Армированные пластмассы

Композиционные материалы представляют сочетание металлической основы (матрицы) и упрочняющего наполнителя — высокопрочных волокон (бора, вольфрама, молибдена и др.), пропитанных расплавленными металлами (кобальтом, алюминием и т. д.). Варьируя компоненты и их объемное сочетание, получают материалы с высокими механическими характеристиками, жаропрочностью и другими свойствами. Композиционные армированные материалы по прочности и износостойкости значительно превосходят стали и высококачественные сплавы.

Если упругие свойства сплошной среды, образующей тело, одинаковы во всех его точках, то тело называют однородным. Если эти свойства не зависят от направления упругого смещения точки, то тело изотропно. Таковы аморфные тела — стекло и др. Если же свойства различны по разным направлениям, то тело анизотропно. Таковы кристаллы, дерево, волокнистые и армированные материалы. В дальнейшем мы ограничимся изучением изотропных тел,

Характер распределения деформаций также существенно зависит от структуры армирования образца. По степени анизотропии упругих свойств пространственно-армированные материалы, образованные системой двух нитей, мало отличаются от ортогонально-армированных, но различие в изменении значений относительных деформаций у них существенное. Это свидетельствует о том, что при растяжении образцов из пространственно-армированных материалов имеет место

Все исследованные трехмерно-армированные материалы имеют линейные диаграммы деформирования до разрушения при испытаниях на растяжение в направлениях укладки волокон. Это хорошо иллюстрирует рис. 5.14, на котором приведены типичные зависимости 0 (б) при растяжении материалов, изготовленных на основе алюмоборосиликатных, кварцевых и кремнеземных волокон. При испытании на трехточечный изгиб образцов из рассматриваемых композиционных материалов изменение прогиба в зависимости от нагрузки для большинства из них имеет линейную зависимость до разрушения (рис. 5.15). Наличие некоторой нелинейности в зависимости для материалов на основе кремнеземных и кварцевых волокон обусловлено

Для несущих слоев используют полимеры, армированные ориентированными волокнами (в строительстве, в производстве легких самолетов и др.), хаотически армированные материалы (в строительных панелях), алюминий (в большинстве авиационных конструкций), титан (в высоконагруженных элементах летательных аппаратов), нержавеющую сталь (в панелях самолетов В-58 и В-70).

Армированные материалы и конструкции из них, сб. статей, Киев, «Наукопа

Появление армированных полимеров объясняется в основном человеческой любознательностью и постоянным поиском материалов, обладающих более высокими физико-механическими и химическими свойствами. Достаточно только внимательно посмотреть на растительные и животные вещества, имеющиеся на земле, чтобы увидеть, что это армированные материалы; композиционные материалы уже давно используются самой природой. Кость, волосы, ногти на пальцах являются примерами тех же самых материалов.

9. Армированные материалы и конструкции из них, «Наукова Думка», Киев, 1970.

Были исследованы также ортогонально армированные материалы на основе препрега с эпоксидной смолой. Во всех случаях первое появление поврежденности наблюдалось в виде разрушения по границе раздела поперечных волокон. Как и в случае композитов с матами из рубленой пряжи и полиэфирной смолой, диаграмма

Сварку пакета проводили метанием стальной пластины, установленной параллельно свариваемому пакету; заряд взрывчатых веществ помещали на стальную пластину. Взрывчатым веществом служила смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой. Путем изменения технологических режимов процесса (высоты заряда, состава взрывчатой смеси и др.) был разработан процесс, позволяющий получать качественные многослойные армированные материалы толщиной до 15 мм [12].

Характер распределения деформаций также существенно зависит от структуры армирования образца. По степени анизотропии упругих свойств пространственно-армированные материалы, образованные системой двух нитей, мало отличаются от ортогонально-армированных, но различие в изменении значений относительных деформаций у них существенное. Это свидетельствует о том, что при растяжении образцов из пространственно-армированных материалов имеет место

Как указывалось ранее, армированные пластмассы обладают значительной поглощенной энергией. Если обозначить эту энергию через Who и считать, что на развитие трещины

7.25. Технический совет по армированным пластмассам (Кёка пурасутиккусу гидзюцу кёкай). Введение в армированные пластмассы, 1968, с. 57 (на японск. яз.).

Комбинируя пластмассы с металлами, получают так называемые армированные пластмассы, обладающие высокой ударной вязкостью и пластичностью. Армирование усиливает пластики и приближает их прочность к прочности стали. Их можно широко применять для панелей, кузовов, кабин автомобилей и многих других деталей машин. Кузова и кабины из пластмасс не боятся ударов при столкновении машин. Слабые удары компенсируются упругими свойствами материала, а вмятины, образующиеся при более сильных ударах, не трудно устранить, прикладывая усилия с противоположной стороны.

(отношение показателя прочности к плотности) или удельной жесткости. Наиболее прочными пластмассами являются армированные пластмассы (стеклопластики, некоторые разновидности асбопластиков и древесно-слоистых пластмасс), приближающиеся по этим характеристикам к металлам.

Композиционные материалы, армированные углеродными волокнами. Армированные углеродными волокнами композиционные материалы в зависимости от типа матрицы делятся на армированные пластмассы и армированные металлы. Рассмотрим их особенности на примере широко применяемых на практике углепластиков. Как следует из данных, приведенных в табл. 1.1, среди всех армирующих волокон только арамидные волокна имеют плотность, меньшую плотности углеродных волокон. Но высокопрочные углеродные волокна прочнее арамидных, а высокомодульные углеродные волокна имеют модуль упругости, близкий к модулю упругости борных волокон. Поэтому именно углеродные волокна нашли широкое применение в конструкциях, которые должны иметь ограниченный вес. Среди всех армированных пластмасс углепластики обладают наиболее высокими стойкостью к усталостным испытаниям и долговечностью. Углепластики хорошо проводят электрический ток и могут использоваться для изготовления плоских нагревательных панелей. Углепластики плохо пропускают рентгеновские лучи. Они имеют очень низкий коэффициент линейного расширения и оказываются наиболее подходящими материалами для конструирования космических аппаратов, подвергающихся значительным перепадам температур между солнечной и теневой сторонами. В то же время они хрупки и обладают низкой ударной прочностью. Поэтому во многих случаях предпочти-

Армированные пластмассы представляют собой полимерную матрицу, упрочненную волокнами. Свойства армированных пластмасс определяются прежде всего характеристиками армирующих волокон, в том числе углеродных. Техника получения волокнообразного углерода путем прокаливания хлопчатобумажной нити известна еще со времени изобретения лампы накаливания. В Японии был разработан метод получения углеродных волокон путем высокотемпературной обработки волокон из полиакрилонитрила. Эту разработку стимулировала перспектива улучшения свойств пластмасс путем армирования их углеродными волокнами; в результате были созданы современные промышленные материалы с улучшенными свойствами и структурой. Важным направлением материаловедения является также сочетание углеродных волокон с металлической матрицей.

В 1977 г. фирма "Форд" сообщила о плане разработки облегченного экспериментального автомобиля, в котором будут использованы в основном углепластики и гибридные армированные пластмассы на основе углеродных и стеклянных волокон. Первый опытный экземпляр такого автомобиля был создан в мае 1979 г. В опытной модели "Форд LTD" 1979 г. из углепластиков, гибридных и других композитов на основе углеродных и стеклянных волокон были изготовлены кузов, шасси, двери, бампера и другие детали автомобиля (рис. 6.21). Данные о массе различных деталей такого автомобиля приведены в табл. 6.12. В результате использования конструкционных полимерных материалов масса автомобиля снизилась с 1698 до 1137 кг, т. е. приблизительно на 33%, а экономичность повысилась с 7,2 до 9,7 км/л, т. е. на 35%.

Композиционные материалы, армированные углеродными волокнами. Армированные углеродными волокнами композиционные материалы в зависимости от типа матрицы делятся на армированные пластмассы и армированные металлы. Рассмотрим их особенности на примере широко применяемых на практике углепластиков. Как следует из данных, приведенных в табл. 1.1, среди всех армирующих волокон только арамидные волокна имеют плотность, меньшую плотности углеродных волокон. Но высокопрочные углеродные волокна прочнее арамидных, а высокомодульные углеродные волокна имеют модуль упругости, близкий к модулю упругости борных волокон. Поэтому именно углеродные волокна нашли широкое применение в конструкциях, которые должны иметь ограниченный вес. Среди всех армированных пластмасс углепластики обладают наиболее высокими стойкостью к усталостным испытаниям и долговечностью. Углепластики хорошо проводят электрический ток и могут использоваться для изготовления плоских нагревательных панелей. Углепластики плохо пропускают рентгеновские лучи. Они имеют очень низкий коэффициент линейного расширения и оказываются наиболее подходящими материалами для конструирования космических аппаратов, подвергающихся значительным перепадам температур между солнечной и теневой сторонами. В то же время они хрупки и обладают низкой ударной прочностью. Поэтому во многих случаях предпочти-

Армированные пластмассы представляют собой полимерную матрицу, упрочненную волокнами. Свойства армированных пластмасс определяются прежде всего характеристиками армирующих волокон, в том числе углеродных. Техника получения волокнообразного углерода путем прокаливания хлопчатобумажной нити известна еще со времени изобретения лампы накаливания. В Японии был разработан метод получения углеродных волокон путем высокотемпературной обработки волокон из полиакрилонитрила. Эту разработку стимулировала перспектива улучшения свойств пластмасс путем армирования их углеродными волокнами; в результате были созданы современные промышленные материалы с улучшенными свойствами и структурой. Важным направлением материаловедения является также сочетание углеродных волокон с металлической матрицей.

В 1977 г. фирма "Форд" сообщила о плане разработки облегченного экспериментального автомобиля, в котором будут использованы в основном углепластики и гибридные армированные пластмассы на основе углеродных и стеклянных волокон. Первый опытный экземпляр такого автомобиля был создан в мае 1979 г. В опытной модели "Форд LTD" 1979 г. из углепластиков, гибридных и других композитов на основе углеродных и стеклянных волокон были изготовлены кузов, шасси, двери, бампера и другие детали автомобиля (рис. 6.21). Данные о массе различных деталей такого автомобиля приведены в табл. 6.12. В результате использования конструкционных полимерных материалов масса автомобиля снизилась с 1698 до 1137 кг, т. е. приблизительно на 33%, а экономичность повысилась с 7,2 до 9,7 км/л, т. е. на 35%.

4.6. АРМИРОВАННЫЕ ПЛАСТМАССЫ