Механические свойства стеклотекстолитов, текстолитов, гетинаксов

Влияние внешних факторов на механические характеристики электротехнических стеклотекстолитов, текстолитов, гетинаксов. Влияние анизотропии и масштабного фактора на механические свойства Слоистые пластики являются анизотропными материалами. Их свойств а неодинаковы в различных направлениях. Поэтому при описании этих свойств указывают, к какому направлению относится упомянутый показатель. Применяемые для этого термины видны из рисунка.

Рис.1. Направление усилий Анизотропия у слоистых пластиков наблюдается как в механических , так и электрических свойствах. Анизотропность механических свойств видна из табл.1. Анизотропия электрических свойств может быть иллюстрирована примером, когда электрическая прочность высоковольтного гетинакса в направлении, перпендикулярном слоям, составляет 25—30 МВ/м, в то время как вдоль слоев (параллельно слоям) она всего 1 — 2 МВ/м.

Направление измерения	Растяжение, МПа		Сжатие, МПа
Направление измерения	Продел прочности	Модуль упругости	Предел прочности		Модуль упругости
Гетинакс низковольтного назначения, марки I
Вдоль листа (вдоль длины бумаги)	140	14 800	190		8600
Поперек листа (поперек длины бумаги)	100	10 800	195		10 750
Под углом 45°	129	12 000	199		9 500
Текстолит электротехнический марки А
Вдоль листа (вдоль основы ткани	85	7 500		168	6 000
Поперек листа (вдоль утка)	58	5 400		140	6 200
Под углом 45°	67	5 700		150	5 500

Направление измерения	Растяжение, МПа			Сжатие, МПа	Изгиб, МПа
Направление измерения	Продел прочности	Модуль упругости		Продел прочности	Продел прочности
Стеклотекстолит СТ
Вдоль листа	100	20 000	430		230
Поперек листа	80	16 000	90		160
Стеклотекстолит СТЭФ
Вдоль листа (вдоль основы ткани	400	26 000	500		530
Поперек листа (вдоль утка)	280	22 000	330		420
Стеклотекстолит СТ-ЭТФ
Вдоль листа (вдоль основы ткани	380	21 000	570		490
Поперек листа (вдоль утка)	300	20 000	380		410

Таблица 1. Анизотропность механических свойств слоистых пластиков (приведены фактические значения) В отличие от таких широко применяемых конструкционных материалов, как металлы, слоистые пластики по механическим свойствам оказываются более чувствительными к времени приложения внешних механических усилий, воздействию окружающей влажности и температуры. При этом предел пропорциональности по отношению к пределу прочности у слоистых пластиков лежит, как это видно из рис.2, на гораздо более низком уровне, чем например, у таких металлов, как сталь и дюралюминий.

Рис.2 Зависимость относительного удлинения от растяжения. 1-сталь; 2-дюралюминий; 3-стеклотекстолит стэф; 4-гетинакс; 5-текстолит

На приведенном рисунке участки Оа характеризуют предел пропорциональности при растяжении. При рассмотрении приведенных кривых следует иметь в виду, что участки ab для стали и дюралюминия фактически имеют не такой плавный ход, как показано на кривых 1 и 2. Если учесть, что при применении любых материалов в высоконагруженных механических конструкциях у них используется предел прочности только в пределах пропорциональности и упругая относительная деформация не превышает 0,02%, то у слоистых пластиков от предела прочности можно использовать только около: для текстолита 10—20%, гетинакса 20—30%, стеклотекстолита 30—40%, не считая необходимого запаса прочности и снижения, механических свойств при рабочей температуре конструкции. С учетом необходимого коэффициента запаса и снижения прочности слоистых пластиков при повышенных рабочих температурах следует считать, что у них может быть использовано всего 4—12% их предела прочности. В то же время у таких металлов, как сталь или дюралюминии, удается использовать до 20— 25% предела их прочности. В табл. 2 приводятся данные по таким характеристикам прочности, как удельный модуль упругости (модуль упругости, отнесенный к плотности) у слоистых пластиков по сравнению с некоторыми традиционными материалами, применяемыми в механических конструкциях.

Наименование материала	Плотность, кг/ м3	Фактический модуль упругостн, МПа	Удельный модуль упругости. МПа-м3/кг
Сталь 3	7850	200 000	25
Дюралюминий	2800	72 000	26
Сосна ДРС	520	13 000	25
Древесный слоистый пластик	1350	25 000	19
Стеклотекстолит СТЭФ, СТЭФ-У	1800	22 000	12
Стеклотекстолит КАСТ-В, ВФТ-С	1850	21 000	11
Гетинакс марка I	1400	11 000	8
Текстолит марка Б	1350	8500	6

Таблица 2 Сравнительные прочностные характеристики конструкционных материалов. Из приведенных данных следует, что слоистые пластики не всегда могут конкурировать с традиционными конструкционными материалами и существенно уступают им по механическим свойствам. Однако в отличие от металлов слоистые пластики обладают электроизоляционными свойствами, имеют меньшую теплопроводность и в 3-4 раза меньший вес. Поэтому в электроаппарато- и машиностроении их рассматривают прежде всего как электроизоляционные материалы, не придавая механическим свойствам решающего значения. На электрические свойства слоистых пластиков, так же как и на механические свойства, существенное влияние оказывает не только временной фактор, но и такие внешние факторы, как нагревание и увлажнение. Кроме того, для конструкционных задач существует класс стеклопластиков, где в качестве наполнителя применяют углеродное волокно (карбон или углепластики), прочностные характеристики которых при растяжении и сжатии достигают 600-700 Мпа. Не один современный летательный аппарат уже не обходится без углепластиков. Если для металлов влияние различных факторов на механические свойства изучено достаточно полно, что позволяет для этих материалов назвать уровень так называемых инженерных свойств с соответствующими коэффициентами запаса от исходных показателей свойств, то для слоистых пластиков, особенно электротехнического назначения, эти свойства (включая и инженерные электрические) изучены далеко недостаточно. Поэтому в настоящее время свойства слоистых пластиков оценивают по некоторым исходным показателям с указанием в технических условиях или ГОСТ их уровня без учета влияния внешних факторов, которые иногда могут свести самые высокие исходные показатели на невысокий уровень. Однако контроль по таким показателям все же до известной степени позволяет удерживать производство на таком уровне, чтобы он обеспечивал выпуск следующей партии материала с качеством, аналогичным предыдущей, опробованной потребителем. Отсутствие необходимых данных об инженерных свойствах при конструировании новых электромашин и аппаратов заставляет конструкторов прибегать либо к аналогии применения тех или иных видов слоистых пластиков в уже работающих конструкциях, либо к длительному испытанию вновь созданных конструкций. То и другое, как правило, приводит к тому, что использование слоистых пластиков оказывается не всегда оптимальным рациональным. Так как в разрезе слоистый пластик представляет собой структуру с чередующимися сечениями связующего и наполнителя, разнящихся между собой по модулям упругости, то приложенное извне усилие будет вызывать в этих сечениях напряжения, обратно пропорциональные модулям упругости составляющих. Стеклопластики изготовленные на основе феноформальдегидных связующих - стеклотекстоиты СТ, СТ-1 имеют меньшее значение прочности, т.к. при их отверждении (прессовании) выделяется вода, которая уменьшает прочность волокн примерно на 65%, в сравнении со стеклотекстолитами СТЭФ, СТЭФ-У, изготовленными на основе эпоксифенольного связующего. Таким образом, на механическую прочность слоистых пластиков оказывает влияние не только внешне видимая анизотропия, но и внутренняя неоднородность слоистого пластика. Масштабный фактор также оказывает влияние на механические свойства. Так, с увеличением толщины слоистых пластиков увеличиваются их удельная ударная вязкость, предел прочности при растяжении и изгиб. Существенное влияние масштабный фактор оказывает на водопоглощение слоистых пластиков. При этом меньшее влияние этого фактора сказывается на водопоглощаемости стеклотекстолита и в гораздо большей степени гетинакса. Установлено, что если основное количество влаги всасывется у стеклотекстолита через торцы, то у гетинакса это всасывание осуществляется главным образом через плоскости двух поверхностей. Влагопоглощаемость стеклотекстолита в зависимости от его толщины изменяется незначительно, а влагопоглощаемость гетинакса тем больше, чем меньше его толщина.

Влияние времени и цикличности нагрузки.

У слоистых пластиков, так же как и у металлов, но в гораздо большей степени, наблюдается зависимость механической прочности от времени приложения механической нагрузки (рис. 3). Несмотря на то, что у слоистых пластиков не удается в достаточно высокой степени использовать их механические свойства, однако по сравнению с металлами они обладают лучшей способностью поглощать вибрацию. Благодаря этому они в некоторых случаях оказываются более пригодными в подшипниках и шестернях.

Рис. 3 Зависимость разрушающих напряжений при изгибе слоистых пластиков от времени приложения механического напряжения. 1- Гетинакс I; 2- стеклотекстолит СТ; 3- стеклотекстолит СТЭФ.

Аналогично металлам разрушение слоистых пластиков при приложении повторно-переменных напряжений можно объяснить тем, что в результате внутреннего трения в материале возникают и постепенно расширяются трещины, ослабляющие его вплоть до разрушения. Так, многократное приложение нагрузки, составляющей всего 75% предела прочности при растяжении (кратковременно, примерно в течение 20 с), вызвало следующее изменение механических свойств гетинакса. Энергия, поглощаемая материалом при каждом цикле, преобразуется в тепло, вследствие чего происходит повышение температуры слоистого пластика. Для оценки материалов при циклических нагрузках, пользуется показателем предела выносливости, который показывает максимальное напряжение, при котором материал выдерживает приблизительно 10 млн. повторных циклов без разрушений (табл.3).

	Предел выносливости для различных слоистых пластиков, МПа
	Стеклотекстолит	Текстолит	Гетинакс
Изгиб	60	27,5-30	35-40
Растяжение и сжатие	-	39	39

Таблица 3. Пределы выносливости стеклотекстолита, текстолита, гетинакса. Предел выносливости у слоистых пластиков зависит от содержания связующего. При этом увеличение содержания смолы, например в гетинаксе, с 40 до 50% уменьшает его предел выносливости примерно на 20%.

Влияние нагревания

Механические свойства большинства видов рядовых слоистых пластиков довольно сильно изменяются даже при небольшом повышении температуры.


Рис. 4 Влияние температуры на предел прочности при растяжении. 1- гетинакс; 2- текстолит А	Рис. 5 Влияние температуры на предел прочности при растяжении стеклотекстолита СТ

Из рисунков 4-5 видно, что предел прочности при растяжении гетинакса при его рабочей температуре 105 С остается на уровне около 68% того, который наблюдался при 20 С, для текстолита с той же рабочей температурой остается всего около 30%, у стеклотекстолита СТ при рабочей температуре 130 С около 80%. В таблице 4 показано изменение модуля упругости гетинакса и текстолита при нагревании.

Температура, ºС	Модуль упругости при растяжении
	Гетинакс		Текстолит
	МПа	%	Мпа	%
-55	15 000	153	80 000	118
-20	10 000	102	70 000	103
0	9 800	100	68 000	100
+25	8 400	86	60 000	88
+75	6 000	62	38 000	56

Таблица 4 Влияние нагревания на модуль упругости при растяжении гетинакса и текстолита. Степень нагрева слоистых пластиков так же сказывается на изменении его модуля упругости. Из рис. 6 видно, что снижение прочности у различного вида слоистых пластиков происходит в неодинаковой степени. Прочность (жесткость) зависит от вида связующего и наполнителя. Если сравнивать прочность стеклотекстолитов СТЭФ и СТ-ЭТФ в которых применяется один тип наполнителей – стеклоткань электроизоляционная, то очевидно, что прочность СТЭФ изготовленного с применением эпокси-диановой смолы ЭД-16 и фенолформальдегидной смолы резольного типа ниже прочности СТ-ЭТФ выполненного из эпоксидной смолы ЭТФ и анилилинфенолформальдегидной смолы 211. В этом случае на прочность оказала влияние степень сшивания смолы. В связующем для СТ-ЭТФ большее удельное число сшивок в следствии большего количества эпоксидных групп в смоле и большего количества реакционных групп в анилилинфенолформальдегидной смолы 211. Если сравнивать стеклотекстолит СТ и гетинакс I, в производстве которых применяется похожее связующее, то окажется, что на прочность слоистого пластика в этом случае повлиял примененный наполнитель (в первом случае стеклоткань, во втором целлюлоза). Наличие щелочей на поверхности стекловолокон оказало существенное влияние на степень отверждения фенолформальдегидной смолы в стеклотекстолите СТ. Длительное нагревание слоистых пластиков приводит в конечном счете к довольно большому снижению их механических свойств.

Рис. 6 Зависимость предела прочности слоистых пластиков при сжатии перпендикулярно слоям от температуры. 1- стеклотекстолит СТ-ЭТФ, 2-стеклотекстолит СТЭФ, 3- стеклотекстолит СТ, 4- гетинакс I, 5- текстолит А

С некоторым грубым приближением можно считать, что надежность, связанная со старением слоистых пластиков после нагревания на каждые 10-12 ºС, падает вдвое. Практически это означает, например, что если материал после нагревания его при 150 ºС в течение 6 мес потерял свою надежность, то при 90 ºС он потеряет свою надежность по истечении 16 лет, а при 160 ºС в течение всего 3 мес. Однако нагревание слоистых пластиков при недопустимо высоких температурах может привести к резкой деструкции либо связующего, либо наполнителя. При нагревании слоистых пластиков изготовленных на основе фенолформальдегидных связующих, начиная примерно с 200 ºС появляется науглероживание связующего, которое усиливается при повышении температуры до 300-400 ºС. При полном обугливании связующего еще остается ощутимая механическая прочность за счет оставшегося кокса, способного в некоторой степени связывать между собой слои наполнителя. В то же время при нагреве слоистых пластиков, изготовленных с применением эпоксифенолного связующего, при вышеупомянутых температурах начинается сильная деструкция связующего с возгонкой продуктов деструкции без существенного образования продуктов обугливания. Наступает практически полное разрушение пластика. При продолжительном нагревании при температуре 300-350 ºС слоистых пластиков, изготовленных на основе кремнийорганического связующего, хотя и не появляется заметного обугливания, пластики приобретают большую хрупкость. При нагревании слоистых пластиков, изготавливаемых на основе целлюлозных наполнителей, раньше чем начинает сказываться деструкция связующего, появляется деструкция целлюлозы, которая прогрессивно увеличивается при температуре свыше 105-120 ºС.

Влияние увлажнения (коробление)

Слоистые электротехнические пластики, за исключением текстолита ЛТ и стеклотекстолита СТВЭ, изготовленных с применением негидрофильных наполнителей обладают сравнительно высокой влагопоглощаемостью. Одновременно с увеличением водопоглощения изменяются и размеры пластиков. На рисунке х приведены кривые характеризующие изменения размеров некоторых слоистых пластиков по мере увеличения водопоглощения. Из рисунка х видно, что водонасыщение у стеклотекстолитов СТ наступает гораздо раньше, чем у гетинаксов и текстолитов и что после водонасыщения прекращается изменение их размеров.

Рис. 7 Зависимость водопоглощения слоистых пластиков от времени пребывания в воде. 1- текстолит Вч; 2-стеклотекстолит СТ, 3- стеклотекстолит СТ-1	Рис. 8 Зависимость изменения размеров слоистых пластиков от времени пребывания в воде. 1- длина текстолита Вч; 2- длина стеклотекстолита СТ, 3- длина стеклотекстолита СТ-1

После пребывания стеклотекстолитов в воде их механическая прочность несколько падает (20-25%), однако после их сушки при умеренной температуре (порядка 105 ºС) механическая прочность восстанавливается. Падение прочности у стеклотекстолитов обуславливается прежде всего падением прочности стекловолокна, о чем свидетельствует и обратимый характер снижения прочности после сушки. В этом отношении обработка стеклотекстолитов влагостойкими покрытиями несколько защитит во времени от воздействия влаги. Однако такой эффект оказывается недостаточно длительным. У текстолитов после пребывания в течение 6 месяцев при относительной влажности воздуха 98-100% наблюдается падение предела прочности при растяжении на 5%, удельной ударной вязкости на 7%, а предела прочности при изгибе на 50%. Увлажнение влияет не только на механические свойства и изменение размеров слоистых пластиков, но и на степень коробления последних. Как говорилось ранее электротехнические гетинаксы и текстолиты поглощают влагу главным образом через обе поверхности, поэтому они оказываются особенно чувствительными к возникновению коробления при условии неодинакового увлажнения с противоположенных сторон. В этом отношении стеклотекстолиты в гораздо меньшей степени подвержены короблению при неодинаковом увлажнении противоположных сторон. Для избежания данного эффекта следует применять влагостойкие пластики (гетинакс ЛГ, текстолит ЛТ, стеклотекстолит СТВЭ), которые оказываются практически нечувствительными к одностороннему увлажнению.

Выводы.

Слоистые пластики являются анизотропными материалами. Их свойства неодинаковы в различных направлениях.
Анизотропия у слоистых пластиков наблюдается как в механических, так и электрических свойствах.
Рассмотренные в данной статье слоистые пластики не всегда могут конкурировать с металлами и существенно уступают им по механическим свойствам. Однако, в отличие от металлов слоистые пластики обладают электроизоляционными свойствами, имеют меньшую теплопроводность и в 3-4 раза меньший вес.
При нагревании слоистые пластики существенно теряют свои физико-механические свойства, наиболее устойчивыми к нагреванию является стеклотекстолит СТ-ЭТФ.
Увлажнение влияет не только на механические свойства и изменение размеров слоистых пластиков, но и на степень коробления последних. Электротехнические гетинаксы и текстолиты поглощают влагу через обе поверхности, они особенно чувствительны к короблению. Стеклотекстолиты в гораздо меньшей степени подвержены короблению.
Фактические физико-механические показатели слоистых пластиков значительно (в большую сторону) отличаются от нормированных в соответствующих ГОСТ (ТУ). Главное значение здесь имеют параметры технологического процесса производства (соответствие требованиям НТД применяемых сырьевых материалов, соотношение связующее-наполнитель, правильный выбор режимов пропитки и прессования, четкое соблюдение всех технологических этапов производства).