6. Волокнистые композиционные материалы и их классификация.

Структура волокнистых композиционных материалов (ВКМ) представляет собой матрицу (1) с равномерно распределенными в ней волокнами (2) - двухмерным наполнителем, обеспечивающим армирующий эффект (рис. 6.1). Объемная доля волокон и характер их распределения в матрице, соотношение длины волокна к его диаметру (ℓ/d), прочность связи по границе волокно – матрица, соотношение их модулей упругости - это главные параметры, определяющие свойства волокнистых композитов. Классификацию ВКМ можно проводить по следующим признакам: 1) в зависимости от характера распределения и ориентации волокон в матрице, 2) в зависимости от материала матрицы и 3) в зависимости от способа получения. В первом случае различают изотропные, анизотропные, ортотропные ВКМ и с продольно-поперечной укладкой волокон (рис. 6.2). В качестве наполнителя в изотропном ВКМ используют хаотично ориентированные дискретные волокна или нитевидные кристаллы – н.к. (рис. 6.2. а). В объеме такого материала свойства в направлении осей Х,Y и Z – одинаковы. Свойства анизотропных материалов зависят от направления (рис. 6.2. б). Структура ортотропных ВКМ характеризуется наличием в их объеме волокон, уложенных во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис.6.2 в). Тогда анизотропия свойств композита, по сравнению с предыдущим материалом, снижается. Продольно-поперечная укладка волокон в смежных слоях еще больше уменьшает анизотропию свойств ВКМ (иногда такую укладку волокон называют «звездной»). Во втором случае рассматривают ВКМ с металлической матрицей (металличес-

кие ВКМ), с полимерной матрицей (полимерные ВКМ) и керамической матрицей (керамические ВКМ). И, наконец, в последнем случае, выделяют литейные ВКМ, получаемые через расплавы, а также деформируемые, которые изготавливают с использованием спекания, горячего прессования, диффузионной сварки, горячей штамповки, либо взрывного прессования.

6.1. Расчетное обоснование эффективного армирования матрицы волокнами.

Рассмотрим случай, когда непрерывные однонаправленные волокна жестко сцеплены с матрицей и по поверхности раздела между ними проскальзывания при нагружении не происходит. Тогда нагрузку, приложенную к волоконно-армированному композиту (Р_с) и распределенную между волокном (P_f ) и матрицей (P_m), можно записать следующим образом:

P_c = P_m + P_f ( 1 )

Выражая эту зависимость через напряжения, получим:

_с  A_c = _m  A_m + _f  A_f ( 2 )

или _с  V_c = _m  V_m + _f  V_f ( 3 )

где A_c; A_m; A_f – площадь поперечного сечения композита, матрицы и волокон соответственно, V_c; V_m; V_f – объем композита, а также объемы, приходящиеся на матрицу и волокна соответственно.

Так как проскальзывание волокон по поверхности раздела с матрицей отсутствует, то композит, волокна и матрица деформируются одинаково:

_с = _m = _f ( 4 )

Тогда выражение (3) с учетом равенства (4) можно записать:

_c  V_c = E_m  _c  V_m + E_f  _c  V_f ( 5 )

где E_m и E_f – модули нормальной упругости матрицы и волокон

Или, поскольку V_f +V_m = 1,

то _c  V_c = E_m  _c  V_m + E_f  _c  (1V_m) ( 6 )

Отсюда можно представить следующее соотношение:

( 7 )

При анализе зависимости (7), следует исходить из положения, что эффективное армирование достигается при условии, если волокна будут принимать на себя значительно бо^/льшую долю приложенной нагрузки по сравнению с матрицей. Это возможно в случае, когда значение E_f превышает E_m, при этом, величина V_f должна быть максимальной. То есть, при изготовлении волокнистого композита целесообразно использовать высокомодульные волокна в сочетании с матрицей, имеющей много меньший, по сравнению с волокнами, модуль упругости. Следует отметить, что максимальное наполнение матрицы волокнами (параметр V_{f – max} ) определяется, главным образом, возможностью используемого метода введения волокон в матрицу. Например, величина V_{f – max} в композите, полученном путем пропитки пучка волокон матричным расплавом, будет превышать таковую для материала, который был изготовлен с использованием послойной укладки волокон с заданным шагом в матричном порошке. Как известно из эксперимента, при объемной доле волокна - V_f, равной 80%, механические свойства композита ухудшаются вследствие образования значительных по протяженности областей контактов между волокнами в матрице. Это так называемый эффект «перехлестывания» волокон, вследствие которого между ними, в указанных областях, отсутствует матричная прослойка. В результате образуются несплошности - разрывы структуры, являющиеся дефектами, понижающими прочностные характеристики композита.

Графически выражение (7), для трех различных видов волоконно-армированных материалов, представлено на рис. 6.3. Видно, что лучший эффект от армирования достигается для композита с полимерной матрицей, содержащей в качестве волокна бериллиевую проволоку. Для него имеет место наибольшее отличие модулей упругости матрицы и волокна (Е_f / E_m = 10²). При этом, достаточно высокая величина отношения P_f /P_m, равная 10, достигается уже при незначительной объемной доле волокна – V_f, равной 10%. То же значение величины P_f /P_m для композитов Ag (матрица) – н.к. Al₂O₃  (Е_f / E_m  6) и полимер (матрица) – стекловолокно (так называемый стеклопластик)  (Е_f / E_m  20) обеспечивается только при достаточно большом наполнении волокном: 70% и 40% - соответственно (показано пунктирной линией).