Методика испытаний на одноосное растяжение однонаправленных композиционных материалов при пониженных температурах

2012 Механика № 4

УДК 620.172

Д.С. Лобанов, А.В. Бабушкин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет,

Пермь, Россия

МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ НА ОДНООСНОЕ РАСТЯЖЕНИЕ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПОНИЖЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Предложенная методика испытаний однонаправленных композиционных материалов на одноосное растяжение при пониженных температурах позволяет определять предел прочности однонаправленных композиционных материалов при нормальных и пониженных температурах. Проведено опробование методики при пониженных температурах 0 °С и -30 °С. В ходе проведения экспериментальных исследований все образцы разрушались в рабочей части, что позволило получить предел прочности и модуль упругости однонаправленного стеклопластика с содержанием волокна 70 %. Построены диаграммы нагружения и деформирования. Полученные результаты экспериментального исследования позволяют сделать вывод о приемлемости данной методики при испытаниях однонаправленных композиционных материалов на одноосное растяжение при нормальных и пониженных температурах. Даны рекомендации по испытанию однонаправленных композиционных материалов при повышенных температурах.

Ключевые слова: методики испытаний, однонаправленные композиционные материалы, испытание на растяжение, экспериментальная механика, пониженные температуры

D.S. Lobanov, A.V. Babushkin

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

TECHNIQUE OF UNIDIRECTIONAL COMPOSITE MATERIALS AT LOW TEMPERATURES TENSILE TESTS

The technique of unidirectional composite materials at low temperatures uniaxial tension tests. This method allows determining the tensile strength of unidirectional composite materials under normal and low temperatures. The approbation technique at low temperature of 0 °C and -30 °C. During the research all tests specimens were destroyed in the «work area», which allowed for the tensile strength and modulus of unidirectional glass fiber with 70 %. The diagrams of loading and deformation. The obtained experimental results suggest the acceptability of this method for testing of unidirectional composite materials uniaxial tension at normal and low temperatures. Recommendations of unidirectional composite materials at high temperatures test.

Keywords: techniques of tests, unidirectional composite materials, tensile test, experimental mechanics, low temperature tests.

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 40х5 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

Испытания однонаправленного стеклопластика при растяжении вдоль направления армирования в условиях комнатной и пониженных температур проводились на универсальной электромеханической системе 1ш1:гоп 5882. В качестве измерителя деформаций использовался бесконтактный видеоэкстензометр Тш^оп ЛУБ. Необходимость при-

менения оптического экстеизометра 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 °Си -30 °С представлены на рис. 2 и 3.

а, МПа______________________________________________

1000 900 800 700600'

500 400 300 200'

100

0-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 8, %

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

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 °С и 4 образца при температуре 0 °С. Результаты испытаний однонаправленного стеклопластика на растяжение при пониженных температурах -30 °С и 0 °С приведены в таблице.

о, МПа

700

600

500

400

300

200

100

0 , ,

-ОД 0,0 ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 %

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

Результаты испытаний однонаправленного стеклопластика на растяжение при пониженных температурах

Но- мер обр. т, °С Максимальная нагрузка при разрыве Pmax? КН Предел прочности при разрыве Св, МПа Модуль Юнга при растяжении Е, ГПа Предел прочности при разрыве ов с доверительной вероятностью 0,95, МПа Модуль Юнга при растяжении Ес доверительной вероятностью 0,95, ГПа

1 -30 24,992 695,968 35,8 922,11±91,54 34,15±2,54

2 30,321 1144,191 40,1

3 31,376 917,524 32,6

4 22,338 930,753 28,1

1 0 36,135 1021,355 39,3 980,223±21,58 36,83±2,38

2 33,942 959,369 35,5

3 24,008 1010,441 41,7

4 29,872 929,727 30,8

* 22 - - - 987,14±164,58 47,80±2,68

Примечание: средние значения предела прочности и модуля Юнга при температуре 22 °С 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 °С и 0 °С 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 °С до +300 °С либо клей марки ВК-9 с рабочим диапазоном температур от -60 °С до +250 °С.

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

Библиографический список

1. Тарнопольский Ю.М., Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. - М.: Химия, 1981. - 272 с.

2. Словиков С.В. Методика исследования зависимости механических свойств полиуретановых изделий от температуры // Вестник ПНИПУ. Механика. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехи. унта, 2012. - № 2. - С. 177-189

3. Бабушкин А.В., Вильдеман В.Э., Лобанов Д.С. Испытание на растяжение однонаправленного высоконаполненного стеклопластика при нормальных и повышенных температурах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2010. - № 7. - С. 57-59

4. Бабушкин А.В., Лобанов Д.С. Экспериментальное исследование и моделирование свойств композиционных материалов в условиях сложных термомеханических воздействий // Вестн. Нижегород. ун-та им. Н.И. Лобачевского. - Н.Новгород: Изд-во Нижегород. гос. ун-та им. Н.И. Лобачевского, 2011. - № 4(5). - С. 1984-1986.

5. Экспериментальные исследования деформационных и прочностных свойств наномодифицированных стеклотекстолитов / В.Э. Вильдеман, А.В. Бабушкин, С.М. Никулин, М.П. Третьяков [и др.] // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2012. - Т. 78. - № 7. -С.57-61

6. Зуйко В.Ю., Лобанов Д.С., Аношкин А.Н. Методики определения предела прочности полунатурных образцов-панелей из композиционных материалов при статических испытаниях на растяжение, сжатие и сдвиг // Вестник ПНИПУ. Механика. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехи. ун-та, 2012. - № 2. - С. 99-111.

7. Механика материалов. Методы и средства экспериментальных исследований: учеб. пособие / В.Э. Вильдеман [и др.]; иод ред. В.Э. Виль-демана. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехи. ун-та, 2011. - 165 с.

8. Вильдеман В.Э. Закономерности и модели процессов накопления повреждений, закритического деформирования и структурного разрушения композиционных материалов // Вестник ПГТУ. Динамика и прочность машин / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2001. -№ 2. - С. 37-44.

References

1. Tarnopolsky Y.M., Kintsis T.Y. Metody statitcheskikh ispytaniy armirovannykh plastikov [Methods for static tests of reinforced plastics. Chemistry]. Moscow: Khimiya, 1981. - 272p.

2. Slovikov S.V. Metodika issledovaniya zavisimosty mekhaniches-kikh svoystv poliuritanovykh izdeliy ot temperatury [Exploratory procedure of the dependence mechanical properties of polyurethane products on temperature]. Vestnik Permskogo natsionalnogo issledovatelskogo polytekhni-cheskogo universiteta. Mehanica, 2012, no. 2, pp. 177-189.

3. Babushkin A.V., Wildemann V.E., Lobanov D.S. Ispytaniya na rastyazhenie odnonapravlennogo vysokonapolnennogo stekloplastika pri normalnoy I povyshennoy temperaturakh [Tensile tests of unidirectional high-filled fiberglass composite at normal and high temperatures]. Zavod-skaya laboratoriya. Diagnostika materialov, 2010, vol. 76, no. 7, pp. 57-59.

4. Babushkin A.V., Lobanov D.S. Eksperimentalnoe issledovanie i modelirovanie svoystv kompozitsionnykh materialov v usloviyakh slozh-nykh termomekhanicheskikh vozdeystviy [Experimental research and modeling of the composite materials properties under combined thermo-mekha-nical loading conditions]. Vestnik Nizhegorodskogo universiteta im. N.I. Lobachevskogo, 2001, no. 4, part 5, pp. 1984-1986.

5. Vildeman V.E., Babushkin A.V, Nikulin S.M., Tret’yakov M.P., Lobanov D.S., Struk N.V. Eksperimentalnye issledovaniya deformatsion-nykh i prochnostnykh svoystv nanomodificirovannykh steklotekstolitov [Experimental research of deformation and strength properties of nanomodified glass fiber laminate]. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika mate-rialov, 2012, vol. 78, no. 7, pp. 57-61.

6. Zuyko V.Y., Lobanov D.S., Anoshkin A.N. Metodiki opredeleniya predela prochnosti polynaturnyh obrazcov-paneley iz kompozitsionnykh materialov pri statitcheskikh ispytaniyah na rastyazhenie, szhatie i sdvig [Procedure for experimental determination of ultimate strength for composite sandwich-panel specimens under static tension, compression and shear]. Vestnik Permskogo natsionalnogo issledovatelskogo polytekhniches-kogo universiteta. Mehanica, 2012, no. 2, pp. 99-111.

7. Wildeman V.E. [et al.] Mehanika materialov. Metody i sredstva eksperimental’nykh issledovaniy: uchebnoe posobie [Mechanics of materials. Methods and means of experimental research: tutorial]. Ed by V.E. Wildemann. Perm: Permskiy natsional’niy issledovatel’skiy polytekhnicheskiy unieversitet, 2011, 165 p.

8. Wildemann V.E. Zakonomernosti i modeli protsessov nakopleniya povrezhdeniy, zakriticheskogo deformirovaniay i strukturnogo razrusheniya kompozitsionnykh materialov [Regularities and models for damage accumulation process, post-critical deformation and failure of composite materials]. Vestnik Permskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Dynamics and strength of machines, 2001, no. 2, p. 37-44.

Об авторах

Лобанов Дмитрий Сергеевич (Пермь, Россия) - аспирант, младший научный сотрудник, инженер Центра экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: cem_lobanov@mail.ru).

Бабушкин Андрей Викторович (Пермь, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры механики композиционных материалов и конструкций, старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: bav651@yandex.ru).

About the authors

Lobanov Dmitry Sergeevich (Perm, Russian Federation) - Graduate student, Junior Scientific Associate and Engineer of the Center of Experimental Mechanics, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation, e-mail: cem_lobanov@mail.ru).

Babushkin Andrey Victorovich (Perm, Russian Federation) -Ph.D. in Technical Sciences, Associate professor of the Mechanics for Composite Materials and Structures Department, Senior researcher of the Center of Experimental Mechanics, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation, email: bav651@yandex.ru).

Получено 20.11.2012