Если известны марка смолы, тип стекловолокна и содержание армирования, кажется, что свойства композита уже в значительной степени определены.
Но для однонаправленного стеклопластика этого недостаточно.
В исследовании Ronald Thompson, Paul Joseph и Antonio Delfino сравнили стекловолоконно-винилэфирные композиты с одинаковыми основными компонентами, но существенно различавшейся структурой армирования.
Результат: непрерывный пултрузионный стержень показал при испытании прочность при сжатии 1,10 ГПа.
По данным авторов, это было примерно вдвое выше результата однонаправленного ламината того же состава.
Главный вопрос здесь не в рекордной цифре. Гораздо интереснее: как из тех же компонентов получить композит, который реализует значительно большую часть их потенциальных возможностей?
Что осталось неизменным
Для пултрузионного образца использовали стекловолокно Avantex Owens Corning (диаметр элементарного волокна 16 мкм), винилэфирную смолу Atlac 590 и объёмную долю волокна Vf = 0,50.
Средний диаметр пултрузионного стержня составлял около 1,05 мм, в его поперечном сечении находилось примерно 2150 отдельных стеклянных волокон. Температура полимеризации составляла около 180 °C.
Авторы специально подчёркивают: основные компоненты были идентичны тем, которые использовались в ранее исследованном однонаправленном ламинате.
То есть объяснить разницу в результатах фразой «в одном материале была лучше смола или прочнее стекло» нельзя.
Что изменилось
Изменилась структура, которую удалось сформировать из этих компонентов.
Авторы измерили отклонение волокон от продольного направления:
| Материал | Ориентация 90% исследованного сечения |
|---|---|
| Пултрузионный стержень | отклонение ≤ 0,25° |
| Исследованный UD-ламинат | отклонение ≤ 1,5° |
На первый взгляд разница между 0,25° и 1,5° кажется небольшой. Но при продольном сжатии однонаправленного композита даже такая разница имеет значение.
Подробный механизм уже разобран в отдельной статье Академии — почему небольшая разориентация волокон влияет на прочность стеклопластика при сжатии: речь о механизмах локальной потери устойчивости волокон (microbuckling) и сдвиговой неустойчивости (shear instability).
Главный вывод здесь другой: технология производства может определять, насколько точно реальная структура готового композита соответствует той структуре, на которую рассчитывает инженер.
По данным Thompson, Joseph, Delfino, Journal of Composite Materials, 2014.
565 МПа, 1,10 и 1,3 ГПа: что именно сравнивается
В работе есть несколько чисел, которые очень легко смешать.
В более раннем испытании однонаправленного ламината авторы получили 565 ± 49 МПа. Модель для этого случая давала 645 МПа.
Затем модель показала: если взять ту же систему материалов, сохранить Vf = 0,50 и представить идеальную ориентацию армирования, расчётная прочность может достигать примерно 1,3 ГПа. Это была модельная оценка, а не эксперимент.
После этого авторы исследовали пултрузионный образец с очень малой фактической разориентацией. Экспериментальный результат: 1,10 ГПа при сжатии.
| Что сравниваем | Значение |
|---|---|
| Ранее испытанный UD-ламинат (эксперимент) | 565 ± 49 МПа |
| Расчёт модели для этого ламината | 645 МПа |
| Пултрузионный образец (эксперимент) | 1,10 ГПа |
| Теоретическая модель при идеальной ориентации | ≈1,3 ГПа |
Не стоит оформлять все четыре значения как одинаковые экспериментальные результаты. 565 ± 49 МПа и 1,10 ГПа — экспериментальные результаты разных испытательных конфигураций. 645 МПа и 1,3 ГПа — расчётные значения.
Эксперимент и модель. По данным Thompson, Joseph, Delfino, Journal of Composite Materials, 2014.
Значения относятся к разным экспериментальным и расчётным случаям и не являются четырьмя результатами одного одинакового испытания.
Почему результат 1,10 ГПа особенно интересен
Экспериментальный результат пултрузионного стержня оказался уже довольно близок к рассчитанному пределу для идеально ориентированной системы.
Авторы прямо отмечают: результат пултрузионного образца приближается к теоретическому максимуму.
Это важный инженерный вывод. Часть потенциальных характеристик композита может теряться не потому, что стекловолокно недостаточно прочное или выбрана «не та» смола. Она может теряться на уровне реальной структуры готового материала.
Пултрузия здесь важна не сама по себе
«Пултрузия увеличила прочность стеклопластика в два раза» — это слишком сильное обобщение.
Исследовался конкретный непрерывный однонаправленный пултрузионный стержень. Именно в нём удалось получить очень малую разориентацию: 90% исследованного сечения — ≤ 0,25°.
В данном эксперименте пултрузионный процесс позволил сформировать очень хорошо ориентированную структуру армирования, а она была связана с существенным ростом прочности при продольном сжатии.
Главная ценность технологии: какую реальную структуру она создаёт.
Состав материала ещё не описывает материал полностью
Представим техническое описание: «Стекловолокно Avantex + винилэфирная смола Atlac 590 + Vf = 50%».
Информации кажется много. Но этого всё равно недостаточно.
Два композита могут иметь одинаковые стекловолокно, матрицу и объёмную долю армирования — и при этом существенно отличаться по механическим свойствам.
- Фактическую ориентацию волокон
- Стабильность этой ориентации
- Структуру, которую сформировал процесс
- Дефекты
- Однородность материала
- Параметры производства
Именно поэтому свойства композита нельзя полностью вывести только из списка сырья — тот же принцип мы разбирали в статье «Из чего состоит стеклопластик».
Почему производство становится частью инженерного расчёта
Авторы делают практический вывод: снижение разориентации волокон и уменьшение межслойной толщины требуют совершенствования производственного процесса.
Это может потребовать дополнительных инвестиций. Но выигрыш в характеристиках становится измеримым. Значит, его можно сопоставлять со стоимостью технологических улучшений.
Инженерный вопрос: имеет ли смысл инвестировать в более точный процесс, если он позволяет получить существенно более высокие свойства из той же системы материалов?
Ответ зависит от требований к конкретному изделию. Для одной задачи существующих характеристик достаточно. Для другой технологическое улучшение может дать значимый запас по механическим свойствам.
Но есть важная проблема: измерить такую прочность оказалось сложно
Авторы обнаружили, что результат испытания сильно зависел от свободной длины образца.
Разница всего в 1 мм существенно меняла измеряемую прочность.
Значение 1,10 ГПа было получено при свободной длине 3 мм и отношении длины к диаметру L/D = 3.
Поэтому нельзя писать «пултрузионный стеклопластик имеет прочность при сжатии 1,10 ГПа» как справочное значение.
Корректно: в конкретном исследованном пултрузионном стержне при разработанной авторами методике испытания была измерена прочность 1,10 ГПа.
Что происходило при разрушении
Микроскопические изображения разрушенного пултрузионного образца указывали скорее на механизм, близкий к сдвиговому разрушению.
Прочность при сжатии однонаправленного композита определяется не только прочностью самих волокон, а всей системой — волокнами, матрицей, ориентацией и сформированной структурой.
Значит ли это, что пултрузионный стеклопластик всегда вдвое прочнее обычного ламината?
Примерно двукратная разница была получена для конкретной системы стекловолокно + винилэфирная смола, конкретной объёмной доли волокна, конкретной структуры, конкретных образцов и конкретных испытательных методов. Это не коэффициент для любого пултрузионного профиля, любого стеклопластика, любой смолы, любой нагрузки или любой геометрии.
Главное не число ×2. Главное: если улучшить сформированную структуру композита, можно существенно изменить его свойства, не меняя основные исходные компоненты.
Что это означает на практике
Когда инженер оценивает стеклопластик, вопрос «Из чего он сделан?» нужно дополнять вопросом «Как из этих материалов сформирован готовый композит?»
Для однонаправленной конструкции особенно важны: фактическая ориентация армирования, стабильность ориентации по сечению, объёмная доля волокна, свойства матрицы, качество формирования материала, дефекты и неоднородности, параметры технологического процесса.
Поэтому две спецификации «стекловолокно + винилэфирная смола + 50% армирования» ещё не гарантируют одинаковый материал.
Главное
В исследовании Thompson, Joseph и Delfino пултрузионный стекловолоконно-винилэфирный стержень имел Vf = 0,50, Atlac 590, стекловолокно Avantex, а у 90% исследованного сечения отклонение волокон не превышало 0,25°.
При свободной длине образца 3 мм измеренная прочность при сжатии составила 1,10 ГПа.
По сравнению с ранее исследованным UD-ламинатом того же состава прочность оказалась примерно вдвое выше. Авторы называют главным различающим фактором ориентацию волокон.
Поэтому главный вывод этой работы шире самой пултрузии: состав определяет потенциал композита, но технология во многом определяет, какую часть этого потенциала удастся реализовать в готовом материале.
В статье используются данные по составу пултрузионного стержня, объёмной доле волокна, ориентации армирования, прочности при сжатии, сравнению с UD-ламинатом, модельным оценкам и методике испытания. Все схемы и диаграммы на странице — собственная визуализация Академии по данным публикации.
- 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 материалам и технологии
Эксперты Академии могут помочь оценить систему материалов, структуру армирования и технологический процесс, найти причины потери характеристик и определить, какие параметры производства действительно критичны для конкретного изделия.
Получить консультацию →