Справочник по композиционным материалам

Военные стандарты и спецификации

MIL-Y-WAQ. Пряжа, корд, рукава, тканн и маты из стекловолокон;

M/L-C-9084. Тканн, стекловолокна, обработка для стеклопластиков с по­лиэфирным связующим;

MIL-F-9118. Обработка для стеклотканей;

MIL-F-12298. Получение стеклотканей;

MIL-M-15167. Маты, стекловолокна для армированных пластиков;

MIL-C-19663. Ткани, стекловолокна, ткани из ровннга стеклопласти­ков;

MIL-P-60346. Ровннг, стекловолокна (для использования при намотке).

Кроме документов, приведенных выше, описаны методы испы­таний текстильных материалов в Федеральной спецификации ССС-Т-191. Другим источником информации по текстильным ис­пытаниям является справочник: Е. R. Kaswell. Wellington Sears Handbook of Industrial Textiles. — N. Y.: Wellington Sears Co. Inc. 1963.

Хотя в настоящее время наиболее распространенными явля­ются композиты на основе стекловолокон, достаточно широко ис­пользуются и КВМ на основе асбестовых, углеродных, графи­товых и кварцевых волокон. Широкое применение находят арми­рованные пластики на основе арамидных волокон (особенно во­локна «Кевлар» фирмы «Дюпон»), найлона, гидратцеллюлозы, бумаги, сизаля и других натуральных и синтетических волокон. Для получения специальных композитов используются волокна (или проволоки) из бора, бериллия, карбида кремния или нитрида 450 бора. В последнее время все более широкое распространение полу­чают металлические и металлизированные стеклянные волокна. Последнее особенно важно для достижения высоких электро - и (или) теплопроводности композитов. Находят применение ми­неральные волокна из базальта (из застывшей лавы), а также раз­нообразные гибридные материалы, использующие два типа и более различных волокон [8]. Методы исследования этих объек­тов в основном изложены выше, но чаще всего необходимо до­полнительное изучение для создания специальных методик кон­троля качества вновь разрабатываемых армирующих материалов.

Последние исследования высокомодульных волокон стимули­ровали появление следующих стандартов:

ASTM D3317-74a. Высокомодульная органоволокнистая пряжа и ровинг;

ASTM D3318-76. Тканые материалы на основе высокомодуль­ных органических волокон;

ASTM D3544-76. Руководство по испытаниям высокомодуль­ных волокон.

Разработка и применение новых армирующих волокон с улуч­шенными свойствами стимулирует изучение возможности ча­стичного приспособления старых методов. Спецификация AFML-TR-67-159 описывает методику изучения следующих свойств волокон и пряжи [9J:

Свойства при растяжении:

Предел прочности;

Относительное удлинение;

Работа или энергия разрыва;

Поведение при снятии нагрузки (деформация и энергия) как непосредственно, так и после выдержки;

Необратимая деформация: мгновенная и постоянная;

Начальный модуль упругости;

Модуль при сдвиге:

Модуль упругости и предел прочности при изгибе;

Стойкость при многоцикловых испытаниях на изгиб;

Плотность (удельный вес);

Линейная плотность;

Диаметр и площадь поперечного сечения.

Свойства при растяжении определяют обычно, используя раз­рывные машины. Методы оптической индикации изменения длины образца [10] используются в том случае, если необходима очень высокая точность определения деформации или модуля, а также при изучении особо жестких волокон. Прибор для изучения свойств волокон при растяжении при повышенных температурах («Dual Head Tensile Tester») может быть использован для свойств волокон длиной 101,6 мм и диаметром менее 0,05 мм при темпера­турах до 1093 °С. Другие типы испытательных разрывных машин также могут быть оборудованы специальными нагревательными ка­мерами для проведения испытаний при повышенныхтемпературах.

Модуль упругости волокна чаще всего определяют по тангенсу угла наклона касательной к начальному участку кривой диа­граммы нагрузка—удлинение. Эти испытания требуют высокой точности измерения деформации и отсутствия проскальзывания образца в зажимах разрывной машины. Должна быть исключена и несоосность зажимов.

Акустический модуль волокна может быть определен по вы­нужденным колебаниям волокна под постоянной нагрузкой (по длине стоячей волны). В этом случае один конец волокна должен быть прикреплен к осциллятору. Акустический модуль рассчи­тывается по частоте колебаний, длине волны и плотности волокна (метод FMT-13 [9]).

Динамический модуль волокон может определяться по ре­зонансной частоте колебаний. Волокно закрепляется одним кон­цом в вибраторе, а второй конец выводится на датчик, регистри­рующий колебания. Резонанс фиксируется по максимальной ам­плитуде колебаний образца. (Часто этот метод называют методом «колышущегося тростника»). Метод определения сдвигового мо­дуля основан на измерении периода кручения торсионного маят­ника. Модуль при изгибе также определяется с использованием двух маятников, причем волокно отклоняют в двух противополож­ных направлениях [9].

Модуль упругости и предел прочности при изгибе ДЛЯ очень жестких волокон и пряжи могут быть определены на изгибных приспособлениях. Образцы зажимаются горизонтально за концы, и нагрузка прикладывается к центру. Модуль и предел проч­ности рассчитываются из нагрузки и отклонения.

Устойчивость пряжи к многократным изгибам определяют, закрепив образец при постоянном натяжении и подвергая его изгибам на определенный угол через штифт, до разрушения.

Плотность волокон может быть определена прямым взвешива­нием, если известно и постоянно его сечение. Эта процедура тре­бует большой аккуратности. При определении плотности волокон с неизвестным или переменным сечением предпочтительно приме­нять метод «градиента плотности». Короткие волоконца погру­жаются в градиентную колонку, заполненную иммерсионной жидкостью (как описано в ASTM D1505), плотность которой ле­жит в интересующих пределах (1 ... 3,5). Взвешиванием на воз­духе и в воде (или в другой жидкости с плотностью меньшей, чем у образца) также можно определить этот параметр (ASTM D792. Определение удельного веса и плотности пластиков мето­дом погружения).

Линейная плотность волокна (обычно она измеряется в де­нье — масса в граммах 9000 м волокна) может быть определена тремя методами.[13]

Образец волокна определенной длины может быть взвешен на микровесах и линейная плотность определена прямым расче­том. Этот метод применяется, если навеска волокна больше, чем 100 мкг. Существуют специальные торсионные весы, протариро - ванные в денье, на которых взвешиваются образцы волокна дли­ной 90 см. Виброскопический метод использует измерение резо­нансной частоты волокна при колебаниях под известной растяги­вающей нагрузкой. Виброскоп используется для тонких волокон с линейной плотностью меньше 50 денье, и особенно для гибких материалов. В стандарте ASTM D1577 этот метод описывается более подробно.

Диаметр волокна может определяться большим числом раз­ных методов. Волокна с правильным круглым сечением могут измеряться прямым микроскопическим наблюдением с исполь­зованием окулярмикрометра. Площадь сечения волокон с непра­вильной формой определяют планиметрически, используя про­екции сечения.

Диаметр волокна может быть рассчитан также из значений линейной и объемной плотностей волокна.

Среди различных военных спецификаций на армирующие волокна наиболее известен и распространен стандарт MIL-C-9084. Эти спецификации включают требования к тканям из стеклово­локон, включая операции очистки и аппретирования для даль­нейшего применения в стеклопластиках с полиэфирными связую­щими. Такие ткани должны быть удобны для переработки в спе­циальные конструкции и обладать необходимыми физико-механи­ческими свойствами. Кроме того, по имеющимся методикам об­разцы текстильных структур должны воспроизводимо перераба­тываться в стеклопластик. Испытания для определения предела прочности при изгибе проводят как в сухом, так и во влажном состояниях.

Перед испытаниями проводят визуальное обнаружение сле­дующих дефектов: пропуски и изломы пряжи; волнистость, за­ломы или вспучивание ткани; дыры, надрезы или пропуски; пятна, загрязнения или непрокрасы; разрядка ткани; разбитые участки; сломанные или отсутствующие концы и заделки; пролеты; дефекты кромки; неполная отделка; участки с пережогами; ширина, пре­вышающая заранее заданную; сильные запахи; цвет, не характер­ный для данной обработки; желобки на ткани.