Углепластики — Свойства

Пластические массы представляют собой материалы на основе высокомолекулярных органических соединений, обладающие в определенной фазе своего производства пластичностью, позволяющей формовать изделия. Кроме основы, служащей связующим, многие пластмассы имеют так называемый наполнитель для повышения механических свойств, обычно 40...70 %, и небольшие добавки — пластификаторы, смазочные материал >1, красители. Наполнители позволяют сильно изменять свойства пластмасс, например стеклопластики и углепластики имеют даже прочность стали, а газонаполненные (азотом, воздухом) пластики обладают малой плотностью, низкой теплопровод- [c.37]

В анизотропных телах положение осложняется в тех случаях, когда анизотропия криволинейна. Например, цилиндр, изготовленный из стеклопластика или углепластика путем намотки, ортотропен, но упругие свойства его обладают цилиндрической симметрией, в цилиндрических координатах модули упругости и коэффициенты температурного расширения постоянны. Но при переходе к декартовым координатам тензоры Ei и а будут уже не постоянными, а функциями координат Ха, поэтому даже равномерное температурное ноле вызовет напряжения. Эта задача легко решается методом, совершенно подобным тому, который был применен в 8.12 для трубы из изотропного материала. Присваивая радиальному направлению индекс единицы, мы запишем уравнение упругости в форме (10.6.4). Теперь уравнение для функции напряжений оказывается следующим [c.385]

При одинаковых значениях коэффициентов армирования в трех направлениях упругие свойства материалов во всех трех ортогональных плоскостях весьма близки, что иллюстрируют данные табл. 5.7, 5.8, полученные на различных типах материалов. В табл. 5.8 для сравнения включены также значения модуля упругости углепластика, определенные на образцах, имеющих случайные искривления волокон. Средний угол искривления волокон составлял 11°. [c.151]

Совершенно иная картина наблюдается для углепластика с углеродной матрицей. Расчетные значения упругих постоянных плохо согласуются с опытными данными. Модуль упругости, рассчитанный по свойствам исходной арматуры п матрицы, оказывается существенно ниже экспериментальных значений. Для модуля сдвига имеет место противоположный результат — экспериментальные значения более чем в 2 раза ниже расчетных. Такое явление обусловлено тем, что в процессе создания углеродной матрицы происходит науглероживание [c.185]

Соответствующий численный анализ был проведен для ряда композиционных материалов [114]. Соответствующие результаты приведены на рис. 2 для эпоксидного углепластика с коэффициентом армирования 55 %. Из рисунка следует, что изменение угла армирования качественно изменяет волновые свойства материала. [c.271]

Как уже отмечалось, поверхность раздела в углепластиках достаточно стойкая к гидролизу при комнатной температуре. Прочностные свойства углепластиков при повышенной тем пературе ухудшаются, если они подвергаются воздействию внешней среды в течение длительного времени при этом, видимо, определенную роль играет как смола, так и поверхность раздела. [c.267]

Влияние структуры и реакционной способности эпоксидных смол на прочность адгезионного соединения на поверхности раздела в композитах не исследовалось. Имеются данные, согласно которым потеря прочности углепластиков в результате старения может быть связана с изменением полимерной матрицы. И наконец, было показано, что вследствие разницы коэффициентов термического расширения волокна и смолы возникают остаточные напряжения в полимере и на поверхности раздела волокно — смола, что сказывается на прочностных свойствах углепластиков. [c.270]

Кипячение в воде в течение 24 ч не оказывает большого влияния на прочностные свойства полиимидных боропластиков при высокой температуре (260 и 316 °С). С учетом изменений, вызванных старением на воздухе, потери прочности составляют только 4 и 8% при 260 и 316°С соответственно. Следовательно -изменения под влиянием климатических усло вий аналогичны изменениям, происходящим после кипячения в воде. В результате старения на воздухе прочность полиимидных угле- и боропластиков понижается в меньшей степени, чем прочность углепластиков на основе эпоксидных смол. Кроме того, по результатам испытаний одного композита полиимидные боропластики, по-видимому, больше подвержены влиянию рассматриваемых воздействий, чем полиимидные углепластики., [c.284]

Эти материалы разработаны преимущественно для экспериментальных агрегатов военных самолетов, и их использование в гражданской авиации крайне ограничено. Тем не менее, невзирая на ранее отмеченное положение о стоимости и уровне технологии, затрудняющих широкое применение боро- и углепластиков, определенные экспериментальные работы в этом направлении проводятся. Круг их в настоящее время ограничен исследованием вспомогательных конструкций, которые будут установлены без особого риска на коммерческих самолетах для безопасности полетов. Такие испытания обеспечат получение сведений по влиянию длительного воздействия факторов окружающей среды, нагрузок, напряжений на свойства конструкций, что в свою очередь позволит накопить достоверные данные, необходимые для проектирования. [c.50]

Углепластики обладают малой массой, высокой жесткостью, удовлетворительным температурным коэффициентом линейного расширения, низкой чувствительностью к атмосферной влаге. Материал с такими свойствами является идеальным для измерительного оборудования. На рис. 8 изображен штангенциркуль из такого материала, изготовленный в Национальной инженерной лаборатории (Англия). Этот штангенциркуль представляет собой один из элементов системы управления процессом механической обработки больших валов. Это еще один пример, иллюстрирующий тенденцию к производству конструкций типа ферм, элементы которых позволяют применять механизированное производство. [c.477]

Показаны превосходные усталостные свойства углепластиков с высокомодульными (типа I) волокнами при осевом нагружении, а также их относительная нечувствительность к вредному влиянию влажности или наличия масла при нормальной температуре. За исключением случая, когда среднее напряжение является незначительным растягивающим, усталостная прочность близка к статической прочности на растяжение и сжатие. Влияние циклических нагрузок несколько больше для композитов с высокопрочными (типа II) волокнами, но и их свойства оказываются достаточно высокими. Существенное преимущество углепластиков состоит в их необычайно высокой удельной усталостной прочности наряду с высоким удельным модулем. Эти два свойства совместно обеспечивают большую потенциальную возможность экономии в весе. [c.363]

Значительно более заметные усталостные эффекты проявляются при сдвиге. Успешное применение углепластиков будет зависеть от минимизации этих сдвиговых эффектов. При сложном напряженном состоянии требуется еще очень большое количество исследований усталостных свойств. [c.364]

На рис. 10 те же результаты сравнивались на основе удельных напряжений, т. е. амплитуды напряжений и среднего напряжения, отнесенных к удельному весу материалов. Сразу становится очевидным существенное превосходство углепластиков по усталостным свойствам. [c.375]

Значительное внимание было уделено межслойным сдвиговым свойствам углепластиков, когда стало известно, что эти свойства композитов с высокомодульными (типа I) волокнами намного хуже, [c.386]

Для конструирования знание разброса прочностных свойств почти так же необходимо, как знание среднего значения. Разброс усталостных свойств углепластиков требует дальнейшего изучения лучше всего с использованием материалов, изготовленных в условиях массового производства с хорошим контролем качества. Разброс, наблюдаемый в результатах, полученных на изготовленных в лабораторных условиях материалах, требует исполь- [c.392]

Один из вариантов модели, в котором использован сдвиговый анализ, показан на рис. 2.12. Предполагается, что перемещение Uq, относящееся к области надреза с п волокнами, не зависит от координаты у. К ядру п перерезанных волокон примыкает группа т неповрежденных волокон, имеющих перемещение U и эффективно представляющих область концентрации осредненных по композиту напряжений. Не следует забывать, что целое число т неизвестно и может быть определено на основе различных критериев прочности. Другим моментом, о котором необходимо здесь упомянуть, является то, что числа перерезанных волокон п или неповрежденных т суть целые числа, если слой по толщине состоит из одного волокна, как у боропластиков (рис. 2.13, а). Тогда, если диаметр волокна достаточно велик, разумно использовать двумерную модель разрушения волокна. У углепластиков слой по толщине состоит из нескольких волокон ( i lO), и в качестве расчетной единицы целесообразно рассматривать пучок волокон, а не одно волокно (рис. 2.13,6). Другими словами, углепластик состоит из двух фаз пучок волокон, пропитанных связующим (отличается по свойствам от собственно волокна), и матрица, расположенная между пучками. [c.63]

Тонкости использования связи между бесконечно малыми приращениями напряжений и деформаций для анализа остаточных напряжений и осложнения, возникающие при этом, подробно рассмотрены в [23]. Если композит обладает упругими термомеханическими свойствами (результаты предварительных экспериментов на эпоксидном углепластике дают все основания для такого предположения [12]), то уравнение состояния материала можно записать следующим образом [c.124]

Высокомодульные углеродные волокна, обладая низким отрицательным коэффициентом термического расширения, придают углепластикам особые свойства, расширяющие диапазон их применения. Детали, выполненные из углепластика, с изменением температуры мало изменяют размеры и форму. Из-за довольно высокой электропроводности стеклопластики применяют как антистатики и электрообогревающие материалы. [c.291]

Особенности структурных свойств композиционных материалов на основе углеродных и борных волокон с традиционными схемами армирования исследованы в работах [20, 25, 33, 59, 70]. Анализ и сопоставление полученных данных по угле- и боро-пластикам с аналогичными данными типичных стеклопластиков [39, 71] свидетельствуют о том, что использование высокомодульных волокон при традиционных схемах армирования способствует лишь резкому увеличению жесткости материала в направлениях армирования при этом заметного возрастания других упругих и прочностных характеристик не происходит. Главной отличительной особенностью высокомодульных композиционных материалов является большая по сравнению со стеклопластиками анизотропия упругих свойств [25]. Для углепластиков увеличение анизотропии упругих свойств обусловлено также анизотропией самих армирующих волокон. Существенных различий по прочностной анизотропии между стеклопластиками и высокомодульными материалами нет, но абсолютные значения межслойной сдвиговой прочности и прочности на отрыв в трансверсальном направлении однонаправленных и ортогонально-армированных углепластиков в 1,5—3 раза ниже аналогичных характеристик стеклопластиков. [c.7]

Двукратное увеличение межслой-нон прочности при сдвиге эпоксифе-нольных углепластиков достигается травлением углеродных волокон концентрированном азотной кислотой в течение 30 мин [20]. Прочность при растяжении в трансверсальном направлении углепластиков вследствие обработки волокон в азотной кислоте возрастает в 1.6 раза. Некоторое улучшение этих характеристик в слоистых стеклопластиках достигается также за счет пспольчЗования волокон некруглого поперечного сечения — эллипсоидных, ромбовидных, треугольных и др. Изменение формы углеродных волокон не оказывает заметного влияния на механические свойства углепластиков. Указанный метод приводит лишь к некоторому улучшению трансверсальных и сдвиговых свойств композиционных материалов, но не решает проблемы. Вследствие слоистой структуры в материале сохраняются плоскости, через которые напряжения передаются низкомодульным и низкопрочным связующим, что не исключает опасности преждевременного их разрушения. Особенно это относится к материалам, воспринимающим в конструкциях сдвиговую и трансверсальную нагрузку в условиях повышенных температур. [c.9]

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при растяжении слоистых материалов с относительно невысокой степенью анизотропии упругих свойств, присущей ортогонально-армированным материалам, характер распределения деформаций по длине и толщине образца мало зависит от его формы (параметра /П1). Так, для стеклопластика. Г-4С с укладкой волокон 5 1 при нагружении в направлении большей степени ориентации волокон изменение значений Щ] в 1,7 раза практически не сказывается на относительном изменении деформаций нижней и верхней поверхностей ("П = +1) рабочей части образца. Относительные показатели деформаций при т) = о образцов-лопаток незначительно выше, чем образцов-полосок. Примерно то же наблюдается в случае испытаний ортогонально-армированных углепластиков. Увеличение степени анизотропии упругих свойств способствует повышению чувствительности относительных деформаций к изменению формы образца. Это хорошо иллюстрируют данные, полученные при растяжении образцов из однонаправленных углепластиков в направлении волокон. [c.33]

Свойства композиционных материал лов на основе вискернзованных волокон. Этот класс материалов был экспериментально изучен на угле- и стеклопластиках. Были исследованы материалы, изготовленные на основе ленты из углеродных волокон, стеклоткани сатинового переплетения, жгутов из стекло- и углеродных волокон. Арматурой для изготовления стеклопластиков служили непрерывные волокна из алюмоборосиликатного стекла, а также стеклоткань ТС-8/3-250, подвергавшаяся вискеризации нитевидными кристаллами двуокиси титана ТЮ2 и нитрида алюминия A1N. В качестве арматуры для углепластиков были использованы жгуты из углерод- [c.207]

Модули упругости и прочности в направлении основного армирования для углепластиков на основе волокон, вискеризованных из аэрозоля, существенно превышают значения аналогичных характеристик углепластиков на основе волокон, вискеризованных из газовой фазы, что является следствием значительного расхождения в механических свойствах используемой арматуры и ее содержании в композиционных материалах. Модули упругости углеродных волокон, применяемых для вискеризации из аэрозоля, достигают порядка 300 ГПа, прочность при растяжении —1500 МПа, модуль упругости волокон, используемых для вискеризации из газовой фазы, — 200 ГПа, прочность 1800 МПа. [c.209]

Свойства трех типов композитов, изготовленных на основе эпоксидных, полиэфирных и вискеризованных волокон, приведены в работе [25]. Так, прочность при срезе углепластиков на основе обычных волокон составляла 28 МПа углепластики, армированные вискеризованными волокнами, от [c.211]

Преимущества углепластиков на основе вискеризованных волокон перед обычными хорошо иллюстрируют опытные данные о сдвиговых свойствах (табл. 7.5). Они получены при испытании на кручение стержней круглого сечения и на трехточечный из- [c.212]

Межслойная сдвиговая прочность композиционных материалов, изго-говленных на основе внекери-зованных волокон, как н характеристики в направлении армирования, в значительной степени определяется свойствами волокон. Это следует из табл. 7.6, где приведены свойства при изгибе эпоксидных и полиамидных углепластиков на основе волокон Модмор I и Торнел 50, вискеризованных нитевидными кристаллами одного типа. Сдвиговая прочность углепластиков на основе полиамидных связующих существенно ниже, чем на основе эпоксидных. [c.212]

Материалы на основе углеродных волокон, вискеризованных нитевидными кристаллами карбида кремния, и эпоксидных, а также полиамидных связующих описаны в работах [19, 20, 25]. Использование указанных волокон в материалах, как показано в работе [102], приводит к резкому увеличению прочности на сдвиг, причем возрастание сдвиговой прочности пропорционально объемному содержанию нитевидных кристаллов. Влияние содержания нитевидных кристаллов на некоторые свойства при изгибе углепластиков, изготовленных на основе эпоксидного связующего Эпон 828, характеризуют данные, приведенные в табл. 7.7. Для межслойной сдвиговой прочности эти данные во многом условны. Они получены методом трехточечного изгиба образцов при //л = 3 и не характеризуют фак- [c.215]

Халпин и Пагано [64 ] выявили некоторые необычные свойства перекрестно-армированных углепластиков, связанные с отрицательными значениями коэффициента линейного расширения углеродных волокон в продольном направлении. В работе Дьюба и Као [57 ] представлено теоретическое и экспериментальное исследования осесимметричного изгиба круглой пластины из двух различных изотропных слоев, используемой в качестве чувствительного элемента для определения степени влажности. [c.187]

Устойчивости слоистых пластин при температурном и других воздействиях, вызывающих расширение материала, посвящены теоретические исследования Виттрикка и др. [190], а также теоретические и экспериментальные исследования Келленбергера [85]. Уитни и Аштон, [184] рассмотрели термоустойчивость перекрестно-армированных квадратных пластин из различных композиционных материалов. Особенности свойств углепластиков, из-за которых в некотором диапазоне изменения углов армирования коэффициент линейного расширения оказывается отрицательным, определяют теоретическую возможность потери устойчивости пластин из этих материалов при охлаждении, а не при нагревании, что обычно имеет место. Однако более интересным в прикладном отношении является теоретический вывод о невозможности термической потери устойчивости пластин из эпоксидного [c.187]

Свойства поверхности раздела зависят также от физико-механических характеристик смолы, таких, как предел прочности и модуль упругости при растяжении, относительное удлинение при разрыве, коэффициент теплового расширения и температура стеклования. Эпоксидные смолы после отверждения имеют плотную аморфную структуру с поперечными связями, обладающую высокой адгезией. Вблизи поверхности раздела предел прочности смолы на растяжение может превышать 7 кгс/мм , модуль упругости при растяжении составляет 350 кгс/мм и относительное удлинение при разрыве—-около 1—3%- Теоретически в однонаправленном стекло- или углепластике можно получить такой же высокий предел прочности на растяжение в поперечном направлении, как и предел прочности смолы (7 кгс/мм и более). Однако даже при наличии очень прочной адгезии поверхность раздела находится в сложнонапряженном состоянии из-за разницы коэффициентов теплового расширения смолы и волокон [21, 69]. [c.261]

Повышение поверхностной энергии волокна, по-видимому, связано с наличием на его поверхности кислородсодержащих групп, о чем свидетельствуют кислая реакция поверхности и увеличение на ней количества атомов углерода, которые, вероятно, соединяются с кислородом воздуха, образуя группы с высокой реакционной способностью. Кроме того, Форест [35] показал, что механические свойства высокопрочных углепластиков при высокой температуре ухудшаются под воздействием внешней среды в течение нескольких месяцев. Согласно результатам исследований Бонка и Титселя [18], прочность стеклопластиков при комнатной температуре уменьшается вследствие старения в теплой влажной атмосфере. Влияние старения на прочность волокнистых композитов 1То 1р<)бн6 рассматривается в разд. III. [c.266]

Ухудшение механических свойств углепластиков после их выдержки при повышенной температуре является неожиданным результатом, так как первоначальные исследования Доксиса и др. [26] показали, что длительное кипячение в воде не приводит к резкому понижению прочности на изгиб при комнатной температуре (табл. 33). Кроме того, те же исследо1ватели установили, что в процессе старения при 49 °С и относительной влажности воздуха 95—97% прочностные характеристики композитов Т1югпе1-25 — ERL-2256 не снижаются (табл. 34). Кипячение в воде, замораживание и оттаивание также не вызывают существенного понижения сдвиговой прочности композитов при комнатной температуре [c.277]

В работе [12] при оценке механических свойств углепластиков кратко отмечены некоторые результаты усталостных испытаний при кручении кольцевых образцов типа NOL. Эти результаты показали, что после 10 циклов жесткость, сохраненная кольцом из поверхностно обработанных волокон типа II и искусственной смолы, составляла лишь 30% от своей начальной величины. Этот результат был хорошо сопоставим с данными, полученными па аналогичных кольцах, изготовленных с применением волокон S-стекла. Кольцо, изготовленное с более вязким составом смолы ERLA 4617-MPDA, испытывало серьезные повреждения, но, как правило, при большем на порядок времени жизни. [c.390]

При осевом нагружении были обнаружены превосходные усталостные характеристики как однонаправленных, так и ортогонально армированных углепластиков с высокомодульными волокнами типа I. Удельная усталостная прочность углепластиков вместе с удельным модулем дают большие возможности для уменьшения веса изделия притих разумном применении. Хотя пока опубликовано немного данных, по-видимому, можно сказать, что композиты с волокнами типа II более подвержены влиянию усталости, но обладают все же очень хорошими усталостными свойствами. Отсутствуют опубликованные результаты для композитов с волокнами типа III. Обнаружено, что прочность на сжатие намного ниже, чем прочность на растяжение, и поэтому изгибная усталостная прочность определяется прочностью на сжатие. Было установлено, что влияние усталости значительно более заметно в условиях сдвигового нагружения как при межслойном сдвиге, так и при кручении. Не сообщено об усталостных испытаниях при сдвиге в плоскости листа, однако большинство [c.391]

Обсуждаются способы расчета эффективных вязкоупругих свойств композитов на основании свойств составляющих их компонент при помощи методов, рассмотренных в [1], а также в свете работ [2, 3] по стеклопластикам и работы [4] по стекло- и углепластикам на эпоксидных связующих. Как показано в [1], для области линейной вязкоупругости подобный расчет можно довольно легко выполнить при помощи известных численных или аналитических упругих решений. Для иллюстрации отдельных аспектов анализа вязкоупругих свойств композитов будем опираться на использованные в [2—4] уравнения микромеханики Халпина — Цая [5] для упругих однонаправленных волокнистых композитов. [c.181]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...