Структура и свойства полимерных волокнистых композитов
..pdfТемпературные зависимости для ударной вязкости, разрушающего напряжения и модуля упругости при из гибе композитов аналогичны. Параметр (а'т)2/(2,Ет) мо жет быть использован для приближенной оценки удар ной вязкости композиций по температурным зависимо стям прочности и модуля упругости при изгибе. Отклоне ние экспериментальных данных от расчетных объясняет ся сложным характером разрушения волокнистых мате риалов при ударе, когда наряду с изломом происходит их разрушение под действием сдвига и в результате вы дергивания .волокон.
Таким образом, ударная вязкость композитов в зна чительной степени определяется свойствами волокон, причем с увеличением их модуля упругости она пони жается. Однако в трансверсальном направлении ударная вязкость во многом зависит от свойств матрицы, а также от содержания пор, волокна и технологии изготовления материала.
Вязкость разрушения. Разрушение волокнистых ком позитов, как и других твердых тел, рассматривается как некоторый процесс накопления повреждений и роста тре щин, развивающихся в материале с момента приложения нагрузки и приводящих к его разрушению. Сложности выявления и описания повреждений композиционных ма териалов связаны с их гетерогенностью, в результате ко торой при 'нагружении в компонентах композита и по границе раздела появляются дефекты, механизмы воз никновения которых различны.
Согласно кинетической концепции, элементарными актами процесса разрушения являются термофлуктуационные разрывы межатомных связей в волокнах и по лимерной матрице, а также разрушения адгезионных контактов на границе раздела, приводящие к зарожде нию и росту микротрещин [101].
При нагружении композита в направлении армирова ния или под углом к направлению ориентации волокон
вматрице и на границе раздела возникают нормальные
итангенциальные напряжения, достигающие максималь
ных значений на поверхности контакта или на опреде ленном расстоянии между волокнами. Значение этих на пряжений обусловлено геометрическими параметрами волокон и расположением их по сечению композита. Эти рапряжения, складываясь с остаточными термическими
Ш
напряжениями, в несколько раз превышают средние на пряжения, действующие в матрице. Такое неравномер ное нагружение, особенно в условиях длительного стати ческого или динамического нагружения, способствует за рождению микротрещин и их прорастанию в матрице и на поверхности раздела при нагружении композита до величины, значительно меньшей его разрушающего на пряжения при растяжении.
Другой причиной появления микротрещин является разрушение отдельных волокон, .которое происходит на ранних стадиях деформирования и является следствием дисперсии их прочностных и упругих свойств.
В процессе разрушения композита, армированного волокнами с существенным разбросом прочностных и упругих свойств, можно выделить два этапа [102]. На первом этапе разрушаются отдельные волокна, проис ходит статистическое накопление повреждений и плав ное понижение жесткости материала. На втором проис ходит полное разрушение материала, шгициированное предыдущими разрушениями отдельных волокон. Харак тер развития процесса разрушения определяется, во-пер вых, соотношением упругих и упруговязких свойств ком понентов и их объемными дбдями и, во-вторых, статисти ческим разбросом упруго-прочностных свойств волокон и неравномерностью их укладки по сечению.
После разрыва волокна его концы расходятся на ве личину и у концов волокон в матрице и по границе раз дела возникают нормальные и касательные напряжения, облегчающие прорастание трещин.
Если деформации матрицы на участке, прилегающем к месту разрыва волокон, превысят предельную величи ну, то разрушение волокон вызовет появление трещин в плоскостях, нормальных к направлению армирования, и вероятность образования трещин можно будет оце нить из условии [102]:
ед > е м+ — е+М(Г |
(2 .5 8 ) |
(е+м— относительная деформация матрицы при разру шении; е+М(Г — деформация матрицы, обусловленная дей
ствием приложенного к композиту напряжения) и 2Д (1яТ/
Условие, определяющее направление распространения трещин после разрыва волокна, можно записать в виде:
daKp< 8 E aG ,|a a- “ |
(2 .6 0 ) |
где G и— работа, совершаемая для разрушения связи по границе
раздела, отнесенная к единице площади поверхности.
Для каждого композита существует такой размер во локна, при котором напряжение расслаивания становит ся больше разрушающего напряжения для волокна, и при меньших значениях диаметра волокон они будут рваться, а ше вытягиваться из матрицы. Это значит, что трещина будет распространяться нормально волокнам независимо от наличия поверхности раздела [103].
Применение концепций линейной механики разруше ния i[104, 105] позволяет определить еще один критерий развития трещин. Согласно ^[Т05]., условие разрушения композита представляется в виде:
<*•«>
где а — характерный линейный размер опасного дефекта.
При разрыве одного волокна a = d a, но если в компо зите имеются лучки контактирующих волокон, то трещи на, образующаяся при разрушении одного волокна, пере резает все волокна пучка и длина трещины становится равной a = nda.
Критерий Q, характеризующий эффективность погло щения деформации в зоне устья трещин, равен:
Q = |
VM*Va-iaMzMda |
(2 .6 2) |
При подстановке (2.62) в (2.61) получаем: |
|
|
°*к р ^ |
(EaoMBMfnn) ^ |
(2 .6 3) |
Это значит, что если напряжения в композите не пре вышают а*кр, то разрушение отдельных волокон не будет
вызывать катастрофического разрушения материала. Таким обраэом, можно сделать вывод, что с повыше
нием прочности сцепления по поверхности раздела во локно — матрица, увеличением объемного содержания волокон и неравномерности-их распределения по сечению и с уменьшением предельного удлинения матрицы в ком
8-1915 |
ИЗ |
позите создаются условия, способствующие распростра нению трещин, инициируемых разрушением отдельных волокон [106].
Для оценки трещиностойкости композитов использу ют параметры материала, определяемые исходя из ли нейной механики разрушения 1[2; 102, 106]:
_i_ |
|
|
К/с = о (яа)2 ; |
ус = яабр/а |
(2.64) |
где/С/с— коэффициент интенсивности напряжений вблизи устья тре
щины, называемый вязкостью разрушения; ус — плотность поверх ностной энергии разрушения; а — полудлина трещины.
Чем больше вязкость разрушения материала, тем больше критический размер трещины или другого дефек та, приводящего к разрушению композита i[2]. Вязкость разрушения композитов зависит от множества факторов: прочности и диаметра волокон, прочности, предельного удлинения и вязкости разрушения матрицы, прочности связи по границе раздела волокно — матрица, структуры армирования композитов. В табл. 2.16 приведены дан ные, позволяющие сопоставить вязкость разрушения однонаправленных полимерных композитов с некоторы ми свойствами композитов и их компонентов.
Величина K ic пропорциональна прочности компози тов и волокон. Как показано в работе [107], для боль шинства композитов отношение K ic./ax приблизительно постоянно и равно 0,08 мм1/а. При прочих равных уело виях использование волокон большего диаметра, та ких, как борные, ведет к повышению вязкости разру шения. Использование связующих с более высокими
Таблица 2.16. Характеристика вязкости разрушения однонаправленных полимерных композитов
|
Свойства матрицы |
|
Свойства композита |
|||
Композит |
+ |
К , , . |
+ |
|
К . , |
|
< V |
в х , |
xxz’ |
||||
|
1с |
J C |
||||
|
МПа |
МПа/ммг/а ' |
МПа |
МПа |
МПа/мм1/2 |
|
Карбоволокнит |
60 |
0 ,3 2 |
1000 |
35 |
68 |
|
|
60 |
0,3 2 |
1000 |
55 |
73 |
|
|
60 |
0,3 2 |
1100 |
35 |
84 |
|
|
80 |
3 ,0 |
900 |
50 |
80 |
|
Бороволокнит |
40 |
0 ,2 |
1200 |
60 |
86 |
|
Стекловолокнит |
60 |
0,32 |
1800 |
50 |
92 |
И 4
вязкостью разрушения й относительным удлинением при разрыве способствует повышению K ic композици онного материала. Введение в матрицу композита ни тевидных кристаллов существенно повышает ее вяз кость разрушения, что приводит к торможению роста трещин. С увеличением прочности межслойного сдвига меняется характер распространения трещин в компози те. Так, карбоволокниты на основе необработанных во локон разрушаются при распространении трещин как в плоскости перпендикулярной ориентации волокон, так и в плоскости армирования путем расслаивания. Карбоволокниты на основе активированных углеродных волокон разрушаются только, в плоскости, перпендику лярной направлению армирования, при этом многократ но меняется направление развития трещины и вязкость разрушения увеличивается на 5— 15%.
С увеличением толщины композиционных материа лов их вязкость разрушения увеличивается (в отличие от металлов), а следовательно, возрастает устойчивость
краспространению трещин.
Сповышением температуры вязкость разрушения композитов, как правило, понижается.
\
8'
t лава 3
РЕГУЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ КОМПОЗИТОВ ИЗМЕНЕНИЕМ ИХ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ
Структура волокнистых композитов и существенные отличия в свойствах сочетаемых волокон и матриц обус ловливают анизотропию механических, теплофизиче ских, электрических и других свойств композитов. Сте пень анизотропии свойств принято характеризовать от ношением показателей, определенных в различных на правлениях. Наиболее отчетливо анизотропия прояв ляется при сопоставлении свойств композитов в направ лении укладки волокон со свойствами, определенными под углом к направлению армирования или в плоскости укладки волокон [86]. Как следует из табл. 3.1, сте пень анизотропии физико-механических свойств одно направленных стекло-, карбо- и бороволокнитов, опре деленных в направлении армирования и в трансверсаль ном направлении, различна (различие в свойствах мо жет достигать двух порядков). Наибольшая степень анизотропии характерна для показателей прочности композитов при растяжении. С ростом прочности и же сткости волокон увеличивается различие в прочностных и упругих характеристиках волокон и матриц, повыша
ется анизотропия свойств |
композитов, что проявляется |
в чувствительности их к |
разориентации, искривлениям |
и крутке волокон [75, 85, 86].
Волокнистым композитам, имеющим сложную.струк туру, свойственно существенное различие между упру го-прочностными свойствами в направлении армирова ния и показателями сдвига в плоскости укладки воло кон. Модуль упругости и прочность при сдвиге таких композитов более чем на один порядок отличаются от модуля Юнга и прочности в направлении армирования.
116
В некоторых случаях анизотропия упругих свойстё композитов увеличивается вследствие анизотропии свойств волокон, таких как углеродные и органические. Так, оксиальный и трансверсальный модули упругости
высокомодульных карбоволокон |
различаются в |
30— |
50 раз, поэтому деформативные |
характеристики |
орга |
но- и карбоволокнитов необходимо определять с уче том анизотропии волокон [97]. Использование в этом случае известной формулы Еу= Е м/( 1— V&), получаемой согласно модели Рейса, приводит к результатам, отлича ющимся на 15—20% от экспериментальных данных.
В отличие от физической (природной) анизотропии композитам присуща конструкционная анизотропия, ко торая создается в процессе их изготовления и так же, как и свойства композита, является регулируемой вели чиной.
Регулирование степени анизотропии, оптимизация показателей свойств композитов достигается целена правленным изменением'их состава или структуры ар мирования. Возможные способы и пределы регулирова ния свойств однонаправленных композитов изменением соотношения волокон и матрицы, их свойств и прочно-' сти сцепления менаду ними разобраны в гл. 2. Появив шиеся за последние годы новые способы регулирования свойств однонаправленных композитов заключаются в создании «гибридных» структур путем сочетания в еди ном материале волокон или матриц различной природы и с разными свойствами, т. е. создание гетероматричных [108] и гетероволокнистых композитов. Гетероматричные материалы состоят из трех (или более) твердых -сред, отделенных друг от друга поверхностями раздела,
одна из которых является''границей раздела между мат-
Таблица 3.1. Анизотропия векторных свойств однонаправленных полимерных композитов
|
|
+ |
°х |
|
Композит * |
4 _ |
а х |
а У |
|
4 |
+ |
|
а х |
|
|
а У |
° У |
||
|
|
Рх ь
Ру
Эпоксибороволокнит |
1 2 - 1 |
5 |
5 5 - 7 5 |
5 - 7 |
3— 4 |
|
Эпоксикарбоволокнит |
18—25 |
90— 120 |
4— 8 |
25 |
— 30 |
|
Эпоксистекловолокнит |
6 - 8 |
|
80— 150 |
5 - 7 |
2 , 5 |
- 3 , 5 |
|
- |
|
см |
ю |
ОС |
1 |
||
|
1 |
|
4 - 5 4— 6
3— 4
117
рицамй, а другая — традиционной границей раздела между матрицами и волокнами; при этом волокна мо гут сохранять непрерывность на границе раздела мат риц [108]. В таких материалах можно создавать участ ки с различными физико-механическими свойствами не только по сечению слоистого материала за счет совме щения слоев композитов с различными матрицами, но и в плоскости армирования, т. е. возможно программи рование количественных и качественных характеристик материала по координатам в соответствии с заданным распределением нагружения путем совмещения волокон
вопределенных местах с различными матрицами [109].
Взависимости от природы и свойств матриц изменяются упругие, прочностные, теплофизические, диэлектриче ские и другие характеристики материала. Примером гетероматричных композитов могут служить эпоксиалюмобороволокниты [109].
Кардинальным способом целенаправленного регули рования степени анизотропии и свойств композита явля ется изменение структуры его армирования за счет пе рекрестного или пространственного армирования.
3.1. Совмещение различных'волокон
Создание «гибридных» композитов путем совмеще ния в едином материале волокон разной природы явля ется эффективным средством регулирования свойств композитов независимо от их структуры армирования [110— 114].
Возможны различные варианты сочетания непрерыв ных наполнителей. Первый вариант предусматривает
|
|
|
|
|
-* |
|
|
|
Таблица 3.2. Характеристики эпоксидных композитов |
|
|||||
|
|
на основе |
борокарбостеклонитей |
|
|
||
Соотношение волокон в нитях, % |
|
_и |
|
|
|
||
|
углерод |
стеклян |
V. |
ах . |
Xxz' |
£ и, |
|
борные |
кг/мЗ |
ах' |
МПа |
X’ |
|||
ные |
ные |
|
МПа |
МПа |
ГПа |
||
|
|
|
|
|
|
||
78,1 |
10,4 |
11,5 |
1840 |
1640 |
840 |
63,1 |
215 |
6 6 ,5 |
3 2 ,9 |
10,6 |
1710 |
1660 |
827 |
5 3 ,0 |
190 |
4 6 ,2 |
4 2 ,7 |
11,1 |
1720 |
1650 |
745 |
4 4 ,3 |
202 |
2 7 ,2 |
6 7 ,9 |
4 ,3 |
1560 |
810 |
430 |
— |
103 |
118
Таблица 3.3. Характеристики эпоксидных композитов на основе боростеклоткани
Соотношение волокон |
|
_и |
|
|
+ |
||
в тканях, % |
V. „ |
Е и , |
а ~ . |
||||
|
|
|
Оу. |
||||
|
|
К Г/м З |
МПа |
X ’ |
МПа |
МПа |
|
борные |
стеклянные |
ГПа |
|||||
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|||
8 3 ,5 |
16,5 |
1800 |
1090 |
152 |
1240 |
72 |
|
8 0 ,7 |
19,3 |
1700 |
730 |
118 |
ИЗО |
87 |
|
6 4 ,5 |
3 5 ,5 |
1730 |
980 |
87 |
1040 |
120 |
Таблица 3.4. Физико-механические характеристики карбооргано- и карбостекловолокнитов с послойным чередованием
углеродных и органических волокон
|
Содерл |
Композит |
1 |
|
п |
|
О |
|
О. |
|
5 S |
|
>*а |
® « o’« |
о |
§ я |
Я> а |
||
органических (ара- |
мидных) |
стеклянных |
о» S
X
ГПа |
МПа |
Е, |
<т£, |
|
ei |
«в |
|
С |
1 |
£ |
|
1 н |
Ч |
ь |
О |
Карбооргано- |
40 |
14 |
|
1400 |
175 |
980 |
520 |
150 |
волокнит |
38 |
22 |
— |
1350 |
165 |
820 |
530 |
260 |
Карбостекло- |
30 |
— |
17 |
1520 |
85 |
460 |
320 |
180 |
волокнит |
17 |
— |
33 |
1620 |
77 |
410 |
300 |
172 |
|
4 |
— |
46 |
1760 |
65 |
730 |
240 |
241 |
создание гетероволокнистых материалов по принципу однородных смесей, при этом волокна различных типов равномерно распределяются в первичной нити или жгу те (табл. 3.2). Второй вариант заключается в исполь зовании многокомпонентного наполнителя: ткани, мата или шпона из различных нитей и жгутов (табл. 3.3).
По третьему варианту чередуются слои листовых на
полнителей с |
различными волокнами (табл. 3.4). |
Каждый из указанных методов имеет преимущества |
|
и недостатки. |
Первый метод — создание однородных |
смесей — обеспечивает нам более равномерное распреде ление напряжений в волокнах и матрице при нагруже нии композита. Но получение первичной нити или жгу та, содержащего различные волокна, не всегдавозмож но, так как технологические процессы изготовления во локон могут принципиально различаться. Вт,орой<ме тод— создание бикомпонентной ткани — более техноло
гичен, но в этом случае волокна имеют определенную ориентацию, обусловленную текстильной структурой ткани, и степень реализации механических свойств во локон несколько понижена из-за местных искривлений наполнителей. Третий метод — чередование слоев — позволяет в более широких пределах изменять состав, структуру армирующего слоя и обеспечить высокую сте пень реализации механических свойств. Вторым и треть им методами можно создавать композиты с разными свойствами по толщине пакета [110].
Независимо от технологического приема сочетания волокон различия в термоупругих характеристиках на полнителей вызывают появление термических напряже ний в процессе формования композита и при изменении температурных режимов эксплуатации трехкомпонент ного материала в изделии. При нагревании борные во локна расширяются в продольном и поперечном направ лениях, а углеродные волокна имеют отрицательный ко эффициент линейного термического расширения вдоль оси волокна и положительный — в поперечном направ лении, поэтому при охлаждении в композитах карбоволокнита возникают термические напряжения, наиболее
опасные |
из которых — растягивающие |
напряжения в |
|
матрице. |
Эти напряжения необходимо |
учитывать |
при |
выборе |
состава, структуры, температурного режима |
||
формования и эксплуатации материала [ИЗ]. |
|
||
Используя широкий ассортимент |
армирующих |
на |
полнителей; удается не только регулировать механиче ские и теплофизические свойства композитов, но и повы шать технологичность их переработки. Например, при менение стеклянной нити в качестве оплетки борного волокна повышает технологичность переработки одно направленного бороволокнита, так как препятствует вы теканию смолы при формовании; применение стеклян ной тканевой подложки для борных волокон способст вует сохранению ориентации волокон в слое и обеспе чивает одинаковые расстояния между слоями. Сочета ние стеклянных и органических волокон с высокомо дульными углеродными и борными волокнами различ ной текстуры, плохо поддающимися текстильной пере работке, позволяет получать технологичные тканые, не тканые'и прошивные материалы.
Наиболее сложная задача при создании и использо
120