Преимущества и недостатки стеклопластиков перед другими материалами

Стеклопластики обладают рядом преимуществ перед различными конструкционными материалами, что обеспечило их быстрое внедрение, особенно в случаях использования, из-за их уникальных свойств: высокой удельной, статической и ударной прочности в сочетании со светопропусканием (почти не уступающим пропусканию оконного стекла), радиопрозрачностью (способностью почти полностью пропускать волны сантиметрового диапазона), очень высокими электроизоляционными характеристиками; немагнитностью, коррозионной стойкостью.

Свойства стеклопластиков

Специфические свойства стеклопластиков определяются свойствами  компонентов, их содержанием в материале, направлением армирования, взаимным расположением различных слоев и т.д. Возможность конструирования материала с заданными характеристиками - одно из основных преимуществ стеклопластиков. Однако при этом возникает такое множество вариантов стеклопластиков с различными свойствами, что их невозможно представить в виде одной таблицы или графика. В таблице приведены характеристики наиболее распространенных конструкционных материалов.

Преимущества стеклопластика

Таблица наглядно демонстрирует преимущества стеклопластиков. Масса 1м2 материала толщиной 1мм составляет для стали 7,8кг, а для стеклотекстолита - 1,7кг. Удельная прочность, зачастую называемая также разрывной длиной и показывающая длину, при которой стержень с постоянным сечением разрывается под действием собственной массы, у однонаправленного стеклопластика значительно выше, чем у остальных материалов. По удельной жесткости, показывающей способность материала сопротивляться изгибу под действием собственной массы, стеклопластики не уступают другим конструкционным материалам. Низкий коэффициент теплопроводности и высокие электроизоляционные характеристики позволяют использовать стеклопластики в таких областях, где другие конструкционные материалы неработоспособны.

Недостатки стеклопластиков

Наряду с отмеченными преимуществами стеклопластики имеют и недостатки, которые необходимо учитывать при изготовлении и эксплуатации изделий.

- Структурная неоднородность и недостаточная стабильность технологии изготовления приводят к значительному рассеянию механических, электрических и многих других показателей стеклопластиков, которое достигает 15—20% относительно средних значений даже при стандартных кратковременных испытаниях. При длительных испытаниях рассеяние увеличивается. Поэтому при определении работоспособности стеклопластиков в тех или иных условиях нельзя пользоваться средними значениями соответствующих характеристик.

- Полимерная природа связующих обусловливает повышенную чувствительность стеклопластиков к предыстории изготовления и к температурно-временному режиму последующей эксплуатации, который, как и для других твердых материалов, определяет прочностные и деформативные свойства. При умеренных температурах для обычных конструкционных материалов температурно-временная зависимость проявляется слабо. Наличие полимерного связующего, обладающего ярко выраженными реономными свойствами, предопределило невозможность говорить о значениях прочности или деформативности стеклопластиков даже при комнатной температуре без указания времени, в течение которого стеклопластик находился в напряженном состоянии.

Так, модуль упругости и особенно прочность стеклопластиков повышаются при увеличении скорости деформирования. Длительная прочность стеклопластика (время испытаний— 10 000 ч) в зависимости от направления действия нагрузки относительно главных осей симметрии составляет 25—70% от значения разрушающего напряжения при кратковременных статических испытаниях. В то же время температурно-временная зависимость механических показателей у стеклопластиков выражена слабее, чем у гомогенных полимер;ных материалов.

- Направленное размещение стеклянных волокон в плоскости армирования и слоистость структуры в направлении, перпендикулярном этой плоскости, вызывают анизотропию механических, теплофизических и других свойств, вследствие чего значения определяемых характеристик зависят от направления их определения. Так, прочность однонаправленного стеклопластика при растяжении в направлении армирования на порядок выше прочности в перпендикулярном направлении. Как правило, число ха;рактеристик, необходимых для описания того или иного свойства стеклопластика, намного больше, чем для изотропных материалов. Даже закономерности поведения стеклопластиков зависят от направления приложения нагрузки. Например, для ориентированных стеклопластиков диаграмма растяжения в направлении армирования с большой точностью следует закону Гука. При нагружении под углом к направлению армирования эта диаграмма становится существенно нелинейной.

Слоистость структуры большинства стеклопластиков предопределила их слабое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному отрыву. Поэтому в ряде случаев, например при изгибе, стеклопластик может разрушиться не от того, что нормальные напряжения (растягивающие или сжимающие) достигнут предельных для данного материала значений, а вследствие того, что касательные напряжения превзойдут сопротивление материала межслойному сдвигу. Там, где необходимо повышенное сопротивление стеклопластиков межслойному сдвигу и поперечному отрыву, применяют пространственно сшитые, так называемые «многослойные» армирующие материалы.

- Деформации, возникающие перпендикулярно армирующим подокнам, реализуются в основном в прослойках связующего из-за малой жесткости последнего по сравнению с жесткостью стеклянных волокон, что приводит к образованию трещин в прослойках связующего между волокнами или на границах раздела фаз, даже на ранней стадии нагружения, когда средние напряжения в материале существенно ниже разрушающих. Низкая трещиностойкость характерна для стеклопластиков, особенно ориентированных. Трещины обычно мало сказываются на значениях характеристик, полученных в результате кратковременных стандартных испытаний, однако такие характеристики стеклопластика, как герметичность, сопротивление действию агрессивных сред, механические и электротехнические свойства, при длительных испытаниях при появлении и прорастании трещин, заметно ухудшаются.

- Относительно низкий модуль упругости стеклопластиков приводит к тому, что несущая способность тонкостенных конструкций лимитируется не прочностью, а деформативностью и устойчивостью. Для более полного использования высоких прочностных характеристик стеклопластиков в ряде случаев целесообразно изделия делать трехслойными или ставить ребра жесткости.

Там, где это возможно, следует конструировать изделия таким образом, чтобы стеклопластик работал не на сжатие, а на растяжение. Следует отметить, что иногда невысокий модуль упругости является преимуществом стеклопластика. Например, трубопроводы из этого материала могут выполняться без компенсаторов температурных деформаций. Листы из стеклопластика легко огибают криволинейные поверхности небольшого радиуса.

 

Читайте также статьи:

Виды стеклотканей

Нити и ровинг