МЕТОДИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ИЗ МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
В последние десятилетия увеличивается потребность в применении полимерных композиционных материалов в разных отраслях промышленности, в частности в судостроении. Разрабатываются отдельные конструкции из полимерных композиционных материалов для использования на судах. Проведён обзор технологии изготовления плит из полимерных композиционных материалов для проведения механических испытаний в лабораторных условиях на специальных стандартных установках. Механические свойства полимерных композиционных материалов отличаются в зависимости от технологии формования. Представлена технология изготовления образцов из полимерных композиционных материалов, армированных стекломатом со стеклянными волокнами (стеклопластик). Рассматривается методика проведения испытания образцов на прочность при растяжении. Обоснованы размеры и форма образцов, а также технологические параметры процесса их изготовления в зависимости от стандартных требований и технологические особенности испытательной машины. Рассмотрены физические и механические свойства компонентов, входящих в состав композитных материалов. Указана последовательность укладки слоёв для подготовки пластин из композиционных материалов. Определены размеры пластин для вырезки готовых образцов в зависимости от способа производства. Исходя из экономических соображений и условий доступности, выбран способ укладки пластин из композиционных материалов. Полученные результаты механических свойств могут найти применение при решении задач, связанных с использованием полимерных композиционных материалов в судостроении, например при изготовлении надстроек некоторых сухогрузных судов.

Ключевые слова:
композиционные материалы, механические свойства, стекломат, стеклопластик, ровинговая стеклоткань, армирующий наполнитель, образцы
Текст
Введение В настоящее время полимерные композиционные материалы (ПКМ) нашли широкое применение в разных отраслях промышленности, и в связи с их преимуществами постоянно растёт потребность в их применении и в судостроении. В мировом судостроении идёт интенсивный процесс разработки отдельных конструкций из ПКМ для использования на судах. В последние десятилетия ПКМ используют как при изготовлении, так и при ремонте надстроек кораблей, корпуса которых изготовлены из металла. Однако на гражданских сухогрузных судах ещё не достаточно рассмотрена возможность изготовления надстроек из ПКМ. Целью данной работы является обзор технологии изготовления плит из ПКМ и разработка методики проведения механических испытаний стандартных многослойных образцов, а также исследование влияния внедрения армирующего материала на механические свойства ПКМ. Общих рекомендаций по выбору схем армирования и толщин несущих панелей при проектировании деталей надстройки сухогрузных судов нет, однако на основании результатов исследований можно сформулировать практические рекомендации по применению панели из ПКМ для надстроек. Возможно вывести зависимость толщины и схемы армирования панели от габаритных размеров судна, от условий и района эксплуатаций и от других параметров. Испытание на прочность при растяжении проводится с целью определения предела прочности при растяжении, предела пропорциональности, относительного удлинения при разрушении, модуля упругости, коэффициента Пуассона. На прочность многослойных ПКМ в большей степени влияют следующие факторы: - количество слоёв ткани; - соотношение ткани и смолы; - свойства использованной ткани; - свойства использованной смолы; - направление волокна относительно оси воздействия нагрузок; - принимаемый метод изготовления (многие исследования подтверждают, что механические свойства ПКМ могут отличаться в зависимости от технологии формования [1, 2]). Образцы изготовлены одним и тем же методом из одинаковых компонентов, с сохранением при этом соотношения ткани и смолы материала, поэтому можно считать, что прочность образцов зависит от количества слоёв. Состав образцов из композиционных материалов В качестве исходных материалов панелей использовали только стеклопластики на основе полиэфирных связующих, а в качестве армирующих наполнителей применяли стеклянные ткани. В состав образцов для испытания характеристик прочности при растяжении входят следующие компоненты: 1. Эмульсионный стекломат марки ЕМС-600-1250-Е - эмульсионная ткань, изготовленная компанией «Джуши» (Jushi Group) путём склеивания нитей стекловолокна-Е диаметром 9 мкм с помощью специальных эмульсионных составов. Основные характеристики данной ткани приведены в табл. 1 [3, 4]. Таблица 1 Характеристики стекломата марки ЕМС-600-1250-Е Характеристика Значение Поверхностная масса, г/м2 600 ± 7,5 Содержание воды, % ≤ 0,3 Содержание связующего, % 3,5 ± 1,1 Содержание горючих, % 4,0 ± 0,8 Влажность, % ≤ 0,2 Удельная разрывная нагрузка по вертикали, Н/мм 60 Удельная разрывная нагрузка по горизонтали, Н/мм 60 Прочность на разрыв, Н ≥ 160 2. Смола «Яркопол-110» - термореактивная ортофталевая полиэфирная смола, выпускаемая заводом «Ярославские полиэфиры», которая отверждается при температуре окружающей среды без дополнительного воздействия давления, хорошо пропитывает стекловолокна и содержит ускоритель, обеспечивающий короткий период желатинизации, а также быстрый процесс отверждения в сочетании с относительно низкой экзотермической температурой. Основные физико-механические характеристики данной смолы приведены в табл. 2 [5]. Таблица 2 Физико-механические характеристики смолы «Яркопол-110» Характеристика Значение Прочность при разрыве, МПа 45-65 Изгибающее напряжение при разрушении, МПа 70-100 Разрушающее напряжение при сжатии, МПа 90-140 Относительное удлинение при разрыве, % 3-5 Модуль упругости при изгибе, МПа 3 200-3 800 Теплостойкость, °С 85-120 Температура тепловой деформации, °С 62 Плотность, при t = 23 °С, г/см³ 1,13-1,14 Время желатинизации, мин, при t = 20 °С: 1 % ПМЭК; 2 % ПМЭК 30-45 15-25 Массовая доля стирола, % 35 ± 2 3. Ровинговая стеклоткань марки EWR 560, применимая для армирования стеклопластиковых изделий. Данный материал представляет собой двунаправленную ткань, сотканную из переплетённых между собой нитей прямого стеклоровинга. В табл. 3 приведены характеристики данного материала [6, 7]. Таблица 3 Характеристики ровинговой стеклоткани марки EWR 560 Характеристика Значение Плотность, г/м2 560 Содержание влаги, % ≤ 0,15 Содержание замасливателя, % 0,6 ± 0,2 Разрывная нагрузка по основе, Н 2 800 Разрывная нагрузка по утоку, Н 2 800 Нить в основе, текс 1 200 Нить в утке, текс 1 200 Основа, нитей/см 2,6 Уток, нитей/см 2,2 Конструкция и технология изготовления образцов из композиционных материалов Конструктивные элементы и размеры рабочих частей образцов для механических испытаний выбраны согласно требованиям ГОСТ 32656-2017 и представлены в табл. 4 (форма и конструкция образцов указаны на рис. 1). Таблица 4 Конструктивные элементы образцов Параметр Обозначение параметра Значение параметра, мм Общая длина L3 ≥ 150 Длина узкой параллельной части L1 60 ± 0,5 Исходное расстояние между захватами L 115 ± 1 Измерительная база L0 50 ± 0,5 Ширина на концах b2 20 ± 0,2 Ширина узкой части b1 10 ± 0,2 Радиус R ≥ 60 Толщина h 2-10 Рис. 1. Конструкция образцов для испытаний Образцы для испытания вырезаются из пластин, подготовленных по следующей технологии: подготовка плит (матрицы), подготовка смолы, укладка слоёв, отверждение пластин (кондиционирование), механическая обработка, начальная резка и обрезка образцов. Пластины для испытания образцов изготавливаются методом контактного формования с ручной укладкой. Хотя метод ручной укладки требует значительного объёма физических сил, он является дешёвым по аппаратно-технологичному оформлению изделия из ПКМ. Преимуществами такого способа являются простота применения, низкая стоимость оснастки, возможность контроля показателей, в частности соотношение стекломата и смолы, отсутствие появления воздушных пузырьков. Размеры пластин зависят от способа производства, а также от материалов, применяющихся для изготовления. Поэтому согласно ГОСТу 33345-2015 пластины изготавливают квадратной формы, длиной и шириной 600 мм, с содержанием стекломата в пластине 32 ± 4 % масс. В качестве материалов для матрицы принято использовать полированную сталь или любой другой непористый материал (в качестве материала для матрицы использована фанера). Подготовка матрицы из фанеры начинается с устранения всех дефектов на её поверхности наждачной бумагой, затем наносится плёнка (тонкий слой) высококачественным декоративным покрытием на основе полиэфирной смолы марки «Гелькоут ИН-700 S» щёткой. Нанесение данного покрытия на наружную поверхность листов обеспечивает равномерность нанесения первого слоя смолы, что, в свою очередь, влияет на качество поверхности пластин в целом. С другой стороны, данное покрытие дополнительно выполняет функцию антиадгезива, облегчающего извлечение пластины из матрицы. Желатинизация данного покрытия происходит в течение 18-25 мин при температуре 20 ± 0,5 °С. В табл. 5 представлены основные характеристики смолы «Гелькоут ИН-700 S» [8]. Таблица 5 Характеристики смолы «Гелькоут ИН-700 S» Характеристика Значение Динамическая вязкость при температуре 23 ± 0,5 °С, МПас 6 000-7 500 Массовая доля нелетучих веществ, % 55-60 Время желатинизации при температуре 20 ± 0,5 °С, мин 18-25 На этапе подготовки смолы её перемешивают с отвердителем марки «Бутанокс М-50» (Butanox M-50), выпускаемым компанией Akzo Nobel, по 1-4 phr от массы смолы (phr-частей на 100 частей смолы) с учётом, что летом можно уменьшить дозу, т. к. при высокой температуре высыхание смолы происходит быстрее. По рекомендациям производителя стандартная пропорция отвердителя составляет 1,5-2,5 % от массы смолы. В табл. 6 представлены основные характеристики отвердителя «Бутанокс М-50» [9]. Таблица 6 Основные характеристики отвердителя «Бутанокс М-50» Характеристика Значение Плотность при температуре 20 °С, г/см3 1 180 Динамическая вязкость при 20 °С, МПас 24 Содержание воды, % максимум 3,0 Массу смолы, необходимую для изготовления пластины, вычисляют согласно ГОСТ 33346-2015 по следующей формуле: (1) где mc - масса смолы, г; ma - масса армирующего наполнителя, г; wg - содержание армирующего наполнителя в пластине, %. С учётом утечки и впитывания в валик, необходимо использование смолы на 20 % больше расчётного значения по формуле (1). Оформление пластин начинается со смазки матрицы смолой, затем происходит укладка первого слоя ткани стекломата. Используя валик, пропитывают слой стекломата смолой с повышенным добавлением отвердителя, т. к. первый слой считается основой для остальных слоёв, и он должен тесно закрепляться к матрице. Для равномерного распределения смолы по стекломату и для удаления пузырьков воздуха применяют разбивочный валик. Через 20-25 мин происходит нанесение остальных слоёв ткани в той же последовательности (укладывать ткань → пропитывать смолой → прокатать для удаления воздуха). В конце оформления листа его необходимо оставлять для высыхания на 48 ч при температуре окружающей среды, затем провести процесс кондиционирования не менее 16 ч при температуре 23 ± 2 °С и относительной влажности 50 ± 5 %, если в нормативно-технической документации на материал нет других указаний. По окончании процесса кондиционирования пластины извлекаются из матрицы и подвергаются механической обработке (с целью получения гладкой ровной поверхности без вздутий, сколов, трещин и других видимых дефектов), к которой относятся: шлифовка поверхности, обрезка облоя - излишков стеклопластика или отвержденной полиэфирной смолы по краям листов. Обрезают пластину с каждой стороны не менее чем на 10 мм. Процесс обрезки образцов из пластинок выполняется при помощи ленточной пилы по следующему режиму: - скорость резки не менее 915 м/мин; - число зубьев на метр - 400-550; - шероховатость поверхности Ra не более 6,3 мкм. Для изучения влияния рогожи на прочность ПКМ при растяжении нами были изготовлены дополнительные пластины с добавкой определённого количества слоёв. В данной статье рассматривается процесс изготовления двух партий образцов (табл. 7). Таблица 7 Порядок изготовления пластин для испытания № пластины Общее количество слоёв Количество слоёв из рогожи Количество слоёв из стекломата 1 3 - 3 2 6 - 6 3 9 - 9 4 12 - 12 5 15 - 15 6 3 1 2 7 6 2 4 8 9 3 6 9 12 4 8 10 15 5 10 Первая партия - без наличия в составе ПКМ ровинговой стеклоткани (рогожи), а вторая партия с наличием рогожи, при этом порядок расположения и количества рогожи представлены на рис. 2. Рис. 2. Последовательность укладки слоёв для подготовки пластин второй партии Массу армирующего наполнителя (арматуры), входящего в состав пластин, можно определить следующей формулой [10]: где ma - масса армирующего наполнителя, г; Na - число слоёв тканого наполнителя; m1a - масса одного слоя арматуры, г. Масса одного слоя арматуры определяется взвешиванием или расчётным путём по формуле [10]: где γa - поверхностная масса слоя армирующего материала, г/м2; l - длина пластины, м; b - ширина пластины, м. Время от окончания изготовления формованных образцов до их испытания должно составлять не менее 16 ч, включая и время на их кондиционирование. Выводы Представленный материал подробно описывает технологию изготовления образцов из ПКМ для проведения механических испытаний в лабораторных условиях на специальных стандартных установках. При рассмотрении процесса были учтены все необходимые требования и выполнены рекомендации нормативных документов для решения поставленной задачи. Полученные результаты механических свойств будут использованы для решения задач, связанных с применением ПКМ в судостроении, в частности при изготовлении надстроек сухогрузных судов в зависимости от эксплуатационных условий и района плавания.
Список литературы

1. Технология производства изделий из композиционных полимерных материалов. URL: https://docplayer.ru/346583-Tehnologiya-proizvodstva-izdeliy-iz-kompozicionnyh-polimernyh materialov.html (дата обращения: 01.05.2018).

2. Sang-Young Kim, Chun Sik Shim, Caleb Sturtevant, Dave (Dae-Wook) Kim, Ha Cheol Song. Mechanical properties and production quality of hand-layup and vacuum infusion processed hybrid composite materials for GFRP marine structures // Int. J. Nav. Archit. Ocean Eng. 2014. N. 6. P. 723-736.

3. Стекломат для армирования ЕМС-600-1250-Е URL: http://www.geogips.ru/catalog/materials_ for_forms/emc-600/ (дата обращения: 01.05.2018).

4. E-Glass Emulsion Chopped Strand Mat. URL: http://en.jushi.com/uploads/soft/jushiEN%20Products/ E-Glass%20Emulsion%20Chopped%20Strand%20MatE02.pdf (дата обращения: 01.05.2018).

5. Характеристики смолы «Яркопол-110». URL: http://megaplast.org/images/pdf/Yarkopol_110.pdf (дата обращения: 01.06.2018).

6. Ровинговая стеклоткань марки EWR 560. GLASS-TEX. URL: http://www.glass-tex.ru/ index.php/steklovolokno/steklotkan-rovingovaya (дата обращения: 01.07.2018).

7. Ровинговая стеклоткань марки EWR 560. ЕЗИМ. URL: https://www.e-zim.ru/products/rovingovaya-tkan/ (дата обращения: 01.08.2018).

8. Смолы Гелькоут ИН-700 S. URL: https://xn--80aadfe1abnh9chs1k.xn--p1ai/produts/?id=23&item=99 (дата обращения: 01.09.2018).

9. Отвердитель Бутанокс М-50. URL: http://i.xn--e1akgbhqh.xn--p1ai/u/a5/51998a6d293ec7e3 7e5b2b734a8d35/-/butanox_m50.pdf (дата обращения: 01.09.2018).

10. Кордикова Е. И. Композиционные материалы. Лабораторный практикум: учеб. пособие. Минск: Изд-во БГТУ, 2007. 232 с.