KIUDTUGEVDATUD KOMPOSIITMATERJALID - referaat (1)

TALLINNA TEHNIKAKÕRGKOOL
TALLINN COLLEGE OF ENGINEERING
KIUDTUGEVDATUD KOMPOSIITMATERJALID
REFERAAT
Õppeaines: Tehnomaterjalid I
Juhendaja : D. Arensburger
Mehaanika teaduskond
Õpperühm: MI- 21
Tallinn 2009

MATERJALI OMADUSED SURVEL

Õhukeste komposiitlaminaatide survetaluvuse omadusi on suhteliselt raske mõõta tänu proovidetaili külgpidisele rabedusele. On proovitud mitmeid testimismeetodeid ja mitmeid proovidetaili kujusid, et vältida esilekerkivat probleemi. Siinkohal kirjeldaks neist meetoditest kolme.
Celanese test: see test on võetud kui standartne surve test ja seda on detailselt kirjeldatud ASTM D3410-87 standardis. Testi põhimõte seisnes sellest et võetakse sirge proovidetail, mille otsetesse kinnitatakse labad . Seejärel asetatakse see koonilise kujuga silindri sisse, mis omakorda sobitatakse täpselt teise vormi sisse mille siseservad on samuti koonilised. Kogu seade paigaldatakse silidrilise kere sisse. Survejõudu rakendatakse koonilise silidrile mis omakorda surub proovidetaili. Mõõtmise käigus saadakse detaili survemoodul ja Poisson´i tegur.
IITRI test: selle testimisviisi põhimõte on väga sarnane eelpool kirjeldatud viisiga. Seee testmisviis töötati välja esmakordselt Illinoisi Tehnoloogia Instituudis USAs. Selle testimisviisi ainuke märkimisväärne vahe eelmiesega võrreldes on see et seal ei kasutada koonilist ümbrist, vaid sirget, mis haardub pareminija annab ühtalsema jõujaotuse.
Kolmandat testimisviisi kirjeldatakse kui „võileiva“ testi. Selle testi eripära seisneb selles et kasutatakse kaht sirgete servadega proovidetaili. Need istutatakse kinnitustugedega alumiiniumist südamiku külge mis annab testmise ajaks külgpidise stabiilsuse. See testmisviis ongi proovidetailide külgpidine testmine. Survejõudu rakendatakse seade otstes asuvate tugede kaudu. Keskmist pinget selle testi korral arvutatakse oletades et alumiiniumist tuumale ei rakendu koormust.
Õldiselt võib väita et surve taluvuse mõõtmistel on vähe andmeid ja need muutuvad oluliselt kiu tüübist ja laminaadist. Siiski teada olevatest andmetest võib teha mõned üldised järeldused:

erinevalt külmtöödeldavatest metallidest ei ole laminaatide survemoodul võrdne tõmbemooduliga

Ernevalt tõmbepingekõveratest ei pruugi survepingekõverad olla lineaarsed.

Pikkupidine surve tugevus laminaatide puhul sõltub mitmest kiu omadusest nagu kiu tüüp, kiu pikkuse ja läbimõõdu suhe, kiu sirgus jne.
Enamkasutavatest kiududest survetugevus ja moodul on Kevlar 49-ga tugevdatud komposiitidel palju madalam kui tõmbetugevus ja – moodul . Süsinikkiuga ja klaaskiuga tugevdatud komposiitidel on märgata et survetugevus ja –moodul on vähe madalamad kui tõmbe näitajad. Boori kiududega tugevdatud komposiidide ei puhul ei ole surve ja tõmbe näitajate vahel märgata mingisugust erinevust.
Selline omaduste jaotumine enimlevinud kiudkomposiitide vahel annab tööstusele väga palju nö mänguruumi. Vastavalt tehnoloogiale ja vajaminevatele omadustele saab valida ja/või valmistada sobiva materjali.

MATERJALI OMADUSED PAINDEL

Painde omadused nagu painde tugevus ja –moodul on paika pandud D790-81 testiga. Selles testis kasutatakse komposiitmaterjalist tala , mis on ristkülikukujulise ristlõikega. Tala paigutatakse tugedele ja ja hakatakse painutama . Seda võib läbi viia kahel erineval viisil: esiteks nn kolme punkti viis kus tala painutatakse pealt poolt ühe toega . Teiseks nn nelja punkti viis, kus tala painutatakse pealt poolt kahe toega. Antud testi juures on soovitav ja seda olenemata viisist, et tala pikkuse ja paksuse suhe oleks suur.
Tööstuses, mis tegeleb komposiitmaterjalidega on enamjaolt kasutusel kolme punkti katsetamise viis, sest vajaminevad proovidetailid ja ettevalmistused on väga lihtsad. Siiski on vaja silmas pidada mõningaid piiranguid painde testimisega kolme punkti viisiga. Näiteks: kiu maksimaalne pinge ei pruugi tekkida laminaadi kõige välimises kihis mistõttu peab tugevusarvutstes arvestama materjali laminatsiooni teooriat homogeense teooria asemel. Samuti peab arvestama et kuigi painde tugevus baseerub tõmbe tugevusel laminaadi välimises kihis, ei ole see siiski materjali tegelik tõmbetugevus. See tuleneb sellest et pinge jaotub erinevate koormamisviiside korral erinevalt. Painde korral ei jaotu pinge materjalil ühtlaselt, kuid tõmbe korral jaotub. Siiski mitmete testide andmed näitavad et painde tugevus kolme punkti meetodil on märgatavalt suurem kui on sama komposiitlaminaadi tõmbetugevus.

KIHILINE REBENEMINE

Samuti nagu survetugevuse mõõtmisel on ka kihilise rebenemise näitajate teada saamiseks välja töötatud ja proovitud mitmeid testmis meetodeid saamaks teada selle tugevust ja moodulit. Kõige levinumad on neist kolm.
Kui eelpool arutletud näitajad olid tehtud kõik kus kiud materjalid olid telje suunalised(risti detaili servadega) siis rebenemise katseteks kasutatakse mittetelje suunaliste kiududega materjali st et kiud on nihutatud nt 45o nurga alla. Üks test ongi sümmeetrilise laminaadi test, kus kiud asetsevad nugade alla 45, -45, 45, -45. Proovidetailile mõõtmetega 178x 25,4 asetsetakse kaks etaloni mis hiljem näitavad rebenemise suurust. Detaili otstele asetsetakse kinnitid kuhu rakendatakse erisuunalised(kuid samasihilised) jõud. Rebenemise hetkel saadakse absoluutne rebenemistugevust.
Teine test on 10o telejväline test. Põhimõtteliselt on see eelmisega sarnane kuid siin on kiud rakendatavate jõududega nihutatud 10o.
Iosipescu test on kolmas kõige enamlevinud rebenemise test. Test seisneb selles, et kasutatakse proovidetaili (mis soovitavalt on selle testi korral 0o asetusega) kuhu on tavaliselt sisse lõigatud 90o ja tavaliselt 26% sügavusele ulatuv sälk. Detaili testitakse 4- punkti väände viisil. Sellel moel saadakse mõõtmise alal ühtlane ristisuunaline pinge. Mitemed analüüsi on leidnud ja kinnitanud, et sälgu tasapinnas tekivad puhtad rebenemisjõud. Kuna sälgud on detailile ka pingekonsentraatorid siis arvestatavate tulemuste saamiseks on vaja kasutada just eelpool mainitud proovidetaili iseärasusi.

KIHTIDEVAHELINE REBENEMINE

Kihtidevaheline rebenemise tugevus on laminaadi tugevust/võime hoida koos eri kihte. Seda mõõdetakse lühikese tala rebenemise testiga. Proovidetail, mis soovitatavalt oleks väikese pikkus laius suhtega, väänatakse3- punkti meetodil, et saavutada horisontaalne rebenemine kihtide vahel. Pikkuse ja laiuse vaheline suhe on soovitatav võtta 4 või 5. Väiksemate suhete korral võib juhtuda, et tavapinged detailis ei ole ültse suured kui samas kihtidevaheline rebenemis pinge on jõudnud maksimumini. Suuremate korral aga tekib detailis tõmbedefekt, mis ei anna mingit infot kihtidevahelise rebenemise kohta. Seetõttu on vajalik leida sobiv suhe. Lühikese tala test on oma lihtsuse pärast laialdast kasutust leidnud materjali tundma õppimisel ja kvaliteedi konrollimisel. Siiski ei saa selle testimisega teha järeldusi ja võrrelda erinevaid materjale sest võib tekkida rida erinevaid vigu, mis ei pruugi tekkida igal katsel ja materjalil, näiteks mikromõranemine, kiude katkemine jne.
Mainimist vajab veel asjaolu, et lühikese tala testiga ei tohiks määrata materjali rebenemise moodulit.
Kihtidevahelist purunemist on peetud üheks kõige kriitilisemaks purunemise viisiks kiudtugevdatud komposiitmaterjalide seas. Seda parandes peab suurt rõhku panema tootmisdefektidele nagu mikromõrad, mis on suuremas osas selle vea põhjustajateks.

KASUTATUD KIRJANDUS

1. P. K. Mallick „ Fiber - Reinforced Composites“ 1993