Способ определения межслойной прочности при сдвиге композиционных материалов с полимерной матрицей Российский патент 2024 года по МПК G01N3/24 

Изобретение относится к способам определения межслойной прочности при сдвиге плоских образцов армированных волокнами полимерных композиционных материалов постоянного прямоугольного сечения и может быть использовано при определении межслойной прочности при сдвиге методом испытания на растяжение композиционных материалов с одно-, двух- и полифазной полимерной матрицей.

В настоящее время достижение высоких прочностных характеристик, а также комплекса иных эксплуатационных и технологических свойств полимерных композиционных материалов осуществляется за счет разработки их новых модифицированных составов и гибридных структур, что в ряде случаев требует усовершенствования существующих или разработки новых методов испытаний по определению показателей механических свойств. Это связано с особенностями структуры разрабатываемых полимерных композиционных материалов: созданием двух- и полифазных полимерных матриц композиционных материалов, в которых используемый модификатор не вступает в химическое взаимодействие со связующим, располагается в структуре полимерной матрицы по заданным схемам и представляет собой самостоятельную фазу. Предусмотренные стандартом на проведение испытаний размеры образцов и методика выполнения испытаний не позволяют получить достоверную информацию о влиянии материалов самостоятельной фазы различной химической природы на изменение тех или иных показателей механических и деформационных свойств конструкционного материала. Одним из основных параметров, необходимых для расчета конструкций из полимерных композиционных материалов является предел прочности при межслойном сдвиге. Существующие методы определения межслойной прочности при сдвиге не позволяют получить высокую точность результатов испытаний, характеризуются сложностью применяемого оборудования, методики проведения испытаний, изготовления образцов и интерпретации результатов.

Известен способ определения кажущегося предела прочности при межслойном сдвиге (см. ГОСТ 32659-2014 Композиты полимерные. Методы испытаний. Определение кажущегося предела прочности при межслойном сдвиге методом испытания короткой балки). Сущность способа заключается в том, что образец анизотропного полимерного композиционного материала вырезают вдоль главной оси анизотропии с соблюдением размеров: 2х10х20 мм, а размеры нестандартного образца должны удовлетворять требованиям длины 10h, ширины 5h (где h - толщина образца), полученный образец свободно укладывают на две опоры и нагружают с постоянной скоростью в середине между опорами до его разрушения при межслойном сдвиге. Предел прочности, полученный при таком испытании, называют кажущимся ввиду присутствия сложного напряженного состояния.

Недостатком известного способа является сложность испытаний образцов с двух - и полифазной полимерной матрицей из-за ограниченных габаритных размеров образцов, при этом в зависимости от испытуемого материала образцы толщиной 2 мм под нагрузкой могут разрушаться при сдвиге или при сжатии, либо испытывать чрезмерный прогиб без разрушения при сдвиге; при увеличении толщины образца вероятность разрушения при сжатии под нагрузкой возрастает, а вероятность чрезмерного прогиба без разрушения уменьшается; при уменьшении толщины образца происходит обратное. Такая вариация возможного поведения испытуемых образцов под нагрузкой, а также неоднородное напряженное состояние в образце при изгибе, возникновение эффекта «сползания» с опор и другие особенности испытаний, связанные с созданием изгиба, в значительной степени усложняют процесс интерпретации полученных результатов и снижают точность и достоверность сделанных по ним выводов. Кроме этого, данный способ испытаний предусматривает приложение нагрузки строго перпендикулярно главной оси анизотропии, что не позволяет оценить изменение межслойной прочности образца при приложении нагрузки под иным углом. К недостатку данного способа также можно отнести невозможность точного определения модуля сдвига.

Таким образом, наиболее близких аналогов к заявленному техническому решению из области техники не выявлено.

Достигаемым при использовании предлагаемого изобретения техническим результатом является обеспечение возможности определения межслойной прочности при сдвиге образцов различных габаритных размеров композиционных материалов с одно-, двух- и полифазной полимерной матрицей под разным углом приложения нагрузки к оси ортотропии, а также повышение точности интерпретации результатов испытаний и определения модуля сдвига.

Технический результат достигается тем, что в способе определения межслойной прочности при сдвиге композиционных материалов с полимерной матрицей испытания осуществляются при приложении растягивающей нагрузки под углом к оси ортотропии (оси симметрии армирования) каждого слоя композиционного материала, что позволяет наряду с продольными и поперечными деформациями получить деформации сдвига, которые создают условие для оценки межслойной прочности испытуемых образцов под заданным углом.

Изготовление образцов из неортотропных композиционных материалов (например, на основе биаксиальных тканей) или ортотропных композиционных материалов при условии, что направление оси ортотропии каждого слоя находится под заданным углом к действию растягивающей нагрузки, позволяет полностью исключить волокна из передачи нагрузки и обеспечить получение сдвиговой деформации в испытуемом образце.

Измерение силовой характеристики предела прочности в стандартизированных и квазистационарных режимах растяжения позволяет получить информацию о прочностных показателях конструкционного материала и влиянии тех или иных добавок и модификаторов на их изменение. Испытание на растяжение является наиболее универсальным по сравнению с другими видами испытаний, так как оно позволяет определить механические свойства материала на всех стадиях его деформации (от упругой деформации до разрушения).

Определение межслойной прочности при сдвиге методом испытания на растяжение позволяет обеспечить однородное напряженное состояние в испытуемых плоских образцах постоянного прямоугольного сечения, а также изготавливать образцы, имеющие габаритные размеры в диапазоне величин, ограниченном краевыми эффектами в области закрепления образцов, что в свою очередь позволяет решать широкий спектр исследовательских задач, таких как исследование влияния на межслойную прочность композиционных материалов масштабного эффекта или схем расположения материалов самостоятельной фазы двух- и полифазных полимерных матриц, требующих большой площади поверхности образцов.

При реализации данного способа модуль сдвига рассчитывается на основании результатов измерения модуля Юнга и коэффициента Пуассона образцов, вырезанных под заданным углом.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом:

Из отформованного листа полимерного композиционного материала толщиной h вырезают образцы прямоугольной формы с заданным размером сторон таким образом, чтобы оси ортотропии каждого слоя композиционного материала находились под заданным углом к направлению действия растягивающей нагрузки, исключая волокна из передачи нагрузки. Образцы изготовленной серии в количестве не менее 5 шт последовательно испытывают на межслойную прочность при сдвиге методом испытания на растяжения. Испытание осуществляют с помощью машины для испытаний конструкционных материалов. Образец устанавливают и крепят в захватах, после чего создают растягивающее нагружение с заданной постоянной скоростью путем линейного перемещения активного захвата. Отслеживание и фиксация момента появления в образцах трещин, соответствующих межслойному сдвигу, осуществляют с помощью микроскопа. Пределом прочности при межслойном сдвиге является величина, равная отношению абсолютного разрывного усилия к площади поперечного сечения образца.

Предлагаемое изобретение поясняется примерами.

Пример 1

Примером реализации способа является испытание композиционного материала, армированного четырьмя слоями биаксиальной углеродной ткани 12К-1270-410 со схемой (+45/-45°) на основе двухфазной полимерной матрицы, формируемой эпоксидным связующим (марки L с отвердителем EPH 161) и силиконовым герметиком, расположенным в структуре композита в продольном действию растягивающей нагрузки направлении (под углом φ=45° к оси ортотропии композиционного материала). Формование листа углепластика осуществлялось вакуумформованием с применением препрегов холодного отверждения. Отверждение осуществилось при комнатной температуре в вакуумном мешке в течение 24 часов с постотверждением в термошкафу при температуре +80±2°С в течение 6 часов. Штучные лабораторные образцы были получены из отформованного листа фрезерованием рашпильной фрезой под углом φ=45° к оси ортотропии композиционного материала. Размер образцов составил 40х250х2,7 мм. Величина рабочей зоны образцов составила 100 мм. Скорость перемещения активного захвата была принята 2 мм/мин. Приложение растягивающего нагружения осуществилось вдоль образцов под углом φ=45° к оси ортотропии композиционного материала, что позволило исключить волокна из передачи нагрузки. По результатам испытаний установлено, что появлению межслойного сдвига соответствует усилие равное 5400 Н, а предел прочности данных типов образцов при межслоевом сдвиге составляет 58 МПа при абсолютном разрывном усилии 6260 Н.

Пример 2

Примером реализации способа является испытание по оценке влияния масштабного фактора на изменение предела прочности при межслойном сдвиге. Для проведения испытаний были изготовлены образцы углепластиков трех серий, отличающихся габаритными размерами: 1) 1,4х20х250 мм; 2) 2,7х20х250 мм: 3) 1,4х40х250 мм. Для сопоставимости результатов испытаний рабочие зоны для всех серий образцов приняты одинаковыми, равными 100 мм. Композиционный материал для получения образцов изготавливался из двух (для образцов, имеющих толщину 1,4 мм) и четырех (для образцов, имеющих толщину 2,7 мм) слоев биаксиальной углеродной ткани 12К-1270-410 со схемой (+45/-45°) на основе эпоксидной матрицы (марки L с отвердителем EPH 161). Формование листа углепластика осуществлялось вакуумформованием с применением препрегов холодного отверждения. Отверждение осуществилось при комнатной температуре в вакуумном мешке в течение 24 часов с постотверждением в термошкафу при температуре +80±2°С в течение 6 часов. Штучные лабораторные образцы были получены из отформованного листа фрезерованием рашпильной фрезой под углом φ=45° к оси ортотропии композиционного материала. Скорость перемещения активного захвата была принята 2 мм/мин. Приложение растягивающего нагружения осуществилось вдоль образцов под углом φ=45° к оси ортотропии композиционного материала, что позволило исключить волокна из передачи нагрузки. По результатам испытаний установлено, что предел прочности при межслойном сдвиге первой серии образцов составил 41 МПа, второй - 37 МПа и третьей - 51 МПа. Таким образом при заданных условиях испытаний, увеличение ширины образцов в 2 раза приводит к повышению величины межслойной прочности при сдвиге в 1,3 раза, а увеличение толщины в 2 раза, наоборот, к снижению данной величины в 1,1 раза.

Изобретение относится к способам определения межслойной прочности при сдвиге плоских образцов армированных волокнами полимерных композиционных материалов. Способ определения межслойной прочности при сдвиге композиционных материалов с полимерной матрицей состоит в том, что создаются сдвиговые деформации, которые получают приложением растягивающей нагрузки под углом к оси ортотропии каждого слоя армированного волокнами композиционного материала. Отслеживание и фиксацию момента появления в образцах трещин, соответствующих межслойному сдвигу, осуществляют с помощью микроскопа. Пределом прочности при межслойном сдвиге является величина, равная отношению абсолютного разрывного усилия к площади поперечного сечения образца. Технический результат: обеспечение возможности определения межслойной прочности при сдвиге образцов различных габаритных размеров композиционных материалов с одно-, двух- и полифазной полимерной матрицей под разным углом приложения нагрузки к оси ортотропии, повышение точности интерпретации результатов испытаний и определения модуля сдвига.

Способ определения межслойной прочности при сдвиге композиционных материалов с полимерной матрицей, заключающийся в создании в испытуемом образце постоянного прямоугольного сечения сдвиговых деформаций, которые получают приложением растягивающей нагрузки под углом к оси ортотропии каждого слоя армированного волокнами композиционного материала, при этом предел прочности при межслойном сдвиге определяют как величину, равную отношению абсолютного разрывного усилия к площади поперечного сечения образца.