Що таке композити?
Композити або волоконно-композитні матеріали складаються принаймні з двох макроскопічно диференційованих матеріалів, які з'єднані один з одним з основною метою поліпшення властивостей матеріалу. Волокниста структура зазвичай заливається смолою (матричним матеріалом), а потім отверждается.
Для цього волокна і пучки волокон переробляються в текстиль. Більшість методів процесів переробки волокон у текстиль виникли в текстильній промисловості, тому більша частина термінології, що використовується в цій галузі, також використовується в контексті переробки армуючих волокон у текстиль. Волокна визначають міцність та жорсткість композиту. Матеріал, що містить орієнтовані волокна, може бути набагато міцнішим у напрямку волокон, ніж матеріал без волокон. Збільшення жорсткості менш виражено перпендикулярно до напрямку волокон. Міцність у цьому напрямку нижча, тому що волокна діють як концентратори напруги. Насправді волокна часто укладаються у різних напрямах.
Існує безліч можливих варіантів*:
Однонаправлені волокна Двонаправлені волокна Короткі волокна
На наведеному нижче графіку показаний внесок волокна в міцність композиту:
* У нанокомпозитах як армуючий матеріал використовуються дуже маленькі волокна в нанометровому діапазоні.. 
З яких матеріалів складаються композити?
Зазвичай використовують такі волокна, наприклад:
- Скловолокно (GFRP)
- Вуглецеве волокно (CFRP)
- Арамідне волокно (AFRP)
- Керамічне волокно
- Полімерне волокно
- Мінеральне волокно
- Натуральне волокно (NFRP)
Смоли що використовуються включають епоксидну смолу, поліефірну смолу та поліуретанову смолу.
Які галузі застосування композитів?
- Аерокосмічна промисловість (фюзеляжі, компоненти приводу, аеродинамічні компоненти тощо)
- Автомобільна промисловість (компоненти шасі, аеродинамічні компоненти)
- Крупногабаритні кузови транспортних засобів (поїзди, вантажівки та автобуси)
- Морський (корпусні конструкції)
- Вітряні електростанції (лопаті ротора)
- Спортивне обладнання
- Інфраструктура та будівлі (ремонт будівель, склопластикові мости)
- Медична техніка (протезування, рентгенівські столи)
Чому використовуються композити?
- Відмінне співвідношення міцності та ваги та ефективності використання палива
- Висока міцність та еластичність при згинанні
- Вільна формуемість матеріалів (міцність, жорсткість, термічний, електричний опір, форма, функція)
- Термостійкість
- Хімічна стійкість
- Висока корозійна стійкість
Чому необхідно виконувати вимірювання деформації композитів?
Характеристика композитних матеріалів та конструкцій надзвичайно важлива, щоб мати можливість гарантувати їхню довговічність при подальшому використанні. Для цього проводяться різні випробування. Для цього дуже важливо виявити деформацію компонентів. Деформація матеріалу є критичним фактором, що визначає ефект ушкодження та довговічності.
- Визначення параметрів довговічності компонентів/конструкцій на стенді або в польових умовах
- Визначення властивостей матеріалів стандартизованих випробуваних зразків. Існує багато різних стандартів випробувань композитних матеріалів, у яких використовуються тензометричні датчики. Типові тести включають, наприклад:
- Випробування на вигин (3-крапковий, 4-крапковий)
- Випробування на розтягування
- Випробування на зсув (міжшарові)
- Зсув внахлест (адгезійний тест)
- Відкритий отвір/Заповнений отвір
- Стиснення після удару
- Випробування на стиск
- Випробування стрижня з надрізом на ударний вигин
- Випробування підшипників з отворами
Проблеми композитних випробувань
Для розрахунку поведінки конструкції потрібні складні методи/інструменти. Механічні властивості залежать від напрямку (міцність, модуль пружності, коефіцієнт Пуассона і т. д.), і багато волоконних композитів поводяться протилежно металевим матеріалам: матеріали мають різні властивості жорсткості в різних напрямках (ортотропія).
Попередні підходи до розрахунку цих матеріалів можна застосовувати лише у певних випадках (наприклад, Tsai Wu). Немає універсального методу розрахунку та стандарту для компонентів, аналогічного керівництву FKM для металевих компонентів. Оскільки йдеться про ламінатні структури, це також стосується використання квазіізотропних ламінатів. Вже розроблено багато методів виконання розрахунків композиційних матеріалів.
Ще одна проблема полягає в перетворенні сигналу деформації на механічну напругу.
-
Механізми ушкодження/відмови складні
-
Обрив проміжних волокон
-
Деламінація
-
Тріщини йдуть паралельно до волокон.
-
-
Виробничі допуски, як правило, складніше контролювати.
-
Орієнтація волокна
-
Зміщення матриці
-
Проміжно-волокнисті сполуки
-
Скупчення смоли
-
Сторонні тіла
-
Пористість
-
Флуктуація партій
-
-
Дорожче, ніж звичайні металеві матеріали
-
Чутливий до температури
-
Чутливий до ультрафіолетового випромінювання
-
Важко переробляти
-
Високі інвестиційні витрати (виробництво)
-
Крім того, необхідно враховувати термопружну реакцію:
- Знижена теплопровідність: композитні матеріали мають нижчу теплопровідність, ніж звичайні метали.
- Відмінності в залишкових напругах термічного коефіцієнта (наприклад, гібридні конструкції) та анізотропній поведінці матеріалу
Які тензорезистори HBM рекомендує для вимірювання на композитах?
Это зависит от объекта испытаний:
- Ми рекомендуємо використовувати серію Y (макс. деформація 5%) для статичних випробувань, випробувань на високу напругу та зразкових випробувань.
- Ми рекомендуємо використовувати серію M (максимальна деформація 1%) для випробувань на змінне навантаження.
Для композитов, где типичная температура пайки имеет решающее значение, мы рекомендуем использовать наши предварительно смонтированные Y-образные тензорезисторы.
Деякі тензорезистори для композитних матеріалів є в наявності на складі.
-
Лінійні тензорезистори часто використовуються при випробуваннях конструкцій та зразків.
Т-розетки використовуються, наприклад, визначення коефіцієнта Пуассона.
Також використовуються розетки з трьома ґратами; проте це рекомендується лише для однорідних матеріалів визначення основних напрямів деформації і напруги.
Вибір довжини вимірювальної решітки
Тензорезистор інтегрує деформацію під поверхнею та вимірює середню деформацію.
Правильна довжина вимірювальних грат залежить від мети випробувань. Довжина решітки 6 мм та 10 мм популярна для вимірювання деформації композитів.
В принципі, для вибору тензорезисторів застосовується те саме правило, що й для бетону: довжина тензорезистора має перевищувати відстань між волокнами щонайменше в 5 разів. Ширина тензорезистора також має охоплювати кілька волокон.
Локальні піки деформації можуть виникати через неоднорідність матеріалу. В цьому випадку для визначення градієнта деформації можна використовувати ланцюги тензорезисторів.
Часто піки напруги між волокнами кратні середньої деформації. Як наслідок, тензодатчик може бути перевантажений у деяких точках, його максимальне подовження буде досягнуто або перевищено, хоча підсилювач показує набагато меншу деформацію. Таким чином, існує ризик перевантаження (постійного пошкодження) тензорезистора в окремих точках або виходу з експлуатації всієї установки. Цю проблему можна усунути, вставивши тонку поліімідну плівку між тензорезистором та заготовкою. Плівка наклеюється між деталлю і тензорезистором і здійснює попереднє інтегрування, тобто розподіляє піки напруг під вимірювальною сіткою тензорезистора. Через те, що в результаті виходять товстіші шари, плівку слід використовувати тільки в тому випадку, якщо очікується висока деформація.
Опір тензорезистора
HBM рекомендує використовувати тензорезистори на 1000 Ом для матеріалів із поганим розсіюванням тепла. Як альтернативу можна використовувати тензорезистори на 350 Ом. Проте слід перевірити, чи немає неприпустимого підвищення температури на тензорезисторі чи композиті.
Напруга живлення
Напруга на кожному тензорезисторі перетворюється на тепло. Матеріали з поганою провідністю, такі як волокнисті композити, демонструють нагрівання тензорезистора та компонента на поверхні. Для забезпечення стабільного вимірювання тепловий потік Q повинен відповідати прикладеній потужності P.
Р = Q
На наведеному нижче малюнку показаний процес нагрівання вимірювальної решітки тензорезистора опором 350 Ом на матеріал, що повільно остигає:
На металах зазвичай спостерігається нагрівання точок виміру; велика теплопередача особливо можлива з алюмінієм. Композити мають значно нижчу теплопровідність.
Починайте вимірювання на композитах тільки після певного періоду прогріву, коли досягнуто стабілізованого стану вимірювальної системи.
Наступні значення можуть використовуватися для чвертьмостових додатків з напругою живлення 5 В:
- Фаза нагрівання становить приблизно 3-4 хвилини для тензорезисторів на 1000 Ом.
- Фаза нагрівання становить приблизно від 5 до 6 хвилин для тензорезисторів на 120/230 Ом.
Для матеріалів, що погано охолоджуються, таких як композити, HBM рекомендує використовувати низьку напругу живлення < 2,5 В. Вища напруга живлення призводить до значного та постійного нагрівання тензорезистора. Це тепло може накопичуватися у матеріалі. На наведеному нижче графіку показані відмінності між 0,5, 2,5, 5 і 10 В напругами живлення (постійного струму) для решітки тензорезисторів 350 Ом:
Рекомендація для композитних матеріалів (досвід):
-
0,5 В для погано провідних матеріалів з поганим охолодженням
-
від 1 до 2,5 В для звичайних складових тестів
Узгодження температурного відгуку у чвертьмостових додатках
Чвертьмостові програми вимагають оптимального узгодження температурних характеристик тензорезистора через зміни температури, що виникають під час тривалих вимірювань. У цьому випадку узгодження температурної характеристики тензорезистора має найкраще відповідати коефіцієнту теплового розширення, щоб мінімізувати сигнали теплової деформації.
Однак слід зазначити, що через виробничі допуски (намотка волокна, виготовлення шарів, орієнтація волокна, метод виготовлення (автоматичний або ручний)) властивості матеріалу також можуть відрізнятися, і, таким чином, можливо тільки приблизне узгодження температурної характеристики досягається залежно від волоконного. композиційного матеріалу.
Зазвичай рекомендується використовувати тензорезистори з кодовим номером 6 для вимірювань на композитах (α = 0,5 · 10-6/K). Це може змінюватись у деяких випадках:
Очищення поверхні
- Рекомендується бути обережним при обробці пластмас розчинниками, оскільки вони можуть викликати розширення або корозію під напругою (наприклад, використання ацетону має вирішальне значення). Існує ризик набухання через вологість чи корозію під напругою.
- Білий газ та ізопропіловий спирт можна вважати некритичними, особливо через короткий час контакту.
- У критичних випадках завжди слід проводити попередні випробування, оскільки неможливо зробити чіткі прогнози через дуже велику кількість модифікованих пластиків. Це також відноситься до використання чистящего засобу RMS1.
- По можливості не використовуйте розчинники для очищення поверхні. Альтернативні засоби для чищення включають:
- Деіонізована вода
- Петролейний ефір
- Мило
Надання шорсткості поверхні
- Ми рекомендуємо підготувати точку вимірювання наступним чином: відшліфувати наждачним папером (зернистість 400), потім використовувати воду для миття посуду для очищення та промити водою (ідеально: деіонізованою водою).
- Розділовий склад та епоксидний наповнювач необхідно видалити (зернистість 400).
- Злегка надайте поверхні шорсткість, щоб активувати функцію (поліпшити адгезійні властивості поверхні)
- Можлива поверхнева плазмова активація для покращення адгезійних властивостей.
Зверніть увагу: волокна нижнього шару не повинні бути пошкоджені надто глибоким шорсткістю!
Вибір клею
Для спрямованих волокон дуже важливою є правильна орієнтація тензорезистора через ортотропну поведінку матеріалу:
