предыдущему. При испытаниях на продольный изгиб определены прочность, модуль упругости и предельная деформация пластин в положении продольными и поперечными слоями вверх (в сторону изгиба). При расположении образца поперечными слоями вверх (в растянутой зоне) происходит растрескивание поперечных слоев и плавное снижение осевой силы до некоторого значения, затем осевая сила возрастает. При расположении образца продольными слоями вверх поперечные слои испытывают сжимающие напряжения, растрескивания не происходит, и осевая сила возрастает «классически» в течение всего нагружения. Наименьшие значения прочности 361 МПа и модуля упругости  4,9 ГПа имеет двухслойная пластина, что соотносится с характером разрушения преимущественно по сколу на границе раздела слоев (нейтральной оси). 4-х-слойные и 6-ти-слойные пластины имеют сопоставимые значения прочности от 750 до 942 МПа и модуля упругости от 16 до 21 ГПа. Показано, что по этим характеристикам ортогонально армированные базальтопластики вдвое уступают однонаправленным (с прочностью 1570 МПа и модулем упругости 42,2 ГПа), но с учетом содержания (около 1/2) в пакете продольных слоев, работающих на растяжение-сжатие, ресурс механических свойств композита реализован практически полностью.

Abstract—The work is relevant because it investigates the effects of reinforcement pattern and number of plies on the elastic and strength behavior of basalt fiber/epoxy composite materials. Three plates were made that were composed of two, four and six plies of unidirectional basalt fiber-reinforced plastic, laid down layer-by-layer, each at an angle of 90º to the preceding. When tested to longitudinal bending, the plates with longitudinal and cross-band plies oriented upwards (towards flexure) were measured for strength, elastic modulus and ultimate strain. When the specimen was positioned with cross-band piles upwards (in the tension area), the cross-band plies happened to crack and the axial force decreased smoothly to some value and then increased again. When the specimen was positioned with longitudinal plies upwards, the cross-band plies underwent compressive stress, cracking did not occur, and the axial force grew in a ‘classical’ manner throughout the loading. The two-ply plate had the lowest strength of 361 MPa and the lowest elastic modulus of 4.9 GPa, which correlates with the nature of fracture that occurred chiefly across the cleavage at the ply interface (central axis). Four- and five-ply plates had similar strength between 750 and 942 MPa and an elastic modulus between 16 and 21 GPa. In terms of these parameters, orthogonally reinforced basalt plastics were twofold inferior to unidirectional ones (1570 MPa strength and 42.2 GPa), but taking into account the number (about ½) of longitudinal plies functioning for tension-compression, the potential of the composite was realized almost in full.