CC BY
242
УДК 678
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПРЕПРЕГОВ МАРОК КМКУ И ЛУ/П В ШИРОКОМ ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР В СООТВЕТСТВИИ СО СТАНДАРТОМ А8ТМ Б 6641
Е.В. Кулакова, М.Ю. Воскобойник, А.М. Кудрин
При изучении механических свойств полимерных композиционных материалов (ПКМ) проведен ряд сравнительных испытаний на сжатие образцов на основе углеродного наполнителя с растворным и клеевым связующим в соответствии с А8ТМ Б 6641 с использованием высокотемпературной термокамеры. На основе проведенных испытаний получены характеристики прочностных свойств углепластика и снята зависимость показателей прочности от температуры для испытываемых образцов ПКМ. Выявлено, что образцы ПКМ на основе углеродного наполнителя и клеевого связующего превосходят по прочностным характеристикам углеродные композиты на основе растворного связующего
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, прочностные свойства, стандарт А8ТМ Б 6641
Введение
Конец первой половины ХХ века характеризуется всплеском интереса к углепластикам, которые, благодаря обеспечению высокой прочности и низкой плотности конструкций по сравнению с металлическими изделиями, находят широкое применение в промышленности, в частности в самолетостроении.
Современная авиация, ракетно-космическая техника, судостроение, машиностроение немыслимы без полимерных композитов, применение которых в различных изделиях позволяет снизить вес и, соответственно, сократить расход топлива [1].
При создании ПКМ одной из важнейших задач является получение материала с высокими прочностными характеристиками, удовлетворяющими определенным технологическим требованиям. Благодаря научным разработкам существует большое количество материалов, отличающихся трудоемкостью получения и последующего использования, а так же конечной стоимостью, но при этом, имеющих сходные физико-механические характеристики, что делает их взаимозаменяемыми в определенных условиях эксплуатации.
Среди разнообразных методов анализа прочностных свойств ПКМ статические одноосные механические испытания на сжатие являются наиболее важными и информативными для практических рекомендаций использования ПКМ в определенных видах конструкций.
Настоящая работа посвящена сравнению прочностных свойств ПКМ на основе растворного и клеевого связующего в соответствии со стандартом АБТМ Б 6641[2] в условиях повышенной температуры.
Воскобойник Максим Юрьевич - ВГТУ, инженер, e-mail: mukluyd@gmail.com
Кулакова Елена Владимировна - ВГТУ, лаборант, e-mail: murskaus@mail.ru
Кудрин Алексей Михайлович - ВГТУ, зав. лабораторией, e-mail: nvl.pkm@gmail.com
Целью работы являлось определение прочностных характеристик препрегов марки КМКУ-2М.120.Э0,1.45 на основе клеевого связующего [3] и марки ЛУ/П-0,1А [4] на основе связующего ЭНФБ [5] в широком диапазоне температур.
Методика эксперимента
Для проведения механических испытаний элементарных образцов на сжатие - по заданному технологическому режиму были получены пластины ПКМ методом прямого прессования.
Для получения пластин углепластика раскраивался препрег марки КМКУ-2М.120.Э0,1.45 на основе клеевого связующего и марки ЛУ/П-0,1 А на основе связующего ЭНФБ. Препрег каждой марки собирали в герметичный технологический пакет, который подвергался прессованию на установке Langzauner perfect LZT-UK-25-L.
Согласно технологическим условиям получения ПКМ толщина получившейся пластины углепластика должна была соответствовать значениям, показанным в табл. 1.
Таблица 1
Толщина полученных методом прямого прессова-
ния образцов ПКМ
№ п/п Толщина
Марка препрега пластины
ПКМ, мм
1 КМКУ-2М.120.Э0,1.45 на основе клеевого связующего 1,4
2 ЛУ/П-0,1 А на основе связу- 1,2
ющего ЭНФБ
Из каждой полученной пластины с помощью трехкоординатного фрезерного станка с ЧПУ «Ро-утер» 4230 были изготовлены образцы для механических испытаний на сжатие согласно стандарту АБТМ Б 6641. Образцы представляют собой пластины прямоугольной формы с геометрией, представленной на рис. 1., где И - толщина образца.
Рис. 1. Геометрия плоского образца для испытаний на сжатие ПКМ
Механические испытания на сжатие образцов ПКМ проводились с использованием разрывной машины Instron 5982 с техническими характеристиками, указанными в табл. 2 и оснастки WTF-EL-231 по стандарту ASTM D 6641 [2].
Таблица 2
Основные технические характеристики разрывной машины Instron 5982
№ п/п Параметр Значение
1 Наибольшая предельная нагрузка, кН 100
2 Пределы допускаемой относительной погрешности, % ±0,5
3 Диапазон перемещения траверсы, мм 0-1330
4 Пределы допускаемой погрешности перемещения траверсы, мм 0,02
5 Максимальная скорость перемещения подвижной траверсы, мм/мин 1016
6 Рабочий диапазон температур, 0С +10... +38
7 Относительная влажность, % 10... 90
Толщину и ширину каждого образца измеряли с помощью штангенциркуля с цифровым индикатором типа ШЦЦ-1 с погрешностью (±0,5) мм. Для создания необходимых для испытаний условий окружающей среды была использована термокамера Instron 3119-410 с рабочим диапазоном температур от -1600С до 3600С с погрешностью ±1 0С.
Образцы исследовали в температурном интервале от 20 0С до 150 0С с реперными точками 20 0С, 120 0С и 150 0С. Каждый образец последовательно заправлялся в оснастку и проводилось термостати-рование в течение 15-20 минут в температурной камере.
Испытание образцов на сжатие осуществлялась по изложенной в стандарте ASTM D 6641 процедуре:
1. Геометрические размеры каждого образца
измеряли микрометром с точностью 0,5 мм.
2. Образец помещали в оснастку ,^ГР-БЬ-231 по А8ТМ В 6641.
3. Собранная конструкция помещалась в термокамеру для прогрева в течение 15-20 минут.
4.Устанавливали скорость испытания 1,3 мм/мин.
5. Для испытуемого образца записывали кривую нагрузка-перемещение.
6. Проводили расчет характеристик предела прочности о.
Предел прочности при сжатии о, МПа определяли по формуле:
s
М
h • b
где еЦС - наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, кг и Ь-И - площадь поперечного сечения образца, мм2.
7. Для каждой серии испытаний вычисляли среднее арифметическое всех полученных значений и записывали, как «среднее значение» для предела прочности.
Результаты и обсуждение
В ходе проведения испытаний на сжатие для образцов ПКМ были получены данные их прочностных характеристик, которые представлены в табл. 3 и на рис. 2.
Таблица 3 Результаты испытаний образцов ПКМ
№ п/ п Материал Предел прочности при сжатии ПКМ, среднее значение, МПа
200С 1200С 1500С
1 КМКУ-2М.120.Э0,1.45 732,0 410,0 307,0
2 ЛУ/П-0,1А 571,2 355,9 190,9
га 700
* 500
н
о О т т о
а □
с; си d tu
Q.
300
100
40 SO 120 Температура, С
160
КМКУ
■ЛУ-П
Рис. 2. Температурная зависимость предела прочности при сжатии материалов на основе КМКУ и ЛУ/П
с
Из экспериментальных данных видно, что с увеличением температуры окружающей среды показатели прочности у обоих материалов уменьшаются. Таким образом, наблюдается обратная зависимость показателей прочности от температуры.
Отработка в соответствии с АБТМ Б 6641 методики испытаний на сжатие дает возможность сопоставлять полученные экспериментальные результаты с результатами других лабораторий или научных центров, где проводятся аналогичные испытания различных образцов ПКМ по стандарту АБТМ Б 6641.
Как можно видеть из табл. 3 и рис. 2, ПКМ на основе материала КМКУ-2М.120.Э0,1.45 и клеевого связующего имеет более высокие прочностные свойства по сравнению с ПКМ на основе материала ЛУ/П-0,1А на растворном связующем при высоких температурах.
Таким образом, можно утверждать, что ПКМ на основе материала ЛУ/П-0,1 А на растворном связующем может быть заменен материалом КМКУ-2М.120.Э0,1.45 на основе клеевого связующего в определенных видах конструкций.
Заключение
В соответствии со стандартом АБТМ Б 6641 на основе материалов КМКУ-2М.120.Э0,1.45 на клеевом связующем и ЛУ/П-0,1 А на растворном связующем были получены образцы ПКМ для механических испытаний на прочность при повышенной температуре окружающей среды, выявлена зависимость показателей прочности от температуры для этих материалов, а так же доказана их взаимозаменяемость в определенных условиях эксплуатации конструкций на основе ПКМ.
Информация о механических показателях предела прочности при сжатии ПКМ под воздейст-
вием температуры может быть полезна при подборе материалов для изготовления различных видов изделий или конструкций. Исследование поведения конкретных видов ПКМ под воздействием температуры представляет интерес для разработки высокотемпературных материалов и их внедрения в определенных областях авиапромышленности и самолетостроения.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки в рамках госзадания на НИР университету на 2014 г.
Литература
1. Определение предела прочности на растяжение новых отвержденных безрастворных связующих на эпоксидной основе в соответствии со стандартом ASTM D 638 [Текст] / А. В. Калгин, А. М. Кудрин, А. В. Солоп-ченко, М. Ю. Яблокова // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. -№ 11.1. - С. 47-49.
2. ASTM D 6641 - 01 « Standard test method for determining the compressive properties of polymer matrix composite laminates using a combined loading compression (CLC) test fixture».
3. Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов - Научные публикации сотрудников ВИАМ. - Публикации 2009 года: http://viam.ru/public/files/2009/2009-205397.pdf
4. ГОСТ 28006-88. Лента углеродная конструкционная. Технические условия. М.: Госстандарт Союза ССР: Изд-во стандартов, 1988. 15 с.
5. Технология получения и физико-химичесике свойства препрегов ЛУ-П-0,1 + ЭНФБ и углепластиков на их основе [Текст] / О. А. Караева, А. М. Кудрин, А. В. Калгин, О. В. Овдак // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - № 6. - С. 60-62.
Воронежский государственный технический университет
DETERMINING THE STRENGTH CHARACTERISTICS OF THE POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS BASED ON KMKU AND LU/P PREPREGS IN ACCORDANCE WITH ASTM D 6641
IN A WIDE RANGE OF TEMPERATURES
E.V. Kulakova, M. Yu. Voskobojnik, A.M. Kudrin
In the study of the mechanical properties of polymeric composite materials (PCM), a number of comparative tests on compression-based samples have been performed in accordance with ASTM D 6641, using high-heat chamber. Based on the tests was obtained characteristics of strength properties of carbon plastic and strength parameters, and the temperature dependence of the test PCM specimens. According to the research have been revealed that PCM samples based on carbon filler with hot-melt binder has better performance than carbon composites based on solute binder
Key words: polymer composites materials, mechanical properties, the standard ASTM D 6641
