4 Микромеханика гибридных композитов

4.1 Упругие характеристики гибридного композита

Гибридными называют композиционные материалы, содержащие более одного вида армирующего материала в одной матрице. Включение более одного вида армирующего материала имеет целью повышение тех или иных свойств композита. Так, включение в лонжерон лопасти вертолета из стеклопластика ровницы из углеволокон повышает модуль упругости, усталостную долговечность. Считают, что сочетание непрерывного и рубленого волокна в одной матрице также приводит к получению КМ, который можно отнести к гибридному.

Надлежащим образом сконструированные гибридные КМ позволяют получать конструкции, имеющие оптимальным образом сбалансированные свойства, такие, как прочность и жесткость, масса и стоимость, высокая термическая стабильность, повышенная трещиностойкость и ударная прочность.

К настоящему времени не сложилось какой-либо общепринятой классификации ГКМ. Однако независимо от выбранных для классификации признаков, которые могут быть самыми различными, ГКМ можно разделить на следующие виды:

1. Внутрислойные – различные волокна в каждом слое гибридного композита регулярно чередуются.

2. Межслойные – каждый слой композита состоит из одного вида волокон (например, углестеклопластиковая пластина с наружными слоями из углеволокон) (рис. 4.1).

Перечисленные виды композитов, как правило, имеют одну мат­рицу. В качестве традиционной матрицы используют термореактивные полимерные материалы. Для получения высокопрочных КМ, использующихся при невысоких температурах, главной матрицей остаются эпоксидные смолы. Для применения при высоких рабочих тем­­пературах (до 573 К) более перспективной считают матрицу на основе полиимидного связующего. Использование термопластичных материалов в качестве матрицы КМ является относительно новым. Для этой цели пригодны полипропилен, полиамиды (капрон), полисульфон, полифениленсульфид, полибутилентерефталат (термопластичный полиэфир). Полисульфон хотя и дорог, но обладает высокими прочностью и жесткостью и пригоден для переработки высокопроизводительными методами. Допускает длительное воздействие температур до 171С. Полифениленсульфид имеет температуру плавления288С, высокие химическую стойкость и термическую стабильность. Он невоспламеняем, нерастворим в любом из известных растворителей. Его высокие механические свойства сохраняются до температуры120С. Стеклопластики на основе термопластичных полиэфиров по механическим и электрическим свойствам, размерной стабильности и скорости ползучести близки к КМ на основе термореактивных полимерных связующих. Используя различные сочетания матрицы и волокон, можно получить большое количество гибридных композитов. Однако не любое сочетание матрицы и волокон позволяет получать гибридные композиты с желаемыми свойствами. Сочетание в одной матрице графитовых волокон, обладающих высокими прочностью и жесткостью, но низким сопротивлением удару, с органоволокнами, обладающими высоким сопротивлением ударному нагружению, но пониженным модулем упругости по сравнению с графитовыми волокнами, приведет к получению гибридного композита, в котором каждый вид волокна вносит свои лучшие свойства.

Рис. 4.1 Виды гибридности :

направления вдоль (1)и поперек(2)волокон;

а– внутрислоевая гибридность;б– межслоевая гибридность:

- стекловолокна; - углеволокна

Повышение ударной вязкости углепластиков достигается включением в них некоторого количества прочных волокон с более высокой деформацией разрушения по сравнению с углеродными волокнами. Такими волокнами, например, могут служить стекловолокна, органоволокна и др. Ударная вязкость углепластика на эпоксидной матрице увеличивается до 5 раз при введении в него 50% стекловолокна. Установлено, что модуль упругости композита на основе стекловолокна и эпоксидной смолы увеличивается при незначительном добавлении в него углеродных волокон. Добавление 5% углеродного волокна вызывает увеличение модуля упругости при сжатии почти в 2 раза. Низкая прочность при сжатии – основной недостаток композитов на основе органоволокон. Этот недостаток может быть ликвидирован введением 50% по объему углеволокон. Усталостные свойства стеклопластиков могут быть повышены введением углеволокон.

Разрушение гибридных композитов при сжатии и растяжении не носит катастрофического характера вследствие последовательного включения в работу различных видов волокон. Диаграмма деформирования углестеклопластика при растяжении показана на рис. 4.2. Начальный участок диаграммы соответствует линейному поведению материала, а второй участок показывает постепенное снижение модуля упругости по мере разрушения углеродных волокон. Установлено, что модуль упругости при изгибе изменяется по правилу аддитивности во всем диапазоне содержания углеродных и стеклянных волокон. При этом было замечено, что модуль упругости при изгибе зависит от вида армирующих волокон верхнего слоя.

Рис. 4.2 Диаграмма растяжения углепластикового образца,

содержащего 40 об. % углеродного волокна в эпоксидной

матрице при U<0