Совместимость матрицы и волокон.

Научные основы проектирования КМ составляет принцип комбинирования. В свою очередь он основан на совокупности двух принципов: сочетания и физико-химической и механической совместимости.

Принцип сочетания подразумевает сложение физических свойств компонентов аддитивным образом. Второй принцип дает границы возможности сочетания компонентов и подразумевает сохранение всех отличительных признаков КМ при его изготовлении и эксплуатации. Основными математическими выражениями принципа комбинирования компонентов в КМ являются: - зависимости структурных соотношений компонентов. Например, аналитические выражения для КМ, имеющих поры, отражающие связь между кажущимися и истинными долями волокон и матрицы, а также выражения, интерпретирующие диаграммы состояния компонентов и законы диффузии; - зависимости концентрационных соотношений компонентов. Например, выражение, устанавливающие связь между прочностными и упругими характеристиками однонаправленного КМ через долю волокна в случае поперечного растяжения материала;

бyв'р = бmв'р / Кyб, где

Кyб = [ 1 Vf * ( 1 Еm / Еf )] /[ 1 ( 4 * / П )^0,5 Еm / Еf ] ,

где 'р относящийся к напряжению растяжением; Vf доля волокон; Em и Ef модули Юнга матрицы и волокна, соответственно; бвm'р прочность неармированного материала матрицы при растяжении;

- зависимости физикомеханических соотношений материалов компонентов. Например, правило подбора материала волокна к известному материалу матрицы:

буд.матр. < буд.вол., где буд.матр. и буд.вол. удельная прочность матрицы и волокна, соответственно;

-зависимости, отражающие технологические процессы создания композитов и оказывающие влияние на их проектирование.

Выбор компонентов КМ ограничен: рабочим температурным интервалом эксплуатации изделия; термодинамической и термокинетической совместимостью компонентов, типом межкомпонентной связи. (ограничение по гетерофазности и наличие как минимума механической связи и максимума как проявления сил смачивания или слабой растворимости компонентов в заданном температурном интервале эксплуатации и изготовления КМ позволяет выбрать химический состав арматуры, конкретизировать данные о температуре и продолжительности операций связанных с нагревом или горячей обработкой давлением).

В настоящее время принято матрицы из пластмасс армировать стеклянными, органическими и углеродными волокнами. Матрицы из металлов и сплавов керамическимии, углеродными и металлическими волокнами.

Механические свойства композиционных материалов. Расчеты прочности км.

Механические свойства КМ зависят от концентрации армирующей фазы, вида арматуры и технологических способов изготовления КМ. Особенностью КМ является то, что вначале проводятся расчеты выбранной структуры с использованием систем уравнений на основе закона Гука в технической или матричной форме, затем разрабатывается технология его получения. Наиболее сложной задачей является определение концетрации и геометрических параметров армирующей фазы, концепция решения которых зависит от типа структуры КМ. рис. 77.

(а) (б)

Рис. 77. Зависимость прочности непрерывноармированного КМ от объемной доли волокон. (а) - КМ с пластичной матрицей, 1- множественное разрушение, 2- единичное разрушение, (б) - КМ с хрупкой матрицей и пластичными волокнами, 1 - единичное разрушение, 2 - множественное разрушение. (единичное - разрушается матрица, множественное - волокна).

Как видно из рис. 77. для КМ с пластичной матрицей повышение прочности при введении волокон начинает происходить только с определенной критической концентрации. Поэтому в композитах на полимерной основе область 1 рис принято называть - наполнителем, т.е. не изменяющим механических свойств. Достижение такой доли волокон соответствует перераспределению основных механических нагрузок на арматуру.

Вообще под критической долей арматуры принято понимать объемную доля волокон, при которой удельная прочность КМ равна удельной прочности неармированной матрицы.

Для КМ с хаотичными дискретными волокнами необходимо также рассчитывать критическую длину волокна. Критическая длина волокна это длина волокна при которой начинается упрочнение при введении арматуры в матрицу. Она рассчитывается по формуле:

Lкр = Df * ( бвf/2 * Tгр.),

где: Lкр критическая длина хаотичного дискретного волокна; Df диаметр волокна; бвf прочность при растяжении волокна; Tгр прочность границы "волокно-матрица".

В настоящие время созданы специальные справочные расчеты по всем видам структур КМ: фольгированные, дисперсноупрочненные и т.п., они реализованы в информационных средствах САПР.

Поиск концентрационных соотношений (рецептуры) КМ возможен по двум вариантам:

- с использованием расчета прочности КМ по свойствам компонентов;

- с применением расчета упругих констант КМ по свойствам компонентов.

Поиск концентрации сводится к проведению обратных вычислений Vf по зависимостям, связывающих аддитивное свойство композита с свойствами отдельных компонентов через их доли, концентрации арматуры.

Примером может быть уравнение для определения прочности КМ, армированного хаотичными дискретными волокнами, или уравнение для расчета модуля Юнга:

бв'р = (Тгр * Lкр / Df) *Vf + бвm * (1 - Vf)

Е = Em * (1 + Vf * n * Lкр / Df) * (1 - n * Vf), где

n = ( Еf / Em - 1 ) / ( Ef / Em + L / Df)

- Em и Ef модули Юнга матрицы и волокна, соответственно.

Из формул выражают концентрацию волокон (решают обратную задачу), подставляют численные значения, тем самым определяют рецептуру КМ.

Лекция № 25

КМ на полимерных матрицах: стеклопластики, бороволокниты, органоволокниты, карбоволокниты. КМ на металлических матрицах, из керамики, силикатных стекол и углеродных материалов. Перспективы развития КМ.

КМ на полимерных матрицах: стеклопластики, бороволокниты, органоволокниты, карбоволокниты.

Свойства конструкционных ПКМ определяются свойствами основных компонентов - матрицы и арматуры. Наиболее прочные композиты на основе фенольных смол, эпоксидных и полиэфирных смол; максимально химически стойкие ПКМ на основе полиэтилена, полипропилена и фторопласта. Сочетание эпоксидных, полиэфирных и меламиноформальдегидных смол с синтетическими тканями, волокнами и бумагой дает легкие материалы, устойчивые к вибрационным и ударным нагрузкам, водостойкие и сохраняющие герметичность в условиях сложного нагружения. ПКМ на основе эпоксидных смол, армированных УВ, борными волокнами или НК, являются наиболее высокомодульными полимерными композиционными материалами, по удельной жесткости в несколько раз превосходящими металлы. Длительно работоспособны при температуре 576 К стекло- и асбопластики с кремнийорганическим связующим; в интервале температур 573 - 613 К - полиимиды в сочетании с кремнеземным, асбестовым и ли углеродным наполнителем; в интервале 633 - 773 К в воздушной и 2273 - 2773 К в вакууме стойкими являются УУКМ. Использование профилированных СВ с различной формой сечения повышает плотность упаковки волокон и увеличивает прочность и жесткость ПКМ, особенно в поперечном направлении. Свойства ПКМ зависят от вида применяемых волокон. К органическим волокнам относят волокна на основе араматических полиамидов (арамидов). Высокопрочные и высокомодульные арамидные волокна обладают уникальным комплексом свойств, высокими прочностью и модулем упругости, термостабильностью, позволяющей эксплуатировать их в широком интервале температур. Текстильная переработка составляет 90% исходной прочности нити, что дает возможность применять их в качестве тканных материалов. Свойства показаны в таблице. Таблица