Армирующего материала

В настоящее время все большее внимание уделяется композиционным материалам на металлической основе, армированной высокомодульными углеродными волокнами. Совместимость армирующего компонента и матрицы в некоторых случаях достигается введением связующего, функцию которого выполняет покрытие. Металлические покрытия необходимы в тех случаях, когда матрица не смачивает поверхность углеродных волокон при температурах получения композиции (алюминий, магний [2]). Кроме того, покрытие углеродных волокон такими металлами, как цинк и медь, может впоследствии служить основой или компонентом основы композиционного материала [3].

Нам не представляется возможным автоматически переносить результаты взаимодействия металлов с углеграфитовыми материалами на углеродные волокна из-за специфичности структуры последних: мелкие кристаллиты, в которых базисные плоскости вдоль границы волокна разделены узкими порами (параллельно оси волокна) и границами наклона, или кручения (перпендикулярно ей). При указанной структуре прочность волокна должна определяться прочностью границ кристаллитов и быть чувствительной к любым изменениям их состояния. Наличие металла на поверхности углеродного волокна может влиять на состояние и свойства волокон, так как при этом возможно протекание таких процессов, как химическое взаимодействие, диффузия, частичное и, в предельном случае, полное растворение волокна. Таким образом, изучение влияния покрытия на свойства углеродного волокна необходимо для того, чтобы знать, насколько покрытие может ухудшать характеристики как армирующего компонента, так и композиционного материала в целом.

Механические свойства композиционных материалов существенно зависят от свойств армирующего компонента матрицы, количества упрочнителя, способа его укладки, ориентации волокон, проволоки и усов в матрице.

1. Композиции с одноосным (линейным) расположением армирующего компонента, составляющие которого в виде волокон, проволок или ориентированных цепочек нитевидных кристаллов распределяются в матрице параллельно друг другу. Такая схема армирования может быть осуществлена с помощью нуль-мерных или одномерных компонентов и обозначается 0„. : 0 : О или 1:0:0 (компонент расположен вдоль оси х). Необходимо отметить, что при одноосном армировании нуль-мерными компонентами, когда

расстояние между составляющими армирующего компонента мало в направлении оси х и значительно больше вдоль осей у и z, объемное содержание армирующего компонента составляет всего 1 — 5%, и, следовательно, данная схема армирования -возможна лишь для таких композиционных материалов, для которых критическое содержание армирующего элемента, определенное в соответствии с признаком 4, является низким.

2. Композиционные материалы с двухосным (плоскостным) расположением армирующего компонента, составляющие которого в виде волокон, фольг, матов из нитевидных кристаллов и т. п. расположены в матрице в плоскостях, параллельных друг к другу. Такая схема армирования может быть осуществлена с помощью нуль-мерных, одномерных или двухмерных компонентов (табл. 7) и обозначается: 0„, : 0# : 0, 1 : 1 : 0 или 2:2:0 (компонент расположен в плоскостях, параллельных к плоскости ху). Двухосная схема армирования нуль-мерными компонентами возможна в тех случаях, когда критическое содержание армирующего компонента в материале менее 15 — 16%. При использовании волокон или других одномерных компонентов для плоскостного армирования можно реализовать не только ортогональную (1:1: 0), но и другие, более сложные виды укладки; например, первый слой 1:0:0;

Для полной характеристики композиционного материала необходимо указать природу каждого из его компонентов. Так, например, композиционный материал углерод—углерод относится по природе матрицы к группе композиций с матрицей из неметаллических элементов, по природе армирующего компонента к группе композиций со вторым компонентом из неметаллических элементов. Углепластики относятся по природе матрицы к группе композиционных материалов с матрицей из органических соединений, по природе армирующего компонента к группе со вторым компонентом из неметаллических элементов.

В настоящее время доказана першективно?ть нитевидных кристаллов как армирующего компонента различных металлических матриц. Стеклянным во- . локном ар1мируют преимущественно пластики, и объем продукции из стеклопластиков достигает многих сот тысяч тонн. Есть надежда, что использование нитевидных кристаллов со временем приобретет такой же размах.

Гибридными называют КМ, содержащие в своем составе три или более компонентов. В зависимости от распределения компонентов гибридные КМ обычно делят на следующие классы: однородные КМ (рис. 8.2, а), с равномерным распределением каждого армирующего компонента по всему объему композиции; линейно неоднородные КМ с объединением отдельных волокон в жгуты (рис. 8,2, б);

Контроль акустических свойств композиционных материалов на основе алюминиевой матрицы. Одними из перспективных являются материалы, получаемые методом порошковой металлургии из дисперсных порошков пластичного металла (алюминия, титана или никеля) и твердой керамики (окиси алюминия, карбида кремния и др.), выполняющей роль армирующего компонента. Эти порошки смешивают и прессуют в формах в защитной атмосфере при давлении порядка 40 МПа и температуре 590 ... 600 °С. Сочетание пластичности металлической матрицы с твердостью и жесткостью армирующего керамического наполнителя придает материалу прочность и износостойкость.

Более высокое содержание армирующего компонента в КМ, за исключением армированных термопластов, часто препятствует выжиманию излишка связующего и приводит к увеличению количества пор в ламинате. Повышенное содержание смолы может вызвать плохую воспроизводимость свойств готовых изделий.

1) с ростом разницы в значении модулей упругости основы и волокон [215], причем модуль упругости армирующего материала должен быть выше модуля упругости матрицы;

Нитевидные кристаллы имеют весьма короткие волокна, при этом соотношения длины и диаметра достаточно высоки. Это очень важно при использовании нитевидных кристаллов («усов») в качестве армирующего материала. «Усы» обладают высокой удельт ной прочностью и жесткостью. Их можно вальцевать, разрезать, обрабатывать без заметного снижения прочностных свойств. Существенным недостатком нового класса армирующих материалов — нитевидных кристаллов — является неприемлемость для них обычной технологии изготовления. Вискеризованные материалы требуют создания новой технологии в целях использования всех потенциальных возможностей вискеризации. Технология переработки материалов с вискери-зированными волокнами изложена в работе [102]. .'

Феноменологическое исследование механических свойств композиционных материалов может быть проведено двумя путями. Первый основан на рассмотрении армирующего материала как конструкции и учитывает реальную структуру композиции. В этом случае задача состоит в установлении зависимостей между усредненными напряжениями и деформациями. Второй путь основан на рассмотрении армированных материалов как квазиоднородных сред и использовании традиционных для механики твердых деформируемых тел средств и методов их описания. Краткая схема аналитического расчета упругих констант композиционного материала методом разложения тензоров жесткости и податливости в ряд по объемным коэффициентам армирования приведена в монографии [60, 83]. Установлено, что при малом содержании арматуры можно ограничиться решением задачи для отдельного волокна, находящегося в бесконечной по объему матрице. Однако такой подход заведомо приводит к грубым погрешностям при расчете упругих характеристик пространственно армированных материалов, объем которых заполнен арматурой на 40—70 %. К тому же следует учесть, что пространственное расположение волокон в этих материалах приводит к росту трудностей при решении задачи теории упругости по определению напряженно-деформированного состояния в многосвязанной области матрица—волокно. Коэффициент армирования при этом входит в расчетные выражения нелинейно, что приводит к очередным трудностям реализации метода разложения упругих констант материала по концентрациям его компонентов.

в котором адгезионной связью закреплен конусообразный стержень из армирующего материала, устанавливается в опорном сухаре 15, который своими клиновыми гранями контактирует со стенками клинообразного отверстия траверсы нагружающей машины. Хвостовик конусной части образца имеет резьбовую поверхность. С помощью соединительной втулки 16 он соединяется с тягой 17, которая закреплена в клиновом сухаре 18, установленном в клиновом отверстии нижней траверсы. Таким образом, клиновой стержень образца связан с нижней траверсой машины, а диск образца — с верхней.

5. ВЫБОР АРМИРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА ПО ТРЕБОВАНИЯМ К МЕХАНИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ КОМПОЗИТА

В качестве примера трансверсально изотропной среды специального вида рассмотрим слоистую среду, состоящую из чередующихся плоских параллельных слоев двух однородных изотропных упругих материалов. Упругие постоянные и толщина высокомодульного армирующего материала и низкомодульной матрицы обозначаются через Af, щ, di и Ят, Цт, dm соответ» ственно (см. рис. 2). Согласно теории эффективных модулей, слоистая среда в целом является трансверсально изотропным материалом с осью х2 в качестве оси симметрии; следовательно, связь напряжений с деформациями можно описать уравнениями общего вида (12) — (17). Эффективные упругие модули С\\ и т. д. были найдены в работах Ризниченко [57], Постма [56]( Уайта и Ангона [79], Рытова [58] и Беренса [14] на основании

Исследование процесса распространения гармонических волн согласно только что изложенной теории показывает, что для волн, длина которых имеет порядок диаметра волокон или расстояния между волокнами, фазовая скорость существенно зависит от длины волны в том случае, когда упругие постоянные армирующего материала значительно отличаются от упругих постоянных матрицы. Следовательно, импульс, распространяющийся в таком материале, будет быстро диспергировать. Численные значения фазовой скорости волн сдвига, распространяющихся параллельно волокнам, в зависимости от волнового числа показаны на рис.9 для трех значений отношения p,f/im, а именно для

Исследования, проведенные в Англии, привели к разработке армирующих листов и проволоки, которые использовались для изготовления трубопроводов. Для улучшения абразивной и химической стойкости стеклопластиков часто совместно со стекловолокном применяют органическое волокно. При воздействии щелочных сред могут быть использованы полиакриловые, полиэфирные и полипропиленовые волокна. Некоторые органические волокна незаменимы при циклическом воздействии на слоистый пластик давления и температуры, так как они обеспечивают высокую совместимость армирующего наполнителя со связующим. Полипропиленовое волокно можно использовать в конструкциях из армированных пластиков, в качестве армирующего материала для перегородок. Хотя оно не обладает прочностью стекловолокна, оно успешно использовалось в конструкциях емкостей из армирован-

Уг — объемная доля армирующего материала, Gm — модуль сдвига матрицы, Ег — модуль Юнга армирующего материала, k: = = ас1/2 — коэффициент интенсивности для разрушения по виду I. Ясно, что имеется сингулярность напряжения у кончика трещины в этом квазиоднородном идеальном слоистом композите. На самом деле сингулярность будет снята затуплением трещины растяжимой матрицей, прилипающей к поверхностям двух армирующих элементов по краям трещины. Распределение напряжения

ЕТ — модуль Юнга армирующего материала; F (а) — вероятность разрушения полосы при напряжении,

Наиболее часто в качестве армирующего материала в армированных волокнами композитах используется стекло. В течение многих лет исследователи приходили к мысли о том, что разрушение стекла может произойти от статических нагрузок, если они действуют достаточно долго. При комнатной температуре перед разрушением не возникает таких явных симптомов, как ползучесть, но многие считают, что влажность при постоянной нагрузке способствует росту предварительно существующих дефектов. Исследование различных типов дефектов, появляющихся на чистых Е- и S-стеклах, описано в [60], а обзор по стеклянным волокнам содержится в работе [35].