Армированные волокнами

По существу промышленное производство армированных пластиков началось в 1940 г., когда в качестве упрочняющего наполнителя было использовано стеклянное волокно. Первые попытки; изготовить армированные стекловолокном фенольные и .мелами-новые композиты путем прессования под высоким давлением не-имели успеха. В 1941 г. Д. Гайд получил армированные стекловолокном композиты на кремнийюрганической основе, которые-оказались прекрасным теплостойким электроизоляционным материалом, но слишком дорогим для использования в конструкционных целях. В 1941 г. Л. Кинг изготовил первые полиэфирные стеклопластики из смолы на основе аллилгликоля карбоната (СР-3). В 1942 г. стали доступны полиэфирные смолы на основе малеи-яатов, отверждаемые при низких давлениях. Уже к началу 1944г.. эти смолы применялись в военной промышленности для производства защитных шлемов, при строительстве самолетов и подводных лодок. Появление эпоксидных смол в начале 50-х годов вызвало-бурное развитие стеклопластиков. До 1970 г. практически все конструкционные пластики армировались стекловолокном. История развития полимерных композитов изложена в работе Д. Росато [41]„

Чемберлен и др. [8] показали, что при обработке поверхности фторированного стекловолокна реактивом Гриньяра присоединение органосодержащих прупп к стеклу происходит путем образования ковалентных связей. Эпоксидные слоистые пластики, армированные 'стекловолокном с 1,3% пентанольных групп на поверхности, сравнимы со слоистым пластиком из стекловолокна, обработанного силаном. Стеклянное волокно с 9% пентанольных групп на поверхности было гораздо хуже, чем стекловолокно, аппретированное силаном. По-видимому, ковалентная химическая связь между смолой и стеклом менее эффективна, чем связь, полученная при осаждении аппрета на поверхность волокна из водных растворов.

Применение прессовочных и листовых формовочных композиций оказалось эффективным для изготовления крупногабаритных внешних деталей автомобилей. Одновременно увеличивается объем их применения для производства различных видов перегородок, кожухов воздуходувок, панелей и различных видов корпусов приборов и оборудования. Термопласты, армированные стекловолокном, находят широкое применение для изготовления деталей машин для мытья посуды, стиральных машин, а также компьютеров, насосов и т. п.

Битумы, армированные стекловолокном >Ю14 [30] 4 >4- 10» 1 • 106 [34] 5-101 гб] 2-106 [6] 15 10 10 5 5 9 0,1 MNaCl Грунт Грунт Начальное значение 3-Ю7 Ом-м2

В — при т. кип. в необработанных, кислых и чистых растворах любой концентрации [фурановые и фенолформальдегид-ные смолы с асбестовым наполнителем (хавег 41 и 60), эпоксидные смолы, армированные стекловолокном, хлорированные кислые полиэфиры (пентон), политетрафторэтилен (тефлон, хостафлон, флуон, кель F и др.), фенолфор-мальдегидная саженаполненная смола (баскодур)].

В — при 100°С в необработанных и чистых растворах любой концентрации [полиметилметакрилат (плексиглас), химически стойкие полиэфиры, армированные стекловолокном].

армированные стекловолокном). Н — при об. т. (полиэтилен, полиизобутилен, полиметилмета-

В — от об. т. до 90°С (химически стойкие полиэфиры, армированные стекловолокном).

В — при т. кип. в неочищенных, подкисленных и чистых растворах любой концентрации [фурановые и фенолформаль-дегидные смолы с асбестовым наполнителем (хавег 41 и 60), эпоксидные смолы, армированные стекловолокном, хлорированные полиэфиры (пентон), политетрафторэтилен (тефлон, хостафлон, флуон, кель F), фенолформальдегид-ная смола с сажевым наполнителем (баскодур)].

В — при 100°С в неочищенных и чистых растворах любой концентрации [полиметилметакрилат (плексиглас), химически стойкие полиэфиры, армированные стекловолокном].

В — от об. до 60°С в растворах необработанной чистой кислоты любой концентрации [полиметилметакрилат (плексиглас) только в кислоте с концентрацией до 20%, химически стойкие полиэфиры, армированные стекловолокном].

Металлические композиционные материалы включают два основных класса: дисперсноупрочненные материалы (рис. 463,6) и металлы, армированные волокнами (рис. 463, а).

Наибольшее внимание привлекают алюминиевые сплавы, армированные волокнами из бора, углерода, нержавеющей стали и бериллия; титановые сплавы, армированные волокнами молибдена и бериллия, и никелевые сплавы, армированные волокнами вольфрама, молибдена и их сплавов. Данные о прочности некоторых волокон и армированных материалов приведены в табл. 156 и 157. Такие материалы наиболее перспективны для деталей, работающих в условиях, близких к одноосному растяжению, например лопаток турбин и компрессоров. Максимальные рабочие температуры этих материалов близки к температуре плавления матрицы. На рис. 465 в качестве примера показаны температурные зависимости прочности для алюминия, армированного стеклянными и кварцевыми волокнами. Для сравнения на графике приведены свойства дисперсноупроч'ненного алюминия и алюминиевого сплава. На рис. 466 показана макро- и микроструктура прутка из сплава нихром, армированного волокнами вольфрама (50%).

Приближенный учет шага укладки волокон в поперечном сечении трех-мерноармированного материала может быть выполнен введением в расчет геометрических параметров, отражающих распределение плотности укладки волокон каждого направления. Для регулярной структуры, образованной взаимно ортогональными волокнами, уложенными в трех направлениях, следует установить ряд вспомогательных геометрических соотношений. Для этого нужно рассмотреть тонкие армированные волокнами

К композициям относятся материалы, армированные волокнами или частицами, керамики, конгломераты и т. д.

Изучение механического поведения композиционных материалов включает аналитические исследования на двух уровнях абстрагирования. В общепринятой терминологии области этих исследований носят названия микромеханики и макромеханики. В микромеханике делается попытка распознать тонкие детали структуры материала, т. е. рассмотреть в действительности неоднородное тело, состоящее из включений — волокон, частиц или кристаллов — и матрицы, в которой размещены эти включения. Хотя термин «композит» объединяет широкое многообразие материалов, таких, как бетон, полукристаллические полимеры, бумага, кожа, кость и т. д., здесь будут обсуждаться главным образом материалы, армированные волокнами. Следует разъяснить, что термин «микромеханика» обычно не подразумевает исследований на атомном уровне или использования тензоров напряжений высших порядков, подобных фигурирующим в теориях моментных напряжений или теориях градиентов деформаций, хотя имеются и работы такого типа (см., например, Садовский и др. [16], а также Кох [8]).

Поскольку в волокнистых композитах поверхность раздела является границей физически, химически и механически не совместимых фаз, необходимо знать, какой вклад она вносит в прочность композита. Аналитические модели в предположении совершенной поверхности раздела позволяют просто рассчитать механические свойства. В действительности же может происходить (и часто происходит) потеря стабильности [58, гл. 3]. Поэтому в следующих разделах основное внимание будет уделено анализу свойств хорошо изученных волокнистых композитов. Наиболее детально изучена система алюминий—нержавеющая сталь; кроме того, будут рассмотрены системы, армированные волокнами бора и вольфрамовой проволокой. Там, где это возможно, применимость идеализированных моделей к реальным системам будет оцениваться с помощью микроструктурного анализа.

3. Композиты, армированные волокнами, ориентированными в нескольких направлениях

Одна из основных целей разработки композитов с металлической матрицей состоит в возможности значительного повышения прочности металла при растяжении, по крайней мере в направлении волокон. Однако, как следует из модели Саттона и Файнголда [47], на основании которой были объяснены прочность связи и характер разрушения в опытах с сидячей каплей (рис. 12), имеются веские доводы, говорящие о снижении прочности волокна как в процессе изготовления композита, так и при последующей работе волокна в матрице. Для количественного измерения степени разупрочнения композитов Ni — АЬО3 Ноуан и др. [39] использовали вместо тонких нерегулярных усов стержни сапфира диаметром 0,5 мм, которые легче было испытывать на изгиб. Стержни были"изготовлены бесцентровым шлифованием так, чтобы ось с была под углом 60° к оси стержня (далее они называются «60°-ные волокна»). В табл. 5 приведены данные о прочности волокон с различными покрытиями, после отжига, травления и других обработок, Ца основе этих данных авторы пришли к выводу, что никелевые, композиты, армированные волокнами сапфира с покрытиями из вольфрама или монокарбидов, нельзя изготавливать или ис-

Наряду со стекловолокном основными упрочнителями композитов являются углеродные (графитовые) волокна, нитевидные кристаллы и волокна из высокопрочных металлов, таких, как бор. Эти волокна менее чувствительны к воде, чем стеклянные, уже потому, что они не так гидрофильны. Вайетт и Эшби [78] сравнивали действие воды на полиэфирные композиты, армированные волокнами углерода и Е-стекла. В обоих случаях наблюдалось набухание смолы, однако интенсивно расслаивался только стеклопластик. Предполагалось, что волокна из металлов или из окислов .металлов не более 'гидрофильны, чем кварц, а, как уже отмечалось [2], кварцевые волокна не расслаиваются при выдержке композита в воде. Тем не менее металлы и окислы металлов (в отличие от углерода) подвержены коррозии под напряжением [76]. Очевидно, накопление воды на поверхности раздела между окислом металла и полимером, которое является следствием гидрофильного загрязнения, приводит к образованию дефектов и разрыву волокна. ,

Был сконструирован ряд систем с использованием композиционных материалов, для которых производственные затраты (материалы и изготовление) были ниже, чем в варианте с металлоконструкциями. Особенно это относится к случаям, когда применение волокнистых композиций позволяет сократить число деталей и инструментов или использовать более простые инструменты, упростить конструкцию или процедуру сборки, уменьшить время контроля. В этих случаях облицовочные панели на сотовой основе, армированные волокнами, зачастую оказываются способными конкурировать со сложной алюминиевой конструкцией из оболочек и стрингеров.

Конструкции, где рационально используют драпировочные возможности композиционных материалов, также часто экономически эффективны. Там, где требуются двойные контуры, конструкции, армированные волокнами, часто оказываются выгодными, несмотря на то, что цена их достигает 660 доллар/кг. Затраты на изготовление зависят также от числа деталей. Так, если композиции требуют меньших затрат на предварительную обработку, они могут оказаться более конкурентоспособными при малых сроках службы. Если они обеспечивают экономию времени при монтаже и изготовлении, они оказываются конкурентоспособными при больших сроках службы.