Структура и свойства полимерных волокнистых композитов

Таблица 3.19. Сравнительные механические характеристики композитов на основе связующего ЭТФ и обычных или вискеризованных различными методами волокон [121, 125]

tia границе раздела. Ё остальных случаях между ните« видными кристаллами и волокном имеется прослойка связующего.

Если нитевидные кристаллы равномерно распреде-- лены в пространстве между элементарными волокнами, их свойства могут быть рассчитаны по приведенным в разделе 3.2 уравнениям при замене показателей упру­ гих и прочностных свойств связующего характеристи­ ками упрочненной матрицы [121].

Когда нитевидные кристаллы не распределены рав­ номерно по объему связующего, а сосредоточены в про­ странстве между пучками волокон, с учетом разницы в жесткости упрочненной и неупрочненной матриц по аналогии с уравнениями (2.50) и' (2.51) прочность ком­ позитов при межслойном сдвиге и поперечном отрыве находят из выражений:

где Уи — объемная доля неупрочненной матрицы.

Модуль сдвига, исходя из свойств упрочненной мат­ рицы и ее объемной доли в композите, определяют по уравнению:

и перекрестной укладки слоев вискеризованных воло-1 кон в композитах 'можно производить по известным за­ висимостям. Для этого достаточно определить упругие свойства в главных направлениях ортотропии с исполь­ зованием приведенных характеристик ужесточенной матрицы,- что подтверждается хорошим совпадением экспериментальных и расчетных значений определяе­ мых величин, например в случае противофазной разо­ риентации волокон.

Повышение модуля сдвига матрицы приводит к уменьшению чувствительности композита к искривлени­ ям и разориентации волокон.

С увеличением степени вискеризации до некоторого оптимального значения возрастают прочность и модуль

153

упругости при сдвиге, прочность при растяжении й йзгибе в трансверсальном направлении и прочность при сжатии; прочностные и упругие свойства в направлении армирования при этом не изменяются. Если степень вискеризации превышает оптимальную, показатели проч­ ностных свойств композитов с волокнами, вискеризованными выращиванием нитевидных кристаллов из газовой фазы и осаждением из аэрозоля, монотонно снижаются, что^обусловлено повышением пористости композиций и уменьшением содержания в них основйого армирующе­ го наполнителя. Более интенсивное снижение прочно­ сти при изгибе и растяжении композитов на основе уг­ леродных волокон, вискеризованных выращиванием ни­ тевидных кристаллов из газовой фазы, вызвано пони­ жением их прочности по мере увеличения продолжи­ тельности вискеризации [125].

Прочность при сдвиге композитов на основе волокон, вискеризованных осаждением нитевидных кристаллов из суспензии, проходит через максимум, который сдви­ гается в сторону большего содержания нитевидных кри­ сталлов с уменьшением их размеров. Это объясняется особенностями метода вискеризации: с увеличением количества и толщины слоя осажденных нитевидных кристаллов затрудняется их внедрение в пространство между волокнами, и они начинают располагаться в плоскости ткани. Сдвиговая прочность в этом случае также зависит от диаметра нитевидных кристаллов, она возрастает с уменьшением их толщины, поскольку это

154

Усталостное разрушение полимерных композитов на­ чинается на границе раздела или в матрице, разруше­ ние же наполнителя происходит после разрыва адге­ зионных связей между армирующими волокнами и мат­ рицей или не происходит совсем [127]. С увеличением степени наполнения выше оптимальной (в данном слу­ чае она на ГО— 15% ниже, чем при кратковременных испытаниях) [128] усталостная прочность полимерных композитов понижается (рис. 4.1 и табл. 4.1), так как при более плотной упаковке волокон уровень нагруже­ ния матрицы выше и разрушение ее происходит раньше. Определенную роль при этом играют и начальные тер­ моупругие напряжения в матрице, пропорционально возрастающие с увеличением степени наполнения ком­ позита; суммируясь с напряжениями, вызванными на­ гружением материала, они способствуют повышению уровня напряженности матрицы. В процессе, усталост­ ных испытаний различных композитов напряжения в матрице, возникающие при достижении предела вынос­ ливости материала (на базе 107 циклов), близки между собой.

Исходя из этого,'отношение усталостной прочности композита к его статической прочности можно выразить

V

Рис. 4.1. Зависимость усталостной (2) и кратковременной (1) проч­ ности при изгибе эпоксикарбоволокнита от степени наполнения.

•Рис. 4.2. Зависимость усталостной прочности от числа циклов рас­ тяжение —ссжатие (N) для стеклотекстолитов на основе разных смол:

/ — эпоксидной; 2 — фенолоформальдегидной; 3 — полиэфирной; 4 — кремнийорганической.

157

Таблица 4.1. Усталостная прочность* при симметричном растяжении — сжатии эпоксистекловолокнитов** с различным содержанием смолы. [2]

*На базе 107 циклов.

**Ориентация слоев ±5°.

через показатели свойств и содержание компонентов [17, 75]:

где 6Mn — предельные деформации матрицы, при которых происходит усталостное разрушение композита.

Приняв eMjV:/8M= i и выразив еа и ем через Е а, аа, £ м и Ом, получаем:

Из уравнения (4.2) следует, что усталостная проч­ ность композиции прямо пропорциональна прочности матрицы и модулю упругости армирующих волокон. Коэффициент g характеризует степень использования прочности матрицы при циклическом нагружении и на­ ряду с природой матрицы учитывает влияние техноло­ гии изготовления композита, наличие в нем термиче­ ских и усадочных напряжений. Высокая усталостная прочность волокон не реализуется в композиционных материалах, так как начало разрушения композитов оп­ ределяется усталостной прочностью матрицы. Если раз­ рушение композитов происходит при усталостном разру­ шении волокон, выражение (4.2) принимает вид:

Критическое значение прочности матрицы, по дости­ жений которого композит разрушается в результате

158

Рис. 4.3. Зависимость усталост­ ной прочности (/) и разрушаю­ щего напряжения при сдвиге

(2) эпоксикарбоволокнитов от прочности матрицы.

разрыва армирующих волокон, находят пруи совместном решении уравнений (4.2) и (4.3):

т. е. до 200 МПа, усталостная прочность композита мо­ жет составлять 800— 1200 МПа.

Приведенные на рис. 4.2 зависимости усталостной прочности от числа циклов симметричного нагружения

Прочность композитов находится в ряду: эпоксидный> >фенолоформальдегидный > полиэфирный >кремнийорганический, что коррелируется с прочностью этих смол [2, 123]. О прямой зависимости предела вцносливости карбоволокнитов от прочности матрицы свидетель­ ствуют данные рис. 4.3.

Прочность при циклическом нагружении для пере­ крестно-армированных композитов определяется проч­ ностью сцепления по границе раздела, мерой которой может служить прочность при межслойном сдвиге, с увеличением которой растет и усталостная прочность. Как видно из рис. 4.4, .при использовании высокомо­ дульных углеродных волокон с активированной поверх­ ностью .(прочность композита при сдвиге Таг= 53 МПа) усталостная прочность композита' в полтора раза выше, чем усталостная прочность композита с необработан­ ными волокнами (T^ = 17 М Па). Однако тангенс угла

159

Рис. 4.4. Зависимость усталостной прочности при пульсирующем рас­ тяжении ортогонально-армированного карбоволокнита на основе уг­ леродных волокон с активированной (1) и неактивированной (2)

поверхностью от числа циклов растяжения.

Рис. 4.5. Зависимость усталостной прочности при изгибе композитов от модуля упругости армирующих волокон ( □ — стеклянные, О — углеродные, Д — борные волокна):

1 - г т «=0,0125; 2 — вт = 0,025.

наклонапрямой а—N, характеризующий скорость сни­ жения характеристик, в первом случае больше, что обусловлено меньшей вязкостью разрушения карбоволокнитов с обработанной поверхностью [122].

На уровень напряжений в полимерной матрице влия­ ют упругие характеристики волокон. Для приближен­ ной оценки зависимости напряжений, возникающих в матрице, от модуля упругости волокон можно исполь­ зовать выражение (4.4). Если для изготовления ком­ позитов применена одна и та же матрица, а модули упругости волокон различны (Eai> E ai), при содержа­

нии волокон Уа усталостная прочность композитов бу­ дет равна [75]:

160