Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Теория и технологии процессов производства, обработки и переработки композиционных материалов». Калгин А.В

1. Краткие теоретические сведения

Полимерные связующие применяются в самых разных отраслях народного хозяйства. Однако развивающиеся наука и техника предъявляют все более высокие требования к эксплуатационным свойствам полимерных связующих, которым индивидуальные полимерные связующие уже не удовлетворяют. Одним из подходов к улучшению эксплуатационных свойств полимерных связующих является их модификация наполнителями различной природы. Путем введения наполнителей в полимерные связующие можно получить полимерные композиции с регулируемыми свойствами, значительно отличающимися от свойств исходных компонентов, что служит решением многих проблем химии высокомолекулярных соединений. Этот подход представляется наиболее привлекательным, поскольку не связан с затратами на синтез и может быть реализован в более сжатые сроки.

Последнее время в мировом народном хозяйстве все чаще применяют полимерные связующие на основе эпоксидных смол, поскольку, в отличие от полимерных связующих на основе других смол, они характеризуются хорошей адгезией к большинству наполнителей, отсутствием выделения летучих побочных продуктов при отверждении и пониженной усадкой. В качестве наполнителей часто используют углеродные частицы и углеродные волокна, благодаря обеспечению эпоксидным связующим высоких прочностных свойств при малом удельном весе, что важно для практических применений.

Для оценки прочностных свойств ненаполненных и наполненных полимерных связующих в отвержденном состоянии может быть использован метод испытания на растяжение, который основан на растяжении испытуемого образца связующего с установленной скоростью деформирования. При испытании измеряют нагрузку и удлинение образца непрерывно или в момент достижения предела текучести, максимальной нагрузки и в момент разрушения образца (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма растяжения полимерного связующего

1 – материал имеет предел текучести; 2 – материал не имеет предела текучести; а – линейный участок кривой «нагрузка-удлинение»; S – предел текучести; S_x – условный предел текучести

2. Методика испытания и образцы

Испытание проводят на испытательной машине (рис. 2), которая при растяжении образца измеряет нагрузку с погрешностью не более 1% от измеряемой величины и обеспечивает постоянную скорость раздвижения зажимов.

Рис. 2. Схема испытания на растяжение образца

из полимерного связующего

Зажимы машины должны иметь надежное крепление образцов и совпадение продольной оси образца с направлением растяжения и не должны вызывать разрушений образцов в месте крепления.

Удлинение в процессе испытания измеряется экстензометром с погрешностью измерения не более 1%, а ширина и толщина образца – микрометром с погрешностью измерения не более 0,01 мм.

Для испытаний применяют образцы типов 1-3, форма и размеры в миллиметрах которых указаны на рис. 3 и в табл. 1.

(а)

(б)

(в)

Рис. 3. Типы образцов полимерных связующих для испытаний на растяжение: тип 1 (а), тип 2 (б) и тип 3 (в)

Таблица 1

Размеры образцов полимерных связующих для испытаний

на растяжение

При разрушении образца типа 3 в зоне зажимов его концы следует усилить в соответствии с рис. 4, применяя накладки длиной l₄ не менее 50 мм и толщиной d₁ от 3 до 10 мм.

Рис. 4. Образец полимерного связующего типа 3 с накладками

Диаметр D центровых отверстий для штифтов 3 мм. Допускается применять для усиления образца типа 3 концевые накладки длиной не менее 70 мм без центровых отверстий. Накладки приклеивают к вырезанному образцу. Материал накладок должен быть идентичен материалу образца, либо со значением модуля упругости ниже, чем у испытуемого материала.

Образцы для испытаний должны обладать гладкой и ровной поверхностью, без вздутий, сколов, трещин, раковин и других видимых дефектов.

Образцы кондиционируют не менее 16 ч по ГОСТ 12423-66 при температуре 23 ± 2 °С и относительной влажности 50 ± 5 %.

Время от окончания изготовления формованных образцов до их испытания должно составлять не менее 16 ч, включая и время на их кондиционирование.

3. Порядок выполнения работы

Задание. Определение предела прочности при растяжении ненаполненных и наполненных полимерных связующих

1. Измерить толщину a и ширину b образца полимерного связующего в трех местах: в середине и по краям рабочей зоны образца. Из полученных значений вычисляют средние арифметические величины, по которым вычисляют начальное поперечное сечение образца S.

2. Образец закрепить в зажимы испытательной машины по меткам, определяющим положение кромок зажимов таким образом, чтобы продольные оси зажимов и ось образца совпадали между собой. Зажимы равномерно затянуть, чтобы исключить скольжение образца в процессе испытания, но при этом не происходило его разрушения в месте закрепления.

3. Закрепить экстензометр на образце для измерения его удлинения.

4. Произвести раздвижение зажимов испытательной машины при скорости, которая должна соответствовать одной из указанных скоростей в табл. 2.

Таблица 2

Скорости раздвижения зажимов испытательной машины и

соответствующие им допускаемые погрешности

При этом выбрать максимальную из приведенных в табл. 2 скорость так, чтобы время от момента приложения нагрузки к образцу до его разрушения составляло не менее 1 мин при испытании материалов, имеющих предел текучести, и не менее 30 с для материалов, не имеющих предела текучести.

5. Зарегистрировать изменение длины образца Δl в мм при изменении растягивающего напряжения σ = F/S в Па вплоть до разрушения образца, где F – прикладываемая к образцу нагрузка в Н.

6. Определить предел прочности образца при растяжении σ_в.

Образцы, которые в процессе испытания разрушаются за пределами рабочей зоны l₃, или у которых в процессе испытания обнаружены дефекты (пузыри, инородные для материала включения, внутренние трещины и т.п.), в расчет не принимать.

7. Повторить пункты 1-6 не менее чем для пяти образцов полимерного связующего.

8. Вычислить среднее арифметическое значение σ_в для всех образцов полимерного связующего.

9. Повторить пункты 1-8 для полимерных связующих, содержащих 5, 10 и 15 масс. % углеродных частиц, а также для полимерных связующих, содержащих 5, 10 и 15 масс. % рубленных углеродных волокон.

4. Отчет о работе

Отчет о работе должен содержать:

1. Методику испытаний на растяжение и расчет прочностных характеристик полимерных связующих.

2. Диаграммы растяжения для испытуемых образцов ненаполненных и наполненных эпоксидных связующих.

3. Результаты испытаний, оформленные в виде табл. 3-5.

4. Вывод.

Таблица 3

Результаты испытаний на растяжение образцов из эпоксидного связующего

Таблица 4

Результаты испытаний на растяжение образцов из эпоксидного связующего и дисперсных углеродных частиц