Когда говорят о прочности стеклопластика, обычно в первую очередь обсуждают тип стекловолокна, смолу и содержание армирования. Но для однонаправленного композита есть ещё один параметр, который может радикально изменить результат, — насколько точно волокна ориентированы вдоль направления нагрузки.
Хороший пример дают исследования Ronald H. Thompson и его коллег. Они сравнили стекловолоконные композиты с одинаковыми основными компонентами, но существенно разной точностью ориентации волокон.
В работе показано, что у пултрузионного образца с очень хорошо выровненными волокнами измеренная прочность при сжатии достигла 1,10 ГПа.
При этом авторы прямо отмечают: по сравнению с однонаправленным ламинатом того же состава прочность пултрузионного материала при сжатии оказалась примерно вдвое выше.
Что именно сравнивали
Для эксперимента изготовили непрерывный пултрузионный стержень из стекловолокна и винилэфирной смолы.
Основные параметры:
| Параметр | Пултрузионный образец |
|---|---|
| Армирование | стекловолокно Avantex Owens Corning |
| Диаметр элементарного волокна | 16 мкм |
| Объёмная доля волокна | 0,50 |
| Матрица | винилэфирная смола Atlac 590 |
| Средний диаметр стержня | 1,05 мм |
| Количество волокон в сечении | около 2150 |
Эти компоненты были теми же, что использовались в более раннем тестовом однонаправленном ламинате.
Таким образом исследователи получили возможность оценить влияние одного из ключевых отличий — точности ориентации волокон.
Насколько различалась ориентация
На первый взгляд цифры выглядят небольшими.
Исследователи получили:
| Материал | Ориентация 90% исследованного сечения |
|---|---|
| Пултрузионный стержень | отклонение ≤ 0,25° |
| Однонаправленный ламинат | отклонение ≤ 1,5° |
То есть речь идёт не о грубом нарушении направления армирования.
В обоих случаях материал остаётся однонаправленным.
Однако различие в распределении углов разориентации оказалось существенным для поведения материала при сжатии.
Почему небольшой угол имеет значение
При растяжении работа однонаправленного армирования интуитивно понятна: волокно воспринимает нагрузку вдоль своей оси.
При продольном сжатии ситуация сложнее.
Если волокна имеют начальную разориентацию, при продольном сжатии возникают дополнительные сдвиговые напряжения в плоскости композита.
Авторы работы прямо связывают fiber misalignment с возникновением in-plane shear stress при продольном сжатии однонаправленного материала.
Поэтому даже небольшая исходная геометрическая неоднородность армирования может повлиять на момент потери устойчивости и разрушения системы.
Упрощённая схема механизма по выводам Thompson, Joseph, Delfino, 2014 — не расчёт полей напряжений.
При этом ориентация — не единственный фактор. В используемой авторами модели также учитывались:
- нелинейность матрицы;
- свойства волокна;
- объёмная доля армирования;
- остаточные термические напряжения;
- распределение углов разориентации.
Поэтому из исследования нельзя выводить простую универсальную зависимость между одним углом и конкретным процентом потери прочности.
Какой результат получили
Пултрузионный образец имел очень низкую разориентацию волокон: у 90% исследованного сечения отклонение составляло не более 0,25°.
При испытании с выбранной авторами свободной длиной 3 мм его измеренная прочность при сжатии составила 1,10 ГПа.
Авторы отмечают, что по сравнению с однонаправленным ламинатом того же состава этот результат был примерно вдвое выше.
Главное здесь не сама цифра ×2, а то, что существенная разница в прочности наблюдалась при одинаковых основных компонентах и значительно более точной ориентации волокон в пултрузионном образце.
Как отличается ориентация волокон. По данным Thompson, Joseph, Delfino, Journal of Composite Materials, 2014.
Причём здесь технология производства
Пултрузия позволяет получать непрерывный профиль с высокой степенью продольной ориентации армирования.
Авторы рассматривают уменьшение разориентации волокон как параметр, напрямую связанный с качеством производственного процесса.
То есть технология изготовления определяет не только:
- производительность;
- себестоимость;
- геометрию изделия;
но и внутреннюю структуру композита.
А уже эта структура влияет на то, насколько полно материал способен реализовать потенциальные свойства стекловолокна и матрицы.
Авторы отдельно отмечают, что улучшение ориентации волокон требует технологических улучшений и дополнительных инвестиций, но выигрыш в механических свойствах можно измерять и использовать в инженерном и экономическом анализе.
Значит ли это, что пултрузия всегда даёт двукратный прирост прочности?
Нет. Такой вывод из исследования делать нельзя.
Примерно двукратная разница относится к конкретным сравниваемым однонаправленным стекловолоконно-винилэфирным композитам.
Для другой матрицы, системы армирования, объёмной доли волокна, геометрии, технологии, режима нагружения или методики испытаний цифры будут другими.
Более того, сама работа показывает, насколько чувствительным может быть измерение прочности при сжатии к методике испытаний: изменение свободной длины исследованного пултрузионного стержня всего на 1 мм заметно влияло на получаемый результат.
Поэтому ценность исследования не в универсальной цифре «×2». Ценность — в демонстрации принципа.
Что это означает на практике
Если однонаправленное армирование должно воспринимать значительную продольную нагрузку на сжатие, недостаточно указать только «стекловолокно + винилэфирная смола + 50% волокна». Два материала с таким описанием могут иметь разные механические характеристики — как и в целом список материалов не описывает всю систему, о чём мы писали в статье «Из чего состоит стеклопластик».
- фактическую ориентацию волокон;
- стабильность этой ориентации по сечению и длине;
- свойства матрицы;
- объёмную долю армирования;
- качество формирования композита;
- дефекты и локальные неоднородности;
- технологию производства.
Это ещё один пример фундаментального для стеклопластика принципа: свойства готового композита нельзя полностью определить только по перечню сырья.
Главное
В исследовании Thompson и соавторов пултрузионный стекловолоконно-винилэфирный композит с очень высокой точностью ориентации волокон достиг прочности при сжатии 1,10 ГПа.
У 90% его исследованного сечения отклонение волокон составляло не более 0,25°.
Авторы показали, что при сохранении основных компонентов более точная ориентация волокон может быть связана с очень существенным ростом прочности при сжатии.
Поэтому вопрос «из чего сделан композит?» неотделим от второго: «как в нём расположено армирование и какую структуру реально сформировала технология производства?»
В статье используются экспериментальные значения и выводы авторов о влиянии fiber misalignment на прочность однонаправленного стекловолоконно-винилэфирного композита при сжатии. Графики и схемы на странице — собственная визуализация Академии по данным публикации, а не воспроизведение исходных изображений.
- Ronald H. Thompson, Paul Joseph, Antonio Delfino. Theoretical and experimental compressive strength of a glass fiber – vinyl ester pultruded composite. Journal of Composite Materials, 2014.
Консультация Академии по конструкции и технологии
Эксперты Академии могут помочь подобрать систему армирования и матрицу, оценить технологию изготовления, проверить конструктивное решение и определить, какие параметры действительно критичны для заданных нагрузок и условий эксплуатации.
Получить консультацию →