Способ и устройство для определения теплостойкости полимерных композиционных материалов

Изобретение относится к способам определения термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов, а именно к способам определения теплостойкости Т. Сущность: образец в виде стержня постоянного сечения с шарнирно закрепленными концами подвергают продольному изгибу путем продольного нагружения до величины прогиба/напряжения, обеспечивающих гарантированное разрушение образца в исследуемом интервале температур, преимущественно 0,1-0,5 от разрушающего прогиба/напряжения. Производят нагрев образца с регистрацией изменения прогиба и температуры нагрева, при этом теплостойкость образца определяют как температуру, при которой происходит его разрушение, характеризуемое резким увеличением прогиба или изменением формы образца в средней части. Устройство содержит основание, две шарнирные опоры с гнездами для крепления образца с возможностью продольного (горизонтального) перемещения и создания продольного изгиба образца, измеритель прогиба, причем по крайней мере одна из опор подвижна и снабжена нагружающим механизмом. Технический результат: снижение трудоемкости и повышение точности результатов испытаний. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к способам определения термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов, а именно к способам определения теплостойкости Т.

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) изготавливают из высокопрочных волокон (стеклянных, базальтовых, углеродных и других), объединенных полимерной матрицей (связующим). Механические свойства (прочность, модуль упругости) ПКМ определяются в основном свойствами волокнистых наполнителей, а способность сохранять эти свойства при разных температурах определяется матрицей. При нагревании происходит переход матрицы в высокоэластическое состояние, что отражается на снижении механических свойств композиционного материала. В связи с этим термомеханические свойства определяют температурный диапазон безопасной эксплуатации ПКМ и изделий из них.

Для изучения физических состояний полимеров разработаны разные способы и устройства для их осуществления, однако большинство из них малопригодны для проведения контрольных испытаний полимерных композиционных материалов в условиях заводских лабораторий. Это связано со следующими причинами: необходимостью изготовления специальных образцов для проведения испытаний; невозможностью исследования свойств связующего композиционного материала в составе композита; чрезмерно высокими сложностью и стоимостью испытательных установок и пр. (Малкин А.Я. и др., Методы измерения механических свойств полимеров. М., Химия, 1978. - 336 с.).

Теплостойкость, определяемая как способность сохранять жесткость при одновременном воздействии нагрузки и температуры, является важнейшим эксплуатационным свойством, предъявляемым к изделиям из ПКМ. Для измерений теплостойкости наибольшее применение получили два метода - по Вика и по Мартенсу (Баурова, Н.И. Применение полимерных композиционных материалов при производстве и ремонте машин: учеб. пособие / Н.И. Баурова, В.А. Зорин. - М.: МАДИ, 2016. - 264 с.).

Важнейшей характеристикой, позволяющей наиболее точно оценить теплостойкость ПКМ, является температура стеклования. Значение температуры стеклования используют при расчете толщины новых конструкций из ПКМ, при определении области применения новых полимерных материалов и изделий, при проектировании конструкций из ПКМ и разработке технологических процессов их изготовления.

Температура стеклования показывает предельную рабочую температуру полимерной матрицы в композиционном материале. Это граница перехода ее из стеклообразного состояния в упругоэластичное. Изменение температуры стеклования изделия вследствие воздействия эксплуатационных факторов (температуры и влажности) сказывается на его долговечности в период эксплуатации.

Известен способ определения термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов при нагружении образцов свободными крутильными колебаниями (патент РФ №2258912, приоритет от 14.05.2003 г., опубл. 20.08.2005 г. «Способ измерения параметров свободно затухающих колебаний крутильного маятника»). Суть метода заключается в следующем: в исследуемом образце с помощью обратного крутильного маятника возбуждают крутильные колебания. После устранения вынуждающей силы система маятник-образец начинает совершать затухающие колебания, измерив частоту и коэффициент затухания которых, вычисляют значения динамического модуля сдвига и тангенса угла динамических потерь материала образца при заданной температуре. Для получения соответствующих температурных зависимостей этих параметров проводят цикл измерений для одного образца при разных температурах.

При обработке полученной термомеханической кривой определяют температуру начала перехода полимерной матрицы Tнп из стеклообразного состояния в высокоэластичное, температуру стеклования Тс и температуру α-перехода Тα.

Недостатками этого способа являются следующие:

- в результате измерений определяют не первичные физические величины (такие, как например, сила), а их производные, что усложняет автоматизацию метода испытаний;

- полученные параметры являются дискретными (точечными), поэтому термомеханическая кривая может быть получена не физически, а с помощью аппроксимации;

- метод требует дорогостоящего оборудования, длителен и малопригоден для оперативного контроля свойств изделий в условиях заводских лабораторий.

Известен способ определения термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов методом трехточечного поперечного изгиба (Савин В.Ф., Луговой А.Н., Волков Ю.П. Методика определения термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2003. - №6. - С. 40-43).

Сущность способа заключается в получении термомеханической кривой зависимости изменения жесткости образца при трехточечном поперечном изгибе и фиксированной изгибающей деформации, от температуры и отыскании на кривой характеристических точек перехода полимерной матрицы из стеклообразного в высокоэластичное состояние. Для этого образец, установленный в горизонтальных опорах, нагружают заданной изгибающей поперечной нагрузкой, которую контролируют с помощью датчика силы, соответствующую этой нагрузке деформацию (прогиб) фиксируют, и осуществляют нагрев с заданным темпом роста температуры. По мере нагрева жесткость образца снижается (происходит размягчение полимерной матрицы) и, следовательно, снижается приложенная к нему нагрузка. В процессе испытания регистрируют значение температуры и соответствующее ей значение нагрузки. При обработке полученной термомеханической кривой определяют температуру начала перехода полимерной матрицы Tнп из стеклообразного состояния в высокоэластичное, температуру стеклования Тс и температуру α-перехода Тα с помощью определения экстремумов первой и второй производной функции, аппроксимирующей термомеханическую кривую.

Этот способ является наиболее простым, однако при проведении испытаний выявлено влияние на результат расстояния между опорами, на которых установлен образец и нажимного наконечника вследствие контактных напряжений и сдвиговых деформаций (Савин В.Ф., Блазнов А.Н., Тихонов В.Б., Старцев О.В. Исследование механических характеристик композитных стержней круглого сечения методом трехточечного изгиба / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2011. - Т. 77. - №6. - С. 48-51).

Описанные способы требуют ручной математической обработки, следствием чего является сложность автоматизации процесса испытаний и зависимость результатов от человеческого фактора, поскольку переходная область может быть неявной на термомеханической кривой и занимать диапазон температур до 30°С. Кроме того, известные способы, и рассматриваемый способ, в частности, обеспечивают определение термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов, но не позволяют получить комплексную характеристику материала - его теплостойкость (способность сохранять жесткость при одновременном воздействии нагрузки и температуры).

Наиболее близким аналогом является метод измерения теплостойкости по Мартенсу по ГОСТ 21341-75 (Пластмассы и эбонит. Метод определения теплостойкости по Мартенсу).

Образцы для испытаний по ГОСТ 21341-75 должны иметь форму брусков следующих размеров: 120×15×10, 80×10×4 или 50×6×4.

Согласно ГОСТ 21341-75, испытания проводят следующим образом. Образец заданных размеров устанавливают в зажимно-нагрузочное устройство и создают в образце изгибное напряжение 5±0,5 МПа, посредством рычага и перемещаемого груза. Устройство с образцами помещают в термошкаф, контролируя, чтобы образец находился в вертикальном положении, а рычаг зажимного устройства - в горизонтальном. Включают нагрев с заданной скоростью (50±5°С) в час. Измерение температуры рекомендуется контролировать с помощью двух термометров. При достижении указателем деформации величины 6±0,1 мм, отмечают показания термометров и вычисляют значение теплостойкости как среднее арифметическое показаний двух термометров.

Для испытаний армированных пластиков этот метод малопригоден по следующим причинам: не позволяет изготовить образцы из изделий круглого сечения, например, диаметром 5,5 мм или пластин тоньше 4 мм; для высокопрочных армированных пластиков напряжение 5±0,5 МПа составляет 0,25% от прочности материала, достигающей 2000 МПа; при модуле Юнга 50-55 ГПа прогиб 6 мм будет достигнут при более высокой температуре, чем для образца из эпоксидного связующего с модулем 3,5 ГПа, на основе которого изготовлен ПКМ; теплопроводность стеклопластика низка, и оговоренный стандартом образец размерами 120×10×15 мм не успевает прогреваться равномерно по всей площади поперечного сечения. Это вносит дополнительные погрешности в результат измерения теплостойкости композитов. Например, при испытаниях образцов стекло- и базальтопластиков по ГОСТ 21341-75 при нагреве до 220°С деформация составила около 1 мм, хотя температура стеклования испытанных образцов была намного ниже, 115-130°С (Самойленко В.В., Атясова Е.В., Блазнов А.Н., Зимин Д.Е., Татаринцева О.С., Ходакова Н.Н. Исследование теплостойкости полимерных композитов на основе эпоксидных матриц / Ползуновский вестник. - 2015. - №4. - Т. 1. - С. 131-135). Как показано в этой работе, для того чтобы деформации становились более заметными, метод Мартенса необходимо модифицировать, увеличив напряжение в образце до 50-75 МПа, т.е. на порядок, путем уменьшения сечения образца и увеличения груза. Также деформация 6 мм не является объективной оценкой величины теплостойкости. Например, в работе (Киселев Б.А. Стеклопластики / М.: Госхимиздат, 1961. - 240 с.) показано, что для различных полимерных материалов кривые изменения жесткости от температуры существенно отличаются, и величина теплостойкости, определяемая при заданной деформации 6 мм, может варьироваться на 30-50°С, если попадает на пологий участок кривой.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка способа определения теплостойкости полимерных композиционных материалов, повышение достоверности результатов испытаний и снижение их трудоемкости.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе определения теплостойкости полимерных композиционных материалов, включающем нагружение образца изгибным напряжением заданной величины, нагрев с заданным темпом роста температуры, регистрацию деформации и температуры, определение теплостойкости при заданном значении деформации, образец в виде стержня постоянного сечения с шарнирно закрепленными концами подвергают продольному изгибу путем продольного нагружения до заданной величины прогиба/напряжения, производят нагрев образца с регистрацией изменения прогиба, и температуры нагрева, причем для определения теплостойкости продольное нагружение осуществляют до величины прогиба/напряжения, обеспечивающих гарантированное разрушение образца в исследуемом интервале температур, преимущественно 0,1-0,5 от разрушающего прогиба/напряжения, при этом теплостойкость образца определяют как температуру, при которой происходит его разрушение, характеризуемое резким увеличением прогиба или изменением формы образца в средней части.

Способ определения теплостойкости полимерных композиционных материалов осуществляется следующим образом. В качестве образцов используют стержни постоянного сечения, при этом их длина выбирается преимущественно в интервале 30-50 диаметров (толщины) образца. Образец из полимерного композиционного материала в виде стержня постоянного сечения устанавливают в шарнирные опоры испытательного устройства. Приводят в действие нагружающий механизм, который перемещает шарнирную опору, нагружая образец продольной нагрузкой до создания величины прогиба/напряжения соответствующих, преимущественно, 0,1-0,5 от разрушающего прогиба/напряжения образца и фиксируют положение опоры.

После нагружения образца производят его нагрев с заданным темпом роста температуры (преимущественно 40-60°С/мин), фиксируя изменение температуры датчиком и соответствующее изменение прогиба измерителем перемещений.

Теплостойкость образца определяют как температуру, при которой происходит его разрушение, характеризуемое резким увеличением прогиба или изменением формы образца в средней части.

Предлагаемый способ определения теплостойкости полимерных композиционных материалов обеспечивает использование осесимметричных образцов, в том числе круглого сечения, что с одной стороны исключает необходимость механической обработки при их изготовлении, которая вызывает нарушение структуры материала и приводит к изменению его свойств, а с другой - снижает время и трудозатраты при подготовке испытаний. Кроме того, способ может быть использован для испытаний трубчатых образцов и образцов прямоугольного сечения.

Крепление образца в шарнирных опорах и продольное нагружение образца при проведении испытаний исключают недостатки, присущие другим известным способам (влияние расстояния между опорами, на которых установлен образец, влияние контактных напряжений и сдвиговых деформаций, обусловленных воздействием нагружающего нажимного наконечника), в результате чего возрастает достоверность получаемых результатов. В отличие от аналога, получают стабильное разрушение в широком диапазоне изгибных напряжений, и величина теплостойкости является единственным значением, не зависящим от деформации. При продольном изгибе разрушение образца в средней части является следствием перехода матрицы из стеклообразного в высокоэластическое состояние в результате нагрева и потери устойчивости крайних волокон, при этом остальная часть образца работает подобно пружине и доламывает образец. Получают однозначный показатель, не требующий трудоемкой математической обработки результатов, как в других известных способах. Общеизвестно, что при изгибе максимальные напряжения в образце реализуются в крайних слоях образца в месте наибольшего прогиба (на растянутых и сжатых волокнах), и достигают нуля в центре образца на нейтральной средней линии, совпадающей с осью. При этом нет надобности нагревать весь образец до центральных слоев. Достаточно нагреть наружные, самые нагруженные слои образца. Разрушение образца является объективной оценкой его теплостойкости, т.е. способности сохранять жесткость при нагревании и не зависит от применяемого способа математической обработки результатов.

Технической задачей изобретения также является разработка конструкции устройства для испытания стержней из композиционных материалов способом продольного изгиба.

Из уровня техники не выявлено устройств, с помощью которых можно было бы реализовать предлагаемый способ определения теплостойкости полимерных композиционных материалов.

Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается устройство для определения теплостойкости полимерных композиционных материалов, содержащее две опоры для крепления образца с возможностью продольного (горизонтального) перемещения и создания продольного изгиба образца, измеритель прогиба, причем по крайней мере одна из опор подвижна и снабжена нагружающим механизмом.

На Фиг. 1 представлена схема устройства.

Предлагаемое устройство содержит основание 1, размещенные на основании с возможностью горизонтального перемещения подвижную шарнирную опору 2 и неподвижную шарнирную опору 3, имеющие гнезда для крепления образца 4, измеритель прогиба 5, причем подвижная опора снабжена нагружающим механизмом 6.

Устройство работает следующим образом.

Образец 4 устанавливают в опорах 2 и 3, с помощью нагружающего механизма 6 создают продольный изгиб образца, перемещая подвижную опору в сторону неподвижной до образования величины прогиба/напряжения соответствующих, преимущественно, 0,1-0,5 от разрушающего прогиба/напряжения образца, который контролируют измерителем перемещений (например, с помощью линейки). По достижении заданной величины прогиба положение подвижной шарнирной опоры фиксируют, устройство вместе с образцом помещают в термошкаф и включают нагрев с заданной скоростью, отслеживая изменение формы образца и температуры. В результате нагрева, происходит размягчение полимерной матрицы и переход его из стеклообразного состояния в высокоэластическое, что сопровождается резким уменьшением механических свойств матрицы и композита. Происходит потеря устойчивости волокон в месте наибольшего прогиба и разрушение образца полимерного композиционного материала. В результате образец принимает треугольную форму, при этом прогиб резко увеличивается. Момент разрушения контролируют визуально, либо с помощью измерения прогиба. Температуру, при которой произошло разрушение, принимают за теплостойкость образца и нагрев прекращают.

Устройство обладает простотой, не требует специальных измерительных приборов для измерений физических величин (кроме термокамеры и термометра, имеющихся практически в каждой лаборатории). Локализация напряжений в зоне наибольшего прогиба позволяет консервировать нагрузку в образце в течение всего времени испытаний, не требует дополнительных грузов. Предлагаемая конструкция устройства не требует для проведения испытаний изготовления образца специальной формы, в качестве него используется отрезок стержня из исследуемого полимерного композиционного материала. Для исключения чрезмерно высоких продольных нагрузок, необходимых для обеспечения заданного продольного изгиба, длина образца выбирается преимущественно не менее 30 его диаметров. При проведении испытаний исключено воздействие на образец элементов конструкции, вызывающих возникновение в нем контактных напряжений и сдвиговых деформаций, чем обеспечивается повышение достоверности результатов испытаний.

1. Способ определения теплостойкости полимерных композиционных материалов, включающий нагружение образца изгибным напряжением, нагрев с заданным темпом роста температуры, регистрацию деформации и температуры, определение теплостойкости при заданном значении деформации, отличающийся тем, что образец в виде стержня постоянного сечения с шарнирно закрепленными концами подвергают продольному изгибу путем продольного нагружения до величины прогиба/напряжения, обеспечивающих гарантированное разрушение образца в исследуемом интервале температур, преимущественно 0,1-0,5 от разрушающего прогиба/напряжения, производят нагрев образца с регистрацией изменения прогиба и температуры нагрева, при этом теплостойкость образца определяют как температуру, при которой происходит его разрушение, характеризуемое резким увеличением прогиба или изменением формы образца в средней части.

2. Устройство для определения теплостойкости полимерных композиционных материалов для осуществления способа по п. 1 формулы, содержащее основание, две шарнирные опоры с гнездами для крепления образца с возможностью продольного (горизонтального) перемещения и создания продольного изгиба образца, измеритель прогиба, причем по крайней мере одна из опор подвижна и снабжена нагружающим механизмом.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к метрологии, в частности к способам определения термостойкости углей при их циклическом замораживании и оттаивании. Сущность: осуществляют циклическое замораживание и оттаивание однотипных образцов углей при числе М циклов, равном порядковому номеру соответствующего образца в серии.

Изобретение относится к области строительства и предназначено для испытаний плоских многоэтажных рамно-стержневых конструктивных систем на живучесть, в частности экспериментального определения динамических догружений в элементах конструктивной системы при внезапном выключении из работы одного из несущих элементов.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для определения жаростойкости аустенитных сталей, используемых в теплонапряженных элементах энергетического оборудования.

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий. При осуществлении способа испытание стальной балки с гофростенкой проводят без разрушения по комплексу единичных показателей качества, оценивая их величину с помощью статистического контроля.

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий, в частности, оно может быть использовано для пожарно-технической классификации стальной термозащищенной гофробалки по показателям сопротивления воздействию пожара.

Изобретение относится к установкам для испытания образцов на термоусталость и может быть использовано для определения долговечности сплавов, применяемых в авиакосмической технике в условиях совместного действия термомеханических и вибрационных нагрузок.

Изобретение относится к области испытаний материалов, а конкретно к испытаниям металлических цилиндрических образцов методом деформирования (растяжения-сжатия или сжатия-растяжения), и может быть использовано для физического моделирования в лабораторных условиях процессов многократной пластической деформации металлов, происходящих в условиях промышленного производства и эксплуатации.

Изобретение относится к методам определения морозостойкости пористых материалов. Сущность: изготавливают несколько образцов материала, насыщают их водой, термоциклируют, замораживая и размораживая до нормативных температур, определяют деформации образцов после размораживания, пределы прочности образцов в условиях одноосного сжатия и перпендикулярные ему остаточные деформации, находят отношение относительного снижения предела прочности к относительной остаточной деформации и рассчитывают морозостойкость каждого образца, морозостойкость же материала рассчитывают как среднее морозостойкостей образцов.

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений. Сущность: осуществляют проведение технического осмотра, инструментальное измерение геометрических характеристик элементов фермы в их опасных сечениях; выявление условий опирания и крепления элементов фермы, схем обогрева их поперечных сечений; установление марки стали фермы, характеристик металла сопротивлению на сжатие и растяжение, определение величины нагрузки оценочного испытания на стальную ферму, схем ее приложения, интенсивности силовых напряжений в металле в опасных сечениях элементов стальной фермы, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности элементов стальной фермы под испытательной нагрузкой оценочного огневого испытания.

Изобретение относится к метрологии, в частности к средствам измерения термостойкости углей. Способ предполагает воздействие на образец угля двух последовательных термоударов, второй из которых имеет большую по сравнению с первым интенсивность, и регистрацию параметров акустической эмиссии.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам испытаний плоских образцов на изгиб. Сущность: концы образцов закрепляют на опоре, изгибают и определяют величину прогиба в условиях сложного изгиба.

Изобретение относится к области усталостных испытаний материалов на изгиб и предназначено для охлаждения образцов в процессе подготовки и проведения усталостных испытаний на изгиб.

Изобретение относится к конструкции стенда, который обеспечивает возможность проведения испытаний на механическую прочность конструкции летательного аппарата. Устройство содержит оснастку для фиксации испытываемой конструкции и систему нагружения.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для испытаний стальных обетонированных труб больших диаметров для магистральных газо- и нефтепроводов.

Изобретение относится к способам испытания балок. Сущность: изготавливается рычажная установка привариванием к металлической стойке металлических кронштейнов, на концах кронштейнов вырезаются овальные отверстия и устанавливаются валы со шкивами, рычажная установка жестко закрепляется в основании.

Изобретение относится к области строительства и предназначено для испытаний плоских и пространственных рамно-стержневых конструктивных систем на живучесть. Сущность: в проектное положение закрепляют неподвижные и выключающуюся центральную несущие стойки конструктивной системы, затем на них устанавливают ригели, монтируют нагрузочные устройства.

Изобретение относится к области метрологии, а именно к средствам получения чистого изгиба эталонной балки для испытаний тензодатчиков. Устройство содержит основание, эталонную балку постоянного сечения с системой измерения деформаций и механическую систему нагружения балки, включающую два симметрично расположенных рычага, шарнирно связанных с движителем.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения в натурных условиях деформационных и прочностных характеристик ровного ледяного покрова при изгибе.

Изобретение относится к исследованиям остаточных напряжений в детали. Сущность: осуществляют закрепление детали в первой точке и во второй точке на расстоянии от первой точки, выполнение первой операции съема материала в третьей точке, расположенной между первой и второй точками, освобождение детали во второй точке, измерение первой деформации детали, определение остаточных напряжений в детали на основе измерения первой деформации.

Изобретение относится к способам определения механических характеристик материалов, конкретно - к способу определения модуля упругости, предела прочности и предельной деформации.

Изобретение относится к области усталостных испытаний материалов на изгиб и предназначено для охлаждения образцов в процессе подготовки и проведения усталостных испытаний на изгиб.

Изобретение относится к способам определения термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов, а именно к способам определения теплостойкости Т. Сущность: образец в виде стержня постоянного сечения с шарнирно закрепленными концами подвергают продольному изгибу путем продольного нагружения до величины прогибанапряжения, обеспечивающих гарантированное разрушение образца в исследуемом интервале температур, преимущественно 0,1-0,5 от разрушающего прогибанапряжения. Производят нагрев образца с регистрацией изменения прогиба и температуры нагрева, при этом теплостойкость образца определяют как температуру, при которой происходит его разрушение, характеризуемое резким увеличением прогиба или изменением формы образца в средней части. Устройство содержит основание, две шарнирные опоры с гнездами для крепления образца с возможностью продольного перемещения и создания продольного изгиба образца, измеритель прогиба, причем по крайней мере одна из опор подвижна и снабжена нагружающим механизмом. Технический результат: снижение трудоемкости и повышение точности результатов испытаний. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх