Волокнистые композиционные материалы

Прочность волокнистых КМ определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Наиболее широкое применение в технике получили КМ, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят:

  • - полимерные КМ на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальдегидных, полиамидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и другими волокнами;
  • - металлические КМ на основе сплавов алюминия, магния, меди, титана, никеля, хрома, армированных борными, углеродными или кар- бидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой;
  • - КМ на основе углерода (углепластики), армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы);
  • - КМ на основе керамики, армированной углеродными, карбидокремниевыми и другими жаростойкими волокнами.

При использовании углеродных, арамидных, сверхвысокомолекулярного полиэтилена, стеклянных и борных волокон, содержащихся в материале в количестве до 70%, созданы композиции с прочностными характеристиками и модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые КМ превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и другим свойствам.

Углепластики на основе углерода сочетают низкую плотность с высокой теплопроводностью, химической стойкостью, постоянством размеров при резких перепадах температур, а также с возрастанием прочности и модуля упругости при нагреве до 2000°С в инертной среде.

Высокопрочные композиционные материалы на основе керамики получают при армировании волокнистыми наполнителями, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами. Армирование непрерывными волокнами SiC позволяет получать КМ, характеризующиеся повышенной вязкостью, прочностью на изгиб и высокой стойкостью к окислению при высоких температурах. Однако армирование керамики волокнами не всегда приводит к значительному повышению ее прочностных свойств из-за отсутствия эластичного состояния материала при высоком значении его модуля упругости.

Содержание волокон в ориентированных материалах составляет 60-80 об %, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) - 20-30 об %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость КМ. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге, сжатии и сопротивление усталостному разрушению. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства КМ. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

Перспективное направление создания высокопрочных КМ - это армирование материалов нитевидными кристаллами ("усами"), которые вследствие малого диаметра практически лишены дефектов, имеющихся в более крупных кристаллах, и обладают высокой прочностью. Наибольший интерес представляют КМ, армированные нитевидными кристаллами керамических, полимерных и др. материалов. Размеры усов обычно составляют от долей до нескольких мкм по диаметру и примерно 10-15 мм по длине. Наибольший практический интерес представляют кристаллы оксидов алюминия, бериллия, карбидов кремния и бора, нитридов кремния и алюминия диаметром 1-30 мкм и длиной 0,3-15 мм. Используют такие наполнители в виде ориентированной пряжи или изотропных слоистых материалов наподобие бумаги, картона, войлока. КМ на основе эпоксидной матрицы и нитевидных кристаллов ТЮ2 (30% по массе) имеют модуль упругости 70 ГПа. Введение в композицию нитевидных кристаллов может придавать ей необычные сочетания электрических и магнитных свойств. Выбор и назначение КМ во многом определяются условиями эксплуатации детали или конструкции, технологическими возможностями.

Пороха и смесевые твердые ракетные топлива [1] можно также отнести к волокнистым, но энергонасыщенным КМ, принимая во внимание то, что основой пороха является целлюлоза-волокнистое высокомолекулярное соединение (ВМС). Поэтому большинство процессов, протекающих при формировании данных энергонасыщенных конденсированных систем (ЭКС) и изготовлении изделий на их основе подчиняются закономерностям, характерным для ВСМ.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >