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 плавления 288С, высокие химическую стойкость и термическую стабильность. Он невоспламеняем, нерастворим в любом из известных растворителей. Его высокие механические свойства сохраняются до температуры 120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