Структура и свойства полимерных волокнистых композитов

Деление физико-механических й технологических харак­ теристик монослоя композита; уточнение метода изго­ товления заданной конструкции и определение режимов формования. На этдм этапе производится уточнение требований к материалу монослоя композита, исходя из технических требований, предъявляемых к материалу конструкции, и выбранной схемы армирования. При этом учитывается изменение свойств монослоя за время, рав­ ное ресурсу эксплуатации, под влиянием таких фак­ торов, как температура, климатические воздействия, радиация и т. п. С учетом характера нагружения и вида напряженного состояния монослоя в конструкции, ис­ пользуя уравнения микромеханики композитов, зада­ ют такие параметры, как степень армирования, пори­ стость, прочность сцепления волокна со смолой, упруго­ прочностные характеристики волокон и матрицы.

По получении требуемых параметров приступают к выбору компонентов монослоя. Определяют вид арми­ рующих волокон, их текстильную форму, вид поверхно­ стной обработки и характеристики поверхности. При этом устанавливают некоторые параметры технологи­ ческого процесса формования, такие, как шаг и натя­ жение при намотке и выкладке, допуск на разориентацию и т. п. Выбор полимерного связующего и опреде­ ление его технологических, характеристик (вязкость, те­ кучесть, скорость отверждения, жизнеспособность) поз­ воляют уточнить метод изготовления детали и назна­ чить технологические режимы формования: давление, температуру, время термообработки, обеспечивающие получение материала с необходимым соотношением компонентов и термостабильностью. На этом же этапе определяют упруго-прочностные характеристики моно­ слоя в композите путем расчета или испытания одно­ направленного материала. Для получений более досто­ верных данных о характеристиках монослоя, опреде­ ляемых расчетными методами, следует учитывать такие факторы, как величина эффективной длины волокна в композите, искривления, крутка и разориентация воло­ кон, дисперсия ^значений их прочности, модули упруго­ сти и удлинения.

Третий этап проектирования предусматривает уточ­ нение схемы армирования с учётом реальной толщины монослоя: ориентации и количества монослоев, их рас­

211

положения по толщине материала. Учитывается требо­ вание симметричной ориентации слоев относительно средней плоскости во избежание коробления вследствие термических напряжений, а также максимального уда­ ления от средней плоскости 'разориентированных слоев для придания конструкции большей жесткости на кру­ чение. После уточнения схемы армирования и геометри­ ческих размеров сечения производится расчет напряже­ ний, действующих в материале конструкции и моносло­ ях, с учетом начальных напряжений, вызванных усадкой при отверждении и разностью коэффициентов термиче­ ского расширения компонентов и слоев композита. При этом определяются для монослоя действующие напря­ жения4 сдвига (межслойного и в плоскости армирова­ ния), растяжения, сжатия в осевом и трансверсальном направлениях и коэффициенты запаса прочности.

Если коэффициенты запаса прочности по некоторым свойствам, избыточны (недостаточны) или ставится за­ дача снизить массу конструкций и изменить частотные характеристики, прибегают к оптимизации схемы арми­ рования, при которой либо изменяют количество моно­ слоев или их взаимную ориентацию, либо заменяют ма­ териал отдельных монослоев композита на другой, с бо­ лее подходящими характеристиками. В последнем слу­ чае осуществляется переход к гетероволокнистому ком­ позиту. Так, в целях повышения ударной вязкости ма­ териала часть углеродных и борных волокон можно заменить на органические и стеклянные; для повышения модуля упругости и предела выносливости материала, наоборот, часть органических или стеклянных волокон заменяют высокомодульными волокнами; так же по­ ступают при необходимости повысить жесткость кон­ струкции на кручение (заменяют волокна в перекрест­ но-армированных слоях на более высокомодульные). После оптимизации схемы армирования повторно про­ водят расчет напряжений, действующих в материале конструкции и в монослое,щосле чего, как и в предыду­ щем случае, определяют коэффициенты запаса прочно­ сти и жесткости в материалах монослоев.

Третий этап проектирования требует трудоемких расчетов, особенно на стадии оптимизации схемы ар­ мирования, поэтому для этих целей целесообразно ис­ пользовать ЭВМ. Поэтапное рассмотрение процесса

212

проектирования композита показывает, что материал и конструкция создаются одновременно, поэтому для ус-_ пешного проектирования необходимо на всех этапах содружество расчетчиков-прочнистов, конструкторов, технологов^ материаловедов.

5.3. Рациональные направления и эффективность применения композитов- в технике

Местное упрочнение металлических конструкций — один из рациональных путей применения полимерных композитов. В таких комбинированных конструкциях уменьшается сечение деталей при замене металла на композиционный материал, в. большинстве случаев од­ нонаправленный, ориентированный по оси действия мак­ симальных напряжений. Это обеспечивает снижение массы конструкций до 50% по сравнению с массой ме­ таллического аналога равной прочности, повышение их жесткости, демпфирующей способности и ресурса экс­ плуатации.

Композиты применяют в комбинированных конст­ рукциях цилиндрических обечаек, емкостей, работаю­ щих под внутренним давлением, дисков роторов и дру­ гих деталей, находящихся в поле действия центробеж­ ных сил или подвергающихся вибрациям; сжатых и растянутых панелей, балок и профилей, работающих на изгиб. В подобных конструкциях удается достаточно полно реализовать высокие механические характеристи­ ки композитов с однонаправленной структурой без су­ щественного изменения метода проектирования и тех­ нологии изготовления [158].

Для усиления различных деталей можно использо­ вать два метода: внешнее армирование — усиление кон­ струкций накладками из композитов и внутреннее ар­ мирование — усиление внутренних полостей конструк­ ций заполнением их композитами Г159].

При нагружении панелей продольно действующей силой возникающие в матрицах напряжения пропорцио­ нальны И Х модулям упругости. Если £ к . м / £ м е т > О к .м / О м е т , то при растяжении разрушение детали происходит по композиту, а металл оказывается несколько недогру­ женным. Следовательно, снижение массы растянутой

2 1 3

Рис. 5.10. Кривые усталостной прочности панелей — металлической

(/)и комбинированной, подкрепленной 55% карбоволокнита ( 2) .

Рис. 5.11. Уменьшение массы сжатых комбинированных панелей по сравнению с цельнометаллическими в зависимости от их длины при прочности композита на сжатие^ равной:

1 — 600 М П а; 2 — 500; 3 — 350 М П а.

панели возрастает с увеличением относительной пло­ щади композиционного материала FK. м в сечении пане­ ли. При / ' ’к . м=50% уменьшение массы равнопрочной комбинированной панели составляет около 20% •

Усталостное разрушение комбинированной панели обычно начинается с металлической части. Снижение уровня напряженности металла при эксплуатационных нагрузках способствует значительному повышению сро­ ка службы комбинированных панелей. Например, дли­ тельность эксплуатации панели из алюминиевого спла­ ва и карбоволокнита возрастает в 3,5 раза по сравне­ нию с металлической (рис. 5.10). При этом сохраня­ ется уровень статической прочности материала и мас­ са панели снижается на 20%.

Существенная экономия массы достигается при ис­ пользовании композитов для подкрепления металличе­ ских панелей, работающих на сжатие и сдвиг. Крити­ ческие напряжения общей потери устойчивости таких панелей значительно повышаются благодаря увеличе­ нию их жесткости. Снижение напряженности металли­ ческой части панели предотвращает местную потерю устойчивости ее отдельных элементов. Сравнение крити­ ческих напряжений потери устойчивости цельнометал­ лической панели и эквивалентной ей по м'ассе комби­ нированной панели, состоящей из алюминиевого спла­

214

ва и эпоксикарбоволокнита, показывает, что эффектив­ ность подкрепления возрастает с увеличением прочно­ сти при сжатии композита (рис. 5.11).

Применение накладок из карбо- и бороволокнитов для усиления элементов, работающих на изгиб (бал­ ки, лонжероны, шпангоуты и др.), позволяет сущест­ венно снизить их массу при значительном увеличении жесткости [159]. Эффективность подкрепления возра­ стает с увеличением относительной площади композита в сечении конструкции (рис. 5.12).

. Усиление металлических деталей, подверженных виб­ рациям, композиционных материалов, демпфирующая способность и модуль упругости которых регулируются в широких пределах, является эффективным средством отстройки деталей от резонансных режимов и снижения уровня возникающих в них вибронапряжений. Значи­ тельный эффект достигается также в случае покрытия карбо-, стеклоили органоволокнитом деталей корпуса компрессора, патрубков и трубопроводов.

При использовании упрочняющих колец из бороволокнита для бандажирования высокоскоростного рото­ ра уменьшаются масса конструкции и напряженность диска ротора, что позволяет увеличить скорость его вра­ щения на 20—30%. В случае упрочнения цилиндриче­ ской обечайки емкостей высокого давления из стали или титана намоткой стекло- и органоволокнитов в танген­ циальном направлении с учетом полной реализации их прочности обеспечивается снижение массы изделий до

гидроцилиндров, что приводит к стабилизации зазора между поршнем и стенками цилиндра. Экономия массы при этом составляет 20—30% [159].

Конструктивное' решение, при котором композиты вводят во внутреннюю полость изделия, является наибо­ лее перспективным, так как имеет ряд преимуществ перед другими вариантами их применения: 1) доста­ точно полная реализация высоких показателей механи­ ческих свойств, характерных для однонаправленных

металл, благодаря чему снижается напряженность кле­ евого соединения;. 3) надежная защита полимерного композита от воздействия окружающей среды и от ме­ ханических повреждений; 4) использование в некоторых случаях для формования подкрепляющего1элемента из композиционного материала заполняемой полости под­ крепляемого элемента.

Чтобы создать условия для совместной работы раз­ номодульных материалов, при проектировании комби­ нированных конструкций работающие пары подбирают в соответствии^ их деформативными характеристиками.

Наибольший эффект достигается при сочетании ма­ териалов с близкими значениями допустимых деформа­ ций. Если деформация металла существенно выше, чем композита, то прочность металла используется не пол­ ностью, так как разрушение конструкции происходит по достижении предельной деформации композита. Для создания комбинированной конструкции, равнопрочной с металлической, можно использовать менее прочные металлические сплавы.

При нагружении 'композита в замкнутом объеме до­ стигается более высокая прочность при сжатии. Так, у бороволокнита она возрастает с 1200 до 1800 МПа бла­ годаря тому, что металлическая оболочка предохраняет наружные слои борных волокон от преждевременной потери устойчивости.

Упрочнение алюминиевых профилей эпоксибороволокнитом, взятым в количестве 50%, обеспечивает по­ вышение упруго-прочностных характеристик конструк­ ций в 2 раза (разрушающего напряжения при растяже­ нии до 800 МПа, при сжатии — до 1200 МПа, модуля

216

упругости — до 140 ГПа) при одновременном снижении плотности до 2200 кг/м3.

Критический напряжения общей потери устойчивости панелей, подкрепленных стрингерами, армированными эпоксидными боро- и карбоволокнитами, значительно возрастают в результате увеличения жесткости их при изгибе. Благодаря снижению напряженности в обшив­ ке предотвращается местная потеря устойчивости. Уменьшение массы конструкции составляет при этом 40% [160].

Трехслойные панели и оболочки из полимерных во­ локнистых композитов нашли широкое применение в различных конструкциях: панели интерьера и полов самолетов и судов, зданий и сооружений, панели шумоглушения газотурбинных двигателей, лрпасти верто­ летов, поверхности управления самолетом (рули, за­ крылки, тормозные щитки, створки люков и т. п.).

Выполненные' в варианте трехслойных конструкций с сотовыми, пенопластовыми гофрированными или трубчатыми заполнителями и обшивками'из различных полимерных композитов, они обеспечивают снижение массы конструкции на 12—40%. Для подкрепления об­ шивок о.бычно используют различные сотовые заполни­ тели: алюминиевые, стеклопластиковые, полимерные, отличающиеся размером ячейки и толщиной стенки, а следовательно, и плотностью.

Важнейшими характеристиками заполнителей трех­ слойных конструкций являются модуль сдвига и разру­ шающее напряжение при сжатии, возрастающие с уве­ личением плотности заполнителя. Это позволяет в про­ цессе проектирования конструкций подбирать материа­ лы с требуемыми свойствами. Так, при увеличении ка­ жущейся плотности полимерного сотового заполнителя высотой 8 мм с 50 до 60 кг/м3 прочность панелей пола с обшивками из карбоволокнита и сопротивление их действию сосредоточенных нагрузок повышаются на 20%. Для соединения обшивок из композиционных ма­ териалов с заполнителями используют пленочные клеи, обеспечивающие прочность клеевых швов при равно­ мерном отрыве более 200 МПа [159].

В трехслойных конструкциях, работающих на сжа­ тие, удается наиболее полно реализовать прочность вы­ сокомодульных композитов, что обеспечивает высокую

so

2 5

Рис. 5.13. Зависимость удельной прочности при сжатии от параметра напряженности в трехслойных панелях с заполнителем из алюминие­ вых сот и обшивками из алюминиевых сплавов (/) или карбоволокнитов \2— 5) с ориентацией слоев:

2 — 0; 3 — 0/90® ( 3 : 1 ) ; 4 — 0/20®; 5 — 0/90® (1 : 1); 6 — 0 /± 45/90®.

В скобках указано соотношение слоев в материале.

Рис. 5.14. Зависимость массы баллона на рабочее давление 21 МПа от его объема; материал баллона:

1 — алюминиевый сплав; 2 — сталь; 3 — стекловолокннт.

удельную прочность изделий. На рис. 5.13 приведены зависимости удельной прочности при сжатии трехслойкых сотовых панелей с обшивками из алюминиевого сплава и карбоволокнитов разной структуры армирова­ ния. Из рисунка видно, что несущая способность пане­ лей с обшивками из композита по сравнению с метал­ лическими панелями увеличивается при однонаправлен­ ной укладке волокон в обшивках на 210%, при укладке 0/л;/2 (1 1)—на 80%, при укладке 0/л/4/я/2— на 40%. В случае замены алюминиевых обшивок на обшивки из карбоволокнита при одинаковой несущей способности панели ече масса снижается на 10—65% в зависимости от схемы укладки волокон в обшивках.

Трехслойные конструкции с обшивками из стеклдтекстолитов широко применяются для изготовления па­ нелей, перегородок самолетов, судов и других транс­ портных средств, антенных обтекателей и радиопрозрачных экранов, для защиты радиотехнической аппа­ ратуры.

Трубы, стержни, профили и другие изделия, выпол­ ненные из боро- и карбоволокнитов, хорошо работаю-

Щ

1цйе йа сжатие й устойчивость, находят применение Нрй создании конструкций ферм, тяг управления, различ­ ного рода подкосов. Сравнение эффективности подко­ сов, выполненных из алюминиевого сплава и эпоксибороволокнитов, приведено ниже [160]:

Емкости высокого давленияксферической и цилинд­ рической формы изготавливают методом намотки из эпоксидных стекло- и органоволокцитов [161]. Баллоны для хранения сжатых газов могут работать под давле­ нием > 7 0 МПа. Баллоны из стекло- и органоволокнитов при одном и том же объеме имеют меньшую мас­ су, чем металлические сварные баллоны (рис. 5.14). Сравнение емкостей высокого давления из различных

преимущества баллонов, изготовленных из высокопроч­ ных органоволокнитов (например, композитов, армиро­ ванных арамидным волокном t).

Одним из наиболее сложных вопросов является со­ единение деталей из композитов между собой и с ме­ таллическими деталями, обеспечение их совместной ра­ боты в условиях эксплуатации. На практике широкое распространение получили клеевые соединения, обеспечивакЛцие сдвиговую прочность до 25 МПа при склеи­ вании эпоксидных стекло-, карбо- и бороволокнитов между собой и с алюминиевыми и титановыми сплава­ ми. Различие в коэффициентах линейного термического расширения соединяемых материалов при усилении ме­ таллов композитом приводит к появлению в них началь­ ных касательных напряжений, которые, суммируясь с эксплуатационными напряжениями, могут вызвать от­ слоение композита вследствие возникновения пика каса­ тельных напряжений. Эффективность клеевого соедине­ ния может быть повышена путем снижения касательных

Напряжений у кондов детали Из композита утолщением клеевого слоя, применением эластичного клеевого со­ единения, плавным уменьшением толщины накладки, увеличением поверхности склеивания за счет расшире­ ния поверхности накладки и использованием прослойки из материала с меньшим, чем у накладки, модулем упругости.

В комбинированных элементах конструкций более полная реализация прочностных и упругих свойств ком­ позитов обеспечивается при использовании клеемехани­ ческих соединений.

Для увеличения прочности композитов в местах при­ ложения сосредоточенных нагрузок производится их усиление перекрестным армированием или введением между слоями различных материалов, таких, как сталь­ ная или титановая фольга, стеклоткань, бумага из ни­ тевидных кристаллов или ортогонально уложенных сло­ ев того же композита. На рис. 5.15 приведены диаграм­ мы деформирования карбоволокнита при смятии бол­ том с усилением отверстия различными методами, а. в табл. 5.3 — данные, позволяющие оценить эффектив­ ность различных способов усиления [162].

С увеличением коэффициента армирования, пред­ ставляющего собой отношение объемного содержания усиливающего и основного материалов, наблюдается не только повышение прочности при смятии (рис. 5.16), но и локальное увеличение других показателей.

Отличные конструкционные свойства в сочетании со специальными обусловили эффективное использование полимерных волокнистых композитов в различных, от­ раслях промышленности. Их применяют при изготов­ лении изделий, масса которых должна быть минималь­ ной: самолетов и вертолетов, судбв с динамическими принципами поддержания, поездов на. воздушной и маг­ нитной подушке, искусственных спутников Земли,-меж­ планетных станций и ракетной техники.

Применение полимерных композитов открывает ши­ рокие возможности для улучшения массовых характе­ ристик изделия (снижения массы конструкций на 10— 70% ). В настоящее время полимерные композиты наи­ более широко используются в авиакосмической техни­ ке {163, 164]. Стекло-, карбо- и органоволокниты нахо-

.дят применение в конструкции несущих- и рулевых ло-

2 2 0