CC BY
86
УДК 532.135
DOI: 18.101/2306-2363-2019-2-3-12-19
УГЛЕПЛАСТИКИ: ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
© В. Н. Манхиров
аспирант,
Институт физического материаловедения СО РАН 670031, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6 Е-mail: mankhrov93@mail.ru
© А. В. Номоев
доктор физико-математических наук,
заведующий лабораторией физики композитных материалов, Институт физического материаловедения СО РАН 670031, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6 Е-mail: nomoevav@mail.ru
© В. В. Сызранцев
кандидат физико-математических наук, заместитель директора по научной работе, Институт физического материаловедения СО РАН 670031, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6
© О. Ж. Аюрова
кандидат технических наук, научный сотрудник,
Байкальский институт природопользования СО РАН 670031, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6 Е-mail: chem88@mail.ru
Изготовлены образцы углепластика по технологии вакуумной инфузии и проведены эксперименты по определению его механических свойств. Образцы изготовлены из карбонового полотна, пропитанного эпоксидной смолой. Рассчитаны геометрические размеры образцов для испытания на прочность при растяжении, сжатии, измерен модуль Юнга в соответствии с ГОСТом для проведения механических испытаний композитных полимеров. Экспериментально определены механические свойства углепластика и проведен анализ полученных результатов.
Ключевые слова: углепластик; карбон; эпоксидный полимер; модуль Юнга; прочность на сжатие; вакуумная инфузия; наноразмерные частицы.
Для цитирования
Манхиров В. Н., Номоев А. В., Сызранцев В. В., Аюрова О. Ж. Углепластики: технология получения и определение механических характеристик // Вестник Бурятского государственного университета. Химия. Физика. 2019. Вып. 2-3. С. 13-21.
Углепластики на основе карбоновых волокон обладают уникальными механическими свойствами и находят применение во многих отраслях промышленности. Кроме этого, изделия из углепластика отличаются длительным сроком
эксплуатации [1, 2]. Основой углепластика (карбона) являются нити углерода, из которых плетется карбоновое полотно разного рисунка. Для придания материалу объемной твердой формы слои полотна соединяются между собой с помощью эпоксидных смол. Эпоксидная смола в сочетании с полотном придает сформированным образцам такие свойства, как водостойкость, механическая прочность [3]. Достаточно короткое время отвердевания — также одно из важных свойств эпоксидных полимеров.
В последнее время для дополнительного изменения механических свойств углепластик модифицируют различными, в том числе наноразмерными добавками [4].
Целью настоящей работы являлось изготовление образцов углепластика по технологии вакуумной инфузии и проведение экспериментов по определению механических свойств углепластика.
Методика эксперимента
В настоящей работе углепластик создавался методом вакуумной инфузии. Для соединения слоев карбонового полотна использовалась эпоксидная смола ЭД 20. Для определения прочности на растяжение, сжатие, модуль Юнга углепластика использовалась универсальная машина 66 — испытательное оборудование для оценки механических свойств материалов.
Эксперименты проводились по следующим последовательности и условиям:
- расчет геометрических характеристик образцов углепластика для испытания на прочность на растяжение, сжатие, модуль Юнга;
- определение минимальных размеров на испытание образцов углепластика используя характеристики Инстрона-66, ГОСТа на композитные материалы и литературные данные;
- изготовление образцов согласно расчетным параметрам;
- выявление следующих параметров для испытаний образцов на механические свойства: начальная нагрузка, скоростей растяжения и сжатия;
- обеспечение безопасности при испытаниях на прочность;
- определение: прочности на растяжение углепластика с продольным плетением волокон из углеткани с эпоксидной смолой; прочности на сжатие углепластика с поперечным плетением из углеткани с эпоксидной смолой; модуля Юнга углепластика с эпоксидной смолой для двух типов плетений.
Технология изготовления углепластика (карбона)
Ниже рассмотрены основные этапы изготовления углепластика из карбоно-вой ткани и эпоксидной смолы. Листы углеткани послойно накладываются друг на друга, количество слоев зависит от того, какая толщина изделия нужна (рис. 1а). На верхний слой накладывается жертвенная ткань и направляющая сетка (рис. 1б). Многослойный сэнвдич, сформированный таким образом, помещается в специальный герметичный полиэтиленовый пакет. К пакету подсоединены мембранные трубки и вакуумный насос (рис. 1в). В результате работы насоса
происходит откачка воздуха из пакета, что обеспечивает отсутствие воздуха между слоями.
Рис. 1. Фото: а — листы углеткани; б — жертвенной ткани с направляющей сеткой, видны трубки для откачки воздуха и ввода смолы в пакет; в — листы углеткани, размещенные в герметичном полиэтиленовом пакете
Далее, через трубку в изделие вводится эпоксидная смола. После процесса полимеризации в сушильном шкафу при температуре 1500С создается готовое углепластиковое изделие.
Результаты экспериментов и их анализ
Для определения механических свойств на растяжение углепластиков, было изготовлено пять образцов с продольным и пять образцов с поперечным плетением (рис. 2а), имеющих одинаковые размеры, а для определения свойств на сжатие — по пять образцов с продольным плетением и такое же количество образцов с поперечным плетением, с меньшим размером (рис. 2б). Образцы поочередно фиксировались в зажимах машины 1пйгоп-66. Затем образцы проходили проверку на прочность при одинаковой начальной нагрузке ^ = 20 Н) и скорости (у =1 мм/мин) как при растяжении, так и при сжатии. Целостность образцов определялась визуальным способом. По данным зависимости растяжения от приложенной нагрузки вычислялся модуль Юнга образцов.
Рис. 2а. Фото образцов углепластика для экспериментов на растяжение с длиной 250 мм, шириной 20 мм, толщиной 2.3 мм (поперечное (верх) и продольное (низ) плетение). Длина образца между зажимами 10 = 100 мм
Рис. 2б. Фото образцов для экспериментов на сжатие с длиной 50 мм, шириной 10 мм, толщиной 2.3 мм. Длина образца между зажимами !0 = 50 мм.
Вычисление модуля Юнга углепластиков с продольным плетением нитей при их растяжении.
Определялся модуль Юнга без разрушения образца с продольным плетением нитей при их растяжении — это тангенс угла наклона прямой в координатах нагрузка — перемещение (упругий модуль Юнга).
Для образцов 1-6 (рис. 3) получены следующие результаты (табл. 1).
Изменение прямо пропорциональной зависимости на кривых происходит вследствие чрезмерно большой нагрузки на траверсы (зажимы) в которых закреплены образцы высокой твердости с продольным расположением нитей ткани из карбонового волокна. Поэтому не удалось определить предел прочности на растяжение и модуль Юнга при разрушении данных образцов. Достигнутое в эксперименте максимальное значение напряжения по кривой напряжение-растяжение (рис. 3) дает значение о = 30 кН/(20-2.3 мм2) = 650 МПа. Визуальный осмотр образцов показал, что их целостность после проведения экспериментов не была нарушена.
Таблица 1
Результаты определения модуля Юнга при растяжении
Номер образца 8, мм ^ Н о, МПа Е, МПа
1 0,4 1797 39,065 9766
2 1 4767 103,63 10363
3 1 4795 104,24 10424
4 1 4687 101,89 10189
5 1 4706 102,3 10230
6 1 4132 89,826 8982,6
Eсреднее = 10 + 0,5 ГШ. Для сравнения: Еполистирол = 2,1 ГШ, Емедь = 110 ГШ, Есталь =
190-210 ГПа.
Образцы с 1 по 6
зоооо--------г—
О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Перемещение [тт]
Рис. 3. Зависимость нагрузки на образцы углепластиков с продольным плетением нитей от перемещения при их растяжении.
Вычисление модуля Юнга при сжатии углепластиков с продольным плетением нитей
Определялся модуль Юнга без разрушения образца — это тангенс угла наклона прямой в координатах нагрузка — перемещение (модуль упругой области кривой. Результаты измерений представлены на рис. 4. Для образцов 1-4 получены следующие результаты (табл. 2).
Таблица 2
Результаты определения модуля Юнга при сжатии
Номер образца 8, мм ^ Н о, МПа Е, МПа
1 0,167 1511 65,69 19669
2 0,167 1530 66,52 19917
3 0,167 1533 66,65 19956
4 0,167 1519 66,04 19773
Eсреднее = 19,83 + 0,1 ГПа. Максимальное значение напряжения 01^ = 182 МПа.
ГОСТ 12801-98
Образцы с 1 по 4
О 1 2 3 А 5 6
Перемещение [тт]
Рис. 4. Зависимость нагрузки на образцы углепластиков с продольным плетением нитей при их сжатии
Определение механических свойств углепластиков при сжатии и растяжении с поперечным плетением нитей.
На рис. 5 представлены результаты по испытанию углепластиков на растяжение с поперечным плетением нитей. Для образцов 1-3 (рис.5) получены следующие результаты (табл. 3):
Таблица 3
Результаты испытаний углепластика на растяжение
Номер образца 8, мм ^ Н о, МПа Е, МПа
1 1 675 14,67 1467
2 1 662 14,39 1439
3 1 623 13,54 1354
Есреднее = 1,42 + 0,05 ГПа
Образцы с I по 6
2Ь!С -- -- -
Рис. 5. а — зависимость нагрузки на образцы углепластиков с поперечным плетением нитей от перемещения при их растяжении; б — фото углепластика после разрушения
Таблица 4
Результаты испытаний углепластика на сжатие
Номер образца 8, мм F, Н о, МПа Е, МПа
1 0,391 1002 43,56 5571
2 0,391 998 43,39 5548
3 0,391 1012 44,0 5627
4 0,391 1028 44,69 5715
Есреднее = 5,615 + 0,06 ГПа. Максимальное значение напряжения Ошах = 210 МПа.
Рис. 6. а — зависимость нагрузки на образцы углепластиков с поперечным плетением нитей от перемещения при их сжатии; б — фото углепластика после разрушения.
Прочность на растяжение и на сжатие углепластиков значительно меньше, по сравнению с образцами с поперечным плетением нитей.
На рис. 6 представлены результаты по испытанию углепластиков на сжатие с поперечным плетением нитей. Для образцов 1-4 получены следующие результаты, представленные в табл. 4.
Выводы
Освоена технология изготовления углепластика методом вакуумной инфу-зии из карбоновой ткани с наполнением эпоксидной смолой.
Проведенные эксперименты показали, что углепластик с продольным плетением нитей обладает значительно большим модулем Юнга и прочностными характеристиками по сравнению с образцом с поперечным плетением.
Работа выполнена в рамках государственного задания Института физического материаловедения СО РАН № 01201366187.
Литература
1. Донецкий К. И., Коган Д. И., Хрульков А. В. Свойства полимерных композиционных материалов, изготовленных на основе плетеных преформ // Труды ВИАМ. — 2014. — № 3. — С. 17-23
2. Молчанов Б. И., Гудинов М. М. Свойства углепластиков и области их применения // Авиационная промышленность. — 1997. — № 3-4. — С. 58-60.
1. Кирова Е. С., Нилов А. П. Нанопорошки из оксидов металлов. — 2014. http://sdamzavas.net/3 -69746.html
2. https://studfiles.net/preview/6382292/page:2/
3. https://ustroistvo-avtomobilya.ru/e-kspluatatsionny-e-materialy/ugleplastiki/ newnano.ru/entsciklopediya/nanotehnologiya/dioksid-kremniya.html
4. https://artex-fabric.com/articles/157-st-carbon.html
5. http://recn.ru/epoksidnaya-smola-primenenie-i-svojstva
CARBON PLASTIC: TECHNOLOGY OF PRODUCTION AND DETERMINATION OF MECHANICAL CHARACTERISTICS
М. N. Mankhirov Postgraduate
Institute of Physical Materials Science SB RAS E-mail: mankhrov93@mail.ru
A. V. Nomoev
Doctor of Physical and Mathematical Sciences
Head of the laboratory of Physics of Composite Materials
Institute of Physical Materials Science SB RAS
670047, Sakhyanova 6, Ulan-Ude
E-mail: nomoevav@mail.ru
V. V. Syzrantsev
Candidate of Physical and Mathematical Sciences Deputy Director
Institute of Physical Materials Science SB RAS 670031, Ulan-Ude E-mail: vveliga@mail.ru
O. Zh. Ayurova
Candidate of Technical Sciences Research fellow
Baikal Institute of Nature Management SB RAS Sakhyanova str., 6, Ulan-Ude, 670047 E-mail: chem88@mail.ru
Samples of carbon plastics were made using vacuum infusion technology and experiments were carried out to determine the mechanical properties of carbon plastics. Carbon plastics samples contain a carbon fiber web filled with epoxy resin. Geometrical dimensions of the samples for tensile and compressive strength tests and Young modulus in accordance with GOST to carry out mechanical tests of composite polymers were calculated. The mechanical properties of carbon plastics were experimentally determined and the obtained results were analyzed.
Keywords: carbon plastics; carbon; epoxy polymer; Young modulus; compressive strength; vacuum infusion; nanoscale particles.
