Определение сдвиговых характеристик полимерных композиционных материалов

Слоистые полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе углеродного волокна и эпоксидного связующего широко применяют в конструкции пассажирских самолетов. Из ПКМ выполняют как слабонагруженные, так и основные силовые элементы планера самолётов. В производстве уровень механических характеристик для всех силовых элементов из ПКМ должен быть подтвержден экспериментальными данными — испытаниями образцов-свидетелей. Одна из важнейших характеристик слоистого композиционного материала — способность воспринимать сдвиговые нагрузки в плоскости пакетов слоев (ламинатов). Для определения характеристик сдвига используют стандартные методы испытаний — по ASTM D5379 и ASTM D7078. Эти методы позволяют установить свойства при сдвиге композиционных материалов на основе полимерной матрицы, усиленной высокомодульным волокном. В целях выбора оптимального для выходного контроля изделия метода испытаний проведены сравнительные испытания по обоим стандартам. Приведены преимущества и недостатки рассматриваемых методов. Для испытаний были изготовлены образцы из стенки и зоны припуска лонжерона, на которых определяли значения разрушающих напряжений и модуля сдвига по каждому методу. Результаты испытаний показали, что разрушающие сдвиговые напряжения в материале, полученные по ASTM D7078, значительно (в 1,8 раза) превосходят определенные по ASTM D5379. При этом модуль упругости отличается незначительно — в 1,1 раза. Это объясняется чувствительностью результатов испытаний к методу нагружения и качеству изготовления образцов. При растяжении по ASTM D7078 нагрузка передается через лицевые поверхности образцов, имеющие высокое качество за счет оснастки или вакуумного мешка. При сжатии по ASTM D5379 критичным становится параллельность граней, через которые распределяется нагрузка. Кроме того, на результаты испытаний по ASTM D5379 оказывает влияние толщина образца — чем она больше, тем выше модуль сдвига. На основании полученных результатов сформулированы рекомендации по применению методов определения сдвиговых характеристик слоистых ПКМ.

1. Baker A., Dutton S., Kelly D. Composite Materials for Aircraft Structures. Second Edition. — AIAA, Inc., 2004. — 569 p.

2. Kablov E. N. Aviation materials science: results and prospects / Vestn. RAN. 2002. Vol. 72. N 1. P. 3 – 12 [in Russian].

3. Tomblin J. S., Ng Y. C., Raju K. S. DOT/FAA/AR-03/19 Material Qualification and Equivalency for Polymer Matrix Composite Material Systems: Updated Procedure. — FAA, Office of Aviation Research. Washington D. C., 2003. — 125 p.

4. Peters S. T. Handbook of Composites. Second Edition. — London: Chapman & Hall, 1998. — 1118 p.

5. Hodgkinson J. M. Mechanical Testing of Advanced Fibre Composites. — Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2000. — 362 p.

6. Chaterjee S., Adams D., Oplinger D. W. DOT/FAA/CT-93/17 Test Methods for Composites a Status Report. Vol. III. Shear Test Methods. — FAA Technical Center, 1993. — 181 p.

7. Carlsson L., Adams D. F., Pipes R. B. Experimental characterization of advanced composite materials. 3rd ed. — CRC Press LLC, 2003. — 350 p.

8. ASM Handbook. Vol. 21. Composites. ASM International, 2001. — 2605 p.

9. Zureick A., Nettles A. T. Composite Materials: Testing, Design, and Acceptance Criteria. — ASTM International, 2002. — 274 p.

10. Composite Materials Handbook (CMH-17). Vol. 1. Polymer Matrix Composites Guidelines for Characterization of Structural Materials. — SAE International, 2012. — 722 p.

11. ASTM D4762-11. Standard Guide for Testing Polymer Matrix Composite Materials.

12. ASTM D5379. Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by the V-Notched Beam Method.

13. ASTM D7078. Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by V-Notched Rail Shear Method.

14. http://www.sophiahightech.com/astm-d7078-testing-fixture

15. https://www.ssi.shimadzu.com/industry/automotive-materials- testing/composites/ASTM-D5379.html