Испытание расслоения материалов

Расслоение материалов (РМ) представляет собой вид разрушения, заключающийся в разделении слоев композита в слоистом материале, либо возникновении трещин внутри, на кромках или торцах металла.

Испытание расслоения материалов – это метод определения устойчивости многослойных материалов к разделению слоев.

Разновидность композитных материалов

Композитный материал (КМ) – это искусственно созданный сплошной материал, состоящий из нескольких компонентов (слоев), обладающих различными физико-химическими свойствами. Обязательным условием является наличие четкой границы раздела между ними.

Разновидность КМ классифицируется по двум основным признакам: структуре наполнителя и типу матрицы. По структуре наполнителя различают три типа армирующих наполнителя.

Волокнистые. КМ содержат отдельные волокна (стекловолокно, углеволокно, арамидное или др.). К ним относятся стеклопластик, текстолит, карбон, кевлар. Характеризуются высокой прочностью, низкой теплопроводностью, радиопрозрачностью, диэлектрическими свойствами. Широко применяются в строительстве (утеплители), электронике (печатные платы) и др. отраслях народного хозяйства.

Слоистые. Другое название – ламинаты. Особенностью являются чередующиеся слои КМ. Например, всем известная фанера или лобовое стекло автомобилей – триплекс. Основное достоинство материала – он прочнее составляющих его отдельно взятых слоев.

Порошковые (дисперсно-упрочненные). В композитных материалах армирующим наполнителем являются мелкие частицы металла или керамики. Материал в целом отличается повышенной прочностью, жесткостью, износостойкостью. Применяется во многих высокотехнологичных сферах.

Протез клапана сердца

По типу матрицы КМ подразделяются на:

• Полимерные;
• Металлические;
• Керамические;
• Специальные.

Матрица является основным (связующим) компонентом в композитном материале. В большей степени от ее свойств зависят все характеристики КМ. Например, в бетоне роль матрицы принадлежит цементу, наполнителями являются песок, щебень или гранитная крошка. От марки цемента зависит прочность бетона.

Расслоение – дефект композитных материалов

В КМ по разным причинам возникают различные дефекты. Наиболее опасным считается расслоение материала. Наружное заметно не вооруженным глазом. Внутреннее можно обнаружить только с применением специальной аппаратуры, например, ультразвуковым дефектоскопом.

Главная опасность расслоения заключается в снижении механической прочности материала или его разрушении. Подобный дефект вызывает отказы в работе электронных устройств, поломки различных конструкций, крошение железобетонных изделий, аварии на транспорте.

Результат расслоения в сварном шве корпуса морского судна

Инженерами разработан ряд мероприятий, направленных на снижение вероятности возникновения подобных дефектов, но главным остается контроль качества композитных материалов. Он проводится в соответствии с требованиями существующих межгосударственных и национальных стандартов.

КМ подвергаются множеству испытаний, основными из которых считаются:

• На растяжение;
• На разрыв;
• На сжатие;
• На сжатие после удара;
• На расслоение;
• На изгиб.

Сюда же относятся проверка химических, электротехнических, антикоррозионных и др. свойств.

Испытания на РМ

Для каждого вида композитных материалов разработаны соответствующие стандарты, определяющие методы их испытаний. Проанализируем методику испытаний полимерных композитов.

В качестве примера рассмотрим алгоритм испытания при определении удельной работы расслоения в условиях отрыва G_IC(по ГОСТ Р 56815-2015).

Испытания проводятся на испытательной машине (ГОСТ 28840-90), оснащенной специальными зажимами для крепления образцов.

Образцы в количестве пяти шт. изготавливают по схеме, приведенной на рисунке (см. рис. 1)

Рисунок 1

где: L – длина; b – ширина, h – толщина, a₀ – начальная длина расслоения, 1 – петля, 2 – вставка, 3 – блок нагружения.

На образце создается начальная межслойнаятрещина длиной 45-55 мм. После подготовки и кондиционирования образец фиксируют в захватах испытательной машины, устанавливают необходимую скорость движения активного захвата и включают машину. КИП машины фиксируют значение приложенной нагрузки, скорость перемещения захвата и длину образующейся трещины.

Испытание проводится до достижения длины трещины расслоения 50 мм. По достижении этой величины испытания прекращаются.

После окончания испытания производится обработка полученных результатов. По математическим формулам и диаграмме деформирования «нагрузка – раскрытие трещины» определяется критическая нагрузка и удельная работа расслоения (вязкость межслойного разрушения).

Испытания на расслоения материалов проводятся в соответствии с требованиями межгосударственных и национальных ГОСТов. Например:

• ГОСТ Р 56808-2023 «Композиты полимерные. Определение характеристик межслоевой трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении смешанного типа (тип I—тип II, мода I—мода II) однонаправленных армированных композитов методом комбинированного испытания на изгиб и растяжение образца с торцевой трещиной (MMB-Test)»;
• ГОСТ 33685-2015 «Композиты полимерные. Метод определения удельной работы расслоения в условиях сдвига G_IIC»;
• ГОСТ Р 56815-2015 «Композиты полимерные. Метод определения удельной работы расслоения в условиях отрыва GIC»;
• ГОСТ 25.604-82 «Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания на изгиб при нормальной, повышенной и пониженной температурах»;
• ГОСТ Р 71091-2023 «Композиты полимерные. Определение характеристик межслоевой трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении по типу II (моде II) однонаправленно-армированных композитов методом испытания на изгиб образца с торцевой трещиной (ENF-Test)»;
• ГОСТ 5802-2024 «Растворы строительные. Методы испытаний».