Тестирование углеродных композитов

Среди всех композитов особое место занимают армированные углеродом материалы, такие как углепластики (карбон), стеклопластики (полимерная матрица, армированная стеклом) и различные виды стеклокерамики. Анизотропная и неоднородная структура (механические свойства зависят от направления приложения усилия и ориентации волокон) делает их испытания сложной, но жизненно необходимой задачей.

Для обеспечения безопасности и долговечности изделий из композитов, особенно работающих в условиях высоких нагрузок или экстремальных температур, необходимо проводить комплексные лабораторные тесты. Эти испытания, регламентированные строгими стандартами, позволяют определить фактические пределы прочности, жесткость и способность материала противостоять повреждениям, многократным циклам нагрузки и воздействию окружающей среды.

Механические испытания. ИЗМЕРЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМАЦИИ

Основные механические свойства, определяющие пригодность композита, включают прочность при растяжении, сжатии, изгибе, сдвиге и ударную вязкость. Все эти тесты, входящие в категорию разрушающего контроля, проводятся на специальных испытательных машинах, способных воспроизводить нормированные режимы нагружения.

Испытания на растяжение

Испытание на растяжение является одним из наиболее распространенных и фундаментальных методов оценки прочностных характеристик композитов.

Образец с плоским или прямоугольным поперечным сечением подвергается кратковременному воздействию непрерывно возрастающей осевой растягивающей силы до полного разрушения. В процессе испытания непрерывно регистрируются значения нагрузки и соответствующей ей деформации, что позволяет построить диаграмму «напряжение – деформация».

Определяемые характеристики:

• Прочность при растяжении (временное сопротивление): максимальное напряжение, предшествующее разрушению образца.
• Модуль упругости (модуль растяжения): отношение изменения напряжения к соответствующему изменению относительной деформации на начальном линейном участке диаграммы.
• Относительное удлинение при разрушении: отношение приращения расчетной длины к начальной длине в момент разрыва.
• Коэффициент Пуассона: абсолютная величина отношения поперечной деформации к продольной деформации.

Для высокопрочных однонаправленных композитов, таких как углепластики, необходимо использовать образцы с усиливающими накладками на концах (длиной 90–100 мм), чтобы предотвратить преждевременное разрушение в зоне захватов. Критически важным условием является соосность приложения нагрузки, которую проверяют специальными контрольными образцами с датчиками деформации.

Испытания на сжатие

Испытания на сжатие определяют поведение материала под сжимающей нагрузкой, что критически важно для несущих конструкций.

Для композитов эти испытания технически более сложны, чем растяжение, так как требуется исключить продольный изгиб образца. Для этого применяют специальные приспособления с боковыми направляющими или комбинированные методы нагружения.

Определяемые характеристики:

• Предел прочности при сжатии и модуль упругости при сжатии. Для слоистых материалов прочность при сжатии в направлении волокон может быть ниже, чем прочность при растяжении, а типы разрушения при сжатии и растяжении сильно отличаются.

ИСПЫТАНИЯ НА ИЗГИБ

Испытания на изгиб являются простым и часто используемым методом для контроля качества и сравнения материалов. Плоский образец прямоугольного сечения нагружается в середине между опорами (трехточечный) или в двух точках в центральной части (четырехточечный). Метод позволяет оценить поведение материала при комбинированном нагружении, включающем растяжение, сжатие и сдвиг.

Определяемые характеристики:

• Предел прочности при изгибе;
• Модуль упругости при поперечном изгибе;
• Жесткость.

При испытании композитов с малым модулем сдвига могут возникать касательные напряжения, которые приводят к искажению плоского сечения и дополнительному прогибу. Увеличение числа слоев композита уменьшает величину изгиба, а нарушение последовательности укладки слоев или их разнотолщинность может существенно влиять на деформационное поведение.

ИСПЫТАНИЯ НА СДВИГ И КРУЧЕНИЕ

Сдвиг определяет прочность материала при приложении сил, параллельных плоскости, что приводит к разрушению сдвига.

Виды сдвига:

1. Сдвиг в плоскости армирования. Определяют модуль сдвига и напряжение сдвига (например, при растяжении образца под углом 45 градусов к направлению волокон).
2. Межслоевой сдвиг. Оценивают адгезию между слоями и часто используется для контроля качества. Определяют максимальное усилие, полученное в процессе испытания небольшого прямоугольного образца на трехточечный изгиб, при котором происходит разрушение сдвига между слоями.
3. Кручение. Используется для определения модуля сдвига в плоскости, но не для определения прочности.

Для точного измерения деформаций при сдвиге необходимо двухосное измерение, часто с помощью двухосных датчиков или оптических систем.

УДАРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Ударные испытания (динамическое нагружение) оценивают способность композита поглощать энергию при внезапном ударе силой и противостоять повреждениям.

Ключевой метод CAI «Сжатие после удара», является критически важным для авиации. Сначала образец подвергают воздействию поперечного, локального удара падающим грузом с полусферическим индентором с регламентированной энергией удара. Затем определяют остаточную прочность при сжатии многослойного материала, предварительно поврежденного этим ударом. По степени и типу разрушения после удара (например, размером отпечатка) определяют стойкость к повреждению.

Нормативная база. КЛЮЧЕВЫЕ ГОСТ

Оборудование для тестирования углеродных композитов

Для комплексного тестирования углеродных композитов требуется широкий спектр высокоточного оборудования, способного работать в различных режимах нагружения и температурных условиях.

Универсальные испытательные машины (УИМ)

УИМ являются ключевым инструментом для проведения статических тестов — растяжения, сжатия и изгиба — в соответствии с ГОСТ 28840-90.

Эталон-Профит производит:

• Универсальные испытательные машины серий РКМ, НИМ и X-PRO (до 600 кН), которые используются для разрушающего и неразрушающего контроля.
• Горизонтальные разрывные машины серии X-PRO.
• УИМ могут комплектоваться специальными приспособлениями, такими как захваты для образцов с накладками, приспособления на сжатие, сплющивание или на трехточечный/четырехточечный изгиб.

Оборудование для динамических и специальных испытаний

Маятниковые копры (например, серии РКМ-К) используются для динамических испытаний, таких как определение ударной вязкости (методы Шарпи и Изода). Они регистрируют работу удара при разрушении образца, который подвергается воздействию бойка определенного веса.

Системы для термических испытаний (СТИ)

Для тестирования композитов, работающих в широком диапазоне температур (например, в авиации или ракетостроении), Эталон-Профит предлагает специализированные системы, которые могут интегрироваться с УИМ.

Оборудование для длительных испытаний

Для изучения ползучести и длительной прочности композитов (способности сопротивляться медленной деформации и разрушению под постоянной нагрузкой). Машины X-TIME используются для испытаний на длительную прочность и ползучесть. Они могут иметь рычажное, электромеханическое или прямое нагружение и могут комплектоваться криокамерами / термокамерами.

Контакты Эталон-Профит 8 (4932) 57-43-34 , office@etalon-profit.ru