Содержание
- Введение: прочность углепластиков при различных видах нагружения
- Физика явления: почему прочность при сжатии ниже
- Типичное соотношение прочностных характеристик
- Механизмы разрушения при осевом сжатии
- Факторы, влияющие на прочность при сжатии
- Способы повышения прочности при сжатии
- Методы испытаний углепластиков на сжатие
- Практические рекомендации для инженеров
- Часто задаваемые вопросы
Введение: прочность углепластиков при различных видах нагружения
Углепластики представляют собой полимерные композиционные материалы, армированные углеродными волокнами в полимерной матрице. Несмотря на выдающиеся механические характеристики при растяжении, углепластики демонстрируют существенно более низкую прочность при сжатии. Это явление имеет фундаментальное значение для проектирования конструкций и выбора материалов в авиакосмической промышленности, машиностроении и других отраслях.
Прочность однонаправленных углепластиков при растяжении вдоль волокон может достигать 1500-2500 МПа в зависимости от типа волокон и связующего. Однако прочность при осевом сжатии составляет лишь 60-70 процентов от прочности при растяжении, что обусловлено принципиально различными механизмами разрушения.
Физика явления: почему прочность при сжатии ниже
При растяжении углепластика вдоль волокон нагрузка воспринимается непосредственно высокопрочными углеродными волокнами. Разрушение происходит при достижении предельной прочности волокон на разрыв. В этом случае композит реализует практически полную несущую способность армирующего наполнителя.
При сжатии ситуация принципиально иная. Длинные тонкие волокна, заключенные в полимерную матрицу, подвержены потере устойчивости. Даже при незначительной начальной кривизне волокон под действием сжимающей нагрузки возникают изгибающие моменты, приводящие к микроизгибу волокон. Матрица, обладающая существенно меньшим модулем упругости и прочностью при сдвиге по сравнению с волокнами, не способна обеспечить достаточную боковую поддержку для предотвращения потери устойчивости.
Роль модуля сдвига матрицы
Критическая нагрузка при потере устойчивости волокон напрямую зависит от модуля сдвига матрицы. Чем выше модуль сдвига полимерного связующего, тем лучше боковая поддержка волокон и тем выше прочность композита при сжатии. Эпоксидные связующие, наиболее распространенные в углепластиках, имеют модуль сдвига порядка 1,2-1,8 ГПа, что недостаточно для полной реализации прочности волокон при сжатии.
Влияние начальной разориентации волокон
Реальные углепластики всегда имеют некоторую начальную разориентацию волокон относительно оси нагружения, которая может составлять от 1 до 3 градусов даже для высококачественных материалов. Эта разориентация служит концентратором напряжений и местом зарождения микроизгиба. Под действием сжимающей нагрузки в областях с разориентированными волокнами возникают значительные сдвиговые напряжения в матрице, приводящие к ее пластическому течению или разрушению.
Типичное соотношение прочностных характеристик
Для однонаправленных углепластиков на основе эпоксидного связующего типичные соотношения прочностных характеристик представлены в таблице ниже.
| Характеристика | Значение для высокопрочных волокон | Значение для высокомодульных волокон |
|---|---|---|
| Прочность при растяжении вдоль волокон, МПа | 1800-2500 | 1200-1600 |
| Прочность при сжатии вдоль волокон, МПа | 1100-1500 | 900-1200 |
| Отношение σ_сжатие/σ_растяжение | 0,60-0,65 | 0,65-0,75 |
| Модуль упругости при растяжении, ГПа | 120-150 | 220-290 |
| Модуль упругости при сжатии, ГПа | 115-145 | 215-285 |
Из таблицы видно, что прочность при сжатии составляет 60-75 процентов от прочности при растяжении. Важно отметить, что для высокомодульных волокон это соотношение несколько выше, что связано с более высоким модулем упругости, обеспечивающим большую жесткость системы волокно-матрица.
Механизмы разрушения при осевом сжатии
Микробаклинг: потеря устойчивости на микроуровне
Основным механизмом разрушения однонаправленных углепластиков при осевом сжатии является микробаклинг - потеря устойчивости волокон в сдвиговой моде. Процесс развивается следующим образом. На начальной стадии нагружения волокна с незначительной начальной кривизной начинают изгибаться, создавая сдвиговые напряжения в матрице. При достижении определенного уровня напряжений матрица начинает деформироваться пластически. Это приводит к уменьшению ее жесткости и дальнейшему увеличению прогиба волокон. Процесс приобретает лавинообразный характер, завершаясь формированием полосы излома.
Формирование кинк-бэндов
Конечная стадия разрушения характеризуется образованием кинк-бэнда - узкой полосы шириной 4-20 диаметров волокна, в которой волокна повернуты на значительный угол относительно оси нагружения. Внутри кинк-бэнда матрица подвергается интенсивному сдвиговому течению, а волокна испытывают излом в двух местах - на границах полосы. Угол наклона кинк-бэнда к оси нагружения обычно составляет 20-30 градусов.
Пример расчета критических напряжений
Для однонаправленного углепластика с объемной долей волокон Vf = 0,60 и модулем сдвига матрицы Gm = 1,5 ГПа прочность при сжатии может быть оценена по упрощенной модели:
σc = Gm / (1 + φ0)
где φ0 - начальный угол разориентации волокон в радианах. При φ0 = 0,02 радиана (примерно 1,15 градуса) получаем:
σc = 1500 МПа / (1 + 0,02) = 1470 МПа
Это значение хорошо согласуется с экспериментальными данными для качественных углепластиков.
Влияние дефектов структуры
Наличие технологических дефектов существенно снижает прочность при сжатии. К таким дефектам относятся локальные области с повышенной кривизной волокон, пористость, неравномерность пропитки, включения посторонних частиц. Дефекты служат концентраторами напряжений и местами зарождения разрушения. Поэтому контроль качества изготовления критически важен для реализации высоких прочностных характеристик при сжатии.
Факторы, влияющие на прочность при сжатии
Свойства полимерной матрицы
Прочность и модуль упругости при сдвиге матрицы являются определяющими факторами для прочности композита при сжатии. Повышение модуля сдвига матрицы приводит к пропорциональному увеличению критических напряжений микробаклинга. Применение высокомодульных эпоксидных связующих позволяет повысить прочность при сжатии на 15-25 процентов по сравнению со стандартными связующими.
| Тип связующего | Модуль сдвига, ГПа | Прочность при сдвиге, МПа | Влияние на σ_сжатие |
|---|---|---|---|
| Стандартное эпоксидное | 1,2-1,5 | 60-80 | Базовое |
| Высокомодульное эпоксидное | 1,6-1,9 | 85-100 | +15-20% |
| Полиимидное | 1,8-2,2 | 90-110 | +20-30% |
| Термопластичное PEEK | 1,3-1,6 | 75-95 | +10-15% |
Объемная доля волокон
Зависимость прочности при сжатии от объемной доли волокон Vf имеет нелинейный характер с максимумом. При низких значениях Vf прочность определяется главным образом свойствами матрицы. С увеличением Vf прочность возрастает благодаря увеличению доли высокопрочного компонента. Однако при Vf более 65-70 процентов прочность начинает снижаться из-за недостаточной пропитки волокон и ухудшения качества межфазной границы. Оптимальное значение Vf для большинства углепластиков составляет 55-65 процентов.
Влияние объемной доли волокон на прочность
Зависимость прочности при сжатии от Vf может быть аппроксимирована следующим соотношением:
σc = σc,max × Vf × (1 - k × Vf)
где σc,max - максимальная теоретическая прочность, k - коэффициент, учитывающий технологические ограничения. Для типичных углепластиков k ≈ 0,6-0,8.
Тип и свойства углеродных волокон
Высокомодульные углеродные волокна обеспечивают более высокую прочность композита при сжатии по сравнению с высокопрочными волокнами при равных значениях Vf. Это связано с повышенной жесткостью высокомодульных волокон, затрудняющей их микроизгиб. Модуль упругости волокон варьируется от 230 ГПа для высокопрочных до 400 ГПа для высокомодульных типов.
Способы повышения прочности при сжатии
Применение высокомодульных связующих
Использование полимерных матриц с повышенным модулем сдвига является наиболее эффективным способом повышения прочности углепластиков при сжатии. К таким связующим относятся модифицированные эпоксидные смолы с добавлением наполнителей, полиимидные и бисмалеимидные связующие. Введение в матрицу наночастиц углеродных нанотрубок или графена в количестве 0,5-2 процента по массе позволяет увеличить модуль сдвига матрицы на 20-40 процентов.
Гибридизация с другими типами волокон
Создание гибридных композитов путем сочетания углеродных волокон с борными, стеклянными или органическими волокнами позволяет существенно повысить прочность при сжатии. Борные волокна, обладающие высоким модулем упругости и большим диаметром, обеспечивают дополнительную жесткость структуры и препятствуют микробаклингу. Оптимальное содержание борных волокон составляет 10-30 процентов по объему.
| Тип гибридизации | Состав | Прирост σ_сжатие | Влияние на другие свойства |
|---|---|---|---|
| Углерод-бор | 70-90% углерода, 10-30% бора | +25-40% | Увеличение модуля, снижение ударной вязкости |
| Углерод-стекло | 50-80% углерода, 20-50% стекла | +10-20% | Снижение стоимости, повышение ударной вязкости |
| Углерод-арамид | 60-85% углерода, 15-40% арамида | +15-25% | Повышение ударной вязкости и трещиностойкости |
Оптимизация объемной доли волокон
Тщательный подбор объемной доли волокон с учетом конкретного типа связующего и технологии изготовления позволяет достичь оптимального баланса между прочностью и технологичностью. Для автоклавных процессов оптимальное значение Vf составляет 58-62 процента, для вакуумной инфузии - 50-55 процентов, для намотки - 60-65 процентов.
Улучшение технологии изготовления
Минимизация начальной разориентации волокон достигается за счет оптимизации режимов формования, применения специальных технологических приемов выкладки препрегов, использования высококачественных армирующих материалов. Снижение угла разориентации с 2 градусов до 1 градуса приводит к увеличению прочности при сжатии на 15-25 процентов.
Обработка поверхности волокон
Модификация поверхности углеродных волокон путем окислительной обработки, плазменной обработки или нанесения поверхностно-активных веществ улучшает адгезию на границе волокно-матрица. Это повышает эффективность передачи нагрузки и препятствует преждевременному разрушению межфазной границы при сдвиге. Прирост прочности при сжатии может составлять 10-15 процентов.
Методы испытаний углепластиков на сжатие
Корректное определение прочности углепластиков при сжатии требует применения специальных методов испытаний, учитывающих особенности поведения композитов под нагрузкой. Основные проблемы при испытаниях связаны с обеспечением осевого приложения нагрузки, предотвращением продольного изгиба образца и исключением преждевременного разрушения в местах захвата.
Стандарты испытаний
Наиболее распространенными международными стандартами для испытаний композитов на сжатие являются ASTM D3410, ASTM D6641, ISO 14126 и отечественные ГОСТ 33519-2015, ГОСТ 25.602-80. Каждый из этих стандартов предусматривает различные способы передачи нагрузки на образец.
| Стандарт | Метод нагружения | Геометрия образца | Область применения |
|---|---|---|---|
| ASTM D3410 | Сдвиговое нагружение | Прямоугольный с закладными | Высокомодульные композиты |
| ASTM D6641 | Комбинированное нагружение | Прямоугольный с закладными | Универсальное применение |
| ASTM D695 | Торцевое нагружение | Прямоугольный с поддержкой | Низкомодульные материалы |
| ISO 14126 Метод 1 | Сдвиговое нагружение | Прямоугольный с закладными | Европейские стандарты |
| ГОСТ 33519-2015 | Сдвиговое нагружение | Прямоугольный с закладными | Российские стандарты |
Приспособления для испытаний
Для проведения испытаний по стандартам ASTM D3410 и ГОСТ 33519 используется приспособление IITRI, обеспечивающее передачу нагрузки через клиновидные захваты. Это приспособление минимизирует продольный изгиб образца благодаря направляющим втулкам на линейных подшипниках. Метод комбинированного нагружения по ASTM D6641 использует упрощенное приспособление с плоскими клиньями без направляющих.
Требования к образцам
Для получения достоверных результатов образцы должны иметь высокое качество изготовления. Торцы образцов должны быть строго параллельными с отклонением не более 0,025 мм. Закладные элементы приклеиваются к образцу с помощью прочного адгезива. Базовая длина образца составляет 12-15 мм для высокомодульных углепластиков и 20-25 мм для стандартных материалов.
Измерение деформаций
Измерение деформаций при сжатии осуществляется с помощью тензорезисторов, наклеиваемых на противоположные стороны образца в рабочей зоне, или методом бесконтактной оптической экстензометрии. Применение двусторонних измерений позволяет выявить и скорректировать влияние изгибных деформаций. Модуль упругости определяется в диапазоне деформаций 1000-3000 микрострейн.
Практические рекомендации для инженеров
Проектирование конструкций
При проектировании конструкций из углепластиков необходимо учитывать существенное различие прочности при растяжении и сжатии. Для однонаправленных материалов следует принимать расчетное значение прочности при сжатии как 0,60-0,70 от прочности при растяжении. Элементы конструкций, работающие на изгиб, должны проектироваться с учетом того, что разрушение может произойти со стороны сжатой зоны.
Выбор схемы армирования
Для повышения прочности при сжатии рекомендуется применять многослойные схемы армирования с чередованием слоев различной ориентации. Включение слоев, ориентированных под углом 45 градусов к оси нагружения, повышает эффективную жесткость матрицы при сдвиге и затрудняет развитие микробаклинга. Оптимальное соотношение слоев 0, плюс-минус 45 и 90 градусов зависит от условий нагружения конкретной конструкции.
Контроль качества
Для обеспечения высоких прочностных характеристик при сжатии необходим строгий контроль качества на всех этапах производства. Критическими параметрами являются объемная доля волокон, пористость, степень отверждения связующего, наличие локальных дефектов. Неразрушающий контроль методами ультразвуковой дефектоскопии и рентгенографии позволяет выявить внутренние дефекты до ввода изделий в эксплуатацию.
Учет условий эксплуатации
Прочность углепластиков при сжатии чувствительна к температуре и влажности. При повышенных температурах, приближающихся к температуре стеклования связующего, модуль сдвига матрицы снижается, что приводит к уменьшению прочности при сжатии. Влагопоглощение также негативно влияет на прочность из-за пластификации матрицы. При проектировании необходимо применять поправочные коэффициенты, учитывающие условия эксплуатации.
Пример оценки прочности с учетом условий эксплуатации
Для углепластика с базовой прочностью при сжатии 1400 МПа при температуре 20 градусов Цельсия и относительной влажности 50 процентов расчетная прочность при температуре 80 градусов Цельсия и влагосодержании 1 процент составит:
σc,расч = 1400 × Kt × Kw = 1400 × 0,85 × 0,90 = 1071 МПа
где Kt = 0,85 - коэффициент влияния температуры, Kw = 0,90 - коэффициент влияния влаги.
Часто задаваемые вопросы
Основная причина - различие в механизмах разрушения. При растяжении работает высокая прочность углеродных волокон на разрыв. При сжатии волокна теряют устойчивость из-за недостаточной боковой поддержки со стороны полимерной матрицы, модуль сдвига которой на два порядка ниже модуля волокон. Это приводит к микроизгибу волокон и формированию кинк-бэндов при напряжениях существенно ниже предельной прочности волокон.
Достичь полного равенства прочности при растяжении и сжатии для однонаправленных углепластиков принципиально невозможно из-за фундаментальных различий в механизмах деформирования и разрушения. Однако применение высокомодульных связующих, гибридизация с борными волокнами, оптимизация объемной доли волокон и улучшение технологии позволяют повысить соотношение до 0,75-0,80, что является хорошим показателем для практических применений.
Для высокомодульных углепластиков наиболее подходящими являются методы сдвигового нагружения по стандартам ASTM D3410 или ГОСТ 33519-2015 с использованием приспособления IITRI. Эти методы обеспечивают наиболее достоверные результаты для жестких материалов. Для материалов средней жесткости можно применять метод комбинированного нагружения по ASTM D6641. Метод торцевого нагружения по ASTM D695 подходит преимущественно для материалов с модулем упругости менее 40 ГПа.
Повышение температуры приводит к снижению модуля сдвига полимерной матрицы, что уменьшает боковую поддержку волокон и снижает прочность при сжатии. При приближении к температуре стеклования связующего падение прочности может достигать 40-50 процентов. Высокотемпературные связующие на основе полиимидов и бисмалеимидов позволяют сохранять прочностные характеристики при температурах до 200-250 градусов Цельсия.
Прочность при сжатии критически важна для лонжеронов крыла и фюзеляжа самолетов, переборок, элементов шасси, работающих на изгиб и испытывающих сжатие в верхней зоне. В автомобилестроении это элементы безопасности, воспринимающие ударные нагрузки. В строительстве - колонны и стойки. В спортивном инвентаре - шасси велосипедов, клюшки, весла, где конструкция работает на изгиб.
Кинк-бэнд представляет собой узкую полосу в материале шириной обычно 4-20 диаметров волокна, внутри которой волокна повернуты на значительный угол относительно оси нагружения. Формирование начинается с упругого микроизгиба волокон в областях с начальной разориентацией. При достижении критических напряжений матрица начинает течь пластически, что приводит к нестабильному вращению волокон и их излому на границах полосы. Угол наклона кинк-бэнда к оси обычно составляет 20-30 градусов.
Борные волокна имеют высокий модуль упругости (около 400 ГПа) и большой диаметр (100-140 мкм против 5-7 мкм для углеродных волокон), что делает их значительно более жесткими на изгиб. Введение борных волокон создает дополнительный каркас жесткости в структуре композита, препятствующий развитию микробаклинга углеродных волокон. Оптимальное содержание борных волокон 10-30 процентов позволяет повысить прочность при сжатии на 25-40 процентов.
Зависимость имеет нелинейный характер с оптимумом в диапазоне 55-65 процентов для большинства систем. При низких значениях объемной доли прочность ограничена малым количеством армирующего компонента. С ростом объемной доли прочность увеличивается, но при превышении оптимального значения начинается ухудшение качества пропитки, появляются области с недостатком связующего, возникают дефекты на межфазной границе. Это приводит к снижению эффективности передачи нагрузки и падению прочности при сжатии.
Начальная разориентация волокон является одним из критических факторов, определяющих прочность при сжатии. Даже небольшие углы разориентации 1-3 градуса создают концентраторы напряжений и служат местами зарождения микробаклинга. Прочность при сжатии обратно пропорциональна углу разориентации. Уменьшение угла разориентации с 2 до 1 градуса приводит к увеличению прочности на 15-25 процентов. Поэтому минимизация разориентации путем улучшения технологии формования является важным направлением повышения прочностных характеристик.
Влагопоглощение приводит к пластификации полимерной матрицы, снижению ее модуля сдвига и прочности. Типичные эпоксидные связующие могут поглощать до 1-2 процентов влаги по массе при длительной выдержке во влажной среде. Это вызывает снижение прочности при сжатии на 10-15 процентов. Эффект усиливается при одновременном воздействии повышенной температуры. Для снижения влияния влаги применяют защитные покрытия, используют связующие с низким влагопоглощением или гибридизируют с влагостойкими волокнами.
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно ознакомительный характер и предназначена для получения общих сведений о механических свойствах углепластиков при сжатии. Информация не является руководством к проектированию конструкций или выбору материалов для конкретных применений.
Автор не несет ответственности за любые последствия, возникшие в результате использования информации, представленной в статье. Для принятия инженерных решений необходимо проводить собственные расчеты, испытания и обращаться к актуальным нормативно-техническим документам и стандартам.
Все приведенные численные значения носят справочный характер и могут варьироваться в зависимости от конкретных материалов, технологии изготовления и условий эксплуатации.
Источники
- Rosen B.W. Mechanics of composite strengthening. Fiber composite materials. ASM, Metals Park, Ohio, 1965.
- Fleck N.A., Budiansky B. Compressive Failure of Fibre Composites Due to Microbuckling. Inelastic Deformation of Composite Materials, Springer, 1991.
- Argon A.S. Fracture of composites. Treatise on Materials Science and Technology, Vol. 1, Academic Press, 1972.
- ASTM D3410-16. Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials with Unsupported Gage Section by Shear Loading.
- ASTM D6641-16. Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials Using a Combined Loading Compression Test Fixture.
- ГОСТ 33519-2015. Композиты полимерные. Метод испытания на сжатие при нормальной, повышенной и пониженной температурах.
- ISO 14126:1999. Fibre-reinforced plastic composites. Determination of compressive properties in the in-plane direction.
- Васильев В.В., Морозов Е.В. Механика и анализ композиционных материалов. Москва, Физматлит, 2010.
- Композиционные материалы. Справочник под ред. Д.М. Карпиноса. Киев, Наукова думка, 1985.
- Тарнопольский Ю.М., Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. Москва, Химия, 1981.
