- •Проектирование и прогнозирование
- •1 Общие сведения
- •2 Компоненты композиционных материалов
- •2.1 Матричные (связующие) компоненты композиционных
- •2.1.1 Требования к матрицам
- •2.1.2 Термореактивные матрицы
- •2.1.3 Термопластичные матрицы
- •2.1.4 Металлические матрицы
- •2.1.5 Керамические матрицы
- •2.2 Армирующие материалы
- •2.2.1 Армирующие каркасы композитов
- •2.2.2 Структура и свойства нити
- •2.2.3 Структура и текстурные свойства текстильных
- •2.2.4 Тканые материалы
- •2.2.5 Трикотажные структуры
- •2.2.6 Плетеные структуры
- •2.2.7 Нетканые текстильные материалы
- •2.2.8 Стеклянные волокна и армирующие материалы
- •2.2.9 Углеродные волокна и армирующие материалы на их основе
- •2.2.10 Органоволокна (арамидные волокна)
- •Механические и теплофизические свойства нитей из органоволокон при различных температурах
- •2.2.11 Борные армирующие волокна
- •2.2.12 Карбид - кремниевые волокна
- •3 Основы микромеханики двухкомпонентных
- •3.1 Определение упругих характеристик
- •3.1.1 Основные предпосылки
- •3.1.2 Определение продольного модуля упругости
- •Подставляя (3.2), (3.3) в (3.1), получим
- •3.1.3 Вычисление продольно-поперечного
- •3.1.4 Определение поперечного модуля упругости и модуля
- •3.2 Прочность однонаправленного слоя
- •3.2.1 Механические свойства однонаправленного слоя.
- •3.2.2 Особенности разрушения композиционных материалов, армированных непрерывными волокнами
- •3.2.3 Характеристики прочности и виды разрушения
- •3.2.4 Прочность слоя при продольном растяжении и сжатии
- •3.2.5 Прочность слоя при поперечном растяжении, сжатии
- •3.2.6 Определение внутренних напряжений в компонентах
- •3.2.7 Прочность однонаправленного слоя при плоском напряженном состоянии [26, 28, 33]
- •4 Микромеханика гибридных композитов
- •4.1 Упругие характеристики гибридного композита
- •4.2 Прогнозирование упругих свойств гибридных
- •4.3 Прогнозирование прочности однонаправленного
- •Механические характеристики эпоксидной матрицы
- •Решение
- •Решение
- •Механические характеристики компонент гибридного материала Углеродное волокно
- •Матрица
- •Решение
- •Первушин Юрий Сергеевич
2.1.2 Термореактивные матрицы
Основным видом смол для изготовления композитов, от которых не требуется высокой термостойкости, являются полиэфирные смолы, которые относительно дешевы, обладают хорошей текучестью, хорошо смачивают поверхность волокон (благодаря низкой вязкости) и отверждаются при умеренных температурах. Однако при повышенных температурах они имеют низкую прочность, плохо сопротивляются удару и проявляют значительную усадку. Тем не менее они с успехом применяются для изготовления композитов самого разного назначения, что позволило накопить значительный опыт в этой области технологии композитов.
Для высокотемпературных областей применения основным связующим для волокнистых композитов являются эпоксидные смолы [24]. Они обладают высокой прочностью и отверждаются при сравнительно невысоких температурах. Эти системы характеризуются меньшой усадкой и меньшой склонностью к ползучести, чем полиэфирные. К отрицательным свойствам эпоксидных смол относятся высокая стоимость и токсичность, повышенная хрупкость, а также пониженная прочность при высоких температурах. В целом по присущему им комплексу свойств эпоксидные смолы являются наилучшими из доступных полимерных систем для изготовления композитов, работающих при повышенных температурах. Ударные воздействия или высокие напряжения при повышенных температурах эксплуатации требуют от композита повышенной ударной прочности. В этом случае необходимо применять рецептуры эпоксидных смол, обладающих большей эластичностью. Такие рецептуры существуют, однако их применение связано с необходимостью выбора между улучшенной ударной вязкостью и сниженными прочностью, жесткостью и термостойкостью.
Термостойкие матрицы. Термостойкие матрицы представляют собой полимеры, молекулярные цепи которых состоят из гетероароматических звеньев, имеющих высокую температуру стеклования, способные выдержать на воздухе продолжительный нагрев свыше 300С без заметных изменений структуры. Наибольшее применение получили полиимиды полимеризационного типа, состоящие из олигомеров и смесей имидообразующих мономеров.
Полиимидные связующие наносятся на волокна различными методами. Полученные полуфабрикаты имеют длительную жизнеспособность. Отверждение полиимидных связующих протекает при температурах 300 ... 350Сбез выделения летучих продуктов.
Композиты с полиимидными матрицами характеризуются высокой термостойкостью, прочностью, стойкостью к действию различных агрессивных сред, стабильностью размеров в широком температурном интервале.
Основными недостатками полиимидных связующих являются технологические трудности изготовления изделий на их основе.
2.1.3 Термопластичные матрицы
В настоящее время получает развитие производство термопластичных композиционных материалов (ТКМ) на основе твердофазного совмещения непрерывных армирующих и термопластичных волокон по так называемым “волоконной” и “пленочной” технологиям [4, 9, 10]. Суть “волоконной” технологии заключается в максимальном приближении термопластичного связующего в виде волокон к волокнам армирующего материала. Создается тканый полуфабрикат (ткани, лента, трикотаж и др.), состоящий из армирующих волокон и волокон термопластичного связующего с взаимно максимальным их приближением друг к другу.
Возможность чередовать непрерывные матричные и армирующие волокна с заданной регулярностью с надежной фиксацией схемы армирования структуры на всех стадиях переработки полуфабрикатов создала предпосылки создания целой гаммы перспективных КМ. Необходимо подчеркнуть, что “волоконная” технология отличается экологической чистотой и неограниченным сроком хранения полуфабрикатов по сравнению с жидкофазным совмещением традиционных технологий получения полуфабрикатов КМ.
Физико-механические характеристики некоторых термореактивных матриц приведены в табл. 2.1.