Армирующих компонентов

формате расчетной матрицы изображения 256X256 элементов и предельном пространственном разрешении IXIX Х4 мм. На рис. 23, а, б даны изображения сечений толстых (100 мм) стеклопластиков с различной организацией структуры армирующих волокон, а на рис. 23, в и г изображены соответственно сечения блоков (150) из тек* столита и композита с углеродными волокнами. Изображение рис. 23, д соответствует сечению армирующих элементов сложной композитной конструкции. Изображения двух правых столбцов рис. 23, е—п позволяют исследовать внутреннюю структуру образца диаметром 200 мм и длиной 110 мм, состоящего из шести склеенных слоев, каждый из которых в свою очередь является композитной системой. Верхний слой выполнен из 20-миллиметровой древесины- со средней плотностью PI « 0,5 г/см3. Ниже расположены слой пористой резины с порошкообразным наполнителем (ра « « 0,2 г/см3) и слой прессового пено-полистирола (р3« 0,07 г/см3), еще ниже — слои эластичного полиурета-нового поропласта (р4 « 0,04 г/см*) и беспрессового вспененного полистирола (PJ « 0,05 г/см3). Нижний слой образца выполнен из 10-миллиметрового органопластика (рв « 1,1 г/см8). Изображения среднего столбца соответствуют поперечным сечениям, пересекающим все слои конструкции, а правого крайнего столбца — сечениям, параллельным плоскостям отдельных слоев. Изображения рис. 23, л—о представляют соответственно сечения слоев древесины, резины, по-лиуретанового поропласта и вспененного полистирола, а изображение рис. 23, п соответствует сечению, совпадающему со слоем органопластика.

Контроль методом ПРВТ распределения плотности компози-него материала с усреднением по области, значительно превосходящей период структуры армирующих элементов, позволяет решать задачу качественного и количественного определения относительного содержания известных компонент в разных зонах конструкции. Это положение наглядно иллюстрируется изображениями рис. 23, в и ж. В первом случае в правой части образца текстолита видна более светлая вертикальная область с повышенным содержанием ткани и центральная локальная зона с избытком связующего. Во втором случае на фоне вытянутых вдоль вертикальной оси неод-нородностей пористости видны яркие белые пятна скоплений частиц наполнителя. Изображения рис. 23, к и рис. 18 подтверждают возможность контроля в сложном композите состава, толщины и сплошности тонких" клеевых слоев.

половины прочности материала, причем даже незначительное содержание волокон в направлении нагружения приводит к линейной зависимости а (е). Наличие волокон с высокой жесткостью позволяет варьировать в самом широком диапазоне зависимость удельной прочности композиционных материалов от их удельной жесткости. Это обусловливает существенные преимущества композиционных материалов перед металлами, где удельная жесткость примерно постоянная при некотором изменении удельной прочности [15]. Управление удельной жесткостью И прочностью, а также другими физико-механическими характеристиками в плоскости армирования осуществляется изменением укладки волокон или одноосных тканей различного плетения как в плоскости, так и по толщине пластины или изделия [2, 14]. При этом характеристики композиционных материалов перпендикулярно плоскости армирования практически не изменяются [25]. Варьирование укладки волокон приводит не только к изменению степени анизотропии свойств, при незначительном изменении сопротивления межслойному сдвигу и поперечному отрыву [20, 69]. Наличие переменной укладки по толщине приводит к существенному увеличению неоднородности структуры композиционного материала, что необходимо учитывать при расчете конструкций из таких материалов [2, 104]. Выбор закона укладки в плоскости и по толщине пакета подчиняется назначению конструкции. Таким образом, использование высокомодульных волокон при традиционных схемах армирования, когда толщина изделия создается набором плоских армирующих элементов — препрегов или слоев ткани, не устраняет указанных выше отрицательных особенностей композиционных материалов.

Современное материаловедение предлагает технике большое количество новых материалов самого разнообразного назначения. Многие из этих материалов применяются для изготовления ответственных деталей машин, часть из них используется в качестве армирующих элементов

Волокна, нити, проволоки, фольги и ленты широко используются в технике и являются одним из самых доступных видов армирующих элементов, применяемых при создании жаропрочных композиционных материалов. Однако прочность и деформативность гибких металлических конструктивных элементов при высоких температурах исследуется недостаточно из-за методических трудностей точного измерения и записи данных эксперимента. Совершенствование методики в этом направлении необходимо для получения более корректных данных прочности и особенно пластичности.

Учитывая, что во многих перспективных композициях в качестве армирующих элементов применяют короткие нитевидные кристаллы или короткие волокна, важно знать, при каких длинах последние могут воспринять в

42. Борисенко В. А., Кращенко В. П., Стаценко В. Е. Методика высокотемпературных испытаний на прочность металлических армирующих элементов.— В кн.: IV Веесоюз. конф. [по композиц. материалам (Москва, 20—22 ноябр. 1978 г.) : Тез. докл. М., 1978, с. 56—57.

б) при постоянной длине прочность композитов увеличивается с увеличением числа параллельно работающих армирующих элементов при любых распределениях дефектов как для упругой, так и для пластической матриц;

Поскольку все материалы являются неоднородными, если их рассматривать в достаточно малом масштабе, понятие неоднородности композита требует уточнения. Чтобы пояснить, что имеют в виду, говоря о неоднородности композита, рассмотрим двухфазное тело. Для расстояний, соизмеримых с размером атома, фазы всегда неоднородны. При увеличении области исследования наступает момент, когда атомная структура теряет значимость и фазы можно рассматривать как однородные упругие тела. Это ограничивает снизу размер армирующих элементов. Для частиц, размеры которых окажутся меньше полученного предела, необходимо учитывать межатомные силы, что практически невозможно. К счастью, включения (волокна, слои и т.д.) достаточно велики, чтобы их можно было считать однородными.

Следующая по сложности оценка строится для композита, модель которого такова: шар окружен сферической оболочкой из материала матрицы, а эта оболочка в свою очередь помещена в неограниченную среду, обладающую неизвестными пока свойствами. Внутренний ri и внешний г0 радиусы сферической оболочки матрицы определяются так, чтобы объемная доля армирующих элементов составляла r3.jrl (см. работы [52], [90], [116]). Накладывая простые граничные условия на бесконечности и решая трехмерную задачу теории упругости, получаем

Для того чтобы большие локальные деформации не вызвали .локальных разрывов, обычно выбирается связующее с большими деформациями разрыва (как показано на рис. 1). Локальное пластическое течение в областях высоких концентраций напряжений позволяет перераспределить напряжения (сгладить эпюры). Эта «выравнивающая» способность больших локальных .деформаций играет важную роль также в окрестности разрыва .линии действия нагрузки, например вблизи углов дискретных армирующих элементов: срезанных волокон, усов (нитевидных кристаллов) и макрочастиц.

В качестве металлических армирующих компонентов обычно используют проволоку вольфрама, молибдена, бериллия, стали и титана. К неметаллическим армирующим элементам относятся: карбид кремния, окись алюминия, циркония, нитрид кремния и т. д.

Волокнистые композиции состоят из матрицы, содержащей упрочняющие одномерные элементы в форме волокон (проволоки), нитевидных кристаллов и др. Слоистыми композициями называются системы, состоящие из набора чередующихся двухмерных армирующих компонентов в виде листовых, пластинчатых и фольговых материалов, жестко связанных между собой по всей поверхности. К другой группе по структурным признакам относятся дисперсноупрочненные материалы, содержащие равномерно распределенные в объеме матрицы ультрадисперсные нуль-мерные частицы, не взаимодействующие активно с матрицей и не растворяющиеся в ней [57—59].

Волокна бора и карбида кремния применяют в качестве армирующих компонентов композиционных материалов с алюминиевой, магниевой и титановой матрицами. В случае нагрева выше 500° С волокон бора с алюминиевой матрицей (при изготовлении композиции) имеет место химическое взаимодействие с образованием фазы А1В2. Активное взаимодействие приводит к снижению свойств волокна и к падению прочности композиционного материала в целом. Это вызывает необходимость нанесения на борные волокна тонкого слоя покрытия (3—5 мкм). Такими покрытиями, защищающими волокна от взаимодействия с матрицей, являются карбиды кремния и бора, нитриды титана, бора и кремния и др.

Малая дисперсия предела прочности металлических армирующих материалов позволяет с большей достоверностью выбирать состав армирующих компонентов. Кроме высоких прочностных 42

Дополнениями к рассмотренным группам являются полиматричные и полиармированные композиционные материалы. Полиматричные композиционные материалы (рис. 20, а) состоят из чередующихся слоев двух или более композиций с матрицами различного химического состава. Полиармированные композиционные материалы (рис. 20, б) содержат два или более различных по составу армирующих компонентов, равномерно распределенных в матрице относительно друг друга. Полиармированные композиционные материалы могут быть «простыми», если содержат армирующие компоненты различной природы, но одинаковой размерности, и комбинированными, если содержат армирующие компоненты различной природы и размерности. Так, например, стекло-углепластик является простым полиармированным композиционным материалом, а боралюминий с прослойками из титановой

Геометрия армирующих компонентов 52 Гибка композиционных материалов 198 д«ч

Таким образом, показана возможность создания армирующих компонентов чдля композиционных материалов путем никелирования поверхности углеродных волокон, предварительно покрытых карбидом кремния. Для никелирования армирующих компонентов, рекомендован раствор, содержащий гексагидрат хлоридач никеля, хлорид аммония, гипофосфит натрия, лимоннокислый натри! и сульфид свинца. Показано, что технологический процесс нанесения никелевого покрытия методом химического восстановления на прочность исходных волокон не влияет. Установлено резкое падение прочности волокна при толщине покрытия из кар» бида кремния более 0,010 мкм.

В качестве армирующих компонентов наряду с асбестом иногда используют шлаковую или минеральную вату. Шлаковая вата не разрушается при температуре до 700° С, но в связи с хрупкостью и наличием в составе твердых включений (корольков), повреждающих поверхность фрикционного контртела, имеет ограниченное применение. Как армирующие компоненты применяют стеклянные, базальтовые, угольные и другие волокна.

В качестве армирующих компонентов, наряду с асбестом, иногда используют минеральную (шлаковую) вату. Минеральная вата не разрушается при температуре до 700 °С, но в связи с хрупкостью и наличием в составе твердых включений («корольков»), повреждающих поверхность фрикционного контртела, имеет ограниченное применение. В качестве армирующих компонентов применяют также стеклянные, базальтовые, угольные и другие волокна.

3) по геометрии армирующих компонентов (наполнителя): порошковые и гранулированные (армированы частицами); волокнистые (армированы волокнами, нитевидными кристаллами, делятся на непрерывные и дискретные); слоистые (армированы пленками, пластинами, слоистыми наполнителями).

Рис.1.1. Различные геометрии армирующих компонентов и схемы армирования композитов