Армирования композита

Модельные материалы. Схемы армирования композиционных материалов, структуры которых образованы системой двух нитей, более разнообразны, чем схемы других классов рассматриваемых материалов. Естественно, что экспериментальные исследования механических свойств материалов, со всеми вариантами схем армирования невозможны, и в этом нет необходимости. Для проверки теоретических зависимостей, описывающих упругие характеристики этого класса материалов, достаточно исследовать материалы с наиболее типичными схемами армирования. При этом важно оценить возможность использования теоретических зависимостей в широком диапазоне изменения свойств армирующих волокон и структурных параметров — степени искривления волокон основы (угла наклона к оси 1),

СВОЙСТВА ВОЛОКОН, ПРОВОЛОКИ И НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ ДЛЯ АРМИРОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Плотность углеродных волокон колеблется в пределах 1,6— 2,0 г/см3. Для армирования композиционных материалов углеродные волокна выпускают в виде нитей, лент (ЛУ-1, ЛУ-2 и др.) и тканей.

В табл. 4 и 5 приведены составы и свойства волокон на основе тугоплавких металлов для армирования композиционных материалов, предназначенных для работы при высоких температурах.

Модельные материалы. Схемы армирования композиционных материалов, структуры которых образованы системой двух нитей, более разнообразны, чем схемы других классов рассматриваемых материалов. Естественно, что экспериментальные исследования механических свойств материалов, со всеми вариантами схем армирования невозможны, и в этом нет необходимости. Для проверки теоретических зависимостей, описывающих упругие характеристики этого класса материалов, достаточно исследовать материалы с наиболее типичными схемами армирования. При этом важно оценить возможность использования теоретических зависимостей в широком диапазоне изменения свойств армирующих волокон и структурных параметров — степени искривления волокон основы (угла наклона к оси 1),

Рис. 222. Схемы армирования композиционных материалов:

Как уже отмечалось, арамидные волокна - один из перспективных видов волокон для армирования композиционных материалов. В настоящее время интенсивно разрабатываются новые типы арамидных волокон с улучшенными свойствами. Например, фирмой Du Pont разработаны арамидные волокна марки FIBER D с модулем упругости, в 1,3 раза большим, чем у волокон KEVLAR-49 [3] . Для улучшения свойств арамидных волокон часто используют обработку их поверхности. Повышение адгезионного взаимодействия в системе армирующие волокна — полимерная матрица существенно улучшает статические и динамические свойства композиционных материалов. ) По современным данным, имеется значительный резерв для повышения адгезионного взаимодействия арамидных волокон с полимерной матрицей. Для поверхностной обработки волокон используют различные аппреты [4] , плазменную обработку поверхности [5] .ионное травление [6] и другие методы.

Как уже отмечалось, арамидные волокна - один из перспективных видов волокон для армирования композиционных материалов. В настоящее время интенсивно разрабатываются новые типы арамидных волокон с улучшенными свойствами. Например, фирмой Du Pont разработаны арамидные волокна марки FIBER D с модулем упругости, в 1,3 раза большим, чем у волокон KEVLAR-49 [3] . Для улучшения свойств арамидных волокон часто используют обработку их поверхности. Повышение адгезионного взаимодействия в системе армирующие волокна - полимерная матрица существенно улучшает статические и динамические свойства композиционных материалов. ) По современным данным, имеется значительный резерв для повышения адгезионного взаимодействия арамидных волокон с полимерной матрицей. Для поверхностной обработки волокон используют различные аппреты [4] , плазменную обработку поверхности [5] .ионное травление [6] и другие методы.

1. Волокна для армирования композиционных материалов............................ 461

Для армирования композиционных материалов используют непрерывные дискретные волокна с размерами в поперечном сечении от долей до сотен микрометров.

В табл. 10.5 приведены свойства проволок, волокон и нитевидных кристаллов для армирования композиционных материалов.

Тенденция к снижению его значения при п = 3 -г- 6 весьма существенна, но при л > 6 значения модуля упругости меняются немонотонно. Учитывая, что с увеличением числа направлений волокон п предельный коэффициент армирования композита ц2 снижается, следует считать значения его модуля Юнга одинаковыми и равными для материала с изотропными свойствами (вариант 4, табл. 3.11).

ладкой 90°; GLT — модуль сдвига в плоскости армирования композита в целом.

[07900/07900]s по КрИТерию By—Шойблейна (рис. 4.14). Для рассматриваемой схемы армирования композита оси х и у взаимозаменяемы. Темными кружками показаны экспериментальные точки, светлыми — точки, полученные симметричным переносом относительно осей х или у из экспериментальных. Сплошная линия на рис. 4.14 получена подгонкой полинома с семью независимыми коэффициентами (уравнение (4.32)) по восьми экспериментальным точкам. Пунктирная линия получена при помощи подгонки полинома к предельной кривой, построенной по методу Цая — By (уравнение (4.2)) с использованием в качестве исходной информации свойств слоя. Две

На рис. 7.5,6 показано распределение термических напряжений в матрице композита с ортогональной схемой армирования [0°/90°]s (свойства компонентов те же, что и у рассмотренного однонаправленного композита). Как видно, распределение усадочных напряжений в матрице изменяется со схемой армирования композита. У композита [0°/90°]s напряжения в матрице в направлении армирования значительно выше, чем в однонаправленном материале, и отношения главных напряжений различны. Влияние термических усадочных напряжений на механические характеристики слоистого композита будет обсуждаться в следующих разделах. Предварительно рассмотрим, как влияют на величину усадочных напряжений свойства ползучести полимерной матрицы. Без учета этих свойств нельзя рассчитать изменения поля напряжений, связанные с режимом охлаждения и дополнительного отверждения.

Заметим, что уровень усадочных напряжений для обеих рассмотренных схем армирования (рис. 7.5) более чем достаточен для того, чтобы вызвать в большом объеме матрицы пластические деформации. На рис. 7.16 для схем армирования композита [0°] и [0°/90°] показаны границы между областью упругих свойств матрицы и областью, где еще до воздействия на материал механической нагрузки превышен предел текучести. Как и для композитов с металлической матрицей, эти усадочные напряжения могут вызвать различия между начальными модулями упругости композита при растяжении и сжатии. Однако поскольку было сделано предположение, что в матрице не наблюдается гистерезиса, такие различия в начальных модулях материала на рис. 7.13, 7.14 не обнаружены.

Показано, что усадочные напряжения фактически не изменяют поведения однонаправленных и ортогонально армированных боропластиков при статическом нагружении в направлении армирования и сдвиге (почти до разрушения). Исключение составляет лишь отсутствие отчетливо выраженной точки начала текучести. Однако этот вывод основывается скорее на теоретическом, чем на экспериментальном изучении свойств слоистых композитов после достижения предела текучести. Значительное изменение поведения однонаправленного композита в результате действия усадочных напряжений обнаружено лишь для случая нагружения в поперечном направлении. Причем от уровня этих напряжений зависят как начальный модуль, так и предел пропорциональности. В общем оказывается, что если комбинация статических нагрузок или схема армирования композита таковы, что его поведение определяется главным образом характеристиками волокна,

Тенденция к снижению его значения при п = 3 -г- 6 весьма существенна, но при л > 6 значения модуля упругости меняются немонотонно. Учитывая, что с увеличением числа направлений волокон п предельный коэффициент армирования композита ц2 снижается, следует считать значения его модуля Юнга одинаковыми и равными для материала с изотропными свойствами (вариант 4, табл. 3.11).

• выбор матричного и армирующего компонентов, схемы армирования композита в зависимости от назначения и условий работы изделия;

Армирующие каркасы. Для армирования в УУКМ используют углеродные волокна (УВ), на основе которых формируют пространственные структуры, обеспечивающие направленную анизотропию свойств конечного материала. В достижение требуемых физико-механических свойств УУКМ свой вклад вносят не только характеристики УВ, но и тип пространственного армирования композита, изменение которого оказывает влияние на процесс заполнения каркаса углеродной матрицей, что, в свою очередь, отражается на свойствах материала в целом.

Управление анизотропией свойств УУКМ осуществляется путем варьирования укладкой арматуры. Выбор схемы армирования композита производят на основании данных о распределении температурных и силовых полей и характере нагружения готового изделия. Широкое распространение получили тканые системы на основе двух, трех и п нитей. Отличительной чертой тканых армирующих каркасов, образованных системой двух нитей, является наличие заданной степени искривления волокон в направлении основы, в то время как волокна утка прямолинейны. В тканых каркасах, образованных системой трех нитей, степень искривления волокон определена в трех направлениях выбранных осей координат. Изготовление тканых каркасов на основе трех и более нитей требует разработки сложного ткацкого оборудования. Более технологичные армирующие системы получают на основе прямолинейных элементов (стержней), которые изготовляются методом пултрузии. Данный метод заключается в пропитке связующим жгута волокон, формовании из него стержня заданного профиля протяжкой через фильеры и последующем отверждении.

методов ОПК из композитов осознание возможности рационального выбора структуры армирования композита нашло отражение в задачах оптимизации структуры армирования конструкционного материала. В качестве варьируемого параметра в зависимости от технологии изготовления конструкции рассматривался угол укладки монослоев армированной стеклоленты (пластины, панели и т. п.) или, что в принципе то же, угол намотки стеклянных нитей на оправу (цилиндрические оболочки и вообще оболочки вращения, изготавливаемые способами однозаходной или косой перекрестной намотки). В зависимости от назначения и условий эксплуатации конструкции критерий эффективности (оптимальности) проекта формулировался как требование максимума критической нагрузки потери устойчивости конструкции либо в виде условия равнопрочности конструкции (баллоны давления). Кроме того, рассматривались условия совпадения направлений армирования с направлениями главных напряжений в конструкции и некоторые другие.