Введение 3
Глава 1 Физико-механические свойства углеродного волокна и
углепластика 5
1.1 Получение углеродного волокна 5
1.2 Физико-механические свойства углеродных волокон 23
1.3 Дефекты углеродных волокон 27
1.4 Физико-механические свойства углепластика 29
Глава 2. Методы регистрации деформации углепластика 33
2.1 Методы неразрушающего контроля 33
2.2 Метод акустической эмиссии 36
2.3. Метод Тензометрии 44
Глава 3. Экспериментальные испытания по деформации
углепластика 48
Заключение 57
Список использованной литературы и источников 60
Композиционные материалы в процессе производства различных товаров и услуг с совершенствованием технологического процесса становятся более востребованными. Физико-механические свойства данных материалов, а в частности углепластика зависят от многих параметров (тип, структура, марка и т.п.). Накопление повреждений и дефектов (дислокаций) на уровне структуры материала (волокна и включения) предшествуют его разрушению.
Стоит отметить, что с широким изучением углеродных волокон и углепластиков, а также в целом структуры и свойств композитных материалов создаёт условия для усовершенствования технологий создания углеродных волокон, а также улучшения их свойств, что в целом положительно сказывается не только на повышении качества и уменьшения стоимости производства углепластика, но и других композиционных материалов. Также это положительно сказывается на внедрении таких материалов и в другие области применения, расширяя нишу востребованности обществом и промышленности в подобных материалах.
Активное внедрение композиционных материалов, в том числе углепластика в отрасли промышленного производства вызывает необходимость исследования методик неразрушающего контроля. В данный метод входит акустическая эмиссия, используемая в экспериментальном исследовании. Стоит отметить, что акустическая эмиссия на сегодняшний день является достаточно передовым и востребованным методом неразрушающего контроля, который входит в структуру производственного мониторинга.
Это в частности является следствием большой области применения метода. В структуре данного метода происходит не только всесторонняя регистрация дефектов материалов, но и обнаружение развивающихся дефектов, что даёт основания использовать данный метод в исследовании деформации углепластика.
Стоит отметить, что в практическом применении акустическая эмиссия применяется с рядом ограничений, так как в данном плане этот метод требователен к шумовой обстановке (происходят дефекты в наблюдения) и к техническому оборудованию. Но при этом научные исследования с использованием данного метода ведутся и по сей день, что даёт основания для предположений в развитии и усовершенствовании этого метода в будущем.
Усовершенствование данных методик активно ведётся в развитых странах, в том числе и в Российской Федерации. В отечественных исследовательских работах в области создания новых композитных материалов и веществ, а также разработке методов контроля и мониторинга их состояния были осуществлены Е.Н. Кабловым, В.В. Мурашовым, В.П. Вавиловым, А.А. Смердом и т.д.
Изучение методов неразрушающего контроля, а также использовании на практике метода акустической эмиссии было осуществлено в отечественной науке Б.Е. Патоном, А.Я. Недосеком, Ю.Б. Дроботом, В.И. Ивановой, С.И. Буйло, В.В. Шемякиной, В.А. Бигус, Н.А. Махутовымю, А.Н. Серьезновым, Л.Н. Степановой, В.В. Муравьевым, С.В. Паниным, А.М. Лексовским и т.д.
Зарубежные исследования представлены работами следующих авторов: У. Проссер, М. Горман, С. Симамура, Ю. Курокава, и другими [1]
Целью работы является исследование процесса разрушения образцов углепластика с использованием методов акустической эмиссии и тензометрии.
Поставленная цель определила необходимость решения следующих задач:
1) Рассмотрение физико-механических свойств углепластика;
2) Исследование методов акустической эмиссии и тензометрии;
3) Осуществление экспериментальных испытаний образцов из углепластика на деформации с использованием методов контроля деформаций: акустической эмиссии и тензометрии.
4) Получить зависимость механического напряжения от деформации образца;
5) Анализ полученных результатов.
Объект исследования - физико-механические свойства углепластика;
Предмет исследования - деформация углепластика при растяжениях.
Методы исследования: аналитический, библиографический, теоретический, экспериментальный
Результатом работы является: установление зависимости механического напряжения углепластика от его деформации.
В ходе работы все поставленные задачи были полностью выполнены.
Выявлено, что углепластик - это полимерный композиционный материал, состоящий их углеродного волокна, расположенного в полимерной матрице.
В целом его физико-механические свойства зависят от качества углеродного волокна, которое в свою очередь подразделяется на низкомодульные, среднемодульные и высокомодульные волокна. Это разделение определяется модулем упругости волокон начиная менее 250 ГПа заканчивая отметкой в более 300 ГПа.
Благодаря особым свойствам ковалентной связи в углеродном волокне и отсутствию кристаллической решётке углеродное волокно получает свои прочностные свойства, что также и передаётся в процессе его обработки в углепластики.
В зависимости от вида армирующего наполнителя, его формы и размеров, углепластики делятся на:
- углеволокниты (На основе переплетённых нитей углеволокна);
-углетекстолиты (На основе непрерывных нитей и жгутов углеволокна);
- углепресволокниты (На основе дискретных волокон).
К основным физико-механическим свойствам углепластика можно отнести высокие уровни прочности и жёсткости при низкой плотности материала. При этом углепластики обладают хорошими показателям тепло и электропроводности. Также стоит отнести низкий коэффициент термического расширения и высокий уровень усталостной прочности, также к особым его качествам можно химическую инертность и радиационную стойкость. Это определяет углепластик как достаточно передовой материал, который востребован в различных областях.
Основные сферы применения углепластика: строительство (применяют для создания армирующего материала), авиация (применяют для создания композитных деталей, в основном для замены алюминиевых сплавов), автомобилестроение (применяют для создания отдельных деталей и корпусов), также применяют в области медицины (производство протезов).
Акустическая эмиссия - это излучение объектом (диагностирования, контроля, испытаний) акустических волн под воздействием нагрузки или влияний иных факторов. Данный метод достаточно востребован в промышленном производстве так как он входит в категорию неразрушающего контроля, при котором пригодность объекта к использованию и эксплуатации не нарушаются.
Выявлены следующие особенности метода:
- Интегральность метода. Весь объект возможно проконтролировать, используя один или несколько датчиков. В практическом применении это имеет преимущество в контроле труднодоступных поверхностей объекта;
- Регистрация развивающихся дефектов. Данное качество метода акустической эмиссии позволяет обнаружить и зарегистрировать формирующиеся дефекты не только по их размерам и форме, но и также по степени их опасности для объекта;
- Дистанционность метода. Контроль возможен при значительном удалении оператора от объекта. Это облегчает мониторинг крупногабаритных, протяжённых или опасных объектов.
- Возможность мониторинга в режиме реального времени. Это позволяет производить быструю оценку объекта и осуществить быстрое реагирование и предупреждение техногенных аварийных ситуаций.
В целом экспериментальные испытания по пластической деформации углепластика были успешны.
В ходе эксперимента было выявлено, что при растяжении образца углепластика предшественником критических напряжений служит излучение акустических сигналов (фононов). В дальнейшем после регистрации акустических сигналов следовало разрыв образца.
Было замечено, что при достижении деформации в 8 миллиметров происходят критические изменения в структуре образца, затем после замечается релаксация напряжений. Выявлены следующие критические величины:
- Полное отделение матрицы от волокна происходит при напряжении около 730 ГПа.
- Разрушение образца происходит при напряжении около 866 ГПа.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
