Стеклопластик часто воспринимают как материал, механические свойства которого в первую очередь задаются стеклянным армированием.
Для растяжения это во многом действительно так.
Но при ударной нагрузке, особенно при низкой температуре, роль полимерной матрицы становится гораздо заметнее.
В исследовании Vito Gigante и соавторов 2025 года сравнили стеклопластик на винилэфирной матрице Atlac 580 в обычном варианте и с модифицированной матрицей, содержащей частицы core–shell rubber — CSR.
При комнатной температуре отличие в ударной прочности было сравнительно небольшим. При −30 °C разница стала значительно больше.
Этот эксперимент показывает, что модификация матрицы может почти не влиять на характеристики при статическом растяжении, но заметно менять ударное поведение композита при низкой температуре.
Что происходит с термореактивной матрицей при низкой температуре
При снижении температуры многие термореактивные полимерные матрицы становятся менее способными к локальной пластической деформации и рассеиванию энергии, что может повышать склонность к хрупкому разрушению.
Материал хуже способен локально деформироваться и рассеивать энергию. В результате повышается склонность к зарождению трещин, распространению трещин и более хрупкому разрушению при внезапной нагрузке.
Авторы исследования рассматривают ударную вязкость как один из критичных параметров композитов для холодного климата.
Но здесь возникает важный вопрос. Если основную нагрузку в стеклопластике несёт стекловолокно, насколько вообще изменение матрицы может повлиять на свойства готового композита?
Что изменили в смоле
Исходной системой была винилэфирная смола Atlac 580. В неё добавляли частицы core–shell rubber — CSR. Такие частицы используют для повышения трещиностойкости матрицы и её способности рассеивать энергию при разрушении.
Авторы исследовали 2, 4 и 6 масс.% CSR.
Ударная прочность самой смолы по Шарпи:
Ударная вязкость смолы по Шарпи, кДж/м². По данным Gigante et al., Polymers, 2025.
В исследованной системе увеличение содержания CSR с 4 до 6 масс.% дало лишь небольшой дополнительный прирост ударной вязкости смолы.
При этом появлялась другая проблема.
Улучшение механики ухудшало технологичность
Чем больше CSR добавляли, тем выше становилась вязкость.
Вязкость при комнатной температуре, мПа·с (ориентировочные значения, считаны с графика источника).
Рост содержания CSR улучшает ударную работу смолы, но одновременно повышает вязкость и может ухудшать технологичность.
При содержании 6 масс.% CSR рост вязкости мог затруднять пропитку армирования в использованном технологическом процессе. Поэтому авторы выбрали 4 масс.% CSR как компромисс между трещиностойкостью, ударной прочностью, вязкостью и пригодностью к изготовлению ламината для конкретной исследованной системы.
Это хороший инженерный пример: лучший показатель одного свойства ещё не означает лучшую рецептуру материала.
Затем изготовили стеклопластик
Для прямого сравнения авторы использовали одинаковую архитектуру армирования — HEXFORCE twill. Отличалась только матрица: обычная Atlac 580 или Atlac 580 + 4% CSR.
Такое построение эксперимента позволяло сравнить влияние модификации матрицы при одинаковой архитектуре армирования.
При растяжении почти ничего не изменилось
Модуль упругости: обычный композит — 21,1 ГПа, модифицированный — 20,4 ГПа.
Прочность при растяжении: обычный — 299,4 МПа, модифицированный — 300,5 МПа.
Различия по прочности при растяжении были минимальными.
Авторы объясняют это тем, что при одноосном растяжении жёсткость и предельная нагрузка в значительной степени задавались стеклянным армированием. По результатам только испытания на растяжение эффект модификации матрицы выглядел бы незначительным. Но затем провели ударные испытания.
При +25 °C эффект был небольшим
По Шарпи: обычный стеклопластик — 137,0 кДж/м², с CSR — 146,5 кДж/м².
Разница — около 7%. Полезный эффект, но не радикальный.
На морозе разница стала намного больше
При −30 °C: обычный композит — 90,2 кДж/м², с 4% CSR — 126,4 кДж/м².
| Материал | +25 °C | −30 °C |
|---|---|---|
| Обычный стеклопластик | 137,0 кДж/м² | 90,2 кДж/м² |
| С 4% CSR | 146,5 кДж/м² | 126,4 кДж/м² |
Ударная вязкость стеклопластика по Шарпи, кДж/м². По данным Gigante et al., Polymers, 2025.
При +25 °C разница небольшая; при −30 °C — заметно больше. Значение «≈ +40% при −30 °C» относится к данной конкретной паре образцов и не означает, что CSR повышает ударопрочность любого стеклопластика на 40%.
При −30 °C модифицированный композит показал примерно на 40% более высокую ударную вязкость, чем немодифицированный. Это одна из главных цифр исследования, и она относится только к данной конкретной паре исследованных образцов.
При охлаждении снижение ударной вязкости различалось
При охлаждении от +25 до −30 °C ударная вязкость немодифицированного варианта снизилась с 137,0 до 90,2 кДж/м², а модифицированного — с 146,5 до 126,4 кДж/м².
Главный вывод: немодифицированная система сильнее потеряла способность поглощать энергию после охлаждения.
Оба стеклопластика имели прочность при растяжении около 300 МПа, но при −30 °C ударная прочность модифицированного варианта была примерно на 40% выше.
Почему изменение матрицы стало заметно именно при ударе
При медленном статическом растяжении основную роль в исследованном стеклопластике играли волокна.
При ударе режим другой. Трещина возникает и распространяется быстро. Матрица и межслойные области начинают сильнее влиять на зарождение трещины, распространение повреждения и рассеивание энергии.
Для CSR-модифицированных систем такие механизмы, как локальная кавитация частиц, пластическая деформация матрицы и отклонение трещин, рассматриваются как возможные способы дополнительного рассеивания энергии.
Поэтому один и тот же модификатор почти не изменил прочность при растяжении, но заметно изменил ударное поведение.
Это важный принцип: эффективность материала нельзя оценивать одним механическим испытанием.
Авторы проверили ещё и разные виды армирования
После этого исследователи сравнили три варианта армирования уже на одной и той же модифицированной матрице: HEXFORCE twill, woven roving, chopped strand mat M113.
Результаты показали, что нельзя говорить «стеклопластик с CSR имеет такие-то характеристики» без указания архитектуры армирования.
| Армирование | Прочность при растяжении | Модуль |
|---|---|---|
| Chopped strand mat | ≈210 МПа | ≈12 ГПа |
| Тканые варианты | ≈300 МПа | ≈20 ГПа |
При изгибе модуль составлял примерно: twill — 24 ГПа, roving — 21 ГПа, mat — 14 ГПа.
То есть матрица важна, но она не отменяет влияние архитектуры армирования.
А при ударе вмешивается ещё и граммаж
В этой части исследования наиболее высокую ударную вязкость при комнатной температуре показал вариант с woven roving.
Авторы связывают различия в том числе с поверхностной плотностью армирования и количеством волокон, участвующих в торможении трещины и поглощении энергии.
При −30 °C все три варианта потеряли часть ударной вязкости, однако относительный порядок сохранился.
Это ещё один пример системности композита: матрица + архитектура армирования + граммаж + температура + режим нагрузки.
Значит ли это, что в любую смолу для холодного климата нужно добавлять CSR?
Нет. Исследование этого не доказывает.
Здесь изучалась конкретная система: Atlac 580 + конкретный CSR-модификатор + конкретное содержание частиц + конкретное стеклянное армирование + конкретная технология изготовления.
Кроме того, добавление CSR увеличивало вязкость смолы и при высоком содержании могло ухудшать технологичность.
Поэтому вывод не «4% CSR — правильная рецептура для любого стеклопластика», а: при проектировании стеклопластика для низких температур нужно учитывать изменение свойств матрицы, особенно если изделие должно воспринимать ударные или динамические нагрузки.
Что это означает на практике
Если изделие будет эксплуатироваться при отрицательных температурах, недостаточно проверить только прочность при растяжении при комнатной температуре, модуль и паспортную прочность стекловолокна.
- Реальную рабочую температуру
- Ударные и динамические нагрузки
- Трещиностойкость матрицы
- Архитектуру армирования
- Поверхностную плотность стекломатериала
- Технологию пропитки
- Вязкость системы
- Способность готового ламината сохранять свойства после охлаждения
Особенно актуально для морской и шельфовой техники, транспорта, наружных конструкций и оборудования для холодного климата.
Главное
В исследовании Gigante и соавторов стеклопластик на немодифицированной Atlac 580 при снижении температуры с +25 до −30 °C изменил ударную прочность с 137,0 до 90,2 кДж/м².
Композит с той же системой армирования и матрицей, модифицированной 4 масс.% CSR, изменился с 146,5 до 126,4 кДж/м².
При −30 °C его ударная прочность была примерно на 40% выше, чем у немодифицированного варианта. При обычном растяжении оба композита оставались практически одинаковыми — около 300 МПа.
Главный вывод: роль компонентов композита меняется в зависимости от того, как именно работает изделие. Вклад матрицы, сравнительно небольшой при статическом растяжении исследованного композита, может становиться значительно более заметным при ударной нагрузке и низкой температуре.
В статье используются данные по модификации Atlac 580, содержанию CSR, вязкости, растяжению, изгибу, Charpy impact strength, сравнению +25 и −30 °C, архитектуре стеклянного армирования. Все графики на странице — собственная переработанная визуализация Академии по данным публикации.
- Vito Gigante, Bianca Dal Pont, Chiara Montanelli, Laura Aliotta, Andrea Lazzeri. Development of Glass Fibers Laminates Toughened with Core–Shell Rubber Particles for Applications in Cold Environments. Polymers, 2025, 17, 1641.
Консультация Академии по материалам и технологии
Эксперты Академии могут помочь оценить систему смолы, архитектуру армирования, технологичность и реальные требования по ударной работе и температуре эксплуатации.
Получить консультацию →