Use of aramid fibers to increase strength of carbon fiber shear along layers
- 作者: 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
-
隶属关系:
- Bauman MSTU
- JSC “Tema-M”
- Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)
- 期: 卷 9, 编号 1-2 (2015)
- 页面: 37-40
- 栏目: Articles
- URL: https://journals.eco-vector.com/2074-0530/article/view/67138
- DOI: https://doi.org/10.17816/2074-0530-67138
- ID: 67138
如何引用文章
全文:
详细
全文:
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%)作者简介
P. Mikheev
Bauman MSTU; JSC “Tema-M”; Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)
Email: kiod@mami.ru
+7 495 223-05-23
M. Orlov
Bauman MSTU; JSC “Tema-M”; Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)
Email: kiod@mami.ru
+7 495 223-05-23
A. Malyshev
Bauman MSTU; JSC “Tema-M”; Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)
Email: kiod@mami.ru
Ph.D.
R. Shatalov
Bauman MSTU; JSC “Tema-M”; Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)
Email: kiod@mami.ru
+7 495 223-05-23
E. Verkhov
Bauman MSTU; JSC “Tema-M”; Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)
Email: kiod@mami.ru
+7 495 223-05-23
参考
- 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.
补充文件
![](/img/style/loading.gif)