Экспериментальные исследования ударопрочных многослойных композиционных материалов с использованием нетканых полотен и плетеных изделий

Вестник технологического университета. 2016. Т. 19, №s23 УДК 677.026.424:625.877

Ю. М. Трещалин, В. В. Хамматова, М. Ю. Трещалин, А. М. Киселев

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УДАРОПРОЧНЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕТКАНЫХ ПОЛОТЕН И ПЛЕТЕНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Ключевые слова: композит, нетканый материал, плетеная лента, нагрузка, деформация, предел прочности, разрушение.

В статье изложены результаты испытаний и анализ механизма разрушения образцов многослойных композиционных материалов при растяжении.

Keywords: the composite, nonwoven fabric, woven tape, load, strain, tensile strength, destruction.

The article presents the results of tests and analysis of the mechanism of destruction of the samples of laminated composite materials under tension.

Большим преимуществом композиционных материалов является возможность получения не только однослойных, но и многослойных композитов с различными свойствами слоев для обеспечения заданных потребительских свойств изделия. Различные комбинации соединения слоев композиционного материала позволят при одном и том же составе компонентов материала получать его различные физико-механические свойства. При этом появляется возможность получать композиционные материалы с комплексом заданных свойств- высокопрочные и электропроводные, термостойкие и экологически чистые и т д.

Ударопрочные композиты предназначены для механической защиты различных инженерных сооружений, включая магистральные трубопроводы,

где целесообразно использовать комбинированную основу, состоящую из нетканых полотен и плетеных полотен, изготовленных из углеволокнистых и полиамидных нитей. Причем, учитывая неориентированное расположение мононитей, нетканое полотно помещается между плетеными структурами.

Для оценки влияния каждого из компонентов были изготовлены, как многослойные композиционные материалы, так и композиты на основе отдельно взятых нетканых полотен, полиамидной и углеволокнистой плетеных лент. При создании образцов применялся метод вакуумной пропитки. Характеристики

изготовленных композитов даны в табл. 1.

Таблица 1 - Характеристики образцов композиционных материалов

Обозначение образца Толщина, мм. Длина, мм Ширина, мм Масса, г Поверхностная плотность, г/м2 Объемная плотностьрк, кг/м3

1 х 2,79 200,6 46,204 27,3619 2952,1318 1058,11177

1 с 2,17 207,2 46,516 22,6932 2354,5267 1085,03537

3 с 2,234 202 43,94 20,3024 2287,3676 1023,88879

П1 1,784 196 50,19 17,0009 1728,2185 968,732334

П2 2,47 101,26 59,268 15,0406 2506,1495 1014,63541

ПУ 1,366 235,1 56,1 23,496 1781,4697 1304,15059

1200 х 6,52 190 36 54,2082 7925,1754 1215,51771

Пакет 1хП1 6,258 190 48,29 66,4379 7241,1091 1157,09637

Пакет 1сП2 6,634 127,2 51,038 48,6909 7500,0998 1130,55469

Пакет 3сП1 5,432 190,6 50,746 60,7282 6278,6417 1155,86187

Пакет Х1200П2 9,16 189 55 102,3 9841,2891 1074,37654

Исследование структуры полученных слоеных композитов показало:

- существует эффект сжатия полиамидной и углеволокнистой нитей, состоящих из отдельных, в большинстве своем, параллельно расположенных филаментов;

- полиамидная плетеная структура имеет четко различимые углы армирования, а также ориентацию отдельных мононитей;

- все слои полностью пропитаны связующим и выглядят сплошным композиционным материалом;

- трещины и изломы на границе раздела структурных элементов и связующего, как в нетканом так и в плетеном полотне, отсутствуют, что позволяет сделать заключение о хорошем взаимодействии отвержденной матрицы и волокон составляющих основы.

Вестник технологического университета. 2016. Т. 19, №°23

Анализ результатов экспериментальных исследований дает возможность произвести оценку и сопоставить значения максимальных усилий при испытаниях на растяжение образцов, как отдельных составляющих, так и многослойных композиционных материалов. Результаты испытаний отдельных слоев композитов при растяжении приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Результаты испытаний образцов композиционных материалов на растяжение

Обозначение образца Максимальное усилие, Н Максимальное удлинение, мм Предел прочности при растяжении, МПа

1 х 78,4 1,96 1,217

1 с 92,9 1,40 2,211

3 с 66,9 1,64 1,264

1200 х 160,4 2,81 1,313

П1 262,3 30,58 4,958

П2 427,9 29,65 6,349

ПУ 17900 5,02 487,1

Прежде всего, обращает на себя внимание различие в разрывной нагрузке и пределе прочности при разрыве, которые являются наиболее информативной характеристикой в связи с тем, что учитывают первоначальные геометрические размеры образцов композитов на основе нетканых полотен и полиамидной и углеволокнистой плетеных лент.

Если образцы композитов на нетканой основе имеют предельное напряжение при растяжении в диапазоне 1,2 - 2,2 МПа, то аналогичный показатель композиционных материалов на основе полиамидной ленты составляет 4,9-6,3 МПа, а на основе углеволокнистой ленты - более 485 МПа.

Столь значительная разница объясняется, в первую очередь, различием физико-механических свойств полиэфирных волокон (мононитей), полиамидных и углеволокнистых нитей. Кроме того имеет существенное значение ориентация структурных элементов плетеных изделий в направлении приложения нагрузки.

Величины максимального удлинения композитов на основе полиамидных лент существенно превышают удлинение образцов на основе углеволокнистой ленты и нетканых полотен, имеющих наименьшие показатели. Такой эффект достигается за счет различия прочностных показателей структурных элементов: при растяжении физико-механические характеристики единичной полиамидной нити превышают прочность полиэфирной нити.

Физико-механические свойства углеволокнистых нитей выше, чем у полиамидных. Однако за счет плетеной структуры у образцов композиционных материалов на основе полиамидных лент абсолютное удлинение достигает более 30 мм. Очевидно, это связано с вытягиванием полиамидных нитей вдоль оси нагружения без разрушения до полной одноосной ориентации. В

данном случае при разрушении композита работает и строение армирующей основы, и ее структурные элементы.

Для углеродного образца механизм разрушения, как показал эксперимент, совершенно другой. В нем не происходит постепенная продольная ориентация углеродных нитей в процессе деформации, а практически вся нагрузка воспринимается нитями сразу, без изменения геометрии плетеного изделия. В этом случае структурная составляющая армирующей основы не влияет на прочность композита, а существенна лишь прочность самой нити. Таким образом, проведенный анализ механизмов разрушения рассмотренных образцов позволят прогнозировать прочностные

характеристики и физико-механические свойства композиционных материалов на основе плетеных. Результаты испытания слоистых композиционных материалов на растяжение представлены в табл. 3.

Таблица 3 - Результаты испытания образцов слоистых композитов

Обозначение образца Максимальное усилие, Н Максимальное удлине-ние, мм Предел прочности при растяжении, МПа

Пакет ПУ1сП2 15400 4,57 435

Пакет ПУ1хП1 13000 3,89 370

Пакет ПУ3сП1 12800 3,95 376

Пакет ПУ1200х П2 9400 2,81 267

Данные табл.3 позволяют сделать вывод о том, что максимальные разрывные усилия слоеных композиционных материалов соизмеримы с величиной разрывного усилия углеволокнистого слоя и в 100170 раз превышают значения нетканой прослойки, а предельное напряжение при растяжении в 250 - 400 раз превышают аналогичные характеристики композитов на основе соответствующих отдельно взятых нетканых и полиамидных плетеных изделий. По результатам испытаний на растяжение можно констатировать, что основным видом разрушения многослойных композитов являлось расслоение, при котором возникало резкое падение нагрузки и остановка испытательной машины. Картина разрушения слоистых композитов представлена на рис. 1.

Составляющие композит слои не имели полного разрушения (кроме образца ХАРД1200Т - средний слой разрушен). Для наглядности расслоения между слоями на фото вставлены ножницы. Испытания продолжались до полного разрушения композита.

Основным несущим элементом многослойного композита является композитный слой с углеродными волокнами. Анализ динамики разрушения показывает, что сначала нагрузка воспринимается всеми слоями, далее в процессе растяжения возни-

Вестник технологического университета. 2016. Т. 19, №s23

кающие удлинения слоев неравны. Это приводит к тому, что нагрузка «перетекает» в сторону слоя с

Пакет ПУ1200хП2. Средний слой разрушен

Рис. 1 - Фотографии разрушения образцов многослойных композиционных материалов

большим модулем упругости (более жесткого слоя). Слой с углеродным волокном сдерживает удлинение соседних слоев. Различие модулей упругости, соответственно и удлинений, отдельных составляющих приводит к тому, что слои композита постепенно сдвигаются относительно друг друга. Возникают напряжения сдвига на границе соединения слоев, превышение которых приводит к расслоению. После расслоения возникает удар, интенсивное удлинение «сдерживаемых» слоев, однако ограниченно, так как ближе к зажимам отслоение не происходит. На примере образца ПУ1200хП2, средний слой (1200х) после удара разрушился, у остальных многослойных композитов разрушение прилегающих слоев к углеродному волокну отсутствовало,

так как эти слои имели более высокое удлинение разрыва.

Таким образом, логичное предположение о том, что более крупный образец по площади сечения будет более прочным, не подтвердилось. Главную роль сыграла величины относительного удлинения составляющих композит слоев. Углеволокнистая составляющая ПУ, как основной несущий слой, имеет величину относительного удлинения 5,02%, а слой ХАРД - 2,81%. При достижении нагрузки, при которой образец ПУ растянулся на 2,81%, слой нетканого материала 1200х не мог продолжать формировать с остальными слоями единую конструкцию. Произошел разрыв слоя - потеря прочности слоеного композита в целом. Последующие испытания подтвердили, что при более высоких величинах относительного удлинения составляющих композит, слоистая конструкция «работала» дольше, а следовательно, достигала более высокой величины предельной нагрузки.

Эталоном максимальной нагрузки является предельная нагрузка разрыва углеволокнистого слоя ПУ. Чтобы достичь ее всей конструкцией без преждевременного разрушения, необходимо, подвести величины относительного удлинения под величину относительного удлинения главного несущего слоя или чуть выше.

Расслаивание композитов вдоль составляющих его слоев является нежелательным с точки зрения прочности композита в целом. В связи с этим можно выработать следующие рекомендации, что бы избежать данного явления:

- составляющие слои должны иметь равные или близкие модули упругости, удлинения разрыва, либо чуть выше, чем у несущих слоев;

- помещение несущего слоя, если это позволяется конструктивно, в середину композита, тем самым повысить напряжение сдвига, при котором возникает расслоение композита.

Для повышения механических свойств композиционного материала на растяжение необходимо добиться одновременного сопротивления, как можно большего числа нитей. Этого можно достичь, используя связующее с пониженным модулем упругости и большим удлинением разрыва, чем удлинение разрыва у армирующих волокон. Повышением объемной доли армирующих компонентов, при этом действенным является и увеличение расстояния между волокнами, что, однако, снижает объемную долю армирующих волокон, но позволяет более эффективно «вводить» в сопротивление отдельные волокна.

© Ю. М. Трещалин - материаловед-исследователь, mtreschalin@mail.ru; В. В. Хамматова - зав. кафедрой "Дизайн", "Казанский национальный исследовательский унгверсигет", venerabb@mail.ru; М. Ю. Трещалин, д.т.н., профессор МГУ имени М.В. Ломоносова, mtreschalin@mail.ru; М. В. Киселев, д.т.н., профессор «Костромской государственный технологический университет», kisselev50@mail.ru.

© Y. M. Treshchalin - a materials researcher, mtreschalin@mail.ru; V. V. Khammatova - head. the Design Department, Kazan National Research Technological University, venerabb@mail.ru; M. Y. Treshalin, Ph. D., Professor of MSU named after M. V. Lomonosov, mtreschalin@mail.ru; M. V. Kiselev, doctor of technical Sciences, Professor "Kostroma state technological University", kisselev50@mail.ru.