www.ugnlab.com
 
UGNlab arrow Статьи arrow 6.2 - Основные функциональные свойства волокнистых полимерных композитов
23.01.2018 г.
 
 
Область применения
Испытательные машины
Пробоподготовка
Пластмассы и пластики
Резина и каучук
Упаковка и ПЭТ
Бумага и картон
Пленки и адгезивы
Кабели и проводка
Текстиль и волокна
Строительные материалы
Трубы
Металлы и конструкции
Покрытия, лаки, краски
Климатические испытания
- измеряемые параметры
Измерительные инструменты
Всё оборудование
Новости компании

С 04 по 12 сентября 2016 года в учебном центре GOTECH (DONGGUAN, CHINA), проходил Тренинг для агентов по новому испытательному оборудованию.

Читать дальше...

 
9 июня 2016 года компании «ЮДжиЭнЛаб» (UGNLAB Co., Ltd.) и группа компаний «Черкизово» провела на базе научно-исследовательского центра (НИЦ) "ЧЕРКИЗОВО" Всероссийский научно-практический Cеминар: "Теория и практика испытаний различных конструкционных материалов на газо- и паропроницаемость".
  
Читать дальше...

 

Внимание!!! Информируем Вас, что старый номер тел./факса в нашем офисе 8(495)6697352 был изменен! Новый номер тел./факса: 8(495)240-5101.  

   

Тел./факс: 8(495)437-24-31 НЕДЕЙСТВИТЕЛЕН!

Читать дальше...

 

С 26 по 29 января 2016 года наша компания принимала участие в 19-ой Международной выставке пластмасс и каучука Интерпластика 2016, которая проходила в ЦВК Экспоцентр, Москва.

Читать дальше...

 
Авторизация





Забыли пароль?
Статистика
Посетителей: 15251534
Кто на сайте?
Карта сайта
Карта сайтаПартнерские ссылки

6.2 - Основные функциональные свойства волокнистых полимерных композитов

Печать E-mail

Свойства армированных полимерных материалов принципиально отличаются от свойств других видов материалов: металлических, керамических и других. Они имеют значительно меньшую плотность и более высокие удельные (на единицу массы) механические характеристики. Большинство армированных полимерных материалов являются диэлектриками. Их теплоемкость и теплопроводность близки к таковым показателям для других видов полимерных материалов. Они обладают высокой эксплуатационной стойкостью при действии многих активных сред и других внешних воздействий.

Все виды конструкционных ПВКМ различного назначения (с заданными функциональными свойствами) должны обладать монолитностью и определенными механическими характеристиками. Номенклатура этих показателей установилась за многолетний период развития полимерных материалов, и на основе ее сложился комплекс стандартных методов испытаний, имеющий как национальный, так и международный статус.

Выбор армированных полимерных материалов при изготовлении различных изделий включает оценку большого комплекса показателей их свойств. Испытания армированных полимерных материалов проводятся стандартными методами, часть которых является общей для исследования как обычных конструкционных полимерных материалов, так и армированных композитов, а также полимерных матриц.

Следует обратить внимание на то, что изготовление образцов для испытаний волокнистых полимерных композитов имеет существенную специфику. Анизотропно армированные волокнистые композиты имеют анизотропию механических и физических свойств, что требует подготовки образцов и проведения испытаний в различных направлениях по отношению к преимущественному(ым) направлению(ям) армирования. Некоторые виды волокнистых полимерных композитов требуют специальных методов подготовки образцов вследствие возможности возникновения дефектов на поверхности (а иногда и в их объеме).

Основные методы испытаний волокнистых полимерных композитов суммированы в табл. 1 по соответствующим стандартам и литературным источникам.

Таблица 1. Основные принципы определения показателей механических и термических характеристик волокнистых полимерных композитов

 

<!--[if !vml]-->Image
<!--[endif]-->

Ер; σ*р; ε*р; m Для однонаправленных образцов все показатели испытываются в двух направлениях: (||) и (^)

<!--[if !vml]-->Image
<!--[endif]-->

σ*сж

<!--[if !vml]-->Image
<!--[endif]-->

Еи; σ*и

<!--[if !vml]-->Image
<!--[endif]-->

Е(||); Gсд(||)

<!--[if !vml]-->Image
<!--[endif]-->

σ*сд (||)

<!--[if !vml]-->Image
<!--[endif]-->

Ер(||); σ*р(||)

<!--[if !vml]-->Image
<!--[endif]-->

Gкр(||); Ер(^); σ*р (^)

<!--[if !vml]-->Image
<!--[endif]-->

σкл

<!--[if !vml]-->Image
<!--[endif]-->

d=5 мм; P=981 H

НB

<!--[if !vml]-->Image
<!--[endif]-->

V=1 м/с

Jуд

<!--[if !vml]-->Image
<!--[endif]-->

h = 6 мм

σиз = 49 МПа; dt/dτ = 1 град./мин.; tм

<!--[if !vml]-->Image
<!--[endif]-->

h = 1 мм

S = 1 мм2; Р=98 Н; dt/dτ = 2 град./мин.; tв

Принятые в таблице обозначения при оценке функциональных свойств: Ер, ε*р, σ*р, m - модуль упругости, удлинение при разрыве, разрушающее напряжение, коэффициент Пуассона при растяжении; σ*сж - разрушающее напряжение при сжатии; Еи, σ*и - модуль упругости, разрушающее напряжение при изгибе; σ*сд (||) - прочность при межслоевом сдвиге; σ*р (||) - разрушающее напряжение при осевом растяжении кольцевого образца; Gкр(||), Ер(^), σ*р (^) - модуль упругости при кручении и растяжении и разрушающее напряжение при растяжении в трансверсальном (поперечном) направлении к направлению армирования; σкл - прочность при межслоевом раскалывании; НB - твердость по Бринеллю; Jуд - ударная вязкость; tМ - теплостойкость по Мартенсу при напряжении изгиба sиз=5 МПа и скорости подъема температуры dt/dt=1 град/мин (оценивается по прогибу образца в виде стандартного бруска на величину, равную 6 мм; tв- теплостойкость по Вика при площади индентора S = 1 мм2, нагрузке на индентор Р = 50 Н и скорости подъема температуры dt/dt=2 град/мин (оценивается по вдавливанию индентора на 1 мм).

В зависимости от вида армирующего волокнистого наполнителя некоторые волокнистые полимерные композиты испытываются по специфическим методам: определения показателей межслоевого сдвига (изгиб короткой балки), сопротивления раскалыванию слоистого композита, механических свойств кольцевых намотанных образцов и некоторым другим специфическим методам механических испытаний.

Важнейшими показателями всех видов армированных полимерных материалов, в первую очередь конструкционного назначения, являются их деформационные и прочностные свойства, а также термические характеристики. Для анизотропно армированных материалов важно определение показателей свойств в различных направлениях по отношению к направлениям армирования.

По деформационным свойствам и разрушающему напряжению при разрыве можно составить первичное мнение о многих других механических свойствах композита, в последующем более полно оцениваемым по показателям, приведенным в приложении. Все механические характеристики зависят от температуры.

 

Накопление дефектов и разрушение волокнистых полимерных композитов.

В полимерных волокнистых композитах уже в процессе их получения образуются различные виды неоднородностей структуры и дефектов, влияющих на их свойства и являющихся местами локализации процесса разрушения. Во время эксплуатации композиционных материалов и изделий в них накапливаются дополнительно различные виды дефектов под влиянием внешних воздействий - температуры, физических полей, действия влаги и других сред. Все эти воздействия усиливаются одновременным действием механических напряжений и температуры. Накопление повреждений в волокнистых полимерных композитах происходит на всех структурных уровнях. Кинетика накопления повреждений под влиянием каждого вида воздействия (рост дефектности) обычно происходит по экспоненциальной зависимости, определяемой тем, что элементарные акты возникновения дефектов (разрушения) являются необратимыми и, соответственно, они складываются, что, в конце концов, приводит к нарушению сплошности (монолитности) и разрушению материала/изделия. Процесс разрушения определяется с возникновения трещин, начинающихся в наиболее дефектных местах и развивающихся по механодеструктивным реакциям, протекающим по радикальному механизму. Одна из трещин перерастает в магистральную трещину, растущую также по свободно-радикальному механизму с полным нарушением монолитности - разрушением материала/изделия.

При выборе определенного вида композита наряду с определением механических свойств волокнистых полимерных композитов при различных условиях нагружения важную информацию для оптимизации выбора исходных компонентов, условий получения и применения композитов дает анализ особенностей их разрушения. Фрактография поверхности разрушения показывает «слабые места» в композите (это часто места нарушений адгезионного контакта) и в ряде случаев позволяет устранить или уменьшить их влияние на свойства композита.

Характер разрушения волокнистых полимерных композитов весьма различен и принципиально отличается от других видов полимерных материалов. В зависимости от вида армирующих волокон и волокнистого наполнителя (соответственно ориентации волокон) и анизотропии их механических свойств прорастание трещин при разрушении весьма различно.

Картина разрушения различных типов армированных полимерных материалов неодинакова:

  • стеклопластики разрушаются таким образом, что трещина проходит по матрице (связующему), иногда затрагивая поверхность раздела фаз в местах дефектов на этой границе; концы волокон обнажаются на величину, в среднем соответствующую половине критической длины, определяемой адгезионным взаимодействием;
  • при разрушении углепластиков трещина проходит в поперечном направлении к направлению армирования, в средней части образца остается несколько выступающая/углубленная зона разрушения;
  • при разрушении арамидопластиков трещина проходит как по матрице, так и по волокнам; это связано с тем, что высокопрочные параарамидные волокна обладают высокой анизотропией свойств (высокие показатели вдоль оси и низкие - в поперечном к ней направлении), их когезионная прочность невысока: сопоставима с адгезионной прочностью или ниже нее.

Рассмотрение характера разрушения композитов играет важную роль для понимания, насколько оптимизировано решение вопросов адгезии компонентов в готовом композите. Остановимся на особенностях разрушения композитов, армированных параарамидными волокнами, поскольку их роль как армирующего компонента в высоконагруженных композитах стала важной из-за меньшей их плотности и высоких механических свойств при растяжении. Они во многих случаях потеснили стеклоармированные композиты в изделиях, где важнейшую роль играют удельные механические свойства - в транспортных средствах и, особенно, летательных аппаратах.

При рассмотрении структуры и свойств волокон из линейных полимеров отмечалась высокая анизотропия их структуры и свойств, приводящая к относительно легкой их фибриллизации при разрушении. Это особенно характерно для параарамидных волокон на основе ПФТА и ПГА (терлон, тварон, кевлар, СВМ, русар, армос). Такая особенность разрушения сказывается и на адгезионном взаимодействии с термореактивными матрицами. Отмечено расслоение волокон при определении адгезии по методу «выдергивания» одиночного волокна из склейки со связующим и разрушение не по адгезионному слою, а путем выдергивания волокна таким образом, что прилегающий к матрице слой волокна остается связанным с ней. Для параарамидных филаментов фактически оценивается не адгезия волокна к термореактивной матрице, а когезионная прочность волокна.

Вследствие высокой анизотропии и фибриллизации при разрушении композиционные материалы на основе параарамидных нитей прекрасно работают на растяжение, но имеют невысокие показатели механических свойств на сжатие и сдвиг. Изучению повышения поперечной прочности параарамидных филаментов посвящено немало работ. Однако оказалось, что внедрение в надмолекулярную структуру сшивающих реагентов приводит к снижению механических свойств в осевом направлении. Таким образом, эта проблема пока не решена. Некоторого повышения прочности на сдвиг и сжатие арамидопластиков удалось получить путем применения гибридных армирующих наполнителей или в состав полимерной матрицы игольчатых кристаллов. Однако кардинального решения проблемы добиться не удалось.

 

Фрикционные свойства армированных полимерных материалов

Фрикционные свойства полимерных материалов характеризуются несколькими показателями, среди которых определяющими являются коэффициенты трения, характеристики износа и температурные пределы эксплуатации. Фрикционные свойства определяются взаимодействием полимерных материалов с контртелами в зоне непосредственного контакта. Обычно эта оценка проводится на основе фрикционных характеристик при контакте с полированной сталью.

Фрикционное взаимодействие полимерных материалов с контртелом определяется несколькими факторами, среди которых необходимо назвать межмолекулярные и электростатические силы; местную деформацию материала в зоне контакта с контртелом; усталостное разрушение в зоне многократных деформаций; зацепление и срез неровностей.

Различают три основных вида трения: сухое трение, определяемое непосредственным контактом полимерного материала и контртела; трение в переходной области при незначительном содержании жидкости в зоне фрикционного взаимодействия; жидкостное (гидродинамическое трение), когда трущиеся поверхности разделены прослойкой жидкости. В зависимости от условий трения различают также статическое (трение покоя) и динамическое трение, характеризуемые несколько различающимися статическим (mс) и динамическим (mд) коэффициентами трения.

Для сухого трения различных фрикционных пар с участием полимерных материалов установлена примерная пропорциональность коэффициентов трения от силы нормального давления, выражаемая законом Кулона:

 

Fтр µ·Pn+Q

 

где Fтр - сила трения; Pn - сила нормального давления; Q - усилие зацепления.

В некоторых случаях усилие зацепления незначительно, и тогда приведенная зависимость превращается в закон Амонтона:

 

Fтр µ·Pn

 

Для описания жидкостного трения (в динамических условиях) для коэффициента трения mд используется его зависимость от фактора трения b, выражаемого формулой:

 

Β = xηж/Pn

 

где u - скорость перемещения; hж - вязкость жидкости.

Фрикционный износ полимерных материалов происходит по двум основным механизмам: абразивный износ (срезание материала в зоне фрикционного контакта) и усталостное разрушение при многократных местных деформациях.

Интенсивность фрикционного износа Jтр зависит от ряда факторов - динамического коэффициента трения mд, силы нормального давления Pn, температуры, числа циклов перемещения (или времени) и других факторов:

Jтр µдq  и Jтр ≈ Pn(1+σq)

где q - коэффициент усталости материала, равный 1,5-1,6; d - коэффициент шероховатости поверхности контртела.

 

Существенное влияние на процесс износа полимерного волокнистого композита оказывает его жесткость (модули деформации при сжатии E и сдвиге G).

Приведенные зависимости позволяют описать основные фрикционные свойства волокнистых ПКМ в различных условиях их применения в узлах трения.

Среди армированных полимерных материалов следует выделить три основные группы по их фрикционным характеристикам:

  • конструкционные композиты, не предусмотренные специально для работы в узлах трения, имеющие коэффициенты трения по стали в пределах m 0,2-0,3;
  • антифрикционные волокнистые композиты для длительного использования в узлах трения (например, подшипниках), имеющие коэффициенты трения в пределах m 0,1-0,2 и минимальный износ; некоторые виды антифрикционных композитов имеют еще более низкие коэффициенты трения (0,03-0,1), что характерно для фторполимерных пластиков;
  • специальные виды фрикционных материалов, являющихся многокомпонентными волокнистыми композитами с коэффициентами трения по стали в пределах m 0,4-0,5; к ним предъявляются высокие требования по термостойкости (в узлах трения может развиваться температура до 500 °С и выше) и минимизации фрикционного износа; они применяются в тормозных устройствах, муфтах сцепления и др.

 

Подробнее см. книгу «Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты», вышедшую в издательстве «Научные основы и технологии».

 

 
« Пред.   След. »
 
Top! Top!
Яндекс цитирования Rambler's Top100