Структура и свойства полимерных волокнистых композитов

Г М. ГУНЯЕВ

СТРУКТУРА

И СВОЙСТВА

ПОЛИМЕРНЫХ

ВОЛОКНИСТЫХ

КОМПОЗИТОВ

МОСКВА «ХИМИЯ», 1981

УдК 678.6/.7:678.029.5:678.6l

Гуняев Г. М.

Структура и свойства полимерных волокнистых композитов. — М.: Химия, 1981. — 232 с., ил.

В книге приводятся сведения о свойствах армирующих во­ локон (углеродных, борных, органических, керамических и стеклянных), полимерных матриц (эпоксидных, имидных и дру­ гих смол) и композитов на их основе. Рассмотрены способы повышения сопротивления растяжению, межслойному сдвигу и сжатию, а также возможность регулирования сопротивления статической и динамической усталости и ударной вязкости пу­ тем изменения1состава композитов и ориентации армирующих волокон.

Книга предназначена для материаловедов, технологов и конструкторов, занимающихся разработкой и применением по­ лимерных композитов в различных областях науки и техники.

232 с. 67 табл., М9 рис., список литературы 171 ссылок.

Ре ц е н з е н т : доктор техн. наук профессор

Ю.М. ТАРНОПОЛЬСКИЙ

© Издательство «Химия», 1981 г.

Композиционные материалы делятся на волокни­ стые (упроченные непрерывными или дискретными во­ локнами) и дисперсноупрочненные (наполненные дис­ персными порошкообразными частицами).

При создании волокнистых композитов используют стеклянные, керамические, углеродные и органические волокна, металлические проволоки аморфной или поликристаллической структуры, а также нитевидные моно­ кристаллы различных соединений. Армирующие напол­ нители применяются в форме моноволокон, проволоки, нитей, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов, бумаг и т. д. Наибольший удельный модуль упругости— 120— 335 МПа-м3/к г — имеют углерод, бор, бериллий, карбид и нитрид кремния. Получение веществ и соединений в форме непрерывных волокон или дискретных монокри­ сталлов, обладающих высокой прочностью — 2,1—32ГПа, позволило использовать их в качестве эффективных упрочнителей композиционных материалов [3, 4]. Ниже при­ ведены основные свойства материалов, применяемых в

В качестве матриц используют металлы и сплавы, органические и неорганические полимеры, силикатные стекла, кислородные и бескислородные тугоплавкие со­ единения, кокс и пироуглерод.

Классификация полимерных композитов производится в зависимости от химической природы связующего и наполнителя, а также структуры материала (размеров, формы и ориентации армирующего наполнителя) |[5]. По химической природе связующего полимерные компо­

8

зиты делятся на органические (эпоксидные, имидные, фенолоформальдегидные, изоцианатные и т. п.), элемен­ тоорганические (кремнийорганические, карборановые и т. п.), неорганические (алюмофосфатные и др.) и угле­ родные. По форме армирующего наполнителя различают пленочные и волокнистые композиты, непрерывно и дис­ кретно армированные. В зависимости от химического со­ става волокон композиты делят на карбоволокниты, бороволокниты, стекловолокниты и т. д.

Вид армирующего наполнителя определяет макро­ структуру композитов, что позволяет разделить их на текстолиты, бумалиты и ориентированные композиты. Среди последних различают однонаправленные и пере­ крестно армированные композиты. Последние могут быть двумерно- и пространственно-армированными.

Жесткие армирующие волокна воспринимают основ­ ную часть напряжений, возникающих в композите при нагружении, обеспечивая его прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. Уровень прочностных и деформативных характеристик композиционных мате­ риалов при условии совместимости волокон с матрицей определяется в основном свойствами волокон, их разме­ рами, ориентаций и содержанием в композиции. Подат­ ливая матрица, заполняющая межволоконное простран­ ство, осуществляет пер.едачу напряжений отдельным во­ локнам за счет касательных напряжений, действующих вдоль границы раздела волокно — матрица, и восприни­ мает напряжения, действующие в направлении, отлич­ ном от ориентации волокон.

В настоящее время в мировой практике для получе­ ния полимерных композитов применяют стеклянные, ас­ бестовые, углеродные, борные, органические, керамиче­ ские волокна и нитевидные кристаллы окислов, карби­ дов, и нитридов металлов [6] в сочетании с матрицами на основе модифицированных термореактивных смол — эпоксидных, фенолоформальдегидных, полиэфирных и полиимидных, а также некоторых термопластов — полисульфонов, полиамидов и др. [7].

Свойства матрицы определяют механические свойства композитов при сдвиге и нагружении их нормальными напряжениями в направлениях, отличных от ориента­ ции волокон, термоустойчивость, химическую стойкость и технологические режимы получения изделий.

9

Соотношение между компонентами в композитах ме­ няется в зависимости от природы и текстуры наполните­ ля, смачивающей способности и монолитности матрицы, а также от назначения материала.

Состояния границы раздела волокно — матрица и прочность сцепления между ними является функцией межфазного взаимодействия, которое в композитах обус­ ловливается химическими реакциями между функцио­ нальными группами, расположенными на поверхности волокон и связующего, а также физическим взаимодей­ ствием этих групп в процессе сорбции, ориентации моле­ кул или участков цепей связующего и механического закрепления их на поверхности волокна путем заполне­ ния пор и трещин.

Многие характеристики композитов могут быть рас­ считаны по ивзестным свойствам его компонентов, их соотношению, и прочности связи между ними. Однако из-за большой чувствительности некоторых показателей, например прочности, к действию многих факторов, не поддающихся полному учету, применение строгих мате­ матических решений не всегда возможно. Поэтому при описании свойств композитов и их конструировании_можно использовать довольцо простые модели составной среды, учитывающие качественные особенности поведе­ ния композитов при тех или иных видах воздействия [8]. Так, для высоконаполненных композитов многие характеристики (модуль упругости, коэффициент Пуас­ сона, коэффициент термического расширения, теплопро­ водность, диэлектрическая проницаемость и ряд других) с достаточной для инженерной практики точностью вы­ числяются по уравнениям аддитивности, особенно при введении поправочных коэффициентов, учитывающих структуру материала и свойства компонентов.

Волокнистая форма арматуры и существенное раз­ личие в прочностных, деформативных и физических ха­ рактеристиках волокон и матриц определяют анизотро­ пию свойств композитов, которую можно регулировать изменением содержания и взаимного расположения во­ локон.

Работоспособность композитов при нагревании опре­ деляется их составом, температурой, временем ее воз­ действия, агрессивностью окружающей среды и измене­ нием температуры во времени. Степень изменения

10