Исследование и моделирование многослойного композитного материала с применением базальтовой ткани

Введение. Композитные материалы (КМ) все шире используются в различных сферах: машиностроении (в том числе в производстве судов, авиа- и сельскохозяйственной техники), приборостроении, изготовлении емкостей высокого давления и т. д. Довольно часто применяются многослойные композиты, состоящие в основном из одного вида армирующего материала и связующего. Особый интерес представляет использование в одном композите различных видов армирующих материалов — более прочных в местах наибольших напряжений в сечении. В качестве примера можно привести многослойный КМ из стеклянных и базальтовых тканей и волокон с одним видом связующего. Цель исследования — оценить свойства такого материала и смоделировать его методом конечных элементов.

Материалы и методы. В работе использованы компоненты, доступные в свободной продаже. Армирующие материалы — базальтовая ткань БТ-11, стеклоткань ТР-0,5, а также стекломат плотностью 300 г/м2.

Связующее — смола эпоксидная ЭД-20 с отвердителем полиэтиленполиамином. Для испытаний на растяжение и изгиб были изготовлены два материала, которые отличались по количеству, виду и последовательности слоев. Для моделирования использовалась система автоматизированного проектирования «Ком-пас 3D» (модуль АPM-FEM).

Результаты исследования. В наружных слоях композитного материала используется базальтовая ткань, во внутренних — стеклоткань. Такой подход позволяет повысить предел прочности композита при работе на растяжение и изгиб, однако критическое разрушение ведет к мгновенной потере несущей способности материала. Если же стекломат применяется в качестве сердцевины, то допустимое напряжение ниже (и на разрыв, и на изгиб). Однако при изгибе расслоение материала сокращает его несущую способность до 10% от максимальной. Моделирование материала предполагает некоторые допущения, которые связаны с размером конечных элементов.

Обсуждение и заключения. Применение базальтовых тканей в качестве армирующего вещества позволяет получать изделия со свойствами как стекло-, так и углепластиков. Такой КМ будет незначительно дороже стеклопластика и намного дешевле углепластика. Изделия из композитных материалов (приравненных к изотропным материалам) можно моделировать в системах автоматизированного проектирования методом конечных элементов. Важно учитывать вид нагружения на изделие, поскольку КМ, в основном, обладают анизотропными свойствами (нагрузка прикладывается с учетом направления волокон). В многослойных КМ из конструкционных тканей необходимо направлять нагрузки вдоль волокон. Кроме того, нужно учитывать межслойный сдвиг, различную адгезию между слоями и т. д. Главное допущение данного метода — «постоянство» толщины материала, количества слоев и порядка их расположения.

1. Нежижимов, Д. Б. Особенности изделий из композитных материалов / Д. Б. Нежижимов // Актуальные проблемы науки и техники. — Ростов-на-Дону : Изд-во ДГТУ, 2019. — С. 376–377.

2. Антибас, И. Р. Влияние формы гофрированного картона на амортизирующие свойства упаковки / И. Р. Антибас, С. А. Партко, А. Н. Сиротенко // Вестник Донского государственного технического университета. — 2016. — T. 16, № 1 (84). — С. 36–42.

3. Антибас, И. Р. Влияние содержания древесного дисперсного наполнителя на долговечность композиционных материалов / И. Р. Антибас, А. Г. Дьяченко // Вестник Донского государственного технического университета. — 2017. — Т. 17, № 1 (88). — С. 67–74.

4. Антибас, И. Р. Определение характеристик компонентов композитных материалов, предназначенных для производства деталей сельскохозяйственной техники / И. Р. Антибас, А. Г. Дьяченко // Вестник Донского государственного технического университета. — 2017. — Т. 17, № 3 (90). — С. 60–69.

5. Антибас, И. Р. Изготовление теплоизоляционного материала и изучение его теплофизических и механических свойств / И. Р. Антибас, А. Г. Дьяченко // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственно-го машиностроения : сб. ст. 10-й Междунар. науч.-практ. конф. в рамках 20-й Междунар. агропром. выставки «Интерагромаш-2017». — Ростов-на-Дону : Изд-во ДГТУ, 2017. — С. 182–183.

6. Антибас, И. Р. Эффект влажного травления композитного материала из стекловолокна и полиамида на его свойства при изгибе и ударе / И. Р. Антибас, А. Г. Дьяченко // Инновационные технологии в науке и об-разовании (ИТНО-2017) : мат-лы V Междунар. науч.-практ. конф. — Ростов-на-Дону : ДГТУ-Принт, 2017. — С. 26–30. DOI: https://doi.org/10.15507/0236-2910.028.201803.366-378

7. Kharmanda, G. Integration of reliability and optimization concepts into composite yarns / G. Kharmanda, I. R. Antypas // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения : сб. ст. 10-й Междунар. науч.-практ. конф. в рамках 20-й Междунар. агропром. выставки «Интерагромаш-2017». — Ростов-на-Дону : Изд-во ДГТУ, 2017. — С. 174–176.

8. Антибас, И. Р. Сравнение амортизирующих свойств гофрированной картонной упаковки разной структуры при действии вертикальной нагрузки / И. Р. Антибас, С. А. Партко // Состояние и перспективы раз-вития сельскохозяйственного машиностроения : сб. ст. 8-й Междунар. науч.-практ. конф. в рамках 18-й между-нар. агропром. выставки «Интерагромаш-2015». — Ростов-на-Дону : Изд-во ДГТУ, 2015. — С. 232–235.

9. Антибас, И. Р. Исследование влияния добавок армирующих волокон на некоторые механические свойства перспективных композитных материалов / И. Р. Антибас, А. Г. Дьяченко, Т. П. Савостина // Состояние и перспективы развития агропромышленного комплекса : сб. науч. тр. XII Междунар. науч.-практ. конф. в рамках XXII агропром. форума юга России и выставки «Интерагромаш». — Ростов-на-Дону : Изд-во ДГТУ, 2019. — С. 240–244.

10. Антибас, И. Р. Моделирование, изучение и изготовление стойки культиватора из композитных материалов / И. Р. Антибас, А. Г. Дьяченко // Вестник Мордовского университета. — 2018. — Т. 28, № 3. — С. 366–378.

11. Al-Jeebory, A. A. Effect of Percentage of Fibers Reinforcement on Thermal and Mechanical Properties for Polymeric Composite Material / A. A. Al-Jeebory, A. I. Al-Mosawi, S. A. Abdul Allah // The Iraqi Journal for mechanical and materials Engineering. — 2009, 17–18 May. — Special Issue. — P. 70–82.

12. Vincenzini, P. Advanced Inorganic Fibrous Composites V / P. Vincenzini, M. Singh // Advances in Science and Technology. — 2006. — Vol. 50. — P. 97–106.

13. Dixit, A. Modeling techniques for predicting the mechanical properties of woven-fabric textile composites: a Review / A. Dixit, H. S. Mali // Mechanics of Composite Materials. — 2013. — Vol. 49, no. 1. — P. 1–20.