Структура и свойства полимерных волокнистых композитов

Температурные зависимости для ударной вязкости, разрушающего напряжения и модуля упругости при из­ гибе композитов аналогичны. Параметр (а'т)2/(2,Ет) мо­ жет быть использован для приближенной оценки удар­ ной вязкости композиций по температурным зависимо­ стям прочности и модуля упругости при изгибе. Отклоне­ ние экспериментальных данных от расчетных объясняет­ ся сложным характером разрушения волокнистых мате­ риалов при ударе, когда наряду с изломом происходит их разрушение под действием сдвига и в результате вы­ дергивания .волокон.

Таким образом, ударная вязкость композитов в зна­ чительной степени определяется свойствами волокон, причем с увеличением их модуля упругости она пони­ жается. Однако в трансверсальном направлении ударная вязкость во многом зависит от свойств матрицы, а также от содержания пор, волокна и технологии изготовления материала.

Вязкость разрушения. Разрушение волокнистых ком­ позитов, как и других твердых тел, рассматривается как некоторый процесс накопления повреждений и роста тре­ щин, развивающихся в материале с момента приложения нагрузки и приводящих к его разрушению. Сложности выявления и описания повреждений композиционных ма­ териалов связаны с их гетерогенностью, в результате ко­ торой при 'нагружении в компонентах композита и по границе раздела появляются дефекты, механизмы воз­ никновения которых различны.

Согласно кинетической концепции, элементарными актами процесса разрушения являются термофлуктуационные разрывы межатомных связей в волокнах и по­ лимерной матрице, а также разрушения адгезионных контактов на границе раздела, приводящие к зарожде­ нию и росту микротрещин [101].

При нагружении композита в направлении армирова­ ния или под углом к направлению ориентации волокон

вматрице и на границе раздела возникают нормальные

итангенциальные напряжения, достигающие максималь­

ных значений на поверхности контакта или на опреде­ ленном расстоянии между волокнами. Значение этих на­ пряжений обусловлено геометрическими параметрами волокон и расположением их по сечению композита. Эти рапряжения, складываясь с остаточными термическими

Ш

Условие, определяющее направление распространения трещин после разрыва волокна, можно записать в виде:

где G и— работа, совершаемая для разрушения связи по границе

раздела, отнесенная к единице площади поверхности.

Для каждого композита существует такой размер во­ локна, при котором напряжение расслаивания становит­ ся больше разрушающего напряжения для волокна, и при меньших значениях диаметра волокон они будут рваться, а ше вытягиваться из матрицы. Это значит, что трещина будет распространяться нормально волокнам независимо от наличия поверхности раздела [103].

Применение концепций линейной механики разруше­ ния i[104, 105] позволяет определить еще один критерий развития трещин. Согласно ^[Т05]., условие разрушения композита представляется в виде:

<*•«>

где а — характерный линейный размер опасного дефекта.

При разрыве одного волокна a = d a, но если в компо­ зите имеются лучки контактирующих волокон, то трещи­ на, образующаяся при разрушении одного волокна, пере­ резает все волокна пучка и длина трещины становится равной a = nda.

Критерий Q, характеризующий эффективность погло­ щения деформации в зоне устья трещин, равен:

Это значит, что если напряжения в композите не пре­ вышают а*кр, то разрушение отдельных волокон не будет

вызывать катастрофического разрушения материала. Таким обраэом, можно сделать вывод, что с повыше­

нием прочности сцепления по поверхности раздела во­ локно — матрица, увеличением объемного содержания волокон и неравномерности-их распределения по сечению и с уменьшением предельного удлинения матрицы в ком­

позите создаются условия, способствующие распростра­ нению трещин, инициируемых разрушением отдельных волокон [106].

Для оценки трещиностойкости композитов использу­ ют параметры материала, определяемые исходя из ли­ нейной механики разрушения 1[2; 102, 106]:

где/С/с— коэффициент интенсивности напряжений вблизи устья тре­

щины, называемый вязкостью разрушения; ус — плотность поверх­ ностной энергии разрушения; а — полудлина трещины.

Чем больше вязкость разрушения материала, тем больше критический размер трещины или другого дефек­ та, приводящего к разрушению композита i[2]. Вязкость разрушения композитов зависит от множества факторов: прочности и диаметра волокон, прочности, предельного удлинения и вязкости разрушения матрицы, прочности связи по границе раздела волокно — матрица, структуры армирования композитов. В табл. 2.16 приведены дан­ ные, позволяющие сопоставить вязкость разрушения однонаправленных полимерных композитов с некоторы­ ми свойствами композитов и их компонентов.

Величина K ic пропорциональна прочности компози­ тов и волокон. Как показано в работе [107], для боль­ шинства композитов отношение K ic./ax приблизительно постоянно и равно 0,08 мм1/а. При прочих равных уело виях использование волокон большего диаметра, та­ ких, как борные, ведет к повышению вязкости разру­ шения. Использование связующих с более высокими

Таблица 2.16. Характеристика вязкости разрушения однонаправленных полимерных композитов

И 4

вязкостью разрушения й относительным удлинением при разрыве способствует повышению K ic композици­ онного материала. Введение в матрицу композита ни­ тевидных кристаллов существенно повышает ее вяз­ кость разрушения, что приводит к торможению роста трещин. С увеличением прочности межслойного сдвига меняется характер распространения трещин в компози­ те. Так, карбоволокниты на основе необработанных во­ локон разрушаются при распространении трещин как в плоскости перпендикулярной ориентации волокон, так и в плоскости армирования путем расслаивания. Карбоволокниты на основе активированных углеродных волокон разрушаются только, в плоскости, перпендику­ лярной направлению армирования, при этом многократ­ но меняется направление развития трещины и вязкость разрушения увеличивается на 5— 15%.

С увеличением толщины композиционных материа­ лов их вязкость разрушения увеличивается (в отличие от металлов), а следовательно, возрастает устойчивость

краспространению трещин.

Сповышением температуры вязкость разрушения композитов, как правило, понижается.

\

8'

t лава 3

РЕГУЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ КОМПОЗИТОВ ИЗМЕНЕНИЕМ ИХ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ

Структура волокнистых композитов и существенные отличия в свойствах сочетаемых волокон и матриц обус­ ловливают анизотропию механических, теплофизиче­ ских, электрических и других свойств композитов. Сте­ пень анизотропии свойств принято характеризовать от­ ношением показателей, определенных в различных на­ правлениях. Наиболее отчетливо анизотропия прояв­ ляется при сопоставлении свойств композитов в направ­ лении укладки волокон со свойствами, определенными под углом к направлению армирования или в плоскости укладки волокон [86]. Как следует из табл. 3.1, сте­ пень анизотропии физико-механических свойств одно­ направленных стекло-, карбо- и бороволокнитов, опре­ деленных в направлении армирования и в трансверсаль­ ном направлении, различна (различие в свойствах мо­ жет достигать двух порядков). Наибольшая степень анизотропии характерна для показателей прочности композитов при растяжении. С ростом прочности и же­ сткости волокон увеличивается различие в прочностных и упругих характеристиках волокон и матриц, повыша­

и крутке волокон [75, 85, 86].

Волокнистым композитам, имеющим сложную.струк­ туру, свойственно существенное различие между упру­ го-прочностными свойствами в направлении армирова­ ния и показателями сдвига в плоскости укладки воло­ кон. Модуль упругости и прочность при сдвиге таких композитов более чем на один порядок отличаются от модуля Юнга и прочности в направлении армирования.

116

В некоторых случаях анизотропия упругих свойстё композитов увеличивается вследствие анизотропии свойств волокон, таких как углеродные и органические. Так, оксиальный и трансверсальный модули упругости

но- и карбоволокнитов необходимо определять с уче­ том анизотропии волокон [97]. Использование в этом случае известной формулы Еу= Е м/( 1— V&), получаемой согласно модели Рейса, приводит к результатам, отлича­ ющимся на 15—20% от экспериментальных данных.

В отличие от физической (природной) анизотропии композитам присуща конструкционная анизотропия, ко­ торая создается в процессе их изготовления и так же, как и свойства композита, является регулируемой вели­ чиной.

Регулирование степени анизотропии, оптимизация показателей свойств композитов достигается целена­ правленным изменением'их состава или структуры ар­ мирования. Возможные способы и пределы регулирова­ ния свойств однонаправленных композитов изменением соотношения волокон и матрицы, их свойств и прочно-' сти сцепления менаду ними разобраны в гл. 2. Появив­ шиеся за последние годы новые способы регулирования свойств однонаправленных композитов заключаются в создании «гибридных» структур путем сочетания в еди­ ном материале волокон или матриц различной природы и с разными свойствами, т. е. создание гетероматричных [108] и гетероволокнистых композитов. Гетероматричные материалы состоят из трех (или более) твердых -сред, отделенных друг от друга поверхностями раздела,

одна из которых является''границей раздела между мат-

Таблица 3.1. Анизотропия векторных свойств однонаправленных полимерных композитов

117

рицамй, а другая — традиционной границей раздела между матрицами и волокнами; при этом волокна мо­ гут сохранять непрерывность на границе раздела мат­ риц [108]. В таких материалах можно создавать участ­ ки с различными физико-механическими свойствами не только по сечению слоистого материала за счет совме­ щения слоев композитов с различными матрицами, но и в плоскости армирования, т. е. возможно программи­ рование количественных и качественных характеристик материала по координатам в соответствии с заданным распределением нагружения путем совмещения волокон

вопределенных местах с различными матрицами [109].

Взависимости от природы и свойств матриц изменяются упругие, прочностные, теплофизические, диэлектриче­ ские и другие характеристики материала. Примером гетероматричных композитов могут служить эпоксиалюмобороволокниты [109].

Кардинальным способом целенаправленного регули­ рования степени анизотропии и свойств композита явля­ ется изменение структуры его армирования за счет пе­ рекрестного или пространственного армирования.

3.1. Совмещение различных'волокон

Создание «гибридных» композитов путем совмеще­ ния в едином материале волокон разной природы явля­ ется эффективным средством регулирования свойств композитов независимо от их структуры армирования [110— 114].

Возможны различные варианты сочетания непрерыв­ ных наполнителей. Первый вариант предусматривает

118

Таблица 3.3. Характеристики эпоксидных композитов на основе боростеклоткани

Таблица 3.4. Физико-механические характеристики карбооргано- и карбостекловолокнитов с послойным чередованием

углеродных и органических волокон

создание гетероволокнистых материалов по принципу однородных смесей, при этом волокна различных типов равномерно распределяются в первичной нити или жгу­ те (табл. 3.2). Второй вариант заключается в исполь­ зовании многокомпонентного наполнителя: ткани, мата или шпона из различных нитей и жгутов (табл. 3.3).

По третьему варианту чередуются слои листовых на­

смесей — обеспечивает нам более равномерное распреде­ ление напряжений в волокнах и матрице при нагруже­ нии композита. Но получение первичной нити или жгу­ та, содержащего различные волокна, не всегдавозмож­ но, так как технологические процессы изготовления во­ локон могут принципиально различаться. Вт,орой<ме­ тод— создание бикомпонентной ткани — более техноло­

гичен, но в этом случае волокна имеют определенную ориентацию, обусловленную текстильной структурой ткани, и степень реализации механических свойств во­ локон несколько понижена из-за местных искривлений наполнителей. Третий метод — чередование слоев — позволяет в более широких пределах изменять состав, структуру армирующего слоя и обеспечить высокую сте­ пень реализации механических свойств. Вторым и треть­ им методами можно создавать композиты с разными свойствами по толщине пакета [110].

Независимо от технологического приема сочетания волокон различия в термоупругих характеристиках на­ полнителей вызывают появление термических напряже­ ний в процессе формования композита и при изменении температурных режимов эксплуатации трехкомпонент­ ного материала в изделии. При нагревании борные во­ локна расширяются в продольном и поперечном направ­ лениях, а углеродные волокна имеют отрицательный ко­ эффициент линейного термического расширения вдоль оси волокна и положительный — в поперечном направ­ лении, поэтому при охлаждении в композитах карбоволокнита возникают термические напряжения, наиболее

полнителей; удается не только регулировать механиче­ ские и теплофизические свойства композитов, но и повы­ шать технологичность их переработки. Например, при­ менение стеклянной нити в качестве оплетки борного волокна повышает технологичность переработки одно­ направленного бороволокнита, так как препятствует вы­ теканию смолы при формовании; применение стеклян­ ной тканевой подложки для борных волокон способст­ вует сохранению ориентации волокон в слое и обеспе­ чивает одинаковые расстояния между слоями. Сочета­ ние стеклянных и органических волокон с высокомо­ дульными углеродными и борными волокнами различ­ ной текстуры, плохо поддающимися текстильной пере­ работке, позволяет получать технологичные тканые, не­ тканые'и прошивные материалы.

Наиболее сложная задача при создании и использо­

120