Структура и свойства полимерных волокнистых композитов

При противофазном искривлении и противофазной разориентации волокон показатели упругих и прочност­ ных свойств композита снижаются меньше, так как сдви­ говые деформации связующего стеснены.

-С использованием формул преобразования упругих постоянных при повороте координатных осей получена [86] зависимость изменения модуля упругости при про­ тивофазном искривлении или разориентации волокон на угол <p<C0,175 рад:

Аналитическая оценка прочности перекрестно арми­ рованных композитов с углом разориентации ±<Р2 по макроструктурным напряжениям, возникающим в волок­ нах и связующих при растяжении, производится при ис­ пользовании в качестве критерия прочности критерия наибольших нормальных напряжений [68] по уравне­ нию, связывающему макроструктурные напряжения от­ дельных слоев с упругими постоянными и напряжениями в композите:

<гм =

х

(2.34)

Если пренебречь значением коэффициента Пуассона, то для материалов с величиной Е х ^ Е у

4 “

фа1,2

(2 .3 5 )

Влияние репулярных искривлений карбоволокон на упругопрочностные свойства композитов на основе лент

Таблица 2.5. Зависимость механических свойств карбоволокнитов на основе кордной ленты

и коэффициентов реализации в них средних значений прочности и модуля упругости волокон от угла

их искривления [24]

из высокомодульных углеродных волокон показано в табл. 2.5. Из экспериментальных данных, хорошо сог­ ласующихся с расчетными зависимостями, следует, что с утонением нитей основы и утка в кордных углеродных лентах понижается степень искривления волокон и воз­ растает степень реализации в композитах средних значе­ ний их прочности и жесткости [24]. По мере увеличения модуля упругости и прочности наполнителей повышается их чувствительность к искривлениям [87]. При мини­ мальном параметре искривления Ф, равном 0,1 в ком­ позите на основе тканых лент (средний угол искривлен ния около 5°), снижение показателей прочностных и уп­ ругих свойств составляет 15—20%. Создание нетканых структур, в которых при перекрестном расположении во­ локон основы и утка сохраняется их прямолинейность, позволяет избежать снижения механических характери­ стик композитов, вызванного регулярными искривления­ ми наполнителя 1[88].

В высокомодульных композитах особенно опасны местные технологические искривления, появление кото­ рых можно предотвратить натяжением армирующих на­ полнителей в процессе формования: выкладки, намотки и прессования.

Испытания колец с регулярным синусоидальным ис­ кривлением волокон [85] (длина волны 2 0 -10-3 м, ам-

83

Рис. 2.6. Зависимость коэффициентов реализации Прочности волокон от угла однофазных (а) или противофазных (б) разориентации и искривления в однонаправленных композитах с отношением ЕХ1ЕУ, равным 10 (1), 20 (2), 40 (3) и 60 (4):

О— углеродные волокна; А — борные волокна; □ — стеклянные волокна; V — органические волокна (к — крутка, и — искривления, р — разориентация).

плитуда 3'10 - 3 ,м) показали, что использование упро­ щенной формулы (2.26) для расчета величины Exyi при. значениях Ф > 0 ,3 приводит к завышению результатов вследствие высокой степени анизотропии материала (Ех/Еу). Полученное в этом случае экспериментальное значение модуля упругости (42,8 ГПа) хорошо согла­ суется с. рассчитанным по уравнению, приведенному в работе*[89] (41,7 ГПа).

Данные об изменении механических свойств при рас­ тяжении композитов в случае однофазного и противофаз­ ного искривления и разориентации волокон в соседних слоях, образующих с осью нагружения угол <p2, приведе­ ны на рис. 2.6. Наиболее интенсивное снижение показа­ телей механических свойств по мере увеличения откло­ нения волокон от направления испытаний присуще ком­ позитам с максимальными значениями отношений

Ех/Еу и Ох/оу.

При расположении части волокон в направлении у уменьшается степень анизотропии материала, что обес­ печивает более высокий уровень сохранения его свойств при разориентации. Еще больший эффект достигается при упрочнении матрицы путем введения в межволокон­ ное пространство композитов нитевидных кристаллов. При противофазной разориентации волокон основы на

± 5 ° прочность материала, содержащего 5% нитевидных кристаллов Si3iN4, понижается только на 8%, а для ана­ логичного по составу материала без нитевидных крис­ таллов — на 10— 15%.

Крутка широко используется для повышения техно­ логичности переработки такой текстильной продукции, как пряжа, нити, жгуты', при этом устраняются пушение и обрывность волокон. Однако кручение высокомодуль­ ных (главным образом углеродных) волокон приводит к уменьшению .степени реализации в композитах средних значений их прочности и модуля упругости.

Пространственное искривление волокон, в пряже диа­ метром D с круткой К, состоящей из п волокон диамет­

при огибании пряжи с одновременным подъемом по вин­ товой линии, и фз — углом подъема волокон по винтовой линии.

Связь между углами <pi, ф2 и текстурными парамет­ рами нити или жгута можно выразить уравнениями [24]:

фг = arctg

С учетом начальных неправильностей обоих типов, противофазной разориентации и искривлений, коэффи­ циенты реализации прочности и модуля упругости воло­ кон в композитах на основе крученой пряжи выразятся как произведения:

В соответствии с уравнениями (2.36) и (2.37) при Ф12 = Ф22^ 1 эти коэффициенты будут равны:

(2.38)

84

(2 .3 9 )

При малых крутках sin qp«tg <р«<р, поэтому, значе­ ние (pi можно принять равным фг [17].

В табл. 2.6 приведена зависимость механических свойств и коэффициентов реализации прочности и модуля_ упругости жгутов из карбоволокон в композите на основе связующего"ЭДТ от их искривления при крутке.

Анализ зависимостей реализованных значений проч­ ности и модуля упругости от углов искривлений волокон, являющихся функцией количества и диаметра моноволо­ кон, крутки пряжи и степени наполнения композита, по­ казывает, что оптимальной является крутка, при которой угол ф1 составляет 0,026 — 0,035 рад.. В случае неболь­ шой крутки жгутов реализованные значения прочности и модуля упругости волокон в композите могут превысить показатели для материала с некручеными наполнителя­ ми, так как крутка устраняет технологическую разориентацию волокон, наблюдаемую при использовании некру­ ченых жгутов, состоящих из большого числа моноволо­ кон.

Пористость матрицы. Влияние пористости композитов на реализацию в них средней прочности волокон можно оценить при рассмотрении единичного объема материа­ ла с параллельным расположением волокон и заданным содержанием наполнителя и пор V&и Vn-При условии, что волокна в зоне поры ведут себя как несвязанные пучки длиной Ln = ln+ l &Kp, прочность композита можно опреде­

лить из уравнения [75]:

(2 .4 0 )

где <7'адф— реализуемая прочность волокна а беспористом композите; о 'а п— средняя прочность волокна в пучке, находящемся в зоне поры.

Поскольку прочность беспористой композиции равна а *= а 'а ЭфУа, деление уравнения (2.40) на <т* дает выра-

85

N.

Таблица 2.6. Зависимость механических свойств карбоволокнитов и коэффициентов реализации в них средних значений прочности и модуля

упругости волокон от крутки пряжи [24]

жение для коэффициента реализации прочности волокон в пористом композите [75]:

0 аэф

Степень, реализации прочности волокон понижается с увеличением относительной пористости композита, уменьшением средней прочности пучка волокон, распо­ ложенных в зоне поры, и увеличением ее длины. При

подстановке в уравнение (2.40) значений о'л^ и а 'а.п по­

лучаем уравнение, связывающее коэффициент реализа­ ции прочности волокон с относительной порйстостью композита и размером пор (24].

К = 1

86

Таблица 2.8. Коэффициенты реализации в композитах

шает критическую длину волокна в композиции [24]. Именно этим объясняется повышенная чувствительность композитов к пористости при утонении упрочняющих во­ локон. Разрушение волокна в зоне поры также приводит - к понижению прочности материала за счет возрастания доли неэффективных участков волокон, расположенных в поре.

Влияние пористости на снижение прочности компози­ тов зависит от вида их напряженного состояния. В наи­ большей степени оно сказывается на сопротивлении слоистых материалов сдвиговым нагрузкам, в меньшей степени — на сопротивлении изгибающим и растягиваю­ щим нагрузкам. Различие между реализацией прочности врлокон в пористых композициях при их растяжении и изгибе прежде всего вызвано неравномерным распреде­ лением напряжений по объему материала при изгибе, из-за чего'максимальная нагрузка сосредоточена на участке, соизмеримом с критической длиной во­ локна и длиной поры, что приводит к интенсивному сни­ жению прочности композиции. Минимальной чувстви­ тельностью к пористости обладают бороволокниты при растяжении и изгибе (в отсутствие деформации сдвига). Снижение прочности бороволдкнитов в 1,2 раза меньше, чем у карбоволокнитов, при одинаковой относительной пористости.-

В табл. 2.8 приведены экспериментальные и расчет­ ные значения коэффициентов' реализации средних значе­ ний прочности и модуля упругости волокон в различных

88

прочности и модуля упругости волокон

композитах, позволяющие оценить степень влияния каж­ дого и§ факторов на свойства композита.

Анализ данных табл. 2.8 позволяет сделать вывод о том, что для прогнозирования свойств полимерных ком­ позитов при растяжении в расчетах могут быть исполь­ зованы значения разрушающего напряжений и модуля упругости волокна, определенные по результатам испы­ таний связанных пучков' волокон или из уравнений:

Е'а = Е^Ке

Точность расчетов и прогнозирования свойств компози­ тов при этом повышается;

Температурная зависимость прочности. Согласно уравнениям (2.5) и (2.6), прочность и модуль упругости при растяжении композитов в направлении армирования определяются аналогичными характеристиками волокон,

аследовательно, они должны быть мало чувствительны

кнагреву и длительности его воздействия. Однако экс­ периментальные данные, некоторые из которых приведе­ ны в табл. 2.9 и 2.10, свидетельствуют о наличии темпера­ турной зависимости прочности и модуля упругости ком­ позитов при растяжении [9]. При испытании однона­

правленных композитов в исходном состоянии, как видно на рис. 2.8, с ростом температуры вплоть до области, соответствующей температурному интервалу стеклования связующего, происходит линейное понижение прочности материала при растяжении, которое затем замедляется^

89

и при дальнейшем повышении температуры прочность практически не меняется. Температурная зависимость относительного удлинения при разрыве эпоксидного ком­ позита (рис. 2.9) проходит через максимум, расположен­ ный несколько выше температур стеклования связующе­ го. Коэффициент интенсивности снижения модуля упругости с ростом температуры меньше, чем для проч­ ности. I

Как видно из табл. 2.10, для ряда композитов-в на­ чальный период изотермической выдержки при высокой температуре наблюдается повышение разрушающего на­ пряжения при растяжении и модуля упругости, что свя­ зано с дальнейшим отверждением связующего, не завер­ шившимся в процессе формования и термообработки. В зависимости от температуры изотермической выдерж­ ки и природы полимера повышение механических пока­ зателей может происходить в течение длительного време­ ни [88]. Так, для композитов на основе эпоксифенольного связующего ЭТФ повышение механических характе­ ристик продолжается в течение 100 ч термост^рения при 473 К.

По мере увеличения времени изотермической выдерж­ ки в зависимости от ее температуры свойства композитов либо стабилизируются, либо монотонно ухудшаются вследствие интенсивно протекающих процессов термо­ деструкции, сопровождающихся разрывом молекулярных связей, уменьшением жесткости, прочности связующего и его связи с волокнами.

Наблюдаемое на практике понижение прочности и модуля упругости при растяжении с повышением темпе­ ратуры и длительности изотермической выдержкшвызва-

90