Въведение
Механичните свойства на полимерите често се подобряват чрез добавяне на влакна. Полученото в резултат на това увеличение на твърдостта, якостта и модула на пълзене позволява да се реализират много сложни приложения. Докато при статичните механични изпитвания се използват различни режими на натоварване (опън, натиск, срязване или огъване), при динамичния механичен анализ (ДМА) изпитванията се провеждат почти изключително в режим на огъване поради високата твърдост на образеца. С високонатоварващия DMA GABO Eplexor® обаче тези материали често могат да се изпитват и на опън. Поради това в тази приложна бележка се разглеждат по-подробно разликите между поведението на композита в режим на опън и в режим на огъване.
Като пример е изследван композит от полипропиленови стъклени влакна с обемно съотношение на влакната 45 %. Както може да се види на фигура 1, това е [0/90/0/90/0/90/0] слоеста структура, като външните влакна лежат по посока на натоварването.
Измерване на DMA
Образците са с размери 55 x 10 x 1,8 mm и се характеризират при опън и огъване. За измерванията са използвани сковани държачи за проби на опън, които позволяват изпитвателни натоварвания до 150 N.
Изпитванията са проведени в температурния диапазон от -100°C до +200°C при скорост на нагряване 2 K/min. За да се постигне максимален ефект от измерването, образецът се затяга на опън до свободна дължина от 35 mm. И при двете изпитвания се задава амплитуда на динамичната деформация от 0,1 % при честота 1 Hz. В режим на опън обаче амплитудата е ограничена от също програмируемата гранична сила от 150 N. И при двете изпитвания се програмира статична сила, която се държи пропорционално на динамичната сила. Тъй като статичната сила при огъване трябва да осигури достатъчно свиване на опорите, коефициентът на пропорционалност PF при огъване е избран малко по-висок (PF при опън 1,1, PF при огъване 1,2 с FStat=PF*FDyn).
Модулът на съхранение на материала с полимерна матрица показва стъкловиден преход при -2°C, който може да се разпознае по точката на пречупване (фигура 2). При 160°C (екстраполирано начало) модулът на съхранение рязко намалява и материалът омеква.
Очевидно е, че модулът на съхранение при огъване (синята крива) е по-висок от този при опън (червената крива) практически в целия температурен диапазон. При стайна температура (20°C) модулът на съхранение, измерен при огъване, е 27827 MPa и по този начин е с повече от 30% по-висок от стойността при опън (20406 MPa). Това поведение се дължи на асиметричната слоеста структура на образеца (сравни фигура 1). Тъй като външните влакна при огъване допринасят много повече, отколкото материалът в центъра, външните влакна по посока на натоварването имат сковаващ ефект върху образеца.
Този ефект често се използва в конструкцията, за да се постигне висока коравина при огъване с ниско тегло. При изпитването на материали за композитни материали обаче този ефект означава, че модулът, измерен при огъване, строго погледнато, е валиден само за точно използваната дебелина на образеца. От друга страна, в режим на опън отделните влакна се натоварват равномерно и може да се определи модул, валиден за целия образец. Поради този различен ефект се препоръчва композитите да се изпитват в зависимост от последващото им натоварване. DMA GABO Eplexor® предлага всички възможности за това.
Обща информация за напрегнатото състояние на образеца
Тъй като различното поведение при опън и огъване се дължи на вътрешната структура на образеца, напреженията, действащи върху образеца, ще бъдат разгледани подробно по-долу. Представянето е ограничено до напреженията в надлъжна посока, които са от значение в този контекст. За адхезията на влакната с полимерната матрица в частност интерес представляват и други напрежения.
В инженерната механика натоварването на даден образец се изчислява въз основа на вътрешните сили. При опън в целия образец преобладава постоянна нормална сила. На фигура 3 са показани вътрешните сили за три огъващи се лагера, използвани в DMA. Очевидно е, че максималното натоварване на използваното тук триточково огъване се получава непосредствено под централното въвеждане на силата; навсякъде другаде преобладава по-малко натоварване. Поради това симетричното 4-точково огъване се използва и за изследвания на композитни материали, зависещи от натоварването [1].
Вътрешните напрежения в надлъжна посока са правопропорционални на огъващия момент и също така зависят от геометрията и структурата на образеца. По този начин напрежението в образеца, което се променя в напречното сечение, може да се изчисли във всяка точка на образеца.
На фигура 4 са показани напреженията, които биха действали при модулите, измерени в горния пример, при номинална деформация от 0,1 % в хомогенен материал с линейно еластично поведение на материала. При опън преобладава постоянно напрежение в цялото напречно сечение, докато при огъване образецът се натоварва на натиск от горната страна и на опън от долната страна. Съответно определените деформации и напрежения при огъване също винаги се отнасят до максималните стойности във външното влакно.
В слоестия композит обаче се наблюдава много по-сложно разпределение на напреженията, отколкото при хомогенния образец. За по-нататъшни разсъждения се приема в съответствие с класическата теория на гредите и ламинатите, че областите на напречното сечение не се деформират, т.е. че надлъжната деформация е равномерно разпределена в напречното сечение [2].
При горното измерване е измерен различен модул на съхранение при опън, отколкото при огъване. Като се използват формулите на инженерната механика (за подробности вж. [2]), е известно как измереният модул на съхранение при опън или огъване се състои от тези два компонента за известна структура на слоя, състояща се от два материала или направления на влакната. По този начин двете измервания водят до две уравнения, от които могат да се определят двата модула на материала. Тъй като това изчисление се базира на предположението за модела, обяснено по-горе, и освен това геометрията и измерените стойности са обект на несигурност, тази процедура може да доведе до отклонения от реалните стойности по принцип. При температура от 20°C по този начин може да се изчисли модулът на съхранение за влакната в посока на натоварване EІІ =38000 MPa и напречно на посоката на натоварване EІ =3700 MPa.
След това тези модули могат да се използват за изчисляване на напреженията в напречното сечение на образеца при дадена деформация. Получените скокове в хода на напрежението са резултат от различните модули на отделните слоеве и са типични за влакнести композити. Освен това от хода на напреженията става ясно, че външните влакна имат особено силен ефект върху коравината при огъване на образеца.
Заключение
При изпитване на композитни материали на огъване доминира влиянието на външните повърхностни слоеве. Поради това резултатите от измерванията при огъване могат да бъдат обобщени за други геометрии или случаи на натоварване само в слаба степен. От друга страна, в режим на опън образецът се натоварва равномерно и се измерва само модул, осреднен за напречното сечение. Съответно материалите винаги трябва да се изпитват в съответствие с бъдещото приложение.
С помощта на DMA GABO Eplexor®, сравнително твърдите композитни материали могат да се измерват при огъване и опън. Както е и при статичните изпитвания на опън, по този начин стойностите на материала могат да се определят при опън, както се предпочита. Това дава възможност за значително по-прецизно и пълно характеризиране на материала, отколкото при по-малките уреди, при които твърдите образци могат да се измерват само при огъване.