Испытания полимерных композитов (ПК) на прочность – это процесс определения способности материала выдерживать нагрузки без разрушения или деформации. ПК подвергаются двум видам испытаний – механическим и климатическим.
Полимерные композиты – материал, состоящий из двух или более компонентов (матрицы и наполнителей), в конечном виде обладающий свойствами каждого составляющего.
Свойства полимерных композитов
Основу любого композита составляет полимерная матрица, представляющая собой полиэфирные или эпоксидные смолы, полиамиды, фторопласты, полипропилен. Наполнителем являются стекловолокно, углеродные или базальтовые волокна, частицы минералов, металлов, керамики.
Полимерные композиты
Виды ПК
Полимерные композиты в зависимости от состава и назначения подразделяются на несколько видов. Свойства материалов зависят от симбиоза их составляющих (см. табл. 1).
|
Вид композита |
Матрица |
Наполнитель |
Ключевые свойства |
|
Стеклопластики |
эпоксидные, полиэфирные смолы |
стекловолокно |
диэлектрические свойства, коррозионная стойкость |
|
Углепластики |
эпоксидные смолы |
углеродные волокна |
высокая прочность, низкий вес |
|
ДПК |
термопласты |
древесная мука |
экологическая влагостойкость |
|
Боропластики |
эпоксидные смолы |
борные волокна |
снижение веса на 40 % без потери прочности |
Таблица 1
Стеклопластик характеризуется высокой стойкостью к агрессивным средам, прочностью, низким весом.
Стеклопластик
Другими положительными качествами материала являются:
- низкая плотность (1,7-1,8 г/см³);
- высокая ударная вязкость;
- устойчивость к перепадам температур и метеорологическим явлениям;
- огнестойкость;
- простота обслуживания изделий и возможность ремонта без демонтажа конструкции.
Стеклопластик обладает отличными физико-механическими характеристиками (см. табл. 2).
|
Характеристики |
Значения* |
|
Плотность, кг/м³ |
1600-2000 |
|
Температура плавления, °С |
1066-1670 |
|
Разрушающее напряжение при сжатии, МПа |
410 |
|
Разрушающее напряжение при изгибе, МПа |
690-1240 |
|
Предел прочности при растяжении, МПа |
3100-4590 |
|
Удлинение при растяжении, % |
2,0-5,0 |
|
Модуль упругости при растяжении, ГПа |
21-41 |
|
Модуль упругости при изгибе, ГПа |
27-41 |
|
Коэффициент линейного расширения |
5-14 |
|
Коэффициент теплопроводности |
0,3-0,5 |
Таблица 2
*в зависимости от вида матриц и наполнителей значения могут отличаться от табличных
Стеклопластик является универсальным материалом, востребованным в жизнедеятельности человека.
Углепластик обладает несколько иными свойствами.
Углепластик
Он характеризуется:
- высокой прочностью;
- легким весом;
- термостойкостью;
- устойчивостью к химически агрессивным средам;
- устойчивостью к УФ-излучению;
- коррозийной стойкостью;
- электропроводностью.
Важной особенностью является превосходство по удельной прочности и жесткости большинства металлов при возможности обработки любыми видами (резание, сверление, шлифовка и др.).
Наиболее весомые значения характеристик углепластика представлены в таблице (см. табл. 3).
|
Характеристики |
Значение |
|
Прочность, кг/мм³ |
1450-1600 |
|
Плотность, г/см³ |
1,7-1,9 |
|
Прочность при растяжении, МПа |
2500-5000 |
|
Модуль Юнга, ГПа |
120-130 |
|
Модуль упругости при растяжении, ГПа |
200-600 |
|
Разрывное усилие, кгс/мм² |
не менее 367 |
|
Удлинение при разрыве, % |
0,7-2,1 |
|
Теплостойкость, °С |
1600-2000 |
Таблица 3
Характеристики углепластика создали условия для его применения в различных научно-технических разработках.
Боропластик характеризуется высокими твердостью и прочностью, устойчивостью к механическим воздействиям на сжатие.
Боропластик
Ключевые технические характеристики материала приведены в таблице (см. табл. 4).
|
Параметр |
Значение |
|
Плотность, г/см³ |
2,5 |
|
Модуль при растяжении, кг/мм² |
250-380 |
|
Модуль при изгибе, кг/мм² |
6006 |
|
Модуль при растяжении, кг/мм² |
38500-43000 |
|
Модуль при сдвиге, кг/мм² |
16000-18000 |
|
Относительное удлинение до разрыва, % |
0,61-1,0 |
|
Коэффициент Пуассона |
0,2-0,25 |
Таблица 4
К дополнительным свойствам боропластика относятся:
- легкость;
- высокая жесткость;
- устойчивость к ползучести;
- хорошее сопротивление нагрузкам на кручение;
- теплостойкость;
- электропроводность.
Негативная особенность проявляется в высокой стоимости производства (соответственно и материала), поэтому применение оправдано только в высокотехнологичных отраслях.
Дополнительно, широкое применение нашли такие композиты, как текстолит, углеграфит и органопластик.
Сравнительные значения основных характеристик ПК и альтернативных материалов сведены в таблицу (см. табл. 5).
|
Материал |
Плотность, кг/мм² |
Прочность при растяжении, МПа |
Модуль Юнга, ГПа |
Удельная прочность, е*10³, км |
Удельный модуль, Е*106, км |
|
Стеклопластик |
2120 |
1920 |
69 |
91 |
3,2 |
|
Углепластик |
1450-1600 |
2500-5000 |
120-130 |
53-112 |
9-20 |
|
Высокопрочная сталь |
7800 |
1400 |
210 |
18 |
2,7 |
|
Алюминиевый сплав |
2700 |
500 |
75 |
18 |
2,7 |
|
Титановый сплав |
4400 |
1000 |
110 |
28 |
2,5 |
|
Полиамид 6,6 |
1140 |
82,6 |
28 |
7,24 |
0,24 |
Таблица 5
Общий вывод. Исходя из свойств полимерных композитов просматривается тенденция их преобладания в сравнении с другими материалами.
Применение полимерных композитов
ПК нашли широкое применение в повседневной жизни. Они используются везде, где в первую очередь требуется сочетание легкости и прочности.
Авиация, космонавтика, ракетостроение. В этих высокотехнологичных отраслях ПК используются для изготовления элементов корпусов, крыльев, оперения, лопастей винтов и других деталей самолетов, вертолетов, планеров. Из карбона производятся БПЛА, дроны.
В наше время авиация и военная промышленность используют примерно 40 % объема производства углепластика (в мировом масштабе).
Строительная отрасль использует композиты в качестве арматуры в фундаментах, стенах, перекрытиях. Из них изготавливают трубопроводы различного назначения, утеплительные и гидроизоляционные элементы.
В автомобильной промышленности многие элементы кузовов, внутренние и наружные детали состоят из полимерных композитов.
В сельском хозяйстве ПК применяются в каркасах различных сооружений, элементах систем полива. Из поликарбоната компонуют парники, теплицы.
Внедрение передовых технологий при производстве композитов открыло возможности их применения в медицине, радиоэлектронной промышленности, энергетике, судостроении и во многих других отраслях народного хозяйства.
Тенденция расширения внедрения полимерных композитов во все отрасли народного хозяйства основана на возможности создания и использования универсального материала с заранее заданными свойствами.
Испытания ПК на прочность
Использование полимерных композитов в высокотехнологичных отраслях предъявляет к ним повышенные требования к соответствию характеристик. Для проверки качества ПК проводятся испытания на прочность.
Механические испытания включают определение значений, получаемых при растяжении, изгибе и сжатии, климатические оценивают устойчивость к воздействию экстремальных температур, влажности и УФ-излучения.
В качестве примера рассмотрим алгоритм испытания ПК на прочность при сдвиге.
Испытания проводятся на пяти образцах в соответствии с требованиями ГОСТ Р 57860-2017.
Образец устанавливается в специальное приспособление испытательной машины, которое фиксируется на опорной площадке.
Задается скорость перемещения подвижной траверсы машины и к образцу прикладывается сжимающая нагрузка до отделения сдвигаемой части от закрепленной. Результаты скорости и нагрузки фиксируют КИП машины.
После окончания полного цикла испытаний производится обработка полученных результатов и математическим путем высчитывается прочность материала при сдвиге.
Итоги испытаний оформляются протоколом.
Для определения качества полимерных композитов разработано более 20 стандартов (ГОСТ Р 56799-2015 «Композиты полимерные. Метод определения механических характеристик при сдвиге на образцах с V-образными разрезами», ГОСТ Р 56805-2015 «Композиты полимерные. Методы определения механических характеристик при изгибе», ГОСТ Р 56812-2015 «Композиты полимерные. Метод определения механических характеристик при комбинированной сжимающей нагрузке» и др.).
