книги / Новые материалы и технологии.-1

университета в 1998-2003 гг. Основой технологии является пле­ тение армирующего каркаса и его использование как полуфаб­ риката при формовании композиционного изделия. Данный спо­ соб защищен патентами и подробно рассмотрен в учебном по­ собии Б.Д. Олейника «Новые технологии в производстве труб и других изделий из композитов» (Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2006).

5. Физико-механические характеристики композиционных полимерных материалов

Рассмотрим физико-механические характеристики трех

наиболее применяемых композиционных полимерных материа­ лов: стеклопластика, органопластика и углепластика. В отличие от конструкционных металлов, которые являются изотропными материалами с одинаковыми свойствами по всем направлениям

одинаковы. Их значения в каждом конкретном направлении в основном зависят от направлений армирующих волокон. Возь­ мем для примера стеклопластиковую трубу, изготовленную ме­ тодом спирально-перекрестной намотки (см. рис. 8). Направле­ ния армирующих волокон при этом виде намотки показаны на рис. 16. Выделим элементарный объем в виде пластинки и из точки О построим систему координат (X, Y, Z).

Возьмем одну из основных характеристик композицион­ ного материала - предел прочности на растяжение. По всем на­ правлениям координатных осей эта характеристика будет иметь различные значения. Чем больше угол между направлением

рующих волокон совпадают.

В этом направлении у данного композита будет наибольшая прочность. В любом другом направлении прочность будет иметь меньшее значение. Это справедливо и для другой характеристи­ ки - модуля упругости. Заметим, что свойства однонаправлен­ но-армированного композита являются базовыми характеристи­ ками, применяемыми в механике композитов при расчетах на­

пряжений и деформаций в

Таблица 5

Физико-механические характеристики композитов

Некоторые из характеристик можно приближенно оценить

с помощью математических моделей (формул), не прибегая к

трудоемким испытаниям образцов. Например, прочность КМ при

растяжении приближенно определяют по следующей формуле:

где ов0Ли асв - пределы прочности волокон и связующего; Свол и

Ссв - объемные доли волокон и связующего в композите.

Из сравнения свойств волокон и связующего (см. табл. 1,2)

и из формулы (2) очевидно, что основной вклад в прочность

композита вносят армирующие элементы - волокна. Рассмотрим

это на примере однонаправленного стеклопластика:

• пусть прочность стекловолокна овол = 250 кг/мм2;

•прочность эпоксидного связующего осв = 8 кг/мм2;

•доля волокон в композите Свол = 0,6;

•доля связующего в композите Ссв = 0,4;

•для КМ справедливо выражение Свол+ Ссв = 1.

окм « 250 0,6 + 8 • 0,4 = 150 + 3,2 ~ 153 кг/мм2

Формула (2) показывает, что с увеличением доли волокон в объеме композита его прочность повышается. Но, как показа­ ли эксперименты, это справедливо лишь до определенного со­ отношения содержания волокон и связующего, примерно до со­ отношения Свол • Ссв = 0,75 0,25. При значении Свол> 0,75 доля связующего Ссв< 0,25, что не обеспечивает 100 %-го покрытия связующим каждого волокна и полного заполнения межволо­ конных полостей. Это приводит к неравномерному распределе­ нию нагрузок (напряжений) между волокнами, что и снижает показатель прочности КМ.

кирпичик, основа будущего здания. Элементарное единичное стекловолокно имеет прочность 2500...3000 МПа, а модуль уп­ ругости 80 000...90 000 МПа. У однонаправленного композита прочность и модуль упругости значительно ниже. Это факт, и от него не уйдешь. А связано это со следующим:

•во-первых, помимо волокон в композите часть объема, причем немалую, занимает связующее, оно имеет очень низкие характеристики (прочность всего 50...70 МПа, модуль упругости 3000...4000 МПа) по сравнению с характеристиками волокон;

•во-вторых, при намотке используют жгуты, ровинги, собранные в ленту, в ней множество элементарных волокон, они собраны и расположены случайным образом, и в будущем ком­ позите волокна будут «работать» по-разному: одни на пределе, другие не в полную меру и т.д.;

•в-третьих, при технологической переработке (движению по нитетракту и т.п.) часть волокон травмируется;

•в-четвертых, волокна ленты пропитываются связующим

вванночке неравномерно, эта неравномерность сохраняется в композите, поэтому каждое из волокон в разной степени будет брать на себя нагрузку;

•в-пятых, при намотке всегда наблюдается неравномер­ ность натяжения ленты по ее объему, по виткам, по слоям, что в конечном итоге приводит к неравномерности нагрузки на каж­ дое волокно.

Все это вполне закономерно снижает «выходные» харак­ теристики композита. Поэтому в однонаправленном стеклопла­ стике прочность составляет 1200... 1400 МПа, а модуль упруго­ сти 60 000...70 000 МПа.

При армировании композита в двух направлениях общее количество волокон остается примерно таким же, как и в одно­ направленном композите, но ориентированы они по разным на­ правлениям, иногда отличающимся на 90°. Так, при формовании цилиндрической оболочки методом ППН армирующие ленты укладывают вдоль оси оболочки и в кольцевом направлении, т.е. под углом 90° друг к другу. Причем задают определенное соот­ ношение между этими направлениями, например

сп~ 1/Зоод(здесь сод - прочность однонаправленного композита) или в цифровом выражении ок = 2/3 1200 = 800 МПа и сп ~ = 1/3 1200 = 400 МПа.

Таким образом мы рассмотрели 3 ступени:

Для сравнения и анализа сведем все данные в табл. 6. Сравнивая и анализируя эти цифры, видим, что на «вхо­

де», на первом этапе имеют место высочайшие характеристики, однако на «выходе» (в конструкции) они намного меньше. Тако­ ва динамика этих характеристик. При изготовлении различных конструкций из КМ эту методику анализа можно использовать для сравнения конструктивных вариантов, а также для оценки

•обеспечивают работоспособность конструкции в экс­ тремальных условиях;

•уровень их эксплуатационных температур значительно выше, до +450 °С;

•имеют вязкий характер разрушения;

•стойки к тепловым ударам;

•обладают высокой коррозионной и эрозионной стой­

костью;

•имеют хорошие демпфирующие свойства.

Отметим и недостатки МКМ:

•проблема совместимости компонентов (подбор пары волокно - матрица);

•более сложная технология;

•значительная стоимость изделия;

•ограниченные возможности переработки.

Армирующий элемент, получают из различных металлов. В настоящее время нашли применение следующие виды волокон: борные, карбидокремниевые, карбид вольфрама, стальная высо­ копрочная тонкая проволока, бериллиевая проволока, борсик (волокна бора с нанесенным защитным покрытием из карбида кремния), вольфрамовые, молибденовые, оксидалюминиевые.

Материал матрицы - это менее прочный и мягкий металл: алюминий, магний, никель, хром, титан - со средней температу­ рой плавления.

Первым метаплокомпозитом была стальная высокопроч­ ная проволока с алюминиевой матрицей. Для ряда изделий этот композит позволил повысить механические характеристики, со­ противление усталости, расширить интервал эксплуатационных температур. МКМ на основе стальной проволоки У8А и алюмо­

магниевой матрицы имеет прочность ав= 1500 МПа и сохраняет ее на 70 % при температуре до 500 °С. МКМ на основе волокон карбида кремния и алюминиевой матрицы отличается малой ползучестью, т.е. сохраняет жесткость и размеры при повышен­ ных температурах. МКМ с борными волокнами и титановой матрицей имеет высокие характеристики: прочность около 900 МПа и модуль упругости 210 000 МПа.

Наибольшее применение из всех МКМ нашел бороалю­ миниевый металлокомпозит. Это самая технологичная компози­ ция, с высокими физико-механическими характеристиками. Рас­ смотрим подробнее этот материал, его свойства и технологию получения.

Борные волокна получают осаждением бора из газовой фазы на разогретую до 1350 °С вольфрамовую тонкую нить. В промышленных масштабах выпускают волокна с диаметрами 55; 100; 140 и 200 мкм. На рис. 20 показана технологическая

Рис. 20. Схема получения борных волокон методом осаждения при нагревании: I - подающий барабан с вольфрамовой нитью; 2 - штуцер для подачи газо­ вой смеси; 3 - камера осаждения; 4 - штуцер для удаления газов; 5 - приемный барабан для бороволокна; U - электрический потенциал для нагрева ни­ ти; Г|, Г2, Гз - температура по длине нити (Т\ >

> h > T 2)