ГОСТ 32667-2014 Волокно углеродное. Определение свойств при растяжении элементарной нити

Углеродное волокно (УВ) представляет собой материал из тонких нитей, основу которых составляют атомы углерода. Является полимерным композитом. Толщина нитей лежит в пределах 5-15 мкм. Наиболее известен потребителю под названиями карбон или углепластик.

Элементарные нити из углерода обладают уникальными свойствами, благодаря которым УВ широко применяется в народном хозяйстве.

Свойства углеродного волокна

При получении УВ используются полимерные соединения – вискоза, продукты переработки каменноугольной смолы и нефтяных образований (пеки), полиакрилонитрил. Сырье подвергается обработке нагревом и добавкой соединений, способствующих разложению органических веществ. В результате получают волокна с максимальным содержанием (91-99 %) чистого углерода.

Полученное волокно характеризуется рядом отличительных особенностей:

• Высокой прочностью (от 500 до 7000 МПа);
• Малым весом (удельный вес 1,70-1,80 г/см³);
• Термостойкостью (выдерживает температуру до 2000 °С);
• Высокой устойчивостью к коррозии (не взаимодействует с пресной и морской водой);
• Низким коэффициентом трения (обладает хорошей износоустойчивостью);
• Химической инертностью (не вступает в реакцию с кислотами, щелочами);
• Гибкостью (способность противостоять разрушению при воздействии значительных изгибающих моментов);
• Низким коэффициентом температурного расширения (сохраняет форму и прочностные качества при перепадах температуры).

Единая классификация УВ до сих пор не разработана, поэтому на сегодняшний день принято различать и оценивать углеродное волокно по следующим направлениям:

• по эксплуатационным характеристикам;
• по исходному сырью;
• по температуре термообработки;
• по модулю упругости.

В качестве примера рассмотрим значения физико-механических параметров УВ марки UMT (см. табл. 1).

Таблица 1

UMT – марка УВ, производимого в России заводом «Алабуга-Волокно» (входит в государственную корпорацию «Росатом»).

Свойства углеродного волокна обуславливают области его применения.

Применение углеволокна

Многие отрасли промышленности применяют УВ как один из самых перспективных материалов универсального назначения. Прочность нитей волокна сравнима с прочностью стали, а порой превосходит ее. При этом масса УВ меньше массы алюминия. На фоне высоких механических характеристик и устойчивости к химически агрессивным средам УВ стал незаменимым материалом в различных отраслях промышленности.

Авиационная. Здесь УВ используется при изготовлении корпусов летательных аппаратов, крыльев, хвостовых стабилизаторов и др. элементов.

Автомобильная. УВ применяется в тормозных накладках, шинах, дисках и др. деталях.

Электроника, энергетика. Углеволокно используется при изготовлении проводов, кабелей с высокой электропроводимостью.

Строительство. Теплоизоляцию, элементы МАФ, мостов, дорог невозможно представить без УВ.

Медицина. Изготовление имплантов, медицинского оборудования и инструментов.

Текстильная промышленность. УВ используется в производстве тканей, защитной одежды.

Из УВ изготовляются рулонные материалы, углеродные войлоки, волокнистые маты, трубы и другие изделия, находящие применение в других высокотехнологичных сферах.

Испытания углеродного волокна на растяжение

Для определения качества УВ разработано множество стандартов. Рассмотрим требования одного из них – ГОСТ 32667-2014.

Стандарт устанавливает порядок испытаний элементарной нити для определения свойств при растяжении.

Суть метода испытания заключается в приложении к нити растягивающей нагрузки до ее разрыва и определения по полученным результатам предела прочности и модуля упругости.

Для проведения испытаний используется испытательная машина , обеспечивающая постоянную скорость подвижного захвата, фиксирующая измерение приложенной нагрузки и удлинения. Дополнительно потребуются:

• рамка из бумаги, изображенная на рисунке 1 (для крепления образца);
• клей (для приклеивания образца к рамке);
• клейкая лента (для временной фиксации образца на рамке).

Рисунок 1

Испытаниям подвергаются не менее 20 образцов элементарной нити. Атмосферные условия должны соответствовать требованиям ГОСТ 12423-2013.

Проведение испытаний. В первую очередь измеряется площадь поперечного сечения нити (по ГОСТ 32666-2014) и определяется податливость системы (по Приложению А стандарта).

Затем переходят к испытанию на растяжение. Для этого образец крепят на рамке (см. рис. 2). Подготовленный таким образом образец фиксируют в захватах испытательной машины и разрезают рамку пополам, как показано на рисунке (см. рис. 3).

Рисунок 2
Рисунок 3

С включением машины к образцу прикладывается нагрузка до момента его разрыва. Одновременно КИП машины фиксируются значения нагрузки, скорость движения подвижного захвата и удлинение нити при разрыве.

После проведения испытаний полученные результаты обрабатываются (математическим путем высчитываются предел прочности и модуль упругости при растяжении).

Полученную взаимосвязь между нагрузкой и удлинением при испытании на растяжение выражают графиком (см. рис. 4) и, используя специальные математические формулы, получают значения пределов деформации элементарной нити (см. табл. 2).

Рисунок 4

Таблица 2

После проведения испытаний результаты заносятся в протокол, который должен содержать следующую информацию:

• ссылку на настоящий стандарт;
• информацию для идентификации испытываемого образца;
• площадь поперечного сечения и метод ее определения;
• тип клея;
• податливость системы;
• число испытываемых образцов;
• среднее значение предела прочности при растяжении и модуля упругости;
• использованный метод расчета модуля упругости при растяжении;
• дату проведения испытаний;
• условия окружающей среды.