Структура и свойства полимерных волокнистых композитов

Глава 2

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ КОМПОЗИТОВ

Механические свойства полимерных волокнистых композитов опредляются уровнем упруго-прочностных свойств волокон и матриц, их соотношением и прочно­ стью связи по границе раздела, а также рядом факторов, влияющих на реализацию в композитах упруго-проч­ ностных свойств компонентов, в первую очередь арми­ рующих волокон. Основными факторами являются де­ фектность армирующих волокон и их геометрические размеры, взаимное влияние волокна и матрицы, напря­ женность компонентов, макроструктурные несовершен­ ства композита и нарушения его монолитности '[74].

Взаимное влияние волокна и матрицы проявляется в напряженности компонентов из-за различия их термоуп­ ругих свойств и в изменении механических характери­ стик вследствие их взаимной диффузии, химического взаимодействия и каталитического (ингибирующего) влияния' на процессы, протекающие при формовании и эксплуатации композитов.

Эти процессы, а также старение матрицы при воздей­ ствии среды и температурно-временных факторов могут привести к нарушению монолитности композитов.

К макроструктурным несовершенствам композитов относятся искривление и крутка армирующих волокон, их разориентация (отклонение от заданного направле­ ния армирования), неравномерность распределения по сечению композита и пористость матрицы.

Под дефектностью волокон понимается дисперсия их прочности, .модуля упругости и удлинения. Форма и раз­ меры поперечного сечения, шероховатость и обрывность непрерывных волокон, а также длина дискретных воло­

61

кон наряду с перечисленными вышё факторами во мно­ гом определяют степень реализации в композите их вы­ соких средних характеристик.

Введение коэффициента реализации прочности Ка и модуля упругости Ке в о л о к о н позволяет оценивать влия­ ние отдельных факторов на реализацию в композите средних значений этих показателей. Для высоконаполненных систем с параллельным расположением волокон коэффициенты реализации могут быть определены с до­ статочной для инженерных расчетов точностью по урав­ нениям:

Коэффициенты реализации прочности и модуля упру­ гости можно также выразить в виде произведения коэф­ фициентов, учитывающих влияние каждого фактора:

где km, kve , kv%, ki, kytkn — коэффициенты, учитывающие влияние

на степень реализации средних значений прочности и модуля упруго­ сти волокон таких факторов, как взаимное влияние компонентов, дисперсия прочности и модуля упругости, дискретность и разориентация волокон и пористость матрицы соответственно [24].

2.1. Растяжение и сжатие вдолб волокон

Растяжение однонаправленных композитов с непре­ рывными волокнами. При растяжении в направлении ар­ мирования всю нагрузку практически воспринимают во­ локна; при этом прочность и модуль упругости в направ­ лении армирования определяются по формулам:

где Ка к Ке — коэффициенты реализации прочности и модуля упру­

.62

Таблица 2.1. Значения критической длины упрочнителей

Если прочность сцепления на границе раздела фаз ниже прочности матрицы, критическую длину упрочнителя находят из соотношения '[39]:

Экспериментальный метод определения критической Длины упрочнителей основан на измерении* под микро­ скопом высоты выступающих из матриц концов нитевид­ ных кристаллов или волокон в месте разрушения компо­ зиционных материалов после испытания на растяжение. В табл.* 2.1 приведены результаты статистической обра­ ботки данных 250—300 измерений высоты выступающих концов различных волокон и монокристаллов, наиболь­

шее значение которой принималось равным /акр/2- Другой метод определения критической длины воло­

кон предусматривает изучение под микроскопом в поля­ ризованном свете распределения напряжений 'вдоль оси волокон, помещенных в пленку смолы, в процессе растя­ жения. Характерные поля напряжений позволяют уста­ новить критическую длину волокон по распределению напряжений на их концах. За значение /акр принимают

удвоенное расстояние от конца волокна до того места, где касательные напряжения минимальны и близки к по­ стоянным [47].

Критическая длина упрочнителя из нитевидных кри­ сталлов ТЮ2, волокон бора, пироуглеродр и карбоволокон, определенная путем измерения выступающих из матрицы концов волокон и поляризационно-оптическим методом, имеет удовлетворительную сходимость с рас-

64

четными данными, полученными с использованием экспе­

риментальных значений тсц, аа и da (см. табл. 2.1). Размеры волокон. Прочность и модуль упругости

композита на основе дискретных волокон с хаотическим расположением концов по его объему выражаются через параметры компонентов с учетом ослабления поперечно­ го сечения композиции на концах волокон из-за наличия неэффективных участков [46]:

(2 .9 )

(2. 10)

В рассмотренной модели Розена не учитывается ос­ лабление материала (уменьшение его поперечного сече­ ния) вследствие возникновения промежутков между кон­ цами волокон А при их разрушении за счет снятия упру­

гой деформации на участке длиной /aKp(A= 0,5e/aKp) f а

также иЗ-за наличия зазоров в реальных композициях на основе дискретных упрочнителей.

Значение поправки, учитывающей ослабление сум­ марного поперечного сечения волокон, обусловленное на­ личием промежутков между его концами, может быть получено при рассмотрении единичного объема однона­ правленного композита со степенью наполнения Va. При длине волокна /а число стыков с учетом степени диск­ ретности, принимаемой за 1//а составляет (1//а)У а, а уменьшение площади поперечного сечения вследствие наличия зазоров между концами волокон равно (А//а) Va.

С учетом этой поправки, пренебрегая напряжениями в матрице, уравнения (2.9) и (2.10) можно, записать в следующем виде [47]:

Деление уравнений (2.11) и (2.12) на выражения для прочности и модуля упругости композитов на основе не-

прерывных волокон дает значения коэффициентов реа­ лизации прочности и модуля упругости волокка в компо­ зите с учетом степени их дискретности:

Поскольку в момент' разрушения композита непре­ рывные волокна в результате дробления уменьшаются до размера 1а^ решая уравнение (2.13) относительно

/а> получаем значение эффективной длины упрочнителя в композите:

за, на которой должна определяться его прочность, ис­ пользуемая при расчете коэффициентов реализации прочности) равна [24]:

эпоксидных связующих и различных наполнителей по­ казано в табл. 2.2.

Сравнение экспериментальных значений прочности и модуля упругости композитов, армированных нитевидны­ ми кристаллами ТЮг, с рассчитанными по уравнениям (2.9) и (2.10) (рис. 2.1) свидетельствует о существенном расхождении этих.показателей [76]. Введение поправки, учитывающей ухудшение свойств однонаправленных ма­ териалов вследствие разориентации волокон на 3—7 град, незначительно (на 3,5%) уменьшает наблюдаемое рас­ хождение. В композитах, упрочненных нитевидными кри­ сталлами, расстояние между концами армирующих эле­ ментов колеблется в пределах от 20—30 мкм до несколь­ ких миллиметров. Именно наличие этого зазора приво­ дит к ослаблению материала в поперечном сечении (осо­ бенно с увеличением зазора и степени дискретности уп­ рочнителя) и к понижению степени реализации средних значений прочности и модуля упругости волокон и моно­ кристаллов [47, 77, 78] (рис. 2.2).

66

Рис. 2.1. Зависимость разрушающего Напряжения (а) и модуля уп­ ругости (б) при растяжении однонаправленных композитов от объ­ емного содержания нитевидных кристаллов ТЮг:

область 1: ® — а+=3,18 ГПа, £ = 3 8 0 ГПа: область 2 — О — а+=*1,58 ГПа, Е = =360 ГПа.

В.последние годы для создания композиционных ма­ териалов все более широко используются армирующие наполнители повышенного диаметра (0,1—0,3 мм и бо­ лее), высокомодульные волокна бора, карбида кремния, карбида бора, окиси алюминия и различные проволоки (стальная, вольфрамовая, молибденовая, бериллиевая и др.), а также стекляные волокна. Однако армирование волокном большого диаметра приводит к снижению прочности композитов при растяжении по сравнению с материалами на основе равнопрочного тонковолокнисто­ го наполнителя. Снижение прочности при растяжении бороволокнитов по сравнению с прочностью тонковолок­ нистых композиций, например карбоволокнитов, объяс­ няется существенным различием эффективной длины армирущих наполнителей. Углеродные и борные волокна, близкие по значениям средней прочности (около 3000 МПа при испытаниях на базе 10 мм), имеют раз­ личные значения «эффективной» прочности (прочности, соответствующей эффективной длине /аэф), равные 3700

и 2700 МПа соответственно (рис. 2.3). Разрушающее на­ пряжение при растяжении композитов, одноосно арми­ рованных указанными волокнами (коэффициент амирования 0,60—0,65), составляет 1300 МПа для карбоволокнита и 1180 МПа для бороволокнита '[79].

Рис. 2.2. Зависимость коэффициентов реализации в композите сред­ них значений прочности и модуля упругости волокон от степени их дискретности при расстоянии между концами, равном 0 (1), 0 ,5 /кр (2), /кр (<?), 1,5 /кР (4) и 2 /КР (5):

однонаправленного композита от числа обрывов волокон в поперечном сечении может быть записана в виде:

(здесь q — число обрывов; б — толщина пленки смолы между волок­ нами).

В случае квадратичной укладки

средней прочности волокон уменьшается по мере роста числа их обрывов, увеличения диаметра и снижения их содержания в композите.

Действительно, число волокон, приходящееся на еди­ ницу площади поперечного сечения композита, при уве­ личении диаметра волокна от 7— 10 до 100— 150 мкм

69

\

уменьшается более чем в 100 раз и составляет при квад­ ратичной схеме упаковки одноосно ориентированной ар­ матуры около 100 волокон на 1 мм2 для бороволокнитов

и18 000—20 000 волокон на 1 мм2 для карбо- и стекловолокнитов. Разрывное усилие моноволокна при этом, наоборот, возрастает от 0,2—0,4 Н (карбо- и стеклово­ локно) до 25—45 Н (бороволокно) [79]. Локальное ос­ лабление бороволокнита при разрыве волокна вслед­ ствие уменьшения площади рабочего сечения арматуры

иснижения его несущей способности идентично, таким образом, разрушению 150—200 тонких стеклянных или

углеродных волокон. Высокое знанение критической дли­ ны борного волокна усиливает опасность нарушения его целостности, так как, согласно модели Розена для ста­ тистического описания прочности композиций [80], при­ водите увеличению размеров «неработающих» участков материала.

Удельная работа деформации до разрыва толстых во­ локон (например, борных волокон) на 20—35% превы­ шает соответствующий показатель дЛй тонких углерод­ ных волокон. Освобождаемая при разрушении волокна энергия упругой деформации инициирует развитие су­ ществующей или зарождение новых микротрещин в мат­ рице тем вероятнее, чем выше величина импульса [79]. Поэтому предварительное дробление волокон в препреге перед формованием композита, приводящее к разруше­ нию волокон в слабых местах, несмотря на увеличение степени дискретности волокон, способствует увеличению прочности композита, особенно в случае армирования толстыми волокнами.

Взаимное влияние компонентов. В процессе изготов­ ления композитов и изделий из них в волокнах, матрице и на границе раздела волокно — матрица возникают на­ пряжения.

ьдб {гпа)

Рис. 2.3. Зависимость разру­ шающего напряжения при растяжении высокомодуль­ ных углеродных (/) и бор­ ных (2) волокон от их

длины.

70