Структура и свойства полимерных волокнистых композитов

Рис. 3.17. Полярная Диа­ грамма модуля упруго­ сти (1, 2, 3) и прочности {4) карбостекловолокнига при разориентации уг­ леродных волокон отно­ сительно стеклянных на

угол:

1 — ±я/24; 2 — ±я/4; 3, 4 — Я/2.

но ближе. Регулирование свойств гетероволокниетых композитов и оптимизация их по требуемым парамет­ рам в плоскости армирования,также достигается пере­ крестной укладкой слоев разномодульных волокон по высоте пакета трехкомпонентного материала [115]. Диаграммы деформирования карбостекловолокнита и карбооргановолокнита, в которых углеродные волокна ориентированы под углом ±<р относительно стеклянных или органических, приведены на рис. 3.16.

Полярные диаграммы изменения модуля упругости (рис. 3.17) для перекрестно-армированного стеклокарбоволокнита имеют четыре оси симметрии, две из кото­ рых соответствуют углам разориентации углеродных во­ локон относительно главных осещ вдоль которых распо­ ложены стеклянные волокна.

Степень анизотропии материала, характеризующая­ ся. отношениями упругихпостоянных Ех/Еу и E xfGxy, уменьшается с 5,4 и 11 у однонаправленного материала до 1,6 и 2,1 для композита с разориентацией углерод­ ных волокон под углом ± я /4 .

Сравнение зависимостей модуля сдвига в плоскости армирования от углов разориентации стекловолокнита и стеклокарбоволокнита позволяет сделать вывод о том, что максимальное значение Gxy, достигаемое для стек­ ловолокнита при угле разориентации ± я /4 , може.т быть достигнуто в карбостекловолокните при угле разориен­ тации углеродных волокон ± я / 12; это приводит к значи­ тельному повышению прочностных и упругих характери-

141

Таблица 3.12. Сравнительные свойства стекловолокнита и карбостекловолокнита с разориентацией слоев, обеспечивающей

достижение одинаковых модулей сдвига в плоскости армирования [115]

* Отношение показателей при приведенной плотности.

стик материала, за исключением ударной вязкости в на­ правлении оси х (табл. 3-12). Поскольку карбостекловолокнит имеет меньшую по сравнению со стекловолокнитом плотность, его удельные показатели выше [115].

При создании гетероволокнистых материалов разли­ чие. в коэффициентах линейного термического расшире­ ния приводит к появлению дополнительных начальных напряжений вследствие сочетания слоев с различной термоупругостью. Возникающие между слоями каса­ тельные напряжения могут быть подсчитаны по форму­ ле [115]:

где At — изменение температуры; aXl, их 2, Ехг , ЕХг— коэффициенты

линейного термического расширения и модули упругости соединяе­ мых материалов соответственно; GM, Ьм, 6М— модуль сдвига, ширина

и толщина прослойки смолы между слоями соответственно; F i, Fz— площади поперечного сечения соединяемых слоев.

Результаты расчетов касательных напряжений пока­ зывают, что в диапазоне температур 293—373 К при сочетании воднонаправленном композите слоев угле­ родных волокон и стекловолокна напряжения сдвига

142

* На осйове углеродных волокон, полученных из вискозы (£ а =60 ГПа).

связи образуются вследствие искривления нитей осно­ вы, связывающих отдельные слои или проходящих че­ рез всю толщину ткани. Ко второй группе относятся материалы, в которых пространственные связи армиру­ ющего наполнителя создаются за счет введения волокон третьего направления. Такие материалы образуются си­ стемой трех нитей в прямоугольной или цилиндриче­ ской системе координат. К третьей группе относятся композиты, в которых пространственные связи созда­ ются за счет нитевидных кристаллов, выращенных или нанесенных на поверхности волокон, лент, тканей и

Таблица 3.14. Свойства стеклопластиков на основе объемных стеклотканей [8Т]

(44

Таблица 3.15. Свойства композитов с ортогонально­ пространственной системой армирования [<87]

внедрившихся между волокнами основного наполни­ теля.

Для стекло-, органо- и карбоволокнитов (компози­ тов на основе низкомодульных волокон) используют многослойные ткани. Свойства таких материалов опре­ деляются степенью искривленности нитей основы, как это видно из данных табл, 3.14, где-приведены харак­ теристики стеклотекстолитов из таких тканей.

Для композитов на основе высокомодульных угле­ родных и- борных волокон наиболее приемлема схема трехмерного армирования, при которой упрочняющие волокна сохраняют прямолинейность. В этом случае в разных направлениях возможна укладка различных волокон, благодаря чему образуется многокомпонент­ ный материал. В табл. 3.15 приведены свойства такого материала, армированого в направлении х и у кварце­

только кремнеземными волокнами [87].

При изготовлении таких материалов встречаются оп­ ределенные трудности в подборе связующего, которое 'должно быть низковязким и не должно содержать рас­ творителя, так как для изготовления этих материалов используется только метод гидровакуумной или авто­ клавной пропитки.

Вискеризация, армирование дискретными волокнами полимерной матрицы, заполняющей межволоконное пространство в крмпозитах с непрерывными волокнами [121], позволяют не только повысить прочностные и

Рис. 3.19. Зависимость прочности (/) и модуля упругости (2) при растяжении (а) и сдвиге (б) изотропных композиций на основе

эпоксидного связующего от степени наполнения нитевидными кри­ сталлами S 13N4.

упругие характеристики композитов^ при сдвиге без ухудшения их свойств в направлении армирования, но и направленно изменить некоторые физические свойст­ ва композита. Введение в состав композита дискретных волокон с иными физическими свойствами, чем у ос­ новных (непрерывных) волокон, позволяет влиять на тепло- и электропроводность, диэлектрическую прони­ цаемость и фактор диэлектрических потерь композитов.

Введение дискретных волокон в матрицу способст­ вует возрастанию ее упругих и прочностных показателей и термостойкости композита пропорционально коли­ честву и механическим характеристикам дискретных во­ локон [122]. Это в свою очередь благотворно сказыва­ ется на повышении сопротивления деформированию композитов при нагружении в направлении, отличном от направления ориентации непрерывных волокон. При увеличении степени наполнения полимерных матриц их прочностные и упругие свойства улучшаются (рис. 3.19). Особенно значительное повышение прочности и жест­ кости полимерных матриц достигается путем, их упроч­ нения нитевидными кристаллами. Введение нитевидных

растяжении повышается в 5—7 раз, при сдвиге — в 5— 6 раз, разрушающее напряжение при растяжении —

146

в 3—4 раза. В то же время аналогичные характеристики для той же матрицы, упрочненной дискретными стек­ лянными волокнами, увеличиваются соответственно только в 3; 2,5 и 2 раза [122].

При содержании дискретных волокон до 15% упругие и прочностные свойства матриц можно опре­ делить с достаточной для практики точностью по за­ висимостям, приведенным в [87], а с точностью, достаточ­ ной для инженерных расчетов, — по уравнениям [121]:

При изготовлении композитов существует несколько 'способов введения дискретных волокон в матрицу, за­ полняющую пространство между непрерывными" волок­ нами: чередование слоев армирующего наполнителя, состоящих из непрерывных волокон и дискретных воло­ кон (маты, бумаги), введение дискретных волокон в связующее и вискеризация армирующего наполнителя.

На равномерность распределения дискретных воло­ кон в межволоконном пространстве композита и эф-; фективность упрочнения влияют геометрические разме­ ры дискретных волокон:’ их диаметр и длина должны

Таблица 3.16. Механические характеристики эпоксидной матрицыj упрочненной дискретными волокнами

Таблица 3.17. Влияний введения прослоек бумаги из нитевидных кристаллов на свойства карбоволокнитов

быть соизмеримы с диаметром структурных элементов армирующего наполнителя композита (нитей, жгутов), составляющим для стекло-, карбо- и бороволокнитов от

кон, используемых для упрочнения матрицы, заполня­ ющей межволоконное пространство композитов, не дол­ жен превышать 2 мкм. Поэтому наиболее пригодны для этих целей тонкие фракции нитевидных кристаллов.

Первый способ прост в технологическом отношении и применяется при локальном упрощении композитов, например, в местах болтовых или заклепочных соеди­ нений [123]. В табл. 3.17 приведены данные, позволяю­ щие оценить эффективность этого способа при упрочне­ нии карбоволокнитов.

Второй способ сопряжен с рядом технологических трудностей, обусловленных сложностью равномерного диспергирования дискретных волокон в объеме связу­ ющего, поддержания заданной концентрации, а также достижения требуемой ориентации вследствие стремле­ ния дискретных волокон ориентироваться параллельно непрерывным волокнам при прохождении последних че­ рез вязкое связующее, содержащее дискретные волок­ на [2]. v

Существует три метода вискеризации — нанесение дискретных волокон или нитевидных кристаллов на ар-

148

Таблица' 3.18. Влияние Степени вискеризации углеродных волокон на механические свойства волокон и эпоксидных композитов на их основе [99]

мирующие наполнители: выращивание нитевидных кри­ сталлов на поверхности волокон из газовой фазы в про­ цессе высокотемпературных реакций [99, 121], осажде­ ние дискретных волокон и нитевидных кристаллов на поверхность жгутов, нитей, лент, тканей, покрытых свя­ зующим, из аэрозоля [121], в том числе в электриче­ ском поле [124], и осаждение из суспензий [121].

Метод химической вискеризации получил распрост­ ранение при выращивании на поверхности жгутов и

Рис. 3.20. Зависимость механических свойств эпоксикарбоволокнита от содержания нитевидных кристаллов, SisN^ выращенных ид во­ локне из газовой фазы.

149

Рис. 3.21. Зависимость механических свойств эпоксикарбоволокнита от содержания нитевидных кристаллов p-рутила, нанесенных на во­ локно осаждением из аэрозоля.

лент из углеродных волокон нитевидных кристаллов карбида и нитрида кремния [99].

При химической вискеризации изменяется природа и увеличивается удельная поверхность волокна, что поло­ жительно сказывается на прочности сцепления его со связующим. Однако следует иметь в виду, что в от­ дельных случаях прочность карбоволокон снижается изза протекания окислительных процессов И' изменения структуры волокна при высокотемпературном нагреве (табл. 3.18). Вследствие необходимости высокой темпе­ ратуры процесса и избирательности роста нитевидных кристаллов на различных волокнах метод химической вискеризации имеет ограничения. На рис. 3.20 приведе­ на зависимость свойств карбоволокнитов от степени вискеризации углеродной ленты при выращивании на ней нитевидных кристаллов SisN4 из газовой фазы, а в табл. 3.19 — механические характеристики вискеризованных карбоволокнитов при оптимальной степени вис­ керизации.

Вискеризация из аэрозоля осуществляется при про­ хождении жгутов, лент или нитей, покрытых связую­ щим, через камеру, содержащую взвесь дискретных во­ локон или нитевидных кристаллов в воздухе. Электри­ зуясь при трении в псевдокипящем слое, волокна и ни­ тевидные кристаллы в процессе налипания на поверх­ ность армирующего наполнителя хаотически распреде­ ляются на ней [121].

150