Испытания композитов
Композиционные материалы (композиты) состоят из двух или нескольких материалов, соединенных друг с другом. Таким образом достигаются очень специфические свойства материалов (например, жесткость или прочность в определенных направлениях при одновременном уменьшении веса), позволяющие осваивать новые области их применения.
Волокнистые композиционные материалы находят новое применение во многих продуктах, вследствие чего большое значение также приобретают испытания композитов. 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 композитов / 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).
В космонавтике, например, вызывает интерес хранение жидкого водорода при криогенных температурах. Целью испытания является идентификация характеристик материала и получение знаний о поведении материала при самых низких температурах.
Испытания композитов Типы композитов Требования к испытаниям композитов Модульная испытательная система Проекты заказчиков Брошюра «Композиты» Криогенное испытание композитов
Типы композитов
- 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.
Требования к испытаниям композитов
В области техники применяются различные волокнистые композиты: например,
- пластмассы, усиленные стекловолокном (GFK)
- пластмассы, усиленные углеродным волокном (CFK)
- пластмассы, усиленные арамидным волокном (AFK)
- пластмассы, усиленные природным волокном (NFK)
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).
Модульная система для испытаний волокнистых композитов
Большие лаборатории с высокой интенсивностью проведения испытаний используют для отдельных методик несколько машин различного номинала, сводя к минимуму затраты времени на переоборудование. При этом нормативные методы испытаний можно грубо распределить по следующим диапазонам усилия:
- Усилия до 1 кН: испытания на изгиб, измерения скорости высвобождения энергии, испытания отдельных филаментов на растяжение
- Усилия до 10 кН: испытания на срез (например, IPS, ILSS и с V-образным надрезом), испытания филаментных жгутов на растяжение, испытания на растяжение UD 90°, испытания на растяжение в направлении толщины
- Усилия до 100 кН: испытания на растяжение UD 0°, испытания на растяжение MD при меньшей толщине слоистых пластиков, испытания на сжатие по ISO, ASTM и EN, испытания образцов с надрезом на сжатие, испытания стенок отверстий
- Усилия свыше 100 кН: испытания на растяжение и сжатие по стандартам Airbus при соответствующей толщине слоистых пластиков, испытания на сжатие после удара
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.
