Руководство по методам испытаний композитных материалов

Алан Томас, маркетинг, ZwickRoell UK

По сравнению с обычными материалами современные композитные материалы могут обеспечить такие преимущества, как улучшенное соотношение прочности к весу и повышенная долговечность компонентов. Однако прежде чем эти материалы будут внедрены в производственный процесс, их необходимо тщательно протестировать и подтвердить их эффективность.

Полная характеристика свойств композитных материалов для использования в сложных условиях требует проведения ряда механических испытаний. Определение механических свойств требует испытаний на растяжение, сжатие и сдвиг.

При квалификации и разработке материалов другие испытания используются для определения более сложных свойств, таких как растяжение/сжатие в открытом стволе, вязкость межламинарного разрушения, сжатие после удара и усталость. Испытания необходимо проводить в диапазоне температур на образцах, которые могли подвергаться воздействию различных условий окружающей среды, таких как высокая влажность или погружение в жидкости.

Испытание композитов для авиационно-космического применения представляет собой одну из самых сложных областей испытаний. Лаборатории, проводящие испытания композитов для аэрокосмической отрасли, сталкиваются с серьезными проблемами, в том числе: обеспечение проведения испытаний в соответствии с широким спектром стандартов; способность продемонстрировать точное выравнивание захватов и приспособлений, а также способность эффективно менять испытательные приспособления для охвата широкого спектра испытаний, а также обеспечение правильной испытательной среды.

Процедуры комплексных испытаний стандартизированы различными организациями. Основными международными стандартами испытаний композитов являются стандарты ASTM, ISO и CEN.

Помимо международно признанных стандартов, широко используются «внутренние» стандарты производителей, в том числе стандарты Airbus и Boeing. Во многих случаях методы испытаний, описанные в разных стандартах, по сути одинаковы, но существуют некоторые существенные различия в размерах образца и приспособления.

Кроме того, аудиторские органы, такие как Nadcap, дополнительно определяют критерии эффективности, например соответствие испытательного оборудования.

Испытание на растяжение в плоскости простых композитных ламинатов, вероятно, является наиболее распространенным испытанием, но испытания на растяжение также проводятся на пропитанных смолой пучках волокон, образцах по толщине и секциях материалов сэндвич-сердечника.

Образцы для испытаний на растяжение имеют параллельные стороны и приклеены выступы, чтобы предотвратить повреждение материала губками и преждевременный выход из строя. Захватные устройства включают ручные и гидравлические клиновые захваты, а для сложных аэрокосмических испытаний обычно предпочтительны гидравлические клиновые захваты из-за их управляемости и повторяемости.

Однако хорошо спроектированные механические клиновые захваты также могут обеспечить хороший уровень выравнивания. Гидравлические захваты для испытаний в условиях окружающей среды часто размещают гидравлические компоненты за пределами температурной камеры в целях безопасности и надежности.

Точное выравнивание захватов и образца чрезвычайно важно при испытании композиционных материалов, поскольку анизотропные свойства, такие как модуль и прочность материала, различаются в зависимости от направления приложенного напряжения и часто носят хрупкий характер. Регулируемые приспособления для выравнивания гарантируют, что испытательные системы соответствуют критериям выравнивания, необходимым для надежных испытаний композитов и требованиям специальных программ аудита, признанных в аэрокосмической отрасли, таких как Nadcap.

Приспособления для выравнивания должны позволять регулировать как концентричность, так и угловатость, пока нагрузочная колонна машины находится под нагрузкой. Широко распространенный метод проверки соосности под нагрузкой заключается в использовании тензометрического образца для соосности. Образец для выравнивания должен иметь размеры, максимально приближенные к испытуемым образцам, и образец для выравнивания должен быть оснащен группами тензодатчиков.

Доступно специально разработанное программное обеспечение, позволяющее отображать ошибки изгиба, концентричности и угловатости. Программное обеспечение определяет необходимые корректировки и отображает результат корректировок, обеспечивая быструю и точную настройку испытательной машины.