1. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego

Celem ćwiczenia jest badanie właściwości wytrzymałościowych materiałów kompozytowych. Zakres ćwiczenia obejmuje:

- Wykonanie próby zerwania badanego kompozytu na maszynie wytrzymałościowej

- Znalezienie maksymalnej siły przy której następuje zniszczenie

- Znalezienie maksymalnego wydłużenia

2. Część teoretyczna

Kompozyt jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów (faz ) o różnych własnościach w taki sposób ze ma własności nowe (dodatkowe) w stosunku do komponentów użytych osobno lub wynikających z ich sumowania własności. Kompozyt jest materiałem zewnętrzne monolitycznym jednakże z widocznymi granicami pomiędzy komponentami.

Lekkie kompozyty konstrukcyjne o dużej wytrzymałości znalazły zastosowanie w wielu różnych gałęziach przemysłu, jak: przemysł samochodowy, lotniczy, maszynowy, budownictwo oraz produkujących sprzęt sportowy.

Rozwój techniki spowodował wzrost zapotrzebowania na materiały konstrukcyjne w których wysoka wytrzymałość sztywność idzie w parze z niską masą.

Często struktura materiału znajduje odbicie w jego własnościach mechanicznych. Zalezą one nie tylko od struktury ale też od sposobu i dokładności modelowania Jako kryterium porównawcze własności mechanicznych materiałów często przyjmuje się wskaźniki odniesione od gęstości takie jak: wytrzymałość właściwa na rozciąganie, zginanie, ściskanie odniesione od gęstości lub właściwy moduł sprężystości (E/p).

Powszechnie stosowane metale to materiały o dużej wytrzymałości, ze względu na dużą gęstość charakteryzują się stosunkowo niskimi wartościami wytrzymałości właściwej i pod tym względem ustępują miejsca materiałom ceramicznym. Posiadają one jednak dużą wadę, jaką jest mała odporność na pękanie. Wytrzymałość materiałów ceramicznych gwałtownie zmniejsza się w przypadku występowania pęknięć wewnętrznych łub wad powierzchniowych występujących nawet na głębokości poniżej 0,00l mm . Łatwo ulega więc zniszczeniu pod obciążeniem znacznie niższym od granicznej wytrzymałości. Szkło, grafit, węglik krzemu po za tym, że przewyższają metale pod względem wytrzymałości i sztywności na jednostkę masy, mają dodatkowo wysoką temperaturę topnienia, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej i wysoką odporność chemiczną. Polimery pod względem wrażliwości na pękanie są podobne do metali, z tą różnicą, że nie mogą przenosić tak dużych naprężeń jak mc tale.

Duże obciążenie kompozytu może doprowadzić do pęknięć pojedynczych włókien z wadami powierzchni. Przypadkowe rozmieszczenie wad zabezpiecza przed pęknięciem wszystkich włókien w jednym przekroju. Plastyczne odkształcenie osnowy ogranicza rozprzestrzenianie się pęknięcia pojedynczego włókna na cały materiał. Włókna znajdujące się w pobliżu pęknięcia nie będą przenosiły pełnego obciążenia, zostanie ono za pośrednictwem osnowy na pozostałe włókna.

3. Opis stanowiska badawczego

Badania są wykonywane na maszynie wytrzymałościowej „INSTROM” typ TM-SM.

Badaną próbka to włókna szklane wypełnione żywica epoksydową epidian 53. Prędkość belki Trawersy wynosi 1mm/min , a prędkość przesuwu papieru to 10 cm/min. Zakres siły 0-500 kg .

4. Przebieg ćwiczenia

Na wstępie przystępujemy do wycechowania urządzenia poprzez zawieszenie obciążnika wzorcowego 10 kg .Pierwsza próbka jest rozciągana w ten sposób ze siła do niej przyłożona jest w tym samym kierunku co ułożenia włókien. Wymiary tej próbki w przewężeniu to 2,45x3 . Długość próbki l = 23 mm . W drugiej próbce natomiast włókna są ułożone prostopadle do działania siły rozciągającej. Jej wymiary to 3,9x2,9 a długość l = 31 mm .

Obliczamy współczynnik wzmocnienia k- jest on wyrażany poprze stosunek prędkości belki do prędkości przesuwu czyli

Próbka	Przekrój	Pole [mm2]	długość l [mm]	wydłużenie l1[mm]	Δl [mm]	Fmax [N]	δ=F/A [N/mm2]
1	2,45x3	7,35	23	2,32	0,1	4610,7	627,3
2	3,9x2,9	11,31	31	0,1	0,003	220,73	19,51

5. Wnioski.

Przeprowadziliśmy badania wytrzymałościowe na rozciąganie dla dwóch próbek kompozytowych. Z otrzymanych wyników mogliśmy obliczyć wydłużenie l1 badanego elementu, a następnie przyrost długości Δl który jest wyrażany jako stosunek wydłużenie l1 do długości l badanego przedmiotu. Próbka której włókna były ułożone równolegle do działania siły wydłużyła się o 2,31 mm, natomiast próbka której włókna były umieszczone prostopadle do kierunku działania siły rozciągającej wydłużyła się zaledwie o 0,1 mm . Jak widać kompozyt pierwszy może osiągnąć znacznie większe wydłużenie. Podobnie jest z przyrostem wydłużenia który w pierwszym przypadku jest prawie 100krotnie większy niż w drugim kompozycie. Siłę Fmax daną w kilogramach odczytaliśmy z otrzymanego wykresu, aby zapisać ja w N pomnożyłem dane wartości o wartość przyspieszenia ziemskiego 9,81. Wyniki zamieszczone są w tabelce powyżej. Jak widać próbkę pierwszą mogliśmy obciążyć dużo większą siłą niż kompozyt drugi. Główną przyczyną tej różnicy jest właśnie sposób ułożenia włókien w kompozycie. Również wartość naprężenia δ jest ponad 10krotnie większy. Sposób ułożenia włókien oraz średnice tych włókien decyduje o właściwościach mechanicznych materiałów kompozytowych. Kompozyty polimerowe utworzone z polimerowej osnowy wzmocnionej włóknem są wynikiem poszukiwań nowych materiałów konstrukcyjnych. Wykazują one cechy swoich składników tym wyraźniejsze im udział składnika jest większy. Osnowa polimerowa wykazuje właściwości lekkospręzyste, jest odporna na korozję, lekka i jest dobrym izolatorem elektrycznym oraz daje się łatwo kształtować. Jej własności wytrzymałościowe są znacznie mniejsze od własności zbrojenia, a dzięki dobrej przyczepności osnowy do powierzchni włókna otrzymamy prawidłowe przekazanie obciążenia na włókno a tym samym poprawę własności wytrzymałościowych, zdolności tłumienia drgań mechanicznych, udarności, sztywności i stabilności wymiarów, odporności cieplnej.

---