s,ГПа s,ГПа
 | |||
 | |||
Борное C - HTS C-HTS (филамент)
5 C-HTM 5
 |
4 СВМ S-стекло 4 С-HTS (пучёк)
 |  | ||
3 3
 |  | ||||
 | |||||
2 Е – стекло 2 СВМ (филамент)
 | | ||||||
 | |||||||
 | |||||||
1 1 СВМ (пучёк)
| | ||||||||||||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||||||||||||
 |  | |  | | | | | | | |
0 0
1 2 3 4 5 6 e, % 1 2 3 4 5 6 e, %
e о
Несвязанные пучки волокон деформируются на начальном этапе их растяжения с модулем, несколько меньшим, по сравнению с филаментом из этого пучка (жгута). Пучёк затем разрушается по механизму слабейшего звена и поэтому распределение вероятности достижения деформации разрушения описывается распределением Вейбула
Прочность и модуль упругости филаментов одной партии поставки имеет распределение так же подчиняющееся распределению Вейбула.
Вероятность наблюдения,% s,ГПа S - стекло
28
24 5
ВМН-4
20 4 Е - стекло
| |||||||||
 | |||||||||
 |  |  | |||||||
16 3
12
2 Thornel-50
8
1
4
0 0
0,8 1,6 2,4 3,2 4,0 4,8 s,ГПа 0,1 1,0 10.0 100,0 L Наивероятная прочность Средняя прочность Длина филамента, мм
Вейбуловское распределение вероятности регистрации прочности филаментов имеет вид.
где Ps - накопленная вероятность значений величины, равная отношению n/N, где n – разрушенное число волокон; N – исходное число испытываемых волокон (объём выборки).
s - текущее значение показателя прочности;
su – минимальное значение прочности;
s0 – её характеристическое значение, близкое к средней;
m – параметр рассеяния (коэффициент Вейбула), равный отношению 1,2/W, где W – коэффициент вариации, равный, в свою очередь, отношению среднего квадратичного отклонения, высчитанного по нормальному (Гауссову) распределению к математическому ожиданию среднего (см. среднее значение на рисунке).
L – длина испытываемого филамента между захватами разрывной машины;
d – усреднённый диаметр филамента.
В координатах
получается прямая, по которой легко определить все константы уравнения Вейбула. Вейбулова статистика даёт простое выражение для оценки наивероятной прочности несвязанного пучка волокон см. рисунок.
Неточность этих выражений имеет место только в области очень малых длин волокон. В этой области вероятности попадания в зону разрыва поверхностных дефектов волокна и его объёмных дефектов становятся близкими. При этом прочность перестаёт расти см. рисунок.
Углеродные высокомодульные волокна из за их высокой анизотропии текстуры (j, см. лекцию 2) имеют сильно выраженную анизотропии модуля упругости при растяжении, сдвиге, коэффициентов Пуассона и коэффициента термического линейного расширения.
Модуль поперёк филамента,ГПа Потеря массы при окислении при 315 °С на воздухе,%
30 100 DT and M
 | |||
 | |||
20 Предел 20 HTS
 | |||
| |||
10
10
2 HTM
0 1
500 1000 1150 0 200 400 600
Модуль вдоль филамента, ГПа Время окисления, часы
Эти особенности волокна оказывают сильное влияние на особенности технологии и качественные параметры получаемых на их основе композиционных материалов и деталей из них.
Коэфф. терм. лин. расш. ´10-6
 |
30 Поперёк филамента
Предел 28 ´10-6
25
 |
| |||
 |
К.т.р.л. для конструкционного графита
8 Поперёк оси прессования
6
Вдоль оси прессования
4 Вдоль филамента
2
 | | | | ||||
0
-2 800 1000 2000 2500
Температура испытания, °С
§ 2. Технология контроля качества углеродных волокон по ТУ.
Контроль качества углеродного волокна затруднён на практике из за весьма малой толщины контролируемых объектов – филаментов. Поэтому среди методик определения длины пробы, диаметра филамента и т.д. преобладает не прямые определения, а пересчёт параметра после косвенных определений.
Например, длина жгута на катушке определяется как отношение массы жгута, намотанного на катушке к массе 1 м длины индивидуального жгута, отрезанного с точностью ±5 мм.
Плотность волокна определяют т.н. градиентным методом. Сущность метода заключается в погружении исследуемого образца в цилиндр, заполненный смешивающимися жидкостями с различными плотностями. (четырёххлористый углерод, дибромэтан, толуол). Плотность жидкости при определённом соотношении этих жидкостей устанавливается в поле тяготения по высоте цилиндра самопроизвольно. Для жгутов углеродного волокна готовят смесь с распределением плотности от 1,6 до 1,8 г/см3. Для этой трубы готовят специальный калибровочный график распределения плотности жидкости по высоте. Образец жгута длиной 1±0,5 см предварительно сушат в вакуумном шкафу при 0,01 мм.рт. ст. в специальной стеклянной ампуле. Ампулу далее запаивают и используют при транспортировке и хранении образцов до проведения испытаний и разрушают только при непосредственном опускании образца в цилиндр. Образец в цилиндре в мерной жидкости останавливается на высоте, где плотность жидкости соответствует плотности самого волокна.
Предел прочности филамента определяется в одних и тех же ТУ тремя способами:
- разрыв филамента, вкленного в бумажную рамку;
- определение прочности углепластика при изгибе и расчёт из этого результата прочности филамента при растяжении;
- определение прочности волокна в пластике.
В первом случае наименее точным является расчёт условного (приведенного) диаметра волокна (филамента), определяемого весовым методом.
где n1 и n2 – количество волокон (филаментов) в нити и количество нитей в жгуте.
Площадь поперечного сечения (S) так же величина весьма условная
Длина испытываемого образца 10 мм при его общей длине »20 мм.
 | |||
 | |||
Испытываемый филамент
 | |||
 | |||
Бумажная рамка
20 мм 10 мм
 |
Место вклейки
 | |||
 |
10 мм
Перпендикулярность в клейки контролируется визуально (!) с требуемым ограничением отклонения не более 5 °. Прочность находят как отношение разрывной нагрузки к условной площади сечения образца. Определение проводят не менее, чем на 330 катушках от партии при отборе от каждой катушки не менее двух проб от катушки; причём волокна в каждой пробе отбирают не менее, чем из трёх нитей.
При определении прочности волокна в микропластике её так же оценивают расчётным способом. Жгут длиной 1,5 м (после предварительного взвешивания в сухом виде) смачивают эпоксидной смолой (ЭД-20 с отвердителем – полиэтиленполиамином) и протягивают через калиброванную фильеру. Связующее в жгуте отверждается при температуре не ниже 20 °С под постоянной вытяжкой 200 г. Испытанию на прочность подвергают жгуты длиной 100 мм. Определение содержания связующего проводят весовым методом на жгутах длиной 1м.
Средний предел прочности волокна в одиночном образце рассчитывают по формуле:
k – коэффициент влияния на результат связующего (1,4 – 1,25).
Пластик при приготовлении образца изготавливают методом пропитки под вакуумом. Связующее и отвердитель те же, что в предыдущем методе. Масса жгута » 0,7 г.(Рволокна) Отверждение образца проводится при 100 °С в течение 30 минут. Образец перед испытанием взвешивают (Р пластика), из результатов взвешивания рассчитывают весовую долю волокна в пластике и определяют его геометрические размеры с заданной погрешностью (L –длина; b – ширина; h- толщина). Испытывают образцы только, если предварительно определённая на них расчётная кажущаяся плотность будет не менее 1,4 г/см3(!). Испытания проводятся по схеме трёхточечного изгиба с регистрацией на диаграммной ленте разрушающей нагрузки (N) и деформации разрушения (предельный прогиб-w). Прочность при изгибе рассчитывают по формуле
Модуль упругости вычисляют по формуле
где значёк «D» означает, что для расчёта принимается приращение нагрузки и прогиба на линейной части диаграммы. Для расчёта прочности непосредственно волокна (филамента) необходимо рассчитать объёмную долю волокна в пластике (Vf).
где 1,2 – плотность отверждённого связующего,г/см3.
За приведённый показатель прочности волокна и его модуля упругости принимают условный показатель для 60 % содержания волокна.
Динамический модуль упругости определяется по тем же ТУ так же и по скорости распространения продольной ультразвуковой волны по длине нити или филамента. Для этого применяется набор устройств инициирующих ультразвуковых колебаний, передающих их на жгут и принимающих их с жгута. Время измеряется по осцилографу в мк сек. Модуль рассчитывают по формуле
результат при этих коэффициентах в кг/см2.
Экология определений понятна из приведенного перечня применяемых веществ и температурных условий проведения приготовления образцов.
END