Прочность на растяжение ПКМ...это: Максимальное напряжение, которое выдерживает образец композита до разрушения при растяжении вдоль волокон. Основная прочностная характеристика

Что такое прочность на растяжение композитов

Прочность на растяжение полимерных композиционных материалов определяется как отношение максимальной нагрузки, предшествующей разрушению образца, к начальной площади его поперечного сечения. Значение выражается в мегапаскалях.

Композиты обладают анизотропией свойств, что означает существенное различие прочностных характеристик в зависимости от направления приложения нагрузки. Вдоль волокон прочность может достигать 1500-2500 МПа для однонаправленных углепластиков на основе высокопрочных волокон, тогда как поперек волокон этот показатель снижается до 30-50 МПа.

Физическая сущность характеристики

Механизм разрушения композита при растяжении включает несколько стадий. Сначала происходит упругая деформация волокон и матрицы. При дальнейшем нагружении начинается микроповреждение матрицы и отслоение на границе раздела волокно-матрица. Финальная стадия характеризуется разрывом волокон и полным разрушением образца.

Прочность композита определяется прочностью армирующих волокон, свойствами матрицы и качеством адгезионной связи между ними. Несовершенство структуры, пористость, технологические дефекты существенно снижают прочностные показатели.

Методика испытаний композитов на растяжение

Определение прочности на растяжение ПКМ регламентируется действующими стандартами. Для композитов, армированных высокомодульными волокнами, применяются ГОСТ Р 56785-2015 и ГОСТ 25.601-80. Метод заключается в кратковременном испытании плоских образцов с постоянной скоростью деформирования до полного разрушения.

Подготовка образцов

Образцы вырезают из однородных по толщине плит или полуфабрикатов. Форма образца определяется типом композита и направлением армирования. Для однонаправленных высокопрочных материалов применяют образцы с накладками длиной 90-100 мм, которые предотвращают преждевременное разрушение в зоне захватов.

Проведение испытания

Испытания выполняют на универсальных разрывных машинах с погрешностью измерения нагрузки не более 1 процента. Образец закрепляют в захватах таким образом, чтобы продольная ось совпадала с направлением действия растягивающей силы. Для высокомодульных композитов рекомендуется использовать захваты с насечкой под углом 45 градусов.

Нагружение проводится с постоянной скоростью до момента разрушения. Современные испытательные системы фиксируют не только максимальную нагрузку, но и полную диаграмму деформирования, что позволяет определить модуль упругости, предел пропорциональности и относительное удлинение при разрушении.

Типичные значения прочности различных композитов

Углепластики демонстрируют наивысшие показатели прочности при растяжении среди всех полимерных композитов. Материалы на основе высокопрочных углеродных волокон с прочностью 3000-5000 МПа обеспечивают прочность композита до 2500 МПа при объемной доле волокон 60-65 процентов.

Стеклопластики уступают углепластикам по абсолютным значениям прочности, однако обладают лучшим соотношением стоимость-эффективность. Материалы на основе волокон E-glass достигают прочности 800-1000 МПа, а высокопрочные S-glass композиты могут приближаться к 1200 МПа.

Факторы, влияющие на прочность при растяжении

Структура армирования

Схема укладки волокон критически важна для прочностных характеристик. Однонаправленное армирование обеспечивает максимальную прочность вдоль волокон. Двунаправленные структуры типа 0/90 градусов дают равномерные свойства в двух взаимно перпендикулярных направлениях, но снижают прочность в каждом направлении примерно вдвое.

Квазиизотропные схемы укладки с углами 0, плюс-минус 45 и 90 градусов создают материал с одинаковыми свойствами во всех направлениях в плоскости. Однако прочность при этом составляет лишь треть от значения для однонаправленного композита.

Объемная доля волокон

Увеличение содержания армирующих волокон повышает прочность композита до определенного предела. Оптимальное значение объемной доли составляет 55-65 процентов. При меньших значениях не реализуется полный потенциал волокон, при больших возрастает пористость и ухудшается пропитка.

Технологические особенности

Метод изготовления композита существенно влияет на конечную прочность. Автоклавное формование с давлением 6-8 атмосфер обеспечивает минимальную пористость и максимальную прочность. Вакуумная инфузия дает несколько меньшие значения, но остается технологичной для крупногабаритных изделий.

Ручное формование, несмотря на простоту, приводит к значительному разбросу характеристик и снижению прочности на 20-30 процентов по сравнению с автоклавными материалами. Контроль режимов отверждения связующего также критичен для достижения паспортных значений прочности.

Применение результатов испытаний

Проектирование конструкций

Данные о прочности при растяжении используются для расчета несущих элементов конструкций. В авиастроении прочностные характеристики композитов позволяют создавать легкие и жесткие панели фюзеляжа и крыла. Запас прочности закладывается с учетом разброса свойств материала и условий эксплуатации.

При проектировании учитывают не только статическую прочность, но и усталостную долговечность. Углепластики демонстрируют коэффициент усталостного сопротивления 0,5-0,7 от статической прочности, что в несколько раз выше, чем у металлических сплавов.

Контроль качества производства

Испытания на растяжение служат основным методом входного контроля материалов и контроля технологического процесса. Систематические отклонения от нормативных значений указывают на проблемы в технологии изготовления или качестве исходных компонентов.

Для серийного производства разрабатывают статистические карты контроля с допустимыми границами варьирования прочностных характеристик. Выход параметров за контрольные пределы требует анализа причин и корректирующих действий.

Оборудование для испытаний композитов

Испытательные машины

Современные электромеханические разрывные машины обеспечивают точное регулирование скорости нагружения и высокую точность измерения силы. Диапазон нагрузок для испытаний композитов составляет от 10 до 250 килоньютонов в зависимости от размеров образцов и типа материала.

Машины оснащаются специализированными захватами для композитов с накаткой или гидравлическим зажимом. Важным требованием является обеспечение соосности нагружения для исключения изгибающих моментов, искажающих результаты.

Средства измерения деформации

Для определения модуля упругости применяют тензорезисторы или бесконтактные оптические системы измерения деформации. Экстензометры с базой 50 мм обеспечивают точность измерения удлинения, что необходимо для высокомодульных композитов с малыми деформациями до разрушения.

Видеоэкстензометры позволяют контролировать поле деформаций по всей поверхности образца, выявляя неравномерности нагружения и зоны концентрации напряжений.

Преимущества и ограничения метода

Метод позволяет получить комплекс характеристик за одно испытание: предел прочности, модуль упругости, коэффициент Пуассона, относительное удлинение. Диаграмма деформирования дает представление о характере разрушения материала.

Ограничением является необходимость тщательной подготовки образцов и строгого соблюдения методики. Преждевременное разрушение в зоне захватов делает результат недействительным. Стоимость испытаний относительно высока из-за сложности изготовления качественных образцов.

Сравнение с прочностью на сжатие и сдвиг

Полимерные композиты характеризуются асимметрией прочностных свойств. Прочность на растяжение обычно превышает прочность на сжатие в 1,2-2 раза в зависимости от типа волокон и структуры. Это связано с различными механизмами разрушения: при растяжении работают преимущественно волокна, при сжатии критичны свойства матрицы и стабильность волокон.

Прочность при межслойном сдвиге значительно ниже и составляет 50-120 МПа для большинства композитов. Сдвиговая прочность определяется адгезией на границе раздела и свойствами матрицы. Поэтому при проектировании конструкций избегают создания зон с высокими касательными напряжениями.