Как проверить прочность и жесткость листов углеродного волокна

Как проверить прочность и жесткость листов углеродного волокна

Почему тестирование листов углеродного волокна важно для производительности и безопасности

Листы из углеродного волокна широко используются в автомобильной, мотоциклетной, аэрокосмической и спортивной промышленности благодаря своей высокой удельной прочности и жёсткости. Однако эксплуатационные характеристики во многом зависят от типа волокна, способа укладки, системы смолы и качества производства. Для проектировщиков, инженеров и закупщиков испытания листов из углеродного волокна на прочность и жёсткость дают данные, необходимые для проверки конструкций, обеспечения безопасности, контроля качества и сравнения поставщиков. В этой статье рассматриваются практические, основанные на стандартах методы измерения прочности на растяжение, изгиб, сжатие и сдвиг, а также методы неразрушающего контроля, советы по интерпретации данных и практические рекомендации по работе с листами из углеродного волокна.

Понимание основ: прочность и жесткость листов углеродного волокна

Прочность характеризует максимальную нагрузку, которую материал может выдержать до разрушения (часто называемую пределом прочности на разрыв). Жёсткость характеризует сопротивление деформации под нагрузкой и количественно определяется модулем Юнга (модулем упругости при растяжении) или модулем изгиба. Для листов из углеродного волокна оба свойства зависят от ориентации волокон, объёмной доли, содержания смолы и дефектов. Однонаправленный ламинат из углеродного волокна будет обладать существенно разной жёсткостью и прочностью вдоль и поперёк волокон; квазиизотропные слои сглаживают различия в направлениях, но снижают пиковые характеристики.

Стандарты и оборудование для испытания листов углеродного волокна

Соблюдайте общепризнанные стандарты испытаний для обеспечения воспроизводимых и сопоставимых результатов. К распространённым стандартам относятся ASTM D3039 для испытаний на растяжение композитов на основе полимерной матрицы, ASTM D790 для испытаний на изгиб, ASTM D6641 и ASTM D695 для испытаний на сжатие, а также ASTM D2344 для испытаний на сдвиг короткой балкой (межслойный сдвиг). Для неразрушающего контроля (НК) обычно используются ISO 16810/16811 и ASTM E213 для ультразвуковых методов и ASTM E2597 для термографии.

Список основного оборудования:

• Универсальная испытательная машина (UTM) с соответствующим тензодатчиком и экстензометром
• Захваты и фиксаторы для композитных образцов
• Приспособления для трех- и четырехточечной гибки
• Приспособления для сжатия или приспособления для комбинированного нагружения (CLC)
• Микрометры, штангенциркули и оптические толщиномеры
• Ультразвуковая система С-сканирования или фазированная решетка для неразрушающего контроля
• Инфракрасная термографическая камера для осмотра больших площадей

Подготовка образцов и ее значение для точности испытаний

Неправильная подготовка образцов — главная причина разброса результатов испытаний композитных материалов. Ключевые моменты:

• Вырезайте образцы с чистыми краями с помощью гидроабразивной или алмазной пилы, чтобы избежать выдергивания волокон и расслоения.
• Поддерживайте постоянную ориентацию и укладку волокон во всех образцах; маркируйте направление волокон.
• Используйте концевые выступы для образцов, работающих на растяжение, чтобы предотвратить разрушения, вызванные захватом (выступы распределяют давление захвата и снижают концентрацию напряжений).
• Измерьте толщину и ширину в нескольких точках; сообщите площадь поперечного сечения, используемую для расчета напряжений.
• Перед испытанием выдерживают образцы в стандартных лабораторных условиях (обычно при температуре 23 +/- 2 °C и относительной влажности 50 +/- 5%).

Испытание на растяжение листов углеродного волокна (ASTM D3039)

Испытание на растяжение — основной метод определения прочности на растяжение и модуля Юнга листов углеродного волокна в заданном направлении. В качестве базовой процедуры используется стандарт ASTM D3039. Основные этапы:

• Геометрия образца: обычно это образцы в форме собачьей кости с выступом или прямые образцы; обычная ширина составляет 15–25 мм, а длина достаточна для надлежащего расстояния захвата (согласно стандарту).
• Приборы: используйте высокоточный экстензометр, прикрепленный к измерительной базе, для расчета модуля; смещение траверсы переоценивает деформацию в композитах из-за проскальзывания захвата и податливости системы.
• Скорость испытания: используйте рекомендуемые скорости деформации из стандарта (обычно 1–2 мм/мин или указанная скорость деформации), поскольку жесткость может незначительно зависеть от скорости.
• Анализ отказов: отметьте, вызван ли отказ разрывом волокон, растрескиванием матрицы, расслоением или сцеплением; разрывами фотографий и наслоением документа.

Испытания на изгиб (жесткость и прочность) (ASTM D790)

Испытание на изгиб измеряет модуль упругости и прочность на изгиб и полезно для гнутых деталей и панелей. Используйте трёхточечный или четырёхточечный изгиб согласно ASTM D790. Советы:

• Соотношение пролета к толщине должно соответствовать стандарту; слишком малый пролет может привести к реакции с преобладанием сдвига и модулю перекоса.
• Укажите как модуль упругости при изгибе, так и пиковое напряжение при разрушении; композиты часто выходят из строя в результате сочетания растрескивания матрицы и расслоения.
• Для тонких листов углеродного волокна четырехточечный изгиб более эффективно создает область постоянного момента и снижает локальные эффекты сдвига.

Испытания на сжатие и вопросы устойчивости к изгибу (ASTM D6641, D695)

Прочность на сжатие критически важна для сэндвич-панелей и структурных элементов, работающих на сжатие. В зависимости от геометрии образца используются стандарты ASTM D6641 (комбинированное нагружение при сжатии) и ASTM D695 (компрессионные свойства пластиков). Для тонких ламинатов во избежание эйлерова выпучивания используйте зажимы для закрепленных торцов или зажимы CLC, ограничивающие торцы. Наблюдайте за такими видами разрушения, как микровыпучивание, образование полос перегиба или смятие торцов, и сопоставляйте их с результатами испытаний на растяжение для выявления асимметрии в качестве изготовления.

Испытание на межслойный сдвиг и короткое сжатие (ASTM D2344)

Прочность на межслойный сдвиг (ILSS) показывает устойчивость к расслоению между слоями. Испытания на сдвиг методом короткой балки по ASTM D2344 позволяют быстро оценить ILSS, но они чувствительны к геометрии образца. Используйте ILSS для оценки прочности связи между смолой и волокнами и целостности процесса — низкий показатель ILSS часто указывает на плохое смачивание, наличие пустот или загрязнений.

Испытания на удар, усталость и динамическую жесткость

Статические испытания не охватывают все виды повреждений, возникающих в процессе эксплуатации. Испытания на удар с низкой скоростью (падающий груз) и усталостные испытания позволяют оценить стойкость к повреждениям и остаточную жёсткость после многократных нагрузок. Ключевые рекомендации:

• Охарактеризуйте остаточную жесткость после определенных уровней энергии удара и сопоставьте ее с площадью повреждения с помощью ультразвукового С-сканирования.
• Проведите испытания на усталость при репрезентативных коэффициентах нагрузки и циклах, чтобы оценить скорость снижения жесткости; композиты могут демонстрировать значительное падение жесткости перед катастрофическим разрушением.
• Используйте модальные испытания или динамический механический анализ (ДМА) для изучения жесткости, зависящей от частоты, для компонентов, подверженных вибрации.

Методы неразрушающего контроля листов из углеродного волокна

Неразрушающий контроль (НК) необходим для проверки деталей перед разрушающим контролем или в процессе производства. Распространенные методы неразрушающего контроля:

• Ультразвуковое C-сканирование: выявляет внутренние расслоения, пустоты и неоднородности. Очень эффективно для слоистых листов углеродного волокна.
• Тестирование постукиванием: быстрый полевой метод обнаружения расслоений с помощью уха/акселерометра; недорогой, но качественный.
• Инфракрасная термография: быстрое сканирование подповерхностных дефектов и ударных повреждений на больших площадях.
• Ширография и акустическая эмиссия: полезны для мониторинга в процессе эксплуатации и раннего обнаружения повреждений во время приложения нагрузки.

Интерпретация данных: что сообщать и как сравнивать

При представлении результатов испытаний листов из углеродного волокна необходимо указать:

• Геометрия образца, ориентация и укладка (углы расположения волокон и последовательность укладки).
• Система смолы и тип волокна (например, волокна T300, M46J, IM или HM), а также объемная доля волокна, если известны.
• Соблюдаются стандарт испытаний, скорость испытаний, температура/влажность и сведения об приборах (тип экстензометра и длина датчика).
• Среднее значение, стандартное отклонение, коэффициент вариации (CoV) и количество протестированных образцов.

Сравнения должны учитывать укладку и ориентацию волокон. Простая таблица поможет сопоставить результаты для разных материалов. Примеры типичных диапазонов:

Примечание: диапазоны для листов углеродного волокна значительно различаются в зависимости от марки волокна, способа укладки и смолы. Всегда проверяйте реальный производственный материал, а не полагайтесь на общие технические характеристики.

Практические советы по уменьшению разброса и повышению повторяемости при испытании листов углеродного волокна

• Для получения статистической достоверности протестируйте не менее пяти образцов на каждое состояние; сообщите о CoV.
• Используйте соответствующие материалы для захватов и выступов, чтобы избежать преждевременных поломок вблизи захватов.
• Документируйте и фотографируйте дефектные поверхности, чтобы различать производственные дефекты и пределы прочности материалов.
• Отслеживайте данные технологического процесса на уровне партии (цикл отверждения, температура, состав смолы) и сопоставляйте их с механическими результатами для выявления основных причин.
• Используйте неразрушающий контроль в процессе производства для выявления дефектов до разрушающего контроля.

Интеграция результатов испытаний в решения по проектированию и закупкам листов из углеродного волокна

Проектировщикам следует использовать репрезентативные испытанные характеристики (а не идеализированные максимальные значения производителя) и применять соответствующие коэффициенты запаса прочности, учитывающие изменчивость и потенциальное ухудшение характеристик в процессе эксплуатации (ультрафиолетовое излучение, влажность, температура). При закупке требуйте сертификаты испытаний производителя, испытания производственной партии и, по возможности, результаты испытаний в присутствии заказчика или стороннего подтверждения для критически важных применений.

Supreem Carbon: производственный опыт и как наши испытания поддерживают качество

Почему стоит выбрать Supreem Carbon для листов и деталей из углеродного волокна

Компания Supreem Carbon, основанная в 2017 году, является производителем деталей из углеродного волокна для автомобилей и мотоциклов, специализирующимся на индивидуальном подходе. Мы объединяем НИОКР, проектирование, производство и продажи для предоставления высококачественной продукции и услуг. Мы специализируемся на НИОКР изделий из углеродного композита и производим автомобильные аксессуары, багажные изделия из углеродного волокна и спортивное оборудование по индивидуальному заказу.

Наш завод занимает площадь около 4500 квадратных метров и насчитывает 45 квалифицированных производственных и технических специалистов. Годовой объём производства составляет около 4 миллионов долларов. В настоящее время мы предлагаем более 1000 наименований продукции, включая более 500 деталей из углеродного волокна, изготовленных по индивидуальному заказу. Наша цель — стать мировым лидером.производитель изделий из углеродного волокна. Сайт: https://www.supreemcarbon.com/

Как Supreem Carbon проводит испытания для обеспечения производительности

В Supreem Carbon мы объединяем лабораторные испытания и поточный неразрушающий контроль для контроля качествадетали мотоцикла из углеродного волокна,детали автомобиля из углеродного волокнаи изготовление деталей из углеродного волокна на заказ. Наши возможности включают испытания на растяжение и изгиб для проверки материалов, ультразвуковое C-сканирование для выявления внутренних дефектов и испытания на ударопрочность/усталость критически важных для безопасности компонентов. Проверяя свойства материалов и проверяя детали перед отправкой, мы снижаем количество отказов на месте и гарантируем соответствие компонентов спецификациям заказчика.

Основные продукты и конкурентные преимущества

Основные предложения:

• Детали мотоцикла из углеродного волокна (обтекатели, крылья, отделка)
• Автомобильные детали из углеродного волокна (отделка салона, аэродинамические компоненты, структурные панели)
• Детали из углеродного волокна по индивидуальному заказу и мелкосерийные модификации

Основные конкурентные преимущества:

• Комплексное обслуживание: НИОКР, проектирование, оснастка, производство и продажи.
• Индивидуальные решения и быстрое создание прототипов для уникальных автомобильных и мотоциклетных приложений.
• Надежный контроль качества: лабораторные испытания и неразрушающий контроль для обеспечения одинаковой прочности и жесткости во всех партиях.

Как работать с Supreem Carbon

Если вам нужны испытанные, сертифицированные листы из углеродного волокна или изготовленные на заказ детали, Supreem Carbon может предоставить отчёты об испытаниях материалов, испытания образцов и услуги неразрушающего контроля на производстве. По вопросам, касающимся продукции или для получения помощи в проведении испытаний, обращайтесь в наш отдел продаж через веб-сайт.

Часто задаваемые вопросы — Испытание прочности и жесткости листов углеродного волокна

Какой отдельный тест лучше всего подходит для определения жесткости листа углеродного волокна?

Испытание на растяжение с помощью экстензометра на образцах, ориентированных вдоль основного направления волокон, является наилучшим методом определения жёсткости при растяжении (модуля Юнга). Для определения жёсткости панелей при изгибе более репрезентативным является испытание на изгиб.

Сколько образцов следует протестировать, чтобы получить надежные результаты?

Испытайте не менее пяти образцов в каждой конфигурации для получения предварительных данных и не менее 10 образцов для квалификации или проверки поставщика. Всегда указывайте среднее значение, стандартное отклонение и коэффициент вариации (CoV).

Можно ли использовать настольные испытательные машины на растяжение для листов углеродного волокна?

Настольные испытательные машины могут быть приемлемы для испытаний образцов низкой прочности или тонких образцов, но для квалификации используйте промышленный испытательный прибор UTM с соответствующим диапазоном тензодатчиков и экстензометрией. Убедитесь, что захваты и выступы подходят для предотвращения повреждений, вызванных захватом.

Как дефекты влияют на измеренные значения жесткости и прочности?

Расслоения и пустоты часто снижают прочность сильнее, чем начальную жёсткость. Небольшие дефекты могут не существенно изменить начальный модуль упругости, но могут привести к преждевременному разрушению при пиковых или циклических нагрузках. Именно поэтому важно сочетать неразрушающий контроль с механическими испытаниями.

Применимы ли стандартные методы испытаний металлических материалов к листам из углеродного волокна?

Стандарты, предназначенные для конкретных материалов, такие как ASTM D3039, D790 и D6641, разработаны для композитных материалов и должны использоваться вместо стандартов для металлов. Испытания композитных материалов учитывают анизотропию, необходимость использования выступов и соответствующие виды разрушения.

Свяжитесь с Supreem Carbon / Просмотр продукции

Если вам необходимо сертифицированное тестирование,индивидуальные листы углеродного волокнаили адаптированныйдетали из углеродного волокна для мотоциклови автомобилей, свяжитесь с Supreem Carbon. Посетите https://www.supreemcarbon.com/, чтобы ознакомиться с продукцией или запросить коммерческое предложение. Наша команда поможет вам разработать программы испытаний, предоставит отчёты о материалах, а также окажет поддержку в разработке прототипов и производственных испытаниях.

Источники и ссылки

• Стандарты ASTM International: ASTM D3039, D790, D6641, D2344 — процедуры испытаний композитных материалов.
• База данных свойств материалов MatWeb — типичные значения для композитов, алюминия и стали.
• Технические паспорта Hexcel и литература производителей композитных материалов о свойствах композитов из углеродного волокна.
• AZoM (The A to Z of Materials) — обзор и диапазоны свойств композитных материалов.
• Справочник по композитным материалам (CMH-17) — руководство по проектированию и испытаниям армированных волокнами композитов.