Углепластик характеристики: Что такое карбон или углепластик

Содержание

Мир современных материалов — Углепластики

Информация о материале
Опубликовано: 02 апреля 2014 02 апреля 2014
Просмотров: 6770 6770

 Углепластики (углеродопласты, карбопласты) относятся к группе армированных композиционных материалов, т.е. содержащим в качестве упрочняющего наполнителя волокнистые, тканевые, сеточные или листовые материалы. В углепластиках упрочняющим наполнителем являются углеродные волокна (УВ). По своим свойствам это прочные материалы с высокими электро- и теплопроводностью, обладающие термической и химической стойкостью.

 

Углепластики изготавливают на основе различных связующих: фенольной и эпоксидной смол, полиамида, полисульфона.

Свойства представлены в таблице ниже.

Основные свойства углепластиков

Углепластики

Свойство

Карбоволокниты

На термопластичной
матрице

Фенольная
смола
+50% УВ

Циклоалифатическая
эпоксидная смола
+60% УВ

ПолиамидП66
+ 30% УВ

Полисульфон
+30% УВ

Плотность, кг/м3

2300

1550

1280

1370

Предел прочности,
МПа, при:
растяжении
сжатии
изгибе

 84
224
151

1650
1430
1650

245
300
307

 160
210
224

Ударная вязкость, кДж/м2

20

30…90

50…70

10…20

Модуль упругости
при изгибе, МПа

14 000

124000

20 300

14350

Теплостойкость,
по Мартенсу, 0С

80… 115

60… 70

267

137

Температурный коэффициент линейного расширения α×10

5, 0С-1

1…2

1,2… 1,5

1,89

1,08

Удельное электрическое сопротивление, Ом×м

5…8

6…10

3…5

1…3

 

Технология изготовления углепластика.

Материал для создания заготовки (препрег) углепластика представляет собой структуру из сонаправленных углеродных волокон, пропитанных клейким связующим. Для придания материалу механической прочности небольшая часть волокон (~1%) уложена в препреге перпендикулярно главной оси.

Например, формование композиционного материала T800H/3631 происходит при температуре 170 °C и гидростатическом давлении 6 атм. При указанных условиях связующее препрега полимеризуется, образуя монолитный образец. При этом механические свойства углепластика определяются числом слоев и направлением их укладки.

Вас также может заинтересовать:

2 Свойства углеродных конструкционных материалов

2.1 Углепластики

Введение в полимерные материалы углеродных волокон позволило создать принципиально новый класс конструкционных материалов – углепластиков. Они представляют собой КМ на основе полимерной матрицы, армированной непрерывными или дискретными углеродными волокнами.

В зависимости от вида армирующего углеродного материала углепластики подразделяются на углеволокниты, углетекстолиты и углепрессволокниты.

Углеволокниты изготавливаются с применением непрерывных углеродных нитей и жгутов. Обладают низкими теплопроводностью и электрической проводимостью, но все же их теплопроводность в 1,5-2 раза выше, чем у стекловолокнитов. Они имеют малый и стабильный коэффициент трения и обладают хорошей износостойкостью. Температурный коэффициент линейного расширения углеволокнитов в интервале 20-120 ºС близок к нулю.

К недостаткам углеволокнитов относят низкую прочность при сжатии и межслойном сдвиге. Специальная обработка поверхности волокон (окисление, травление, вискеризация) повышает эти характеристики [1].

Рисунок 1 – Лист из углепластика

Углетекстолиты изготавливают с использованием тканей или тканых лент различного переплетения.

Углепрессволокниты производят на основе дискретных волокон.

Свойства углепластиков зависят от характеристик армирующих материалов, вида и текстуры волокна, степени наполнения, свойств полимерной матрицы и т.д.

Оптимальное содержание углеродных армирующих материалов в углепластике составляет 52–60 % по массе в зависимости от его вида.

Отличительные особенности углепластиков, которыми они обладают благодаря углеродным волокнам, – высокая прочность при чрезвычайно высоком модуле упругости и низких плотности и ползучести. Кроме того, у них очень высокая теплостойкость и устойчивость к термическому старению. Они длительно (500-1000 ч) выдерживают механические напряжения при одновременном воздействии температур до 200 ºС. Эти материалы обладают в 2-3 раза более высокой усталостной прочностью, чем стеклопластики.

Характерной особенностью углепластиков является высокая анизотропия всех механических и электрофизических свойств, которая в 2-3 раза выше анизотропии свойств стеклопластиков (табл. 1).

Таблица 1 – Анизотропия свойств углепластиков [2]

Наименование показателя

Единица измерения

Направление нагрузки

Значение показателя

Прочность при растяжении

Мпа

Вдоль волокон

Поперек волокон

1500

32

Прочность при сжатии

Мпа

Вдоль волокон

Поперек волокон

1200

140

Модуль упругости при растяжении

ГПа

Вдоль волокон

Поперек волокон

140

9

Поэтому при проектировании структуры углепластиков и изделий из них необходимо учитывать направление (вектор) действия нагрузок при эксплуатации.

Среди недостатков углепластиков – меньшая, по сравнению с другими армированными пластиками, удельная ударная вязкость, недостаточная трещиностойкость и более высокая чувствительность к концентрации напряжения. Чередование в структуре материала армирующих наполнителей различной химической природы позволяет устранить эти недостатки. С этой целью производят комбинированные ткани на основе смесей стеклянных и углеродных волокон [2].

Конструкционные углепластики содержат в качестве наполнителя высокомодульные (E = 342 – 540 ГПа) и высокопрочные (σ

ez = 2,5 ГПа) углеродные волокна. Для конструкционных углепластиков характерны низкие плотность и коэффициент линейного расширения и высокие модуль упругости, прочность, термостойкость, тепло- и электропроводность.

Свойства углепластиков определяются материалом связующего, свойствами, концентрацией и ориентацией волокон. Углепластики на основе эпоксидных смол имеют высокие характеристики прочности при температурах ниже 200 ºС (табл.2).

Таблица 2 – Свойства высокомодульных и высокопрочных эпоксидных углепластиков [3]

Показатели

Эпоксидные углепластики

высокомодульные

высокопрочные

Плотность, кг/м3

1500

1500

Прочность, Мпа, при сжатии

растяжении и изгибе

межслойном сдвиге

1000

80

5

1500

90

8

Модуль упругости при растяжении и изгибе, ГПа

180

110

Усталостная прочность при изгибе на базе 107 циклов, ГПа

0,8

Углепластики отличает высокое сопротивление усталостным нагрузкам. По величине предела выносливости на единицу массы углепластики значительно превосходят стеклопластики и металлы. Одна из причин этого – меньшая (чем, например у стеклопластиков) деформация при одинаковом уровне напряжений, снижающая растрескивание полимерной матрицы. Кроме того, высокая теплопроводность углеродных волокон способствует рассеиванию энергии колебаний, что снижает саморазогрев материала за счет сил внутреннего трения.

Ценное свойство углепластиков – их высокая демпфирующая способность и вибропрочность. По этим показателям углепластики превосходят металлы и некоторые другие конструкционные материалы. Регулировать демпфирующую способность можно, изменяя угол между направлениями армирования и приложения нагрузки.

Коэффициент линейного расширения высокомодульных однонаправленных углепластиков в продольном направлении близок к нулю, а в интервале 120 – 200 ºС даже отрицателен (-0,5·10-6 1/ºС). Поэтому размеры изделий из углепластиков при нагреве и охлаждении изменяются очень мало.

Углепластики обладают довольно высокой электропроводностью, что позволяет применять их как антистатические и электрообогревающие материалы.

Химическая стойкость углепластиков позволяет применять их в производстве кислотостойких насосов, уплотнений. Углеродные волокна имеют низкий коэффициент трения. Это дает возможность использовать их в качестве наполнителя для различных связующих, из которых делают подшипники, прокладки, втулки, шестерни [3].

В табл. 3 представлены для сравнения характеристики некоторых металлических, полимерных материалов конструкционного назначения и углепластиков.

Таблица 3 – Свойства некоторых конструкционных материалов [4]

Материал

Плотность, кг/м3

Прочность при растяжении, МПа

Модуль Юнга, ГПа

Удельная прочность, е103, км

Удельный модуль, Е106, км

Углепластик

1450–1600

780–1800

120–130

53–112

9–20

Стеклопластик

2120

1920

69

91

3,2

Высокопрочная сталь

7800

1400

210

18

2,7

Алюминиевый сплав

2700

500

75

18

2,7

Титановый сплав

4400

1000

110

28

2,5

Полиамид 6,6

1140

82,6

28

7,24

0,24

Полиамид 6,6+40 мас. % стекловолокна

1460

217

112

8,87

0,77

Полиамид 6,6+40 мас. % углеродного волокна

1340

280

238

21,0

1,92

Как видно из табл. 3, по показателям удельной прочности и жесткости углепластики превосходят практически все наиболее широко используемые конструкционные полимерные и металлические материалы. Интересно отметить, что такой сравнительно непрочный конструкционный полимерный материал, как полиамид, при введении в него углеродных волокон по показателям удельной прочности и жесткости приближается к металлическим конструкционным материалам.

Экономическая целесообразность использования углепластиков взамен металлов определяется также сравнительно низкими удельными затратами энергии (в кВт·ч) на производство конструкционных материалов и изделий из них:

Материал

На 1 кг материала

На 1 кг готового

изделия

Эпоксидный углепластик

33,0

72,7

Сталь

35,2

220,4

Алюминий

48,5

392,4

Титан

189,5

1543,2

Таким образом, в пересчете на 1 кг готовых изделий из эпоксиуглепластика энергии расходуется в 3 раза меньше, чем на изделия из стали, в 5,5 раза меньше, чем на изделия из алюминия и его сплавов и в 20 раз меньше, чем на изделия из титана.

Углеродные волокна обладают высокой химической стойкостью ко всем агрессивным средам за исключением сильных окислителей. Высокая химическая стойкость углеродных волокон определила разработку хемостойких углепластиков взамен нержавеющих сталей, сплавов и цветных металлов для изготовления различной аппаратуры и узлов машин, работающих в условиях воздействия агрессивных сред: коррозионностойких насосов, емкостей и трубопроводов.

Наряду с высокими механическими свойствами и хемостойкостью углепластики обладают хорошими антифрикционными характеристиками, сравнительно низким коэффициентом трения и повышенной износостойкостью. Коэффициент трения углепластиков колеблется от 0,1 до 0,17 в зависимости от условий испытания, а по износостойкости они в 5–10 раз превосходят антифрикционные марки бронзы, используемые для изготовления подшипников скольжения [4].

Карбон. Свойства и применение. Плюсы и минусы. Особенности

Карбон – это полимерный очень прочный композитный материал, состоящий из эпоксидной или другой смолы, и армированный углеродными волокнами. Также его называют углепластиком или карбонопластиком. Главная особенность композита в высокой прочности при небольшой толщине и легкости.

Что такое карбон, как его получают

Углепластик является сложным композитным материалом, при изготовлении которого требуется прикладывание ручного труда. В связи с этим цена на него примерно в 20 раз выше, чем на качественную сталь европейского производства.

Вся сложность процесса его изготовления заключается в применяемом армирующем компоненте – углеволокне. Оно представляет собой тончайшие нити, практически на 99% состоящие из атомов углерода. Их получают путем сложного сжигания органических волокон с поэтапным поднятием температуры. В результате от них остается только углерод, который меняет свою структуру, приближаясь к графиту.

Нити углеволокна имеют толщину всего 0,005-0,10 мм. Они тоньше, чем человеческий волос. Каждую из них по отдельности очень легко сломать, но трудно разорвать. Из волокон сплетают полотна, которые и применяются для изготовления карбона.

Углеволокно работает как армирующий компонент карбона. Из него изготавливаются различные тканые и нетканые материалы. Такие холсты пропитываются полимерными смолами, чаще всего эпоксидными. Слои углеволокна наклеиваются друг на друга. В итоге по застыванию смолы, композитный материал приобретает повышенную прочность, гибкость и стойкость к излому. Практически нет аналогичных композитов, которые можно сопоставить по этим качествам с карбоном. Ему уступает стеклопластик и прочие аналоги.

Сфера использования

Изначально карбон был предназначен исключительно для изготовления облегченных деталей спортивных гоночных автомобилей, а также космических аппаратов. Позже себестоимость его производства снизилась достаточно, чтобы применять его и для других целей.

Сейчас из него делают:
  • Детали авиационной техники.
  • Удилища для рыбалки.
  • Спортивный инвентарь, такой как хоккейные клюшки, шлемы и т.д.

Ежегодно производится практически 40-45 тыс. тонн карбона. Из них львиная доля в 41% потребляется авиацией, а также космической и военной промышленностью. Из него делают легкую прочную экипировку, детали для оружия, типа прикладов, рукояток и т.д. Как не удивительно, но 17% композита расходуется на получение спортивного инвентаря, а для строительной сферы только 12%. Примерно 5% уходит на автомобилестроение, и 2-3% на изготовление бланков удилищ.

Технологии изготовления карбоновых изделий
Чтобы получить карбон, необходимо пропитывать слои ткани из углеволокна смолой, и склеивать их между собой. Это можно делать тремя основными способами:
  • Приклеивая.
  • Спрессовывая.
  • Наматывая.

Чаще всего пользуются самым простым способом, заключающимся в наклейке холста на поверхность. Затем он пропитывается сверху смолой, и на него вклеивается следующий слой. Таким образом, набирается нужное количество слоев, чтобы достигнуть требуемого уровня прочности материала и его толщины. Этим методом пользуются в домашних условиях особенно часто, так как для него не требуется особый инструмент и различные приспособления. Смола наносится на углеволокно кистью, тщательно пропитывая ее. Стоит отметить сложность и кропотливость процесса. Зачастую чтобы получить слой карбона толщиной всего в 1 мм, нужно клеить холст в 4 слоя.

Изделия из углекарбона на производствах зачастую получают методом прессования. Это позволяет добиться лучшего удаления воздуха между слоями. В итоге готовое изделие получается более прочным и надежным. Преимущество метода еще и в том, что спрессованная заготовка может разогреваться, для ускоренной полимеризации смолы. При этом благодаря прессу композит будет все время держать правильную форму, пока не затвердеет. Эта технология дает более высокую производительность.

Также изделия их карбона цилиндрической формы можно получать методом намотки. Эта технология подходит как для заводского, так и домашнего производства. Именно этим методом делаются удилища для рыбалки, спиннинги, рамы велосипедов и т.д. Холст углеволокна наматывается на трубку, и пропитывается смолой. В итоге достаточно быстро набирается большое количество слоев, которые в итоге дают высокую прочность изделию. Трубка же, на которую все изначально наматывалось, вынимается. Чтобы она не приклеилась, ее предварительно смазывают специальным разделительным составом. Тогда адгезии смолы к ней не происходит.

Преимущества карбона
Карбон это очень востребованный материал, что обусловлено его положительными качествами:
  • Легкость.
  • Термическая устойчивость.
  • Стойкость к коррозии.
  • Упругость.

Изделия из карбона нельзя назвать легкими, но если сравнивать его с металлами такого же объема, то он неоспоримо легче. К примеру, сталь тяжелее на 40%, а алюминий на 20%. Но нужно сразу же отметить прочность карбона. Из него можно делать тонкие изделия и использовать в таких условиях, в которых бы не справились аналоги из стали такой же толщины.

Материал обладает очень высокой термической стойкостью. Отдельные образцы карбона нормально переносят нагрев до температур до +2000С. Само углеволокно легко переносит такие условия, но только в бескислородной среде. Но так как оно находится в толще застывшей смолы, то не контактирует с воздухом. В конечном итоге температурная стойкость карбона продиктована больше свойствами смолы, из которой он изготавливается.

Материал не ржавеет и не подвергается другим видам коррозии. Это делает его альтернативным решением для применения вместо стальных изделий в сложных условиях. Он нормально переносит воздействие ультрафиолета, так что может эксплуатироваться практически где угодно.

Карбон является очень упругим материалом, который сложно сломать. За счет этого он так ценится при изготовлении различного спортивного инвентаря. Не последнюю роль в этом играет и его сравнительная легкость, и то что изделия из него за счет прочности можно делать меньшего сечения, чем из дерева, металла или другого пластика. Высокий предел упругости подтверждают хоккейные клюшки, теннисные ракетки и луки, которые делают из карбона.

Качество карбона во многом зависит от того, каким образом был сделан холст из углеволокна, и во сколько слоев уложен. Дело в том, что ориентируя направление волокон в слоях можно добиваться большей стойкости готового изделия на воздействие под определенным углом. Так можно корректировать упругость и стойкость на излом.

Недостатки карбона

Карбон является весьма ценным материалом, поэтому изделия из него очень качественные. Они более удобные в эксплуатации, однако, все же не идеальные. Проблема в том, что материал боится ударной нагрузки. От этого на нем появляются трещины и сколы. Зачастую они незаметны, но их появление существенно уменьшает прочностные характеристики композита. Зачастую достаточно деформации карбона даже на 0,5%, чтобы вызвать его структурные нарушения. Однако это не означает, что в итоге изделие из него покроется видимыми трещинами и сколами, а потом сразу же сломается. В композите просто появляются микротрещины, но он все равно остается достаточно прочным, чтобы справлялся с теми задачами, которые перед ним стоят.

Качество композита может сильно отличаться, так как напрямую зависит в первую очередь именно от применяемого углеволокна. В процессе его получения нарушить технологию нельзя, в частности не допускается делать даже небольшое отклонение в температурном режиме или продолжительности воздействия на него, так как прочность готового армирующего компонента снижается. В итоге карбон из него также будет менее стойким на излом. Таким образом, стоимость на композитные изделия из карбона разных производителей существенно отличается.

Материал все же не разлетается на осколки при ударах, так как его части удерживаются между собой слоями из углеволокна. Проблема композита в том, что в нем сложно найти баланс между эластичностью и упругостью. Если он отлично переносит воздействие на разрыв, то зачастую достаточно легко ломается при прикладывании усилия на излом. В связи с этим существует большой процент изделий из карбона, которые в результате нарушения расчетов при изготовлении служат не так долго как заявлено для этого композита. Это яркое подтверждение того, почему одни предметы из карбона стоят в разы дороже, чем на первый взгляд такие же других производителей.

Карбоновые пленки

Высокая стоимость карбона, не позволяет его использовать в направлениях, где это экономически нецелесообразно. Композит имеет очень привлекательный внешний вид, поэтому не нуждается в декорировании. По причине его внешних качеств, производятся различные полимерные пленки, имитирующие карбон. При этом они сами по себе им не являются. Это просто декоративные изделия, похожие на него внешне за счет характерного рисунка.

Никакого увеличения прочности поклейка такой пленки не дает, так как она далека от карбона. Она просто обеспечивает декоративный эффект, а также дает некоторую защиту от влаги. По сути это просто слой декорации, ничего более. Так что не стоит путать композит и карбоновую пленку.

Похожие темы:

Углепластиковая арматура: характеристики, преимущества и недостатки


Углепластики – это композитные полимерные материалы, отличающиеся высокой прочностью на излом, стойкостью к ударным нагрузкам. По целому ряду параметров углепластики превосходят сталь, поэтому углепластиковая арматура рассматривается строителями как альтернатива значительно более тяжелой, подверженной коррозии, стальной.

Что такое углепластиковая арматура и ее преимущества перед стальной

Углепластик представляет собой композитный материал на основе графитовых волокон, пропитанных различными полимерами. Сейчас для пропитки полимером волокон графита чаще других используются полиэфирные, эпоксидные или виниловые смолы. В последнее время при производстве углепластиков начали применять пултрузионные смолы и отвердители, резко ускоряющие производственный процесс.

На выходе установки по производству композитной арматуры, в зависимости от настроек агрегата, получают либо бухту из углепластика, либо мерные стержни заданного сечения и длины. Последние параметры определяются настройками вытяжных механизмов. Полученные углепластиковые изделия имеют ребристую поверхность, однородную структуру и механические свойства, превосходящие по некоторым параметрам аналогичные характеристики стальной арматуры.

Основные параметры, характеризующие углепластиковую арматуру:

Физико-механические свойства композитной арматуры различных типов

  • прочность углепластика на растяжение – от 2000 МПа до 3000 МПа;
  • огнестойкость – до 600°С;
  • плотность – 1600 кг/м3;
  • высокая коррозиеустойчивость;
  • высокая упругость – до 350 ГПа;
  • теплопроводность – от 1.0 Вт/(м×C).

Благодаря своим характеристикам углепластиковые изделия как нельзя лучше подходят для укладки долговечного дорожного полотна, для армирования конструкций химических складов, для сооружения различных гидротехнических объектов, систем ливнестоков, водоочистки и канализации. Углепластиковую арматуру целесообразно использовать при возведении небольших домов, коттеджей, особенно если стены монолитные или многослойные, а материал гигроскопичный.

Основные преимущества углепластиковой арматуры

Виды стеклопластиковой арматуры

Композитная структура делает стержни прочными, выдерживающими высокую ударную нагрузку и статическую нагрузку на излом. Это качество позволяет значительно снизить расход арматуры, собирая не такую густую армированную сетку, как при стальной. При изготовлении армированной сетки отпадает необходимость в сварочном аппарате.

Арматура из углепластика имеет удельный вес на порядок меньше, чем стальная. Это означает, что бетонные конструкции, армированные углепластиковыми прутьями, будут значительно легче, чем со стальной. А при транспортировке за один раз можно перевезти в десять раз больше углепластиковой арматуры, чем стальной.

Углепластиковые изделия устойчивы к коррозии и к воздействию агрессивных сред. Им не страшны ни кислоты, ни щелочи, ни морская вода, что позволяет применять углепластиковую арматуру при строительстве мостов, различных сооружений химической защиты.

К достоинствам углепластика следует отнести устойчивость к низким температурам. Поскольку материал представляет собой диэлектрик, он полностью радиопроницаем, и стены, армированные им, будут свободно пропускать радиоволны.

Низкая теплопроводность углепластиковой арматуры не позволит отдавать полезное тепло в атмосферу через стены и фундамент, как это происходит со арматурой стальной. Композитная структура материала подразумевает длительный срок службы. Лабораторные испытания на износ различных образцов углепластика дают прогнозируемую долговечность не менее 75 лет. И последний аргумент в пользу углепластика – его доступная цена при промышленном производстве.

Технология производства углепластиковой арматуры

Технологический процесс получения углепластиковой арматуры – стержней с композитной структурой и постоянным сечением на основе волокон графита – называется пултрузией (протяжкой). Весь этот процесс автоматизирован, цикл производства непрерывный, человеческий труд минимизирован.

Линия производства стеклопластиковой арматуры

Установка для получения углепластика состоит из устройства подачи волокон, ванны для полимеров, устройства предварительной формовки, нагреваемой пресс-формы, тянущей и отрезной машины.

В обычных установках использовались полиэфирные, виниловые или эпоксидные смолы. В пултрузионном процессе используются специальные смолы и отвердители, позволяющие резко увеличить скорость протяжки. Если скорость протяжки в прежних установках не превышала одного метра в минуту, то пултрузионные установки позволяют получить скорость протяжки до шести метров в минуту. Конечный продукт либо наматывается на бобину, либо разрезается на мерные куски.

Технологический процесс

Графитовое волокно с катушек подается в полимерную ванну, где происходит пропитывание волокна полимером. Волокна, пропитанные на этом этапе полимером, попадают в устройство предварительной формовки, где состав приобретает заданную форму, а волокна выравниваются. Далее волокна с полимером, который еще не успел затвердеть, попадают в нагретую пресс-форму, входная зона которой охлаждается водой для предотвращения преждевременного слипания полимера.

Технологическая схема производства углепластиковой арматуры

В пресс-форме (фильере) несколькими комплектами нагревателей создано от четырех до шести зон нагрева, которые поддерживают оптимальные температуры для правильного процесса полимеризации. Эти оптимальные режимы нагрева задает автоматическая система управления в зависимости от параметров изделия и скорости протяжки. Во время протяжки в полимере возникает экзотермическая реакция (саморазогрев).

Из пресс-формы выходит готовый, полностью отвердевший продукт, который не нуждается в какой-либо обработке. Вытяжное устройство вытягивает его из пресс-формы и подает в отрезную машину, где изделие распиливается на мерные отрезки, готовые к применению.

На качество конечного продукта может оказать влияние любой из факторов – скорость протяжки, температурные режимы пресс-формы, совместимость графитовых волокон и полимерной смолы, равномерная пропитка волокон полимером.

Как вязать углепластиковую арматуру

Увязывая углепластиковую арматуру, соединять прутья следует внахлест, с шириной шага до 25 сантиметров. Перед заливкой бетона нужно проверить, все ли стыки связаны надежно, не сместится ли конструкция. Угловые элементы фиксируются при установке каркаса. В котловане опорная конструкция с углепластиком крепится до того, как будет установлена опалубка. При бетонировании вертикальных конструкций необходимо, чтобы арматура была установлена ровно.

Вязка композитной арматуры

Для вязки арматуры необходимы инструменты:

  • кусачки;
  • пассатижи;
  • винтовой крючок.

Вязать стержни можно любыми узлами – угловыми, крестовыми и др.

Перечень недостатков углепластиковой арматуры

К основным недостаткам композитной арматуры следует отнести ее относительно высокую стоимость. Правда, благодаря малому весу можно компенсировать стоимость арматуры расходами на перевозку, нарезку, монтаж. Следующий недостаток – ломкость. Прут может сломаться от удара, от попыток изогнуть, а любая микротрещина снижает прочность. И, наконец, низкая огнестойкость – всего 600°С. В случае пожара арматура расплавится внутри бетона.

Стеклопластиковые прутья

Видео по теме: Композитная арматура — сравнение со стальной


отзывы, характеристики, особенности и область применения, цены

Углеродные волокна доказали свою полезность и их активно используют во многих продуктах бытовой, промышленной и строительной сферы. Одним из направлений является выпуск композитных полимерных арматурных изделий, которые производители продвигают как неплохую альтернативу металлическому прокату.

Оглавление:

  1. Особенности и область использовния
  2. Плюсы и минусы композитной арматуры
  3. Отзывы застройщиков

Характеристики и сферы применения

Согласно ГОСТ 31938-2012 «Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия» в качестве упрочняющих волокон могут использоваться четыре вида непрерывных или штапельных нитей:

  • Арамидные из полиамидных материалов.
  • Стеклянные, производимые из расплава неорганического стекла.
  • Базальтовые, изготавливаемые из вулканических пород.
  • Углеродные, получаемые методом пиролиза (термообработки) органических волокон специальных веществ – прекурсоров. Их выбирают из-за того, что они содержат от 90 % и более массы углерода.

Волокна дополняются термореактивными связующими смолами группы эпоксидов или полиэфиров. Именно из-за этого готовая продукция относится к категории «неметаллическая композитная арматура» и, несмотря на заверения производителей, не может быть приравнена к стальному арматурному прокату.

Исследования показывают, что углеродная нить обладает лучшими характеристиками по сравнению со стеклянными и базальтовыми волокнами. Соответственно, физико-технические свойства углепластикового композита намного выше, чем у аналогов.

Наименование показателяСтеклокомпозитБазальтокомпозитУглекомпозитАрамидокомпозит
Предел прочности при растяжении, МПа800-1000800-12001400-20001400
Модуль упругости при растяжении, ГПа45-5050-60130-15070
Предел прочности при сжатии, МПа300300300300
Предел прочности при поперечном срезе, МПа150150350190

Большинство продавцов и покупателей путают все четыре вида композита, хотя из таблицы видно, что характеристики стеклопластиковой арматуры весьма посредственные по сравнению с углепластиком.

По таким критериям как предел прочности и модуль упругости карбоновые волокна подразделяются на:

  • Материал общего назначения.
  • Высокопрочные.
  • Сверхвысокомодульные.
  • Высокомодульные.
  • Среднемодульные.

Композитная арматура производится из первых двух разновидностей. Внешне готовые изделия схожи с металлопрокатом – стержни круглого сечения диаметром 4-32 мм с периодическим профилем. Рифление получается за счет намотки углеволоконного жгута. Сверху продукт покрывается слоем термореактивной смолы для защиты нитей от разрушающих факторов. Некоторые заводы (Гален, ТДКМ) предлагают варианты с гладкой или рифленой поверхностью и песчаной обсыпкой для улучшения адгезии с бетонным раствором.

Бытует мнение, что углепластиковая арматура может быть только черной. Утверждение ошибочно, так как при желании заводы изготавливают композитную продукцию в любом из 12 основных колеров: красную, синюю, зеленую и так далее.

Производители рекомендуют применять углекомпозит в следующих областях:

1. Строительство малоэтажных зданий (фундамент, стены монолитные и многослойные, перегородки).

2. Сооружение различных устройств коммунального и бытового характера (септики, канализационные системы, теплицы).

3. Возведение мостов, настилов, опорных элементов.

4. Устройство дорожного полотна, тротуаров.

5. Производство фасонных изделий и многие другие.

Некоторые строители умудряются с успехом использовать карбоновый композит в нестандартных решениях: при анкеровании многослойных стен, в качестве замены металлических уголков, нагелей при возведении срубовых домов, бань или беседок. И, как свидетельствуют отзывы, углепластик отлично возмещает недостатки металла (коррозия и тому подобное).

Композитную арматуру можно купить в виде стержней длиной до 12 м или бухтами по 50-200 метров в намотке. Для фиксации (вязки) при сборке каркаса используются пластиковые хомуты или вязальная проволока в толщине не более 4 мм.

Преимущества и недостатки

О стальной арматуре известно все. А вот композитные армирующие прутья для потребителей – загадка. Производители заявляют о следующих достоинствах углепластиковой продукции:

1. Химическая и биологическая устойчивость материала. Композитные изделия инертны к воде, кислотам, щелочам, различным микроорганизмам.

2. Абсолютный диэлектрик. Конструкция с углепластиком радиопрозрачна и магнитоинтерна, не проводит электричество.

3. Малый вес. Масса углепластиковой арматуры в 5-7 раз меньше стали, за счет чего облегчается доставка, а монтаж производится быстро и легко одним работником.

4. Высокая теплоемкость. Коэффициент теплопроводности углекомпозита не превышает 0,5 Вт/м*К, тогда как аналогичный показатель стали равен 47 Вт/м*К.

5. Высокая прочность – выдерживает значительные нагрузки, устойчива на излом, к механическим воздействиям, поэтому при замене стальной можно использовать карбонокомпозит меньшего диаметра.

Некоторые физические характеристики не уступают показателям металла. Но демонстрируемые производителями результаты исследований опираются на данные волокна, а не готового стержня. В отличие от стальных изделий, в композитной арматуре сечение волокна не равно диаметру прута, не менее 25-50% объема приходится на синтетическую смолу или, проще говоря, полимеризованный пластик. Реальные данные по процентному соотношению отсутствует, равно как и соответствующие нормативы, ТУ для испытаний и другая документация. Все это заставляет сомневаться, а допустима ли замена металлического стержня 8 мм на углекомпозит того же диаметра или требуется пересчет?

6. Эксплуатация в широком диапазоне температур: от -70 до +400°C. На самом деле любой пластик при морозе ниже -10 °С становится хрупким. А если температурный уровень опустится ниже -30 °С, то каркас может просто раскрошиться при малейшем увеличении нагрузки. Что же касается верхнего предела, здесь вопрос в сомнительной огнестойкости материала. Синтетические полимеры начинают плавится при температуре от +120 °С и выше, стержни быстро потеряют форму, «потекут».

7. Долговечность – до 50 лет. Стальная арматура используется уже более 100 лет, накоплен огромный опыт и база знаний по ней, известны всевозможные параметры, включая срок службы. Арматура из карбонопластиковой смеси до сих пор полностью не изучена и точный эксплуатационный период неизвестен, только предполагаемый.

8. Простой монтаж при помощи пластиковых хомутов. Самым надежным методом фиксации элементов считается сварка. Следом идет вязка проволокой диаметром от 1,4 мм. Гибкие пластиковые полоски однозначно не выдерживают тех же нагрузок, что и сталь, поэтому высокая прочность таких соединений – не более чем миф.

Подытоживая, отметим, что действительных плюсов у арматуры из композита немного – четыре позиции. В копилке минусов:

  • Ломкость. При изгибании продукция быстро трескается, ломается, поэтому криволинейные конструкции и углы из нее армировать не получится. Именно из-за этого факта карбонопластик получает негативные отзывы.
  • Отсутствие нормативной и расчетной базы.
  • Высокая цена. Даже при равнопрочной замене стоимость стали существенно ниже, что доказывает приведенная ниже таблица.

Сравнение стоимости композитной и металлической арматуры:

Диаметр продукции, ммЦена АМ, рубли/погонный метрЦена АУК, рубли/погонный метр
61111
81314
101820
122528
143036
164855
185567

Таким образом, углепластик лучше использовать в узкоспециализированном строительстве и при возведении не нагружаемых конструкций.

Мнения людей

«Летом впервые столкнулся с углекомпозитной арматурной продукцией. Задумал строить забор из профнастила и на мелкозаглубленный фундамент потребовался каркас из тонких стержней. У меня легковая машина, поэтому металл брать не хотелось – сложно его везти на крыше. Сначала думал купить базальтопластиковую арматуру, но продавец предложил попробовать карбоновый композит, который по характеристикам гораздо прочнее. 3 бухты по 100 м легко уместились в багажнике. Минус заметил при заливке – изделия гибкие и бетонная смесь при попадании в опалубку немного сдвигает каркас. В остальном углекомпозит показал себя достойно».

Игорь Фомичев, Волгоград.

«Заказал строительство коттеджа из пенобетона. Материал гигроскопичный, поэтому снаружи дополнительно стены облицовывались кирпичом с внутренним утеплением пенопластом. Получилась такая колодезная кладка. Для связки всех слоев использовали стержни углекомпозитной арматуры. Работать с ней намного проще, чем с металлической, а разница в прочности невелика».

Арсений, Самара.

«Когда в квартире делали капитальный ремонт, для ускорения заказал полусухую стяжку и менеджер посоветовал приобрести углекомпозитную арматуру. Можно было и стеклопластик, но карбоновая продукция более прочная. Сетку сделали мелкоячеистой, чтобы увеличить надежность и исключить любые подвижки».

Александр, Казань.

«Строил дом из керамзитобетона и прораб порекомендовал купить углепластиковые прутья для армирования стен вместо металлических. По отзывам композитная арматура неплохо проявляет себя в таких конструкциях. Режется очень легко, монтировать ее еще проще».

Олег Чайкин, Омск.

отзывы застройщиков, характеристики, плюсы и минусы, цены

Из всех видов композитной арматуры углепластиковая является самой прочной и дорогостоящей, ее применение должно быть экономически обоснованным. Материал представляет собой прутья диаметром от 4 до 32 мм длиной до 12 м, с целью повышения адгезии они имеют ребристую или покрытую песком поверхности. В основном используются в качестве альтернативы или усиления металлической арматуры в фундаментах, стяжках и ЖБИ, но в ряде случаев они незаменимы.

Оглавление:

  1. Классификация и описание
  2. Область применения углепластика
  3. Список преимуществ и недостатков
  4. Правила вязки стержней
  5. Мнения застройщиков

Разновидности, характеристики и особенности

Общие технические условия регламентированы ГОСТ 31938-2012. В зависимости от материала стержней выделяют следующие виды неметаллической арматуры:

  • Стеклопластиковая, из склеенных в пруток полимерных волокон с накрученной поверх стеклянной нитью. Реализуется в кольцах и бухтах, из всех композитных типов арматуры имеет самую низкую прочность и термоустойчивость.
  • Базальтопластиковая арматура – на основе нитей из расплавов твердых пород: базальта или габбро-диабаза.
  • Углеродные прутья, получаемые путем пропитки синтетическими смолами термически разложенных полиакрилонитрильных или гидратцеллюлозных волокон и протяжкой их через высокопрочные формы.

Характеристики последней разновидности говорят сами за себя:

  • Высокая прочность на разрыв – от 2000 до 3000 МПа, что позволяет использовать при заливке фундаментов и изготовлении ЖБИ прутьев с меньшим диаметром.
  • Удельный вес – не более 1600 кг/м3.
  • Модуль упругости в пределах 350 ГПа, в этом плане углепластиковая арматура в 7 раз лучше обычной стекловолоконной.
  • Огнестойкость – до 600 °C.
  • Коэффициент теплопроводности – 0,55-1 Вт/м·°С.
  • Материал химически инертен и обладает абсолютной коррозионной стойкостью.

Сфера применения

Композитная арматура востребована в жилищно-гражданском, промышленном, горнодобывающем и дорожном строительстве. Высокая прочность и антикоррозийная устойчивость делают ее незаменимой при возведении объектов, подверженных частым влажностным нагрузкам или эксплуатируемым в воде. К таким относят подтапливаемые фундаменты, колодцы, септики, ж/б емкости, очистные сооружения, системы канализации, мелиорации и водоотвода, мосты, опоры, объекты береговой линии, в том числе морские. Допускается использование этой арматуры при изготовлении предварительно напряженных ЖБИ.

В частной сфере потребность в углепластиковых прутьях возникает при заложении фундаментов ниже нулевой отметки грунта, строительстве домов с подвалами. Практика показывает, что основания и объекты, армированные таким прутьями, хорошо выдерживают вибрационные нагрузки. К альтернативным вариантам относят усиление металлических каркасов и аналогичных поддерживающих конструкций. Имея более низкий коэффициент теплопроводности в сравнении со сталью, композиты применяются с целью армирования кладки из пено- или газоблоков и других легких марок бетона.

Плюсы и минусы

К достоинствам этой разновидности относят:

  • Химическую инертность, стойкость к коррозии, агрессивным средам и биологическим воздействиям.
  • Низкий вес и снижение трудозатрат при доставке и вязке армоконстуркций.
  • Высокую прочность основы, углеродные волокна выдерживают нагрузки на разрыв в 2-3 раза лучше стали.
  • Близкий к бетону коэффициент теплового расширения и низкую теплопроводность. Это исключает риск образования трещин и мостиков холода при заливке единых монолитов или армировании кладки из строительных блоков.
  • Хорошие диэлектрические свойства, материал беспрепятственно пропускает радиоволны и не меняет свои показатели под влиянием э/м излучения.
  • Долговечность, заявленный производителями срок службы составляет 75 лет, отзывы потребителей подтверждают неизменность форм, внешнего вида и прочности в процессе эксплуатации.

К эксплуатационным недостаткам арматуры из углепластика относят отсутствие возможности изгиба непосредственно на стройплощадке (читайте о том, как гнуть металлическую арматуру), снижение прочностных характеристик при растрескивании и потерю полезных свойств при нагреве (в отличие от полностью соответствующей пожарным нормам стали композиты в лучшем случае являются самозатухающими). Изогнутые формы производят исключительно в заводских условиях, что приводит к потребности в точной схеме армирования и ее строгого выполнения. Эта разновидность обходится дорого, число ее изготовителей ограничено, по отзывам на рынке встречается много подделок с низкой прочностью.

Технология вязки

Соединение композитных прутьев осуществляется внахлест, с шагом ячеек сетки или соседних рядов в пределах 25 см. Проведение сварки в данном случае крайне затруднительно, на больших площадках могут использоваться специальные накладки, но чаще всего фиксацию проводят с помощью вязальной проволоки или пластиковых хомутов. В процессе вязки отслеживается ровность вертикальных рядов и надежность закрепления углов, особенно это актуально при бетонировании заглубленных фундаментов. Низкий вес углепластика с одной стороны облегчает работы, с другой – делает каркас менее устойчивым к смещению при заливке строительного раствора.

С целью упрощения процесса все инструменты и крепежи подготавливают заранее. Для надежной фиксации прутьев с сечением в пределах 16 мм потребуется около 20 см мягкой проволоки, вязка узлов может быть любой: угловой, двурядной, крестовой. Собранный каркас нуждается в выравнивании и надежной основе, по аналогии с металлическим его устанавливают на специальные пластиковые опоры.

Отзывы о материале

«Использовал композитные арматурные прутья при заливке ленточного основания на подтапливаемой местности, вложения были значительные, сэкономить удалось только на доставке и вязке. Результатом остался доволен: фундамент второй год стоит без смещения и подвижек. Недостатков не заметил, но обратил внимание, что по ходу заливки каркас следует придерживать, он получился в разы легче металлического».

Владимир, Нижний Новгород.

«При бетонировании фундаментов имел дело с разными видами арматуры, в том числе с композитной. Считаю ее главным недостатком хрупкость, работа с прутьями требует осторожности, особенно в момент выгрузки. Они не гнутся, но в этом нет необходимости, хомуты хорошо держат стыки, каркас получается прочный и легкий. К однозначным плюсам отношу инертность и коррозийную устойчивость».

Роман, Ростов.

«Решил купить углепластиковую арматуру с целью укрепления заглубленной плиты, сетку вязал со стандартным шагом 25×25 см с помощью проволоки. За исключения высокой цены минусов у материала не заметил, начитавшись отзывов, ожидал, что часть прутьев разобьется, но в итоге на момент соединения все они были целые».

Александр, Москва.

«Считаю арматуру из углепластика для частного строительства неоправданной, при сильном риске коррозии или необходимости облегчения конструкции лучше купить более дешевые стекловолоконные или базальтовые прутья, а углерод ввести в раствор в виде фибры. По моему опыту это поможет сэкономить на каркасе до 40 %, а в прочности фундамент или стяжка только выиграет. Гнуть композиты нельзя в любом случае, в бухту скатываются исключительно тонкие, поэтому для усиления углов советую комбинировать углепластик или стекловолокно с металлом».

Сергей, Воронеж.

Добавить отзыв

Стоимость материала

Тип арматурных прутьев, производитель Диаметр, мм Цена за 1 п.м., рубли
FibARM Rebar, ХК «Композит» С финишным песочным покрытием или навивкой 4 165
6 265
8 570
10 760
12 1070

Колонка газовая Zanussi GWH 10 Fonte Glass Carbon

 
Основные
 
Гарантийный срок 24 мес
 
Цвет корпуса Лицевая панель Carbon
 
Серия Fonte Glass
 
Страна производства КНР
 
Бренд ZANUSSI
 
Потребительские
 
Область применения Бытовое оборудование (для домашнего использования)
 
Производительность
 
Расчетная номинальная мощность 20 кВт
 
Макс. производительность л/мин 10 л/мин
 
Режимы
 
Количество режимов нагрева Бесступенчатая регулировка мощности
 
Защита и безопасность
 
Предохранительный клапан давления Да
 
Защита от перегрева Да
 
Защита от включения без воды Да
 
Датчик тяги дымохода (отключает подачу газа) Да
 
Система самодиагностики неисправности Нет
 
Контроль наличия пламени (отключает подачу топлива) Да
 
Технологии
 
Материал теплообменника Медь
 
Материал горелки Нержавеющая сталь
 
Розжиг горелки Электронный
 
Монтажные
 
Резьба входного патрубка 1/2 «
 
Вид установки (крепления) Настенная
 
Резьба выходного патрубка 1/2 «
 
Внешний диаметр дымохода 110 мм
 
Макс. давление в водопроводе 8 бар
 
Номинальное давление природного газа 13 мбар
 
Вариант размещения Вертикальное
 
Мин. давление в водопроводе 0.15 бар
 
Вес и габариты товара
 
Глубина товара 0.191 м
 
Вес товара (нетто) 10.2 кг
 
Габаритные размеры товара (В*Ш*Г) 0,55*0,33*0,191 м
 
Ширина товара 0.33 м
 
Высота товара 0.55 м
 
Комплектность
 
Набор крепежных элементов в комплекте Да
 
Управление
 
Регулировка температуры нагрева Да (механический регулятор)
 
Точность установки температуры 1,0 °С
 
Вид управления Механическое
 
Индикация
 
Цифровой дисплей Да
 
Индикация включения Да
 
Индикация температуры нагрева Да
 
Индикация уровня заряда батареи Нет
 
Подсветка дисплея Да
 
Дополнительные
 
Форма корпуса Прямоугольная
 
Гарантийный документ Гарантийный талон

Полимер, армированный углеродным волокном — обзор

10.3.1 Механизмы поглощения энергии в композитных конструктивных элементах

Хотя углепластик, как правило, является хрупким при растяжении с низкими деформациями разрушения, было показано, что композитные структурные элементы разрушаются при других режимах разрушения такие как местное сжатие, сдвиг, микровыкание или расслоение, обладают способностью поглощать энергию за счет контролируемого прогрессирующего разрушения. Ключевым моментом является инициирование режима постепенного разрушения, при котором поглощенная энергия значительно выше, чем измеренная при хрупких отказах.Это достигается с помощью спусковых механизмов (также известных как инициаторы разрушения), вводимых в структурный элемент, которые снижают пиковые силы разрушения и вызывают режим прогрессирующего разрушения, распространяющийся по всей конструкции. Наблюдалось множество различных режимов прогрессирующего разрушения, которые в значительной степени зависят от типа волокна, типа матрицы, границы раздела волокно-матрица, последовательности укладки волокон и ориентации волокон, геометрии образца, режима нагрузки, конструкции триггера, скорости деформации, температурных эффектов и т. Д. Энергопоглощающие виды отказов продолжаются более 30 лет, охватывая все аспекты от микромеханики композитов до макромеханики на уровне слоев / ламината, до запуска концепций и проектирования на структурном уровне.

Ранняя работа [32–37] показала, что стеклянные или углепластиковые трубки, нагруженные при осевом сжатии через скошенный или скошенный конец трубки (спусковой механизм снятия фаски), могут выйти из строя в режиме постепенного раздавливания при условии, что толщина стенки трубки достаточно высока для предотвращения преждевременного глобальные или локальные отказы продольного изгиба. В ходе этой работы были определены основные механизмы разрушения при разрушении как режим расширения или фрагментации. Расщепление инициируется срабатыванием фаски из-за расслоений на фронте раздавливания, которые вызывают изгиб или растяжение слоев наружу, что приводит к осевому расщеплению и изгибу или отказу от поперечного сдвига.В зависимости от пластичности композита расширенные слои или листья будут короткими из-за фрагментации или длинными. Фрагментация более коротких пластин на фронте раздавливания приводит к образованию клина обломков, который затем вызывает отказы расслоения и приводит к устойчивому режиму отказов при раздавливании с высоким EA. Это основной механизм композитных трубчатых поглотителей при осевых сжимающих нагрузках. Важным шагом в разработке ударопрочных композитных структур было показать, что аналогичные механизмы разрушения могут запускаться в нетубулярных структурных элементах, таких как открытые круглые сегменты и сети синусоидальной волны [27,36] и коробчатые секции [38].

Для измерения и понимания ЭА и механизмов отказа композитных структурных элементов требуется разработка новых процедур испытаний и соответствующих образцов для испытаний. Фераболи [9] рассматривает существующие процедуры испытаний и обсуждает характеристики плоских пластин и гофрированных образцов для испытаний на осевое раздавливание. Характеристики EA, которые необходимо измерить, получены для образцов, которые выходят из строя в устойчивом режиме раздавливания, для чего требуются специально разработанные опорные приспособления или самонесущие образцы, такие как трубы и цилиндрические профили.Компания DLR разработала образцы сегментов труб со скошенными кромками, см. [28], которые легче изготовить, чем трубки, они самостабилизируются без боковых опор и дают воспроизводимые разрушения при осевом раздавливании как в квазистатических, так и в динамических условиях нагружения. Квазистатические испытания на образцах сегментов трубы со скошенной фаской обсуждаются здесь, а динамические испытания на раздавливание описаны далее в [39]. Образцы для испытаний состоят из полукруглого цилиндрического сегмента с фланцами на продольных свободных краях для предотвращения местного коробления при осевом сжатии.Они были изготовлены из углеродной ткани Hexply M18 / 1/43% / G939-220gsm 4HS / эпоксидного препрега с восемью слоями ткани и слоем [0/90/0/90]. Размеры: длина 75 мм, диаметр по фланцам 50 мм, номинальная толщина 2,0 мм. Спусковой механизм имел внешнюю фаску под углом 45 °, что инициировало устойчивый процесс дробления на кончике фаски. Основание сегментных образцов закреплено в опорном зажиме на нижней стальной плите, установленной на датчике нагрузки квазистатической испытательной машины. Кромка с фаской подвергается осевому сжатию стальной пластиной, прикрепленной к траверсе, которая нагружает образец со скоростью 1 мм / с.Время осевого усилия и время смещения крейцкопфа измеряются в испытании для типичных расстояний раздавливания 50 мм.

На рис. 10.4 показаны изображения пленки испытания на раздавливание, показывающие три фазы: раздавливание спускового крючка, растяжение ламината на внутреннюю и внешнюю пластинки с центральной трещиной расслоения с последующим осевым расщеплением пучков пластинок на лепестковидные ветви. как более подробно описано в [40] и видно на окончательном раздавленном образце на Рисунке 10.5 (а). Стационарная фаза раздавливания состоит из образования вайи, вызванного центральной трещиной расслоения с клином обломков, рис.10.5 (b), на котором показано рентгеновское сканирование с помощью компьютерной томографии высокого разрешения (HRCT) поперечного сечения стенки сегмента на фронте раздавливания. Измеренная кривая сдавливающего усилия-смещения сегментного образца показана на рис. 10.6 до смещения 40 мм. Кривая показывает быстро возрастающую нагрузку с пиком при смещении примерно 2 мм, что соответствует нагрузке на спусковой механизм снятия фаски. За этим следует резкое падение нагрузки, поскольку спусковой механизм срабатывает, и нагрузка падает до постоянного среднего значения в установившейся фазе дробления.Это устойчивое раздавливание является основным механизмом, используемым при разработке энергопоглощающих структур композитов. Ключевыми параметрами для проектирования таких устройств являются установившаяся сила раздавливания (SSCF), EA, определяемая как площадь под кривой силы сжатия-смещения, и SEA, которая представляет собой энергию, поглощенную на единицу массы разрушенного материала. Эти данные показаны в первой строке таблицы 10.1 с SSCF 24 кН и SEA 87,1 кДж / кг, которые являются типичными значениями для квазистатических испытаний сегментов DLR с материалами препрега из углеродной ткани M18 / 1.В расширенном исследовании этих образцов с различными слоями ламината и вариантами изготовления сообщается в [41]; диапазон SEA 79,4–90,6 кДж / кг был измерен при изменении укладки с различными пропорциями слоев ткани под углом 0 ° и 45 ° к оси нагрузки.

Рисунок 10.4. Последовательность квазистатических испытаний на раздавливание сегмента трубы из углеродной ткани / эпоксидной смолы.

Рисунок 10.5. Образец сегмента углеродной ткани / эпоксидной смолы после квазистатического испытания на раздавливание. а) раздробленный сегмент; (b) Компьютерная томография высокого разрешения фронта разрушения.

Рисунок 10.6. Кривые сдавливающего усилия для образцов сегментов углеродной ткани / эпоксидной смолы при различных скоростях нагружения.

Таблица 10.1. Энергопоглощающие характеристики сегментов из армированного углеродным волокном полимера при различных скоростях нагружения

Скорость нагружения (м / с) Пиковая сила сжатия (кН) SSCF (кН) Расстояние раздавливания (мм) Поглощенная энергия (кДж) SEA (кДж / кг)
0.001 31,86 24,03 58,48 1,420 87,11
2,00 31,01 17,71 49,29 0,891 67,89
5,00 27,87 0,825 67,53
10,00 35,69 18,04 41,62 0,741 67,04

Рисунок 10.6 также представлены эквивалентные кривые «сила-перемещение» на образцах аналогичных сегментов, испытанных динамически при более высоких скоростях нагружения при скоростях 2 м / с, 5 м / с и 10 м / с на испытательной машине Instron VHS 100/20 с высокой скоростью деформации в DLR. подробнее см. [39]. Это показывает, что динамические образцы показали устойчивую реакцию на раздавливание после срабатывания при начальной пиковой нагрузке. Самая интересная особенность кривых заключается в том, что три динамические кривые были очень похожи, без явной зависимости от скорости испытания, и все они были значительно ниже квазистатической кривой испытания.В таблице 10.1 приведены основные результаты квазистатических и динамических испытаний. Это показывает снижение на 22% в SEA и на 26% в SSCF при 2 м / с по сравнению с квазистатическими значениями. Эти результаты согласуются с предыдущими испытаниями, проведенными в DLR на ударных элементах, и объясняются более хрупким поведением композита при более высоких скоростях, что приводит к более коротким слоям на фронте раздавливания, которые быстрее фрагментируются, поглощая меньше энергии. Эти данные важны для проектировщика, поскольку композитные амортизаторы рассчитаны на ударные нагрузки, и очевидно, что полагаться на квазистатические испытания при разработке структур EA неконсервативно.

Сегменты полутруб со скошенными кромками демонстрируют высокую SEA, но сами по себе не подходят в качестве структурных поглотителей энергии из-за своей идеальной формы. Испытания на раздавливание сегментов относительно легко выполнить с высокой воспроизводимостью, и эти испытания в основном используются для проверки новых композитных материалов и слоев для использования в амортизаторах энергии столкновения. Они являются основным элементом синусоидальной волны и гофрированного полотна, которые используются в прочных конструкциях чернового пола, как описано в [27,36]. Текущий интерес сейчас заключается в изучении поведения EA для ряда составных форм каналов, которые затем могут стать основой более продвинутых структур EA.Детальное исследование профилей из углеродной ткани / эпоксидной смолы с гофрированным полотном [9] и нескольких секций каналов, вырезанных из коробчатых секций, включая полную коробку, C-образные каналы и прямоугольные угловые секции [42], было проведено в CMH-17. Группа [8]. Квазистатические испытания секций канала, изготовленных из композитного тканого препрега Toray T700 / 2510, показали значения SEA в диапазоне от 80 кДж / кг для гофрированного полотна, 62 кДж / кг для небольшого прямоугольного углового участка и до 37 кДж / кг для коробчатого сечения и большого С-образного канала.Это следует из различных видов отказов, зависящих от формы. Гофрированное полотно раздавливалось, как и сегменты DLR, и имело высокую SEA, тогда как в С-образном канале неподдерживаемые боковые стенки изгибались наружу и вызывали общий режим отказа с расширением с поглощением энергии за счет разрыва по углам канала.

Чтобы повысить уровень сложности, CRC-ACS исследовали различные интегрированные композитные структуры, включающие круглые и трапециевидные сегменты, прикрепленные и / приклепанные к опорным пластинам или используемые в качестве сердечника с многослойной обшивкой, как сообщалось в [29, 43–45].Эти тестовые статьи были разработаны для получения информации об эффекте интеграции элементов раздавливания с окружающей структурой. Были проведены испытания, чтобы изучить разницу между скрепленными и механически скрепленными компонентами, а также влияние различных путей приложения нагрузки. Это привело к развитию веб-сегмента EA, который обсуждается далее в Разделе 10.3.3 и является основным элементом концептуальной структуры нижнего этажа, описанной в Разделе 10.4.

Особенности углеродного волокна и его характеристики.

«Легкий, прочный и долговечный!» Carbon Fibers — это не что иное, как 21-е. материал высоких технологий века. Волокна имеют низкий удельный вес, прекрасные механические свойства (высокая удельная прочность на растяжение, высокий удельный модуль упругости и т. Д.) И привлекательные характеристики (электрическая проводимость, термостойкость, низкий коэффициент теплового расширения, химическая стабильность, свойство самосмазывания, высокая теплопроводность. , и т.д.). Эти особенности стимулировали пользователей углеродного волокна к разработке множества видов приложений.

Легкий и прочный (механические характеристики)

Пластмассы, армированные углеродным волокном (CFRP), превосходят пластик, армированный сталью или стекловолокном (GFRP), по своей удельной прочности на разрыв и удельному модулю упругости (удельной жесткости). Другими словами, углепластик «легкий по весу и прочный» по своим механическим характеристикам.

Кроме того, углеродное волокно по усталостной прочности превосходит другие конструкционные материалы.

Превосходная стабильность размеров и термостойкость (термические характеристики)


Углеродные волокна обладают низким коэффициентом теплового расширения и высокой стабильностью размеров, а также обладают превосходными механическими характеристиками даже в условиях высоких температур.

GFRP: Пластмассы, армированные стекловолокном
CFRP: Пластмассы, армированные углеродным волокном
AFRP: Пластмассы, армированные арамидным волокном

Высокая электропроводность и отличное экранирование от электромагнитных помех


Углеродные волокна обладают высокой электропроводностью (объемным сопротивлением) и в то же время обладают отличными свойствами экранирования электромагнитных помех. Это успешно применяет углепластик в области защиты от электромагнитных помех.

Большая рентгеновская проницаемость

Поскольку углеродные волокна обладают великолепной проницаемостью для рентгеновских лучей, помимо легкого веса и жесткости, углепластик очень приветствуется в области деталей медицинского оборудования. Углепластик способствует получению более резких и четких фотоизображений.

Свойства углеродного волокна

Репутация

Carbon Fiber как материала приобрела мистические размеры! Мало того, что он имеет репутацию лучшего и самого сильного, но также стало круто иметь что-то из углеродного волокна!

Я не претендую на звание эксперта.В этой статье собрана информация, которую я нашел в своем исследовании углеродного волокна, я не являюсь основным источником. Я стараюсь быть точным, но Я ДЕЛАЮ ОШИБКИ, я знаю, что это может стать неожиданностью для некоторых из вас, но это так. Если вы планируете построить мачту или другие лодочные сооружения, исследуйте их. Проконсультируйтесь со специалистом и будьте осторожны. Развлекайся.

Во-первых, что такое углеродное волокно

Неудивительно, что углеродное волокно

состоит из кристаллов углерода, выровненных по длинной оси. Эти кристаллы в форме соты образуют длинные сплющенные ленты.Такое выравнивание кристаллов делает ленту прочной по длинной оси. В свою очередь, эти ленты выравниваются внутри волокон. Форма волокна — это исходная форма материала (его предшественника), используемого для производства углеродного волокна. Я не знаю ни одного процесса, при котором волокна формируются ПОСЛЕ карбонизации. Эти волокна (содержащие плоские ленты из кристаллов углерода), в свою очередь, объединяются производителем в более толстые волокна и вплетаются в углеродную ткань, превращаются в войлок, скручиваются или связываются без скручивания. Это называется Ровинг.Углеродное волокно также предлагается в виде рубленых прядей и порошка.

Чтобы изменить характеристики укладки, иногда добавляют другие материалы, такие как стекловолокно, кевлар или алюминий. Углеродное волокно в качестве него используется редко. Скорее он встроен в матрицу. В производстве мачт и лодок мы обычно думаем о эпоксидных или полиэфирных смолах, но углеродное волокно также используется в качестве арматуры для термопластов, бетона или керамики.

Производство углеродного волокна

Существует несколько методов изготовления углеродного волокна, но, по сути, все они начинаются с изготовления волокон из материала-предшественника, богатого углеродом.Исходный размер и форма волокна сохранятся в готовом углеродном волокне, но внутренняя химическая структура будет значительно изменена в результате различных циклов нагрева. Первыми шагами являются карбонизация и растяжение волокон-прекурсоров, будь то ПАН: полиакрилонитрил, смола или вискоза. Есть несколько циклов нагрева при различных температурах, исключая кислород. Этот процесс вытесняет большинство других элементов (в основном водород и азот) из исходного материала, оставляя углерод.Это также позволяет углю постепенно кристаллизоваться в его характерном ячеистом виде. Если вы еще не видели его, перейдите на мою страницу «Исследования углерода» и посмотрите видео о структуре углеродного волокна. это потрясающе.

Это видео на Youtube показывает, как производится углеродное волокно, и его стоит посмотреть.

Наиболее важными факторами, определяющими физические свойства углеродного волокна, являются степень карбонизации (содержание углерода, обычно более 92% по весу) и ориентация слоев слоистых углеродных плоскостей (лент).Волокна производятся в промышленных масштабах с широким диапазоном вариаций кристаллического и аморфного содержания для модификации или улучшения различных свойств.

В зависимости от исходного материала и процесса карбонизации углеродное волокно модифицируется для соответствия конечному назначению. ПАН или полиакрилонитрил — наиболее распространенный прекурсор для пластиковых композитов.

Основными вариациями характеристик является зависимость прочности от жесткости. Используя разные циклы нагрева, можно выделить любой из них. Проводятся исследования по изменению других характеристик, таких как тепло и электропроводность.

Важна не только внутренняя структура волокон, но и то, как они выстраиваются в готовую продукцию, имеет огромное влияние на свойства изготавливаемого изделия. Правильное выравнивание углеродных волокон необходимо для максимизации их преимуществ.

Свойства углеродного волокна, что не стоит любить !!

  1. Высокая прочность по отношению к массе
  2. Жесткость
  3. Коррозионная стойкость
  4. Электропроводность
  5. Сопротивление усталости
  6. Хорошая прочность на разрыв, но хрупкость
  7. Огнестойкость / Невоспламеняющийся
  8. Высокая теплопроводность в некоторых формах
  9. Низкий коэффициент теплового расширения
  10. Неядовит
  11. Биологически инертный
  12. Рентгеновский проницаемый
  13. Сравнительно дорого
  14. Требуется специальный опыт и оборудование.

Я не писал подробно, но углеродное волокно является самосмазывающимся, оно также имеет отличное экранирование от электромагнитных помех (EMI)

1- Углеродное волокно имеет высокое отношение прочности к массе (также известное как удельная прочность)

Прочность материала — это сила, приходящаяся на единицу площади при разрушении, деленная на его плотность. Любой прочный И легкий материал имеет подходящее соотношение прочности и веса. Такие материалы, как алюминий, титан, магний, углеродное волокно и стекловолокно, высокопрочные стальные сплавы, имеют хорошее соотношение прочности к весу.Неудивительно, что древесина бальзы отличается высоким соотношением прочности и веса.

Следующие цифры предлагаются только для сравнения и будут варьироваться в зависимости от состава, сплава, типа крестовины, плотности древесины и т. Д. Единицы измерения — кНм / кг.

Spectra fiber 3619
Кевлар 2514
Углеродное волокно 2457
Стекловолокно 1307
Spider Silk 1069
Углеродно-эпоксидный композит 785
Осевая нагрузка бальзы 521
Стальной сплав 254
Алюминиевый сплав 222
полипропилен 89
Дуб 87
Нейлон 69

Обратите внимание, что прочность и жесткость — это разные свойства, прочность — это сопротивление разрушению, жесткость — это сопротивление изгибу или растяжению.

Из-за того, как кристаллы углеродного волокна ориентируются в длинной плоской ленте или узких листах сотовых кристаллов, прочность при движении по длине выше, чем по волокну. Вот почему дизайнеры объектов из углеродного волокна определяют направление укладки волокна, чтобы обеспечить максимальную прочность и жесткость в определенном направлении. Волокно выравнивается в направлении наибольшего напряжения.

Углеродное волокно-предшественник на основе пека имеет более высокую прочность, чем углеродное волокно на основе пека, которое имеет более высокую жесткость.

2- Углеродное волокно очень жесткое

Жесткость или жесткость материала измеряется его модулем Юнга и измеряет, насколько материал прогибается под действием напряжения. Пластик, армированный углеродным волокном, более чем в 4 раза жестче, чем пластик, армированный стекловолокном, почти в 20 раз больше, чем сосна, в 2,5 раза больше, чем алюминий. Дополнительную информацию о жесткости и способах ее измерения, а также сравнительную таблицу различных материалов см. На моей странице модуля Юнга.

Помните, что напряжение — это сила, деформация — это отклонение, такое как изгиб или растяжение

3- Углеродное волокно устойчиво к коррозии и химически стабильно.

Хотя углеродные волокна сами по себе не подвержены значительному износу, эпоксидная смола чувствительна к солнечному свету и требует защиты. Другие матрицы (независимо от того, в какое углеродное волокно встроено) также могут быть реактивными.

Углеродные волокна подвержены воздействию сильных окислителей

Композиты из углеродного волокна должны быть изготовлены из эпоксидной смолы, стойкой к ультрафиолетовому излучению (редко), либо покрыты стойкой к ультрафиолетовому излучению отделкой, такой как лаки.

4- Углеродное волокно электропроводное

Эта функция может быть полезной или мешать.При строительстве лодок необходимо учитывать проводимость, так же как и проводимость алюминия. Электропроводность углеродного волокна может способствовать гальванической коррозии арматуры. Тщательная установка может уменьшить эту проблему.

Углеродная пыль может накапливаться в магазине и вызывать искры или короткое замыкание в электрических приборах и оборудовании.

В настоящее время ведется довольно много исследований и разработок по использованию электропроводности углеродного волокна для получения тепла либо для более быстрого отверждения композитных материалов, либо для самих нагревательных свойств.Это может быть применено в зимней одежде или в одежде, предназначенной для суровых условий окружающей среды.

Вот исследовательский документ о проводящих тканях и их использовании в боевом обнаружении ран. PDF файл

5- Усталостное сопротивление хорошее

Устойчивость к усталости композитов из углеродного волокна — хорошая. Однако, когда углеродное волокно выходит из строя, оно обычно катастрофически выходит из строя без значительных внешних признаков, свидетельствующих о неминуемом выходе из строя.

Повреждение в результате усталости при растяжении рассматривается как снижение жесткости с увеличением числа циклов напряжения (если температура не является высокой)

Испытания показали, что отказ вряд ли будет проблемой, если циклические напряжения совпадают с ориентацией волокна.Углеродное волокно превосходит стекло E по усталостной и статической прочности, а также по жесткости.

Ориентация волокон И различная ориентация слоев волокон имеют большое влияние на то, как композит будет сопротивляться усталости (как и на жесткость). Тип приложенных сил также приводит к разным типам отказов. Силы растяжения, сжатия или сдвига приводят к заметно разным результатам разрушения.

Бумага Национальной лаборатории Ок-Ридж об испытании композитов из углеродного волокна, предназначенных для использования в автомобилях.Американский институт аэронавтики и астронавтики, испытание материалов, которые будут использоваться в лопастях ветряных турбин.

6- Углеродное волокно имеет хорошую прочность на разрыв

Прочность на растяжение или предел прочности — это максимальное напряжение, которое может выдержать материал при растяжении или растяжении до образования шейки или разрушения. Сужение — это когда поперечное сечение образца начинает значительно сокращаться. Если вы возьмете полоску полиэтиленового пакета, она растянется и в какой-то момент начнет сужаться. Это шею.Прочность на растяжение измеряется в силе на единицу площади. Хрупкие материалы, такие как углеродное волокно, не всегда выходят из строя при одном и том же уровне напряжения из-за внутренних дефектов. Они терпят неудачу при малых деформациях. (другими словами, перед катастрофическим разрушением не происходит большого изгиба или растяжения) Модуль Вейбулла хрупких материалов

Испытание включает взятие образца с фиксированной площадью поперечного сечения, а затем его вытягивание, постепенно увеличивая силу, пока образец не изменит форму или не сломается. Волокна, такие как углеродные волокна, имеющие диаметр всего 2/10 000-х дюйма, превращаются в композиты соответствующей формы для проведения испытаний.

Единицы измерения — МПа. Эта таблица предлагается только для сравнения, так как она содержит большое количество переменных.

Углеродистая сталь 1090 650
Полиэтилен высокой плотности (HDPE) 37
Полипропилен 19,7-80
Полиэтилен высокой плотности 37
Нержавеющая сталь AISI 302 860
Алюминиевый сплав 2014-T6 483
Алюминиевый сплав 6063-T6 248
Только E-Glass 3450
E-Glass в ламинате 1500
Только углеродное волокно 4127
Углеродное волокно в ламинате 1600
Кевлар 2757
Сосна (параллельно волокнам) 40

ПРИМЕЧАНИЕ : При тестировании углеродного волокна, других волокон и неоднородных материалов следует брать образцы, которые NT и сопоставимые.Это непростая процедура. Если вы читаете исследования, в которых сравнивается прочность / жесткость, исследователи всегда объяснят, как были изготовлены их образцы, включая тип матрицы, расположение волокон, соотношение волокон к матрице и другие факторы. Эта трудность объясняет, почему измерения могут сильно различаться в зависимости от результатов исследования.

7- Огнестойкость / невоспламеняющийся

Вот статья о переработке углеродного волокна путем сжигания матрицы.

Углеродное волокно классифицируется как негорючее и не имеет указанной температуры вспышки.Если он подвергается воздействию высоких температур в присутствии горящего топлива, он может в конечном итоге окислиться, но как только пламя и топливо удалены, пламя не продолжается.

Поскольку углеродное волокно почти всегда используется в матрице, такой как эпоксидная смола, пластик или бетон, устойчивость матрицы к высоким температурам является более важным фактором.

В зависимости от производственного процесса и материала-предшественника углеродное волокно можно сделать так, чтобы оно было достаточно мягким на ощупь, и его можно использовать в защитной одежде для пожарных или, что более часто, интегрировать в нее.Примером может служить волокно с никелевым покрытием. Поскольку углеродное волокно также химически очень инертно, его можно использовать там, где есть огонь в сочетании с коррозионными агентами. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ СВАРКИ — ЧЕРНОЕ, 18 «X 24» Эти войлочные покрытия из углеродного волокна также используются для защиты подложек при пайке водопроводных труб .

8- Теплопроводность углеродного волокна

См. Мою статью о теплопроводности углеродных материалов, включая углеродное волокно, нанотрубки и графен.

Теплопроводность — это количество тепла, передаваемого через единицу толщины в направлении, нормальном к поверхности единицы площади, из-за единичного температурного градиента в установившихся условиях.Другими словами, это показатель того, насколько легко тепло проходит через материал.

Существует ряд систем мер в зависимости от метрических или британских единиц.

1 Вт / (м · К) = 1 Вт / (м o C) = 0,85984 ккал / (час o C) = 0,5779 БТЕ / (фут-час o F)

Эта таблица предназначена только для сравнения. Единицы измерения: Вт / (м · К)

Воздух 0,024
Алюминий 250
Бетон .4 — .7
Углеродистая сталь 54
Изоляция из минеральной ваты .04
Фанера .13
Кварц 3
Стекло Pyrex 1
Сосна .12
Эпоксидная смола, армированная углеродным волокном 24

Поскольку существует множество вариантов углеродного волокна, невозможно точно определить теплопроводность.Специальные типы углеродного волокна были специально разработаны для обеспечения высокой или низкой теплопроводности. Также предпринимаются попытки улучшить эту функцию.

Общество информации о материалах имеет страницу, посвященную графиту AKA Carbon Fiber

9- Низкий коэффициент теплового расширения

Это мера того, насколько материал расширяется и сжимается при повышении или понижении температуры.

Единицы измерения указаны в дюймах / дюймах градусах F. Как и в других таблицах, единицы измерения не так важны, как сравнение.

Сталь 7
Алюминий 13
Кевлар 3 или ниже
Тканое углеродное волокно 2 или менее
Углеродное волокно однонаправленное минус от 1 до + 8
Стекловолокно 7-8
Латунь 11

Углеродное волокно может иметь широкий диапазон CTE, от -1 до 8+, в зависимости от измеренного направления, переплетения ткани, материал-предшественник, на основе пэка (высокая прочность, более высокий КТР) или на основе пека (высокий модуль / жесткость, более низкий КТР).

При достаточно высокой мачте разница в коэффициентах теплового расширения различных материалов может незначительно изменить напряжения буровой установки.

Низкий коэффициент теплового расширения делает углеродное волокно подходящим для применений, где малые перемещения могут быть критичными. Одно из таких приложений — телескоп и другое оптическое оборудование.

10-11-12 Неядовит, биологически инертен, проницаем для рентгеновских лучей

Это качество делает углеродное волокно полезным в медицине. В разработке находятся протезы, имплантаты и ремонт сухожилий, рентгеновские аксессуары, хирургические инструменты.

Углеродные волокна, хотя и не ядовиты, могут вызывать сильное раздражение, поэтому необходимо ограничить длительное незащищенное воздействие. Однако эпоксидная или полиэфирная матрица может быть токсичной, поэтому необходимо соблюдать осторожность.

13- Углеродное волокно относительно дорогое

Несмотря на то, что он предлагает исключительные преимущества прочности, жесткости и снижения веса, его стоимость является сдерживающим фактором. Если преимущество в весе не является исключительно важным, например, в аэронавтике или гонках, оно часто не стоит дополнительных затрат.Дополнительным преимуществом является низкая потребность в обслуживании углеродного волокна.

Трудно количественно охарактеризовать круто и модно. Углеродное волокно имеет ауру и репутацию, которые заставляют потребителей платить больше за то, чтобы иметь его.

Возможно, вам понадобится меньше его по сравнению со стекловолокном, и это может быть вашей экономией.

Fiber Glast Real Carbon Fiber Fabric — 3K, 2 X 2 — Twill Weave — Рулон 1 ярд

Noahs поставляет углеродное волокно и стеклоткань любителям судостроения, загляните в их онлайн-каталог и сравните цены.(Канадский магазин)

14- Углеродные волокна хрупкие

Слои волокон образованы прочными ковалентными связями. Листовые агрегаты легко допускают распространение трещин. Когда волокна изгибаются, они выходят из строя при очень малой деформации. Другими словами, углеродное волокно не сильно изгибается перед тем, как выйти из строя.

Влияние изменения соотношения углеродного волокна и матрицы

15- Углеродное волокно еще не предназначено для любительской техники.

Чтобы максимально улучшить характеристики углеродного волокна, необходимо достичь относительно высокого уровня технического совершенства.Дефекты и пузырьки воздуха могут существенно повлиять на производительность. Обычно требуются автоклавы или вакуумное оборудование. Формы и оправки также являются основными расходами.

Успех любой любительской конструкции из углеродного волокна будет тесно связан с мастерством и вниманием.

Вот ссылка на видео на YouTube от Easy Composite Ltd. о различных методах использования углеродного волокна. У них есть ряд обучающих видео.


Эта статья находится в разработке.Я буду продолжать добавлять информацию и уточнять текст по мере изучения темы. Информация, которую я представил, получена из различных источников. Я пытался проверить это, когда мог. Я стараюсь использовать «надежные источники», такие как данные производителей, исследовательские работы или статьи из университетов. Я также полагаюсь на Википедию для обзора.
Хорошая статья из Университета Теннесси о производстве углеродного волокна.
Кристина.


напиши мне, если найдешь ошибки, я исправлю их, и мы все выиграем: Кристина

Что такое композиты CRFP и почему они полезны?

Полимерные композиты, армированные углеродным волокном (CFRP), представляют собой легкие и прочные материалы, используемые в производстве множества продуктов, используемых в нашей повседневной жизни.Этот термин используется для описания армированного волокном композитного материала, в котором углеродное волокно используется в качестве основного структурного компонента. Следует отметить, что буква «P» в углепластике может также обозначать «пластик», а не «полимер».

Как правило, в композитах из углепластика используются термореактивные смолы, такие как эпоксидная смола, полиэфир или винилэфир. Хотя термопластические смолы используются в композитах из углепластика, «термопластические композиты, армированные углеродным волокном» часто называют их собственным акронимом — композиты из углепластика.

При работе с композитами или в производстве композитов важно понимать термины и сокращения.Что еще более важно, необходимо понимать свойства композитов FRP и возможности различных армирующих элементов, таких как углеродное волокно.

Свойства композитов из углепластика

Композитные материалы, армированные углеродным волокном, отличаются от других композитов FRP, в которых используются традиционные материалы, такие как стекловолокно или арамидное волокно. К преимуществам композитов из углепластика относятся:

Легкий вес: Плотность традиционного армированного стекловолокном композитного материала с использованием непрерывного стекловолокна с содержанием стекла 70% (вес стекла / общий вес) обычно составляет.065 фунтов на кубический дюйм.

Между тем, композит CFRP с тем же весом волокна 70% обычно может иметь плотность 0,055 фунта на кубический дюйм.

Повышенная прочность: Композиты из углеродного волокна не только легче, но и намного прочнее и жестче на единицу веса. Это верно при сравнении композитов из углеродного волокна со стекловолокном, но даже в большей степени по сравнению с металлами.

Например, неплохое практическое правило при сравнении стали с композитами из углепластика состоит в том, что структура из углеродного волокна с одинаковой прочностью часто будет весить 1/5 от веса стали.Вы можете себе представить, почему автомобильные компании исследуют использование углеродного волокна вместо стали.

При сравнении композитов из углепластика с алюминием, одним из самых легких используемых металлов, стандартное предположение состоит в том, что алюминиевая структура равной прочности, вероятно, будет весить в 1,5 раза больше, чем структура из углеродного волокна.

Конечно, есть много переменных, которые могут изменить это сравнение. Сорт и качество материалов могут быть разными, и в случае композитов необходимо учитывать производственный процесс, архитектуру волокна и качество.

Недостатки композитов углепластика

Стоимость: Хотя это удивительный материал, есть причина, по которой углеродное волокно не используется во всех сферах применения. В настоящее время композиты из углепластика во многих случаях являются дорогостоящими. В зависимости от текущих рыночных условий (спрос и предложение), типа углеродного волокна (аэрокосмический или коммерческий) и размера жгута волокна цена на углеродное волокно может сильно различаться.

Необработанное углеродное волокно по цене за фунт может быть в 5-25 раз дороже, чем стекловолокно.Это несоответствие еще больше при сравнении стали с композитами из углепластика.

Электропроводность: Это может быть как преимуществом композитов из углеродного волокна, так и недостатком в зависимости от области применения. Углеродное волокно обладает высокой проводимостью, а стекловолокно — изоляционными. Многие приложения используют стекловолокно и не могут использовать углеродное волокно или металл строго из-за проводимости.

Например, в коммунальной промышленности требуется, чтобы во многих продуктах использовалось стекловолокно.Это также одна из причин, почему в качестве перил лестниц используется стекловолокно. Если лестница из стекловолокна соприкоснется с линией электропередачи, вероятность поражения электрическим током будет намного ниже. Это не относится к лестнице из углепластика.

Хотя стоимость композитов из углепластика по-прежнему остается высокой, новые технологические достижения в производстве продолжают обеспечивать возможность создания более рентабельных продуктов. Надеюсь, что в течение нашей жизни мы сможем увидеть экономичное углеродное волокно, используемое в широком диапазоне потребительских, промышленных и автомобильных приложений.

Характеристики очень многоцикловой усталости (VHCF) пластмасс, армированных углеродным волокном (CFRP), при ультразвуковой нагрузке

Abstract

Система охлаждения жидким азотом была разработана для обеспечения успешного ультразвукового испытания композитных материалов для определения характеристик очень многоцикловой усталости (VHCF). ) из углепластика (углепластика). Усталостное разрушение углепластика происходит даже в очень большом диапазоне циклов, и традиционного предела выносливости не существует. Кривая S – N для углепластика представляет собой ступеньку, характеристики которой проявляются при переходе между многоцикловой и очень многоцикловой усталостью.Исследуется эволюция повреждений углепластика в том же поле зрения. Морфология поврежденных композитов из углепластика при ультразвуковом нагружении описывается тремя характеристиками: повреждением матрицы на пересечении пучков волокон, полостью матрицы параллельного сечения вблизи пучка волокон и проникновением в матрицу. С увеличением количества циклов процесс повреждения также представляется поочередно в соответствии с этими тремя характеристиками. Модуль упругости изгиба после усталости значительно изменился по сравнению со значениями до усталости, что указывает на то, что VHCF оказал значительное влияние на механические свойства композита.Порог эволюции был введен из кривой S – N для определения закона эволюции усталости от многоциклового режима к очень многоцикловому.

Ключевые слова: пластики, армированные углеродным волокном, очень многоцикловая усталость, кривая SN, морфология повреждений, пороговое значение эволюции

1. Введение

Пластмассы, армированные углеродным волокном (CFRP), широко используются в аэрокосмической области благодаря своим преимуществам такие как высокая удельная прочность и модуль, хорошее сопротивление усталости, низкий коэффициент трения и скорость износа, а также хорошие термические и электрические свойства.Однако из-за высокой стоимости изготовления и очень высокой маневренности современных самолетов количество циклов усталости композитных деталей может превышать 10 7 в течение срока их службы, и должна быть очень высокая циклическая усталость (10 7 –10 11 ). считаться [1,2,3,4,5,6,7]. Усталость широко изучается во всем мире. Однако большая часть текущих исследований композитных материалов сосредоточена на статическом разрушении или малоцикловой усталости, тогда как экспериментальных исследований многоцикловой усталости (HCF) и очень многоцикловой усталости (VHCF) все еще очень мало [8].Частота испытаний [9] и нагрев образца [10] являются ключевыми факторами, ограничивающими изучение усталости композитных материалов. Карлайл и др. [11] и Curtis et al. [12] рассмотрели эти вопросы для снижения усталостной прочности ламинатов APC-2 / AS4. В 1997 году Couillard et al. [13] изучали усталостные характеристики углепластика при низкочастотной нагрузке. В 2006 году Silvain et al. [14] исследовали композитные материалы из углеродного волокна на низких частотах в пределах 0,5–10 Гц и высоких частотах в пределах 57–158 Гц и расширили циклы нагружения до более чем 10 9 .Они пришли к выводу, что повреждения все еще происходят в режиме VHCF. В 2013 году Gude et al. [15] исследовали механизм разрушения пластиков, армированных углеродным волокном, в режиме VHCF. Их результаты показали, что образцы ломаются перпендикулярно направлению слоя в режиме VHCF и вызывают значительное снижение жесткости. В 2014 году Adam et al. [9] завершили исследование на очень многоцикловую усталость плетеных композитов из стекловолокна [90/0] s с циклическим четырехточечным изгибом на частотах в пределах 50–80 Гц. Их результаты показали, что распространение трещины в направлении толщины было замедлено при низкой нагрузке и что отслоение задерживалось.В 2015 году Backe et al. [16] провели исследование на очень многоцикловую усталость композитов из углепластика с использованием метода ультразвуковых испытаний на усталость при частоте 20 кГц и указали, что углепластик все еще испытывает усталостное разрушение при низкоамплитудных нагрузках и длительной продолжительности. Усталость в самолетах в основном вызвана вынужденной и несинхронной вибрацией по различным аэродинамическим и механическим причинам. Амплитуда напряжения относительно низкая, но частота высокая. Это приводит к накоплению большого количества циклов за короткий промежуток времени, что создает серьезную скрытую угрозу безопасности авиационного оборудования.В настоящее время очень многоцикловая усталость металлических материалов хорошо изучена, но исследования очень многоцикловой усталости композитных материалов необходимо ускорить.

В данной работе мы разработали систему охлаждения жидким азотом для обеспечения плавной ультразвуковой нагрузки. Образцы из углепластика были подвергнуты ультразвуковому испытанию на усталость при трехточечном изгибе, и были получены кривые S – N, соответствующие многоцикловой и очень многоцикловой усталости. Кроме того, были исследованы микроструктура и морфология разрушения образцов.Определены характеристики и закономерности развития усталостных повреждений в сочетании с малоцикловой усталостью. Испытания на статический трехточечный изгиб были выполнены на образцах до и после испытания, и было определено влияние VHCF на модуль упругости материала при изгибе. Кроме того, энергия деформации G была получена из кривых S – N, и было установлено пороговое значение эволюции HCF в VHCF.

2. Материалы и методы

2.1. CFRP образцы

Мы использовали композитный материал углеродное волокно / эпоксидная смола (углеродное волокно: T300, порядок слоев: [90 ° / 0] с, объемная доля волокна: 54%, пористость: 3%), полученный методом горячего прессования.Соответствующие свойства перечислены в.

Таблица 1

Свойства используемого композитного материала.

E 1 / ГПа E 2 / ГПа E 3 / ГПа υ 12 υ 13 υ 23 G 1 / ГПа G 2 / ГПа G 3 / ГПа
144.70 9,65 9,65 0,30 0,30 0,45 5,2 5,2 3,4

Анализ силы образца углепластика при испытаниях на трехточечный изгиб показан в. Программное обеспечение ABAQUS 6.14–1 CAE (Dassault Simulia Inc, Провиденс, США) использовалось для моделирования и моделирования образцов углепластика для определения размера, подходящего для ультразвуковой нагрузки, как показано на рис.

Нагрузка образца из углепластика (углепластика).

( a ) Результаты моделирования смещения и ( b ) напряжения для образцов из углепластика.

Анализ показал, что размер образца 29 × 14 × 4 мм и расстояние L 0 = 16 мм между двумя шарнирами дает резонансную частоту 20106 Гц, что соответствует требованиям испытания с очень большим циклом. Согласно уравнению анизотропной собственной частоты [17], мы получили размер моделируемого испытательного образца:

Y ⁗ + b2 (r2 − s2) Y ″ −b4r2a2Y = 0.

(1)

ϕ ⁗ + NS11L0IZY ‴ + S11ρAω²L0³IZY ′ = 0.

(2)

среди них r² = IzS66ρω²; r² = IzS66ρω²; S² = S11кН; a² = S11S66Ak². r , S , a : буквы, используемые для облегчения вычислений. A: Площадь поперечного сечения испытуемого образца. ω: собственная частота образца. k: Коэффициент поправки на сдвиг, в этой статье используется 7/9.

Используя граничные условия, характеристическое уравнение принимает следующий вид:

β = 12 {[(r² − s²) ² + 4m²r²] 12+ (r² − s²)} 12.

(4)

n — порядок собственных частот.

Программа Matlab 2014, объединяющая уравнения (1) — (5), была создана для анализа моделирования. Когда n = 4 для определения резонансной частоты четвертого порядка ω = 20116 Гц испытательного образца, размер испытательного образца был приемлемым и мог использоваться в испытании VHCF, как показано на a. Согласно наблюдениям в оптический микроскоп, производственных отверстий и расслоений не было. Микроскопическое изображение образца углепластика показано на b.

( a ) Размеры и ( b ) микроскопическое изображение образца углепластика.

2.2. Испытательная установка

Испытания композитных материалов на многоцикловую усталость в основном проводятся с использованием сервогидравлических испытательных устройств на частотах в пределах 3–10 Гц. Однако даже при частоте 10 Гц выполнение 10 8 циклов без прерывания эксперимента может занять до 116 дней, что слишком дорого и требует слишком много времени [18]. В этой работе мы независимо разработали ультразвуковое устройство для испытания на трехточечный изгиб для проведения испытания на очень многоцикловую усталость образцов из углепластика, как показано на рис.Испытательное устройство включает пьезоэлектрический преобразователь, шатун, тягу с вылетом стрелы, индентор, несущее устройство, основание и систему измерения и управления (HC SONIC, Ханчжоу, Китай) [19,20,21].

Ультразвуковой прибор для испытания на усталость при трехточечном изгибе.

Ультразвуковое трехточечное устройство для испытания на усталость при изгибе основано на принципе резонанса, чтобы (i) гарантировать, что образец и испытательная система имеют одинаковую резонансную частоту, и (ii) реализовать сложную нагрузку различных статических и динамических нагрузок.Ультразвуковой генератор с числовым программным управлением (HC SONIC, Ханчжоу, Китай) преобразует синусоидальный электрический сигнал с частотой 50 Гц в ультразвуковой сигнал с частотой 20 кГц. После преобразования, выполняемого преобразователем, сигнал может быть преобразован в механическую вибрацию той же частоты, а затем амплитуда вибрации теста может быть усилена рупором. Преобразователь, соединитель, шток и поршень составляют продольную резонансную систему. Затем продольная вибрационная нагрузка передается на образец через плунжер, так что образец испытывает вибрацию изгиба.

В начале испытания использовалась электронная универсальная испытательная машина, управляемая микрокомпьютером, для приложения статической нагрузки к испытательному образцу через индентор. Во время испытания оптоволоконный датчик смещения MTI-2100 использовался для измерения смещения дна испытуемого образца. Частотная характеристика была записана до 500 кГц с точностью до 0,1 мкм и размахом. При обычных испытаниях резонансная частота составляла 20 ± 0,5 кГц, что вызывает резонанс изгиба образца, в то время как смещение остается неизменным.Когда частота резко падает ниже 19,5 кГц и смещение значительно изменяется, система автоматически прерывает испытание. В это время можно определить, поврежден ли образец для испытаний. Компьютерная система управления записывает амплитуду напряжения во время испытания и время цикла образца, когда происходит разрушение. Во время испытания портативный микроскоп (50 × –1000 ×, BIJIA, Гуанчжоу, Китай) использовался для отслеживания продольного сечения образца углепластика и проведения наблюдений на месте.Система охлаждения жидким азотом используется для охлаждения поверхности образца, а инфракрасная камера FLIR T630 используется для измерения температуры образца из углепластика в реальном времени. Данные температурного поля вокруг испытательного образца отслеживаются и собираются, чтобы гарантировать, что температура испытательного образца всегда находится в области стекла во время ультразвуковой нагрузки. Ниже температуры перехода между состояниями частота дискретизации составляет 30 Гц для обеспечения нормального развития теста.

2.3. Метод охлаждения

Поскольку при испытании ультразвуковой нагрузкой используется частота вибрации 20 кГц, высокочастотная вибрация способствует трению между внутренними слоями образца, что наиболее интуитивно отражается в повышении температуры образца.Композитный материал больше подвержен влиянию температуры из-за его более низкой теплопроводности. Hosoi et al. [22,23,24] изучали многоцикловую усталость квазиизотропных пластиковых ламинатов, армированных углеродным волокном, с помощью прибора для испытаний на усталость с гидравлическим приводом и обнаружили, что температура поверхности испытательного образца увеличилась на 80 ° C при частоте 100 Гц. Xiao et al. [25] обнаружили, что увеличение частоты испытаний приводит к значительному повышению температуры образцов AS4 / PEEK, что значительно снижает усталостную прочность.Холмс и др. [26] исследовали композиты из карбида кремния, армированные углеродным волокном (C / SiC), и обнаружили, что испытательный образец испытал значительное повышение температуры при изменении частоты испытания с 1 до 85 Гц. Они определили, что это произошло из-за циклической нагрузки, вызывающей взаимное трение между волокнами, а также между волокнами и подложками. Staehler et al. [27] изучили поведение C / SiC при многоцикловой усталости и предположили, что повышение температуры поверхности испытательного образца связано с частотой нагружения и приложенным циклическим напряжением.Backe et al. [16] использовали ультразвуковое устройство для изучения очень многоцикловой усталости композитов из углеродного волокна на основе смолы с использованием периодического нагружения при наблюдении за испытуемым образцом с помощью инфракрасной камеры. Они определили, что повышение температуры испытуемого образца в двух местах превышало 20 ° C, тогда как оно быстро увеличивалось при более чем 45 ° C (Tmax = 45 ° C ≈ 50% Tg) после расслоения.

В ультразвуковых испытаниях на усталость обычно используется сжатый холодный воздух для охлаждения образца. Silvain et al.[14] использовали сжатый воздух для охлаждения композитных материалов из углеродного волокна и эффективного удержания температуры поверхности ниже 40 ° C, тогда как при отсутствии воздушного потока она может повышаться выше 90 ° C. В данной работе мы использовали тепловизионное изображение образцов углепластика при охлаждении холодным воздухом. Во время нагружения область с самой высокой температурой испытательного образца появлялась над двумя точками вращения образца, а не там, где соприкасались испытательный образец и точка опоры. Высокочастотное трение внутри образца углепластика вызвало резкое повышение температуры, которое достигло 106 ° C за 7 с.Максимальная температура составляла 190 ° C. Следовательно, использование охлаждения сжатым воздухом во время ультразвукового нагружения углепластика не может гарантировать нормального испытания.

Метод прерывистой ультразвуковой нагрузки также используется для контроля повышения температуры испытательного образца и предотвращения ее чрезмерного повышения. В частности, блок управления приостанавливает испытание на заданный период времени после каждого периода ультразвукового возбуждения. Время прерывания можно установить вручную. Чтобы предотвратить повышение температуры образцов углепластика, Backe et al.[28] использовали сжатый холодный воздух для периодической нагрузки образцов углепластика с частотой нагрузки 965 Гц. Они применили периодическую нагрузку в течение 1 секунды и остановили тест на 3 секунды. После первой загрузки максимальная температура образца составила 42 ° C, и температура упала в течение 3 секунд после остановки нагрузки. Однако после завершения второй загрузки температура быстро повысилась до 60,5 ° C. Во время последующей загрузки максимальная температура образца для испытаний оставалась в пределах от 60 до 70 ° C.Когда цикл нагружения составлял N = 7,85 × 10 6 , максимальная температура испытания составляла 78 ° C. Температура продолжала расти во время последующей последовательности нагружения. Когда цикл нагружения составлял N = 1 × 10 7 , максимальная температура испытательного образца превышала 100 ° C. Впоследствии образцы подверглись абляции из-за высокой температуры, и частота нагружения и статическая нагрузка значительно снизились. Следовательно, метод периодической нагрузки также не подходит для ультразвуковой нагрузки углепластика.Когда цикл нагружения составлял N = 1,8 × 10 8 , самая высокая температура была зафиксирована между точкой опоры и индентором и увеличивалась по мере продвижения эксперимента. Когда цикл был N = 2 × 10 8 , максимальная температура испытательного образца составляла 68,3 ° C, и на образце появлялась самая высокая точка температуры. Затем, когда температура образца увеличилась, статическая сила и частота нагрузки быстро уменьшились. Наблюдения показали, что испытательный образец претерпел усталостное разрушение.Охлаждение жидким азотом необходимо для обеспечения плавного завершения испытания на усталость композитов из углеродного волокна при ультразвуковой нагрузке.

показывает систему охлаждения жидким азотом (Self-Innovate, Сиань, Китай). В системе используется принцип, согласно которому испарение жидкого азота может поглощать много тепла для охлаждения сжатого воздуха. Во время испытания металлическую трубку вставляют в резервуар с жидким азотом. Когда воздушный поток проходит через трубку, жидкий азот поглощает тепло, и температура воздушного потока быстро падает.Воздушный поток движется по образцу и охлаждает его. Минимальная температура обдуваемого воздуха –39 ° C. Во время испытания температура испытуемого образца медленно повышалась. Максимальная температура точки контакта между испытательным образцом и точкой опоры поддерживалась ниже 40 ° C, а частота нагружения поддерживалась около 19730 Гц.

Система охлаждения жидким азотом.

показывает изменения температуры и резонансной частоты образцов углепластика при трех режимах нагружения и охлаждения.Эти три режима оказывают очень разное охлаждающее воздействие на испытуемый образец, но наихудший из них — сжатый воздух. Температуру образцов из углепластика можно эффективно контролировать только с помощью жидкого азота, чтобы гарантировать целостность образцов из углепластика. При повышении температуры резонансная частота образцов уменьшается до тех пор, пока образец из углепластика не будет поврежден или резонансная частота не сможет соответствовать условиям испытания системы, и испытание не будет остановлено.

Изменение температуры (синий) и частоты (красный) при использовании ( a ) сжатого холодного воздуха, ( b ) периодической нагрузки и ( c ) охлаждения жидким азотом.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Кривая S-N

После определения подходящего метода охлаждения образцы углепластика подвергали ультразвуковой нагрузке и использовали коэффициент напряжений R 0,2 и 0,35. Во время нагружения образца испытание прекращали, если резонансная частота уменьшалась более чем на 10 Гц / с, номер цикла был> 10 9 или температура поверхности образца была> 90 ° C. показывает соответствующую кривую усталости S – N.

Кривая S – N для образца углепластика.

показывает, что обе кривые S – N резко уменьшаются, когда номер цикла меньше 10 6 . Когда номер цикла находится между 10 7 и 10 8 , появляется горизонтальное плато, подобное традиционному пределу усталости. Это означает, что количество циклов увеличивается, но усталостная прочность не меняется. Когда количество циклов превышает 10 8 , кривая представляет собой второй перегиб, и усталостная прочность продолжает уменьшаться. Кривая S – N имеет ступенчатую форму, поскольку отсутствует предел выносливости, аналогичный традиционному определению металлических материалов.Следовательно, очень рискованно использовать усталостную прочность ниже 10 7 в качестве расчетного условия прочности для эксплуатационных элементов из углепластика с очень большим циклом. Традиционные пределы выносливости образцов углепластика при R = 0,35 и 0,2 составляют 436 МПа и 428 МПа соответственно. Поскольку усталостная долговечность материала ниже для R = 0,2, чем для R = 0,35, ультразвуковая динамическая нагрузка оказывает большее влияние на усталостную долговечность образца в проведенном испытании на усталость при трехточечном изгибе.

3.2. Характеристики VHCF

3.2.1. Морфология повреждений CFRP

Образец CFRP разделен на области I, II и III, как показано на. Область III находится вне двух шарниров как свободный конец вибрации. Области I и II ограничены нейтральной поверхностью образца, поэтому материал в области II всегда подвергается растягивающему напряжению. При изменении отношения напряжений R в области I. происходят изменения в растягивающем и сжимающем напряжениях.

Разделение образца из углепластика.

В этой работе многоцикловые и очень многоцикловые усталостные испытания углепластика были выполнены путем изменения напряжения (σ u , σ m ) на образце, и морфология образцов была получена с помощью микроскопических наблюдений. как показано в .Морфология повреждений имеет разные характеристики. При сравнении многоцикловой и очень многоцикловой усталости, основные формы усталостного разрушения в образцах многоцикловой усталости являются слоистыми и появляются поперечные трещины. Основной формой разрушения образцов с очень многоцикловой усталостью является точечная коррозия.

Морфология разрушения образца углепластика в ( a ) HCF и ( b ) в режиме VHCF.

Местоположение точечной коррозии было рассчитано на основе микроскопического исследования 20 образцов.показывает, что точечная коррозия для образцов с очень многоцикловой усталостью в основном сосредоточена в областях I и II и что пропорции не сильно различались. Таким образом, точечная коррозия в образцах, подверженных многоцикловой усталости, в основном вызывается вибрацией возвратно-поступательного выдавливания с микродвижением, которая вызывает повреждение слабой части подложки. Однако из-за низкой приложенной нагрузки повреждение не может продолжать расширяться, и на поверхности образуются многочисленные коррозионные ямки.

Статистика местоположения питтингового повреждения.

Разрушение углепластика при малоцикловой усталости (LCF) начинается с поперечной трещины [22,23,24]. После расширения поперечной трещины концентрация напряжений в вершине трещины приводит к расслоению. В случае серьезных повреждений волокно разорвется, как показано на рис.

Распространение поперечной трещины в режиме LCF [29]: ( a ) поперечная трещина и расслоение и ( b ) излом волокна.

Из-за высокого напряжения нагрузки малоцикловое усталостное разрушение вызвано микродефектами образца, активировавшимися до начала вибрации.При циклической нагрузке большое растягивающее напряжение способствует постепенному расширению микродефектов в поперечном направлении. После того, как пересечение становится большой трещиной и когда поперечные трещины распространяются на границу раздела слоев, поперечные трещины предотвращаются благодаря действию пучка волокон. В это время концентрация напряжений на вершине усталостной трещины вызывает расслоение.

При сравнении морфологии разрушения в режимах с низким циклом, с высоким циклом и с очень высоким циклом, основное повреждение в образцах из углепластика с малоцикловой усталостью происходит в виде поперечных трещин и расслоений.Основное усталостное разрушение образцов многоцикловой усталости в основном состоит из расслоения и поперечных трещин, тогда как основной морфологией разрушения образцов с очень многоцикловой усталостью является точечная коррозия.

3.2.2. Развитие повреждений в образцах из углепластика

Усталостная морфология образцов оценивалась с помощью оптической микроскопии, как показано на рис. На рисунке показано несколько точечной коррозии на разных образцах. Для VHCF наблюдались три различные морфологии разрушения: повреждение матрицы на пересечении пучков волокон (Тип A), полость матрицы рядом с параллельным участком пучков волокон (Тип B) и проникновение в матрицу (Тип C).Деформационная структура пересечения пучков волокон возникла в результате пересечения пучков волокон, и благодаря этому пересечению сила сцепления материала была уменьшена, что привело к легкому разрушению волокон; морфология пустот параллельных сегментов пучков волокон, расстояние между верхними и нижними пучками волокон было небольшим, а влияние на матрицу увеличивалось. Следовательно, основное тело было относительно слабым и склонным к повреждениям; относительно большая базовая сквозная топография лежит на основании с большим расстоянием между пучками волокон.

Определение характеристик усталости в режиме VHCF для ( a ) N = 5,52 × 10 8 , R = 0,35, ( b ) N = 1,26 × 10 8 , R = 0,35, ( c ) N = 3,46 × 10 8 , R = 0,35, ( d ) N = 8,64 × 10 8 , R = 0,2, ( e ) N = 2,23 × 10 9 , R = 0,2, и ( f ) N = 3,55 × 10 9 , R = 0,2.

Чтобы понять характеристики образования и механизм морфологии разрушения, микроскоп поместили сбоку от образца, за которым затем наблюдали во время испытания (интервал между съемками: 3 с).Полученная морфология усталости показана на. Как видно из рисунка, при N = 1,76 × 10 7 морфология типа А появлялась под этим полем зрения. Эта морфология появилась первой, указывая на то, что межслойная адгезия была относительно слабой в местах пересечения волокон, а морфология усталостного разрушения возникала относительно легко при циклической нагрузке. Морфология типа B была создана при N = 6,23 × 10 8 , как показано на d. Пучки волокон в этом месте были близко друг к другу, что привело к более слабой связывающей силе, чем в других местах, и легкому усталостному разрушению.При N = 8,86 × 10 9 в поле зрения появлялась морфология типа C. В этот момент частота нагружения образца резко упадет, и возникнет нестабильность измерения. Температура поверхности образца постепенно увеличивалась с увеличением нагрузки, и, следовательно, испытание считалось завершенным.

Морфология усталостного разрушения через разные недели для одного и того же поля зрения (R = 0,35, σ макс. = 368 МПа) для ( a ) N = 0, ( b ) N = 7.6 × 10 7 , ( c ) N = 1,45 × 10 8 , ( d ) N = 6,23 × 10 8 , ( e ) N = 8,86 × 10 8 , и ( f ) N = 2,17 × 10 9 .

Эти наблюдения показали, что возникновение морфологии повреждений различается в зависимости от условий, и серьезность этого повреждения увеличивается с увеличением цикла нагрузки. Приведены усталостные повреждения по морфологии заказа. Бетонная матрица для параллельного сегмента пучка волокон становилась пустой перед матрицей сегментов, почти параллельной пучку волокон, которая становилась пустой перед матрицей.Следовательно, 1tA> 1tB> 1tC.

Чтобы понять морфологию точечной коррозии, время прерывания непрерывности портативного микроскопа было сокращено до 1 с. Когда цикл образца составлял 6 × 10 7 , запись была начата, чтобы зафиксировать возникновение и расширение одиночного разрушения питтинга, как показано на.

Эволюция и расширение морфологии питтинга для ( a ) N = 6,0 × 10 7 , f = 20130 Гц, ( b ) N = 8,9 × 10 7 , f = 20,126 Гц, ( с ) N = 9.7 × 10 7 , f = 20118 Гц, ( d ) N = 2,5 × 10 8 , f = 20,105 Гц и ( e ) N = 3,8 × 10 8 , f = 20,086 Гц .

а — микрофотография образца без точечной коррозии. Пучки волокон имеют несколько пересечений в этом месте, что может привести к разрушению матрицы на пересечении жгутов волокон. b показывает, что в месте пересечения волокна образовалась темная область, а матрица была темнее окружающей среды, но явной точечной коррозии не произошло.c показывает постепенное расширение и углубление темной области на пересечении волокон. Цвет там становится темнее, но морфологии питтинга не наблюдается, и область остается темной. Разрушение из-за усталости продолжает развиваться. d – f показывает морфологию точечной коррозии в разные циклы. При увеличении номера цикла размер точечной коррозии существенно не увеличивается, а это означает, что повреждение увеличивается до определенного размера, а затем прекращается.

3.3. Механические свойства

Влияние HCF на материал оценивалось по усталостному разрушению во время испытания на статический трехточечный изгиб.Четыре образца подверглись очень многоцикловому усталостному разрушению (). Непроверенные образцы углепластика представлены в виде кривых 1–5. Усталостная долговечность, соответствующая кривым 6, 7 и 8, составила N = 5,6 × 10 8 , N = 1,75 × 10 8 и N = 8,28 × 10 8 циклов соответственно.

Кривая σ-ε для статического нагружения.

Расчетный модуль упругости при изгибе для кривых 6–9 приведен в. По сравнению с кривыми 1–5 и 6–8, средний модуль упругости при изгибе испытуемого образца (2465 мкс).51 МПа) на 63,2% ниже, чем у непроверенных образцов углепластика (6701,44 МПа). VHCF оказывает значительное влияние на механические свойства углепластика. Это происходит из-за точечной коррозии, которая возникает во время VHCF и снижает силу сцепления между слоями материала. Во время нагружения ямы являются местами возникновения повреждений, и время, необходимое для продолжительной реакции, уменьшается.

Модуль упругости при изгибе испытанных образцов углепластика.

Кривые 6 и 8 показывают 6.Снижение на 97% и 22,6% по сравнению с кривой 7 соответственно. Это указывает на то, что модуль упругости при изгибе образца из углепластика уменьшается с увеличением усталостной долговечности. Однако уменьшение было небольшим, что свидетельствует о том, что изгиб материала при одном и том же режиме усталостного разрушения дает примерно одинаковый модуль упругости. В сочетании с результатами испытаний HCF это позволяет предположить, что режим усталости материала играет главную роль в ухудшении механических свойств.

Кривая 9 (N = 2.42 × 10 9 ) соответствует кривой статического нагружения образца, подвергнутого более чем 10 9 циклам нагружения, где испытание было остановлено в соответствии с критериями, определенными ранее. Образец показал лишь небольшую морфологию VHCF. Например, модуль упругости при изгибе (4072,39 МПа) на 9,2% ниже, чем у непроверенного образца, что еще раз иллюстрирует влияние VHCF на механические свойства материала.

3.4. Порог эволюции

Усталостная морфология углепластика эволюционировала во время перехода от HCF к VHCF.Следовательно, установление порогового значения от HCF до VHCF может обеспечить основу для изучения и предотвращения выхода из строя CFRP.

Учитывая анизотропию композитов, традиционный коэффициент интенсивности напряжений K использовать нельзя. Поэтому была выбрана скорость выделения энергии деформации G, которая широко использовалась для исследования межслойного разрушения композитов. Скорость выделения энергии деформации G может быть выражена как [30,31]:

где P : сила нагрузки; δ : прогиб, соответствующий P ; a : длина трещины, которая представляет длину точечной коррозии типа А; b : ширина образца; L 0 : тестовый интервал.

Gmax = 18Pmaxδmaxa2b (L03 + 12a3).

(7)

Испытание на усталость обеспечивает нагрузку при различных соотношениях напряжений, поэтому:

R = PmaxPmin = δmaxδmin.

(8)

Порог расширения усталостной трещины ∆G может быть выражен как:

Подставляя уравнения (7) и (8) в уравнение (9), получаем:

∆Gth = (1 − R2) G (max ) th.

(10)

Скорость расширения межслойной трещины и максимальная скорость выделения энергии деформации Gmax численно связаны, что указывает на то, что Gmax пропорционален скорости роста трещины [14].Следовательно, при тестировании VHCF чувствительность образца к VHCF должна уменьшаться с ∆Gth.

Вклад авторов

Методология, W.C., X.C., C.C .; программное обеспечение, W.C., C.C .; расследование, W.C., C.C., L.C .; ресурсы, X.C., L.C .; data curation, W.C., C.C.; письмо — подготовка оригинального проекта, H.Z., W.C .; написание — просмотр и редактирование, W.C., C.C., J.D .; администрирование проекта, X.C., L.C .; привлечение финансирования, X.C. Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.

Характеристики прочности на изгиб и жесткости конструкции из углепластика в зависимости от угла ориентации штабелирования

[1] Ч. С. Ча, К. С. Ли, С. Х. Ким, Дж. О. Чинг, И. Ю. Ян, Характеристики осевого разрушения круглой трубы из алюминия / углепластика. Ключевые инженерные материалы, Тт.297 ~ 300 (2005), 166 ~ 171.

DOI: 10.4028 / www.scientific.net / kem.297-300.166

[2] Дж.Х. Ким, И. Ю. Ян, Дж. К. Сим, Оценка трещиностойкости динамического межслойного слоя для пластин из углепластика по содержанию смолы. КСМТЭ, Т. 12, № 4 (2003), 43-49.

[3] Ю.Н. Ким, К. Х. Им, Дж. У. Парк, И. Ю. Ян, Экспериментальный подход к механизму разрушения композитной трубы из углепластика. Обзоры прогресса в Q&DE, (2000), 369-376.

[4] К.К. Шин, Дж. Ли, К. Х. Ким, М. С. Сонг, Дж. Х. Ха, Осевое сжатие и разрушение при изгибе гибридной трубки из алюминия / стеклопластика и ее способность к поглощению энергии. Композитная структура, Vol. 57 (2002), 279-287.

DOI: 10.1016 / s0263-8223 (02) 00094-6

[5] А.Г. Мамалис, Д. Э. Манолакос, М. Б. Иоаннидис, Д. П. Papapostolou, Crashworthy характеристики статически сжатой в осевом направлении тонкостенной квадратной композитной трубы из углепластика: экспериментальные. Композитная структура, Vol. 63 (2004), 347-360.

DOI: 10.1016 / s0263-8223 (03) 00183-1

[6] М.Роберт Дж. Характеристики раздавливания непрерывных композитных труб, армированных волокном. Журнал композитных материалов, Вып. 26, № 1 (1992).

[7] Стандартный метод испытаний изгибных свойств неармированных и армированных пластиков и электрических материалов, включая материалы, ASTM D6272-02 Американское общество испытаний и материалов (2003).

[8] Б.С. Альмир, Н. Сантос, C.L.R. Лебре, характеристика жесткости на изгиб пултрузионных балок из армированного пластика (FRP).Композитные конструкции Vol. 81 (2007), 247-282.

DOI: 10.1016 / j.compstruct.2006.08.016

Механические свойства и характеристики разрушения переработанного углепластика при растягивающей и циклической нагрузке | Интернет-исследования в области здравоохранения и окружающей среды (HERO)

ID ГЕРОЯ

4704583

Тип ссылки

Журнальная статья

Заголовок

Механические свойства и характеристики разрушения переработанного углепластика при растягивающем и циклическом нагружении

Авторы)

Окаясу, М; Ямазаки, Т; Ота, К; Оги, К; Сираиси, Т.

Год

2013

Проверяется коллегами?

да

Журнал

Международный журнал усталости
ISSN: 0142-1123

Объем

55

Номера страниц

257-267

DOI

10.1016 / j.ijfatigue.2013.07.005

Идентификатор Web of Science

WOS: 000324283200026

URL

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142112313001977
Выход

Абстрактный

Были проведены исследования механических свойств и свойств разрушения переработанного пластика, армированного коротким углеродным волокном (rCFRP).Образцы rCFRP были изготовлены с помощью следующего процесса: CFRP, состоящий из эпоксидной смолы с углеродным волокном, измельчается перед смешиванием с акрилонитрил-бутадиен-стирольной смолой с различными массовыми долями CFRP. Прочность на разрыв (сигма (UTS)) увеличивалась с увеличением содержания углепластика, но значительно снижалась для образца с более высоким содержанием волокна.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *