Исследование базальто- и стеклопластиков методом циклического нагружения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт Физико-Технических Проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН

Федеральный Исследовательский Центр «ЯНЦ СО РАН»

Сибирский Научно-Исследовательский Институт Авиации им. С.А. Чаплыгина

Исследование базальто- и стеклопластиков методом циклического нагружения

Копырин М.М.

Кычкин А.К.

Петров М.Г.

Лебедев М.П.

Кычкин А.А.

Туисов А.Г.

Аннотация

полимерный композиционный стеклопластик эпоксидиановый

Полимерные композиционные материалы все чаще применяют в качестве материалов в авиа-, авто- и судостроении, в строительстве зданий и сооружений. что связано с их легким весом, высокой прочностью и долговечностью. На замену углеволокна, в качестве армирующих наполнителей, все чаще используют базальто- и стекловолокна. В работе исследованы образцы базальто- и стеклопластика на основе эпоксидиановой смолы на циклическое нагружение при одноосной нарастающей нагрузке «растяжение-сжатие». По результатам проведенных испытаний были получены средние значение прочности: у образцов базальтопастиков данное значение составило 182,56 МПа, у стеклопластиков - 179,26 МПа.

Ключевые слова: базальтопластик, стеклопластик, циклические испытания, растяжение, сжатие

Основная часть

В настоящее время полимерные композиционные материалы (ПКМ) применяются повсеместно - в судо-, авиа- и автостроении, как конструкционный материал при строительстве зданий и проч. [Методы инфузии для изготовления полимерных композиционных материалов (обзор).* часть 2 / А.В. Хрульков, К.И. Донецкий, М.Н. Усачева, А.Н. Горянский // Труды ВИАМ. - 2022. - №7 (113). - С. 50-62. - DOI 10.18577/2307-6046-2022-0-7-50-62. - EDN BGNETH.]. При этом, на замену привычным углепластикам приходят композиты, армированные базальто- и стекловолокнами. Стекло- и базальтопластиковые материалы обладают высокими показатели физико-механических свойств вдоль направления оси армирования. Их главным преимуществом является высокая прочность на разрыв при относительно малой плотности [Хорохордин А.М., Усачев А.М., Коротких Д.Н. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНОЙ КОМПОЗИТНОЙ АРМАТУРЫ // Construction materials. 2018. №7. DOI: 10.31659/0585-430X-2018-761-7-71-75] [Перкинс Ф. Железобетонные сооружения. Ремонт, гидроизоляция и защита» / Пер. с англ. А.В. Швецовой; под ред. М.Ф. Цитрона].

Одним из высокочувствительных методов испытаний определяющий эксплуатационные характеристики является испытание на циклическое нагружение, которое позволяет при небольших усилиях и контролируемых перемещениях материала создавать необходимый уровень напряжения на поверхностном слое исследуемого композита [Петров М.Г. Особенности и закономерности разрушения однонаправленного стеклопластика при продольном изгибе // Численные методы решения задач теории упругости и пластичности: материалы XXIV Всероссийской конференции, Омск, 2-4 июня 2015 г. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2015. - С. 167-170]. Для определения ресурсных характеристик необходимо проведение одноосных циклических нагружений растяжение-сжатие. Для этого выдерживается постоянный либо нарастающий режим нагружения по напряжениям. При данных параметрах изменения (разрушения) поверхностных слоев проявляется в любом случае, изменяется лишь скорость проведения испытаний. Особое значение имеет изменения при малых амплитудах (либо начальных), когда начинаются проявляться первичные признаки усталостного разрушения. Такие измерения на растягивающих нагрузках проводились на углепластике и показали эффективность данного метода [Степанова Л.Н., Петров М.Г., Чернова В.В., Кожемякин В.Л., Катарушкин С.А. Исследование неупругих свойств углепластика при циклических испытаниях образцов с использованием методов акустической эмиссии и тензометрии // Деформация и разрушение материалов. - 2016. - №5. - С. 37-41]

Объектами исследования являются композитные пластики, которые изготавливались методом вакуумной инфузии. В качестве армирующего наполнителя для изготовления композитных пластиков использовали базальтовую ткань марки БТ-11 (400) производство ООО «Фабрика технических тканей» и стеклоткань ТР-560-30А (100) производство ОАО «ПОЛОЦК-СТЕКЛОВОЛОКНО». Полимерной матрицей выступила эпоксидное связующее, содержащее эпоксидиановую смолу ЭД-22 (56,7±0,2 масс.%), изо-метилтетрагидрофталевый ангидридный отвердитель (42,5±0,2 масс.%) и ускорителя 2,4,6 - трис(диметиламинометил) фенола (0,8±0,05 масс.%). Смесь подготавливали по рецептуре согласно РТП-СП2-20994511-1999Т.

Для определения максимальных значений ресурсно-прочностных свойств базальто- и стеклопластика был выбран метод циклического нагружения (частота 0,5 Гц) с периодическим (в 6 циклов) увеличением нагрузки в 10 МПа до разрушения образцов.

Испытания проводились на двух видах оборудований (рисунок 1):

1. Машина универсальная испытательная MTS-100 - (образцы БП - 1,2; СП-1);

2. Машина универсальная испытательная BiSS UTM-100 kN (образцы БП-3-5; СП-2-5)

Рисунок 1. Испытательная машина MTS-100 (а) и BISS UTM-100kN (б)

Для проведения испытаний были изготовлены образцы базальтопластиков (БП) стеклопластиков (СП). Форма и размеры образцов приведены на рисунке 3. Фотографии исходных образцов приведены на рисунке 4.

Рисунок 3. Форма и размеры образцов для проведения испытаний циклического нагружения

Рисунок 4. Фотографии образцов до проведения испытаний: а) базальтопластика и б) стеклопластика

Для проведения испытаний были подготовлены образцы в количестве 5 штук из каждого вида материалов. Испытания проводились по следующей схеме: образец в начале нагружался минимальным значениям напряжений на сжатие-растяжение, потом каждые последующие 6 циклов нагрузка увеличивалась на 10 МПа (±2,5%) до разрушения образца.

Полученные результаты испытаний образцов стекло- и базальтопластиков обрабатывались и переводили в графические данные по следующим параметрам: циклическое нагружение образцов и амплитудная зависимость. На рисунках 5 и 6 представлены графики циклического нагружения и перемещения образцов БП и СП соответственно, на рисунках 7 и 8 - графики амплитудной зависимости и изменения перемещения базальто- и стеклопластиков.

Рисунок 5. Графики зависимости циклического нагружения (черный цвет) и перемещения (красный) образцов базальтопластика (№1-а, №2-б, №3-в, №4-г, №5-д)

Рисунок 6. Графики зависимости циклического нагружения (черный цвет) и перемещения (красный) образцов стеклопластика (№1-а, №2-б, №3-в, №4-г, №5-д)

Как видно из рисунков 5 и 6 с ростом нагрузки на образец увеличивается их перемещение (D, мм). Наблюдается явная корреляция деформирования между образцами базальтопластиков и стеклопластиков, зависящая от разности использования оборудования для проведения испытаний. Например, у образцов БП-1 и БП-2 (рисунок 5а и 5б) перемещение при нагружении «растяжение(сжатии)» D по оси составляет в районе 6 мм, а у БП - 3,4,5 (рисунок 5в-д) - менее 3 мм. У образцов стеклопластика также наблюдается такая зависимость: у СП-1 (рисунок 6а) ?D равна также в районе 6 мм, а у СП - 2,3,4,5 (рисунок 6б-д) - ±2,5 мм. Предел погрешности измерения перемещения составляет 3%.

На рисунке 5д представлен образец БП-5, который был использован как образец для апробации испытания. Для данного образца был выбран шаг нагрузки 10 МПа, частота - 0,5 Гц, но было выбрано количество циклов равное 4. При преобразовании данных были потеряны начальные значения, также показывает некорректное изменение деформации непосредственно перед разрушением (последние 2 цикла). Поэтому было решено в последующих образцах использовать количество циклов равное 6, и проводить длительную начальную нагрузку при минимальных значениях.

На рисунке 5в, образец БП-3, видно смещение оси деформации в сторону сжатия в районе ~100 МПа. Такая же тенденция заметна в образце СП-3 (рисунок 6в) - ось смещения переместилась в сторону сжатия в районе нагрузок амплитуды ~80 МПа. Такое явление во время проведения испытаний может говорить о наличие изначальных внутренних напряжениях, которые могут быть получены во время технологических процессов получения материала.

Рисунок 7. Графики амплитудной зависимости и изменения перемещения образцов базальтопластика (№1-а, №2-б, №3-в, №4-г, №5-д)

Рисунок 8. Графики амплитудной зависимости и изменения перемещения образцов стеклопластика (№1-а, №2-б, №3-в, №4-г, №5-д)

На рисунках 7 и 8 представлены графики зависимости амплитуды нагрузки и изменение перемещения образцов ?D - разницы между перемещениями образцов при нагрузке и разгрузке. На графиках зависимость представлена в виде линейной функции. Приведенные на графиках уравнения представляют с собой: изначальное отклонение от нулевой точки (погрешность исполнения испытаний) и последующие отклонения, вызванная внутренними деформационными процессами материала непосредственно во время проведения испытаний. Графики на рисунках 7а, 7б, 7г, 8а, 8б, 8г, 8д представляют прямую линейную зависимость На рисунках 7в, 7д и 8в можно увидеть неоднородное распределение изменения деформации по амплитудам перед разрушением образцов, которые, скорее всего, вызваны деформацией внутренних слоев образцов.

По проведенным испыатниям на циклическое нагружение с увеличением амплитуды нагрузки были получены следующие результаты:

1) Образец БП-1 разрушился при значении нагрузки [у_разруш]= 203,06 МПа и перемещении [D_разруш]= 3,34 мм, БП-2 [у_разруш]= 189,21 МПа и [D_разруш]= 3,68 мм, БП-3 [у_разруш]= 176,90 МПа и [D_разруш]= 1,45 мм, БП-4 [у_разруш]= 173,73 МПа и [D_разруш]= 1,48 мм, БП-5 [у_разруш]= 169,92 МПа и [D_разруш]= 1,31 мм.

2) Образцы стеклопластика разрушились при следующих значениях: у СП-1 нагрузка, вызвавшая последующее разрушение, составила [у_разруш]= 181,72 МПа при значении перемещении [D_разруш]= 3,16 мм, у СП-2 [у_разруш]= 169,20 МПа и [D_разруш]= 1,31 мм, СП-3 [у_разруш]= 193,23 МПа и [D_разруш]= 1,80 мм, СП-4 [у_разруш]= 183,39 МПа и [D_разруш]= 1,31 мм, СП-5 [у_разруш]= 168,78 МПа и[D_разруш]= 1,21 мм.

У всех образцов разрушение произошло в области сжимающих нагрузок, но при переходе амплитуды нагрузки со сжатия на растяжение. Среднее значение предела прочности у образцов базальтопастиков составило 182,56 МПа, у образцов стеклопластиков - 179,26 МПа.

Размещено на Allbest.ru