Волокнистых композиций

Пористые материалы — пробка, различные волокнистые наполнители типа взты — обладают наименьшими коэффициентам! теплопроводности >.<0,25 Вт/(м-К), приближающимися при малой плотности набивк!- к коэффициенту теплопроводности воздуха, )апол-няющего поры.

Композиционный материал получают путем введения в основной материал определенного количества другого материала, который добавляется в целях получения специальных свойств. Композиционный материал может состоять из двух, трех и более компонентов. Размеры частиц входящих компонентов могут колебаться в широких пределах •—от сотых долей микрометров (для порошковых наполнителей) до нескольких миллиметров (при использовании волокнистых наполнителей). Например, автомобильную шину изготовляют из композиционного материала, основой которого является резина. Для повышения механических свойств в нее добавляют порошковые и волокнистые наполнители (в том числе металлическую проволоку), а также вещества для повышения морозостойкости, износостойкости и т. д.

В качестве волокнистых наполнителей применяют хлопковые очесы, асбестовое волокно, стеклянное волокно; кроме того, могут использоваться отходы тканей, бумаги, картона, древесного шпона и др. Волокнистые наполнители повышают механические свойства пластмасс, однако вследствие меньшей текучести затрудняют процессы формования и возможность изготовления изделий сложной конфигурации.

Материал марки АТМ-1 обладает высокими износостойкостью и теплопроводностью, но он хрупок, и поэтому его применяют в узлах трения, не работающих при ударных нагрузках. Для устранения этого недостатка используют волокнистые наполнители (углеродные и органические волокна) или ткани, например в материалах марки Синтек.

Углеродные волокна, так же как и борные, применяются для конструкционных целей. Для их изготовления возможно использование связующих, применяемых в производстве стеклопластиков. Велики возможности углеродных волокон с точки зрения обеспеченности различными видами исходного сырья. Однако не все виды сырья позволяют пока получать волокнистые наполнители с таким же модулем упругости и прочностью, как волокна, изготовляемые пиролизом вискозной пряжи. В настоящее время по состоянию разработки композиционные материалы, армированные углеродными волокнами, уступают своим стекло- и боронапол-ненным аналогам, но большинство специалистов предсказывают их крупномасштабное применение в авиационных конструкциях.

Волокнистые наполнители

что при введении во фторопласт графитового порошка в количестве от 5 до 40% предел прочности при растяжении образцов, наполненных композицией, падает от 200 до 90 кГ/см2. Волокнистые наполнители (стекловолокно, асбест) в количестве до 15% практически не уменьшают прочность при растяжении материалов; при увеличении количества стеклонаполнителя до 25% прочность при растяжении наполненного фторопласта снижается от 253 (при 15% стеклонаполнителя) до 190 кГ/см2.

нители уменьшают коэффициент линейного термического расширения во всех направлениях одинаково; волокнистые наполнители в большей степени уменьшают коэффициент линейного термического расширения в направлении приложения нагрузки при прессовании материала. Подбором наполнителей (вида и количества) можно уменьшить коэффициент линейного термического расширения до величины, характерной для алюминия или бронзы.

II. Волокнистые наполнители

Волокнистые наполнители (хлопковые очесы, стеклянное волокно) применяют для увеличения прочности и ударной вязкости. Наибольшее распространение среди волокнистых пластиков получили стекло-вол о к н и-т ы, представляющие собой композицию отверждающихся синтетических смол со стеклянными волокнами толщиной 5—10 мкм,, обладающими большой прочностью и высоким модулем упругости. Введение стекловолокна повышает прочность пластиков в 3—4 раза.

Сравнительные испытания втулок из материала МР2 (кривая 5 рис. 1.18, а) и других композиционных материалов на основе ПТФЭ показали, что бронзовая сетка обеспечивает меньшие значения скорости изнашивания и коэффициента трения, чем порошкообразные и волокнистые наполнители.

Разработаны конструкции испытательных установок и устройств для исследований прочностных характеристик конструкционных материалов, а также некоторых видов волокнистых композиций, нагружаемых в широком диапазоне температур и скоростей деформирования.

Для волокнистых композиций с двухмерной периодической решеткой будут только два базисных вектора, расположенных в плоскости, ортогональной к направлению волокон, однако и -будет обладать аналогичными свойствами.

Рыбальченко М. К., Устинов Л. М., Влияние границ раздела волокно — матрица на пластичность и прочность волокнистых композиций, Пробл. прочности, № 9 (1972).

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.

Интересным приложением высокопрочных волокнистых композиций являются бурильные трубы лунной буровой установки корабля «Аполлон». Трубы состоят из трех полых секций общей длиной 2800 мм. Стенки труб имеют внутренний и внешний слои из эпоксидного стеклопластика с ориентацией волокон ±45°; в промежутке между этими слоями помещается слой однонаправленного бороэпоксида. На внутренней поверхности выполнена спиральная резьба, образующая нечто вроде шнека, продвигающего лунный грунт вдоль внешней поверхности вала. Труба имеет электрический привод, обеспечивающий вращение и продольную подачу. Полые трубы дают возможность вводить приборы для измерения температуры грунта под поверхностью и тепловыделения из глубины. Это оборудование использовалось в ходе лунных экспериментов «Аполлон-16».

Отсутствие механизированных производственных процессов с необходимыми производственными мощностями представляет собой проблему в таких совершенно различных отраслях промышленности, как судостроение, авиация и химическая промышленность. Крупные и сложные конструктивные элементы в отдельных случаях изготовляются выкладкой вручную, что иногда приводит к выбору малоэффективной конфигурации этих элементов. Решение проблем, призванных сократить время, необходимое для освоения новых материалов, в сильной степени зависит от разработки новых принципов конструирования. К ним относят более эффективное использование обычных материалов и выборочное применение вновь созданных, а в случае композиционных материалов — использование высокоэффективных волокнистых композиций; возможность применения механизированных производственных процессов с минимальной механической обработкой; учет характера допустимого повреждения и возможности восстановления и увеличения тем самым цикла службы. При выборе материала для каждого конкретного случая с самого начала должны быть приняты во внимание многие сложные, находящиеся во взаимодействии факторы. Это позволит в дальнейшем исключить затраты в тех случаях, когда материал, выбранный для решения конкретной задачи, не обладает соответствующими характеристиками, F это выявляется при более детальном его исследовании. Правильный выбор материала крайне важен как с экономической точки зрения, так и во многих других отношениях. Конструкторская

Классическим примером композиционных материалов, широко и успешно применяемых в последние 10—15 лет в различных областях новой техники, являются конструкционные сткелопластики. Как для материалов типа стеклопластиков, так и для вновь разрабатываемых армированных композиций (металлических волокнистых композиций, силовых многофункциональных покрытий и т. п.) весьма важно выявить области их рационального применения для изготовления ответственных деталей и узлов конструкций, работающих в условиях теплового и силового нагружения.

Разрушение волокнистых композиций. Характер разрушения волокнистых композиций при растяжении зависит от объемного содержания волокон и матрицы, а также от соотношения их деформаций до разрушения. Купер ввел понятие множественного и однократного разрушения волокнистых композиций [118]. Для выяснения особенностей множественного и однократного разрушения обратимся к рис. 2. При малых деформациях е запишем правило аддитивности для напряжений:

Работа разрушения композиционных материалов. Работа разрушения является важной инженерной характеристикой, во многом определяющей пригодность материалов для изготовления из них деталей и конструкций. Для волокнистых композиций общая работа разрушения значительно больше суммы работ разрушения составляющих с учетом их объемных долей. Это связано с тем, что при разрушении волокнистых композиций существуют специфические механизмы рассеяния энергии, такие как вытягивание волокон из своих гнезд и связанная с этим работа GBB, разрушение связи по поверхности раздела волокно — матрица. Последний процесс также связан с затратой энергии Gpc. В случае пластичных матриц, например металлических, большой вклад в работу разрушения композиций вносит работа пластической деформации GM. Таким образом, общая работа разрушения композиции будет состоять из трех слагаемых:

Теперь оценим вклад в общую вязкость разрушения волокнистых композиций процесса нарушения связи между матрицей и волокном. В композициях с ослабленной связью напряжение в вершине трещины вызывает разрушение связи прежде, чем разрушится волокно. Если связь нарушена на участке длиной у, то деформационная энергия, аккумулированная на этом участке волокна, рассеивается необратимо в виде теплоты при разрушении волокон. В связи с этим в первом приближении работу разрушения границы раздела можно приравнять деформационной энергии волокна длиной у. Деформационная энергия

Взаимодействие наиболее эффективно протекает в композиционных материалах в процессе нагрева при их изготовлении, особенно жидкофазными способами, поэтому в ряде случаев предпочитают применять твердофазные технологические процессы, при которых в связи со сравнительно низкими температурами нагрева диффузия в значительной мере замедлена. Уменьшения взаимодействия матрицы с упрочнителем можно добиться разработкой высокоскоростных и низкотемпературных методов изготовления композиционных материалов. К таким методам изготовления композиций, при которых не успевают проходить диффузионные процессы и взаимодействие в такой мере, чтобы повлиять на снижение свойств, относятся взрывное прессование слоистых и волокнистых композиций [12], гидродинамическое горячее прессование [84 ] и другие методы твердофазного изготовления, например, композиционных материалов с никелевой матрицей, армированной вольфрамовой проволокой. Одним из наиболее прогрессивных методов изготовления композиционных материалов с металлическими волокнами является динамическое горячее прессование, при котором уплотнение волокнистых и слоистых композиций происходит под действием ударной нагрузки в течение долей секунды.