| Тип испытания | Стандарт | Длина, мм | Ширина, мм | Толщина, мм | Особенности |
|---|---|---|---|---|---|
| Растяжение 0° | ГОСТ 25.601-80, ASTM D3039 | 250 | 25 | 1-2 | Накладки 90-100 мм, рабочая база 150 мм |
| Растяжение 90° | ГОСТ 25.601-80, ASTM D3039 | 175 | 25 | 2-2.5 | Накладки 40-50 мм |
| Сжатие | ГОСТ 25.602-80, ASTM D3410 | 140-155 | 6.4-12.7 | 2-4 | Накладки без фаски, рабочая база 12-25 мм |
| Изгиб | ГОСТ 25.604-82, ASTM D7264 | 100-130 | 13-25 | 2-4 | Соотношение длины к толщине 16:1 |
| Межслоевой сдвиг | ISO 14130, ASTM D2344 | 20-40 | 10-15 | 2-4 | Метод короткой балки, L/h = 4-5 |
| Метод резки | Преимущества | Недостатки | Рекомендации |
|---|---|---|---|
| Абразивная гидроструйная резка (AWJ) | Отсутствие теплового воздействия, чистый рез, минимальное расслоение, подходит для всех типов композитов | Риск расслоения при прокалывании, требует настройки давления, более высокая стоимость | Давление 300 МПа, скорость подачи 20-60 мм/мин, использование предварительного сверления отверстий |
| Алмазная пила | Точность реза, хорошее качество кромки, доступность оборудования | Выделение тепла, возможна деламинация, образование пыли | Скорость вращения 2000-4000 об/мин, подача охлаждающей жидкости обязательна |
| Фрезерование (ЧПУ) | Высокая точность, автоматизация процесса, возможность сложных контуров | Нагрев зоны реза, износ инструмента, риск вытягивания волокон | Твердосплавные фрезы с алмазным покрытием, охлаждение сжатым воздухом, скорость подачи 1-3 м/мин |
| Ленточная пила | Низкая стоимость, простота использования, подходит для предварительной нарезки | Невысокая точность, деламинация кромок, выделение пыли | Только для предварительной резки с припуском 2-3 мм, последующая доработка обязательна |
| Параметр | Требование | Обоснование |
|---|---|---|
| Материал накладок | Стеклопластик E-glass/эпоксид, ортогональное плетение | Модуль упругости ниже или равен образцу, предотвращает концентрацию напряжений |
| Толщина накладок | 1.5-2.0 мм | Оптимальный баланс между жесткостью и стоимостью материала |
| Длина накладок (растяжение) | 40-100 мм для 0°, 40-50 мм для 90° | Обеспечение равномерного распределения нагрузки от захватов |
| Угол фаски накладок | 20-30° для растяжения, 90° для сжатия | Снижение концентрации напряжений в зоне окончания накладки |
| Клеевой шов | Эпоксидный клей, прочность на сдвиг >30 МПа, толщина 0.5-1.3 мм | Передача нагрузки через сдвиг, предотвращение проскальзывания |
| Подготовка поверхности | Шлифование абразивом 180-220 или пескоструйная обработка | Улучшение адгезии клеевого соединения |
| Ориентация волокон накладки | Совпадает с ориентацией волокон образца | Предотвращение расслоения на границе накладка-образец |
Оглавление статьи
Нормативные требования к подготовке образцов
Изготовление контрольных образцов композитных материалов регламентируется комплексом российских и международных стандартов. Базовым документом для подготовки плоских композитных панелей служит ГОСТ Р 56813-2015, который является модифицированной версией стандарта ASTM D5687. Этот стандарт распространяется на материалы с органическими матрицами с однонаправленным армированием волокна и ортогональным профилем переплетения.
Для различных видов механических испытаний применяются специализированные стандарты серии ГОСТ 25.6ХХ. Испытания на растяжение проводятся согласно ГОСТ 25.601-80 и его международному аналогу ASTM D3039, определяющим геометрию образцов, методику закрепления и параметры нагружения. Для испытаний на сжатие используется ГОСТ 25.602-80, соответствующий ASTM D3410, а испытания на изгиб регламентированы ГОСТ 25.604-82 и ASTM D7264.
Важная информация
Лаборантам необходимо учитывать, что геометрия образца напрямую влияет на достоверность результатов испытаний. Отклонения от номинальных размеров могут привести к концентрации напряжений и преждевременному разрушению вне расчетной зоны.
Международные стандарты ISO также широко применяются в практике испытаний композитов. ISO 527 регламентирует определение свойств при растяжении пластмасс, ISO 178 применяется для испытаний на изгиб, а ISO 14126 устанавливает методики испытаний на сжатие армированных волокнами полимерных композитов. Для определения межслоевой прочности при сдвиге методом короткой балки используется ISO 14130, аналогичный ASTM D2344.
Правила вырезки образцов из композитных панелей
Выбор метода резки в зависимости от типа композита
Абразивная гидроструйная резка представляет собой оптимальный метод для большинства типов композитных материалов. Технология основана на воздействии высоконапорной струи воды с абразивными частицами, что обеспечивает холодную обработку без образования зоны термического влияния. Рабочее давление системы составляет 300 МПа, а скорость подачи варьируется от 20 до 80 мм/мин в зависимости от толщины и типа материала.
Критическим аспектом гидроструйной резки является предотвращение расслоения при прокалывании материала. При первом проникновении струи в композит высокое давление может вызвать разрушение связующего между слоями армирования. Для минимизации этого эффекта применяется предварительное сверление начальных отверстий малого диаметра или используется режим пониженного давления с последующим плавным выходом на рабочие параметры.
Технологическое предупреждение
При резке углепластиков абразивной гидроструей необходимо контролировать расслоение в зоне выхода струи. Рекомендуется применять подложку из мягкого материала под нижней поверхностью детали для предотвращения эффекта выдавливания последних слоев.
Резка алмазными дисковыми пилами широко применяется в лабораторной практике благодаря доступности оборудования и относительной простоте процесса. Диски с алмазным напылением или твердосплавными сегментами обеспечивают чистый рез при условии правильного подбора режимов резания. Оптимальная скорость вращения диска составляет 2000-4000 об/мин при линейной скорости подачи 0.5-2 м/мин.
Особенности механической обработки кромок
После первичной резки кромки образцов требуют дополнительной обработки для удаления дефектов и достижения требуемой чистоты поверхности. Фрезерование с использованием твердосплавных фрез с алмазным покрытием позволяет получить кромку с шероховатостью Ra менее 3.2 мкм. Скорость резания должна составлять 100-200 м/мин при подаче 0.05-0.1 мм/зуб.
Принципиальное значение имеет направление движения инструмента относительно ориентации волокон. При попутном фрезеровании вдоль волокон минимизируется риск их вытягивания из матрицы. Охлаждение зоны резания должно осуществляться сжатым воздухом, так как применение жидкостных СОЖ может привести к впитыванию влаги композитом.
Ориентация волокон и схемы укладки
Определение направления армирования
Для однонаправленных композитов критически важно точное определение направления укладки волокон перед вырезкой образцов. В случае ленточных препрегов направление волокон совпадает с продольной осью ленты. Для тканых материалов с ортогональным переплетением необходимо идентифицировать основу и уток, что можно выполнить визуально по плотности нитей или с помощью микроскопического анализа.
Маркировка направления волокон на панели перед резкой выполняется несмываемым маркером. Для крупных панелей рекомендуется наносить координатную сетку с указанием углов 0°, 90° и ±45° относительно основного направления армирования. Это особенно важно при изготовлении серии образцов с различной ориентацией для определения анизотропии свойств.
Влияние ориентации на механические свойства
Композиты с однонаправленным армированием демонстрируют кардинальные различия в свойствах при испытаниях вдоль и поперек волокон. Образцы с ориентацией 0° (вдоль волокон) показывают максимальные значения прочности и модуля упругости, которые могут превышать соответствующие характеристики при ориентации 90° в 10-20 раз для углепластиков и в 5-8 раз для стеклопластиков.
Техническая справка
При испытаниях многослойных ламинатов важно документировать схему укладки слоев. Например, обозначение [0/90/±45]s указывает на симметричный ламинат с последовательностью слоев 0°, 90°, +45°, −45°, −45°, +45°, 90°, 0° относительно срединной плоскости.
Для квазиизотропных ламинатов применяются схемы укладки типа [0/±60] или [0/±45/90], обеспечивающие относительно равномерные свойства в плоскости материала. Толщина каждого слоя в препрегах обычно составляет 0.125-0.25 мм. Согласно ASTM D3039, рекомендуемая толщина испытательных образцов составляет 1 мм для однонаправленных композитов с ориентацией 0°, 2 мм для ориентации 90° и 2.5 мм для многослойных ламинатов.
Подготовка поверхности и приклеивание накладок
Технология изготовления торцевых накладок
Торцевые накладки предназначены для защиты образца от повреждения в зажимах испытательной машины и обеспечения равномерного распределения нагрузки. Материалом накладок служит стеклопластик на основе стеклоткани E-glass с ортогональным плетением и эпоксидной матрицей. Важным требованием является соответствие модуля упругости накладок модулю испытываемого материала в направлениях, перпендикулярных оси образца.
Геометрия накладок определяется типом испытания. Для растяжения однонаправленных высокопрочных композитов длина накладок составляет 90-100 мм при толщине 1.5-2.0 мм. Угол фаски на концах накладок варьируется от 20° до 30° для снижения концентрации напряжений в зоне окончания накладки. При испытаниях на сжатие применяются накладки без фаски с прямоугольным торцом для минимизации продольного изгиба в рабочей зоне.
Процедура приклеивания и отверждения
Подготовка склеиваемых поверхностей начинается с механической обработки. Поверхности образца и накладок шлифуются абразивной бумагой зернистостью 180-220 до появления матовой текстуры. Альтернативным методом является пескоструйная обработка с использованием корунда фракцией 0.3-0.5 мм при давлении 0.3-0.4 МПа. После механической обработки поверхности обезжириваются изопропиловым спиртом или ацетоном.
В качестве клеевого состава применяются двухкомпонентные эпоксидные клеи с прочностью на сдвиг не менее 30 МПа. Пленочные клеи типа AF 163-2K обеспечивают контролируемую толщину клеевого шва 0.1-0.2 мм и требуют отверждения при температуре 120-180°C под давлением 0.2-0.5 МПа. Пастообразные клеи холодного отверждения позволяют избежать термического воздействия на образец, но требуют контроля толщины шва с помощью калиброванных проволочных прокладок или дистрибьюционной сетки.
Критическое замечание
При использовании клеев горячего отверждения необходимо убедиться, что температура отверждения клея не превышает температуру стеклования испытываемого композита. В противном случае возможна деградация механических свойств образца.
Фиксация накладок в процессе отверждения клея выполняется с применением специальных приспособлений. Типовая оснастка представляет собой алюминиевую плиту с установочными штифтами для обеспечения точности позиционирования. Образец размещается между накладками, покрытыми клеем, и прижимается верхней плитой. Равномерность давления контролируется по выступающему из-под накладок клею.
Контроль качества изготовления образцов
Геометрический контроль
Размерный контроль образцов выполняется с использованием штангенциркулей с точностью измерения 0.01 мм и микрометров для контроля толщины. Длина и ширина образца измеряются в трех точках вдоль каждого размера, отклонения не должны превышать ±0.5 мм от номинала. Толщина контролируется в пяти точках рабочей зоны, допустимое отклонение составляет ±0.1 мм.
Параллельность противоположных кромок проверяется измерением ширины на концах и в центре образца. Отклонение от параллельности не должно превышать 0.2 мм на длине образца. Перпендикулярность торцов контролируется с помощью угольника, допустимое угловое отклонение составляет не более 1°.
Визуальный и инструментальный контроль дефектов
Кромки образцов осматриваются под увеличением 10× для выявления расслоений, сколов, вытянутых волокон и других дефектов механической обработки. Наличие расслоений глубиной более 0.5 мм или протяженностью более 2 мм является основанием для отбраковки образца. Поверхность клеевого шва между накладкой и образцом не должна содержать непроклеев, пузырей или посторонних включений.
Для ответственных испытаний применяется ультразвуковой контроль методом С-сканирования для выявления внутренних расслоений и непроклеев. Частота ультразвукового преобразователя составляет 5-10 МГц, что обеспечивает разрешение дефектов размером от 1 мм. Дефекты площадью более 5 мм² или расположенные в рабочей зоне образца служат основанием для отбраковки.
Часто задаваемые вопросы
Для углепластиков оптимальным методом является абразивная гидроструйная резка при давлении 300 МПа. Этот метод исключает термическое воздействие на материал и минимизирует расслоение. При использовании алмазной пилы необходимо применять охлаждение и контролировать скорость подачи для предотвращения перегрева.
Для тканых композитов с симметричной структурой переплетения накладки часто необязательны при испытаниях на растяжение, если используются захваты с рифленой поверхностью. Однако для высокопрочных материалов и испытаний на сжатие накладки рекомендуются для предотвращения повреждения в зоне захватов.
Толщина клеевого шва контролируется несколькими способами. При использовании пленочного клея толщина определяется толщиной пленки. Для пастообразных клеев применяются калиброванные проволочные прокладки диаметром 0.5-1.0 мм, размещаемые по периметру склеиваемой зоны, или слой дистрибьюционной сетки для вакуумной инфузии.
Образцы с дефектами кромки глубиной более 0.5 мм или протяженностью более 2 мм подлежат отбраковке согласно требованиям стандартов. Мелкие дефекты допускаются, если они расположены вне рабочей зоны и не влияют на характер разрушения. Для ответственных испытаний рекомендуется 100% визуальный контроль кромок под увеличением.
Ориентация волокон в многослойном ламинате определяется по технологической документации на изготовление панели. При отсутствии документации проводится металлографический анализ шлифа кромки образца. Под микроскопом при увеличении 50-100× визуализируется структура каждого слоя и угол укладки волокон относительно базового направления.
Для испытаний на межслоевой сдвиг методом короткой балки критически важна точность толщины образца, так как напряжение сдвига обратно пропорционально квадрату толщины. Допустимое отклонение толщины составляет ±0.05 мм. Длина образца должна обеспечивать соотношение L/h = 5-6, где h – толщина образца.
