Волокнистые композиты

Композиты находят новые области применения во многих изделиях. Самолеты A380 или A350 Airbus, или Boeing 787 - актуальные примеры из гражданской авиации, в которых используется большое количество волокнистых композитов. На автомобилях BMW I3 и I8 применяются комплексные рамы ходовой части из CFK-материалов, такие легкие, что их могут переносить два человека. На гоночных автомобилях использование волокнистых композитов уже давно является стандартным. В лопастях больших вентиляторов используются различные типы композитов. Однонаправленные волокнистые композиты улавливают центробежные силы, внешние поверхности изготавливаются из многонаправленных волокнистых композитов, общая структура имеет форму слоеного соединения. Не в последнюю очередь находят композиты интересное применение также в области медицинской техники (например, протезы) и в строительной промышленности (универсальные материалы для мостов и фасадов).

При волокнистых композиционных материалах волокна вкладываются в компонент композита, так называемую матрицу. Таким образом возникает волокнистая матричная система. Волокна могут проходить в одном или нескольких определенных направлениях и обладать приоритетными направлениями.

Слоистые композиционные материалы состоят из лежащих друг на друге слоев (количество слоев может быть разным). Специальный случай: три слоя, два из которых (внешние) идентичны - обозначается как соединение типа сэндвич. 

Слоеные соединения применяются в легких конструкциях. При этом ядро, заполняющее пространство между облицовочными панелями, может состоять, например, из вспененного пластика или ячеистой структуры. Последнее обозначается как ячеистое соединение.

Волокнистые композиты состоят из волокна, представленного как филамент или штапельное волокно (например, ровинг), и матрицы, которая обеспечивает необходимое склеивание.  

Профиль свойств, наряду с выбором материала волокна и матрицы, в значительной степени определяется ориентацией волокон в текстильном изделии. В области испытательной техники обычно различают однонаправленные и многонаправленные слоистые материалы. 

Испытание материалов отражает, как правило, отдельные сценарии нагружения стандартных образцов. По причине сильной зависимости свойств от направления осуществляются различные виды нагружения образцов с различными направлениями их извлечения (например, вдоль или поперек относительно главного направления волокон).  

Наряду с международными стандартами (ISO), описание этих испытаний приводится в различных национальных или региональных стандартах (ASTM, EN, DIN), а также в фирменных определениях (Airbus AITM, Boeing BSS). Это создает объединение из более чем 170 стандартов, в которых приводится описание приблизительно 20 характерных для определенного класса методов испытаний.

Испытания готовых изделий, структурных фрагментов и комплексных структур, как правило, ориентируются на фактические нагружения, возникающие в процессе эксплуатации. При этом на переднем плане стоят такие свойства, как прочность, поглощение энергии (поломка), усталость материала и долговечность.

По причине чувствительности комбинированных волокнистых материалов к направлению и срезу усилие испытания должно прикладываться точно в предусмотренном направлении. Погрешность аксиальности обозначается как несоосность, она должна находиться в узких границах. Для измерения несоосности на фирме ZwickRoell используются специальные приспособления, ориентированные на форму и размеры образцов. Выравнивание осей растяжения испытательной машины осуществляется с помощью механических юстировочных приспособлений (Alignment Fixtures).

Однако, если интенсивность испытаний не так высока, или регулярность их проведения такова, что приобретение нескольких машин не имеет смысла, лучше оснастить единственную машину таким образом, чтобы на ней можно было проводить как можно больше видов испытаний с малыми затратами времени на переоборудование. Для этой цели на фирме ZwickRoell были разработаны концепции модульных электромеханических и сервогидравлических испытательных машин различных номиналов. Преимущество этих модульных систем бесспорно: все приспособления, экстензометры, ПО, защитные экраны и термокамеры являются частью модульной структуры, они друг с другом согласованы. Кроме того, сильной стороной такой системы является уверенность в будущем, т.к. ее можно всегда дооснастить любыми компонентами.