Межслоевое расстояние

Межслоевая прочность при +20 +62 —

Типичное S-стекло содержит, % (по массе): 65 SiO2, 25А12О3, 10 MgO и некоторые малые добавки. Имеется не-сколько разновидностей S-стекла. Сначала было разрабо-тано стекло S-994 (или просто S-стекло). Стекло S2 при таких же прочности и модуле упругости имеет меньшую (в ~5 раз) стоимость. Единственный недостаток — несколько пониженная межслоевая прочность при сдвиге. Большинство стеклопластиков для низких температур армировано S-стеклом [5,6]. Стекла Е и S используют в виде моноволокна, ровницы или стеклоткани.

•Л—межслоевая прочность при сдвиге (МСПС), определяемая методом изгиба короткой балки

На практике тип разрушения не изменяется при критическом значении L/D. Наоборот, в достаточно широком интервале L/D наблюдается смешанный характер разрушения, в результате чего измеренная прочность не является ни истинной межслоевой прочностью при сдвиге, ни истинной прочностью при изгибе. Хотя не всегда пластины из композиционных материалов получают укладкой тонких листов предварительно пропитанных связующим волокон и, следовательно, термин межслоевая прочность не совсем точен, характер разрушения, показанный на рис. 2.58, является общим как для пластин истинно слоистых материалов, так и для материалов, получаемых методом намотки или мокрой укладки волокон. Сдвиговая прочность в других плоскостях, пе-

ресекаемых волокнами, должна быть значительно выше, однако межслоевая прочность при сдвиге обычно на величину десятичного порядка или даже больше уступает продольной прочности при растяжении. Это является большим недостатком волокнистых композиционных материалов, так как способность ряда элементов конструкций, таких, например, как распорки или стойки, выдерживать высокие растягивающие или сжимающие нагрузки ограничивается тем, какие сдвиговые напряжения вызывают эти нагрузки в элементах конструкций. Качество болтовых или клеевых соединений также в значительной степени определяется способностью материала вблизи этих соединений передавать сдвиговые напряжения. Предельная сдвиговая прочность армированных пластиков обычно близка к сдвиговой прочности (при соответствующих внешних ограничениях) полимерной матрицы, которая обычно очень мала. Однако межслоевая трещина, изображенная на рис. 2.58, не всегда проходит только через матрицу, особенно, если прочность связи волокон с матрицей меньше сдвиговой прочности матрицы. . До сих пор не выяснено, какие факторы количественно определяют сдвиговую прочность композиционных материалов. Одним из предположений является то, что при прохождении трещины через матрицу и границу раздела межслоевая прочность при сдвиге должна рассчитываться по простому правилу смеси как сумма прочности при сдвиге матрицы и границы раздела, хотя, как было показано в работе [106] она не прямо пропорциональна V/, так как разрушение по границе раздела связано с образованием неплоской поверхности. Авторы этой работы предложили для расчета межслоевой прочности при сдвиге tj эпоксидных стеклопластиков формулу

В работе [106]! было показано, что пористость композиционных материалов в решающей степени снижает их сдвиговую прочность, а в работе ,[108] было установлено, что присутствие 5% (об.) пустот в стеклопластиках снижает их сдвиговую прочность в 2 раза. Бимон и Харрис также установили, что межслоевая прочность при сдвиге композиционных материалов на основе эпоксидной матрицы и высокомодульных углеродных волокон типа 1 уменьшается на 25% при 10% (об.) пор [109].

Межслоевая прочность при сдвиге всех типов композиционных материалов в решающей степени определяется факторами, влияющими на прочность сцепления волокон с матрицей. Так, в стеклопластиках, обработка волокон аппретами повышает межслоевую прочность, а выдержка во влажной среде резко уменьшает ее.

Довольно трудно определять истинное значение сдвиговой прочности композиционных материалов, поэтому существуют значительные разногласия в выборе наилучшего способа испытания. В работе [111] дан последний обзор описанных способов и результаты некоторых из них сравнены экспериментально. В большинстве, если не во всех способах, предложенных в литературе, на образец действуют помимо чисто сдвиговых напряжений другие типы напряжений. Эти напряжения искажают измеряемые значения кажущейся сдвиговой прочности. Так, автор работы [111]' получил для композиционных материалов, содержащих 60% (об.) углеродных волокон, различные значения сдвиговой прочности: 100 МН/м2 — способом трансверсального сжатия, 80 МН/м2 — способом поперечного сдвига и 60 МН/м2 — способом изгиба короткой балки. Благодаря своей простоте наиболее часто применяется способ трехточечного изгиба короткой балки. Этот метод не дает абсолютных значений сдвиговой прочности, но при соблюдении некоторых условий может быть использован для получения сравнительных данных. Было показано, что для плит конечной ширины межслоевая прочность при сдвиге может быть очень большой у краев и значительно меньше вблизи средней линии, тогда как теория слоистых плит предсказывает однородность межслоевой прочности по ширине [112].

Межслоевая прочность при сдвиге , Ml/a -* fo to -^ rji ^ Cl 0 3 С] <Э 0 ^2^7% Рис. 2.60. Зависимость межслоевой прочности при сдвиге композиционных материалов с однонаправленной (/) и перекрестной укладкой под углами 0°/90° (2) от скорости ударного нагруже-ния (стрелкой указаны результаты статических испытаний) [113].

Для характеристики прочности волокнистых композиций часто используют величину так называемой межслоевой прочности при сдвиге. Она обычно измеряется методом изгиба короткой балки, в которой сдвиговые напряжения вызывают раскалывание образца по слоям.. Межслоевая прочность при'сдвиге увеличивается с ростом прочности матрицы при растяжении или сдвиге и уменьшается при увеличении содержания пор [57]. При получении монолитных беспористых композиций эту прочность можно увеличить

Межслоевая прочность при сдвиге 273 Механические испытания 14 ел. Механические потери 19 ел., 92 ел. влияние ориентации 123—125-и молекулярная масса 106 в наполненных полимерах 246, 247 и пластификация 116—120 и степень сшивания 108—112 и термическая обработка 103 и трение 208

наблюдается увеличение площади аморфного гало. Следовательно, в процессе длительного трения фазовый состав пленки фрикционного переноса не изменяется. Однако постепенно изменяется ее структура -она становится более аморфной, но сохраняет расположение макромолекул слоями. При этом межслоевое расстояние (период слоистости) периодически изменяется.

Установлено, что параметр кристаллической ячейки всех материалов с повышением температуры увеличивается незначительно, при этом у композиционных материалов этот параметр больше. Величина межслоевого расстояния практически не зависит от температуры до момента достижения температуры плавления кристаллической фазы. Однако введение наполнителей приводит к изменению межслоевого расстояния, при этом природа и форма частиц наполнителя оказывают различное влияние на формирование надмолекулярной структуры. Поэтому матрица материала криолон-3, содержащего волокнистый наполнитель, имеет межслоевое расстояние большее, чем у чистого ПТФЭ, в то время как структура матрицы материала КВН-3, содержащего дисперсные наполнители, характеризуется межслоевым расстоянием меньшим, чем у чистого ПТФЭ. Температура 553 К для ПТФЭ является критической. Начиная с этой температуры идет процесс плавления кристаллических областей, который заканчивается при температуре 603 К. Степень "дальнего" порядка в матрице при этом уменьшается,

параметр больше. Величина межслоевого расстояния практически не зависит от температуры до достижения температуры плавления кристаллической фазы. Однако влияние наполнителей вызывает изменение межслоевого расстояния, при этом природа и форма частиц наполнителя оказывают различное влияние на формирование надмолекулярной структуры. Поэтому матрица криолона-3, содержащего волокнистый наполнитель, имеет межслоевое расстояние большее, чем у чистого ПТФЭ, в то время как структура матрицы материала КВН-3, содержащего дисперсные наполнители, характеризуется межслоевыми расстояниями меньшими, чем у чистого ПТФЭ. Степень кристалличности матрицы с повышением температуры возрастает (рис. 6.19).

На образцах до и после облучения исследовали коэффициент Холла Rx, магнетосопротивление Км, удельное электросопротивление р, межслоевое расстояние, диаметр и высоту кристаллитов. Гальваномагнитные эффекты измеряли в постоянном магнитном поле Я='18 кЭ при температуре 300 и 77 К. В соответствии с увеличением степени графитации исходных образцов от О до 0,54 происходит изменение зонной структуры, что сопровождается ростом подвижности, уменьшением концентрации носителей заряда и увеличением электронной составляющей в процессе переноса заряда. С ростом степени графитации увеличивается магнетосопротивление, знак коэффициента Холла меняется с положительного на отрицательный, уменьшается электросопротивление.

В процессе облучения структура образцов подвергается существенной аморфизации: уменьшаются размеры кристаллитов, увеличивается межслоевое расстояние (относительное изменение межслоевого расстояния для всех образцов оказалось примерно одинаковым: 6—7%). Изменяются и электрические ха-

четырьмя атомами углерода в элементарной ячейке. Межслоевое расстояние в идеальном графите равно 3,354 А. Элементарной ячейкой гексагональной структуры графита является прямая призма, в основании которой лежит правильный ромб.

Реальные графиты отличаются от идеальных структур наличием в них дефектов разных типов. При нарушении порядка чередования слоев возникают дефекты упаковки. Большое количество таких дефектов приводит к полному разупорядочению слоев относительно оси с, хотя параллельность слоев сохраняется. Это так называемая «турбостратная» структура. Межслоевое расстояние в турбостратной структуре 3,44 А.

Параметры структуры некоторых типов углеродных волокон на основе пека, полученные методом рентгеновской дифракции, приведены в табл. 1.2. [18] Из анализа данных таблицы следует, что углеродные волокна, полученные из изотропного пека, имеют меньшие значения La, Lc и большие dQ02, чем углеродные волокна, полученные из мезофазных пеков. В процессе графитации изотропных волокон на основе пека увеличиваются размеры кристаллитов и уменьшается межслоевое расстояние d002-

2. Переориентация слоев и их параллельная укладка. Расстояние между слоями может быть: а) 0,344 нм — полное отсутствие трехмерного упорядочения; б) 0,3354 нм — межслоевое расстояние в решетке графита; в) 0,344—0,3354 нм — переходное состояние между предельно неупорядоченным и решеткой монокристалла графита.

Для нитрида бора (BN) известен ряд слоистых (квазидвумерных) модификаций, наиболее устойчивой из которых является гексагональная (r-BN). Планарные сетки r-BN образованы правильными гексагонами (B3N3) с их послойной упаковкой по типу графита (АВАВ...) [1, 2]. Учитывая, что межслоевое расстояние в -2,5 раза превышает межатомные дистанции в сетках, химическую связь в r-BN рассматривают как комбинацию системы направленных сильных ковалентных внутрислоевых взаимодействий и слабых ван-дер-ваальсовых межслоевых связей, см. обзор в [72], объясняя с этих позиций известную анизотропию многих свойств графитоподобного BN [129—131].

наблюдается увеличение площади аморфного гало. Следовательно, в процессе длительного трения фазовый состав пленки фрикционного переноса не изменяется. Однако постепенно изменяется ее структура — она становится более аморфной, но сохраняет расположение макромолекул слоями. При этом межслоевое расстояние (период слоистости) периодически изменяется.