Структура и свойства полимерных волокнистых композитов

составляет 35—50% от кратковременной прочности (у стекловолокнитов усталостная прочность равна 15— 20% от прочности при статическом нагружении). О влиянии вида деформирования на усталостную проч­ ность полимерных композитов можно судить по данным, приведенным на рис. 4.6 и 4.7. Как и следовало ожи­ дать, усталостная прочность при межслойном сдвиге композитов возрастает при использовании волокон с по­ верхностной обработкой. Усталостная прочность карбоволокнитов на базе 107 циклов при пульсирующем ра­ стяжении или сжатии близка к нижнему пределу проч­ ности композита при соответствующем виде деформи­ рования [129]. Значение усталостной прочности при симметричном растяжении — сжатии соответствует уста­ лостной прочности при сжатии, причем отношение Ост/сгуст составляет 0,8, Такое же соотношение характер­ но и для бороволокнитов. В случае стекловолокнитов эта величина снижается до 0,3—0,5 [138].

Повышение усталостной прочности композита дости­ гается заменой части волокон на волокна с большим мо­ дулем упругости. С увеличением модуля упругости ком­ позита по мере введения высокомодульных волокон усталостная прочность его возрастает примерно по ли­ нейному закону в результате снижения напряжений в матрице. Приращение усталостной прочности трехком­ понентного материала может быть подсчитано, если из­ вестны пределы выносливости двухкомпонентных ком­ позитов с одной и той же матрицей [115], армирован­ ных волокнами, у которых Еа^ > Е л :

Д ( ° X 1 + 2 ) N = ( O X 1 + 2 ) N — (< JX I ) N = <*а2* У а 2 — < V ( V a — V ^ ) =

Поскольку

162

Отсюда следует, что повышение предела выносливо­ сти трехкомпонентного материала пропорционально со­ держанию в нем волокон с большим модулем упругости и усталостной прочности двухкомпонентного композита на основе этих волокон и зависит от отношения моду­ лей упругости сочетаемых упрочнителей. При этом чем выше модуль упругости вводимых в трехкомпонентный материал волокон, тем больше приращение его уста­ лостной прочности. На рис. 4.8 приведена зависимость усталостной прочности карбо-, стекло- и боростекловолокнитов от соотношения стеклянных и углеродных во­ локон и модулей упругости Ел 1ЕЛ . Отсутствие мини­

мума, характерного для статической прочности, объяс­ няется тем, что при уровне напряжений от 350 до 180 МПа возникающие в материале деформации значи­ тельно меньше предельных деформаций разрушения вы­ сокомодульных волокон. По абсолютным значениям усталостная прочность высокомодульных трехкомпо­ нентных композитов составляет 50—60% от прочности материала при статическом нагружении.

Полимерные композиты характеризуются анизотро­ пией усталостной прочности. При увеличении угла ар­ мирования по отношению к оси нагружения усталост­ ная прочность материала понижается. С достаточной для практики точностью она может быть рассчитана по известным теоретическим зависимостям [137] при под­ становке в них вместо значений кратковременной проч­ ности материала пределов его выносливости в направ­ лении главных осей упругой симметрии и под углом я/4.

Рис. 4.8. Зависимость усталостной прочности при изгибе гетероволокнистых композитов от относитель­ ного содержания стеклянных во­ локон:

1 , 2 — карбостекловолокниты с отноше­ нием £ 3l /Е а2, равным соответственно

0,33 н 0,17; 3 — боростекловолокнит

Таблица 4.2. Усталостная прочность* при симметричном растяжении — сжатии эпоксистекловолокнитов

с разной схемой армирования [2]

л* На базе 10г циклов.

**Содержание стекловолокна в направлении нагружения (в %).

Однако в ряде случаев при разориентации слоев до ±0,0875 рад наблюдается некоторое увеличение устало­ стной прочности композитов. Это происходит, например, со стеклово.локнитами (табл. 4.2).

Степень анизотропии усталостной прочности характе­ ризуется параметрами c = o*N/<jyN и п = о х„ /оя/Ам. Для

высокомодульных материалов они выше, чем для стекловолокнитов и возрастают с повышением модуля упру­ гости армирующих волокон. Ниже приведены значения показателей степени анизотропии усталостной прочно­ сти при изгибе (на базе 107 циклов) полимерных ком-

позитов:

Анализ зависимости усталостной прочности полимер­ ных композитов однонаправленной и перекрестной структур армирования от угла между направлением армирования и нагружения показывает (табл. 4.3), что при одинаковых углах отклонения усталостная проч­ ность боро- и карбоволокнитов снижается более интен­ сивно, чем стекловолокнитов. Для композитов с пере­

164

крестной" укладкой волокон она на 30—40% выше, чем у однонаправленных материалов, нагружаемых под тем же углом к направлению армирования.

Демпфирующая способность полимерных компози­ тов. Для конструкций, подверженных высокочастотным динамическим нагрузкам, важной характеристикой яв­ ляется демпфирующая способность материала, под ко­ торой понимается способность его рассеивать механи­ ческую энергию при циклическом нагружении в упру­ гой, области за счет внутреннего трения. В полимерных композитах основная причина демпфирования — упру­ говязкое рассеяние энергии, сопровождающееся пере­ ходом механической энергии в тепловую, химическую и электрическую. Мерой, демпфирующей способности ма­ териала служит логарифмический декремент затухания колебаний.

Демпфирование в полимерных композитах слагает­ ся из потерь энергии механических колебаний вследст­ вие деформации жестких волокон, потерь, обусловлен­ ных сдвиговыми деформациями связующего, и потерь, вызванных трением на границе раздела между матри­ цей и волокном [131].

Таблица 4.3. Зависимость усталостной прочности* полимерных композитов однонаправленной и перекрестной структур армирования от угла между направлениями армирования и нагружения

ои (в МПа) при углах между

XN

Материалы Структура осями нагружения и армирования коипозита

Рис. 4.9. Зависимость динамического модуля сдвига {U ,2t 3) и ло­ гарифмического декремента затухания колебаний ( /', 2', 3') от тем­ пературы для связующих ЭДТ ( /) , ЭДЦ (2) и МАД ’(3).

Рис. 4.10. Зависимость логарифмического декремента затухания ко­ лебаний от модуля сдвига карбоволокнитов на основе связующих ЭДТ (О ), ЭП (Д ) и ПИ (А ) при температуре:

1 - 2 9 3 К; 2 — 373; 3 — 473; 4 — Б73 К.

Максимальные значения механических потерь соот­ ветствуют значительным физическим изменениям, про­ исходящим в полимерных связующих при изменении температуры. Так, у связующего ЭДТ при нагреве до 383 К наблюдается почти 20-кратное увеличение этих потерь (рис. 4.9). В более теплостойких связующих ЭЦ и ЭТФ значительное их возрастание происходит при 473—479 К. Рост механических потерь у связующих в определенных интервалах температур объясняется ре­ лаксационным' характером развивающейся в полимерах высокоэластической деформации, отстающей от напря­ жения на определенный фазовый* угол. Появление вы­ сокоэластической деформации сопровождается резким падением температурной зависимости модуля сдвига [132]. В условиях динамического нагружения при тем­ пературшх, соответствующих пикам механических по­ терь, возможен значительный саморазогрев полимерных композитов, особенно в условиях недостаточного теп­ лоотвода.

Вкарбоволокнитах на основе связующих ЭДТ, ЭП

иЭТФ характер зависимости диссипативных потерь от температуры иной, чем у чистых полимеров. Вместо пи­

ков механических потерь, имеющихся на кривых для

166

Таблица 4.4. Влияние природы упрочняющих волокон и текстуры наполнителя на демпфирующую способность композита [131]

• Арамидное волокно.

чистых связующих ЭП и ЭТФ при 473—523 К, у арми­ рованных полимеров происходит плавный рост этого показателя. При комнатной температуре механические потери чистых связующих превосходят потери карбоволокнитов в 1,5—3 раза, при повышенных температу­ рах это различие возрастает в 3—5 раз. С увеличени­ ем модуля сдвига коэффициент механических потерь композита монотонно снижается (рис. 4.10), причем кривая представляет собой ветвь равносторонней гипер­ болы, а произведение коэффициента механических по­ терь на модуль сдвига пластика близко к постоянной величине [131]. Демпфирующая способность компози­ та линейно возрастает с увеличением содержания в нем смолы и понижением модуля упругости. Доля демпфи­ рования волокон в общей демпфирующей способности композита невелика, что связано с высокой упругостью высокомодульных волокон при деформациях растяжения

исжатия.

Сувеличением модуля упругости волокон демпфиру­ ющая способность композита несколько снижается (табл. 4.4). Трение на границе раздела волокон может сказываться на демпфирующей способности материала

Рис. 4.11. Зависимость логарифмического декремента затухания Ко­ лебаний 0 (/) и параметра вибропрочности 0ar*NH (2) карбостекло-

волокнита от относительного содержания стеклянного волокна.

Рис. 4.12. Зависимость логарифмического декремента затухания ко­ лебаний стекловолокнита (/) и карбоволокнита (2, 3) от угла между направлением нагружения и ориентацией волокон:

1 , 2 — однонаправленный; 3 — перекрестнотармированный.

только в случае «сухого» трения, обусловленного де­ фектностью связи по границе раздела. Значительно большее влияние на демпфирующую способность ком­ позита оказывает текстура наполнителя. Максимальную демпфирующую способность имеет материал на основе стеклоткани объемного плетения, наименьшую — пла­ стик с кордной стеклотканью и карбоволокнит на осно­ ве кордных лент и жгутов. Промежуточное положение занимает пластик со стеклотканью сатинового перепле­ тения. Степень демпфирования композита снижается по мере уменьшения искривленности волокон.

Логарифмический декремент затухания колебаний однонаправленных трехкомпонентных материалов по­ вышается с увеличением содержания в композите низ­ комодульных волокон (рис. 4.11). Зависимость демп­ фирующей способности трехкомпонентных композитов, например стеклокарбоволокнитов, от уровня нагруже­ ния имеет тот же характер, что и у двухкомпонентных материалов, и занимает промежуточное положение меж­ ду аналогичными зависимостями для стекло- и карбоволокнитов [115]. Возрастание декремента затухания колебаний с увеличением количества стекловолокна в трехкомпонентном композите при одновременном сни-

168

Таблица 4.5. Усталостная прочность и демпфирующие характеристики* карбостекловолокнита

* Логарифмический декремент колебаний 6 и параметр вибропрочности

eNQ-

жении его усталостной прочности является причиной того, что оптимальное значение параметра вибропроч­ ности 0 ^ 0 соответствует содержанию стеклянного волок­ на в пределах 20—40% (табл. 4.5) [131].

Демпфирующая способность композитов зависит от расположения волокон по отношению к направлению приложения нагрузки. Так, при изменении угла арми­

терь при таком же изменении угла ориентации напол­ нителя. Логарифмический декремент затухания колеба­ ний в них достигает максимума при углах армирова­ ния я /12—я/6 (рис. 4.12) и превосходит его значение при ориентации волокон вдоль оси нагружения в 12— 14 раз.

Демпфирующая способность однонаправленных ком­ позитов при нагружении под углом к ориентации воло­ кон несколько выше, чем у перекрестно-армированных, что объясняется различным характером распределения деформаций. Максимум демпфирующей способности у однонаправленных материалов сдвинут в сторону мень­

композитов при заданных углах приложения нагрузки ф рассчитывают с использованием известных значений 0*, ©я/ 4 и 0У по уравнению:

169

Показатели п и с определяют по экспериментальным данным для волокон, армированных под углами О, я/4 и jt/2, из соотношений:

О степени анизотропии демпфирующих свойств раз­ личных композитов можно судить по следующим пока­ зателям:

ярко выражена у высокомодульных композитов. Суще­ ственного снижения ее можно добиться изменением структуры армирования, например созданием материа­ ла, равнопрочного по двум осям упругой симметрии, созданием трехкомпонентных систем с одноосной или разориентированной структурой армирования.

Рассеяние энергии в композитах определяется ви­ дом их напряженного состояния, зависящего от вида ко­ лебаний (продольные, крутильные, поперечные, изгиб- но-крутильные, продольно-крутильные и т. д.), и ам­ плитудой циклических напряжений. Так, декремент крутильных колебаний, определяемый рассеянием энер­ гии при однородном напряженном состоянии, значи­ тельно выше декремента поперечных колебаний при чи­ стом изгибе, обусловленного рассеянием энергии в ог­ раниченном объеме наиболее напряженных поверхно­ стных слоев материала.

Зависимость рассеяния энергии от амплитуды напря­ жения выражается ‘ более отчетливо при напряжениях, близких к пределу усталости, т. е. в случаях, наиболее важных в инженерной практике.

При изменении уровня напряжений вплоть до пре­ дела усталости композитов количество рассеиваемой

170