facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Wiki
Global international scientific
analytical project
GISAP
GISAP logotip
Перевод страницы
 

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИТОВ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИТОВ
Михаил Трещалин, профессор, доктор технических наук, профессор

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Россия

Трещалин Юрий Михайлович, докторант, кандидат технических наук

Костромской государственный технологический университет, Россия

Участник первенства: Национальное первенство по научной аналитике - "Россия";

Открытое Европейско-Азиатское первенство по научной аналитике;

В статье рассматривается возможность создания композитов на основе пакета из нетканых полотен и плетеных изделий. Приводятся результаты испытаний и анализ механизма разрушения образцов композиционных материалов при растяжении.

Ключевые слова: нетканый материал полотно, плетеная лента, композит, нагрузка, деформация, предел прочности, разрушение.

В статье рассматривается возможность создания композитов на основе пакета нетканых полотен и плетеных изделий. Результаты испытаний и анализа механизма разрушения образцов композиционных материалов в натянутом состоянии.

Ключевые слова:  нетканый материал, тканый лента, композитный, нагрузка, деформация, прочность, перелом.

 

Большим преимуществом композиционных материалов является возможность получения не только однослойных, но и многослойных композитов с различными свойствами слоев для обеспечения заданных потребительских свойств изделия. Различные комбинации соединения слоев композиционного материала позволят при одном и том же составе компонентов материала получать его различные физико-механические свойства. При этом появляется возможность получать композиционные материалы с комплексом заданных свойств - высокопрочные и электропроводные, термостойкие и экологически чистые и т д.

Ударопрочные композиты предназначены для механической защиты различных инженерных сооружений, включая магистральные трубопроводы, где целесообразно использовать комбинированную основу, состоящую из нетканых полотен и плетеных полотен, изготовленных из углеволокнистых и полиамидных нитей. Причем, учитывая неориентированное расположение мононитей, нетканое полотно помещается между плетеными структурами. В этом случае, особенно при вакуумной пропитке пакета разнородных текстильных материалов, происходит сжатие пакета и следует ожидать взаимное проникновение единичных мононитей в структуру плетеных изделий, способствуя улучшению взаимодействия отдельных слоев основы, что, в конечном итоге, позволит повысить сопротивление слоеного композита нагрузкам в процессе эксплуатации. В подобном композите несущую способность материала будет выполнять композитный слой из углеродных или полиамидных волокон, а теплоизоляционные свойства обеспечиваются применением нетканых материалов.

В процессе создания слоеных композитов использовались следующие составляющие основы и связующее:

1. Нетканые полотна под торговой маркой «Холлофайбер» различной поверхностной плотности, произведенные из полиэфирных мононитей (табл. 1);

Таблица 1.

Характеристики образцов нетканых полотен «Холлофайбер» (среднее значение объемной плотности мононитиρв = 622,08 кг/м3)

Обозначение образца

Марка образца

Толщина, при удельном давлении 2,0 кПа, мм.

Длина, мм

Ширина, мм

Масса, г

Поверхностная плотность, г/м2

Объемная плотность, кг/м3

Пористость, ξ

Холлофайбер хард

19,21

204,0

47,25

4,663

483,774

25,183

0,9595

Холлофайбер софт

8,41

209,3

48,5

3,934

387,546

46,082

0,9259

Холлофайбер софт

13,25

204,7

47,75

3,731

381,637

28,803

0,9537

1200х

Холлофайбер хард

60,74

209,8

59,10

15,745

1269,81

20,906

0,9664

 

2. Плетеное полотно в виде лент производилось из:

  • - полиамидных нитей, выработанных на предприятии ООО «Курскхимволокно», номинальной линейной плотностью 187 текс;
  • - углеволокнистых нитей, марки Tenax®-E HTS45 E23 12K, номинальной линейной плотностью 800 текс. Характеристики плетеных лент даны в табл. 2.
  • Таблица 2.

Характеристики образцов плетеных лент

Обозначение образца

Волокнистый состав нити

Угол плетения, град

Количество нитей (веретен)

Толщина, при удельном давлении 2,0 кПа, мм.

Длина, мм

Ширина, мм

Масса, г

Поверхностная плотность, г/м2

Объемная плотность, кг/м3

П1

Полиамид

50

48

1,64

132,33

33,1

4,643

1060,10

646,407

П2

Полиамид

50

60

2,475

143

78,5

15,594

1389,12

561,262

ПУ

Угле-волокно

30

168

1,725

134,38

132,7

20,012

1122,12

649,925

 

 

3. Связующее на базе полиэфирной смолы POLYLITE 516-М855, что обусловлено его высокой адгезионной способностью с полиамидными нитями, углеродными волокнами и полиэфирными мононитями [1-3].

Для оценки влияния каждого из компонентов были изготовлены, как многослойные композиционные материалы, так и композиты на основе отдельно взятых нетканых полотен, полиамидной и углеволокнистой плетеных лент. При создании образцов применялся метод вакуумной пропитки.

Исследование структуры полученных слоеных композитов показало:

  • - существует эффект сжатия полиамидной и углеволокнистой нитей, состоящих из отдельных, в большинстве своем, параллельно расположенных филаментов;
  • - полиамидная плетеная структура имеет четко различимые углы армирования, а также ориентацию отдельных мононитей;
  • -  все слои полностью пропитаны связующим и выглядят сплошным композиционным материалом;
  • - трещины и изломы на границе раздела структурных элементов и связующего, как в нетканом так и в плетеном полотне, отсутствуют, что позволяет сделать заключение о хорошем взаимодействии отвержденной матрицы и волокон составляющих основы.

Особенный интерес в структуре композита представляют границы раздела нетканое полотно – углеволокнистая лента, полиамидная лента – нетканое полотно.

Визуальные наблюдения показали, что границы раздела между прослойками не ровные, имеет место проникновение полиэфирных мононитей нетканой прослойки в структуру плетеных лент. Трещины и воздушные включения в пограничном слое отсутствуют. Необходимо отметить взаимное проникновение структурных элементов нетканой и плетеных прослоек, вследствие чего четкая граница между слоями отсутствует. Возможно, такой тесный контакт обусловлен сжатием пакета после создания вакуума до момента проникновения связующего в образец.

Анализ результатов экспериментальных исследований дает возможность произвести оценку и сопоставить значения максимальных усилий при испытаниях на растяжение образцов, как отдельных составляющих, так и многослойных композиционных материалов. Результаты испытаний отдельных слоев композитов при растяжении приведены в табл.3.

Таблица 3.

Результаты испытаний образцов композиционных материалов на растяжение

Обозначение образца

Максимальное усилие, Н

Максимальноеудлинение, мм

Предел прочности при растяжении, МПа

1 х

78,4

1,96

1,217

1 с

92,9

1,40

2,211

3 с

66,9

1,64

1,264

1200 х

160,4

2,81

1,313

П1

262,3

30,58

4,958

П2

427,9

29,65

6,349

ПУ

17900

5,02

487,1

 

 

Прежде всего, обращает на себя внимание различие в разрывной нагрузке и пределе прочности при разрыве, которые являются наиболее информативной характеристикой в связи с тем, что учитывают первоначальные геометрические размеры  образцов композитов на основе нетканых полотен и полиамидной и углеволокнистой плетеных лент.

Если образцы композитов на нетканой основе имеют предельное напряжение при растяжении в диапазоне 1,2 – 2,2 МПа, то аналогичный показатель композиционных материалов на основе полиамидной ленты составляет 4,9-6,3 МПа, а на основе углеволокнистой ленты – более 485 МПа.

Столь значительная разница объясняется, в первую очередь, различием физико-механических свойств полиэфирных волокон (мононитей),  полиамидных и углеволокнистых нитей. Кроме того имеет существенное значение ориентация структурных элементов плетеных изделий в направлении приложения нагрузки.

Величины максимального удлинения композитов на основе полиамидных лент существенно превышают удлинение образцов на основе углеволокнистой ленты и нетканых полотен, имеющих наименьшие показатели. Такой эффект достигается за счет различия прочностных показателей структурных элементов: при растяжении физико-механические характеристики единичной полиамидной нити превышают прочность полиэфирной нити.

Физико-механические свойства углеволокнистых нитей выше, чем у полиамидных. Однако за счет плетеной структуры у образцов композиционных материалов на основе полиамидных лент абсолютное удлинение достигает более 30 мм. Очевидно, это связано с вытягиванием полиамидных нитей вдоль оси нагружения без разрушения до полной одноосной ориентации. В данном случае при разрушении композита работает и строение армирующей основы, и ее структурные элементы.

Для углеродного образца механизм разрушения, как показал эксперимент, совершенно другой. В нем не происходит постепенная продольная ориентация углеродных нитей в процессе деформации, а практически вся нагрузка воспринимается нитями сразу, без изменения геометрии плетеного изделия. В этом случае структурная составляющая армирующей основы не влияет на прочность композита, а существенна лишь прочность самой нити. Таким образом, проведенный анализ механизмов разрушения рассмотренных образцов позволят прогнозировать прочностные характеристики и физико-механические свойства композиционных материалов на основе плетеных. Результаты испытания слоистых композиционных материалов на растяжение представлены в табл. 4.

Таблица 4.

Результаты испытания образцов слоистых композитов

Обозначение образца

Максимальное усилие, Н

Максимальное удлинение, мм

Предел прочности при растяжении, МПа

Пакет ПУ1сП2

15400

4,57

435

Пакет ПУ1хП1

13000

3,89

370

Пакет ПУ3сП1

12800

3,95

376

Пакет ПУ1200хП2

9400

2,81

267

 

 

Данные табл. 4  позволяют сделать вывод о том, что максимальные разрывные усилия слоеных композиционных материалов соизмеримы с величиной разрывного усилия углеволокнистого слоя и в 100-170 раз превышают значения нетканой прослойки, а предельное напряжение при растяжении в 250 – 400 раз превышают аналогичные характеристики композитов на основе соответствующих отдельно взятых нетканых и полиамидных плетеных изделий. По результатам испытаний на растяжение можно констатировать, что основным видом разрушения многослойных композитов являлось расслоение, при котором возникало резкое падение нагрузки и остановка испытательной машины. Картина разрушения слоистых композитов представлена на рис. 1.

 


Рис. 1. Фотографии разрушения образцов многослойных композиционных материалов.

Составляющие композит слои не имели полного разрушения (кроме образца ХАРД1200Т – средний слой разрушен). Для наглядности расслоения между слоями на фото вставлены ножницы. Испытания продолжались до полного разрушения композита.

Составляющие композит слои не имели полного разрушения (кроме образца ПУ1200хП2 – средний слой разрушен). Для наглядности расслоения между слоями на фотографии образца ПУ1хП1 вставлены ножницы.

Основным несущим элементом многослойного композита является композитный слой с углеродными волокнами. Анализ динамики разрушения показывает, что сначала нагрузка воспринимается всеми слоями, далее в процессе растяжения возникающие удлинения слоев неравны. Это приводит к тому, что нагрузка «перетекает» в сторону слоя с большим модулем упругости (более жесткого слоя). Слой с углеродным волокном сдерживает удлинение соседних слоев. Различие модулей упругости, соответственно и удлинений, отдельных составляющих приводит к тому, что слои композита постепенно сдвигаются относительно друг друга. Возникают напряжения сдвига на границе соединения слоев, превышение которых приводит к расслоению. После расслоения возникает удар, интенсивное удлинение «сдерживаемых» слоев, однако ограниченно, так как ближе к зажимам отслоение не происходит. На примере образца ПУ1200хП2, средний слой (1200х) после удара разрушился, у остальных многослойных композитов разрушение прилегающих слоев к углеродному волокну отсутствовало, так как эти слои имели более высокое удлинение разрыва.

Таким образом, логичное предположение о том, что более крупный образец по площади сечения будет более прочным, не подтвердилось. Главную роль сыграла величины относительного удлинения составляющих композит слоев. Углеволокнистая составляющая ПУ, как основной несущий слой, имеет величину относительного удлинения 5,02%, а слой ХАРД – 2,81%. При достижении нагрузки, при которой образец ПУ растянулся на 2,81%, слой нетканого материала 1200х не мог продолжать формировать с остальными слоями единую конструкцию. Произошел разрыв слоя – потеря прочности слоеного композита в целом. Последующие испытания подтвердили, что при более высоких величинах относительного удлинения составляющих композит, слоистая конструкция «работала» дольше, а следовательно, достигала более высокой величины предельной нагрузки.

Эталоном максимальной нагрузки является предельная нагрузка разрыва углеволокнистого слоя ПУ. Чтобы достичь ее всей конструкцией без преждевременного разрушения, необходимо, подвести величины относительного удлинения под величину относительного удлинения главного несущего слоя или чуть выше.

Расслаивание композитов вдоль составляющих его слоев является нежелательным с точки зрения прочности композита в целом. В связи с этим можно выработать следующие рекомендации, что бы избежать данного явления:

  • - cоставляющие слои должны иметь равные или близкие модули упругости, удлинения разрыва, либо чуть выше, чем у несущих слоев
  • - помещение несущего слоя, если это позволяется конструктивно, в середину композита, тем самым повысить напряжение сдвига, при котором возникает расслоение композита.

Для повышения механических свойств композиционного материала на растяжение необходимо добиться одновременного сопротивления, как можно большего числа нитей. Этого можно достичь, используя связующее с пониженным модулем упругости и большим удлинением разрыва, чем удлинение разрыва у армирующих волокон. Повышением объемной доли армирующих компонентов, при этом действенным является и увеличение расстояния между волокнами, что, однако, снижает объемную долю армирующих волокон, но позволяет более эффективно «вводить» в сопротивление отдельные волокна.

Результаты экспериментов наглядно показывают сложный характер разрушения слоистых композитов и актуальной задачей в данном направлении является их проектирование на основе математического моделирования, что и будет являться задачей дальнейшего исследования.

 

Литература

  •  
  • 1. Наполнители для полимерных композиционных материалов: Справочник.- М.: 1981. -736с.
  • 2. Васильев В.В. Композиционные материалы. Справочник / В.В. Васильев.- М.: Машиностроение 1990. -510 с.
  • 3. Рабинович Л.Л. Введение в механику армированных полимеров: Л.Л. Рабинович. - М.: Наука, 1970. – 482 с. 
0
Ваша оценка: Нет Средняя: 8.8 (4 голоса)
Комментарии: 4

Карлов Владимир Анатольевич

Карлов Владимир Анатольевич РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИТОВ Актуальность исследований, которые связаны с технологией при разработке, изготовлении и исследовании физико-механических свойств композиционных материалов вызвана их широким практическим применением. Проведенные авторами исследования отличаются единым законченным процессом изготовления, исследованием свойств и конкретным применением композиционных материалов. В 70-ые годы, примерно, пять лет мне пришлось заниматься чисто неразрушающим контролем (на разрыв) композиционных материалов (пластин) СВЧ радиоволновым методом. Была поставлена задача по определению максимально допустимого усилия на разрыв при условии сохранения физико-механических свойств пластин. В плане этих исследований очень показательны фотографии приведенные авторами в статье, которые позволяют оценить и откорректировать технологию изготовления композиционных материалов. Проведенный авторами в статье цикл исследований позволяет разработать композиционные материалы для решения конкретной задачи Заказчика.

Горбийчук Михаил Иванович

Уважаемый М. Ю. Трещалин! Ваша работа является несомненно актуальной. Проведены интересные и основательные экспериментальные исследования, позволившие выявить важные свойства многослойных композитов. На основе проведенных исследований желательно получить зависимость величины прочности от толщины слоя композита. Возможно существует оптимальная толщина слоя композита относительно прочности композита. Желаю Вам и Вашему коллективу исследователей творческих успехов. С уважением проф. М. И. Горбийчук.

Бабаев Накибулло Хабибуллаевич

Уважаемый Михаил Юрьевич! Я постоянно из конференции к конференции слежу за представленными Вами научными работами. Ваша работа очень актуальная и нужная. Хочу отметить что на сегодняшний день актуальны любые работы направленные на разработку новых видов композитных материалов ибо область применения их велик. В этой связи Ваши исследования способствуют решению одного из актуальных проблем современности. Думаю что нет смысла обращать внимание коллег на особенностях преимуществ композитных материалов, а тем более многослойных эластических материалов. Исследование механических свойств композиционных материалов с учетом количества нитей армирующих волокон влияющих на растяжение, ч учетом использования связующего с пониженным модулем упругости и большим удлинением разрыва, чем удлинение разрыва у армирующих волокон. Повышением объемной доли армирующих компонентов, при этом действенным является и увеличение расстояния между волокнами, что, однако, снижает объемную долю армирующих волокон, но позволяет более эффективно «вводить» в сопротивление отдельные волокна доказано результатами много численных экспериментов. В заключении могу только пожелать успехов в Ваших работах направленных решению такой важной народнохозяйственной задачи. С уважением д.т.н., проф. Н.Х. Бабаев. специализация: 05.17.11.- "технология силикатных и тугоплавких не металлических материалов" (по новой классификации технология цемента и композитных материалов) и 05.14.04 -"Промышленная теплотехника"

Бабаев Накибулло Хабибуллаевич

Уважаемый Михаил Юрьевич! Я постоянно из конференции к конференции слежу за представленными Вами научными работами. Ваша работа очень актуальная и нужная. Хочу отметить что на сегодняшний день актуальны любые работы направленные на разработку новых видов композитных материалов ибо область применения их велик. В этой связи Ваши исследования способствуют решению одного из актуальных проблем современности. Думаю что нет смысла обращать внимание коллег на особенностях преимуществ композитных материалов, а тем более многослойных эластических материалов. Исследование механических свойств композиционных материалов с учетом количества нитей армирующих волокон влияющих на растяжение, ч учетом использования связующего с пониженным модулем упругости и большим удлинением разрыва, чем удлинение разрыва у армирующих волокон. Повышением объемной доли армирующих компонентов, при этом действенным является и увеличение расстояния между волокнами, что, однако, снижает объемную долю армирующих волокон, но позволяет более эффективно «вводить» в сопротивление отдельные волокна доказано результатами много численных экспериментов. В заключении могу только пожелать успехов в Ваших работах направленных решению такой важной народнохозяйственной задачи. С уважением д.т.н., проф. Н.Х. Бабаев. специализация: 05.17.11.- "технология силикатных и тугоплавких не металлических материалов" (по новой классификации технология цемента и композитных материалов) и 05.14.04 -"Промышленная теплотехника"
Комментарии: 4

Карлов Владимир Анатольевич

Карлов Владимир Анатольевич РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИТОВ Актуальность исследований, которые связаны с технологией при разработке, изготовлении и исследовании физико-механических свойств композиционных материалов вызвана их широким практическим применением. Проведенные авторами исследования отличаются единым законченным процессом изготовления, исследованием свойств и конкретным применением композиционных материалов. В 70-ые годы, примерно, пять лет мне пришлось заниматься чисто неразрушающим контролем (на разрыв) композиционных материалов (пластин) СВЧ радиоволновым методом. Была поставлена задача по определению максимально допустимого усилия на разрыв при условии сохранения физико-механических свойств пластин. В плане этих исследований очень показательны фотографии приведенные авторами в статье, которые позволяют оценить и откорректировать технологию изготовления композиционных материалов. Проведенный авторами в статье цикл исследований позволяет разработать композиционные материалы для решения конкретной задачи Заказчика.

Горбийчук Михаил Иванович

Уважаемый М. Ю. Трещалин! Ваша работа является несомненно актуальной. Проведены интересные и основательные экспериментальные исследования, позволившие выявить важные свойства многослойных композитов. На основе проведенных исследований желательно получить зависимость величины прочности от толщины слоя композита. Возможно существует оптимальная толщина слоя композита относительно прочности композита. Желаю Вам и Вашему коллективу исследователей творческих успехов. С уважением проф. М. И. Горбийчук.

Бабаев Накибулло Хабибуллаевич

Уважаемый Михаил Юрьевич! Я постоянно из конференции к конференции слежу за представленными Вами научными работами. Ваша работа очень актуальная и нужная. Хочу отметить что на сегодняшний день актуальны любые работы направленные на разработку новых видов композитных материалов ибо область применения их велик. В этой связи Ваши исследования способствуют решению одного из актуальных проблем современности. Думаю что нет смысла обращать внимание коллег на особенностях преимуществ композитных материалов, а тем более многослойных эластических материалов. Исследование механических свойств композиционных материалов с учетом количества нитей армирующих волокон влияющих на растяжение, ч учетом использования связующего с пониженным модулем упругости и большим удлинением разрыва, чем удлинение разрыва у армирующих волокон. Повышением объемной доли армирующих компонентов, при этом действенным является и увеличение расстояния между волокнами, что, однако, снижает объемную долю армирующих волокон, но позволяет более эффективно «вводить» в сопротивление отдельные волокна доказано результатами много численных экспериментов. В заключении могу только пожелать успехов в Ваших работах направленных решению такой важной народнохозяйственной задачи. С уважением д.т.н., проф. Н.Х. Бабаев. специализация: 05.17.11.- "технология силикатных и тугоплавких не металлических материалов" (по новой классификации технология цемента и композитных материалов) и 05.14.04 -"Промышленная теплотехника"

Бабаев Накибулло Хабибуллаевич

Уважаемый Михаил Юрьевич! Я постоянно из конференции к конференции слежу за представленными Вами научными работами. Ваша работа очень актуальная и нужная. Хочу отметить что на сегодняшний день актуальны любые работы направленные на разработку новых видов композитных материалов ибо область применения их велик. В этой связи Ваши исследования способствуют решению одного из актуальных проблем современности. Думаю что нет смысла обращать внимание коллег на особенностях преимуществ композитных материалов, а тем более многослойных эластических материалов. Исследование механических свойств композиционных материалов с учетом количества нитей армирующих волокон влияющих на растяжение, ч учетом использования связующего с пониженным модулем упругости и большим удлинением разрыва, чем удлинение разрыва у армирующих волокон. Повышением объемной доли армирующих компонентов, при этом действенным является и увеличение расстояния между волокнами, что, однако, снижает объемную долю армирующих волокон, но позволяет более эффективно «вводить» в сопротивление отдельные волокна доказано результатами много численных экспериментов. В заключении могу только пожелать успехов в Ваших работах направленных решению такой важной народнохозяйственной задачи. С уважением д.т.н., проф. Н.Х. Бабаев. специализация: 05.17.11.- "технология силикатных и тугоплавких не металлических материалов" (по новой классификации технология цемента и композитных материалов) и 05.14.04 -"Промышленная теплотехника"
Партнеры
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.