Перечень контролируемых характеристик композиционных материалов по стандарту 32588-2013

Назначение и область применения ГОСТ 32588-2013

Межгосударственный стандарт ГОСТ 32588-2013 представляет собой нормативный документ, устанавливающий систематизированную номенклатуру показателей качества полимерных композиционных материалов. Документ разработан Объединением юридических лиц "Союз производителей композитов" совместно с Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийским научно-исследовательским институтом авиационных материалов" и принят Межгосударственным советом по стандартизации в декабре две тысячи тринадцатого года.

Стандарт распространяется на полимерные композиты, армированные непрерывными высокомодульными углеродными, стеклянными, борными, арамидными и другими волокнами. Основной целью документа является унификация обозначений показателей качества композитных материалов, что обеспечивает единообразие технической документации при проектировании, производстве и контроле качества композитных конструкций в различных отраслях промышленности.

Структура номенклатуры показателей композитов

Номенклатура показателей качества полимерных композитов согласно ГОСТ 32588-2013 систематизирована в соответствии с функциональным назначением характеристик и методами их определения. Структура включает несколько основных групп показателей, каждая из которых характеризует определенные свойства материала.

Первая группа объединяет механические показатели, определяющие способность композита сопротивляться внешним силовым воздействиям. Эти характеристики являются основополагающими при проектировании силовых конструкций и включают пределы прочности при различных видах нагружения, модули упругости и деформационные параметры. Вторая группа охватывает термические и физические свойства, которые определяют температурные границы эксплуатации материала и его поведение в различных климатических условиях.

Классификация показателей по категориям

Показатели качества композитов подразделяются на основные и дополнительные. Основные показатели являются обязательными для большинства типов композиционных материалов и характеризуют их базовые эксплуатационные свойства. К ним относятся предел прочности при растяжении, модуль упругости, плотность и температура стеклования связующего.

Дополнительные показатели определяются в зависимости от специфики применения материала и могут включать характеристики усталостной прочности, стойкость к воздействию агрессивных сред, электрофизические параметры и другие специализированные свойства. Выбор номенклатуры контролируемых показателей осуществляется на основании технических требований к конкретному изделию или конструкции.

Механические показатели качества

Механические характеристики композиционных материалов представляют собой важнейшую группу показателей, определяющих несущую способность конструкций. Предел прочности при растяжении характеризует максимальное напряжение, которое может выдержать материал до разрушения при осевом растяжении. Для современных углепластиков этот показатель достигает значений от тысячи до тысячи восьмисот мегапаскалей, что превосходит аналогичные характеристики многих металлических сплавов при значительно меньшей плотности.

Модуль упругости при растяжении определяет жесткость материала и его способность сопротивляться деформации в упругой области. Для высокомодульных углепластиков модуль упругости может составлять от ста тридцати до двухсот тридцати пяти гигапаскалей в зависимости от типа углеродных волокон. Модуль упругости высокопрочных углеродных волокон на основе полиакрилонитрила составляет двести - двести пятьдесят гигапаскалей. Важно отметить, что композиты обладают выраженной анизотропией механических свойств - характеристики вдоль направления армирующих волокон значительно превышают показатели в поперечном направлении.

Прочность при сжатии и изгибе

Предел прочности при сжатии композитов обычно составляет от пятидесяти до шестисот мегапаскалей и зависит от типа связующего, качества межслойной адгезии и структуры армирования. Испытания на сжатие проводятся согласно ГОСТ 33519-2015 с использованием специальных приспособлений, предотвращающих продольный изгиб образцов. Критическим фактором при сжатии является устойчивость волокон и возможность их микровыпучивания в матрице.

Прочность при изгибе определяется способностью материала выдерживать комбинированные напряжения растяжения и сжатия, возникающие в различных слоях при изгибающей нагрузке. Модуль упругости при изгибе для композитов составляет от пятнадцати до двухсот гигапаскалей в зависимости от типа армирующего волокна и матрицы. Испытания проводятся по ГОСТ 25.604-82 методом трехточечного или четырехточечного изгиба при различных температурах от минус шестидесяти до плюс ста восьмидесяти градусов Цельсия.

Деформационные характеристики

Относительное удлинение при разрыве характеризует пластичность композита и обычно составляет от нуля целых пяти десятых до пяти процентов. Этот показатель значительно ниже, чем у металлов, что определяет хрупкий характер разрушения большинства композиционных материалов. Коэффициент Пуассона для композитов находится в диапазоне от нуля целых двадцати пяти сотых до нуля целых сорока сотых и зависит от схемы армирования и соотношения упругих характеристик волокон и матрицы.

Модуль сдвига определяет сопротивление материала касательным напряжениям и составляет от трех до пятнадцати гигапаскалей. Предел прочности при межслойном сдвиге является критическим показателем для многослойных композитов и характеризует качество связи между слоями материала. Низкие значения этого параметра могут привести к расслоению конструкции под нагрузкой.

Термические и физические характеристики

Плотность полимерных композитов варьируется в широком диапазоне от четырехсот до двух тысяч восьмисот килограммов на кубический метр, при этом средний показатель составляет около тысячи четырехсот килограммов на кубический метр. Стеклопластики имеют плотность от тысячи шестисот до двух тысяч ста килограммов на кубический метр, углепластики характеризуются меньшей плотностью от тысячи четырехсот пятидесяти до двух тысяч килограммов на кубический метр. Это в четыре-пять раз меньше плотности конструкционной стали семь тысяч восемьсот килограммов на кубический метр и примерно вдвое меньше плотности алюминия две тысячи семьсот килограммов на кубический метр. Определение плотности проводится согласно ГОСТ Р 57713-2017 методом гидростатического взвешивания с использованием дистиллированной воды или другой рабочей жидкости.

Водопоглощение композита представляет собой способность материала впитывать влагу из окружающей среды с последующим изменением массы, размеров и физико-механических характеристик. Для большинства полимерных композитов водопоглощение составляет от нуля целых одной десятой до семи процентов в зависимости от типа матрицы и наполнителя. Эпоксидные композиты обычно демонстрируют значения от нуля целых пяти десятых до двух процентов, тогда как полиамидные материалы могут достигать пяти-семи процентов.

Теплофизические параметры

Коэффициент теплопроводности полимерных композитов относительно низок и составляет от нуля целых одной десятой до нуля целых семидесяти пяти сотых ватта на метр-кельвин. Для стеклопластика этот параметр находится на уровне нуля целых семидесяти пяти сотых ватта на метр-кельвин, что значительно ниже коэффициента теплопроводности конструкционной стали сорок пять - пятьдесят ваттов на метр-кельвин и алюминиевых сплавов двести - двести сорок ваттов на метр-кельвин. Низкая теплопроводность обеспечивает хорошие теплоизоляционные свойства композитов.

Коэффициент линейного теплового расширения композитов зависит от состава и структуры материала, но в среднем значительно меньше, чем у металлов и неармированных пластиков. Для углепластиков этот показатель сопоставим с коэффициентом теплового расширения кварца и может составлять от одного до пятидесяти единиц на миллион на кельвин. Анизотропия теплового расширения позволяет создавать размеростабильные конструкции для применения в условиях широкого диапазона температур.

Температурные границы эксплуатации

Температура стеклования связующего определяет верхнюю границу эксплуатационного температурного диапазона композита и составляет от шестидесяти до двухсот пятидесяти градусов Цельсия в зависимости от типа полимерной матрицы. При температуре стеклования происходит переход связующего из стеклообразного в высокоэластическое состояние, что сопровождается резким снижением механических характеристик материала.

Теплостойкость по Мартенсу характеризует температуру, при которой образец под определенной нагрузкой деформируется на заданную величину. Для композитов этот показатель находится в диапазоне от восьмидесяти до трехсот градусов Цельсия. Температура разложения композита определяется началом термодеструкции полимерного связующего и составляет обычно от трехсот пятидесяти до пятисот градусов Цельсия.

Эксплуатационные и специальные показатели

Эксплуатационные показатели композитов характеризуют поведение материала в реальных условиях использования под воздействием различных факторов окружающей среды. Стойкость к воздействию агрессивных сред является критическим параметром для композитов, работающих в химической промышленности. Стеклопластики и базальтовые пластики демонстрируют высокую стойкость в электролитах и способны противостоять двадцатичетырехпроцентному раствору серной кислоты при температуре до восьмидесяти градусов Цельсия.

Усталостная прочность определяет способность композита выдерживать циклические нагрузки и характеризуется пределом выносливости при заданном числе циклов нагружения. Композиционные материалы обладают высокими усталостными характеристиками, превосходящими аналогичные показатели многих металлических сплавов. Важным фактором является отсутствие коррозионной усталости, свойственной металлам.

Электрофизические характеристики

Диэлектрическая проницаемость композитов составляет от трех целых нуля десятых до пяти целых пяти десятых и зависит от типа связующего и наполнителя. Большинство полимерных композитов являются диэлектриками и не проводят электрический ток, что обеспечивает их применение в качестве изоляционных материалов в электротехнике. Удельное объемное электрическое сопротивление композитов может достигать значений от десяти в четырнадцатой до десяти в шестнадцатой степени ом-метр.

Электрическая прочность определяет максимальную напряженность электрического поля, которую может выдержать материал без пробоя. Для композитов этот показатель составляет от пятнадцати до тридцати пяти киловольт на миллиметр. Тангенс угла диэлектрических потерь характеризует рассеяние энергии в диэлектрике при воздействии переменного электрического поля и является важным параметром для высокочастотных приложений.

Методология определения характеристик

Определение механических показателей композитов проводится с использованием стандартизированных методов испытаний, регламентированных соответствующими государственными стандартами. Испытания на растяжение плоских образцов осуществляются согласно ГОСТ 25.601-80 при нормальной температуре двадцать градусов Цельсия, повышенной до ста восьмидесяти градусов Цельсия и пониженной до минус шестидесяти градусов Цельсия. Образцы для испытаний представляют собой полосы прямоугольного сечения с закрепленными на концах накладками для однонаправленных композитов или образцы в виде лопатки для материалов с неоднонаправленной арматурой.

Испытательная машина должна обеспечивать плавное нагружение образца с постоянной скоростью деформации и иметь систему регистрации диаграммы деформирования. Для измерения деформаций применяются механические экстензометры, тензорезисторы сопротивления или другие датчики, которые не создают дополнительных напряжений в образце. Модуль упругости определяется методом трехкратного нагружения-разгружения образца в заданном диапазоне нагрузок в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования.

Методики определения физических свойств

Водопоглощение композитов определяется согласно ГОСТ 4650-2014 путем взвешивания предварительно высушенных образцов после выдержки в дистиллированной воде при температуре двадцать три градуса Цельсия. Образцы периодически извлекают из воды, удаляют поверхностную влагу и взвешивают до достижения равновесного состояния, когда изменение массы не превышает нуля целых одной сотой грамма. Длительность испытания варьируется от двадцати четырех часов для быстрых оценок до нескольких недель для определения равновесного водопоглощения.

Плотность композитов определяется методом гидростатического взвешивания по ГОСТ Р 57713-2017. Метод А предусматривает использование дистиллированной воды в качестве рабочей жидкости, метод В допускает применение других жидкостей, хорошо смачивающих образец. Образец взвешивают на воздухе и в погруженном состоянии, после чего плотность рассчитывают по формуле с учетом плотности рабочей жидкости и выталкивающей силы.

Температурные режимы испытаний

При проведении испытаний в условиях повышенных и пониженных температур время, необходимое для полного прогрева или охлаждения образца до заданной температуры, должно составлять не менее двадцати минут на один миллиметр толщины образца. Температурные камеры должны обеспечивать равномерный нагрев или охлаждение образца с точностью поддержания температуры не хуже плюс-минус два градуса Цельсия. Термопары или другие датчики температуры размещают в непосредственной близости от испытуемого образца для контроля температурного режима.

Для определения теплофизических свойств применяются специализированные методы калориметрии и теплопроводности. Измерения проводятся в диапазоне температур от минус шестидесяти до плюс двухсот градусов Цельсия с использованием эталонных образцов для калибровки измерительного оборудования. Точность определения коэффициента теплопроводности должна быть не менее пяти процентов, удельной теплоемкости - не более трех процентов.

Взаимосвязь с другими стандартами

ГОСТ 32588-2013 тесно связан с комплексом межгосударственных и национальных стандартов, регламентирующих методы испытаний композиционных материалов. Стандарт ГОСТ 25.601-80 устанавливает метод испытания плоских образцов на растяжение и является одним из базовых документов для определения прочностных характеристик. ГОСТ 25.602-80 определяет методику испытаний на сжатие, ГОСТ 25.604-82 регламентирует испытания на изгиб при различных температурах.

Техническим комитетом по стандартизации ТК 497 "Композиты, конструкции и изделия из них" разработана обширная база стандартов, охватывающих различные аспекты испытаний и контроля качества композитов. ГОСТ Р 57865-2017 устанавливает процедуру нормализации физико-механических свойств, зависящих от влияния армирующего наполнителя. ГОСТ Р 56206-2014 регламентирует методы оценки пожарной опасности и пределов огнестойкости композитных материалов.

Гармонизация с международными стандартами

Многие отечественные стандарты на методы испытаний композитов гармонизированы с международными документами. ГОСТ 4650-2014 разработан на основе международного стандарта ИСО 62:2008, устанавливающего методы определения водопоглощения пластмасс. ГОСТ Р 56652-2015 является модифицированной версией стандарта АСТМ С272/С272М-12 по определению водопоглощения материалов внутреннего слоя сэндвич-конструкций.

Гармонизация стандартов обеспечивает сопоставимость результатов испытаний, полученных в различных странах, и способствует развитию международного сотрудничества в области композиционных материалов. Однако при применении гармонизированных стандартов необходимо учитывать особенности национальной терминологии и требований безопасности. Работа по актуализации и совершенствованию нормативной базы по композитам продолжается с учетом обратной связи от производителей и потребителей материалов.