ПРОЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ ЛА

Лекция № 16. Расчёт панелей из композиционных материалов

Введение. Понятие о композиционных материалах, применяемых в авиастроении.

Анализ слоистых композиционных материалов. Слои композитных материалов. Анализ многослойных композитных структур. Алгоритм расчёта.

Для повторения ранее изложенного материала в курсе дисциплины «Материаловедение и ТКМ» рекомендуется обратиться к учебнику авт. А.Ф. Белов, В.В. Николаенко «Строение и свойства авиационных материалов» Гл. 8, стр. 209 … Раздел IV Материалы специального назначения.

§ 1. Конструкционные композиционные материалы на металлической матрице

Композиционные материалы (КМ) – это объёмно-армированные различными наполнителями металлы, сплавы, полимеры. Прочность, жёсткость и другие эксплуатационные характеристики таких материалов значительно выше, чем у армируемых матриц. Работы по созданию КМ диктуются потребителями современной техники.

Алюминий, армированный стальной проволокой применяется для оболочек ракет и топливных баков. Массу топливных баков удаётся снизить до 14% при сохранении эксплуатационных характеристик. Некоторые элементы фюзеляжа военных самолётов изготовляют из алюминиевых сплавов, армированных волокнами В (бора) и проволокой из стали. Успешно внедряются алюминиевые сплавы армированные бериллиевой проволокой. Использование КМ в двигателях аппаратов вертикального взлёта и посадки (АВВП) снижает на 33% массу маршевых двигателей на 45%.

По форме наполнителя можно выделить три (группы) типа КМ:

КМ армированные частицами;

КМ армированные волокнами;

Слоистые КМ.

Для уменьшения анизотропии волокнистых КМ, слои могут располагаться под разными углами друг к другу. Возможны следующие схемы укладок 3-х чередующихся слоёв волокон: 0º±30º; 0º±45º; 0º±60º. Для 2-х чередующихся слоёв: ±45º; ±60º и т. д.

1. Композиционные материалы, армированные частицами.

Микроструктура материалов, упрочнённых частицами, состоит из матрицы и равномерно в ней распределённых упорядоченных частиц. Если размер упорядоченных частиц l ≤ 10 -5 cм , материал называется дисперсно-упрочнённым , если l ≥ 10 -4 см , то это материалы, упрочнённые частицами. Объёмная доля упрочняющей фазы в КМ первого типа может быть различной и колебаться от нескольких единиц (в дисперсно-упрочнённых КМ) до десятков процентов в КМ, упрочнённых частицами.

Получают КМ, армированные дисперсными частицами, методами порошковой металлургии.

В дисперсно-упрочнённых материалах матрица воспринимает основную нагрузку, а дисперсные частицы создают эффективное сопротивление перемещению дислокаций в объёме зерна. Чем больше это сопротивление, тем выше степень упрочнения материала.

Такие материалы обладают высокой температурной стабильностью структуры, позволяют сохранять прочностные характеристики в широком температурном интервале, вплоть до (0,7 … 0,8) t м пл. – температуры плавления матрицы.

Примеры отечественных КМ является ВДУ-1, ВДУ-2, ВДУ-3, дисперсно-упрочнённые КМ.

Матрицей КМ ВДУ-1 и ВДУ-2 является Ni , дисперсными упрочнителями – частицы оксидов Тория ThO 2 и Gf (гафния) с содержанием частиц до 5% (объёма).

Зарубежным аналогом ВДУ-1 является ТД никель, в котором Ni упрочнён мелкодисперсным ThO 2 (диоксид тория), в количестве 2 … 4%.

В ВДУ-3 матрицей служит сплав Ni + Cr (никель-хром), упрочнителем – диоксид гафния GfO 2 . Сплавы и п/ф из них готовят методами порошковой металлургии (прутки, листы). Прочность этих сплавов несколько ниже Ni сплавов, но преимущество – в жаропрочности. Сплавы ВДУ применяются при t = 1100 … 1200 ºС. Промышленное применение находят сплавы КМ на основе W (вольфрама). Вольфрам упрочняют мелкодисперсными оксидами, карбидами.

Наибольшее применение нашли ThO 2 ; TaC (карбид тантала). Оксидные упрочнители повышают теплоэрозионную стойкость сопел из спечённого вольфрама. Для увеличения пластичности в дисперсно-упрочнённый W вводят Re (рений) в количестве 3 … 5%.

Разрабатывают дисперсно-упрочнённые материалы на основе Cr , Mo и др.

Для конструкций ЛА представляет интерес КМ на основе алюминия, упрочнённого частицами Al 2 O 3 (тип САП). Получают их методами порошковой металлургии прессованием мелкодисперсного Al порошка с его последующим спеканием. Свойства САП определяются количеством в нём Al 2 O 3 .

САП-1, -2, -3. 3-й – выше свойства: σ в , σ 0,2 ; δ ↓.

Основное преимущество этих сплавов – высокопрочность при t > 300ºС, при которых сплавы Д19, Д20, АК-4-1 разупрочняются, текут.

Из них делают профили разных видов, прутки, листы, трубы. САП поддаётся аргонно-дуговой сварке, листы можно соединять клёпкой. Плакированный лист удовлетворительно сваривается контактной сваркой. Эти материалы – для авиации и космонавтики.

2. Композиционные материалы, армированные волокном.

Сегодня наука многое знает о строении материалов и их свойствах, знает «привычки» и «вкусы» различных материалов, и это позволяет улучшать известные и создавать новые материалы не вслепую, не наудачу, а целенаправленно. Наглядно это можно продемонстрировать на том, как создают композиты .

Материаловедение

Материаловедение изучает общие закономерности создания материалов, устанавливает связи между строением, составом и свойствами материалов. Используя эти закономерности и связи, разработчики новых материалов намечают области поиска и движутся к своей цели осознанно, не блуждая в потемках, как Палисси, создавая французский фарфор, (подробнее: ). Пути, ведущие к цели, сегодня уже достаточно хорошо освещены, на некоторых из них установлены мощные прожекторы, на других повешены маленькие фонарики. По ярко освещенным дорогам можно двигаться быстро, по слабо освещенным - медленнее, преодолевая бугры и пробираясь сквозь заросли, но направление выдерживать можно достаточно четко. Вот по таким дорогам и движутся сегодня отряды материаловедов. А кто-то открывает новые пути, и им необходима интуиция Палисси. Как же сегодня создаются композиты. Это неверное утверждение, что метод проб и ошибок уже не используется вообще. Используется. Но сравнительно мало.

Армированные композиты

Армированным композитам повезло больше, чем другим материалам. К тому времени, когда созрела мысль о необходимости их разработки, уже существовала теория анизотропных сред, которая позволяла предсказывать заранее свойства композитов по известным свойствам компонентов. Если древние металлурги, добавляя в расплавленное железо вещество, не знали, как оно повлияет на свойства стали, (подробнее: ) то создатели армированных композитов четко знают, что они должны получить, вводя определенный вид волокон в определенную матрицу. И могут предсказать свойства будущего материала не только качественно, но и количественно. Потому что они опираются на прочный теоретический фундамент.

Теория и практика

Это не означает, что на практике всегда получается то, что предсказывает теория. К сожалению, полное согласие теории с практикой наблюдается далеко не всегда. Теория, как правило, строится для каких-то определенных моделей, которые отражают главные особенности реальных композитов. Главные, но не все. Все она просто не может учесть, потому что их очень много, и попытка учесть все приводит к такому усложнению, что пользоваться такой теорией просто невозможно. Поэтому каждая теория справедлива в тех рамках, которые оговорены при ее построении. А реальные материалы об этих рамках ничего не знают. И если их поведение в эти рамки не укладывается, то нужно винить не теорию, а тех, кто ее применяет там, где применять нельзя. Но для большей части армированных композитов теория армированных сред позволяет достаточно надежно оценивать свойства, которые могут быть достигнуты, то есть дает ориентир, к которому следует стремиться. Эта теория в общем виде довольно сложна, и чтобы ее понять, нужно знать специальные разделы высшей математики. Мы не будем их касаться, а чтобы все-таки получить представление о том, как можно заранее прогнозировать свойства композитов, рассмотрим простейший пример, для понимания которого вполне достаточно знаний среднего пятиклассника.

Пример создания композита

Требуется создать композит на основе алюминия с прочностью 1000 МПа и модулем Юнга 200 ГПа. Достаточно иметь эту прочность только в одном направлении, в остальных допустима прочность на уровне алюминия. Плотность композита не должна превышать плотности алюминиевых сплавов.
Алюминий как основа создания композита. Если задачу перефразировать, получится следующее: требуется создать материал на основе алюминия, обладающий прочностью и жесткостью хорошей легированной стали и сохраняющий при этом весовые характеристики алюминия . Традиционными металлургическими методами (легированием, термической обработкой, пластической деформацией) это сделать невозможно. Прочность чистого алюминия составляет 120-150 МПа, алюминиевых сплавов - до 500-700 МПа. Большего добиться не удается. Модуль Юнга алюминия и его сплавов примерно 70 ГПа, причем легирование, термообработка и пластическая деформация практически не влияют на его величину. А нам нужно увеличить его почти втрое. Алюминий относится к числу легких металлов (плотность 2700 кг/м 3), и если осуществлять легирование более тяжелыми элементами, чем сам алюминий, это приведет к увеличению плотности и не позволит выполнить поставленные требования.

Рассуждения материаловеда-композитчика

Проследим за ходом рассуждений материаловеда-композитчика . Для него ясно, что задача должна решаться путем создания композиционного материала. Поскольку требуется обеспечить прочность только в одном направлении, нужно создавать армированный материал, в котором армирующие волокна уложены параллельно друг другу. Вдоль их оси и будет обеспечена максимальная прочность и жесткость. Вопрос в том, какие волокна использовать и сколько их ввести? Ясно, что в качестве арматуры нужны волокна с максимальными значениями прочности и жесткости . Но только этими показателями ограничиваться нельзя. Например, вольфрамовые волокна, хотя и обладают высокими механическими характеристиками, имеют большую плотность, и, используя их в качестве арматуры, мы заведомо не сможем выполнить требование, касающееся плотности разрабатываемого композита. По той же причине следует отказаться от применения стальных проволок и волокон карбида кремния. Нитевидные кристаллы, (подробнее: ) могли бы помочь решить задачу, но, как мы уже знаем, их использование связано с большими технологическими трудностями и крупными материальными затратами. Пожалуй, наиболее целесообразно попробовать волокна бора и углерода . Их применение не увеличит плотность композита по сравнению с алюминием (углеродные волокна даже уменьшат ее), а модуль упругости и прочность должны повыситься. Необходимо подсчитаем, сколько волокон нужно ввести, чтобы обеспечить заданные механические характеристики. Сколько - это значит не сколько штук, а сколько процентов по объему должны занимать в композите волокна.

Правило смесей

Расчет здесь простой. Нужно применить правило аддитивности, т.е. воспользоваться правилом смесей . Раньше в четвертом-пятом классах решали задачи такого типа: килограмм карамелек стоит 1 рубль, а килограмм ирисок - 3 рубля. Сколько будет стоить килограмм смеси, составленной из двух килограммов карамелек и четырех килограммов ирисок? Казалось бы, кому нужно знать стоимость килограмма этой злосчастной смеси, ведь ни одного нормального покупателя такой вопрос совершенно не волнует. Но оказалось, задачи о смесях на самом деле - очень нужная штука. Их нередко используют в разных технических расчетах и в частности при оценочных расчетах некоторых свойств композитов. Например, прочность и жесткость композиционного материала в направлении армирования можно рассчитать точно так же, как стоимость одного килограмма смеси. Композит в первом приближении можно рассматривать как смесь матрицы и волокон. (Это можно сделать далеко не всегда, но в данном случае для оценочных расчетов - можно.) Цена одного килограмма смеси определяется по простой формуле: Ц = Ц 1 N 1 + Ц 2 N 2 . В этой формуле Ц 1 Ц 2 и Ц - цены карамелек, ирисок и смеси соответственно; N 1 - доля карамелек в смеси, N 2 - доля ирисок в смеси. При этом в сумме N 1 + N 2 = 1. В смеси, состоящей из 2кг карамелек и 4кг ирисок, доля карамелек N 1 = 2/(2+4) = 1/3, а доля ирисок N 2 = 4/(2+4) = 2/3. В соответствии с приведенной формулой цена 1кг смеси из карамелек и ирисок составит: Ц = 1(руб/кг) 1/3 + 3(руб/кг) 2/3 = 2 1/3 (руб/кг).

Модуль Юнга для композита

По аналогичной формуле можно рассчитать модуль Юнга для композита в направлении укладки волокон: Е = E M V M +E B V B . Здесь E M , E B , Е - модули Юнга матрицы, (подробнее: ), волокон и композита соответственно; V M , V B - объемные доли матрицы и волокон в композите.
Бронепластина как яркий пример применения композита. С учетом того, что V M + V B = 1, это выражение можно записать в виде: Е = E M (1-V B) + E B V B . Последней формулой воспользуемся для решения поставленной задачи. Нам нужно получить композит с модулем Юнга Е = 200 ГПа. Модуль Юнга алюминиевой матрицы E M = 70 ГПа, средний модуль Юнга борных волокон E B = 400 ГПа, а углеродных волокон E B = 350 ГПа. Следовательно, для композита, армированного борными волокнами, формула примет вид: 200=70 (1-V B) + 400 V B . Решая это уравнение относительно V B , получим: V B = 0,39 = 39 % (по объему). Для композита алюминий - углеродные волокна - 200 = 70(1-V B) + 350V B , откуда V B = 0,46 = 46 % (по объему). Таким образом, чтобы выполнить требование по жесткости, необходимо ввести в алюминий либо 39 % (по объему) борных волокон, либо 46 % (по объему) углеродных волокон. Прочность композита тоже может быть рассчитана по правилу смесей. Если волокна менее пластичны, чем матрица (а у нас как раз такой случай), то прочность армированного материала в направлении укладки волокон приближенно оценивается формулой: (Ϭ B) к = (Ϭ B) в V B + Ϭ М (1-V B) Здесь (Ϭ B) к и (Ϭ B) в - пределы прочности композита и волокон; Ϭ М - величина, близкая к пределу текучести матрицы; V B - объемная доля волокон. Нам нужно получить (Ϭ B) к = 1000 МПа. Борные волокна в среднем имеют (Ϭ B) в = 3250 МПа, а углеродные - (Ϭ B) в = 2500 МПа, предел текучести алюминия примерно 30 МПа. Таким образом, для алюминия, армированного борными волокнами, получаем 1000 = 3250 V B + 30(1 - V B), а для углеалюминия - 1000 = 2500 V B + 30(1 - V B). Решение этих уравнений дает для бороалюминия V B = 0,3 = 30 % (по объему), а для углеалюминия V B = 0,39 = 39 % (по объему). Из полученных результатов видно, что задача решается либо созданием бороалюминия, содержащего 39 % (по объему), либо - углеалюминия, армированного 46% (по объему) углеродных волокон. Композиты такого состава будут иметь требуемую жесткость, прочность их будет выше заданной (это не очень выгодно с экономической точки зрения, но делать материалы менее прочными мы не имеем права, поскольку при уменьшении прочности за счет уменьшения концентрации волокон снижается и модуль Юнга). Плотность полученных композитов также можно рассчитать по правилу смесей: ɣ = ɣ B V B + ɣ М (1 - ɣ B). Здесь ɣ, ɣ B , ɣ М - плотности композита, волокон и матрицы; V B - объемная доля волокон. Взяв значения плотностей борных и углеродных волокон (2630 кг/м 3 и 1700 кг/м 3) и зная, что ɣ М = 2700 кг/м 3 , легко подсчитать, что плотность композита алюминий - 39 % (по объему) борных волокон составляет 2670 кг/м 3 , а композита алюминий - 46 % (по объему) углеродных волокон - 2240 кг/м 3 . Следовательно, требование по плотности выполнено тоже. Дальше следует решить, на каком из двух выбранных композитов остановиться. Это определяется целым комплексом условий - технологических, конструкционных, экономических. В одних случаях более предпочтительным может оказаться бороалюминий, в других - углеалюминий. Поскольку дополнительная информация не оговаривается, на этом можно остановиться, считая задачу, о том как создаются композиты, выполненной.

В современной промышленности вряд ли найдется такая отрасль, где не использовались бы те или иные композиционные материалы (КМ). Для материаловедения весьма актуальной является задача получения КМ с требуемым комплексом свойств. Решение данной задачи в значительной степени связано с изучением процессов самоорганизации, устойчивости и распада различных неравновесных полиструктурных систем, к которым с полным основанием могут быть отнесены КМ. Главным признаком композитов является способность образовывать в процессе формирования специфические структуры из частиц наполнителя и матрицы. В результате новый составной материал приобретает неаддитивные, иногда уникальные свойства, не присущие составляющим КМ в отдельности. К таким структурам, прежде всего, могут быть отнесены кластерные, решеточные и каркасные.

Из всех физико-механических показателей КМ прочность является одной из наиболее сложнопрогнозируемых величин. Она непосредственно определяется вероятностными процессами возникновения и развития структурных повреждений в нагруженных композитах. Природа экстремального изменения прочности при повышении содержания наполнителя в КМ интересна и мало изучена. Тем не менее, характер ее изменения находит вполне ясное описание в довольно простых математических моделях дисперсно-наполненных композитов, предлагаемых А.Н. Бобрышевым, В.Т. Ерофеевым, В.Н. Козомазовым .

Физико-механический показатель прочности КМ с дисперсным наполнителем непосредственно зависит от процентного соотношения объема матрицы и наполнителя. С повышением содержания наполнителя в КМ развиваются два одновременных альтернативных процесса в большей мере обусловленных возникновением границы раздела между фазами в композите и поэтому обязанных проявлению комплексных свойств, не присущих компонентам в отдельности.

С одной стороны, протекает процесс упрочнения композита за счет введения в матрицу дисперсных частиц. Такое упрочнение преимущественно осуществляется в результате близкодействующего взаимодействия отдельных частиц наполнителя, способствующего переводу матричного материала в контактном пространстве между частицами наполнителя из его объемного состояния в пленочное с более высокой прочностью и структурированностью.

С другой стороны, в композите проявляется процесс разупрочнения, развивающийся с повышением содержания наполнителя. Прежде всего, источником дефектов является поверхность раздела фаз. Кроме того, с повышением содержания наполнителя в КМ проявляется пустотность, вызванная дефицитом связующего материала.

2. Расчет количества армирующего материала и связующего

Для определения общей площади ткани, необходимо найти расход ткани, используемой, при армировании со структурой .

Расчет количества армирующего материала (ткани) производим, используя данные из схемы раскроя и данные таблицы 1.

Имеем общую длину ткани, учитывая ее ширину, можем посчитать затраченную площадь ткани:

S затр = 22.42 м 2

Рассчитаем потребную площадь, то есть площадь панели, учитывая количество слоев ткани, необходимой для укладки:

S потр = 27.14 м 2

Теперь, зная потребную и затраченную площади тканей, можно определить коэффициент использования материала (КИМ):

Рассчитаем массу АМ, воспользовавшись формулой:

m= с·S пот р

где с - поверхностная плотность ткани Т-13-76;

S потр - потребная площадь ткани.

m= 0,32·22,42 = 7.174 кг.

Определим количество связующего, необходимое для пропитки ткани по формуле:

где - масса необходимого для пропитки связующего, кг;

Масса пропитываемого армирующего материала, кг;

Процентное содержание связующего в КМ, K c = 57%;

Коэффициент технологических потерь, .

Рассчитаем массу каждого компонента связующего по формуле:

где - масса искомого компонента связующего, кг;

Масса необходимого для пропитки связующего, кг;

Удельное массовое содержание искомого компонента в рецептуре связующего, масс. ч.

Используя рецептуру связующего L-285, запишем:

смола L-285 - 100 масс. ч.;

отвердитель H-285 - 40 масс. ч.;

замедлитель полимеризации NLC-10 - 0.5%;

Замедлитель полимеризации применяется, чтобы продлить время, в течение которого связующее сохраняет допустимое для выкладки значение вязкости (чтобы предотвратить преждевременно начало полимеризации). Масса смолы L-285:

Масса отвердителя H-285:

Масса замедлителя полимеризации NLC-10:

Перед применением армирующего материала необходимо производить входной контроль. Проверке качества армирующего материала по порокам внешнего вида, соответствия геометрическим размерам...

Лонжерон крыла из КМ самолета РСМ-25 "Robust"

Лонжерон крыла из КМ самолета РСМ-25 "Robust"

Для нахождения потребного количества стеклоленты ЛСК-ВМ-0.1Ч35-76 и стеклоткани Т-10-14 воспользовался схемой раскроя. S??д= Sд.ткани+ Sд.ленты=4,617+2,395=7,012м2 S??п= Sп.ткани+ Sп.ленты=4,309+2,053=6...

Лонжерон крыла из КМ самолета РСМ-25 "Robust"

Считаю, что подкос будет изготавливаться в ручную намоткой, так как изготовление фильеры очень дорогое мероприятие по сравнению с ручным формообразованием. Масса AM, необходимая для изготовления одного стержня рассчитывается по формуле: ,(2...

Стеклопластики являются одним из наиболее применяемых композиционных материалов. В 1979 г. в США было произведено более 900 тыс. т материалов данного типа...

Получение вольфрамовой нити путем порошковой металлургии

Объем армирующего элемента определяем по формуле: выражение, устанавливающие связь между прочностными и упругими характеристиками однонаправленного КМ через долю волокна в случае поперечного растяжения материала;...

Проектирование конструкции лонжерона крыла с подкосом самолета RWD-13

Расчет количества стеклоткани Т-14 производим, используя данные из таблицы 2.1. Схема раскроя ткани Т-14 приведена на рисунке 2.1 Рис.2.1 - Схема раскроя ткани Т-14 Следовательно...

Разработка технологического процесса изготовления створки шасси для самолета АН-158

Определим количество связующего, необходимое для пропитки ткани по формуле : , где- масса, необходимого для пропитки связующего, кг; - масса пропитываемого армирующего материала...

Расчет количества армирующего материала производим используя схему раскроя и приложения программы КОМПАС-3D V8 Plus+. Расчет количества связующего был рассчитан в программе Mathcad 13, результаты расчета оформлены ниже...

Технология производства изделий из композиционных материалов

Расчет количества армирующего материала производим, используя схему раскроя рис.1 Рис.1 Схема раскроя УТ-900-2,5А+ЭДТ-69Н Посчитаем затраченную площадь ткани: Рассчитаем потребную площадь (площадь накладки), учитывая количество слоев ткани...

Технология производства изделий из композиционных материалов

Подготовка армирующего материала включает в себя несколько технологических операций: входной контроль АМ, расшлихтовку, аппретирование...

Подготовка армирующего материала включает в себя несколько технологических операций: входной контроль АМ, аппретирование...

Технология производства композиционных материалов

Перед выкладкой панели необходимо произвести раскрой армирующего материала и материала рифтов. Данная операция проводится на специальных раскройных столах с использованием ножа. ножниц, линейки...

Технология производства композиционных материалов

Для определения общей площади ткани, необходимо найти расход ткани, используемой, при армировании со структурой . Расчет количества армирующего материала (ткани) производим, используя данные из схемы раскроя и данные таблицы 1...

Тема: Композиционные материалы на основе термореактивных связующих

и ориентированных армирующих наполнителей

Термин «композиционные материалы» появился в то время, когда потребовалось наиболее емкое название нового класса материалов, состоящих из армирующего компонента и связующего. Современные композиционные материалы не только имеют широкий спектр физико-механических свойств, но и способны к направленному их изменению, например повышению вязкости разрушения, регулированию жесткости, прочности и т. д.

Особенность волокнистой композиционной структуры заключается в равномерном распределении высокопрочных, высокомодульных волокон в пластичной матрице. Материалы с волокнистыми наполнителями подразделяются на пластики с короткими волокнами, в том числе штапельными, рублеными нитями или жгутами и с непрерывными элементарными волокнами, жгутами, прядями, нитями, лентами. У слоистых материалов матрица армирована последовательно чередующимися слоями наполнителя.

Наполнители влияют на самые разнообразные свойства полимерных композиционных материалов и определяют возможные способы переработки полимерных композиционных материалов в изделия. Характер и степень влияния наполнителя на свойства полимерных композиционных материалов зависят от природы, структуры, содержания наполнителя в полимерных композиционных материалов, формы, размера, взаимного расположения частиц или волокон, их пространственной ориентации, прочности сцепления со связующим .

Характерным размером волокон наполнителя является диаметр, для элемента слоистой структуры – толщина слоя; характерным размером связующегоявляется толщина прослойки.

Как известно, пространственная ориентация для изометрических частиц не имеет значения, а для анизометрических – имеет важное значение , т. к. от ориентации зависят свойства полученного композиционного материала.

Наполнение полимеров позволяет практически неограниченно направленно регулировать технологические и эксплуатационные свойства материалов. Свойства наполненных полимерных материалов конструкционного назначения, способы их получения и переработки в изделия в значительной мере определяются природой полимерной матрицы и наполнителя, их объемным соотношением, характером взаимного распределения и взаимодействием на границе раздела.

При изготовлении изделий из композиционных материалов предварительно определяются технологические свойства полимерных связующих: вязкость, время гелеобразования.

Определение времени гелеобразования является одним из важных параметров – оно характеризует продолжительность хранения пропитанного материала (препрега ) и температуры переработки материала в изделия. Общая продолжительность процесса получения композиционного материала от момента получения замеса связующего не должна превышать утроенного времени гелеобразования при комнатной температуре.

Данные лабораторные работы направлены на обучение студентов методам контроля качества получаемых композиционных материалов и исследованию структуры полученных материалов, что в конечном счете определяет свойства материала при его эксплуатации.

Задание № 1. Определение количества компонентов и изготовление пластин композиционного материала

Цель работы : на основе заданных компонентов изготовить композиционный материал с заданной структурой и соотношением компонентов.

I . ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №1

Один из основных компонентов армированных пластиков – связующее – представляет собой полимер с различными добавками. Связующим пропитывается армирующий волокнистый наполнитель. После отверждения связующее склеивает между собой волокна или слои наполнителя, обеспечивая их совместную работу в пластике.

Для получения армированных пластиков широко применяются связующие на основе полиэфирных, эпоксидных и модифицированных фенолоформальдегидных смол. В качестве наполнителей применяются ориентированные материалы: ленты, ткани, нити, ровинги .

Процесс изготовления пластин композиционного материала состоит из последовательных стадий:

– определение типа связующего и наполнителя;

– расчет соотношения компонентов композиционного материала;

– изготовление связующего – смешивание компонентов в заданных пропорциях;

– разрезка наполнителя на заготовки в соответствии с размерами формы;

– нанесение связующего на слои наполнителя и последовательное соединение пропитанных слоев;

– укладка набранного пакета между плитами пресса и отверждение в соответствии с заданными режимами.

1. Расчет массы компонентов в композиционном материале

Ход работы . Первоначально определяют необходимый объем V КМ (м 3) пластины композиционного материала.

где l , b , h – длина, ширина, толщина пластины композиционного материала. Толщину выбирают в зависимости от стандарта на испытания композиционного материала (h = 2–8 мм).

Зная объем материала, определяют его массу m КМ, кг

где ρ КМ – плотность композиционного материала, кг/м 3 .

Плотность материала ρ КМ (кг/ 3) определяют осреднением, зная соотношение компонентов (задано преподавателем).

где ρ а – плотность арматуры, кг/м 3 ; ρ с – плотность связующего, кг/м 3 (определяется по правилу смеси); P а , P с – объемное содержание арматуры и связующего в композиционном материале соответственно, доли ед.

Степень наполнения для технологического процесса задается в массовых долях, а для расчетов – в объемных долях. Связь между массовым С и объемным Р содержанием компонентов выражается соотношениями:

Предполагают, что пористость отсутствует, т. е. равна нулю.

Массу компонентов (г) для изготовления пластины композиционного материала определяют из их массового соотношения:

где m а, m с – масса наполнителя и связующего соответственно, кг; C а, C с – массовое содержание наполнителя и связующего соответственно; доли ед.

где m а - масса арматуры, г; – масса одного слоя арматуры, г, определяется расчетным путем или взвешиванием; γ а – поверхностная плотность слоя армирующего материала, г/м 2 .

Полученное значение N а округляют до целого (ближайшего большего).

Пересчитывают массу связующего для поддержания заданной степени наполнения.

После расчета учитывают технологические отходы, например остатки связующего на инструменте, для чего количество связующего увеличивают примерно на 20%.

Аналогично проводят расчет компонентов для всех видов композиционных материалов. По результатам расчетов заполняют технологическую карту получения композиционного материала табл. 1).

2. Изготовление пластины композиционного материала

Оборудование и материалы : компоненты для приготовления связующего (по заданию преподавателя), тканый наполнитель, ножницы, весы, жесткие пластины для укладки слоев, муфельная печь.

Ход работы . Из компонентов изготавливают плиту композиционного материала с размерами 250× 250 мм методом послойной укладки.

Разрезанный наполнитель послойно пропитывают полученным связующим, тщательно прокатывают роликом для удаления воздушных пузырей и укладывают на пластину, смазанную антиадгезивом или покрытую слоем масляной бумаги.

Связующее равномерно распределяют по поверхности наполнителя, не допуская его отжима. После набора необходимого пакета из пропитанных слоев сверху укладывают жесткую пластину и, при необходимости, грузы. Отверждение проводят по режимам, как для отверждения соответствующего типа связующего (приложение 1).

Таблица 1. Технологическая карта на изготовление композиционного материала

Материал	Изделие, образец, заготовка				Кол-во, масса, г
	Размеры, мм			Объем, см 3

Компоненты	Норматив	Состояние,		Кол-во, г
Наполнитель
Связующее

Задание № 2. Определение соотношения компонентов в полученном материале

Цель работы : научиться определять соотношение компонентов в материале методом выжигания и гравиметрическим методами.

I . ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №2

Одним из основных показателей структуры композиционного материала, который влияет на свойства полученного изделия, является соотношение компонентов. Массовое содержание компонентов в композиционных материалах на основе термореактивного связующего определяется методами выжигания, растворения или гравиметрическим методом.

Метод растворения основан на удалении из образца композиционного материала связующего под воздействием растворителя, а метод выжигания – под воздействием повышенных температур (для высокотемпературостойких наполнителей). Расчеты по данным методам предполагают отсутствие пор в исходном материале. Если материал пористый, то необходимо проводить расчеты с учетом этого параметра. Наиболее быстрым и неразрушающим методом контроля степени наполнения является гравиметрический .

II . ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

1. Определение соотношения компонентов по методу выжигания

Оборудование и материалы : образцы композиционного материала, весы с точностью до 0,001 г, муфельная печь, эксикатор, тигли.

Ход работы . Готовят не менее трех образцов композиционного материала любой формы и размеров. Масса образца не должна превышать 5 г.

Тигли прокаливают в муфельной печи при температуре 650± 5° С в течение 20 мин и охлаждают в эксикаторе.

Образцы композиционного материала взвешивают на электронных весах с точностью до 0,001 г и помещают в предварительно взвешенные с такой же точностью тигли. Тигли с материалом переносят в муфельную печь при температуре 650± 5° С на 15–20 мин, чтобы выжечь связующее. Затем тигли помещают в эксикатор и охлаждают до комнатной температуры, после чего взвешивают с той же точностью.

Массовые доли наполнителя и связующего в процентах определяют из соотношений:

где m а – масса остатка после прокаливания, г; m км – исходная масса образца композиционного материала, г.

Для определения объемного содержания арматуры Р а необходимо знать плотность композиционного материала и арматуры

где ρ КМ , ρ а – плотности композиционного материала и арматуры соответственно, г/см 3 .

Приведенные расчеты предполагают отсутствие пор в исходном материале. Если материал пористый, то необходимо проводить расчеты с учетом пористости. Если известна плотность матрицы, то можно определить объемное содержание пор P p

где ρ км , ρ а , ρ с

За результат принимают среднее арифметическое значение всех экспериментов. По результатам эксперимента заполняют протокол. Сравнивают полученное значение степени наполнения с заданной изначально, делают вывод.

2. Определение содержания компонентов гравиметрическим методом

Оборудование и материалы : образцы композиционного материала, весы с точностью до 0,001 г.

Ход работы . Берут образцы композиционного материала любой формы и размеров. Определяют плотность композита по одной из стандартных методик: гидростатическим взвешиванием или методом прямого обмера и взвешивания. Плотности исходных компонентов берут из справочника или определяют экспериментально.

Объемное содержание арматуры рассчитывают по соотношению

где ρ КМ , ρ а , ρ с – плотности композиционного материала, арматуры и связующего соответственно, г/см 3 .

Гравиметрический метод является точным только в случае полного отсутствия в композите пустот.

За результат принимают среднее арифметическое не менее трех результатов эксперимента. Сравнивают полученное значение степени наполнения с заданной изначально, делают вывод.

Сравнивают результаты определения соотношения компонентов по предлагаемым методикам и делают вывод.

Форма отчета по заданию №2

По результатам эксперимента заполняют протокол.

ПРОТОКОЛ № ____ от _____________

Определения содержания компонентов в композиционном материале.

1. АППАРАТУРА: (применяемое оборудование и приборы, тип, марка, основные характеристики)

2. МАТЕРИАЛ: (тип, марка или состав связующего, ГОСТ, дата изготовления)

3. ОБРАЗЦЫ: (тип, размеры, количество, метод изготовления)

4. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЯ: (температура)

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ:

5.1. Метод выжигания

Материал	№ образца	m т , г	m км , г	m а , г	C a	P a	C c	P c	P p
Коэффициент вариации, %

Испытания провел:

5.2. Гравиметрический метод

Материал	№ образца	ρ км , г/см 3	ρ а , г/см 3	ρ с , г/см 3
Среднее арифметическое значение
Среднее квадратическое отклонение
Коэффициент вариации, %

Испытания провел:

Литература

1. Любин, Дж. Справочник по композиционным материалам: в 2 т. / под ред. Дж. Любина . – М.: Машиностроение, 1989. – 2 т.

Задание № 3. Изучение структуры композиционного материала на основе термореактивного связующего и армирующего наполнителя

Цель работы : изучить структуру композиционного материала на основе термореактивного связующего и армирующего наполнителя.

I . ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №3

Качество композиционного материала описывают расположением наполнителя, отклонением слоев от заданной ориентации и толщиной прослойки связующего.

II . ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

Оборудование и материалы : пластины композиционного материала, изготовленного в задании № 1 данной работы.

Ход работы. Изучают, описывают и зарисовывают структуру полученного материала по следующим параметрам:

– наличие непропитанных участков;

– наличие областей с избытком связующего ;

– наличие пузырей и раковин;

– искривление волокон наполнителя;

– отклонение от прямолинейности волокон;

– толщина прослоек связующего .

Для непропитанных участков, областей с избытком связующего, пузырей и раковин определяют их суммарную площадь и отношение к общей площади поверхности материала. Материал считается качественным, если дефекты составляют не более 5% от общей площади поверхности материала.

При определении толщин прослоек проводят исследование торцевых поверхностей под микроскопом. Толщина прослоек и распределение наполнителя должны быть равномерными, без искривлений.

Результаты исследования заносят в табл. 2 и делают вывод о качестве полученного материала.

Таблица 2

Соотношение компонентов				ρ км , кг/м 3	Пористость, %	Средний угол отклонения от осевой линии, град	Толщина прослоек связующего, мм
Теоретич .		Эксперимент.
С а	С с

Литература

1. Композиционные материалы: справочник / под ред. В. В. Васильева. – М.: Машиностроение, 1990. – 510 с.

2. Композиционные материалы: справочник / под ред. Д. М. Карпиноса . – Киев: Наукова думка, 1985. – 591 с.