Шыны талшықты кесілген матаның беріктігін зерттеу

Шыны талшықты кесілген матаның құрамы мен құрылымдық сипаттамалары

Кесілген талшық матасының құрамы мен материалдары

Шыны талшықтан жасалған кесілген талшықты маталар немесе қысқаша айтқанда CSM шыны талшықтарын (негізінен кремнийді кальций мен алюминий оксидтерімен және полиэфир немесе стирол сияқты полимерлік байланыстырғыштармен қосып алынған) қолданып жасалады. Нәтижесінде талшықтары бір немесе екі дюймге дейінгі ұзындықта болатын, материалдың барлық бойында біркелкі күшейтілуін қамтамасыз ететін жабық құрылымды мата алынады. Қабаттау кезінде байланыстырғыш шайырға еніп кетеді. Бұл әртүрлі қабаттардың бір-біріне жақсы жабысуына және химиялық тұрақтылықты сақтауға көмектеседі, соған байланысты өндірушілер өз жобаларында осындай материалға сеніммен сүйенеді.

Кездейсоқ талшық бағыты және көп бағыттық беріктік

Егер талшындар ИКМ материалда изотропты орналаса, олар барлық бағытта жүктемені біркелкі таратады. 2023 жылы «Naval Architecture Review» журналында жарияланған зерттеу қызықты нәтиже көрсетті: барлық бұрыштардан кернеуге қатысты ИКМ-нің тиімділігі шамамен 94% құрайды, бұл әдеттегі тоқылған матаға қарағанда өте жақсы көрсеткіш. Біркелкі таралу белгілі бір бағытта әлсіз орындардың болмауын білдіреді. Сол себепті бұл материал бір мезгілде әртүрлі бағыттардан келетін керілулерге ұшырайтын және трещиналардың тарай бастамас бұрын тоқтатылуы қажет болатын құрылымдар үшін, мысалы, кеме корпусы мен қысымды сыйымдылықтар үшін өте жақсы жарамды.

Талшы ұзындығы мен байланыстырғыш түрі механикалық өнімділікке қалай әсер ететіні

• Оптикалық талшықтың ұзындығы : 50 мм талшылар шайыр ағыны мен қалыпқа сәйкес келуін оптимизациялайды, ал 75 мм-ден асатын ұзындықтар аралық қабаттың жан күшін 18%-ға арттырады («Composite Materials Journal», 2022 ж.).
• Байланыстырғыш концентрациясы : Байланыстырғышы 5% болатын маталар бөлінетінге дейін 3% байланыстырғышы бар маталарға қарағанда 23% жоғары иілу кернеуіне төтеп береді, сонымен қатар құрылымдық бүтіндікті ұстау мен күту кезінде арттырады.

Механикалық қасиеттер: Шыны матасының созу, иілу және соққы беріктігі

Шыны талшықты күшейтпенің созу беріктігі шиыршық матада

CSM материалдары әдетте 80МПа-дан 300МПа-ға дейінгі керілу беріктігін көрсетеді. Кейбір арнайы құрылған қоспа нұсқалары зертханалық жағдайда тексерілгенде 305 МПа дейінгі көрсеткішке жетеді. Бұл материалды қызықтыратын нәрсе - матрицада кездейсоқ орналасқан талшықтар. Бұл орналасу қолданылатын күштерді бір нүктеде шоғырландыру орнына кең аумаққа таратуға көмектеседі, өйткені орындарда көбінесе істен шығу басталады. Зерттеулер кесілген талшықты маттарды басқа түрлерімен араластырған кезде пайда болатын нәтижені қарастырды. 2024 жылы Нага Кумар мен оның әріптестері жариялаған соңғы зерттеу нәтижелеріне сәйкес, бұл үйлесімді жүйелер CSM-ды ғана пайдаланған кезде тенсилді қасиеттерді шамамен 18 пайызға арттырады.

Иілу және соққыға төзімділік: Шыны матасының негізгі механикалық қасиеттері

CSM қабатты материалдары 70 МПа астам иілу беріктігін және 96 Дж/м шамасындағы соққыға төзімділігін көрсетеді. Бұл қалай мүмкін болып отыр? Бұл материалдардың ішіндегі түйіршік талшықтары құрылым бойында энергиялық күштерді жұту мен таралуын қамтамасыз ететін әрі бірлесіп жұмыс істейді. Осындай қабатты материалдар үшін байланыстырғыштарды таңдау кезінде материалтанушылар қызықты нәрсе байқаған. 2024 жылы Sumesh және оның әріптестері жариялаған зерттеу нәтижелеріне сәйкес, поливинил ацетат стирол негізіндегі дәстүрлі нұсқалармен салыстырғанда энергия жұту қабілетін шамамен 22 пайызға арттыратыны анықталған. Бұл PVA байланыстырғыштарымен жасалған өнімдер бағыты мен қарқындылығы уақыт өте өзгеріп тұратын тұрақты жүктеме жағдайларында ұзақ қызмет ететінін білдіреді.

Беріктік пен қаттылық бойынша салыстырмалы талдау: CSM мен тоқылған ровинг

• Қуаттылығы cSM изотроптық беріктік қамтамасыз етеді, ал тоқылған ровинг бағыт бойынша үстемдік көрсетеді.
• Қаттылық тоқылған ровинг басты жүктеме бағыттары бойынша 40–50% жоғары қаттылық көрсетеді.
• Шығын тиімділігі күрделі контурларда CSM пайдалану еңбек сіңіруді 60%-ға дейін азайтады, себебі оны басқару оңай.

Шымкестің құрамасы бір бағытта қолдану үшін тиімді болса да, CSM көп бағытта әсер ететін кернеу аймақтарында қолданылады. Гибридті конфигурациялар материалдың 35% арзан бағасы үшін шымкестің ең жоғары қаттылығының 92% құрайды (Biswas және т.б., 2024), ол өнімділік пен экономика үшін тепе-теңдік шешім болып табылады.

Өнеркәсіптің парадоксы: Кездейсоқ талшық орналасуына қарамастан, салмаққа шаққандағы беріктік көрсеткіштің жоғары болуы

CSM бірінші көзқарас бойынша шұбыр болып көрінеті болса да, 8:1 қатынасынан артық беріктік пен салмақ қатынасын қамтамасыз етеді, бұл құрылыс болатынан да әлдеқайда жақсы көрсеткіш береді, әсіресе құрылыстарда салмақ маңызды рөл атқаратын жерлерде, мысалы, қайықтар мен ұшақтарда. Себебі неде? Бұл жолы бағыт бойынша әлсіздік жоқ. Біз оны күш сынақтарына бағындырған кезде, 2024 жылы Хананның және басқалардың зерттеулеріне сәйкес, талшықтардың түзу сызықты орналасуына қарағанда шамамен 19% ұзақ қызмет етеді. Бұл неліктен болып жатыр? Өйткені талшықтар үш өлшемде бір-біріне шұбырланып күштің таралуына бірнеше жол ашып, конструкцияның бөлшектеніп кенет сынбайтынын қамтамасыз етеді.

Шыныжібек шашырған матаның қатты ортада ұзақ пайдалану қабілеттілігі

Шыныжібек матасының суға және химиялық заттарға төзімділігі

CSM ылғалды және коррозиялы ортада жақсы жұмыс істейді, себебі ол суға сіңбейді және химиялық заттарға табиғи түрде тұрақты. Шыны талшықтары ылғалды тебеді, ал полиэфирлік материал қышқылдар, негіздер және еріткіштер сияқты әртүрлі қатты химикаттарға тұрақты болып келеді, күшті болған кезде да (pH деңгейі шамамен 12) өз қасиетін сақтайды. Осы екі қорғаныш жүйесінің арқасында CSM-дің қолданылуына мысал ретінде су барлық жерге жететін жерасты отын резервуарлары, күшті заттарға ұшырайтын химиялық зауыттардың ішкі бөліктері мен тұзды теңіз ауасымен үнемі күресетін қайық бөліктерін атауға болады.

Теңіз және өнеркәсіптік қолданыстардағы коррозияға тұрақтылық

Металдардан айырмашылығы, CSM-де қоңдайып және гальваникалық коррозия болмайды, сондықтан оны теңіз кемелерінің корпусында, теңіз платформаларында және өндірістен кейінгі сулар жүйелерінде тұзды суға батырып қолдану үшін ыңғайлы. Мұнай қайта өңдеу зауыттарының қалдықтарына және өндірістік тазалау құралдарына тұрақты болғандықтан болатқа қарағанда жөндеу шығындарын 30–50% азайтады, сонымен қатты ортада ұзақ қызмет ету мерзімін арттырады.

Жоғары температура мен өрт әсеріне тұрақтылық

CSM ұзақ уақыт бойы жылуға ұшыраған кезде пішінін сақтай алады, әдетте 300 градус Фаренгейт (шамамен 149 Цельсий) температураны шыдайды. Өрт кезінде қысқа уақыт ішінде ол 600°F (316°C) дейінгі температураны шыдай алады. Көптеген материалдар сияқты жай ғана балқып кететін болса, CSM бұл жағдайда күйіп кетеді, бірақ күшін көп жоғалтпайды. Бұл қасиет оны машина қозғалтқыштарының ішінде немесе дұрыс оқшаулау қажеттілігі бар өнеркәсіптік жабдықтардың айналасында өрт кезінде зиян келтіру қаупі бар жерлерде өте пайдалы етеді. UL 94 сынақ стандарттарына сәйкес, жалынға тікелей әсер еткен соң CSM үлгілері он секунд ішінде өздігінен жануды тоқтатады.

Шайыр үйлесімділігі мен құраманың оптималды өндеуі

Кесілген талшықты матрицамен шайыр үйлесімділігі

CSM әртүрлі шайырлармен жақсы жұмыс істейді, себебі инертті шыны талшықтары мен полиэфирде еритін байланыстырғыштар бар. Бұны статистика да растайды - барлығы дұрыс ылғалданды деп есептесек, өткен жылы шыққан Composite Materials Journal дерек айтып тұр, байланыс беріктігі шамамен 92% құрайды. CSM-дің ерекшелігі - шайырды терең өткізетін ашық құрылымында. Бірақ өндірушілер үшін қызықты нәрсе осы ерітіндінің ортофталевая немесе изофталевая полиэфир шайырларын қолдануға байланысты әртүрлі еритін қасиетінде. Бұл айырмашылық өндірісті өңдеу уақытына және өндірістік тиімділікке әсер етеді.

Кесілген талшықты матрицамен қолдануға арналған ең жақсы шайырлар (полиэфир, эпоксидті)

Полиэфир шайырлар CSM қолдануларының негізгі бөлігін (75% нарық үлесі) құрайды, бірақ жоғары беріктік секторларында эпоксидті шайырлардың қолданылуы артуда. Негізгі нұсқаларға мыналар жатады:

• Ортофталалық полиэстер : Теңіз ыдыстары үшін экономикалық нұсқа ($18–$22/галлон)
• Винил Эстер : Стандарттық полиэстерге қарағанда химиялық тұрақтылығы 35% жоғары
• Эпоксидті жүйелер : Созу беріктігі 15% артық, бірақ дәл ылғалды шығару әдістерін талап етеді

Зерттеулер полиэстерге қарағанда эпоксидті-КСМ қосындылары 60% салыстырмалы ылғалдылықтан төмен өңделген кезде қуыстардың түзілуін 40% азайтатынын көрсетті.

Оптималды шайыр-маталық қатынасы үшін идеалды шайыр-маталық қатынасы

Оптималды механикалық өнімділік салмағы бойынша шайыр-тақта қатынасы 60:40 болғанда болады. Ауытқулар өлшенетін шығындарға әкеледі:

Қатынас ауқымы	Иілу беріктігінің ауытқуы
55:45	-12%
60:40	Базалық
65:35	-9%

Артық шайыр салмақ қосады, ал жеткіліксіз шайыр қабаттар арасындағы ысырма беріктігін 30% дейін кемітетін құрғақ дақтар тудырады.

Ысырма нәтижелілігі мен ауаның түю қиындықтарындағы ылғалдылық

CSM-дегі кездейсоқ талшық орналасуы шайыр ағынына кедергі келтіреді, өндіру әдістерін қолдануды талап етеді:

• Тік орамды қанықтыру ылғалдылық жылдамдығын 25% арттырады
• Вакуумдық қаптама қуыстардың мөлшерін 1,5% төменгі деңгейде шектейді
• Бауырлап қабаттау қалың ысырмаларда байланыстырғыштың шайылуын болдырмаиды

Шайыр тұтқырлығын 300–500 сПа аралығында ұстап тұру маңызды – бақыланатын ысырма сынақтарында тұтқырлылық ауаны 2,3± есе көп ұстап қалатыны көрсетілді.

Шыны талшықтан жасалған кесілген матаның беріктігін пайдаланатын негізгі өнеркәсіптік қолданулар

Кеме жасауды қолданулар: Құрлықтың күшейтілуі және тұзды су ортасындағы ұзақ мерзімді тұрақтылық

Кеме инженерлері коррозияға тұрақтылығы мен көп бағытты беріктігін пайдаланып, құрлықты күшейту үшін CSM қолданады. Ол толқын соққылары мен тұзды су әсеріне төтеп береді, жеңіл салмақты құрылыс арқылы кеменің жүзетін қабілетін арттырады және таттан сақтайды. 2023 жылы жүргізілген зерттеулерде CSM-нің кеме ортасында 15 жылдан астам уақыт бойы құрылыстық тұтастығын сақтағаны дәлелденді.

Автокөлік пен әуе қазіргі заманғы қолданулар: Жеңіл салмақты, жоғары қаттылықты композитті шешімдер

Транспортта CSM есік панельдерінде, бампердің негізгі бөліктерінде және әуе кемелерінің ішкі бөліктерінде қолданылады. 2024 жылы жасалған материалдар талдауы CSM-ге негізделген композиттердің болатқа қарағанда бөлшектердің массасын 38% дейін жеңілдететінін, сонымен қатар созу беріктігін сақтайтынын көрсетті. Бұл салмақтың азаюы көліктердің отын тиімділігін арттырады және әуе кемелерінің пайдалы жүк көтергіштігін көбейтеді, бұл ғаламдық тұрақты даму мақсаттарына сәйкес келеді.

Күрделі композит өндірісінде икемділік пен қалыпқа бейімделу

CSM-нің құлпылтау қабілеті оның түйіршіктенбей құрт тәрізді қалыптарды қоршауына мүмкіндік береді, сондықтан өндірушілер желдеткіш турбина жапалақтары мен мотоцикл корпус панельдерін жасауда жақсы нәтижелер алады. CSM-ге ауысқан шеберханалар келесі өндіріс процесін дәстүрлі тоқыма материалдармен салыстырғанда 27% жылдамырақ орындайтынын байқады, өйткені орналастыру кезінде бағыттық ылғи қауіпсіздік тудырмайды. Дәл осындай икемділік көптеген шеберханалардың жаңа үлгілерді пайдалану немесе пішіні әдеттен тыс компоненттердің үлкен партияларын шығару кезінде CSM-ге жүгіну себебін түсіндіреді. Күнделікті өмірде күрделі пішіндермен жұмыс істейтіндер үшін осы материал басқаларға қарағанда тәжірибеде жақсырақ жұмыс істейді.

Жиі қойылатын сұрақтар

Шыны талшықтарының кесілген шоқ (CSM) нелерден тұрады?

CSM E-шыны талшықтарынан және полиэфир немесе стирол сияқты полимер байланыстырғыштармен қосылып, тоқымаған мата құрылымын түзеді.

Кездейсоқ талшық бағыты CSM-нің механикалық қасиеттеріне қалай пайдалы?

Кездейсоқ талшық бағыты жүктемелерді барлық бағытта біркелкі таратып, көп бағытты беріктікті арттырады және әлсіз орындарды болдырмауға көмектеседі.

Судың қолданылуында CSM қолданудың негізгі артықшылықтары қандай?

CSM тұзды су ортасында коррозияға тұрақтылық, көп бағытты беріктік және ұзақ мерзімді қаттылық қамтамасыз етіп, корпус арматурасы үшін идеалды болып табылады.

Күрделі композит өндірісте неге CSM қолдану ыңғайлы?

CSM күрделі пішіндерге құлай оралуын, жылдам қабаттау процесстерін және бағыттық ылғи әкелетін қасиетті жояды, сондықтанан прототиптеу мен ұдайы өндіруге сәйкес келеді.