Email this article Use of aramid fibers to increase strength of carbon fiber shear along layers
- Authors: Mikheev P.V1,2,3, Orlov M.A1,2,3, Malyshev A.N1,2,3, Shatalov R.L1,2,3, Verkhov E.Y1,2,3
-
Affiliations:
- Bauman MSTU
- JSC “Tema-M”
- Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)
- Issue: Vol 9, No 1-2 (2015)
- Pages: 37-40
- Section: Articles
- URL: https://journals.eco-vector.com/2074-0530/article/view/67138
- DOI: https://doi.org/10.17816/2074-0530-67138
- ID: 67138
Cite item
Full Text
Abstract
This work experimentally verified the possibility of increasing shear properties of poly-composite materials (PCM) for reinforcement in transverse direction. To increase shear strength small tack aramid fibers were used. Flat plates of carbon fiber were manufactured by vacuum infusion of binder. Fibers of thin tack do not disrupt the structure of the PCM while sewing. Additionally use of PPTA fibers instead of PABI is economically profitable. The authors worked the technique of sewing layers of carbon fabric aramid fiber by subsequent infusion dry impregnation of the package through. It is shown that sewing increases the shear strength of high-strength layered carbon fiber.
Keywords
Full Text
Современные композиционные материалы обладают рекордными прочностью и жест- костью при растяжении в направлении волокон, но очень низкими свойствами при сдвиге. Этот факт осложняет внедрение в современную промышленность [4]. Давно существовали предположения, что объединение слоев в поперечном направле- нии путем создания 3D структуры может повысить сдвиговую прочность [1, 2]. Однако создание трехмерных структур из высокопрочных волокон требует больших за- трат ручного труда [5]. В случае тонкостенных, до 5 мм, конструкций можно использовать прошивку слоев. С другой стороны, при создании больших тонкостенных конструкций для средств транспорта используются препреговые технологии с последующим отверждением в автоклаве, что делает прошивку практически неосуществимой. Появление технологий пропитки сухого пакета связующим дает возможность осуще- ствить его прошивку до пропитки. В работе [3] приведены положительные результаты влия- ния арамидными волокнами ПАБИ на прочность углепластика после удара. Ранее были сделаны попытки прошивать слои высокопрочных волокон полиамидным и капроновыми нитями удобными для текстильной переработки, но обладающих низкой проч- ность и модулем упругости. В данной работе для прошивки слоев использованы высокопрочные арамидные волок- на обладающие высокой прочностью и жесткостью. Для того чтобы снизить влияние про- шивки на материал, использованы нити ПФТА (Армалон) низкого текса. Эксперимент Объектом исследования данной работы являлись две группы плоских образцов. Образ- цы изготовлены методом вакуумной инфузии на основе однонаправленной углеродной ткани SAATITEXINDUSTRIAUC 350 (16 слоев) и низковязкого эпоксидного компаунда ЭТАЛ- ИНЖЕКТ-SL/Mпо ТУ 2257-3570-18826195-03. Режим отверждения связующего соответство- вал режиму, предусмотренному ТУ 2257-3570-18826195-03, а именно: 24 часа при темпера- туре 23±2 °С и 4 часа при температуре 75±2 °С. Образцы первого типа - исходный материал; образы второго типа - с прошивкой арамидной нитью). При изготовлении многослойной пресс-формы из углеродной ткани использовалась укладка с прошивкой. Данная пресс-форма была выполнена на промышленной швейной ма- шине JUKILZ-391(Япония). Пакет состоял из 16 слоев материала, выкроенных из однона- правленной углеродной тканиSaatiUC350 под углом 0. Для прошивки использовалась высокопрочная и высокомодульная нить Армалон про- изводства РФ. Так как пакет состоит из большого количества слоев (общая толщина пакета 6 мм), дополнительно использовалась водорастворимая подложка, которая улучшила качество строчки и предотвратила сдвиг слоев. Параметры строчки указывались в техническом зада- нии и составляли: длина стежка 4 мм, расстояние между строчками 4 мм. Расстояние между строчками соблюдалось за счет нанесения на водорастворимую подложку линий прошивки. Форма и размеры образцов для механических испытаний определялись ОСТ190199-75 «Материалы полимерные композиционные. Метод определения прочности при сдвиге мето- дом испытания на изгиб» и приведены далее. Данный типоразмер образцов и методика ис- пытаний также соответствует стандарту ISO 14130. Нить Армалон, использованная для прошивки образцов была исследована для уточне- ния ее механических свойств при растяжении. Разрушающая нагрузка - 1,6 кг (вариация, 16%). Прочность 2888 МПа (вариация 2,16%). Модуль упругости 127,57 ГПа (вариация 2,34%). Предельная деформация - 2,61% (вариация 1,84%). Пример диаграммы деформиро- вания арамидной нити приведен на рисунке 1. Рисунок 1. Диаграмма деформирования нити Армалон Испытание образцов Объекты испытаний непосредственно перед проведением испытаний проходили кондиционирование не менее чем в течение 16 часов при стандартной атмосфере 23/50 в соот- ветствии с ГОСТ 12423-66 «Пластмассы. Условия кондиционирования и испытания образцов (проб)». Испытания проводились в условиях стандартной испытательной атмосферы 23/50 по ГОСТ 12423-66 «Пластмассы. Условия кондиционирования и испытания образцов (проб)» на испытательной машине, тип Zwick / RoellZ100 TEW (Фирма "Zwick GmbH & Co. KG", Гер- мания). До начала нагружения (снятия кривой деформирования) образцы подвергались пред- нагрузке в размере 10 Н, что предусмотрено методикой проведения испытаний. Скорость нагружения образцов в процессе испытаний была постоянной и составляла 2 мм/мин. Шири- на пролета между опорами при трехточечном изгибе составляла 30 мм. Радиус опор был ра- вен 2 мм, а радиус нажимного пуансона - 5 мм. Анализ данных В результате проведения механических испытаний по определению прочности при сдвиге методом статического изгиба короткобалочных образцов углепластика двух различ- ных серий. Диаграммы изгиба изготовленных образцов различных серий представлены на рисунке 2 (непрошитые образцы) и рисунке 3 (прошитые образцы). На рисунке 4 показано фото образца после испытаний. Рисунок 2. Диаграмма изгиба без прошивки Рисунок 3. Диаграммы изгиба образов с прошивкой Рисунок 4. Образец углепластика с прошивкой арами до и после разрушения при сдвиге На рисунке 5 приведены значения прочности непрошитых и прошитых образцов (зна- чения приведены с доверительной вероятностью 65%). Таким образом, в результате проведенных механических испытаний по определению прочности при сдвиге методом статического изгиба короткобалочных образцов углепластика двух различных серий получены следующие значения прочности при сдвиге τ: 35,66±3,15 МПа - для исходного материала и 36,9±4,08 МПа - для прошитого материала. Выводы Использование высокопрочных арамидных нитей для прошивки в сочетании с техноло- гией вакуумной инфузии дает возможность повысить сдвиговую прочность углепластика, в том числе тонкостенных конструкций из него. Однако для уточнения полученных данных требуются дальнейшие исследования для подбора оптимального шага прошивки и оптимиза- ции текстильного процесса. Кроме того, определенный эффект может дать использование более высокопрочных связующих. Рисунок 5. Сравнение прочности при сдвиге прошитых и непрошитых образцов (среднее значения и разброс данных с доверительной вероятностью 65%)×
About the authors
P. V Mikheev
Bauman MSTU; JSC “Tema-M”; Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)
Email: kiod@mami.ru
+7 495 223-05-23
M. A Orlov
Bauman MSTU; JSC “Tema-M”; Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)
Email: kiod@mami.ru
+7 495 223-05-23
A. N Malyshev
Bauman MSTU; JSC “Tema-M”; Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)
Email: kiod@mami.ru
Ph.D.
R. L Shatalov
Bauman MSTU; JSC “Tema-M”; Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)
Email: kiod@mami.ru
+7 495 223-05-23
E. Y Verkhov
Bauman MSTU; JSC “Tema-M”; Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)
Email: kiod@mami.ru
+7 495 223-05-23
References
- Жигун И.Г., Поляков В.А. Пространственно-армированные пластины. - Рига, «Знание», 1978, 215 с.
- Куперман А.М., Зеленский Э.С. Исследование возможности увеличения прочностных характеристик композита путем их трехмерного армирования // Механика композиционных материалов и конструкций, 2001, т. 7, № 4, с. 434 - 444.
- Кавун Н.С., Давыдова И.Ф., Гребнева Т.В. Композиты и наноструктуры, влияние прошивки стеклянного и углеродного армирующих волокон на остаточную прочность композиционного материала после удара // COMPOSITES and NANOSTRUCTURES, № 1, 2013.
- Полилов А.Н., Татусь Н.А. Экспериментальное обоснование критериев прочности волокнистых композитов, проявляющих направленный характер разрушения // Вестник ПНИПУ, 2012, Механика, № 2, с. 140 - 163.
- Обработка металлов давлением. Монография - Шевакин Ю.Ф., Чернышев В.Н., Шаталов Р.Л., Мочалов Н.А. - М.: Интермет инжиниринг, 2013, 496 с.
- Шаталов Р.Л., Генкин А.А. управление листопрокатным комплексом при горячей прокатке стальных полос // Сб. Начн.удов международн.-практ. Конференции 17 - 21 ноября 2014 г. «Современная металлургия начала нового тысячелетия», Липецк, ЛГТУ, 2014, ч. 3, с. 154 - 162.
Supplementary files
