Главная
Лабораторная работа
Тема:
Адгезия наполнителей к матричному полимеру
в
композиционных материалах
Адгезия – это сцепление приведенных в контакт жидкостей, твердых тел или фаз. Важная характеристика адгезии – адгезионная прочность – характеризует удельное усилие разрушения адгезионного контакта.
Адгезия связующих к волокнам является одним из важнейших факторов, определяющих прочностные и деформационные свойства композиционных материалов.
Существуют различные методы определения адгезионной прочности, которые требуют специального оборудования и высокой точности при изготовлении образцов.
Задание
№ 1. Определение адгезии по характеру поверхности разрушения
Цель работы: ознакомиться с методиками оценки адгезии наполнителя к матричному полимеру.
I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №1
О качестве адгезии на поверхности раздела для однонаправленных композитов можно судить по характеру разрушения при нагружении вдоль оси волокон. При сильной, средней и слабой адгезиях наблюдаются различные поверхности разрушения (рис. 1, а–в).
Рис.
1. Схематичное
изображение поверхности разрушения в
однонаправленных образцах (а – сильная, б – средняя,
в – слабая
адгезия)
При сильной адгезии поверхность разрушения в поперечном сечении довольно гладкая. Такие композиты обладают высокой статической прочностью и чувствительны к надрезу (рис. 1, а);
При средней адгезии поверхность разрушения имеет
неровности и углубления из-за продольного смещения волокон относительно
матрицы. Происходит вытягивание волокна из матрицы (рис. 1, б);
При слабой адгезии происходит разрушение адгезионного слоя или разрушение матрицы. Поверхность разрушения характеризуется большой неровностью из-за большого числа волокон, смещенных относительно матрицы (рис. 1, в).
II. ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ
Оборудование и материалы: образцы однонаправленного материала – ленты, испытательная машина.
Ход работы. Для проведения испытаний из однонаправленных лент препрега, полученных методом пултрузии, вырезают образцы длиной 250 мм. Ленты закрепляют в захватах испытательной машины и нагружают до разрушения со скоростью 60–100 мм/мин.
По виду разрушения определяют качество адгезионных
связей в композиционном материале. Вид разрушения зарисовывают и описывают.
Задание
№ 2. Определение адгезии по прочности при сдвиге параллельно волокнам
Цель работы: ознакомиться с методиками оценки адгезии наполнителя к матричному полимеру.
I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №2
Для однонаправленных материалов проводят исследование адгезии по прочности при сдвиге параллельно волокнам.
При проведении эксперимента
наблюдается три характерных вида разрушения: I – в непропитанной зоне, II – нормальный, III – разрыв волокон. В качестве результатов измерений принимают
среднее значение прочности при срезе по типу разрушения II – нормальному.
Из-за неоднородности композиционного материала
разброс значений может достигать 15%.
II. ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ
Оборудование и материалы: образцы однонаправленного материала
– ленты, испытательная машина.
Ход работы. Ленту однонаправленного препрега длиной 100 мм надрезают с двух сторон, как показано на рис. 2, и нагружают растягивающим усилием до разрушения со скоростью 15-20 мм/мин. Расстояние между надрезами устанавливают 7-10 мм.
Рис. 2. Схема образца для испытаний на сдвиг параллельно волокнам:
b, δ - ширина и толщина ленты соответственно.
Напряжения сдвига τ вдоль волокон определяют по формуле
где F - разрушающее усилие, Н; δ - толщина ленты в месте разрушения, мм; L - длина рабочей части (расстояние между надрезами), мм.
Форма
отчета по заданию №2
Результаты эксперимента заносят в протокол и делают вывод о качестве полученного материала.
ПРОТОКОЛ № ____ от _____________
Определения адгезии по прочности при сдвиге
1. ИСПЫТАТЕЛЬНАЯ МАШИНА (тип, номер, год выпуска, шкала)
2. МАТЕРИАЛ: (тип, марка или состав связующего, тип наполнителя, ГОСТ, дата изготовления материала)
3. ОБРАЗЦЫ: (тип, размеры, количество, метод изготовления)
4. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЯ: (температура,
влажность, скорость нагружения)
5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ:
|
Материал, метод получения |
Размеры образцов, мм |
Нагрузка F, Н |
τ, МПа |
|
|
толщина δ, мм |
длина L, мм |
|||
|
|
|
|
|
|
|
Среднее арифметическое значение, Мпа |
|
|||
|
Среднее квадратическое отклонение |
|
|||
|
Коэффициент вариации, % |
|
|||
Испытания провел:
Литература
1. Горбаткина, Ю. А. Адгезионная прочность в системах полимер–волокно / Ю. А. Горбаткина. – М.: Химия, 1987. – 194 с.
2. Поверхностные свойства в системе стекловолокно–полимерная матрица. Часть 2. / А. И. Свириденок [и др.] // Материалы. Технологии. Инструменты. –
2000, – Т. 5, № 3. – С. 39–42.
3. Исследование адгезии в системе стекловолокно–полимерная матрица / А. И. Свириденок [и др.] // Материалы. Технологии. Инструменты. – 2000, – Т.5, № 4. – С. 65–68.
Задание
№ 3. Определение адгезии по методу фрагментации волокна
Цель
работы: ознакомиться
с методиками оценки адгезии наполнителя к матричному полимеру.
I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №3
Для
композиционных материалов на основе волокон растительного происхождения
наибольшее распространение получил метод фрагментации волокна, который основан
на разрушении волокна наполнителя, находящегося в пластичной прозрачной
матрице.
Относительная
прочность связи определяется как отношение среднего значения касательных напряжений
на поверхности в момент разрушения образца к среднему значению прочности
частицы наполнителя при растяжении.
II. ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА
РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ
Оборудование и материалы: образцы для исследований,
испытательная машина, штангенциркуль, микроскоп.
Ход работы. Образцы (рис. 3)
длиной 100 мм и шириной 5 мм изготавливают прессованием между
плоскопараллельными плитами. Между двух слоев полипропиленовой пленки толщиной
0,5 мм укладывают по оси образца частицы наполнителя. Длина частиц 10–25 мм,
число частиц 1–5.
Рис. 3. Схема
определения адгезионной прочности методом фрагментации:
lэ - эффективная длина волокна
Образцы нагружают растягивающим усилием
на испытательной машине до разрушения частиц наполнителя. Образовавшиеся после нагружения длины фрагментов измеряют с помощью оптического
микроскопа.
Среднее значение касательных напряжений
на поверхности
контакта частицы наполнителя с матрицей определяют по формуле
где 
– среднее значение нормального напряжения в
частице, равное прочности при растяжении (для частицы льнокостры
при растяжении =25,6
МПа), МПа; b,
h – размеры
поперечного сечения частицы (оценивают с помощью микроскопа), мм; ky – коэффициент уплотнения частицы
под действием давления прессования – характеризует относительное изменение
толщины частицы (для льнокостры при давлениях от 2 до
5 МПа ky = 1,1-1,5), lэ – эффективная длина
волокна, принимают равной удвоенной длине фрагмента, мм.
Относительная
прочность связи kr определяется как отношение среднего
значения касательных напряжений на поверхности в момент разрушения образца к среднему значению прочности частицы
наполнителя при растяжении :
Форма
отчета по заданию №3
Полученные экспериментальные данные заносят в протокол.
ПРОТОКОЛ № ____ от _____________
Определения адгезии
методом фрагментации
1.
ИСПЫТАТЕЛЬНАЯ МАШИНА (тип, номер, год выпуска, шкала)
2. МАТЕРИАЛ: (тип, марка или состав связующего, тип наполнителя, ГОСТ,
дата изготовления материала)
3. ОБРАЗЦЫ:
(тип, размеры, количество, метод изготовления)
4. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЯ: (температура,
влажность, скорость нагружения)
5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ:
|
Материал |
h, мм |
b, мм |
l, мм |
lэ, мм |
τ, МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
Среднее
арифметическое значение |
|
||||
|
Среднее квадратическое отклонение |
|
||||
|
Коэффициент
вариации, % |
|
||||
Испытания провел:
Литература
1. Берлин, А.
А. Основы адгезии полимеров /А. А. Берлин, В. Е. Басин.
– М.: Химия, 1969. – 319 с.
2.
Горбаткина, Ю. А. Адгезионная прочность в системах
полимер–волокно / Ю. А. Горбаткина. – М.: Химия,
1987. – 194 с.
Вопросы для
подготовки к защите работы
- Что
называют «адгезией»? Какой величиной данный параметр характеризуется?
- Опишите
методы определения адгезии наполнителя к полимерным материалам.
- Как готовят
образцы и проводят эксперимент по определению адгезии про прочности при сдвиге
параллельно волокнам?
- Какие виды
разрушения образцов наблюдают при определении напряжения сдвига параллельно
волокнам?
- Для каких
материалов применим метод сдвига?
- На чем
основан метод фрагментации волокон при определении адгезии? Для каких
материалов применим данный метод?
email: KarimovI@rambler.ru
Адрес: Россия, 450071, г.Уфа, почтовый ящик 21
Теоретическая механика Строительная механика
Прикладная механика Детали машин Теория машин и механизмов
