Определение физико-механических характеристик углепластика при сжатии

При сжатие, критическими являются характеристики связующего и жесткость волокон. Задача связующего в сохранении структуры волокон и предотвращения продольного изгиба.

Образцы

Экспериментальные исследования проводились на образцах с прямоугольным поперечным сечением 15×6 мм и длиной 106 мм (рис. 1.14). Испытания проводились с использованием специального приспособления, которое позволяет минимизировать потерю устойчивости образца во время испытания (рис. 1.15). Приспособление для сжатия с закрепленным образцом, устанавливалось между плитами испытательной системы.

Рисунок 1.14. Образцы углепластика в виде пластин для испытаний на сжатие

Проведение испытаний

Испытания проводят при нормальных условиях: температуре (25±5)°С, влажности не более 70% и атмосферном давлении. Испытания проводились со скоростью 1мм/мин.

На рисунке 1.15 (a) и (b) представлена схема и фотография устройства для испытания образца на сдвиг соответственно.

(a)	(b)
Рисунок 1.15. Схема (а) и фотография (b) устройства для испытания образца на сжатие

Образец устанавливается на опорные плиты так, чтобы их продольная ось совпала с направлением действия нагрузки, а торцевые поверхности были параллельны опорным поверхностям.

Для измерений деформации на образец с двух сторон устанавливают тензометрические датчики, которые наклеиваются не менее чем за 16 ч. до установки в испытательную машину.

Скорость деформирования выбирается таким образом, чтобы разрушение происходило в пределах от 1 до 10 минут с начала приложения нагрузки.

Обработка результатов

Предел прочности при сжатии и напряжения при сжатии в каждой требуемой точке определяются из уравнений:

где σ^‑ - прочность при сжатии, МПа

- максимальная нагрузка до разрушения, Н

P_i- нагрузка в i-ой точке, Н

- площадь сечения образца в рабочей зоне, мм²

- напряжение при сжатии в i-ой точке, (МПа).

Расчёт средне арифметической деформации в данной конкретной точки:

где - средняя арифметическая деформация в i-ой точке, με

- деформация по первому тензометрическому датчику в i-ой точке, με

- деформация по второму тензометрическому датчику в i-ой точке, με

- средняя арифметическая предельная деформация, με

- предельная деформация по первому тензометрическому датчику, με

- предельная деформация по второму тензометрическому датчику, με

(1000 με=0,001 абсолютной деформации).

Модуль упругости при сжатии E-i, (ГПа) определяют по формуле

где - приращение нагрузки в пределах линейного участка диаграммы нагрузка – деформация, Н;

l – база тензометрического датчика (начальная длина образца), мм;

Δl – абсолютное удлинение рабочей части образца (базы датчиков деформации) под нагрузкой , мм

- относительная продольная деформация при изменении нагрузки на

Результаты и их обсуждение

В разделе приведены результаты определения пористости методом гидростатического взвешивания и экспериментальные исследования механических свойств образцов углепластика при испытаниях на растяжение и сжатии. Проведен анализ влияния пористости на механические свойства углепластиков с различными схемами армирования.

Влияние давления формования на образование пористости в углепластике

Определение пористости углепластика проводилось на образцах с различными схемами армирования и изготовленными при разных давлениях формования, с размерами 10х10х6мм (рис. 1.16).

(а) (б)

Рисунок 1.16. (а) образцы углепластика для определения пористости; (б) образцы углепластика после отжига в муфельной печи при 500°С

Определение пористости проводилось по стандартной методике с использованием аналитических весов АДВ-200М и муфельной печи для отжига образцов. Результаты испытаний приведены в таблице 1.6.

Таблица 1.6. Результаты определения пористости углепластиков

Давление формования 0,1 МПа	Давление формования 0,4 МПа	Давление формования 1 МПа
№ образца	Схема армирования	Пористость, %	№ образца	Схема армирования	Пористость, %	№ образца	Схема армирования	Пористость, %
	У1			У1			У1
	8,8		5,5		3,3
	9,1		4,8		3,1
	8,9		5,1		3,1
	У2	9,5		У2	5,1		У2	3,2
					2,9
			5,1		2,8
	8,9
	9,1		5,1		3,1
	У3	9,5		У3	5,5		У3	3,3
			4,9
	9,1		5,1		3,1
	9,1		4,9		3,1
	9,2

Таблица 1.7. Результаты определения пористости углепластиков с учетом доверительной вероятности

Давление формования, МПа	Пористость, %
У1	У2	У3
0,1	9,1 ± 0,169	9,2 ± 0,169	8,9 ± 0,169
0,4	4,9 ± 0,131	5 ± 0,131	5,1 ± 0,131
	3,2 ± 0,283	3,1 ± 0,283	3,1 ± 0,283

В ходе выполнения работы были исследованы образцы углепластика на основе эпоксидного связующего горячего отверждения и углеродных волокон с заданием 3-х различных схем армирования при разных давлениях формования, и определены значения пористости. Результаты определения пористости с учетом доверительной вероятности приведены в таблице 1.7. и на графике (рис. 1.17).

Рисунок 1.17. Зависимости пористости от давления формования.

На графике видна очевидная зависимость нарастания пористости при уменьшении давления формования для схемы армирования У1 установлено, что при снижении давления формования с 1 МПа до 0,4 МПа, пористость увеличивается с исходной 3,2 % на 1,7% и составляет 4,9%. А при снижении давления формования с 0,4 МПа до 0,1 МПа, приводит к резкому повышению пористости на 4,2% и достигает 9,1%.

Аналогичные зависимости получены для углепластиков со схемами армирования У2 и У3.