Главная
Лабораторная работа
Тема:
Трехслойные сандвичевые конструкции с пенозаполнителем
Структурные сандвичевые
конструкции были одними из самых первых композиционных материалов, получивших
широкое применение. Практически для всех видов гражданских самолетов и вертолетов
и военных летательных аппаратов и ракет используются сандвичевые
конструкции. Кроме использования в несущих конструкциях самолетов
и ракет, сандвичевые конструкции применяются при
создании различных транспортных контейнеров, подвижных частей и обшивок
самолетов, в отделке интерьеров морских судов, катеров и яхт, для производства
деталей автомобилей, при создании различных предметов быта: корпусов
телевизоров, лыж и т. д. Сандвичевые конструкции
применяются и в домостроении в качестве конструкционных отделочных материалов
для дверей, перегородок и др.
Структура сандвичевых
конструкций состоит из следующих элементов: двух тонких прочных облицовочных
пластин – обшивок, толстой легкой сердцевины – заполнителя, разделяющего
несущие пластины и распределяющего нагрузку между ними, адгезионных слоев, связывающих
пластины с заполнителем и передающих нагрузку от заполнителя к облицовкам и
обратно. Такие конструкции увеличивают момент инерции сечения, придавая изделию
устойчивость при нагружении.
Главными
функциями несущих облицовочных материалов (листов) для сандвичевых
конструкций является обеспечение их жесткости относительно изгиба и сдвига в
плоскости пластин, а также передача нагрузок в той же плоскости. Чаще всего
используются стекловолокнистые препреги, препреги на основе углеродных волокон или тканей,
алюминиевые сплавы, сталь.
Основной функцией заполнителя в сандвичевых конструкциях является придание устойчивости несущим
поверхностным слоям и обеспечение передачи сдвиговых нагрузок по толщине
композита. Для выполнения этой задачи заполнитель должен быть по возможности
более жестким и легким, не должен изменять свойства при воздействии окружающей
среды. Среди материалов, наиболее часто используемых для заполнения сандвичевых структур, выделяются древесина, пенопласты и
соты.
Представленная лабораторная работа посвящена
методам получения трехслойных конструкций и исследованию их основных свойств.
Задание
№ 1. Изучение свойств пенозаполнителя
Цель работы:
освоение оптимальной технологии
изготовления трехслойных панелей и определение качества полученных материалов.
I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №1
В последнее время все более
широкое распространение получает структура заполнителя на основе твердой пены
(пенопласта).
Пенопластами
называют пластмассы с небольшой плотностью, отличающиеся наличием в них не сообщающихся между собой полостей или ячеек,
заполненных воздухом или газами. Образование в пластических массах ячеек или
полостей связано с физическими, химическими или механическими процессами или
сочетанием их. В результате химических процессов происходит разложение
добавляемых к полимеру веществ, выделяющих газ, который остается в пластике.
Физическое воздействие основано на растворении в пластике газов. В результате
нагревания пластика газ вновь выделяется, увеличивает объем и образует пористую
структуру.
Свойства пенопластов определяются природой и
свойствами полимерной фазы, соотношением твердой полимерной и газовой фаз (кажущаяся
плотность) и структурой материала - формой и размерами ячеек, а также равномерностью
их распределения по объему, влагопоглощением.
Соединение заполнителя с несущими слоями
происходит посредством склеивания. Качество полученных сандвичевых
конструкций на основе пенозаполнителей определяют по
прочности при сжатии и изгибе.
II. ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА
РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ
Оборудование
и материалы: плиты
пенопласта различного типа, термошкаф, весы,
устройство для определения водопоглощения, универсальная
испытательная машина, микроскоп, штангенциркуль.
Ход работы.
1.
Определение кажущейся плотности пенозаполнителя
Из плиты
пенопласта вырезают образцы размером 20×20×20 мм.
Определяют размеры плит пенопласта с точностью до
0,1 мм в трех местах, используя в дальнейших расчетах среднее значение трех
измерений.
Взвешивают
образцы материала на весах с точность до 0,001 г и рассчитывают плотность как отношение
массы к объему.
Полученные
данные заносят в табл. 1.
2. Определение степени однородности пенопласта
Размеры ячеек пенопласта определяют, рассматривая срезы под микроскопом, снабженным окуляром с мерной сеткой. Чтобы ячейки просматривались более четко, поверхность среза необходимо слегка затушевать мягким карандашом.
Средний поперечный диаметр ячеек dср, мм, рассчитывают по формуле
где S – площадь, на которой
производится подсчет ячеек, м2; n – число ячеек на данной
площади; ρк,
ρ – кажущаяся
плотность пенопласта и плотность полимера, кг/м3.
Степень однородности количественно оценивают с
помощью критерия однородности структуры (коэффициент вариации) в процентах.
где ∆d – отклонение от среднего диаметра
ячеек, мм
Полученные
данные заносят в табл. 1.
3.
Определение теплостойкости
Теплостойкость
пенопластов оценивается температурой, при которой в течение 30 мин происходит
уменьшение их объема.
В термошкаф при комнатной температуре помещают три образца и
нагревают до заданной температуры. Выдерживают 30 мин и достают образцы. При
этой же температуре в шкаф помещают другие образцы, поднимают температуру на 20°С и
выдерживают 30 мин и т. д. Повторяют опыт до температуры, равной 100°С.
Вынутые из термошкафа образцы выдерживают при комнатной температуре до
полного остывания. Измеряют размеры и определяют объемную усадку y в процентах
где V0, V – первоначальный объем
и объем образца после выдержки в шкафу соответстенно,
см3.
По
экспериментальным данным строят график зависимости объемной усадки от
температуры и по нему определяют теплостойкость пенозаполнителя.
Полученные данные заносят в табл. 1, сравнивают значения для различных типов
материалов и делают вывод.
4.
Определение водопоглощения
Водопоглощение определяют на кубических образцах с размерами
10×10×10мм.
Образцы
помещают в прибор, показанный на рис. 1. Заливают дистиллированную воду так,
чтобы ее уровень не поднялся выше капилляра 1,
отмечают этот уровень на шкале.
Рис. 1. Установка для определения водопоглощения пенопластов:
1 – капилляр; 2 –
образец; 3 – резервуар; 4 – пробка.
Образец
пенопласта 2 помещают в резервуар 3, плотно закрывают отверстие резиновой
пробкой 4 и переворачивают рамку.
Через 60 мин прибор осторожно возвращают в исходное положение, избегая появления
пузырьков в капилляре, и отмечают понижение уровня воды по шкале капилляра.
Водопоглощение В, г/см2,
определяют по формуле
где mв – масса воды,
проникшей в образец (в соответствии с показаниями на шкале капилляра), г; S – площадь всей поверхности образца, см2.
За результат
эксперимента принимают среднее значение не менее трех экспериментов. Полученные
данные заносят в табл. 1, сравнивают значения для различных типов материалов и
делают вывод.
6.
Определение прочности при сжатии
Из пластины
вырезают образцы размером 20×20×20 мм. Образец
устанавливают между опорными площадками испытательной машины строго соосно с
направлением нагрузки. Нагружение проводят со скоростью
40–50 мм/мин. За величину показателя прочности принимают напряжение при 10%-ном
сжатии образца. Предел прочности при сжатии σсж,
МПа, определяют из соотношения
где F – нагрузка при 10%-ной
деформации образца, Н; S
– начальная площадь поперечного сечения образца, мм2.
За результат
принимают среднее арифметическое не менее трех испытаний.
Полученные
данные заносят в табл. 1, сравнивают значения для различных типов материалов и
делают вывод.
Таблица
1
|
Заполнитель |
dср, мм |
Степень однородности, % |
ρк,
кг/м3 |
В, г/см2 |
Теплостойкость, °С |
σсж,
МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Среднее арифметическое значение |
|
|||||
Литература
1.
Практикум по технологии переработки пластических масс / под ред. В. М.
Виноградова, Г. С. Головкина. – М.: Химия, 1973.
2.
Практикум по полимерному материаловедению / под ред. П. Г. Бабаевского. – М.: Химия, 1980.
3. Пластмассы
ячеистые и резины губчатые. Метод определения кажущейся плотности: ГОСТ 409–77.
– Взамен ГОСТ 409–68; введ. 01.07.1978. – М.: ИПК
Изд-во стандартов, 2002. – 4 с.
4. Пластмассы
ячеистые жесткие. Метод определения водопоглощения:
ГОСТ 20869–75. – Введен 01.07.1976. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 2000. – 8 с.
5. Пластмассы
ячеистые жесткие. Метод испытаний на сжатие: ГОСТ 23206–78. – Введен
01.07.1979. – М.: Изд-во стандартов, 1978.– 9 с.
Задание
№ 2. Изучение свойств композиционных материалов с пенозаполнителем
Цель
работы: освоение технологии
изготовления трехслойных панелей и определение качества полученных материалов.
I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №2
Для изготовления трехслойной конструкции с
вспененным заполнителем (рис. 2) используют специальное приспособление (рис. 3).
Форма состоит
из трех разъемных частей, выполненных из стали. В основание ввернуты шпильки,
которые усиливают рамки. Внутренняя полость рамки ограничивает площадь размером
120×240 мм. Глубина
формы меньше высоты панели на толщину обшивки. Съемная крышка закрывается
гайками, опирается по периметру на стеклотекстолитовую обшивку, имеющую припуск
по 2,5 мм на сторону. Между верхней обшивкой панели и ограничительной рамкой
предусмотрены каналы, через которые вытесняется воздух из формы при вспенивании
заполнителя. Вспенивание, отверждение и одновременное приклеивание пенозаполнителя к обшивке производится при температуре.
Масса засыпки вспенивающегося материала определяется исходя из желаемой
прочности при сжатии, кажущейся плотности материала и величины ячеек.
Качество
полученных сандвичевых конструкций на основе пенозаполнителей определяют по прочности при сжатии и изгибе.
Рис. 2. Трехслойные конструкции с
пенопластовым заполнителем:
h – толщина
пенозаполнителя;
t – толщина несущих слоев
Рис. 3. Схема ограничительной формы
для вспенивания пенозаполнителя в трехслойной панели:
1 – основание; 2 – рамка; 3 – шпильки; 4 – съемная
крышка; 5 – гайки;
6, 8 – стеклотекстолитовая обшивка; 7 – каналы для отвода воздуха
II. ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА
РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ
Оборудование
и материалы: плиты пенопласта различного типа, термошкаф,
весы, форма для вспениания, универсальная испытательная
машина, микроскоп, штангенциркуль.
Ход работы.
1. Изготовление
трехслойной панели
Перед
использованием поверхности формы (рис. 3) должны быть очищены и смазаны, чтобы
предотвратить прилипание материала. В форму укладывают нижнюю обшивку
(изготовленный стеклопластик или текстолит), затем засыпают необходимое
количество материала, устанавливают верхнюю обшивку и собирают форму. Форму
переносят в термошкаф.
Вспенивание,
отверждение и одновременное приклеивание пенозаполнителя
к обшивке производится при температуре.
Изменяя массу
навески исследуют влияние количества полимера на
качество получаемого материала. Для этого определяют кажущуюся плотность и
диаметр ячеек пенопласта. Результаты представляют графически и в табл. 2.
2.
Определение прочности сандвичевой конструкции при
изгибе
Испытания на
изгиб проводят на образцах с размерами 120×10×15 мм.
Образец
устанавливают в устройство с нагружающим наконечником и опорами, которое реализует
трехточечную схему нагружения. Скорость передвижения
наконечника 20–60 мм/мин. Для предотвращения местного смятия заполнителя и
панелей на образец укладывают лист из твердой резины. При малых значениях
прогиба, которые характерны для трехслойных панелей, резиновая накладка не искажает
показаний испытаний.
Прогибы
измеряют с погрешностью не более 0,1 мм индикатором часового типа ИЧ-10. В ходе
эксперимента замечают вид разрушения – отслоение заполнителя или разрушение
обшивок.
По
результатам измерений строят график зависимости прогиба панели от нагрузки.
Изгибающее
напряжение σи
при максимальной разрушающей нагрузке Fp определяется из выражения
где Fр
– разрушающее усилие, Н; Lv – расстояние
между опорами, м; b,
h – ширина и
толщина образца соответственно, м.
Условный модуль упругости определяют для нагрузок
и прогибов, соответствующих значениям относительной деформации 0,1% и 0,3%.
Модуль
упругости Еи вычисляют по формуле
где F1, F2
– силы, соответствующие относительной деформации 0,1% и 0,3%, Н; f1,
f2
– соответствующие силам прогибы, м; Lv – расстояние между опорами, м; b, h
– ширина и толщина образца соответственно, м.
За результат
измерения предела прочности и модуля упругости при изгибе принимают среднее
арифметическое значение для всех образцов.
Проводят
аналогичные испытания листового стеклопластика, использованного для
изготовления силовых обшивок трехслойных конструкций. Вырезают образцы с
размерами 10×15
мм. Устанавливают расстояние между опорами 20±0,5
мм. Нагружение проводят без резиновой накладки.
Определяют модуль упругости и предел прочность при изгибе.
Рассчитывают
относительное увеличение прочности и жесткости трехслойных панелей.
Результаты
экспериментов заносят в табл. 2.
Таблица
2
|
Материал заполнителя/обшивки |
Диаметр ячейки, мм |
ρк, кг/м3 |
σи,
МПа |
∆σи, % |
Еи,
МПа |
∆Еи,
% |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Среднее арифметическое значение |
|
|
|
|
||
|
Среднее квадратическое
отклонение |
|
|
|
|
||
|
Коэффициент вариации, % |
|
|
|
|
||
Литература
1.
Практикум по технологии переработки пластических масс / под ред. В. М.
Виноградова, Г. С. Головкина. – М.: Химия, 1973.
2. Пластмассы
ячеистые жесткие. Метод испытаний на статический изгиб: ГОСТ 18564–73. – Введен
01.07.1974. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 2000. – 4 с.
Вопросы для
подготовки к защите работы
- Почему
трехслойные конструкции имеют повышенную жесткость?
- Перечислите основные достоинства и надостатки панелей с пенозаполнителем.
- Какие материалы применяют в качестве пенозаполнителей для сандвичевых
конструкций?
- Каким параметром характеризуется однородность
пенопласта и как этот параметр определяется?
- Какие показатели характеризуют свойства пенозаполнителя?
- Опишите последовательность изготовления
трехслойных конструкций с пенозаполнителем.
- Как определяют
качество изготовленных трехслойных панелей?
email: KarimovI@rambler.ru
Адрес: Россия, 450071, г.Уфа, почтовый ящик 21
Теоретическая механика Строительная механика
Прикладная механика Детали машин Теория машин и механизмов
