|
|
|
Навигация
|
Главная » Мануалы где А - исходная масса образца препрега, г; С - масса остатков образца после экстрагирования, г; У - массовая доля связующего, %. 24.4.3.3. Определение количества вытекшего связующ/его Цель этих испытаний - определить массовую долю связующего Св. св. которое вытекает при переработке препрега в композит. (Связующее должно быть достаточно текучим, чтобы обеспечить пропитку армирующего компонента, но не полностью вытекать из материала). Для определения указанного выше параметра из препрега вырезается квадрат со стороной 10,2 см (для препрегов из тканей крой делают по косой). Образец взвешивается, заворачивается в целлофановую или тефлоновую пленку и помещается между пластинами пресса. Отверждение проводят по режимам, рекомендованным для данного связующего. После отверждения образец охлаждается (обычно в эксикаторе), с него осторожно удаляются пленка и облой, после чего он взвешивается. Доля вытекшего связующего, %, Начальная масса-Конечная масса В. св-- Начальная масса 100. Условия отверждения по этому методу зависят от вида применяемого связующего. Стандарт MIL-P-7575 (Связующее. Полиэфир. Прессование при низких давлениях) рекомендует параметры режима: Т = 162,8 °С; Р = 105 кПа; t=5 мин. Стандарт MIL-P-9300 (Связующее. Эпоксиды. Прессование при низких давлениях) предлагает температурный режим в соответствии с видом смолы при Р = 210 кПа и = 5 мин. Стандарт MIL-P-25506 (Связующее. Силикаты. Прессование при низких давлениях) требует применять режим предварительного отверждения в воздушном потоке при 110°С в течение 5 мин, а затем само прессование при Т = 175 °С, Р = 70 кПа и t = 5 мин. Стандарт MIL-P-25042 (Связующее. Полиэфиры. Устойчивость к высоким температурам. Прессование при низких давлениях) требует, чтобы было спрессовано четыре листа препрегов при Г = 162,8 °С, Р = 105 кПа и / = 5 мин. С другой стороны, стандарт MIL-P-9299 (Связующее. Фенольные смолы. Прессование при низких давлениях) указывает на необходимость использовать режимы отверждения, указанные в спецификациях поставщиков смол. Стандарт ASTM D3531-76 (Вытекание связующего из препрегов на основе углеродных волокон и. эпоксисвязующих) регламентирует методику определения количества вытекающего связующего из препрегов на основе листов или матов при соответствующих давлениях и температурах. Из препрега вырезается квадрат со стороной 50 мм. Два слоя соединяются, взвешиваются 456 И заворачиваются в пленку. Образец помещается в разогретый пресс и прессуется под давлением 690 кПа в течение 15 мин или до точки гелеобразоваиия. В зависимости от вида связующего температура прессования выбирается 121 °С или 177 °С. После охлаждения пленка и облой удаляются, а образец вновь взвешивается. Процентное изменение массы образца относительно исходного веса соответствует проценту вытекания. Вытекание связующего в расплавных компаундах чаще всего определяют в соответствии со стандартом ASTM D731-67 (Измерение расплавного индекса термопластичных связующих). Этот метод обычно применяют для определения количества вытекшего связующего в плохотекущих материалах, используемых для расплавного прессования при средних и высоких давлениях. Используемые пресс-формы чашечного типа имеют ограничители, создающие облой или заусенцы толщиной не менее 0,14 мм. Расплав нагревается предварительно до 160 ± 1 °С и только затем подается давление. Давление повышают, пока образец не достигнет нужной толщины. Время вытекания (в секундах) фиксируется одновременно с показаниями гидравлических приборов (давления прессования) до того момента, когда толщина облоя достигнет 0,2 мм для материалов с ударной вязкостью по Изоду образца с надрезом (26,7 Дж/м) или 0,66 мм для материалов с ударной вязкостью по Изоду большей, чем 26,7 Дж/м. Этот метод может быть рекомендован для группового контроля (определение единства свойств и их воспроизводимость в партии), но не может быть применен для селективного и арбитражного контроля расплавных компаундов или конструкций из них. 24.4.3.4. Свойства отвержденных материалов Механические, физические, электрические и/или химические свойства определяются составом препрегов и особенностями их переработки Методы определения этих характеристик совпадают с методами испытаний отвержденных армированных пластиков и описаны ниже. 24.5. Методы испытаний литьевых и слоистых композитов В этой же главе рассмотрены методы определения физических, механических, электрических и химических свойств армированных пластиков и других аналогичных материалов. 24.5.1. Композиты из расплавов Большой интерес представляет рассмотрение типичных методов испытаний для компонентов, композитов, получаемых из расплавов. Военный стандарт MIL-M-14 (Пластики из расплавов и компоненты пластиков из расплавов, термопласты) распро- 24.5.MIL-M-I4. Методы испытаний расплавных компаундов Определяемый показатель Метод испытаний * Примечание Предел прочности при 1012 растяжении Предел прочности при 1021 Предел прочности прн 1031 Теплостойкость 1031 Ударная вязкость 1071 Влагопоглощение 7031 Температура потери 2011 устойчивости Сопротивление дуги 4011 Диэлектрическая по- 4021 стоянная Тангенс угла диэлек- 4021 трнческнх потерь Электрическая проч- 4031 ность Электрический пробой 4031 Объемное и поверхност- См. MIL-M-14 ное электрическое сопротивление Сопротивление образованию мостика Огнестойкость Стабильность размеров Токсичность прн нагревании ASTM 2303 ASTM D229 См. ниже AD297-457 Образцы размером 6,35 мм Отношение базы к толщине 16/1 Предел прочности прн продольном изгибе прн повышенных температурах (150 н 200 °С) Как сплошного образца, так и образца с надрезом С вариантами метода Поверхностные надрезы, вариант метода При 1 кГц и 1 МГц Прн 1 кГц и 1 МГц Кратковременный и с постоянным подъемом напряжения, с модификациями Кратковременный н с постепенным подъемом напряжения, с варнанта-мн метода Измерение прн комнатной температуре во влажной среде (и в камере с нагревом) С изменениями * FTMS-406, если отсутствуют другие обозначения. страняется на основные свойства расплавных компаундов (и их компонентов) и методы определения этих свойств. В него включены компаунды на основе фенольного, меламинового, полиэфирного, диаллилфталатного и силиконового связующих и армирую-, щих волокон. В качестве последних могут быть использованы стеклянные, асбестовые, минеральные и целлюлозные наполнители, полиакрилонитрильные и полиэтилентерефталатные волокна. Стандартные образцы для испытаний готовятся в соответствии с FTMS № 406 (см. табл. 24.3). Методы испытаний приведены в табл. 24.5. Стабильность размеров (формоустойчивость) образцов определяется в соответствии со стандартом MIL-M-14. Образцы подвергаются десятикратному циклическому нагреванию на воздухе. 458 Температура меняется от комнатной 23±1,1 °С до 125±5 °С. Влажность циркулирующего воздуха 50 ± 2 % при комнатной температуре. Перед началом испытаний образцы кондиционируются в течение 96 ч при 23±1,1 °С и 50±2 % относительной влажности. Длина образцов измеряется с точностью 0,025 мм. В течение цикла температура 125±5°С поддерживается в течение 48 ч, а комнатная (23±1,1 °С) - в течение 24 ч. После 10 циклов измеряется конечная длина образцов и рассчитывается (в процентах) изменение этой длины. Огнестойкость материалов определяется в соответствии со стандартом MIL-M-14, являющимся видоизменением стандарта ASTM D229 (Испытание жестких листов и пластин материалов, используемых для электрических изоляторов. Метод П. Огнестойкость). Для испытаний формуется образец размером 12,7Х X 12,7X127 мм. Ток в нагревательную спираль (охватывает образец) подается одновременно с подачей напряжения на дуговые электроды, расположенные горизонтально по обе стороны образца. Время изготовления (в секундах) без удаления газов при нагревании измеряется от момента включения энергии до загорания образца. После возгорания нагреватель и дуговые электроды обесточиваются. Время горения образца определяют как время, в течение которого образец продолжает гореть (пока не исчезнет пламя). Взвешивая образец до и после горения, определяют потерю массы. Вариант стандарта MIL-M-14 дает пять значений времени горения (пять испытаний образцов) в возрастающем порядке: Ti, Га, Г5. Рассчитываются отношения (Гд - 7\)/ /(Г^ Тх) и (Г5 - Т^)/{Т^ - Ti). Если эти величины превышают 0,642, тогда Т^ (или Т^) выпадает из ряда и исключается из рассмотрения. Время горения в этом случае рассматривается как среднее арифметическое из четырех значений. Необходимо заметить, что описанные испытания на огнестойкость проводятся на воздухе. Во время испытания вентилятор должен работать. Для космических программ аналогичные испытания проводятся в атмосфере кислорода, а часть их - и при давлениях больших, чем 0,1 МПа [11, 12]. В соответствии со стандартом MIL-M-14 определяется токсичность при нагревании. При испытаниях измеряются наличие и максимальная концентрация токсичных газов, которая должна быть меньше допустимой. Определяется содержание следующих газов: углекислого, угарного, аммония, альдегидов (например Н-СНО), цианидов (HCN), окислов азота в расчете на (NOj) и хлористого водорода. Для качественного проведения испытаний MIL-M-14 последние могут быть дополнены определением ряда свойств материалов в соответствии с другими спецификациями: Сопротивление ругт - FTMS 406, метод 4011; Диэлектрическая постоянная и фактор рассеяния (диэлектрические потери) -- FTMS 406, метод 4021; Электрическая прочность, ступенчатый подъем напряжений* - FTMS 406, метод 4031 (вариант); Предел прочности при изгибе - FTMS 406, метод 1031 (вариант); Ударная вязкость - F7A1S 406, метод 1071; Адсорбция воды - FTMS 406, метод 7031. 24.5.2. Слоистые пластики (ламинаты) Методы испытаний, применяемые для армированных слоистых пластиков (ламинатов), изложены в военном стандарте MIL-P-25421 (Пластические материалы. Системы. Стекловолокна - эпоксидные связующие. Прессование при низком давлении), в котором изложены требования к материалам, используемым в самолетостроении и других отраслях техники. Методы испытаний описаны в FTMS 406 (Пластики. Методы испытаний) (см. табл. 24.3), Физические свойства определяют плотность, содержание связующего и твердость по Барколу. Значения этих величин могут варьироваться в зависимости от требований заказчика. Определение механических свойств включает в себя измерение растяжения, поперечного сжатия, предела прочности при изгибе, а также модуль упругости при изгибе. Испытания проводятся: 1) при нормальных условиях: температура 23±1 °С и относительная влажность (после 4 дней экспозиции) 50±4 % (или без кондиционирования условий); 2) после кипячения образца в течение 2 ч в дистиллированной воде. В последнем случае образец охлаждается в воде и испытывается непосредственно после извлечения из нее. Если существуют сомнения в надежности таких испытаний, образец выдерживают в воде в течение 30 дней при комнатной температуре. 24.5.2.1. Методы испытаний по ASTM армированных слоистых пластиков ASTM D494. Экстракция в ацетоне расплавных или прессованных материалов иа основе феиольных смол; ASTM D1867. Медные проволоки, плакированные термореактивнымн лами-натами; ASTM DJ823. Травление и очистка электронзолиционных материалов для плакирования меди и электрические испытания термореактивных ламинатов; ASTM D286J. Гибкие композиты на основе медной фольги с пленкой диэлектрика или с обработанной тканью; ASTM D709. Слоистые термореактнвные материалы; ASTM D1532. Стеклопластиковые ленты на основе полиэфирного связующего; ASTM D3039. Механические свойства ориентированных композиционных волокнистых материалов при растяжении; ASTM С582. Слоистые армированные пластики для конструкций, используемых в химических отраслях; ASTM D2408. Стеклоткани. Очистка и последующая обработка амнносила-нами для использования в стеклопластиках; ASTM D2410. Стеклоткани. Очистка и последующая обработка комплексами хрома для использования в слоистых пластиках; ASTMD2660. Стеклоткани. Очистка и последующая обработка акрилоси- лаиами для использования в слоистых пластиках; ASTM D3098. Стеклоткани. Очистка и последующая обработка силанами с эпоксифункциональными группами для использования в слоистых пластиках; ASTM D2150. Ткани из стеклоровинга для стеклопластиков на основе полиэфиров. 24.5.2.2. Методы испытаний по ASTM для исследования физических свойств А STM D792. Плотность; ASTMD792. Удельный объем; ASTMD638. Предел прочности при растяжении и модуль упругости; ASTMD695. Предел прочности при сжатии и модуль при сжатии; ASTM D790. Предел прочности и модуль упругости при изгибе; ASTM D732. Предел прочности при сдвиге и модуль сдвига; ASTM D953. Долговременная прочность (долговечность); ASTM D256. Ударная вязкость (по Изоду); ASTMD952. Когезионная прочность; ASTMD785. Твердость (по Роквеллу); ASTM D2583. Твердость (по Барколу); ASTMD570. Адсорбция влаги. 24.5.2.3. Методы тпытаний по ASTM для изучения тепловых свойств ASTM С177. Теплопроводность; ASTM D696. Коэффициент теплового линейного расширения; ASTMCS51. ASTM D2766.Удельная теплоемкость. 24.5.2.4. Методы испытаний по ASTM для исследования электрических свойств ASTMD257. Сопротивление изоляции и объемное сопротивление; ASTMD149. Электрическая прочность; ASTM D150. Диэлектрическая постоянная и тангенс угла диэлектрических потерь (фактор потерь); ASTMD495. Дугостойкость. 24.5.2.5. Методы испытаний по ASTM для исследования химических свойств ASTMD543. Устойчивость к воздействию химических реагентов (кислот, щелочей, растворителей). При проведении испытаний слоистых пластиков на изгиб (если образцы получены методом вакуумного прессования) необходимо учитывать, что прочность зависит от особенностей расположения верхней и нижней сторон образца [13]. Показано также, что для слоистых пластиков на основе тканей сатинового переплетения механические свойства несимметричны относительно структуры ткани [13]. При формовании композитов эти свойства необходимо учитывать. В соответствии со стандартом ASTM D638 образцы для испытаний на растяжение изготавливают в виде пластин с утонением в зоне разрыва, либо удлиненными с утонением в зоне разрыва  Рис. 24.1. Стандартный образец с утонением для испы- таний на растяжение. Ширина образца плавно уменьшается к середине с 12,7 до 12,6 мм. Переход от центрального прямолинейного участка к крайним клиновидным участкам расширения выполнен по радиусу, равному 1/4 длины центрального прямолинейного участ! Рис. 24.2. Прямобокий образец с усиливающими накладками. Ширина образца Ь = 12,6 ... 12,7 мм. Усиливающие накладки А параллельны с точностью 0,5 мм, их кромки перпендикулярны поверхности образца в пределах ±3°. Материал накладок - восьмислойный текстолит 1002, адгезионный слой - клей типа Метл-бонд-329 , ориентация волокон текстолита относительно оси симметрии образца 45 и 135°, отверстия Б для фиксаторов зажимов имеют диаметр 4,8 мм гг,У±о,?5 70±и 76tl,3 17,ПОЛЛ \ 70±Г,3 е, но, 25 В соответствии с военной спецификацией {MIL) или со стандартом AMS (рис. 24.1). Образцы могут быть и прямоугольные с усиленными накладками концами (рис. 24.2), обычно применяемые при испытаниях особовысокопрочных композитов. Для текстолитов используются обычно удлиненные образцы с утонением в зоне разрыва, которые не занижают значения прочности и локализуют зону разрушения. Образцы с усиленными накладными концами используют в основном при испытаниях однонаправленных композитов на основе высокопрочных армирующих волокон [171. Модуль упругости при растяжении стеклопластиков так же, как и другие модули упругости, подразделяют обычно на первый и второй. Последнее связано с тем, что форма кривой напряжение - деформация может быть аппроксимирована двумя прямыми с различными углами наклона. Существует много видов испытаний образцов на сжатие. Недостатком большинства из них является либо разрушение концов образца в результате воздействия сдвиговых напряжений, либо расщепление концов образца при нагружений. Если концы образцов не обжаты либо обжаты частично, то предел прочности 462 при сжатии оказывается ниже, чем предел прочности при растяжении. Обжатие концов образца или модификация самих образцов дает возможность получить значения предела прочности при сжатии, вдвое превышающие предел прочности при растяжении. Испытания на изгиб являются самыми простыми видами испытаний. Результаты этих испытаний являются первичными при проведении контроля качества материалов. Соотношение база - толщина является наиболее значимым фактором при этом виде испытаний. В зависимости от природы и типа образца разрушение может происходить из-за растяжения, сжатия или сдвига. Испытания на сдвиг могут быть проведены большим числом способов. Ниже представлены типичные значения предела прочности при сдвиге, полученные различными способами для стеклопластика на основе ткани типа 181: МПа Межслоевой сдвиг (с надрезом)................ 12--15 Метод короткой балки (сдвиг по изгибу) ........... 48-84 Плоский сдвиг (метод рамки)................. 7-48 Рельсовйй сдвиг....................... 110 Сдвиг по Джонсону ..................... 48 Сдвиг кручением.......................Различные значения Наиболее полное описание современных методов изуче}1ля сдвига можно найти в монографии 114]. 24.6. Другие виды испытаний Ряд испытаний должен проводиться при повышенных температурах. Зависит это от типа композиционного материала и области его применения. Обычные композиты не должны терять прочность и модуль после получасовой экспозиции при температуре 71 °С. Композиционные материалы с повышенной теплостойкостью испытывают для определения предела прочности при изгибе при температуре 71° С после экспозиции при той же температуре в течение 0,5 ч. Предел прочности при растяжении и сжатии и начальный модуль упругости при изгибе таких материалов определяют при 260 °С после экспозиции образцов в течение 0,5 ч при температуре 288 °С. Испытания для определения предела прочности и модуля упругости при изгибе проводят при температуре 260 °С после 192 ч экспозиции образцов при той же температуре. Изучение электрофизических свойств композитов необходимо, если их эксплуатация проводится при излучении в радио- и СВЧ-диапазонах. Диэлектрическая постоянная и тангенс угла диэлектрических потерь определяются как при нормальных условиях, так и при повышенной влажности^. Для этих испытаний образец насыщается влагой путем погружения в воду на 24 ч. Для композитов, которые будут применяться при излучениях в радиодиапазоне, электрофизические свойства определяют при частоте 1 МГц в соответствии со стандартом FTMS 406 (метод 4021). Для композитов, применяемых при излучениях в СВЧ-диапазоне, те же свойства определяют на частотах 8500 ... 10 000 МГц, используя коротковолновую технику. В зависимости от вида композита методы испытаний могут несколько меняться, однако и сами испытания, и условия кондиционирования образцов могут быть включены в стандарт. Например, предел прочности при сдвиге (по FTMS 406, метод 104), многоцикловая прочность (по FTMS 406, метод 1051), ударная вязкость (по FTMS 406, метод 4071), адсорбция влаги (по FTMS 406, метод 7031) и огнестойкость (по FTMS 406, метод 2021) могут быть определены по указанным выше стандартам для слоистых пластиков. 24.6.1. Методы определения пожароопасных свойств Увеличение объемов применения пластиков в строительных конструкциях повышает интерес к исследованию пожароопасных свойств этих материалов [15]. Лаборатория The Underwriters Laboratories издала комплект документации по исследованию пожароопасных свойств (Бюллетень № 94), в который включены стандартные методы определения горючести материалов (образец расположен горизонтально). Там же приводятся и оценочные методы определения пожароопасных свойств (вертикальный образец), обеспечивающие сравнение различных материалов, но не позволяющие использовать данные этих испытаний при конструкторских разработках. В том же документе описываются методы определения способности образцов к возгоранию от источника тепла. В качестве такого источника использовались проволока, нагреваемая током, или электрическая дуга. Стандарт ASTM D635 разработан на метод измерения скорости, степени и времени горения пластиков в горизонтальном положении. Стандарт ASTM Е-84 описывает метод определения поверхностной горючести материалов в туннельной печи диаметром 2,4 м. Измерения кислородного индекса проводятся в соответствии со стандартом ASTM D2863, который зачастую вытесняет используемый в лабораториях бунзеновский метод сжигания. Кислородный индекс определяет, какая процентная доля кислорода из кислородно-азотной смеси необходима для поддержания горения вертикально стоящего образца, нагреваемого пламенем внешней газовой горелки с верхнего конца. Стандарт ASTM D2843 описывает в основном метод определения плотности дыма, возникающего при горении или термическом разложении пластиков. * Аналогичный способ UL-723 называют туннельным методом . 24.6.2. Дегазация и загрязнение Все больше армированных пластиков и других неметаллических полимерных материалов находят свое применение в конструкциях, поверхность которых весьма чувствительна к загрязнению летучими веществами, которые могут конденсироваться на ней. Оптические компоненты и поверхности термического контроля у искусственных спутников являются примерами такого применения и оказываются особенно чувствительными к таким явлениям, если их температура становится ниже, чем у соседних конструкций. Как следствие, основным методом изучения этих свойств является измерение потери массы и конденсация летучих в вакууме. Стандарт ASTM Е595-77 описывает методы испытаний, заключающиеся в использовании техники экранирования для оценки пригодности материалов или для изучения изменения свойств материалов во времени. После кондиционирования в течение 24 ч при температуре 23 °С и относительной влажности 50 % образцы выдерживают в вакууме при 125 °С в течение 24 ч. Часть паров, выделяющихся из образца, проходит через камеру коллектора, где пары конденсируются на тарелках коллектора при температуре 25 С. Общая потеря массы (ОПМ) и сконденсированных летучих (СЛ) определяется взвешиванием образца и коллектора до температурной экспозиции в вакууме и после нее. После взвешивания образца для определения ОПМ может бьп-ь определено и равновесное Содержание влаги (РСВ). Для этого образец вновь экспонируется при Г = 23 °С и 50 %-ной относительной влажности в течение 24 ч. После экспонирования образец взвешивается и определяется масса влаги, сорбированной образцом. 24.6.3. Стабильность размеров (формоустойчивость) Композиционные материалы на основе углеродных и арамидных волокон имеют очень низкий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР). Использование этого свойства обеспечивает высокую стабильность размеров изделий в широком интервале температур и других внешних условий. Существует много методов точного определения размеров и изменения размеров .образцов [16]. Тензометрические приспособления (проволока, фольга), изменяющие свое сопротивление при деформировании, позволяют измерять средние деформации в одном, двух или трех направлениях. Линейный переменно-дифференциальный преобразователь (ЛПДП) позволяет измерять изменение длины образца меньшее, чем 10 * м. В большинстве дилатометров ЛПДП является чувствительным элементом и, следовательно, его точность определяет предельную точность определения изменений длины. На это накладываются ошибки за счет контактов, перемещения частей преобразователя, трения, неровностей и тепловых эффектов в ЛПДП. Электрооптические методы основаны в основном на применении автоколлимационной техники, позволяющей детектировать малые угловые отклонения пучка света при перемещении отражающей поверхности. Расширение образца при нагревании может быть зафиксировано и методом оптического рычага . Для бесконтактных измерений могут быть использованы и пучки оптических волокон. Интерферометры различного типа, особенно лазерные, могут быть использованы для определения изменений длин образцов в процессе внешних воздействий. Интерферометр объединяет два или более пучков света, полученных методом расщепления исходного пучка. Интенсивность каждого из пучков света и общего потока зависит от длины пути, пройденного светом. При изменении этого пути меняется интерференционная картина. 3. 4. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 14. 15. 16. 466 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Epstein G., Testing Considerations for High-Performance Filament-Wound Structures*, Paper No. 440, ASTME Collected Papers 62, Book 2, 1962. Kriener J. H. and Almon M., A Study of Environmental Effects on Aerospace Grade Composites*, In: Advanced Composites Technology, Technology Conferences Associates, Box 842, El Segundo, California, March 1978. National Association of Corrosion Engineers, Managing Corrosion Problems with Plastics, Houston, Texas, 1975. Moon D. P., Shinn D. A. and Tyler W. S., cUse of Statistical Considerations in Establishing Design Allowables for Military Handbooks*, 5th Reliability and Maintainability Conference, July 18, 1966. Resin, Polyester, Low-Pressure Laminating*, Military Specification MIL-R-7575C, June 29, 1966. SP1 Procedures for Running Exotherm Curves - Polyester Resins , September 1960. Calderwood R. H., Some Factors which Determine Glass Reinforced Polyester Laminate Quality*, 16th Annual Technical and Management Conference, Reinforced Plastics Division, SPI, Chicago, Illinois, February 1961. Advanced Composites Technology, Technology Confernces Associates, Box 842, El Segundo, California, March 1978. Evaluation Techniques for Fibers and Yarn Used by the Fibrous Materials Branch, Nonmetallic Materials Division, Air Force Materials Laboratory*, AFML-TR-67-159, September 1967. AFML-TR-65-366, December 1965. АроПо Spacecraft Nonmetallic Materials Requirements*, NASA Document MSC-PA-D-67-13, NASA Manned Spacecraft Center, February 9. 1968. ASTM D2863-77, Measuring the Minimum Oxygen Concentration to Support Candlelike Combustion of Plastics (Oxygen Index)*. Lubin G. and Tappe W. C, (Factors Causing Scatter and Unreliable Design Data for Fiberglass Fabric Laminates for Aerospace Applications*, 22nd Annual Technical Conference, Reinforced Plastics Division, SPI, Washington, D. C, January 31 - February 3, 1967. Pagano N. J., AFML Technical Memorandum MAN 67-16, September 1967. Reymers H., New Flammabllity Indexes and What They Mean*, Modern Plastics, October 1970. Wolff E. 0., Measurement Techniques for Low Expansion Materials*, In: 9th National SAMPE Technical Conference 9, October 4-6, 1977. 17. Dastin S., Lubin G., Mungak J. and Slobodztnskl A., cMechanical Properties and Test Techniques for Reinforced Plastic Laminates*, Technical Publication No. 460, ASTM, 1970. Дополнительная литература no испытаниям армированных пластиков Beach n. Е., Defense Specifications and Standards for and Relating to Reinforced Plastics*, PLASTEC Note 3 (AD402-225), Picatinny Arsenal, Dover, New Jersey, March 1963. Beach n. E., Government Specifications and Standards for Plastics, Covering Defense Engineering Materials and Applications*, PLASTEC Note 6 (AD410-401), Picatinny Arsenal, Dover, New Jersey, May 1963. Beach n. E., Guide to Test Methods for Plastics and Related Materials*, PLASTEC Note 17, Picatinny Arsenal, Dover, New Jersey, August 1967. Beach n. E., Plastic Laminate Materials - Their Properties and Usage, Foster Publishing Co., Long Beach, California, 1967. Boiler K. H., eStrength Properties of Reinforced Plastic Laminates at Elevated Temperatures)), ASD TR61-482, 1962. Comparison of United States and British Methods for Testing Plastic Materials*. PLASTEC Note N32 (AD A034-734), Picatinny Arsenal, Dover, New Jersey, September 1976. Composite Materials: Testing and Design, STP 617 (ASTM), 1977. Environmental Effects on Advanced Composite Materials, STP 602 (ASTM), 1976. Epstein G., Testing Considerations for High-Performance Filament-Wound Structures*, American Society of Tool and Manufacturing Engineers, Paper No. 440, 1962. ePilament-Wound Reinforced Plastics: State of the Art*, Special Report No. 174, Materials in Design Engineering, August 1960. A Glossary of Physical Properties and Tests*, Manual No. 159, Materials in Design Engineering (now Materials Engineering), June 1959. lnternational Symposium on Plastics Testing and Standardization*, ASTM Special Technical Publication No. 247, 1959. Kobler, Ruth S. and McNally, Cecilia U., Guide to Specifications for Rigid Laminated Plastics*, PLASTEC Report 7 (AD276-142), Picatinny Arsenal, Dover, New Jersey, March 1962. Lever A. E. and Rhys J., The Properties and Testing of Plastics Materials, Chemical Publishing Co., New York, 1962. Litvak S., ((Conference on Structural Plastics, Adhesives and Filament Wound Composites*, ASD-TDR-63-396, December 1962. Mechanical Properties and Tests, Manual No. 106, Materials and Methods (now Materials Engineering), July 1954. Oleesky S. S. and Mohr J. G., Handbook of Reinforced Plastics. Van Nostrand Reinhold Co., New York, 1963. Frados J., ed.. Plastics Engineering Handbook, Society of the Plastics Industry, Van Nostrand Reinhold Co., New York, 1976. Simulated Service Testing in the Plastics Industry, STP 375 (ASTM), June 1964. Thirty-third Annual Technical Conference, Reinforced Plastics/Composites Institute, the Society of the Plastics Industry, 1978. Неразрушающие методы контроля Anzalone A. M., The Application of Nondestructive Testing to Plastics*, PLASTEC Note 1 (AD 261-550), Picatinny Arsenal, Dover, New Jersey, July 1961. ASTM Fourth Pacific Area National Meeting, October 1962. Baldanza n. Т., А Review of Nondestructive Testing for Plastics: Methods and Applications*, PLASTEC Report 22, Picatinny Arsenal, Dover, New Jersey, August 1965. Nondestructive Testing: Trends and Techniques*, NASA SP-5082, October 1966. Samping Procedures and Tables for Inspection by Attributes*, Military Standard MIL-STD-105. eSampling Procedures and Tables for Inspection by Variables for Per Cent Defective*, Military Standard MlL-STD-414. sTentative Recommended Practice for Sampling of Plastics*, ASTM D1898-68. 25. НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ АРМИРОВАННЫХ ПЛАСТИКОВ Дж. Эпштейн 25.1. Введение ч Целью методов неразрушающего контроля (МНК) является определение и измерение отклонений от нормы свойств материала и обнаружение его скрытых дефектов без разрушения изделия . К этим же методам относятся виды испытаний, не разрушающие и не повреждающие образцы материалов. Годность образца зависит от инженерной оценки и от корреляции между наблюдаемыми дефектами и величинами определяемых параметров. МНК играют важную роль при создании конструкционных и защитных материалов, помогая определить их целостность, надежность и безопасность [1 ]. В докладе [2] представлен широкий обзор существующих МНК для пластиков [3,4]. 25.2. Визуальные методы неразрушающего контроля Внимательный визуальный осмотр является одним из распространенных МНК- Дефектами, которые можно наблюдать, являются: разнооттеночность (следствие перегрева), посторонние включения, трещины, царапины, зазубрины, пузыри, апельсиновая корка - шероховатая фактура поверхности, точечная коррозия (питтинг), воздушные пузыри, поры, натеки связующего и непропитанные участки, пустоты и расслоения. Наблюдения могут проводиться с использованием различного освещения и приборов. Отраженный свет используется для определения дефектов на поверхности; проходящий свет (если материал может быть просвечен) позволяет обнаруживать дефекты внутри образцов. Особенностью визуальных МНК является возможность обнаружения только сравнительно больших дефектов, которая зависит от квалификации контролера. Стандарт ASTM D2563-70 (Классификация визуальных дефектов в стеклопластиках и изделий из них) уточняет ряд деталей этого метода. Важность МНК была отмечена в следующем заявлении представителя ВВС США Г.Эстера в его обращении к 10-му Национальному симпозиуму по контролю качества н надежности: Мы не можем позволить себе разрушать готовое нзделне для оценки его качества, поэтому мы должны приспособить неразрушающие методы контроля для решения проблемы надежности . Визуальные МНК применяются не только для армированных пластиков. Использование композитов в сандвичевых конструкциях вызывает необходимость и в этом случае применять такие методы контроля. Визуальный осмотр непосредственно после отверждения еще не остывших сотовых сандвичевых конструкций позволяет обнаружить пузыри, непроклеенные участки или расслоенные участки. Эти пузыри могут исчезнуть после охлаждения конструкции при пониженном давлении. Когда необходимо определить визуально наличие или отсутствие открытых пор в слоистых пластиках, желательно использовать специальные световые установки, которые могут помочь увидеть дефекты в структуре. Однако таким способом в основном могут наблюдаться только большие дефекты. Установление места наблюдаемого дефекта является одной из задач оценки качества проверяемой детали. Только большими усилиями можно провести корреляцию между различными по типу и размеру дефектами и характеристиками армированных композитов [5]. Инженерная оценка и предварительные испытания обычно используются только для установления средних приемлемых критериев. 25.3. Ультразвуковые методы диагностики Один из распространенных МНК, использующих акустическую энергию на частотах выше 20 кГц, называется ультразвуковым. Чаще всего используются частоты от 100 кГц до 25 МГц. Более низкие частоты, относящиеся к области слышимого звука, имеют длину волны, сравнимую с размером дефекта, и звук как бы обтекает дефект. Надежные методы генерации и детектирования ультразвуковых волн особенно пригодны для обнаружения малых дефектов [6]. Картины С-сканирования (в плоскости волны) для образцов стеклопластика, полученных намоткой, демонстрируют возможность обнаружения несвязанных или неармированных участков, например пустот размером 6 мм или более [7]. Темные полосы на картине соответствуют дефектам. Когда ультразвуковые волны достигают границы раздела или места обрыва волокна, часть их отражается. Суммарная отраженная энергия зависит от удельного акустического сопротивления Z, характерного для данного материала, в котором распространяется ультразвуковая волна со скоростью о, и от плотности материала р. Энергия акустического сигнала, проходящего через образец, уменьшается в результате поглощения в самом материале и отражения на дефектах. Детектирование (локация) дефектов проводится путем оценки различия в пути, а следовательно, и в потере энергии отраженных и (или) прошедших ультразвуковых волн. На практике импульс от генератора сигналов передается по коаксиальному кабелю на пьезоэлектрический преобразователь, который трансформирует электрический сигнал в механический. Передача механической энергии от источника к образцу осуществляется через среду, улучшающую акустический контакт: воду, глицерин, масло, водные эмульсии. Кроме того, иногда используются резиновые прокладки или локальные источники воды; используются и увлажненные резиновые прокладки. Звуковой сигнал, прошедший образец и отраженный в нем, детектируется приемником, вновь преобразующим энергию механических колебаний в электрический сигнал. Этот сигнал анализируется и выводится на визуализирующее устройство, например на экран электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) или на анализатор сканирующего типа. Ультразвуковой эхо-импульсный метод неразрушающего контроля построен на принципе обнаружения сигналов, отраженных от нарушений сплошности для локации места дефекта. Для этого метода достаточен доступ только с одной стороны образца. Дефект определяется, если сигнал отразился ранее, чем достигнута задняя по отношению к датчику поверхность образца. Дефект наблюдается в виде дополнительного импульса, расположенного между импульсом исходным и отраженным от задней поверхности. Зная скорость распространения звука в материале образца, по положению промежуточного импульса относительно исходного можно провести локацию дефекта в образце. При сквозном прозвучивании материала измерения производят после прохождения ультразвука через образец. Необходим двусторонний доступ, т. е. ультразвуковые преобразователи расположены по обе стороны от образца. Уменьшение энергии в результате наличия дефекта определяется по уменьшению амплитуды импульса на экране ЭЛТ. Методом сквозного прозвучива-ния проверяются в основном более толстые материалы, чем при эхо-импульсном способе. Оба вышеизложенных метода позволяют определять наличие в изделиях несплошностей больших размеров и проводить их локацию только в направлении, перпендикулярном направлению распространения ультразвука. Однако не менее важно определять малые дефекты армирующего компонента, пузыри, места с недостатком связующего, пористость. Обнаружить такие дефекты можно по затуханию ультразвука при сквозном прозвучивании образца. Для этих целей может использоваться также ультразвуковой эхо-импульсный метод, однако образцы не должны быть слишком тонкими, так как исходный и отраженный от задней поверхности импульсы могут интерферировать. Но образец не должен быть и очень толстым, поскольку на результате сильно сказывается затухание отраженного импульса даже для свободных от дефектов образцов. 470 Техника ультразвуковых сдвиговых колебаний используется для контроля изделий сложной формы там, где неэффективны сквозное и эхо-импульсное прозвучивания. В этом случае сигнал посылается под углом 17,5 ... 30 к нормали. Если дефекты отсутствуют, волны, отражаясь от поверхностей образца, затухают, т. е. к источнику сигнал не возвращается. При наличии дефекта появляется отраженный сигнал, который будет зарегистрирован преобразователем [8]. Кроме локации (обнаружения) дефектов с помощью ультразвуковых методов можно определять толщину материалов. Сквозное прозвучивание и эхо-импульсный метод позволяют определять толщину стеклопластиков с ошибкой не более 2 % при толщине 3,2... 1,3 мм [9]. Для меньших толщин эхо-импульсный метод непригоден из-за возможной интерференции, а метод сквозного прозвучивания используют и на более толстых образцах. Резонансный метод ультразвукового контроля основан на детектировании изменения резонансной частоты или уменьшения энергии на резонансной частоте вследствие наличия дефектов в армированных пластиках. Исходно определяемая резонансная частота зависит от состава материала и толщины образца. Изменения в составе и (или) толщине образца сказываются на чувствительности метода и на локационном разрешении дефекта. С помощью этого метода можно определять также и толщину образца: где \ - резонансная длина волны; п - число, соответствующее гармонике данных колебаний (основной гармонике - резонансу - соответствует я = 1). Изменение скорости прохождения ультразвука при известной толщине образца может служить для определения изменения плотности и модуля упругости [101, исходя из соотношения Р L(l+v)(l-2v)J где Vl - скорость распространения продольных волн; Е - объемный модуль упругости; р - плотность материала; v - коэффициент Пуассона. Для стеклопластиков на основе 5-стеклотка-ней типа 181 с эпоксидными, фенольными, полиэфирными, силиконовыми, а также полибензамидазольными (ПБИ) связующими в отчете AVCO рекомендуется соотношение Vlp = 0,0124£, где Vl - продольная скорость распространения волны, измеряемая в плоскости слоя. Измерения продольной скорости распространения ультразвуковых колебаний Vi, при сквозном прозвучивании образца дают достаточно хорошую корреляцию с пределом прочности при ра- стяжении для стеклопластикового цилиндра, армированного короткими волокнами [11]. Аналогично измерение продольной скорости распространения волны в направлении армирования для однонаправленных борэпоксидных композитов (ЭБП) коррелирует с переделом прочности этих материалов при сдвиге [12]. В обоих случаях высокой продольной скорости распространения волн соответствует высокая прочность материалов, в то время как для модуля упругости этот параметр зависит еще и от плотности. Широкие исследования ультразвуковых МНК для намоточных композитов были проведены фирмой Дуглас по заказу ВВС США [13]. Техника сквозного прозвучивания была приспособлена для образцов толщиной 508 мм с использованием воды в качестве иммерсионной жидкости для акустического контакта. Определялись дефекты, связанные с нарушением армирующего компонента, пористостью и изменением состава связующего. Надежно удавалось фиксировать обрывы нитей при намотке сосудов высокого давления. Определение глубины проникновения трещин в материал и классификация типов трещин проведены Бар-Коэном [14] с помощью варианта эхо-импульсного метода с очень коротким ударным импульсом . На ЭЛТ выводится сигнал образца, в котором отсутствуют дефекты. При дальнейших измерениях участки с дефектами вносят изменения в картину на экране ЭЛТ. Могут на-, блюдаться следующие изменения: дополнительные отражения сигнала, изменение скорости его прохождения, вариации затухания или смещение фазы отраженного сигнала. Этот метод применялся для оценки сандвичевых конструкций, состоящих из угле-пластиковых слоистых обшивок и сотового алюминиевого заполнителя. Исследовалась возможность определения дефектов различного типа, включая нарушение сплошности в слоистом пла-, стике, несвязанные (непроклеенные) участки между обшивкой и заполнителем и расхождение между концами волокон в слоистой обшивке. Следующие стандарты Американского общества (ASTM) по испытаниям материалов излагают ультразвуковые неразрушающие методы контроля: ASTM Е113-67. Ультразвуковой контроль резонансным методом; ASTM Е114-75. Ультразвуковой коротколучевой эхо-импульсный контактный метод контроля; ASTM Е214-68. Иммерсионный ультразвуковой метод контроля, использующий отражение импульса продольной волны; ASTM Е317-68. Оценка технологических характеристик с помощью ультразвукового эхо-импульсного метода; В оригинальном тексте используется термин shock wave - ударная волиа , хотя скорость распространения считается звуковой, что не соответствует определению ударной волны, фронт которой распространяется со скоростью, большей скорости звука. - Прим. пер. ASTM Е494-75. Измерение скорости прохождения ультразвука в материалах. В военно-морской лаборатории прикладных исследований США был опубликован ряд сообщений о возможностях использования ультразвуковой техники для неразрушающего контроля армированных пластиков различных типов [15]. Центр по исследованию материалов армии США (шт. Массачусетс, г. Уотертаун) издал обзор по методам ультразвуковых испытаний (А report guide to ultrasonic testing literature, v. I, March 1966). Прибор Фоккербондтестер , созданный голландской фирмой Фоккер , использует ультразвуковой резонансный метод, включая пьезоэлектрические преобразователи колебаний в широком интервале частот. Были предложены другие разработки в виде приборов Коиндаскоп , Стабметер и Сонизон . При контроле образцов весьма существенное влияние оказывает контакт преобразователя колебаний с образцом. Обычно используемая схема включает вольтметр (Б-шкала), фиксирующий общее затухание преобразователя. Визуа.тизация на экране ЭЛТ позволяет выделить резонансную частоту. Прибор Фоккербондтестер широко используется для неразрушающего контроля адгезионно связанных конструкций. Наиболее эффективно он используется для определения качества адгезионных соединений металлов с металлами. Успехи достигнуты и при определении качества сотовых сандвичевых структур, для выявления несвязанных участков [16]. При определении качества продукции такие приборы градуируются по образцам, в которых дефекты отсутствуют. Для сандвичевых конструкций качество адгезионных связей металла с металлом в плоскости растяжений определяет сдвиговые характеристики материала. Качество таких связей определяется по амплитуде колебаний на резонансной частоте (Л-шкала) и по затуханию максимальной амплитуды (В-шкала). 25.4. Звуковые методы контроля В звуковом методе используются колебания в слышимом диапазоне частотой от 10 Гц до 20 кГц. Методы, относящиеся к этой технике, позволяют определить наличие больших трещин или расслоений. Чистый, звенящий звук характерен для хорошо связанной, твердой структуры. Глухой, быстро затухающий звук является признаком расслоения в композите или наличием протяженных участков пустот (малые поры не могут детектироваться звуковыми методами). Кроме того, операции прозвучивания могут выполняться на автоматизированной аппаратуре, что облегчает проверку и увеличивает эффективность контроля. Так, например, Флометер является электронной испытательной аппаратурой, контролирующей силу выталкивания и время задержки. Сигнал с микрофона подается на дисплей для визуального наблюдения [17]. Прибор используется для контроля лопастей винтов вертолетов. При наличии несвязанных (расслоившихся) участков частота сигнала падает и волна может вообще затухнуть. В то же время в материале без дефектов практически не происходит изменения частоты. Звуковой резонатор, разработанный фирмой Роквелл , используется для локации плохо связанных областей в сандвичевых конструкциях с сотовыми заполнителями. Как и в предыдущем способе, обнаруживаются только большие дефекты. Вибрация задающего кристалла вызывает акустические колебания всего изделия. Резонанс наступает, когда собственные колебания изделия (образца) совпадают с частотой задающего устройства. Для улучшения акустического контакта между образцом и кристаллом необходимо использовать иммерсионные жидкости: глицерин, воду и т. д. Дефекты влияют на локальные упругие свойства и, соответственно, на определяемые ими характеристики колебаний, что приводит к изменению воздействия на кристалл вибратора. Результат такого изменения, преобразованный электронной схемой прибора, визуализуется на экране или выводится на запись. Для проведения такого контроля необходим доступ только с одной стороны. В способе Эдди-Соник [181 для возбуждения колебаний используются вихревые токи. Соответствующий акустический отклик позволяет определять местоположения дефекта. В этом случае нет необходимости в контакте образца и преобразователя. Не используются при этом и жидкости или масла. Однако для возбуждения вихревых токов в структуре образца должны быть предусмотрены проводники электрического тока . Метод резонансного прозвучивания, как МНК для определения дефектов в сотовых конструкциях с облицовками из армированных пластиков, был использован для контроля абляционных удлинителей сопл ракетных двигателей [19]. Было показано, что обнаруживаемые дефекты расслоения как в наружной, так и во внутренней облицовке из стеклоламината на основе фенольной смолы при измерении с одной стороны удлинителя имеют размер не менее 6,45 см. Могут быть определены и нарушения адгезионной связи облицовочных слоев (обшивок) с сотовым заполнителем. Акустическую связь головки с изделием обеспечивала липкая пленка Майлар (металлизированная полиэфирная пленка). Попытка использовать для акустической связи очищаемое покрытие ставит другие проблемы - на поверхности ламината после удаления покрытия остаются следы, ухудшающие качество изделия. Колебания окружающей температуры при этом методе контроля делают показания приборов неустойчивыми и их нужно избегать. * Материал включения должен не только обладать проводимостью, но и быть магнитным. - Прим. пер. Звук (шум), генерируемый и во время простого нагружения образцов армированных пластиков, может быть индикатором появления разрывов или трещин. Изменение интенсивности и уровня звуковых импульсов сопровождает развитие трещин в структуре, эти области разрушения могут быть определены с помощью специальной аппаратуры. Такая методика не отно= сится, конечно, к области неразрушающего контроля. Для ее осуществления необходимо приложить нагрузку, которая, в свою очередь, часто приводит к снижению свойств и даже к разрушению исходной структуры материала. Установлено, что во время гидроиспытаний при уровне нагрузки ниже разрушающей может быть получена корреляция между предельной нагрузкой и уровнем шумов. Испытания проводились для сосудов высокого давления и корпусов ракетных двигателей. А. Грин и др. [20] использовали метод акустической эмиссии для комплексной проверки камер ракетных двигателей Поларис A3 , полученных методом намотки стеклонитью. Акустическая эмиссия использовалась и для композитов, армированных борными волокнами. Было показано, что существует возможность идентификации разрушения волокон, растрескивания матрицы и разрушения на границе раздела слоев при приложении нагрузки к образцу [21 . Акустические преобразователи должны иметь хорошую связь с поверхностью образца во время испытаний. Для этой цели существуют специальные приспособления. Описание аппаратуры и анализ метода акустической эмиссии приведены в работе Ч. Бейли [22]. Следующие стандарты ASTM регламентируют применение метода акустической эмиссии: ASTM Е569-76. Применение метода акустической эмиссии при контрольных нагружениях; ASTM Е610-77. Определение терминов акустической эмиссии. 25.5. Радиография Радиография позволяет исследовать внутреннюю структуру твердых материалов, делая ее видимой. Для этого образец помещается между источником проникающего излучения и регистратором теневого изображения этого образца. Прошедшее образец излучение фиксируется на фотопленке или на фотопластине, находящейся сразу за образцом. Внутренние поры и разрывы сплошности уменьшают количество твердого вещества на пути излучения, а следовательно, для фотопленок появляется возможность локации этих повреждений, так как в этих местах интенсивность излучения выше и фотопленка будет засвечена сильнее. В результате на регистрирующей пленке темные пятна соответствуют дефектам, а интенсивность засветки таких областей при одинаковой экспозиции и толщине может определять глубину их расположения в материале. 1 ... 20 21 22 23 24 25 26 ... 29 |
 |
 |