Однонаправленной структурой

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при растяжении слоистых материалов с относительно невысокой степенью анизотропии упругих свойств, присущей ортогонально-армированным материалам, характер распределения деформаций по длине и толщине образца мало зависит от его формы (параметра т^. Так, для стеклопластика АГ-4С с укладкой волокон 5 : 1 при нагружении в направлении большей степени ориентации волокон изменение значений тг в 1,7 раза практически не сказывается на относительном изменении деформаций нижней и верхней поверхностей (т) = ±1) рабочей части образца. Относительные показатели деформаций при ц = 0 образцов-лопаток незначительно выше, чем образцов-полосок. Примерно то же наблюдается в случае испытаний ортогонально-армированных углепластиков. Увеличение степени анизотропии упругих свойств способствует повышению чувствительности относительных деформаций к изменению формы образца. Это хорошо иллюстрируют данные, полученные при растяжении образцов из однонаправленных углепластиков в направлении волокон.

товленных при одинаковых технологических условиях, причем трех-мерноармированные материалы изготовляли из тех же исходных материалов, что и слоистые. В последних двух строках табл. 5.22 содержатся отношения значений прочности трехмерно-армированных материалов к значениям прочности слоистых материалов, которые обозначены сверху индексом «О». Данные табл. 5.22 свидетельствуют о том, что прочность межслойного сдвига однонаправленных углепластиков в 2,6 раза ниже, чем прочность трехмер-ноармированных, в то время как коэффициент армирования последних в

1,6 раза ниже коэффициента армирева-ния однонаправленных материалов. Еще большее расхождение наблюдается в значениях прочности на отрыв в трансверсальном направлении. Прочность Кг однонаправленных углепластиков в 8 раз ниже прочности трехмерноармированных. Несколько меньше, по сравнению с углепластиками, различаются значения меж-слойной сдвиговой прочности и прочности на отрыв в трансверсальном направлении у трехмерноармированных и слоистых стеклопластиков.

После графитизации в матрице появляются трещины и пустоты вокруг волокон, уложенных в направлении г. В направлениях х, у таких дефектов не наблюдалось. Одной из возможных причин образования трещин является различие в температурных коэффициентах линейного расширения а анизотропных волокон и матрицы. В осевом направлении для высокомодульных волокон я = 2-10"в "С"1, в поперечном — а == (18-ь 23) X X 10-«°С-1 [109]. Система трещин в матрице совместно с большими технологическими напряжениями, по мнению авторов [109], привела к снижению механических свойств композиционного материала. В этой связи имеют важное значение результаты исследования по оценке влияния термообработки на свойства однонаправленных углепластиков [24].

В табл. 6.15 приведены сравнительные экспериментальные данные, полученные на углепластиках с1 двумя указанными типами связующих (полимерной матрицы). При изготовлении углепластиков были использованы волокна как с поверхностной обработ-кой, так н без нее. Поверхностная обработка углеродных волокон незначительно отражается на упругих и прочностных характеристиках углепластиков, изготовленных на связующем 5-211Б с предварительной его термообработкой. Возрастание этих характеристик происходить основном за счет обуглероживания матрицы. Анализ результатов исследования показывает, что предварительная термообработка полимерной матрицы положительно влияет на механические свойства однонаправленных углепластиков [50].

7.3. Характеристики (МПа) двух типов однонаправленных углепластиков

7.4. Расчетные * и экспериментальные значения (ГПа) модулей упругости и сдвига однонаправленных углепластиков на основе вискеризованных волокон

7.6. Характеристики эпоксидных и полиамидных однонаправленных углепластиков, изготовленных на основе вискеризованных волокон [102]

Рис. 7.8. Зависимость сдвиговых характеристик, прочности и модуля упругости при изгибе однонаправленных углепластиков на основе жгутов из углеродных волокон, вискеризопанных Т1О2 из аэрозоля, от объемного содержания нитевидных кристаллов:

прочности при изгибе /?" (3) однонаправленных углепластиков, изготовленных на основе вискеризованных волокон Модмор I и связующего Эпон 828, от содержания

однонаправленных углепластиков, изготовленных на основе вискеризованных волокон и связующего Эпон 828, от объемного содержания нитевидных кристаллов:

волокнами. Получить материал с ориентированными определенным образом дискретными волокнами позволяет применение электромагнитного силового поля. Воздействуя электромагнитным силовым полем на дискретные волокна, вводимые в струю расплавленного металла, можно получить пруток с однонаправленной структурой упрочнителя.

П (в частности, природа связующего — термопласт или реактопласт) обусловливают возможные способы изготовления деталей из данной П и физико-механич. св-ва готового изделия. Различают П л е-н а п о л н е н н ы е, к к-рым относятся оргстекла, пленки и др., и наполненные, в к-рых благодаря введению наполнителей повышается механич. прочность, твердость и жесткость, теплостойкость, уменьшается ползучесть, усиливаются фрикц. или аити-фрикц. св-ва, иногда снижается стоимость. Наполненные П различают: 1) по составу наполнителя (стеклопластики, асбопласти-ки, древесные пластики и др.), 2) по форме, размерам и структуре наполнителя — II с неориентированной структурой, имеющие св-ва, прибл. одинаковые во всех направлениях; с ориентированной структурой, отличающиеся резкой анизотропией св-в; газонаполненные (пенопласты, сотопласты). К П с неориентированной структурой относятся: а) фенопласты, аминопласты и др., содержащие порошкообразный наполнитель (древесная мука, тонко измельченные минералы); б) П с крошк^образным наполнителем (обрезки ткани, древесного шпона, лепестки слюды); в) волокниты с беспорядочно расположенными короткими волокнами из целлюлозы (вслокнит), стекла (стек-ловолокнит), асбеста и др. Для увеличения текучести при прессовании, уменьшения усадки, улучшения внешнего вида практикуют сочетания волокнистого и порошкообразного наполнителей. К П с ориентированной структурой относятся: а) слоистые— текстолиты, стекло- и асбстекстолиты, дельта-древесина, гетинакс, СВАМ с фанерной укладкой стеклошпона и др.; б) с однонаправленной структурой параллельно расположенных волокон, нитей, ровницы (СВАМ, АГ-4с).

электропечи, покрываются связующим в момент их получения и укладываются параллельными (или ориентированными под небольшим углом друг к другу) витками на вращающийся барабан или специальное приемное устройство. Намотанная структура (стеклопшон) снимается в виде листов или лент и после сушки перерабатывается в изделия. Полное исключение всех текстильных операций, образование защитной пленки полимерного связующего на свежей неповрежденной поверхности волокон создают предпосылки для максимального использования прочности волокон. Для производства АГ-4с используются крученые стеклонити двух сложений (применяемые при изготовлении стеклотканей) или жгуты из 10 сложений. Параллельно ориентируемые нити покрываются связующим и образуют непрерывную ленту, к-рая после сушки готова к переработке. Неполимеризованные листы или ленты с однонаправленной структурой формуются в материал с заданным соотношением продольных и поперечных слоев, т. е. с заданной анизотропией физико-ме-ханич. св-в. Переработка в изделия осуществляется прессованием при соответствующих темп-ре и давлении, вакуумным формованием, а также методом намотки с последующим отверждением в автоклавах или полимеризационных камерах. Режимы переработки и технологич. оборудование определяются типом связующего и характером изделия. Метод получения СВАМ используется для упрочнения цилиндрич. оболочек в радиальном направлении, минуя стадию изготовления стеклошпона, в этом случае весь технологич. процесс сводится к двум операциям — намотке волокон с натяжением на вращающийся цилиндр с одновременным нанесением связующего и последующей полимеризации (для смол холодного отверждения — к одной операции).

Для производства углепластиков методом намотки и получения изделий с однонаправленной структурой существует большой выбор полимерных матриц, которые могут отвечать конкретным требованиям изготовителя. В производстве изделий широко используют препреги, листовые формовочные материалы, таблетированные и другие пропитанные связующим полуфабрикаты. В каждом случае необходимо дифференцированно подходить к выбору полимерной матрицы.

Связующие на основе эпоксидных смол обладают хорошей адгезионной способностью и поэтому плохо отделяются от металлической формы. Они имеют хорошую жизнеспособность, но для их отверждения требуется длительное время. Указанные особенности существенно ограничивают их применение в рассматриваемом случае. Недавно американской фирмой "Шелл" было разработано новое эпоксидное связующее, предназначенное специально для получения профильных материалов с однонаправленной структурой [1] .

пучке1'. При небольшом числе волокон пучки имеют гладкую поверхность, хорошо пропитываются связующим, но весьма дороги. Для намотки с получения профильных изделий с однонаправленной структурой используют обычно пучки со сравнительно большим количеством элементарных волокон — 6000 и более. Армирующие материалы отличаются типом шлихтующего (аппретирующего) агента, склеенностью элементарных волокон в пучке и другими характеристиками, и поэтому их необходимо классифицировать в зависимости от целевого назначения.

Рассмотрим прежде всего случай вращения кольца, изготовленного из изотропного материала с равномерной толщиной. Обозначим внутренний радиус кольца га, внешний - г^ (рис. 5.16). Если кольцо вращается вокруг оси, проходящей через его центр О, с угловой скоростью со, то в нем возникают тангенциальные напряжения оа и радиальные напряжения аг Как показано на рис. 5.17, напряжение а а возрастает по мере приближения к внутреннему краю кольца и снижается в направлении к внешнему краю. Напряжение ог достигает максимума в центральной точке между внешним и внутренним радиусами и равно нулю на внешнем и внутреннем краях кольца [7] . Напряжение OQ существенно больше, чем напряжение ог С учетом такого распределения напряжений целесообразно применить метод армирования кольца путем укладки волокон с ориентацией в тангенциальном направлении. На практике такое кольцо изготавливают из стеклопластика методом намотки [8] . Однако разрушение изготовленных таким образом колец с однонаправленной структурой происходит при значительно меньшем числе оборо-

Для производства углепластиков методом намотки и получения изделий с однонаправленной структурой существует большой выбор полимерных матриц, которые могут отвечать конкретным требованиям изготовителя. В производстве изделий широко используют препреги, листовые формовочные материалы, таблетированные и другие пропитанные связующим полуфабрикаты. В каждом случае необходимо дифференцированно подходить к выбору полимерной матрицы.

Связующие на основе эпоксидных смол обладают хорошей адгезионной способностью и поэтому плохо отделяются от металлической формы. Они имеют хорошую жизнеспособность, но для их отверждения требуется длительное время. Указанные особенности существенно ограничивают их применение в рассматриваемом случае. Недавно американской фирмой "Шелл" было разработано новое эпоксидное связующее, предназначенное специально для получения профильных материалов с однонаправленной структурой [1] .

пучке1). При небольшом числе волокон пучки имеют гладкую поверхность, хорошо пропитываются связующим, но весьма дороги. Для намотки с получения профильных изделий с однонаправленной структурой используют обычно пучки со сравнительно большим количеством элементарных волокон - 6000 и более. Армирующие материалы отличаются типом шлихтующего (аппретирующего) агента, склеенностью элементарных волокон в пучке и другими характеристиками, и поэтому их необходимо классифицировать в зависимости от целевого назначения.

Рассмотрим прежде всего случай вращения кольца, изготовленного из изотропного материала с равномерной толщиной. Обозначим внутренний радиус кольца га, внешний - гь (рис. 5.16). Если кольцо вращается вокруг оси, проходящей через его центр О, с угловой скоростью со, то в нем возникают тангенциальные напряжения Оа и радиальные напряжения су Как показано на рис. 5.17, напряжение о а возрастает по мере приближения к внутреннему краю кольца и снижается в направлении к внешнему краю. Напряжение аг достигает максимума в центральной точке между внешним и внутренним радиусами и равно нулю на внешнем и внутреннем краях кольца [7] . Напряжение Од существенно больше, чем напряжение аг С учетом такого распределения напряжений целесообразно применить метод армирования кольца путем укладки волокон с ориентацией в тангенциальном направлении. На практике такое кольцо изготавливают из стеклопластика методом намотки [8] . Однако разрушение изготовленных таким образом колец с однонаправленной структурой происходит при значительно меньшем числе оборо-