Устройство для создания начальной межслоевой трещины в образцах из слоистых полимерных композиционных материалов

Полезная модель относится к области подготовки образцов из слоистых полимерных композиционных материалов (ПКМ) для исследований при проведении испытаний на прочность и может быть использована в авиационной промышленности, в частности, в области определения механических характеристик (вязкости разрушения) слоистых ПКМ при создании начальной трещины.
В последнее время наблюдается стабильный рост применения и использования слоистых ПКМ в авиации и самолетостроении. Они обладают высокой прочностью при относительно невысоком весе за счет высокопрочных волокон наполнителя, уложенного слоями в разных направлениях и скрепляемых матрицей - отвержденным полимерным связующим. Наряду с высокой прочностью при нагружении вдоль волокон материал из-за гетерогенности структуры имеет низкую прочность при нагружении поперек волокон при отрыве и межслоевом сдвиге. Действие сдвигающих нагрузок может приводить к образованию межслоевых трещин (расслоений), которые могут оставаться необнаруженными вплоть до разрушения конструкции. В связи с этим важным является вопрос о прочности ПКМ с расслоениями.
Одним из способов определения прочностных свойств слоистых углепластиков является способ, основанный на определении межслоевой вязкости разрушения («Межслоевая трещиностойкость конструкционных полимерных композиционных материалов» В.Д. Крылов, И.О. Яковлев, Ю.А. Курганова, О.А. Лашов. Журнал «Авиационные материалы и технологии», №1(40), 2016 г.). Для проведения прочностных испытаний с целью анализа и предотвращения разрушения конструкции, как правило, используются опытные образцы с заранее созданными инициаторами трещин, в соответствии с заданными параметрами эксперимента (например: авторское свидетельство SU №1180740 «Способ образования трещин в образце», МПК G01N 3/00, дата публикации 23.09.1985 г.; авторское свидетельство SU №669254 «Способ образования калиброванных трещин в платинах из полимерных материалов», МПК G01N 1/28, дата публикации 28.06.1979 г.).
Приведенные способы широко применяются при проведении испытаний и сегодня, но не отражают реальные условия образования трещин в конструкциях из слоистых ПКМ, поскольку являются заранее искусственно созданными, и не позволяют провести исследование в образцах, в том числе, вырезанных непосредственно из натурной конструкции (натурных образцов), поскольку в этом случае образец не имеет заранее созданного инициатора.
С появлением высоконагруженных элементов конструкции летательных аппаратов из слоистых ПКМ актуальность проведения испытания образцов, в том числе и натурных, без содержания инициаторов или предварительного надреза образца, с целью создания в них начальной межслоевой трещины, становится все более востребованной.
На сегодняшний день известны устройства для создания начальной межслоевой трещины при помощи клина в образцах из ПКМ.
Например, в статье «Определение динамической трещиностойкости органического стекла» (Прикладная механика и техническая физика. 2001. Т.42, №5, авторы В.П. Ефимов и Е.Н. Шер) представлено устройство, содержащее П-образную стойку, с расположенным по центру стойки нагрузочным винтом 1, соединенным с упругим элементом 2, которым в свою очередь связан с клином 3, выполненным из стали. Внутри П образной стойки находится образец 4 с заранее созданной трещиной (см. фиг. 1). Устройство работает следующим образом: внутри П-образной стойки, размещают образец кубической формы с заранее созданной трещиной, и подгоняют под клин таким образом, чтобы угол клина совпадал с началом трещины, после чего, с помощью управления нагрузочным винтом, производят нагрузку и дальнейшее расклинивание образца. Испытания образцов проводят нагружением стальными клиньями с углами раствора при вершине клина 30° и 45°.
Недостатками рассматриваемого устройства являются:
1) Необходимость наличия в образце заранее созданного пропила для создания трещины.
2) Ограничение размеров испытуемого образца, связанное с ограничением внутренних размеров стойки.
3) Относительно большой угол раскрытия материала при вводе клина создает большое сопротивление инициации трещины, вследствие чего возрастает вероятность разрушения образца.
4) Предполагает создание трещин только в однородном материале.
IC
Известен альтернативный способ по предварительному созданию трещины в полимерных композитах под воздействием нагрузки при помощи клина, описанный в Национальном стандарте Российской Федерации в части руководства к проведению предварительного создания трещины при помощи клина (ГОСТ Р 56815-2015. Композиты полимерные. Метод определения удельной работы расслоения в условиях отрыва G). Для создания начальной трещины предполагается использовать устройство, которое содержит в том числе захваты для крепления образца и клин. Образец из ПКМ, содержащий инициатор, выполненный из полиимидной или политетрафторэтиленовой пленки закрепляют при помощи захватов на расстоянии 5 мм от вершины инициатора. После этого фиксируют клин относительно участка образца, содержащего пленку-инициатор, затем, путем постукивания по нему, или же при помощи соответствующего инструмента при агрегате для испытаний производят расслаивание, при этом ширина клина, который забивают в образец, должна быть не меньше ширины образца, а угол раскрытия, по возможности, поддерживают малым, при этом избегают соприкосновения клина напрямую с конечной точкой расслаивания.
Недостатком рассматриваемого устройства являются
1) Обязательное наличие в образце пленки-инициатора, что делает невозможным создание трещины этим методом в образце из слоистого ПКМ, в том числе, вырезанного из натурной конструкции.
За прототип принята испытательная машина, позволяющая осуществлять испытание на сжатие и производить измерение нагрузки, описанная в ГОСТ 13537-68 «Метод определения сопротивления раскалыванию», в части 1 - Аппаратура. Рассматриваемый ГОСТ распространяется на слоистые пластмассы и устанавливает метод определения раскалывания образов как с уже выполненным надрезом, так и образцов, выполненных без предварительного надреза или инициатора. Рассматриваемая испытательная машина снабжена двумя плоскопараллельными опорными плитами и обеспечивает их сближение с определенной скоростью, при этом одна плита для правильной установки образца по отношению к действующей нагрузке является самоустанавливающейся, а другая содержит приспособление для крепления стального клина, обеспечивающее совпадение вертикальной оси клина с направлением действия нагрузки. При этом используемый клин должен иметь форму и размеры, указанные на фигуре 2.
Недостатком данного прототипа являются
1) форма клина, с большим углом раствора, что может приводить к разрушению образца;
2) большой радиус при вершине клина, который вводят в образец, не позволяет создать трещину между заданными слоями;
3) ограничение размеров испытуемого образца из слоистого ПКМ.
Задачей является создание устройства для создания начальной межслоевой трещины в образцах из слоистых ПКМ, выполненных без использования инициаторов в виде пленки или предварительно выполненного надреза в образце.
Техническим результатом является получение начальной межслоевой трещины в образце из слоистого ПКМ без использования инициаторов в виде пленки или предварительно выполненного надреза в образце.
Решение поставленной задачи и получение технического результата обеспечивается за счет того, что устройство для создания начальной межслоевой трещины в образцах из слоистых полимерных композиционных материалов, содержит клин, две плоскопараллельные опорные плиты, при этом верхняя опорная плита выполнена с зажимным устройством для крепления клина и с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, клин выполнен с ножкой толщиной 1,5-2,5 мм, переходящей в рабочие поверхности длиной 10-15 мм, расположенные с углом раствора в диапазоне (10-12)°, при этом радиус сопряжения рабочих поверхностей не превышает толщину межслоевой зоны образца, нижняя опорная плита выполнена с зажимным устройством для крепления образца и с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости.
Также решение задачи и технический результат достигаются тем, что клин выполнен шириной не менее ширины образца из стали с твердостью не менее 167НВ, кроме того, устройство дополнительно содержит прибор, предназначенный для получения увеличенных изображений, например микроскоп.
Сущность полезной модели поясняется фигурами, на которых изображено следующее:
На фиг. 1 приведен аналог, а именно, устройство для определения динамической трещиностойкости органического стекла.
На фиг. 2 приведен прототип, а именно, стальной клин (вид спереди).
На фиг. 3 приведен прототип, а именно, стальной клин (вид сбоку).
На фиг. 4 изображено устройство для создания начальной межслоевой трещины в образцах из слоистых ПКМ.
На фиг. 5 приведен используемый стальной клин, а именно, параметры (вид спереди).
На фиг. 6 приведен используемый стальной клин, а именно, параметры (вид сбоку).
На фиг. 7 представлено фото трещины в образце из слоистого ПКМ, полученной методом расклинивания.
Предлагаемое устройство (фиг. 4) содержит верхнюю опорную плиту 5, с выполненным зажимным устройством 6 для крепления клина 3 и возможностью перемещения в вертикальной плоскости, нижнюю опорную плиту 7, с выполненным зажимным устройством 8 для крепления образца 4 и возможностью перемещения в горизонтальной плоскости, жестко установленную стойку 9 на нижней опорной плите, на которой установлен микроскоп 10. Клин выполнен из стали с твердостью не менее 167НВ, с ножкой толщиной 1,5-2,5 мм, переходящей в рабочие поверхности длиной 10-15 мм, расположенные с углом раствора в диапазоне (10-12)°, при этом радиус сопряжения рабочих поверхностей не превышает толщину межслоевой зоны натурного образца, а ширина лезвия не может быть меньше ширины образца.
Устройство работает следующим образом. Из слоистого ПКМ-вырезают образец 4 необходимых размеров и устанавливают его в зажимное устройство 8 для крепления образца таким образом, чтобы слои материала образца были направлены строго перпендикулярно нижней опорной плите. Клин 3 устанавливают в зажимное устройство 6. При помощи перемещения в вертикальной плоскости верхней опорной плиты 5 и перемещения в горизонтальной плоскости нижней опорной плиты 7 позиционируют вершину клина 3 относительно образца 4 из слоистого ПКМ и межслоевыми зонами образца. При помощи микроскопа 10, установленного на стойке 9, контролируют позиционирование клина 3 относительно выбранной межслоевой зоны образца 4, при этом лезвие клина устанавливают четко параллельно слоям материала образца. Верхнюю опорную плиту 5 приводят в движение и сближают с нижней опорной плитой 7, посредством чего происходит нагружение образца 4 из слоистого ПКМ, вследствие чего происходит создание начальной трещины необходимых размеров.
Созданное устройство позволяет инициировать начальную межслоевую трещину в образцах из слоистых ПКМ при помощи клина, без использования инициаторов в виде пленки или предварительно выполненного надреза в образце.