Образец композиционного материала с полимерной матрицей для испытания на растяжение при нормальной и повышенной температурах Советский патент 1992 года по МПК G01N3/08 

Изобретение относится к механическим испытаниям материалов и может быть использовано при создании новых композитных материалов (КМ) и изучении эксплуатационных свойств этих материалов при растяжении при нормальной или повышенной температурах.

Из большого разнообразия образцов, используемых в настоящее время для определения прочности КМ при растяжении, следует выделить получившие наибольшее распространение, а именно: двусторонние лопатки, образцы-полоски, образцы-полоски с накладками.

Использование двусторонних лопаток хорошо зарекомендовавших себя при испытании изотропных материалов, натолкнулось на ряд трудностей, связанных с особенностью строения армированных пластиков, а именно: склонность к скалыванию и продольному расслоению.

Стремление к унификации форм образцов, простоте их изготовления привело к широкому внедрению образцов наиболее простой формы - полосок Такие оЬразцы обеспечивают наиболее стабильные изме рения, однако они тоже не недостатков. Главный из них i рядность обеспечения надежного креп io ич г испыXI

01 CD

5

о

тательной машине. Для повышения надежности крепления и улучшения передачи растягивающих усилий применяют приклеенные к образцу накладки.

Наиболее полно вышеупомянутым требованиям, предъявляемым к образцам, отвечает образец в виде полосы прямоугольного сечения с закрепленными на концах накладками. Накладки закреплены на поверхности образца с помощью клея.

Известен также образец со скошенной формой торца накладки, обращенного к рабочей части образца. Анализ распределения напряжений в образце методом конечных элементов показал, что на величину экстремальных напряжений и длину зоны краевого эффекта существенно влияет форма торца накладки.

Кроме того, при испытаниях образцов - полосок при повышенной температуре возникают дополнительные трудности, связанные с низкой термостойкостью клеевого слоя. Проблема термостойкости клеевого слоя решается в образце КМ в виде прямоугольной пластины и соединенных с ее захватными частями накладок, содержащих ту же полимерную матрицу, что и у рабочей части образца, и выполненных заодно с образцом. Анализ распределения напряжений в образце такой формы показывает, что значения экстремальных напряжений в зоне краевого эффекта и длина этой зоны для КМ с высокой анизотропией свойств недопустимо веники. Технологически неосуществимым оказошается изютовление фаски. Более того, возникают дополнительные концентраторы напряжений, а именно, натеки связующего в зоне опасного сечения 5.

Цель изобретения - повышение точности измерений при испытании образца путем уменьшения влияния концентрации напряжений, возникающих з местах контактирования пластины с кромками накладок. Предлагаемый образец КМ с полимерной матрицей для испытания на растяжение при нормальной и повышенной температурах содержит рабочую часть в виде прямоугольной пластины, захватные части и скрепленные с захватными частями посредством слоя связующего накладки из материала пластины для прилохчения растягивающего усилия, причем слой связующего между захватной частью и накладкой выполнен толщиной не больше минимального расстояния между слоями матрицы и размещен на расстоянии не меньше 4h от кромки накладки, где h - толщина рабочей части.

На фиг.1 показана конструкция образца-прототипа. Образец состоит из рабочей части 1, захватных частей 2 и накладок 3, скрепленных с захватными частями 2 по- средством слоя связующего 4. На границах рабочей части 1 и захватных частей 2 в местах крепления накладок 3 образуется зона опасного сечения 5.

На фиг.2 показана конструкция предла- 0 гаемого образца. Образец состоит из рабочей части 1, захватных частей 2 и накладок 3, скрепленных с захватными частями 2 посредством слоя связующего 4. В зоне опасного сечения 5 создается зона непроклея 6 5 длиной не менее 4h, где h - толщина образца. Толщина слоя связующего 4 не должна превышать минимального расстояния между слоями матрицы.

Образец изготавливается следующим 0 образом.

Испытуемый углепластик представляет композитный материал КМУ4Э-0.08, армированный углеродными волокнами ЭЛУР- 0,08. В качестве матрицы используется 5 эпоксифенольное связующее ЭНФБ. Углепластик выкладывается по однонаправленной схеме накладки имеют армирование ( ±45и). За основное направление принимается направление при- 0 ложения нагрузки. Изготовление испытываемого материала, накладок и их склеивание производится за один технологический переход по стандартной технологии изготовления углепластика 5 КМУ-4Э 0,08 методом автоклавного формования. Для получения необходимой формы накладок (соблюдение геометрических размеров) выкладку препрегов производят в специальную пресс-форму. Непроклей в за- 0 являемой конструкции создается за счет того, что в плоскость между углепластиком и накладками на длину 6 мм (отсчет ведется от рабочей зоны) прокладывается антиадгези- оньал фторопластовая пленка марки 4МБ-А 5 толщиной 5 мкм. Выбранная толщина пленки, определяющая толщину непроклея, для данного материала на 3 мкм меньше минимальной межслойной толщины матрицы.

Были проведены сравнительные испы- 0 тания на образцах по прототипу и на заявляемых образцах. Изготавливались две пластины: первая по конструкции соответствовала образцу-прототипу, вторая - заявляемой конструкции. Для обеих пластин 5 использовались идентичные препреги. Для исключения влияния побочных факторов формования производилось в одном технологическом пакете за один и тот же технологический переход. После формования плиты разрезались на образцы специальным алмазным инструментом без применения СОЖ. Геометрические размеры образцов отвечали требованиям ГОСТ 25.601-80: толщина углепластика 1,2 ±0,02 мм, толщина накладок 2,4 ±0,5 мм, их длина - 90 мм.

Испытания образцов проводили на универсальной разрывной машине фирмы Ин- строн (модель 1185) с применением самозатягивающихся захватов. Скорость перемещения подвижной траверсы мм/мин.

Характер разрушения образцов подтверждает, что в случае образца-прототипа разрушение происходит в зоне влияния концентраций напряжений, т.е. вблизи накладок, а в предлагаемом образце - в цент- ральной части, следовательно, концентаторы напряжений вблизи наклад- ки не оказывают влияния или отсутствуют. Анализ результатов испытаний показал что предлагаемый образец в большей степени реализует прочность исследуемого материала (средние значения прочности, опреде- ленные с помощью заявленного образца, на 20% выше прочности,определенной на образцах прототипа) при повышении точности измерения.

Таким образом, предлагаемый образец позволяет существенно повысить точность определения физико-механических характеристик КМ по сравнению с образцом-прототипом путем уменьшения влияния экстремальных напряжений, сохраняя при этом его преимущества, а именно технологичность изготовления и надежность при испытаниях при повышенной температуре. Формула изобретения Образец композиционного материала с полимерной матрицей для испытания на растяжение при нормальной и повышенной температурах, содержащий рабочую часть в виде прямоугольной пластины, захватные части и скрепленные с захватными частями посредством слоя связующего накладки из материала пластины для приложения растягивающего усилия, отличающийся тем, что, с целью повышения точности путем уменьшения влияния концентрации напряжений в местах контактирования пластины с кромками накладок, слой связующего между захватной частью и накладкой выполнен толщиной не больше минимального расстояния между слоями матрицы и размещен на расстоянии не меньше 4h от кромки накладки, где h - толщина рабочей части.

Изобретение относится к области физико-механических методов исследования прочности полимерных композиционных материалов (ПКМ) ипредназначено для определения прочности на растяжение при нормальной и повышенной температурах используемых и разрабатываемых, я также изучения эксплуатационных свойств этих материалов. Целью изобретения является повышение точности измерений при испытании ПКМ на растяжение Образец композиционного материала с полимерной матрицей имеет рабочую часть в виде прямоугольной пластины, захватные части и скрепленную с ними посредством слоя связующего накладку из материала пластины Накладки предназначены для приложения растягивающего усилия. В местах контакти рования пластины с кромками накладок слой связующего между захватной частью и накладкой выполнен толщиной не больше минимального расстояния между слоями матрицы и размещен на расстоянии не меньше 4h от кромки накладки где h - толщина рабочей части, 2 ил сл

фиг.1

/

Фиг. 2