Влияние пористости на физико-механические свойства углепластика при растяжении и сжатии

Испытания на растяжение

В большинстве случаев снижение прочности для образцов при испытаниях на растяжение объясняется прежде всего ростом числа дефектов матрицы вызванных влиянием пор, как концентраторов напряжений и, как следствие, потерей прочностных свойств образца. В связи с этим, были проведены исследования для определения механических свойств образцов углепластика при растяжении с различной пористостью, изготовленных при разных режимах формования, а так же с различными схемами армирования. Установлены зависимости прочностных характеристик образцов от пористости, а также определено при каких значениях пористости наступает резкое снижение показателей прочности, после которых дальнейшее эксплуатирование материала является недопустимым.

Первичное разрушение образцов сопровождалось характерными щелчками и происходило при выпрямлении и отслоении перерезанных волокон. Далее разрушение происходило прорастанием относительно длинных трещин, в направлении приложения нагрузки, возникающим вследствие сдвига и расслоения в результате частичного разрушения армирующих волокон и полного разрушения матрицы. Все испытываемые образцы разрушились (рис. 1.18) в рабочей зоне, такой вид разрушения происходит от отслоения волокон и полного разрушения матрицы.

 

 

Рисунок 1.18. Вид разрушенных образцов углепластика после испытания на одноосное растяжение

Результаты испытаний на растяжение представлены в таблицах 1.8-1.10. Для наглядности результатов построены и представлены на рис. 1.19-1.20 графики зависимости предела прочности и модуля упругости от пористости, и показано её влияние на прочностные характеристики углепластика. Графики построены для механических характеристик с наиболее четко выраженным влиянием пористости и соответствуют данным таблиц 1.8-1.10.

 

Таблица 1.8. Результаты испытаний углепластика со схемой армирования (у1) и различной пористостью при растяжении

№ образца	Пористость, %	Модуль упругости при растяжении Е, ГПа	Предел прочности при разрыве σв, МПа	Модуль упругости при растяжении Е с доверительной вероятностью 0,95, ГПа	Предел прочности при разрыве σв с доверительной вероятностью 0,95, МПа
	3,2	30,8	409,3	30,7±3,65	411,2±14,12
	30,7	412,9
	29,5	410,2
	31,3	409,9
	31,2	412,8
	4,9	30,1	393,1	29,3±2,90	393,2±15,11
	29,3	392,5
	28,4	393,7
	30,3	395,1
	29,1	394,2
	9,1	28,5	361,2	27,1±2,85	363,5±12,11
	26,4	362,1
	27,1	364,5
	26,3	367,1
	27,5	363,4

 

Таблица 1.9. Результаты испытаний углепластика со схемой армирования (у2) и различной пористостью при растяжении

№ образца	Пористость, %	Модуль упругости при растяжении Е, ГПа	Предел прочности при разрыве σв, МПа	Модуль упругости при растяжении Е с доверительной вероятностью 0,95, ГПа	Предел прочности при разрыве σв с доверительной вероятностью 0,95, МПа
	3,1	90,9	1215,2	89,2±8,91	1214,1±20,1
	88,7	1213,4
	88,9	1214,8
	87,9	1212,1
	89,8	1215,8
		87,2	1163,2	85,3±6,13	1161,3±19,3
	86,3	1160,1
	83,8	1162,3
	85,2	1161,4
	84,1	1162,3
	9,2	75,9	1074,5	78,8±6,5	1073,7±17,1
	79,3	1072,8
	77,9	1071,6
	79,5	1075,7
	78,7	1073,4

 

Таблица 1.10. Результаты испытаний углепластика со схемой армирования (у3) и различной пористостью при растяжении

№ образца	Пористость, %	Модуль упругости при растяжении Е, ГПа	Предел прочности при разрыве σв, МПа	Модуль упругости при растяжении Е с доверительной вероятностью 0,95, ГПа	Предел прочности при разрыве σв с доверительной вероятностью 0,95, МПа
	3,1	83,7	1197,6	83,7±6,31	1197,6±19,15
	84,6	1198,9
	81,9	1195,4
	82,1	1194,6
	83,3	1198,8
	5,1	80,1	1146,5	80,1±9,2	1146,1±21,18
	81,1	1147,2
	78,9	1148,5
	82,1	1143,1
	78,3	1148,1
	8,9	74,9	1062,9	73,9±7,14	1058,6±25,31
	72,8	1055,3
	71,6	1055,7
	75,4	1060,6
	74,8	1058,5

 

у2

у1

у3

Рисунок 1.19. Зависимости предела прочности при растяжении от пористости

 

у3

у2

у1

Рисунок 1.20. Зависимости модуля упругости при растяжении от пористости

Сравнение полученных данных с различными значениями пористости позволяет сделать заключение о значительном влиянии пор, как концентраторов напряжений, на значения прочности и другие механические характеристики углепластика. Приведенные данные показывают, что повышение показателя пористости, оказывает серьезное влияние на предел прочности и модуль упругости углепластика при испытаниях на одноосное растяжение. Снижение прочностных характеристик зависит от содержания пор и схемы армирования. Наименее чувствительным к изменениям характеристик оказались углепластики со схемами армирования У1 и У3. Снижение прочности и модуля упругости в них составило 14%. В тоже время для схемы армирования У2 это падение составило 20%. Такие потери, безусловно, должны учитываться при проектировании изделий и конструкций из данного материала.

В ходе проведения экспериментальных исследований механических характеристик волокнистых композиционных материалов было установлено, что один и тот же материал при различных значениях пористости разрушается по разным механизмам.

Испытания на сжатие

Характер разрушения образцов при сжатии, связанный с разрушением матрицы, и как следствие, расслоением материала и последующей потерей устойчивости слоев, представлен на рисунке 1.21. Результаты испытаний приведены в таблицах 1.11-1.13.

 

 

Рисунок 1.21. Пример разрушенного образца после испытания на сжатие

 

Таблица 1.11. Результаты испытаний углепластика со схемой армирования (у1) и различной пористостью при сжатии

№ образца	Пористость, %	Предел прочности при сжатии σв, МПа	Модуль упругости при сжатии Е, ГПа	Предел прочности при сжатии σв с доверительной вероятностью 0,95, МПа	Модуль упругости при сжатии Е с доверительной вероятностью 0,95, ГПа
	3,2	369,8	35,9	370,9 ± 26,25	37,7 ±2,33
	368,7	36,4
	371,3	39,1
	372,5	37,7
	369,4	38,6
	4,9	353,3	35,2	354,9 ±27.13	34,28 ±1,56
	355,8	33,38
	356,1	36,18
	352,9	35,14
	354,6	32,4
	9,1	324,7	32,42	327,8 ±20,93	31,92 ±1,70
	325,5	32,22
	329,3	30,52
	328,9	33,12
	326,9	31,32

 

Таблица 1.12. Результаты испытаний углепластика со схемой армирования (у2) и различной пористостью при сжатии

№ образца	Пористость, %	Предел прочности при сжатии σв, МПа	Модуль упругости при сжатии Е, ГПа	Предел прочности при сжатии σв с доверительной вероятностью 0,95, МПа	Модуль упругости при сжатии Е с доверительной вероятностью 0,95, ГПа
	3,1	280,5	30,4	280,8 ± 26,25	29,70 ±2,33
	279,7	28,7
	278,9	29,5
	282,3	27,7
	281,4	30,6
		268,8	28,3	268,7 ±27.13	26,28 ±1,56
	266,7	24,4
	269,4	27,1
	267,9	26,5
	268,5	25,8
	9,2	249,2	23,12	248,2 ±20,93	22,92 ±1,70
	247,5	21,92
	248,7	24,12
	249,5	22,72
	246,2	21,62

 

Таблица 1.13. Результаты испытаний углепластика со схемой армирования (у3) и различной пористостью при сжатии

№ образца	Пористость, %	Предел прочности при сжатии σв, МПа	Модуль упругости при сжатии Е, ГПа	Предел прочности при сжатии σв с доверительной вероятностью 0,95, МПа	Модуль упругости при сжатии Е с доверительной вероятностью 0,95, ГПа
	3,1	421,3	40,5	420,1 ± 26,25	41,70 ±2,33
	422,2	39,6
	419,2	43,8
	420,5	42,4
	421,7	41,9
	5,1	402,5	40,3	401,9 ±27.13	39,28 ±1,56
	403,4	38,1
	400,8	41,4
	401,9	40,6
	399,6	39,5
	8,9	372,1	38,82	371,3 ±20,93	37,92 ±1,70
	371,5	36,52
	372,4	39,92
	370,3	37,42
	373,2	35,82

 

Данные о влиянии пористости на значения модуля упругости и предела прочности углепластика при испытании на сжатие показаны на графиках (рис. 1.22-1.23).

 

у2

у1

у3

Рисунок 1.22. Зависимость предела прочности при сжатии от пористости

у2

у1

у3

Рисунок 1.23. Зависимость модуля упругости при сжатии от пористости

В ходе экспериментальных исследований установлено, что повышение показателя пористости, оказывает серьезное влияние на предел прочности и модуль упругости углепластика при испытаниях на сжатие. Снижение прочностных характеристик зависит от содержания пор и схемы армирования. Наименее чувствительным к изменениям характеристик оказались углепластики со схемами армирования У1 и У3. Снижение прочности и модуля упругости в них составило 12%. В тоже время для схемы армирования У2 это падение составило 21%.

Выводы

Определено объемное содержание пор в образцах углепластика на основе эпоксидного связующего горячего отверждения изготовленного прессованием в виде листов с заданием 3-х различных схем армирования. Проведены экспериментальные исследования влияния пористости на свойства углепластика при растяжении и сжатии. В результате испытаний установлено, что повышение показателя пористости, оказывает негативное влияние на предел прочности и модуль упругости углепластика при испытаниях на растяжение и сжатие. При повышении пористости среднее значение предела прочности при растяжении снижается на 20%, а при сжатии - на 21% по сравнению со средними значениями, полученными при значениях пористости в 3,1 %.