Исходный материал и методика эксперимента

В качестве исходного материала для экспериментального определения упругих постоянных — модуль упругости Е и коэффициента Пуассона, был использован СВАМ на связующем БФ-4(СВАМ — стекловолокнистый анизотропный материал).

СВАМ имеет строго ориентированную структуру стеклянных волокон, позволяющую получить высокую прочность и жесткость, При приложении нагрузки в волокнах этого материала отсутствуют напряжения изгиба и контактные напряжения, неизбежно возникающие при растяжении плетеных структур, т. е. стеклопластиков с ткаными наполнителями.

Это обстоятельство значительно упрощает теоретический анализ и возможность сопоставления с экспериментом.

Кроме того, другие ориентированные стеклопластики, такие как АГ-4с и ЛОС, мало отличаются по своим механическим свойствам от СВАМ.

Выбор в качестве связующего БФ-4 обусловливался наличием достаточно полного комплекса данных об этом полимере, позволяющего получить теоретические значения упругих констант для стеклопластика.

Материал прессовался последующему технологическому режиму: давление 30 кг/см3, температура полимеризации ~ 160; время выдержки 15 мин. на 1 мм толщины изделия. Всего отпрессовано пять листов перекрестной структуры и два листа однонаправленной. Процентное содержание связующего в листах было различным. Характеристики листов сведены в таблице 1.

Таблица 1

Из полученных листов, под углами ц = 0, 15, 30, 45 и 90° по отношении к одной из осей упругой симметрии были вырезаны образцы для испытаний, представляющие собой прямоугольники размерами 245 * 30 * д мм (д — толщина образна). За направление осей упругой симметрии принято направление стеклянных волокон в пластике.

В каждом направлении вырезалось по два идентичных образца. На образец клеем БФ-2 наклеивались проволочные тензодатчики базой 10 мм сопротивлением 100 ом с последующей полимеризацией в течение 6 часов. При измерении деформаций активный датчик включался в одно плечо моста Уитстона, а компенсационный в другое. Для определения продольной и поперечной деформации использовались два электронных измерителя деформаций конструкции института им. Н. Г. Жуковского.

Как известно, деформация стеклопластика при растяжении, сжатия в нормальных условиях (температура 20°, давление 1 атм.) приближенно является суммой двух составляющих — упругой и высокоэластической е = е + е*, (1).

где е — деформация стеклопластика, измеряемая непосредственно, е — упругая составляющая, е* - высокоэластическая составляющая.

Проведенные эксперименты показывают, что остаточная деформация чрезвычайно мала и ею практически можно пренебречь.

Причем, если упругая деформация связана с напряжением однозначно по закону Гука, то высокоэластическая деформация зависит не только от напряжения, но и от скорости деформации.

На основании рассмотрения совместной деформации полимера-связующего и армирующих элементов в работе были получены уравнения связи, определяющие скорость деформации в зависимости от напряженного и деформированного состояния пластика.

В случае одноосного изотермического растяжения вдоль оси х соответствующее уравнение имеет вид.

(2).

где ех = ех + ех* - суммарная деформация, функция fх (у, е) = у — Е?, x е*х = у (1 + Е?, x /Еxx) — Е?, x ех, Ехх — модуль упругости, Е?, x — модуль высокоэластичности, зх и mх — соответственно коэффициенты начальной вязкости и модуль скорости высокоэластической деформации. Описанные далее эксперименты проводились при постоянной скорости деформации (vе = dе/dt = const) и в поле однородного напряжения. При этом из (2) следует дифференциальное уравнение диаграммы растяжения вдоль оси х.

(3).

вполне аналогичное такому же уравнению для гомогенного полимера. Отличие лишь в значении констант Ехх, Е?, x, зх и mх которые в данном случае зависят от направления приложения нагрузки по отношению к осям упругой симметрии стеклопластика.

Величины констант определяются свойствами исходных компонентов: стеклянных волокон и связующих. Как видно из уравнения (3), упругая и высокоэластическая составляющие деформации развиваются одновременно. Однако величиной последней, представленной вторым слагаемым в уравнении (3), при определенных условиях можно пренебречь. В частности, ясно, что при vе >?, dуx/dеx > Ехх. Так как целью рассматриваемой работы являлось определение упругих констант, то весьма важно было обеспечение условий измерения именно упругих деформаций. В других работах было найдено, что для определения упругих постоянных стеклотекстолитов минимальное значение скорости деформации, при которой практически исключается влияние высокоэластической деформации, должно составлять 0,01—0,05% в 1 мин, Однако наиболее объективным методом контроля исключения высокоэластической деформации является построение циклической диаграммы «нагрузка — разгрузка».

При обеспечении условий измерения только упругой деформации точки нагрузки и разгрузки должны лежать на одной прямой.

На рис. 1 показаны экспериментальные циклические диаграммы у = у (е) для образца СВАМ, ц = 45°, при двух значениях скорости деформации. Диаграмма у = у (е) на фиг. 1. а, отвечающая vе = 0,015% мин., действительно оказывается линейной, причем точки, соответствующие нагрузке и разгрузке, почти совпадают. Диаграмма на фиг. 1. б, полученная при vе = 0,001% / мин., является нелинейной и образует своеобразную гистерезисную петлю: процессы нагрузки и разгрузки заметно отличаются, поскольку при столь малой скорости vе, успевает проявиться высокоэластическая деформация.

Все приведенные далее экспериментальные данные получены при скорости деформации vе = 0,01 — 0,02% / мин.

Измерения упругих деформаций для каждого из образцов повторялись четыре раза, за окончательный результат принималось среднее из четырех измерений. Максимальное отклонение в показаниях индивидуального измерения от среднего составляло около 5%.

Контролем правильности служили линейность и совпадение диаграмм у = у (е) при цикле «нагрузка — разгрузка». Полученные диаграммы у = у (е) соответствовали приведенной на фиг. 1.а.