книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов

вать их при создании современных эффективных конструкций в различных областях техники.

Методы испытаний

Конструкционные композиционные материалы для оценки их прочности и жесткости подвергают механическим испыта­ ниям. В соответствии с характером воздействия на материалы методы испытаний подразделяют на прямые (разрушающие и методы, основанные на непосредственном измерении переме­ щений и деформаций, т.е. методы механических испытаний) и косвенные (неразрушающие методы). Неразрушающие методы испытаний развиваются по трем направлениям: контроль фи­ зико-механических характеристик, дефектоскопия элементов конструкций и измерение напряжений. Косвенные неразру­ шающие методы исключительно важны. Однако их необходимо обосновывать и проверять при помощи прямых методов. С помощью прямых методов испытаний получают сведения о свойствах материалов, необходимых при проектировании кон­ струкций.

Разработка и применение композитов в ответственных высоконагруженных конструкциях вновь заставляет обратиться к методам механических испытаний, так как методы, применяе­ мые для испытаний металлов, оказались недостаточными. В настоящее время исследовательская практика значительно обо­ гнала методы испытаний, регламентируемые существующими стандартами. Многочисленные исследования композитов на основе разных методов создали обстановку противоречивых суждений о конструкционных возможностях этих материалов и обусловили необходимость критического анализа существу­ ющих методов, их оценки и обобщения.

Образцы для испытаний

При выборе формы и способа изготовления образцов из КМ необходимо правильно смоделировать все условия и про­ цессы изготовления предполагаемого материала, изделия или конструкции. Форма образцов для механических испытаний должна быть подобной форме изготавливаемой конструкции. Наглядным примером удачного выбора формы образца явля­

ется использование кольцевых образцов для исследования ме­ ханических свойств намоточных изделий, имеющих форму тел вращения.

Методы изготовления материала конструкции, соответст­ вующие им образцы и методы испытания показаны на рис. 5.1. Как видно из этого рисунка, в зависимости от способа изго­ товления образцы для механических испытаний подразделяют на плоские и тела вращения (кольца, трубы). Плоские образцы в свою очередь подразделяют на стержни и пластины.

Представленные схематически на рис. 5.1 образцы и методы испытаний служат для паспортизации монослоя. Как видно из рисунка, для паспортизации плоских монослоев достаточно иметь образцы одинаковой формы, но с различной укладкой арматуры; для паспортизации намоточных монослоев —образ­ цы разной формы (кольцевые и трубчатые). Кольцевые одно­ направленные образцы используют для экспериментального определения характеристик в направлении укладки наполни­ теля, трубчатые с углом намотки 90° —для определения харак­ теристик в направлении, перпендикулярном направлению ук­ ладки наполнителя. Однако назначение трубчатых образцов этим не ограничивается — трубчатые образцы с различной симметричной (относительно продольной оси образца) уклад­ кой наполнителя используют для определения характеристик сдвига и для изучения сложного напряженного состояния; эти способы нагружения на рис. 5.1 не показаны.

К образцу, используемому для механических испытаний, предъявляют следующие требования: возможность применения для всех видов механических испытаний; простота закрепления в испытательной машине; нечувствительность к способу за­ крепления; воспроизводимость характера разрушения; возмож­ ность применения для определения упругих характеристик и исследования влияния окружающей среды.

Форма образца также в значительной степени зависит от цели испытания: проверка научных гипотез; техническая пас­ портизация материалов; контроль качества метериалов. В на­ учных исследованиях для оценки определенного явления или эффекта применяют специальные образцы и способы их на­ гружения, которые не пригодны для серийных испытаний (к образцам этого типа относят образцы с укладкой наполнителя

под углом к направлению действия нагрузки или с неоднород­ ной по толщине укладкой армированных слоев).

Количественная оценка механических характеристик явля­ ется основой для технической паспортизации материала. Для ее получения применяют простые, изготовленные предпочти­ тельно из ортотропного материала, образцы, в рабочей части которых обеспечено однородное одноосное напряженное со­ стояние. Для упрощения эксперимента и обработки результатов испытания в образцах этой группы должна быть обеспечена симметрия структуры как в плоскости, так и по толщине образца. В случае, когда последнее требование технологичес­ ки невыполнимо (например, в намоточных изделиях), все побочные отрицательные явления, связанные с несимметрией структуры, устраняются выбором достаточно большого количества армирующих слоев. При испытаниях неоднород­ ных по толщине материалов обработку результатов следует проводить с учетом особенностей их деформирования; в про­ тивном случае грубые погрешности неизбежны. И, наконец, образцы, применяемые в механических испытаниях для кон­ троля качества изготовления, не обязательно должны быть пригодными для количественной оценки механических ха­ рактеристик материала.

Статистическая природа прочности армированных КМ обу­ словливает влияние геометрических размеров на прочность этих материалов в конструкции. В отличие от конструкционных материалов свойства КМ зависят от размеров образца, что проявляется даже при статическом нагружении в условиях однородного напряженного состояния. Это явление называют масштабным эффектом. При растяжении кратковременная ста­ тическая прочность уменьшается с увеличением площади по­ перечного сечения образца; снижение прочности наблюдается также и при малых толщинах образца.

Пониженная прочность толстостенных образцов объясня­ ется тем, что с увеличением площади поперечного сечения возрастает вероятность появления дефектов, приводящих к снижению прочности.

У тонкостенных образцов снижение прочности является следствием относительно большого влияния повреждений по­ верхности (отсюда и более высокие требования к технологии

изготовления и механической обработке образцов малых раз­ меров) и нарушения условия перехода к сплошной среде (не­ достаточное количество слоев наполнителя).

Масштабный эффект имеет отчетливо выраженный анизо­ тропный характер. Влияние размеров образца на прочность зависит от того, за счет какого размера происходит изменение объема.

Масштабный эффект при разных видах нагружения и для разных типов КМ, как и влияние концентрации напряжений на прочность КМ при разных видах нагружения, исследованы явно недостаточно. Однако известно, что наличие сравнитель­ но небольших источников концентрации напряжений (имеют­ ся в виду только механические повреждения структуры мате­ риала — трещины, царапины на поверхности, надрезы, а не резкие изменения формы изделия) приводит к заметному уменьшению прочности. Например, при нанесении на образец двух царапин глубиной 0,2 мм, составляющей 0,1 от толщины образца, понижает прочность углепластика при трехточечном изгибе примерно на одну треть. Поэтому вполне справедливы весьма жесткие требования разных стандартов к чистоте меха­ нической обработки образцов и обращению с ними: например, не допускается нанесение на образец разных отметок острым, режущим инструментом.

5.2. Определение свойств волокнистых армирующих наполнителей

Измерение характеристик волокнистых наполнителей включает в себя уточнение паспортных данных. Набор этих данных может меняться в зависимости от текстильной формы наполнителя (нити, жгуты, ленты), колебаний качества исход­ ного сырья, технологических режимов, а также от завода-из­ готовителя.

К основным паспортным характеристикам волокнистых на­ полнителей относят линейную плотность, разрывную нагрузку, относительную разрывную нагрузку при разрыве петлей, плот­ ность, модуль упругости при растяжении, массовую долю ап­ прета.

Определение разрывной нагрузки

Сущность испытаний состоит в измерении силы, необхо­ димой для разрыва испытуемого образца нитей (рис. 5.3).

шкале 3.

Согласно формуле, средняя разрывная нагрузка

И б/ бср - п

Относительное отклонение разрывной нагрузки от паспорт­ ного значения определяют следующим образом:

По этому показателю судят о стабильности механических характеристик КМ.

5.2.Определение свойств волокнистых наполнителей

Определение плотности наполнителя

Существует довольно много способов определения плотнос­ ти волокнистых наполнителей, например пикнометрический, градиентной колонки и взвешиванием в жидкости с известной плотностью. Последний способ наиболее прост. Его сущность состоит в сравнении масс одинаковых объмов материалов и жидкости известной плотности. На воздухе взвешивают пустую подвеску-корзину и ее же с образцом взвешивают в этиловом спирте. Исследуемый образец в подвеске-корзине опускают в стакан с этиловым спиртом так, чтобы образец не касался стенок и дна стакана до полного его погружения.

Плотность образца волокон рассчитывают, используя фор­ мулу

(Щ ~ Щ) Реп Рв " (т2 - щ ) - (т3 - т4) ’

где т1 — масса подвески в воздухе, г; т2 — масса образца с подвеской-корзиной в воздухе, г; т3 — масса образца с под­ веской в спирте, г; т4 — масса подвески-корзины в спирте, г; рсп - плотность спирта, г/см3

В итоге определяют среднее значение плотности по не­ скольким измерениям и относительную погрешность результа­ та.

Определение модуля упругости волокна

Модуль упругости можно определить косвенно по резуль­ татам испытания образцов нитей на растяжение, а также ди­ намическим методом с помощью ультразвука. Определение модуля упругости последним методом основано на измерении скорости распространения ультразвуковой продольной волны в образце. Эти испытания проводят на установке типа УИМ-2.

Образец нити длиной 150...200 мм приклеивают к концам концентраторов так, чтобы нить была слегка натянута. Время прохождения импульса регистрируют по показаниям частото­ мера. Модуль упругости вычисляют по формуле

Определение реакционной способности связующего и сухого остатка

Этот показатель характеризует время перехода связующего из жидкого состояния (стадия А) в гелеобразное (стадия В) при определенной температуре, а также живучесть.

Продолжительность стадии В определяют, регистрируя мо­ мент потери текучести при нагревании навески связующего на металлической пластине или момент, когда стеклянная палоч­ ка, перемещаемая как поршень в измерительной трубке со связующим, нагретым до температуры 130 °С, начинает застре­ вать.

Живучесть — показатель, характеризующий текучесть и одновременно реакционную способность связующего при тем­ пературе 125 °С. Определяется длиной “дорожки” (в милли­ метрах), которую оставляет на наклонной пластине выдержан­ ная в сухой камере измерительного устройства при температуре 125 °С таблетка диаметром 12,5 мм, спресованная из смолы.

Для измерения сухого остатка навеску смолы (2...3 г) по­ мещают в фарфоровый или металлический тигель и выдержи­ вают в сушильном шкафу при температуре 150 °С до образо­ вания постоянной массы (30 мин), после этого тигель охлаж­ дают и взвешивают навеску.

Определение прочностных характеристик при растяжении

В процессе испытаний образцов отвержденного связующего непосредственно измеряемыми параметрами являются силы нагружения и перемещения (деформации).

Для исследования механических характеристик образцы связующего подвергают испытаниям на одноосное растяжение или сжатие, а также на кручение и двухосное растяжение (тонкостенные образцы цилиндрической формы). В случае одноосного растяжения (сжатия) большое значение приобре­ тает выбор формы образца и способа его закрепления, при которых обеспечивается однородное поле напряжений и де­ формаций.

Образцы имеют цилиндрический рабочий участок диамет­ ром (1 = 5 мм и длиной / = 50 мм с коническим переходом к головке (рис. 5.4). В отличие от образцов, применяемых для