Структура и свойства полимерных волокнистых композитов

вании гетероволокнистых материалов — реализация прочностных и упругих свойств волокон, обладающих различными прочностными и деформативными характе­ ристиками [115]. Если борные волокна имеют относи­ тельное удлинение при разрыве, равное 0,7%, углерод­ ные— 0,5— 1,0%, то арамидные и стеклянные волокна— 2—2,5% . В данном случае реализация свойств армиру­ ющих волокон определяется их соотношением, а также видом деформирования и характером нагружения.

Наибольшее распространение среди гетероволокни­ стых композитов получили трехкомпонентные материа­ лы, такие как' карбостекло-, орданоборо-, борокарбо-, карбооргановолокниты.

Прочность и деформативность при статическом на­ гружении. При нагружении композитов, армированных разномодульными волокнами, в направлении армирова­ ния. волокна разрушаются не одновременно из-за разлш чия в их предельных деформациях [116]. При низком содержании волокон с большим модулем упругости ЕЯй

(или малым удлинением еаа) предельная деформация композита равна предельной деформации низкомодуль­ ных волокон еах и его прочность определяют из соот­ ношения:

При высоком содержании волокон с большим моду­ лем упругости предельная деформация композита рав­ на предельной деформации волокон еав и его прочность

вычисляют по формуле:

Механизм разрушения трехкомпонентных материа­ лов изменяется при критическом содержании нйзкомодульных волокон:

Поскольку при критическом содержании волокон с различным удлинением равновероятно разрушение вы­ сокомодульных и низкомодульных волокон, то, прирав­ няв уравнения (3.1) и (3.2), с учетом соотношения (3.3)

121

в

Рис. 3.1. Диаграммы деформирования при растяжении эпоксидных композитов:

формирования при растяжении однонаправленных трех­ компонентных материалов. Как видно из рисунка, на­ клон кривых уменьшается при увеличении доли низко­ модульного наполнителя. Кривые деформирования ма­ териалов с содержанием высокомодульного компонента ниже критического имеют перелом, т. е. композиты с не­ большим содержанием высокомодульных волокон мож­ но использовать при ограниченных нагрузках, и расчет конструкции в этом случае нужно производить по допу­ стимым деформациям.

Модуль упругости и коэффициент Пуассона в на­ правлении армирования для композитов с содержанием

122

высокомодульных волокон выше критического определя­ ют по закону аддитивность [117]:

У композитов с низким содержанием высокомодуль­ ных волокон значение модуля упругости, определенное по уравнению (3.4), сохраняется только на начальном участке кривой а—е при деформации, не превышающей удлинения высокомодульных волокон. После разруше­ ния модуль упругости композитов скачкообразно пони­ жается до величины, определяемой по уравнению

^*1+2 = BuVu+

При совмещении равномодульных волокон, например борных и углеродных или органических и стеклянных,

упрочнителя в каждом из двухкомпонентных материа­ лов). При этом критическое содержание более прочного

ставляет а+х1+2 = e a 1pi^alj2Va= or^1 щ; модуль упругости равен £ * 1+2= £ а ь2 Va.

В табл. 3.5 приведены прочность и модуль упругости при растяжении различных трехкомпонентных компози­ тов с разным соотношением углеродных и стеклянных и углеродных и органических волокон.

Модули упругости первого рода при растяжении, сжатии и изгибе трехкомпонентных материалов близки и линейно возрастают с увеличением содержания в ком­ позите высокомодульного наполнителя. Коэффициент Пуассона в этом случае линейно понижается от значе­ ния, присущего композиту с низкомодульными волокна­ ми, до величины, характерной для высокомодульного материала (рис. 3.2). Разрушающие напряжения при растяжении, сжатии и изгибе трехкомпонентных мате­ риалов с разномодульными волокнами линейно пони­ жаются с увеличением содержания низкомодульных во­ локон до. некоторого критического значения, при кото-

123

Таблица 3.5. Механические характеристики при растяжении однонаправленных гетероволокнистых композитов [ПО]

ром скачкообразно меняется удлинение (рис. 3.3), после чего они начинают возрастать, достигая значений, при­ сущих низкомодульному композиту.-

Критическое содержание низкомодульных волокон в композите увеличивается при уменьшении разницы меж^ ду отношением прочностей низкомодульных и высоко­ модульных волокон и отношением их модулей упруго­ сти, согласно уравнению [116]:

Рис. 3.2. Зависимость модуля упругости и коэффициента Пуассона (а), а также разрушающего напряжения при^растяжении (б) боро-

стекловолокнита (/) и карбостекловолокиитов (2— 4) от относитель­ ного содержания стеклянных волокон.

Д24

мости разрушающего напряжения при сжатии от со­

процессе сжа'тия при постоянной степени армирования зависят от модуля упругости матрицы и волокна. Дей­ ствительно, при введении высокомодульных волокон в стекло- и органоволокниты происходит усиление мат­ рицы (Ем, GM) и увеличение среднего значения модуля упругости армирующего наполнителя. Степень повыше­ ния разрушающего напряжения при сжатии тем боль­ ше, чем выше модуль упругости высокомодульного волокна [117].

При сочетании волокон разного диаметра, например борных волокон с углеродными или стеклянными, тон­ кие волокна располагаются между толстыми, увеличи­ вая степень наполнения композита и его модуль упру­ гости первого и второго рода. Модуль Юнга композита возрастает на величину АЕх= Е а1 (Катах— ^а2) (где

£а j — модуль упругости тонких волокон; — теоре­

тическая степень наполнения композита при смешанной укладке; Уаа— содержание в композите волокон боль­

шого диаметра).

В этом случае модуль упругости и плотность борокарбо- и боростекловолокнитов несколько возрастают,

125

напряжение его при сжатии возрастает в два раза rib сравнению с исходным карбоволокнитом. При оптималь­ ном сочетании упрочнителей в карбобороволокнитах до­ стигается выигрыш в удельных показателях модуля упругости и разрушающего напряжения при растяже­ нии по сравнению с этими характеристиками у двухком­ понентных материалов [115].

Для описания свойств трехкомпонентных компози­ тов используют тройные диаграммы (рис. 3.4), с по­ мощью которых легко определяются свойства компози­ тов (например, эпоксиборокарбоволокнитов) при изве­ стных свойствах и соотношении компонентов [118].

Ударная вязкость. Сопротивление композитов удар­ ному разрушению при нагружении поперек волокон за­ висит от прочностных и деформативных Свойств воло­ кон, а также от степени реализации их прочности в композите.

Ударная вязкость материалов определяется пара­ метром tc'a2)/(2 £ ) наибольшим значением которого ха­ рактеризуются стекло- и органоволокниты. Следователь­ но, для повышения ударной вязкости высокомодульных композитов целесообразно вводить в них высокопроч­ ные стеклянные и органические волокна. Как видно из

Таблица 3.7. Ударная вязкость однонаправленных гетероволокнистых композитов с различной укладкой волокон [110]

127

Табл. 3.7, при введении в карбоволокнит 30% стеклян­ ных волокон его ударная вязкость возрастает в 2,5 ра­ за, а при добавлении 30% арамидных волокон — в 1,7 раза. В этом случае большое значение имеет способ выкладки пакета: слоями, когда различные компоненты наполнителя равномерно распределяются по толщине пакета, и пачками, когда слои низкомодульного ком­ понента размещаются симметрично относительно сре­ динной плоскости материала. Более высокие показате­ ли ударной вязкости достигаются при послойной уклад­ ке различных армирующих наполнителей [110].

Для трехкомпонентного материала, содержащего низкомодульные волокна в количестве V&1 с модулем

упругости Е&1, при реализации прочности волокон а 'а,

в композите, пренебрегая прочностью матрицы, удар­ ную вязкость находят из выражения [75, 11,5]:

Ударная вязкость двухкомпонентного композита равна:

го, что Уа = Уа1+ У а а получаем:

**1+2

Рис. 3.5. Зависимость ударной вязкости трехкомпонентных композитов от относительного содержания стеклянных воло­ кон при нагружении под уг­

лами:

1, 2 — 0е; 3 — я/4; 4 — п[2 (1 — боростекловолокнит; 2—4 — карбостекловолокнит).

128

Рис. 3.6: Диаграммы разруше­ ния карбоволокнита ( /) и кар- Я бостекловолокнита (2) при

ударном растяжении.

Как видно из выра­ жения (3.10), ударная вязкость композита уве­ личивается при введении в его состав * более прочных и менее жестких волокон прямо пропор­ ционально их объемной доле и квадрату отноше­

ния реализованных прочностей низкомодульных волокон и обратно пропорционально отношению их модулей уп­ ругости.

На рис. 3.5 приведены зависимости ударной вязкости трехкомпонентных композитов от соотношения высоко­ модульных и низкомодульных волокон. Характер раз­ рушения трехкомпонентных материалов при ударном изгибе сложнее, чем двухкомпонентных. Если карбо- болокнит имеет хрупкий излом, то на поверхности раз­ рушения карбостекло- и боростекловолокнитов происхо­ дят расщепление и выдергивание волокон из матрицы. С увеличением доли стеклянные волокон в карбостекловолокните заметно растут время деформации и работа разрушения композиции. Так, если время разрушения при ударном растяжении карбоволокнита составляет 330 мкс, а стекловолокнита 2500 мкс, то время разру­ шения карбостекловолокнита имеет промежуточное зна­ чение [115].

С увеличением в карбостекловолокните доли стек­ лянных волокон, имеющих более высокое относитель­ ное удлинение, примерно в 3,5 раза возрастает относи­ тельное удлинение композита при ударном, растяжении и прогиб его при ударном изгибе.

На рис. 3.6 приведены характерные диаграммы раз­ рушения карбоволокнита и карбостекловолокнита при ударном растяжении. Как видно из рисунка, площадь под кривой деформирования карбостекловолокнита, ха-

Таблица 3.8. Влияние ориентации воЛбкон на модуль упругости при сжатии и степень анизотропии

эпоксибороволокнита [31]

(0; ± я /3 )

рактеризующая работу разрушения, значительно пре­ восходит площадь под кривой деформирования карбоволокнита.

3.2. Перекрестная укладка слоев

Регулирование свойств слоистых композитов осуще­ ствляется перекрестной укладкой слоев по высоте ма­ териала и Изменением углов ориентации волокон в от­ дельных слоях (табл. 3.8, рис. 3.7). Наиболее простой и распространенной является перекрестная укладка,

Рис. 3.7. Схема укладки воло­ кон и зависимость между на­ пряжениями и деформациями при растяжении эпоксикарбоволокнитов с различной струк­

турой армирования.

130