Главная
Лабораторная работа
Тема:
Исследование однонаправленных волокнистых наполнителей
для композиционных материалов
Задание № 1. Определение структурных параметров и
поведения под нагрузкой
Цель
работы: изучить методику определения физических характеристик
однонаправленных волокнистых наполнителей и их поведение под нагрузкой на
цилиндрической поверхности.
I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №1
Элементарные
волокна используются для получения однонаправленных волокнистых наполнителей –
(нитей, ровингов). Нить получают при скручивании двух
или более непрерывных элементарных волокон в один непрерывный пучок.
Ровинг – это жгут, образованный пучками
непрерывных нитей в виде некрученых элементарных жгутов или крученых нитей. Ровинг чаще всего используется с минимальной круткой.
Одними из
основных характеристик однонаправленных материалов, наряду с диаметром элементарных
волокон, являются линейная плотность и крутка.
Крутка
придается нитям и пряже для повышения компактности путем вращения вокруг фиксированной
точки в процессе намотки. Степень крутки оценивается количеством витков вокруг
своей оси на единицу длины нити.
Линейная
плотность нитей или ровингов непосредственно связана
с диаметром и числом элементарных волокон в пучке. Единицей измерения данной
величины является текс, который характеризует массу в граммах мотка нити или ровинга длиной 1000 м. Перечисленные показатели являются
определяющими при выборе наполнителя для изготовления композиционных материалов
и указываются в марке волокнистого материала.
Чаще всего
нити и ровинги используют для изготовления изделий
методом намотки или пултрузии. В этих случаях
наполнитель наматывается или протягивается по неподвижной или вращающейся цилиндрической
поверхности под нагрузкой. Для наилучшего проникновения связующего (особенно
термопластичного) через систему элементарных волокон материал должен иметь как
можно меньшую толщину и большую ширину.
Определение
толщины и ширины наполнителя под нагрузкой производят с использованием нагружающего
устройства, схема которого представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема нагружения волокнистого слоя
при определении его ширины:
R -
радиус ролика; F -
приложенное усилие; b -
ширина ровинга
II. ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ
1.
Определение линейной плотности однонаправленного наполнителя
Оборудование и материалы: отрезки стеклонитей и стеклоровингов,
весы с точностью до 0,001 г, металлическая линейка, ножницы.
Ход работы. Для определения линейной плотности
наполнителя берут отрезки нитей, ровингов, длиной не
менее 1 м и взвешивают их на электронных весах с точностью не менее 0,001 г.
Линейную
плотность Т (текс) определяют из соотношения
где m – масса наполнителя
определенной длины, г; L – длина исследуемого наполнителя,
км.
За результат
принимают среднее арифметическое не менее трех измерений. Все полученные данные
заносят в протокол.
Сравнивают
полученное значение линейной плотности с известной величиной для соответствующего
типа волокнистого наполнителя, делают вывод.
Форма
отчета по заданию №1
ПРОТОКОЛ
№ ____ от _____________
определения
линейной плотности наполнителя по ГОСТ 6943.1–94
1. АППАРАТУРА: (приборы, приспособления; тип и
основные характеристики)
2. МАТЕРИАЛ:
(тип наполнителя, диаметр волокон)
3. ОБРАЗЦЫ:
(размеры, количество)
4. УСЛОВИЯ
ИСПЫТАНИЙ: (температура, влажность воздуха)
5. РЕЗУЛЬТАТЫ
ЭКСПЕРИМЕНТА:
|
№ п/п |
Материал |
m, г |
L, км |
T, текс |
|
1 |
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
Среднее арифметическое значение |
|
|||
|
Среднее квадратическое
отклонение |
|
|||
|
Коэффициент вариации |
|
|||
Испытания
провел:
2.
Изучение поведения пучка волокнистого наполнителя под нагрузкой
Оборудование
и материалы: отрезки
стеклонитей и стеклоровингов, металлическая линейка,
ножницы, нагружающее устройство, разновесы, катетометр.
Ход работы. Для определения изменения ширины
пучка наполнителя под нагрузкой берут отрезок исследуемого материала
длиной 1 м. Один конец закрепляют
неподвижно на раме, а другой перебрасывают через ролик (рис. 6). К свободному
концу, с использованием зажима, прикладывают заданную нагрузку F. Начальную ширину
наполнителя b0
на ролике замеряют при помощи катетометра. Ступенчато увеличивая нагрузку (до
значения не более 80% от разрывной) фиксируют изменение ширины bi и
записывают диаграмму увеличения ширины от нагрузки.
Устанавливают
зависимость ширины пучка наполнителя от нагрузки, диаметра ролика, вида наполнителя
и делают вывод.
Полученные результаты
заносят в табл. 1 и представляют в виде графиков.
Таблица
1
|
№ п/п |
Материал |
b0, мм |
bi, мм |
F, Н |
D, мм |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
Литература
1. Стеклянное
волокно. Нити и ровинги. Метод определения линейной
плотности: ГОСТ 6943.1–94 (ИСО 1889–87). – Взамен ГОСТ 6943.1–79; введ. 01.07.1996. – Минск: Межгос. совет
по стандартизации, метрологии и сертификации: Белстандарт,
1996. – 7с.
2. Нити
стеклянные однонаправленные. Технические условия: ГОСТ 10727–91. – Взамен ГОСТ
10727–73; введ. 01.01.1993. – М.: Изд-во стандартов, 1992. – 7 с.
3. Стекловолокно.
Ровинги. Технические условия: ГОСТ 17139–2000. – Взамен
ГОСТ 17139–79; введ. 01.07.1980. – М.: Стандартинформ, 2006. – 16с.
4. Нить
углеродная конструкционная. Технические условия: ГОСТ 28008–88. – Введен
01.01.1990. – М.: Изд-во стандартов,
1986. – 11 с.
5. Кордикова, Е. И. Пропитка волокнистых материалов расплавами
термопластичных полимеров: дис. … канд. техн. наук. / Е. И. Кордикова.
– Минск: БГТУ, 2000, С. 79–80.
Задание № 2. Определение показателей
механических свойств однонаправленных волокнистых наполнителей
Цель
работы: показать отличие
прочности нитей и жгутов от прочности элементарных волокон.
I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №2
Свойства
элементарных волокон в значительной степени определяют свойства других видов волокнистых
материалов, причем реализация этих свойств зависит от способа и характера
текстильной переработки, которой подвергаются элементарные волокна. Поэтому
механические свойства однонаправленных наполнителей всегда хуже механических
свойств элементарных волокон. Значительный вклад в это различие вносит также
статистическое распределение прочности элементарных волокон в нитях или жгутах.
Основными механическими характеристиками армирующих наполнителей являются модуль упругости и разрушающее напряжение при растяжении, определение которых проводят по ГОСТ 6943.10–79.
II. ПОСТАНОВКА ОПЫТА.
Для испытаний
применяют образцы в виде отрезков, закрепленных в рамках. Образец нагружают до
разрушения на универсальной испытательной машине типа Р-05 при скорости
перемещения захватов 60–100 мм/мин. Значение приложенных усилий замеряют по
шкале силоизмерителя, а для регистрации удлинения
используют соответствующую шкалу на испытательной машине или непосредственное измерение
удлинения пучков. При необходимости строят диаграмму деформирования.
III. ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА
РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ
1.
Определение разрушающего напряжения волокнистых наполнителей.
Оборудование и материалы: отрезки стеклонитей и стекложгутов, рамки для
закрепления образцов, ножницы, клей, разрывная машина.
Ход работы. Изготовление образцов и проведение
испытаний по определению разрушающего напряжения однонаправленных волокнистых
материалов проводят в соответствии с ГОСТ 6943.10–79.
Берут отрезки
нитей или ровингов длиной 220 мм и закрепляют в рамки
(см. изготовление образцов из элементарных волокон). Наклеенные нити или ровинги разделяют на образцы, разрезая бумажные накладки, и
закрепляют в тисочных зажимах испытательной машины, чтобы проклеенная часть
выступала на 8–10 мм, а расстояние между зажимами составляло 100±1 мм. Для предотвращения проскальзывания
образцов в зажимах используют прокладки из наждачной бумаги, кожи, резины.
Нагружают
образцы, включив нижний ход захвата испытательной машины, со скоростью 60–100
мм/мин. В момент разрушения фиксируют нагрузку. По полученным значениям усилия
и определенной площади сечения пучка волокон определяют значение предела
прочности при растяжении σр (МПа) по формуле
где Fр – разрывная
нагрузка, Н; 
– общая площадь нагружаемых волокон, мм2; Т – линейная плотность наполнителя,
определяется экспериментально или берется из справочника, текс; ρ - плотность
материала наполнителя, г/см3.
За результат
принимают среднее арифметическое значение не менее десяти экспериментов. Сравнивают
полученное значение разрушающего напряжения для однонаправленных волокнистых
наполнителей с разрушающим напряжением элементарных волокон того же типа и
делают вывод.
Данные
эксперимента заносят в протокол.
2.
Определение модуля упругости однонаправленных волокнистых наполнителей
Оборудование
и материалы: отрезки
стеклонитей и стекложгутов, рамки для закрепления образцов, ножницы, клей,
разрывная машина, катетометр, штангенциркуль с точностью измерений 0,05 мм.
Ход работы.
На подготовленные образцы, закрепленные в рамках, наносят две метки с помощью
краски на расстоянии около 25 мм вверху и внизу от середины образца. Нанесение
меток и замеры образцов производят аккуратно, не касаясь рабочей поверхности
волокон.
Определяют
расстояние между метками l0
(катетометром, штангенциркулем) при начальной нагрузке F0, составляющей 5% от разрушающей. Нагружают образец ступенчато нагрузкой ∆F до силы F1, составляющей 20% от разрушающей и определяют удлинение ∆l. Повторяют испытание 2-3
раза и определяют среднее удлинение жгута или нити.
Рассчитывают
модуль упругости наполнителя при растяжении Ер (МПа) по
формуле
где ∆F – приращение нагрузки, Н; l0 –
расстояние между метками, мм; ∆l – приращение удлинения,
мм; A – общая площадь нагружаемых волокон,
мм2.
Испытания
проводят не менее чем на 10 образцах каждого типа исследуемых жгутов и рассчитывают
средний модуль упругости.
Сравнивают полученное значение модуля упругости для однонаправленных волокнистых наполнителей с модулем упругости элементарных волокон того же типа и делают вывод.
Форма
отчета по заданию №2
Данные
экспериментов заносят в протокол.
ПРОТОКОЛ № ____ от _____________
испытания на
растяжение волокнистых наполнителей по ГОСТ 6943.10–79
1. АППАРАТУРА: (приборы, приспособления; тип и
основные характеристики)
2. МАТЕРИАЛ:
(тип наполнителя, диаметр волокон)
3. ОБРАЗЦЫ:
(размеры, количество)
4. УСЛОВИЯ
ИСПЫТАНИЙ: (температура, влажность воздуха)
5. РЕЗУЛЬТАТЫ
ЭКСПЕРИМЕНТА:
|
№ образца |
Fр, Н |
l0, мм |
F0, Н |
∆F, Н |
∆l, мм |
σр,
МПа |
Ер,
МПа |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
Среднее арифметическое значение |
|
|
|||||
|
Среднее квадратическое
отклонение |
|
|
|||||
|
Коэффициент вариации |
|
|
|||||
Испытания
провел:
Литература
1. Материалы
текстильные стеклянные. Метод определения разрушающей нагрузки и удлинения при
разрыве: ГОСТ 6943.10–79. – Взамен ГОСТ 6943.10–71; введ.
01.07.1980. – М.: Изд-во стандартов, 1986. – 8с.
2.
Стекловолокно. Нити крученные комплексные. Технические условия: ГОСТ 8325–93
(ИСО 3598-86). – Взамен ГОСТ 8325–78; введ.
01.07.1996. – М.: ИПК Изд-во
стандартов, 2002. – 12с.
3. Ставров, В. П. Механика композиционных материалов: учеб. пособие для студентов машиностроительных
специальностей. – Минск: БГТУ, 1996. – 164 с.
Вопросы
для подготовки к защите работы
- Назовите и
опишите однонаправленные волокнистые наполнители.
- Какими
параметрами характеризуются физические свойства однонаправленных волокнистых
наполнителей?
- Для каких
целей проводят изучение поведения волокнистых наполнителей под нагрузкой?
- Что
характеризует линейная плотность, от чего она зависит и как определяется?
- Как отличаются
показатели прочности при растяжении элементарных волокон и однонаправленных
волокнистых наполнителей и почему?
- Каковы
особенности определения показателей прочности нитей и ровингов?
Как готовят образцы для испытаний?
- Как
определяют общую площадь нагруженных волокон при определении предела прочности
при растяжении нитей и ровингов?
email: KarimovI@rambler.ru
Адрес: Россия, 450071, г.Уфа, почтовый ящик 21
Теоретическая механика Строительная механика
Прикладная механика Детали машин Теория машин и механизмов
