Стеклопластик предел прочности при растяжении
Сравнительные технические характеристики и преимущества
композитной стеклопластиковой арматуры
Основные преимущества стеклопластиковой арматуры
Прежде всего,арматураиз полимерных строительных материалов, отличается высокой прочностью и достаточно низким удельным весом (меньше практически в четыре раза), если сравнивать с аналогичной арматурой, изготовленной из металла. К тому же показатель прочности на разрыв у композитной арматуры из стеклопластика в два с половиной раза превышает данный показатель у аналогов из металла. Эти свойства позволяют в значительной степени расширить область использованиястеклопластиковой арматуры. Сравнительные характеристики композитной арматуры АКП-СП и стальной арматуры A-III
Сравнительные технические характеристики композитной стеклопластиковой арматуры и стальной арматуры
| Характеристики | Арматура металлическая класса A-III (A400C) | Арматура композитная полимерная стеклопластиковая (АКС) | Описание |
|---|---|---|---|
| Материал | Сталь | Стеклоровинг, связанный полимером на основе эпоксидной смолы | |
| Предел прочности при растяжении, МПа | 390 | 1268 | Чем выше показатель, тем лучше. Характеристика арматуры на разрыв — самый основной показатель при учете нагрузок на готовое изделие. Во всех готовых изделиях арматура работает именно на разрыв, кроме плит перекрытия в которых учитывается еще и её модуль упругости. |
| Модуль упругости, Мпа | 200 000 | 60 000 | Чем выше показатель тем лучше. Характеристика показывающая нагрузку на прогиб арматуры, в готовых изделиях. Учитывается только в межэтажных плитах перекрытия, перемычках, мостостроении и т.п. |
| Относительное удлинение, % | 25 | 2,2 | Чем ниже показатель, тем лучше. Характеристика которая помогает избежать трещин в фундаменте. Стеклопластик в отличие от металла практически не растягивается. Является немаловажным фактором при заливке полов, при изготовлении дорожных плит. Отрезок дороги в г. Пермь по ул. Карпинского(От путепровода через транссибирскую железнодорожную магистраль до ул. Стахановская) был изготовлен 9 лет назад с применением композитной арматуры до сих пор полностью отсутвуют продольные и поперечные трещины и разрушение асфальтобетонного покрытия(!). |
| Плотность, т/м3 | 7 | 1,9 | Влияет на вес изделия. |
| Коррозионная стойкость к агрессивным средам | Коррозирует | Нержавеющий материал | Характеристика позволяющая использовать материал в агрессивной среде и в местах непосредственного контакта с водой (укрепление береговой линии, колодцы, водоотливы, бордюры и т.п.), а также дающая экономию бетона при производстве плит, за счёт уменьшения защитного слоя (который для металлической арматуры значительно больше). |
| Теплопроводность | Теплопроводна | Нетеплопроводна | Данная характеристика позволяет увеличить сохранение тепла в зданиях на 35% больше, чем металлическая в случае применения в качестве гибких связей внешних стен с отделочным материалом ( т.к. в отличие от стальной арматуры не образует мостиков холода). |
| Электропроводность | Электропроводна | Неэлектропроводна — диэлектрик | В отличие от стальной арматуры, не создает «экрана», который мешает работе сотовой связи. |
| Выпускаемые профили, мм | 6 — 80 | 4 — 24 | В разработке другие размеры, а также арматура различной конфигурации. |
| Длина | Стержни длиной 6 — 12 м | В соответствии с заявкой покупателя. Любая строительная длина. Возможна поставка в бухтах. | Данная характеристика дает экономию за счет уменьшения или практически полного отсутвия обрезков по сравнению с металлической арматурой а так же дает преимущество исключая связку хлыстов между собой, так как длина в бухте 100 и более метров |
| Экологичность | Экологична | Нетоксична, по степени воздействия на организм человека и окружающую среду относится к 4 классу опасности (малоопасна) | Вреда для здоровья не выявлено. Имеется гигиенический сертификат. |
| Долговечность | В соответствии со строительными нормами около 50 лет. | Неизвестно | Так как материал не корозирует и не вступает в реакцию с агресивными средами то о его долговечности можно только догадываться. |
| Параметры равнопрочного арматурного каркаса при нагрузке 25 т/м2 | При использовании арматуры 8 А-III размер ячейки 14 x 14 см. вес 5,5 кг/м2 | При использовании арматуры 8 АКС размер ячейки 23 x 23 см. вес 0,61 кг/м2. Уменьшение веса в 9 раз. | Меньший вес композитной арматуры позволяет добиться значительной экономии на доставке и удобства при погрузо-разгрузочных работах. |
Равнопрочная замена стальной металлической на композитную стеклопластиковую арматуру.
Понятие равнопрочной замены представляет собой замену арматуры произведенной из стали, на арматуру из композитных материалов, которая имеет такую же прочность и схожие прочие физико-механические показатели. Под равнопрочным диаметром стеклопластиковой арматуры, будем понимать ее такой наружный диаметр, при котором прочность будет равна прочности аналога из металла заданного диаметра.
Равнопрочная замена
| Металлическая арматура класса A-III (A400C) | Арматура композитная полимерная стеклопластиковая (АКС) |
|---|---|
| 6 | 4 |
| 8 | 5,5 |
| 10 | 6 |
| 12 | 8 |
| 14 | 10 |
| 16 | 12 |
| 18 | 14 |
| 20 | 16 |
Диаграмма растяжения. Определения предела текучести и предела прочности металлической арматуры
На рисунке 1 приведена кривая зависимости напряжения от деформации металлической арматуры.
Рисунок 1
На рисунке 2 приведено примерное расположение кривых зависимости напряжения
от деформации металлической и композитной арматуры (1).
Рисунок 2
Описание характерных точек диаграммы
σп- Наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, называется пределом пропорциональности. Предел пропорциональности зависит от условно принятой степени приближения, с которой начальный участок диаграммы можно рассматривать как прямую.
Упругие свойства материала сохраняются до напряжения, называемого пределом упругости σу, т.е это наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточных деформаций.
σт- предел текучести.
Под пределом текучести понимается то напряжение, при котором происходит рост деформации без заметного увеличения нагрузки. В тех случаях, когда на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести, за предел текучести условно принимается величина напряжения, при котором остаточная деформация составляет 0,2%.
Отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения носит название предела прочности или временного сопротивления. Предел прочности также является условной величиной.
Единица измерения предела текучести и предела прочности — паскаль Па. Более удобно предел текучести и предел прочности измерять в мегапаскалях МПа.
Анализ графика:
- при малых нагрузках композитная арматура тянется лучше, чем металлическая.
- до того как в металле перестает действовать закон Гука, обе кривые почти прямолинейны.
- после того как метал начинает «течь», композитная арматура продолжает работать как раньше.
- после того как закон Гука перестал работать в композитной арматуре, стальная давно уже лопнула.
- композитная арматура почти не течет, а сразу лопается, это видно, когда косая прямая (1) очень быстро переходит в горизонтальную и прерывается.
- из графика видно, что композитная арматура выдержит намного большую нагрузку, чем металлическая.
- металлическая арматура вытянется и лопнет, когда при такой же нагрузке, композитная ведет себя намного лучше, так как график не меняет своего направления.
Источник
dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2015-0-8-8-8
УДК 678.067.5
А. О. Курносов, Д. А. Мельников, И. И. Соколов
СТЕКЛОПЛАСТИКИ КОНСТРУКЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ АВИАСТРОЕНИЯ
Представлены сведения о стеклопластиках конструкционного назначения на основе растворных и расплавных связующих. Приведены данные о наиболее востребованных разработках ВИАМ, применяемых в изделиях авиационной техники. Описаны основные преимущества стеклопластиков на основе расплавных связующих. Изучены упруго-прочностные характеристики разработанных стеклопластиков в условиях воздействия повышенных температур, влажности и различных агрессивных сред. Приведены основные области их применения в изделиях авиационной техники.
Введение
Исследования в области создания стеклопластиков – композиционных материалов на основе стеклянных армирующих наполнителей и полимерных связующих (матриц) – впервые в нашей стране были начаты еще в 1945 г. по инициативе ВИАМ. Высокая механическая прочность, хорошие электро- и теплоизоляционные свойства, стойкость к воздействию агрессивных сред в различных климатических условиях, возможность конструирования изделий с учетом действующих нагрузок путем выбора рациональной структуры армирования, разнообразие и простота технологических методов изготовления изделий, доступность и относительно низкая стоимость стеклянных наполнителей – все это позволило широко применять стеклопластики для деталей и агрегатов ЛА, создавать изделия с необходимыми летно-техническими характеристиками [1].
Материалы и методы
При производстве нагруженных изделий из стеклопластиков для авиационной техники наиболее широкое распространение получила автоклавная технология переработки с применением полуфабрикатов (препрегов) – предварительно пропитанных связующим армирующих наполнителей. В зависимости от необходимости применения растворителя для обеспечения процесса пропитки армирующего наполнителя связующим существуют две технологии изготовления препрегов – растворная, в которой необходимые технологические свойства связующего достигаются применением активных или пассивных растворителей, и расплавная, где требуемые реологические характеристики связующего обеспечиваются применением повышенной температуры. Традиционно при изготовлении препрегов использовали растворную технологию, которая является наиболее простой. При расплавной технологии в состав связующего растворитель не добавляют, а само связующее подогревают на каландрах пропиточной машины непосредственно в процессе нанесения на армирующий наполнитель. Температура нагрева зависит от свойств связующего.
На основе различных видов стеклянных наполнителей и полимерных связующих растворного типа в ВИАМ разработан широкий спектр стеклопластиков, нашедших широкое применение в изделиях авиационной техники. Так, разработка эпоксидного стеклопластика марки СТ-69Н(М) (табл. 1) обеспечила создание средненагруженных элементов внешнего контура летательных аппаратов конструкционного и радиотехнического назначения – обтекателей РЛС, створок шасси и грузовых отсеков, капотов. С применением стеклопластика СТ-69Н(М) изготавливают силовую панель реверса, кожух задней подвески реверса звукопоглощающей конструкции двигателя ПС-90А2. Эпоксидные стеклопластики марок ВПС-33 и ВПС-34 применяют при изготовлении обшивок трехслойных панелей, люков, дверей, створок. На основе стеклопластика ВПС-33 изготавливают кожух сопла звукопоглощающей конструкции мотогондолы двигателя ПС-90А2 [2].
Таблица 1
Физико-механические свойства стеклопластиков на основе связующих растворного типа
Свойства | Температура испытания, °С | Направление приложения нагрузки | Значения свойств для стеклопластика марки | ||
ВПС-33 | ВПС-34 | СТ-69Н(М) | |||
Предел прочности при растяжении, МПа (ГОСТ 11262–80) | 20 | По основе | 600 | 460 | 550 |
По утку | 300 | 200 | 310 | ||
100* | По основе | 530 | 350 | 450 | |
Модуль упругости при растяжении, ГПа (ГОСТ 9550–81) | 20 | По основе | 29 | 20 | 28 |
По утку | 19 | 15 | 21 | ||
Предел прочности при сжатии, МПа (ГОСТ 4651–82) | 20 | По основе | 450 | 370 | 485 |
По утку | 300 | 260 | 320 | ||
100* | По основе | 330 | 260 | 395 | |
Предел прочности при изгибе, МПа (ГОСТ 4648–71) | 20 | По основе | 710 | 470 | 865 |
По утку | 410 | 275 | 440 | ||
100* | По основе | 500 | 370 | 725 | |
Плотность, г/см3 | – | – | 1,58–1,73 | 1,88–1,97 | 1,85–2,0 |
Температура эксплуатации, °С | – | – | От -60 до +100 | От -60 до +100 | От -60 до +80 |
* Для стеклопластика марки СТ-69Н(М) данные приведены при температуре испытаний 80°С.
Для изготовления деталей и обшивок трехслойных сотовых панелей интерьера (в том числе изготовленных бесклеевым методом) разработан стеклопластик ВПС-39П на основе фенолформальдегидного связующего с температурой эксплуатации до 80°С, характеризующийся низким значением тепловыделения и полностью соответствующий требованиям АП-25 по пожаробезопасности (табл. 2) [3].
Таблица 2
Свойства стеклопластика ВПС-39П
Свойства | Температура испытаний, °С | Значения свойств |
Предел прочности при сжатии, МПа | 20 80 | 360 315 |
Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа | 20 80 | 37 27 |
Дымообразующая способность | — | Слабодымящий |
Горючесть | — | Самозатухающий |
Тепловыделение (толщина образца 0,3 мм): — максимальная скорость выделения тепла (пик), кВт/м2 — общее количество выделившегося тепла за первые 2 мин, кВт·мин/м2 | — – | 25 23 |
Данные стеклопластики по уровню свойств не уступают аналогичным зарубежным материалам, однако из-за особенностей растворной технологии изготовления им присущ ряд неизбежных недостатков. В процессе формования стеклопластиков на основе растворных связующих выделяется значительное количество остаточных растворителей (ацетон, спирт), что повышает уровень пористости материала. Поры в изделиях из ПКМ, как известно, серьезно ухудшают механическую прочность материала – особенно под воздействием сжимающих и сдвиговых нагрузок. Помимо этого, растворные связующие не соответствуют принципам «зеленой» химии [4].
С каждым годом требования к экономической эффективности технологий и стоимости деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) все более ужесточаются. Повышаются требования к материалам как с точки зрения обеспечения необходимого уровня технологических свойств, так и широкого спектра эксплуатационных и специальных характеристик, что обуславливает крайнюю необходимость создания новых ПКМ и технологий их изготовления в рамках реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» [5, 6].
В ВИАМ разработан ассортимент стеклопластиков на основе расплавных связующих, не содержащих органических растворителей, что позволяет минимизировать образование газообразных продуктов в процессе формования, и тем самым снизить пористость ПКМ и повысить упруго-прочностные характеристики. Благодаря отказу от работы с экологически опасными растворителями снижается количество выделяемых в атмосферу вредных веществ. Такой подход требует использования специализированного оборудования для производства препрегов – современных пропиточных установок, позволяющих изготавливать так называемые прецизионные препреги с минимальным разбросом содержания связующего в препреге, отличающегося от номинального не более чем на 2% [7]. Следует отметить, что созданное в ВИАМ производство препрегов из ПКМ является первым сертифицированным Авиационным регистром МАК производством препрегов в РФ [8].
Результаты и обсуждение
В настоящее время в ВИАМ разработаны и паспортизованы стеклопластики марок ВПС-48/7781 и ВПС-48/120 на основе расплавного эпоксидного связующего ВСЭ-1212 и стеклотканей фирмы Porcher Ind. (Франция) арт. 7781 и 120 (табл. 3). Связующее ВСЭ-1212 с повышенными механическими и деформационными характеристиками, а также препреги на его основе обеспечивают возможность изготовления изделий с высоким уровнем упруго-прочностных характеристик, устойчивых к воздействию неблагоприятных эксплуатационных факторов [9, 10].
Таблица 3
Физико-механические свойства стеклопластиков на основе расплавного связующего ВСЭ-1212
Свойства | Температура испытаний, °С | Значения свойств для стеклопластика марки | |
ВПС-48/120 | ВПС-48/7781 | ||
Предел прочности при растяжении, МПа | 20 120 | 420 405 | 430 410 |
Модуль упругости при растяжении, ГПа | 20 120 | 27 25 | 28 26 |
Предел прочности, МПа: | |||
– при межслойном сдвиге | 20 120 | 85 60 | 95 66 |
– при изгибе | 20 120 | 665 430 | 580 530 |
– при сжатии | 20 120 | 540 350 | 630 460 |
Плотность, г/см3 | – | 1,80 | 1,89 |
Проведены исследования стеклопластиков в условиях воздействия повышенных температур, влажности и различных агрессивных сред. Характер изменения прочности при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781 после теплового (2000 ч) и термовлажностного старения (3 мес) представлен на рис. 1, а после воздействия агрессивных сред – на рис. 2.
Рис. 1. Прочность при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781 после теплового и термовлажностного старения при температуре испытаний 20 (■) и 120°С (□)
Рис. 2. Прочность при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781 после воздействия агрессивных
сред при температуре испытаний 20 (■) и 120°С (□)
Полученные результаты наглядно демонстрируют, что разработанные стеклопластики обладают высоким уровнем упруго-прочностных характеристик, в том числе в условиях воздействия повышенных температур, влажности и агрессивных сред, что в значительной мере связано с использованием связующих расплавного типа. Установлено, что сохранение упруго-прочностных характеристик стеклопластиков после воздействия указанных эксплуатационных факторов составляет не менее 60% от исходных значений [11].
Заключение
Стеклопластики ВПС-48/7781 и ВПС-48/120 не уступают по своим характеристикам стеклопластикам зарубежных производителей, например, марок М21/37%/7581 и М21/45%/120 фирмы Hexel (США) и найдут применение при изготовлении средненагруженных деталей перспективных изделий авиационной техники. В настоящее время стеклопластики ВПС-48/7781 и ВПС-48/120 проходят квалификационные испытания для применения в конструкции мотогондолы двигателя ПД-14.
ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. Аврасин Я.Д., Бородин М.Я., Киселев Б.А. Стеклопластики в авиастроении //Авиационная промышленность. 1982. №8. С. 80–84.
2. Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Стеклопластики в конструкциях авиационной и ракетной техники //Стекло и керамика. 2012. №4. С. 1–7.
3. Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Стеклопластики ‒ многофункциональные композиционные материалы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 253–260.
4. Поляков М. Зеленая химия: очередная промышленная революция //Химия и жизнь. 2004. №6. С. 2–12.
5. Каблов Е.Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники //Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520–530.
6. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» //Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33.
7. Тимошков П.Н., Коган Д.И. Современные технологии производства полимерных композиционных материалов нового поколения //Труды ВИАМ. 2013. №4 (viam-works.ru).
8. Хрульков А.В., Григорьев М.М. Эволюция материала вертолетной лопасти: от накрахмаленной ткани и дерева к металлу и композиту //Новости материаловедения. Наука и техника. 2015. №2 (14) (materialsnews.ru).
9. Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Чурсова Л.В., Коган Д.И. Новые полимерные связующие для перспективных методов изготовления конструкционных волокнистых ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 38–42.
10. Каблов Е.Н. Химия в авиационном материаловедении //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 3–4.
11. Соколов И.И., Вавилова М.И. Конструкционные стеклопластики на основе расплавных связующих и тканей Porcher //Новости материаловедения. Наука и техника. 2013. №5. Ст. 02 (materialsnews.ru).
1. Avrasin Ja.D., Borodin M.Ja., Kiselev B.A. Stekloplastiki v aviastroenii [Fibreglasses in aircraft industry] //Aviacionnaja promyshlennost’. 1982. №8. S. 80–84.
2. Davydova I.F., Kavun N.S. Stekloplastiki v konstrukcijah aviacionnoj i raketnoj tehniki [Fibreglasses in designs aviation and rocketry] //Steklo i keramika. 2012. №4. S. 1–7.
3. Davydova I.F., Kavun N.S. Stekloplastiki ‒ mnogofunkcional’nye kompozicionnye materialy [Fibreglasses ‒ multifunction composite materials] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 253–260.
4. Poljakov M. Zelenaja himija: ocherednaja promyshlennaja revoljucija [Green chemistry: next industrial revolution] //Himija i zhizn’. 2004. №6. S. 2–12.
5. Kablov E.N. Materialy i himicheskie tehnologii dlja aviacionnoj tehniki [Materials and chemical technologies for aviation engineering] //Vestnik Rossijskoj akademii nauk. 2012. T. 82. №6. S. 520–530.
6. Kablov E.N. Innovacionnye razrabotki FGUP «VIAM» GNC RF po realizacii «Strategicheskih napravlenij razvitija materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda» [Innovative development of VIAM Federal State Unitary Enterprise of GNTs Russian Federation on implementation «The strategic directions of development of materials and technologies of their processing for the period till 2030»] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2015. №1 (34). S. 3–33.
7. Timoshkov P.N., Kogan D.I. Sovremennye tehnologii proizvodstva polimernyh kompozicionnyh materialov novogo pokolenija [Modern production technologies of polymeric composite materials of new generation] //Trudy VIAM. 2013. №4 (viam-works.ru).
8. Hrul’kov A.V., Grigor’ev M.M. Jevoljucija materiala vertoletnoj lopasti: ot nakrahmalennoj tkani i dereva k metallu i kompozitu [Evolution of material of the helicopter blade: from the starched fabric and tree to metal and composite] //Novosti materialovedenija. Nauka i tehnika. 2015. №2 (14) (materialsnews.ru).
9. Muhametov R.R., Ahmadieva K.R., Chursova L.V., Kogan D.I. Novye polimernye svjazujushhie dlja perspektivnyh metodov izgotovlenija konstrukcionnyh voloknistyh PKM [New polymeric binding for perspective methods of manufacturing of constructional fibrous PKM] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2011. №2. S. 38–42.
10. Kablov E.N. Himija v aviacionnom materialovedenii [Chemistry in aviation materials science] //Rossijskij himicheskij zhurnal. 2010. T. LIV. №1. S. 3–4.
11. Sokolov I.I., Vavilova M.I. Konstrukcionnye stekloplastiki na osnove rasplavnyh svjazujushhih i tkanej Porcher [Constructional fibreglasses on the basis of molten binding and Porcher fabrics] //Novosti materialovedenija. Nauka i tehnika. 2013. №5. St. 02 (materialsnews.ru).
Источник