УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к измерительной технике, конкретно к устройствам для определения термомеханических характеристик (точек термомеханических переходов) полимерных композиционных материалов.
Высокие механические свойства полимерных композиционных материалов обусловлены взаимодействием высокопрочного армирующего материала (стеклянных или других волокон) с полимерной матрицей, находящейся, как правило, в стеклообразном состоянии. Однако большинство полимерных материалов, используемых в качестве связующего, при нагревании переходят из стеклообразного состояния в эластичное. Этот переход сопровождается резким и значительным снижением механических характеристик полимерной матрицы, а следовательно, композиционного материала. В связи с этим при оценке конструкционной пригодности полимерного композиционного материала важно оценивать его стойкость к нагреванию, т.е. способность материала сохранять механические характеристики при повышении температуры окружающей среды.
Для изучения физических состояний полимеров разработаны разные способы и устройства для их осуществления, однако большинство из них малопригодны для проведения контрольных испытаний полимерных композиционных материалов в условиях заводских лабораторий. Это Связано со следующими причинами: необходимостью изготовления специальных образцов для проведения испытаний; невозможностью исследования свойств связующего композиционного материала в составе композита; чрезмерно высокой сложностью и стоимостью испытательных установок и пр. (Малкин А.Я. и др., Методы измерения механических свойств полимеров., М, Химия, 1978. - 336 с).
Для заводских условий наиболее пригодными являются способы испытаний, основанные на определении термомеханических переходов полимерных композиционных материалов из одного состояния в другое по изменению их механических свойств.
Известен способ определения термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов и установка для его реализации (Савин В.Ф. и др., Методика определения термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов, «Заводская лаборатория. Диагностика материалов» №6 - 2003. Том 69, с. 40-43 с).
Установка для определения термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов включает в себя термокамеру, снабженную нагревательным устройством, датчиком температуры и установленными в ней опорами для установки на них образца, тягу с нажимным наконечником, связанную с нагружающим устройством через датчик силы.
Испытания производят следующим образом. Образец, установленный на опорах в термокамере, нагружают с помощью нагружающего устройства заданной поперечной изгибающей нагрузкой, которую контролируют датчиком силы (т.е. нагружение осуществляют по трехточечной схеме). Соответствующее этой нагрузке положение изогнутого образца (деформацию - прогиб) фиксируют и нагревают его с заданной скоростью. По мере нагрева жесткость образца снижается (происходит размягчение связующего), следовательно, снижается приложенная к нему нагрузка. Регистрируя в процессе испытаний изменение температуры и соответствующей ей нагрузки, получают термомеханическую кривую, по которой известными методами определяют точки термомомеханических переходов.
Этот способ и установка для определения термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов позволяют производить испытания без трудоемкой операции дополнительной подготовки образцов. Установка для испытаний относительно проста, время на проведение единичного испытания зависит в основном только от выбранной скорости нагрева и предельной температуры нагрева.
Существенным недостатком известного способа для определения термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов и установки для его реализации является влияние на результаты испытаний конструктивных особенностей установки: расстояния между опорами, в которых устанавливается образец, конструкция и размеры нажимного наконечника вследствие возникающих контактных напряжений и сдвиговых деформаций.
Технической задачей полезной модели является разработка конструкции установки для определения термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов способом продольного изгиба образца, исключающей влияние элементов конструкции на достоверность результатов испытаний.
Поставленная техническая задача решается тем, что в установке для определения термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов, содержащей горизонтальное основание, размещенную на нем термокамеру с нагревателем и датчиком температуры, опоры для установки образца, нагружающий механизм и силоизмерительный узел, опоры для установки образца выполнены шаровыми, при этом одна из них установлена на основании с возможностью горизонтального перемещения и связана с нагружающим механизмом, а другая закреплена неподвижно и связана с датчиком силоизмерительного узла, при этом гнезда для установки образца в подвижной и неподвижной опорах и силоизмерительный датчик соосны - расположены на одной линии, а сами опоры размещены в термокамере.
Для повышения точности измерений в месте передачи нагрузки от образца к датчику силы трение скольжения заменено трением качения. Для этого силоизмерительный узел включает в себя неподвижно закрепленную на основании вертикальную стойку, снабженную в верхней части шарниром с подвешенным на нем кронштейном, на котором со стороны, обращенной к подвижной шаровой опоре, размещена неподвижная шаровая опора, а с обратной - нагружающий наконечник, контактирующий с силоизмерительным датчиком, размещенным на вертикальной стойке, при этом гнезда для установки образцов в подвижной и неподвижной опорах, нагружающий наконечник, и силоизмерительный датчик соосны.
На фиг. 1 представлен общий вид установки, на фиг. 2 - выполнение силоизмерительного узла.
Предлагаемое устройство содержит основание 1, размещенную на нем термокамеру 2, с нагревателем 3 и датчиком температуры 4, установленную на основании внутри термокамеры с возможностью горизонтального перемещения подвижную шаровую опору 5 и закрепленный на основании неподвижный силоизмерительный узел, включающий неподвижно закрепленную на основании вертикальную стойку 6, снабженную в верхней части шарниром 7 с подвешенным на нем кронштейном 8, на котором со стороны, обращенной к подвижной шаровой опоре 5, установлена неподвижная шаровая опора 9, размещенная в термокамере, а с противоположной - нагружающий наконечник 10, контактирующий с силоизмерительным датчиком 11, подвижная шаровая опора 5 снабжена нагружающим механизмом 12, например, электродвигателем с редуктором.
Установка работает следующим образом.
Образец 13 устанавливают в шаровых опорах 5 и 9, приводят в действие нагружающий механизм, который, перемещая подвижную шаровую опору 5, нагружает образец 13 продольной нагрузкой до образования заданной стрелы прогиба. Образец передает приложенную к нему нагрузку на неподвижную шаровую опору 9, которая через нагружающий наконечник 10 на силоизмерительный датчик 11. По достижении заданной величины продольной нагрузки положение подвижной шаровой опоры фиксируется, включается нагреватель 3 в термокамере 2, который обеспечивает нагрев с заданной скоростью, и запускается одновременная запись температуры датчиком 4 и продольной нагрузки силоизмерительным датчиком 11. По мере нагрева жесткость образца снижается (происходит размягчение связующего), а, следовательно, снижается продольная нагрузка, которая через неподвижную шаровую опору 9 и нагружающий наконечник 10 фиксируется силоизмерительным датчиком 11.
Регистрируя в процессе испытаний изменение температуры и соответствующее ей изменение продольной нагрузки, получают термомеханическую кривую, по которой известными методами определяют точки термомомеханических переходов.
Предлагаемая конструкция установки не требует для проведения испытаний изготовления образца специальной формы, в качестве него используется отрезок стержня из исследуемого полимерного композиционного материала. Для исключения чрезмерно высоких продольных нагрузок, необходимых для обеспечения заданного продольного изгиба, длина образца выбирается преимущественно не менее 35-40 его диаметров. При проведении испытаний исключено воздействие на образец элементов конструкции, вызывающих возникновение в нем контактных напряжений и сдвиговых деформаций, чем обеспечивается повышение достоверности результатов испытаний.