6.2.

Аналитическая

меха­

162

теристики

многослойных

ника

разрушения.

композитов

.

252

6.3.

Особенности

разруше­

165

8.6. Прочность и деформа-

ния

композитов.

тивность многослойных

ком­

6.4.

Стохастические

моде­

позитов

261

ли

разрушения

и

масштаб­

Список литературы .

266

ный

эффект

прочности .

167

Глава

9.

Свойства

простран­

6.5. Накопление

микропо­

ственно-армированных

компо­

267

вреждений

в

волокнистых

171

зитов (Я. Г. Жигун) .

компо­

композитах

9.1. Классификация

267

6.6. Зарождение и рост по­

зитов

элементы

перечных

макроскопических

9.2. Структурные

269

трещин

в

однонаправлен­

176

9.3. Определение

упругих

270

ных

волокнистых композитах

характеристик

слоя .

6.7. Межслойное

разруше­

178

9.4. Композиты,

армиро­

273

ние композитов

дефек­

ванные

системой двух

нитей

6.8. Устойчивость

182

9.5. Композиты,

армирован­

284

тов типа

расслоений .

от­

ные системой трех нитей .

6.9. Рост дефектов

типа

185

9.6. Четырехнаправленные

295

слоений

композиты

(4Д) .

Список литературы .

188

Список литературы .

299

Глава

7.

Методы

статических

Ч а с т ь

2.

Расчет

и проекти­

испытаний

композитов

рование

элементов

конструк­

301

(Ю.

Я •

М.

Тарнопольский,

189

ций из

композитов .

соотноше­

Т.

Кинцис).

особенности

Глава

1.

Основные

7.1. Основные

189

ния механики

конструкций

из

301

свойств

композитов.

композитов (В. В. Васильев) .

7.2. Образцы для

испытаний

191

1.1. Уравнения

механики

302

7.3. Растяжение

и

сжатие

193

анизотропного

тела .

7.4. Сдвиг

204

1.2. Уравнения

строитель­

7.5. Изгиб

содержа­

218

ной

механики

конструкций

308

7.6. Определение

из композитов

ния

арматуры

и плотности

230

Список литературы

балки,

330

композитов

Глава

2.

Композитные

Список литературы .

231

стержни и кольца (В. В. Ва­

Глава

8.

Прочностные,

термо­

сильев)

.

330

упругие

и диссипативные

ха­

2.1. Композитные

балки .

330

рактеристики

композитов

232

2.2. Тонкостенные

стержни

337

(Я. А.

Зиновьев) .

термо­

2’3. Композитные

элементы

8.1. Характеристики

ферменных

конструкций

344

упругости

однонаправлен­

(А.

М.

Скудра) .

ного

материала

(монослоя)

2.4. Круговые

кольца .

347

в условиях

плоского

напря­

232

Список литературы .

из

351

женногосостояния.

много­

Глава 3.

Баллоны давления

8.2. Термоупругость

композитов (В. А. Бунаков,

351

слойных

композитов

при

В. Д. Протасов).

плоском

напряженном

со­

237

3.1. Основные

соотношения

стоянии

.

упру­

симметрично

нагруженных

8.3. Идентификация

композитных

оболочек

вра­

353

гих

характеристик

монослоя

щения

.

и

по результатам

эксперимен­

3.2. Оптимизация

формы

тов

на

многослойных

мате­

246

структуры композитных бал­

356

риалах

многослойных

лонов

давления .

бал­

8.4. Изгиб

248

3.3. Комбинированные

369

композитов

харак­

лоны давления

8.5. Диссипативные

Список литературы .

375

Глава 4.

Многослойные компо­

6.4. Хордовые

маховики .

434

зитные

оболочки

вращения

376

6.5. Экспериментальные

ре­

438

(Я. А. Алфутов, Б. Г. Попов)

зультаты

4.1. Статика оболочек

вра­

Список литературы .

441

щения

и

колеба­

376

Глава

7. Толстостенные трубы

4.2. Устойчивость

385

и

кольца

из

композитов

ния

оболочек

вращения .

(Ю.

М.

Тарнопольский,

442

4.3. Расчет

цилиндрических

387

А.

Я.

Бейль) .

намоточ­

оболочек

.

элемент

мно­

7.1. Анизотропия

443

4.4. Конечный

ных композитов

гослойной

композитной

400

7.2. Плоская

осесимметрич­

445

оболочки

ная задача

Список литературы .

панели

404

7.3. Анализ процесса намот­

456

Глава

5.

Композитные

ки

толстостенных

элементов

и пластины (Я. А. Алфутов,

404

7.4. Намотка

цилиндров

466

Б.

Г.

Попов) .

уравнения .

сложной

структуры.

эта­

5.1.

Основные

404

7.5. Технологические

467

5.2.

Изгиб

слоистой

свобод­

406

пы,

следующие за

намоткой

но

опертой

панели.

7.6. Методы

управления

472

5.3. Изгиб слоистых пластин

начальными

напряжениями

с

симметричным

расположе­

409

7.7. Несущая

способность

480

нием слоев

слоистых

при

нагружении

давлением

5.4. Устойчивость

Список литературы .

485

свободно опертых

пластин

413

Глава 8. Соединение конструк­

Список литературы .

нако­

417

ций из композитов (О. С. Си­

486

Глава

6.

Инерционные

роткин, Ю. С. Царахов)

меха­

пители энергии

(маховики)

из

417

8.1. Проектирование

487

композитов

(Г.

Г.

Портнов)

нических

соединений.

6.1. Предельная

энергоем­

8.2. Проектирование

. .

493

кость

и мощность

вращаю­

клеевых

соединений.

щихся

элементов

конструк­

418

8.3. Проектирование

ком­

497

ций .

.

и

бинированных

соединений

6.2. Нитяные

оболочки

422

8.4. Влияние

технологии на

498

диски

. . .

прочность

соединений.

6.3. Анизотропные

диски .

426

Список литературы .

501

Предметный указатель

502

Технический прогресс, с одной сто­

ступной и номпантной форме основной

роны, порождает

необходимость раз­

информации по свойствам композитов,

работки

новых

конструкционных

методам

расчета,

проектирования и

материалов, а с другой, — в значи­

изготовления типовых конструкций.

тельной

степени

обусловливается

В справочнике содержатся сведения,

результатами этих

разработок. Появ­

необходимые для внедрения

компози­

ляясь вследствие естественного стрем­

тов в конструкции различного назна­

ления к совершенствованию существу­

чения. В связи с тем, что композиты,

ющих конструкций, новые материалы,

как правило, не существуют отдельно

в свою очередь, открывают возмож­

от конкретных конструкций и процес­

ности для реализации новых конструк­

сов изготовления, их свойства изла­

тивных

решений

и технологических

гаются в комплексе с вопросами кон­

процессов. В настоящее время пер­

струирования и изготовления.

спективы прогресса в машиностроении,

Особенность справочника

заклю­

в основном, связываются с разработкой

чается

в попытке

последовательной

ционных

материалов

(композитов).

риала к свойствам конструкции». При­

Композиционные

материалы

(КМ)

веденные в нем характеристики мате­

обладают комплексом свойств и осо­

риалов не могут быть непосредственно

бенностей,

отличающихся

от

тради­

использованы

в расчетах

вследствие

ционных

конструкционных

матери­

практически неограниченной н быстро

алов (металлических сплавов) и в со­

меняющейся

номенклатуры

компози­

вокупности

открывающих

широкие

тов, а также зависимости свойств

возможности,

как

для

совершенство­

композитов

от

технологии. Основная

вания

существующих

конструкций

задача авторов справочника — дать

самого

разнообразного

назначения,

ориентировочные

свойства

матери­

так и для разработки новых конструк­

алов,

систематизировать

методы

ций

и

технологических

цроцессов.

определения этих свойств и способы

Успешная

реализация

больших по­

их использования при проектировании

тенциальных

возможностей,

зало­

и расчете конструкций основных типов.

женных в идее композиционного мате­

Механика

композитов

находится

риала и в свойствах его компонентов,

в стадии развития и становления.

в значительной степени зависит от

Составляющие ее разделы разработаны

уровня

информированности конструк­

с разной глубиной, многие вопросы

тора об этих возможностях, принципах

еще далеки до завершения. Это, есте­

конструирования

и методах

расчета.

ственно, сказалось на полноте и глу­

К сожалению, этот уровень не вполне

бине изложения материала в разных

соответствует

достижениям

науки.

главах.

Ситуация усугубляется и тем, что

Редакторы и авторы будут призна­

имеющаяся

(и

достаточно

обширная)

тельны читателям за все замечания,

литература

по

композитам

ориенти­

направленные

на

улучшение содер­

рована в основном на научных работ­

жания справочника.

ников, а не на инженеров, занятых

расчетом» проектированием и изготов­

Чл.-корр. АН СССР В . Б. Васильев,

лением

конструкций

из

композитов.

Цель

издания настоящего

справоч­

чл.-корр. АН

Латв. ССР

ника

заключается

в

изложении

в до­

Ю, М. Тарнопольский

Г л а в а 1

КОМПОЗИТЫ

КАК

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Комбинирование

различных ве­

(температура, влажность ит.п .). Пере­

ществ остается сегодня одним из основ­

численные факторы определяют ком­

ных способов создания новых матери­

плекс конструктивно-эксплуатацион­

алов. . Большинство

современных

ных требований, предъявляемых к кон­

ставляют

собой

композиции,

которые

ность

материалов

удовлетворять

позволяют

техническим

изделиям

комплексу требований выявляется при

обладать

определенным

сочетанием

анализе их механических свойств, т. е.

эксплуатационных

свойств,

например

характеристик,

определяющих

пове­

железобетонные

конструкции, стекло­

дение материала под действием при­

пластиковые баллоны давления,

авто­

ложенных

внешних

механических

мобильные шины и т. п. Во всех слу­

сил.

оценке

механических

свойств

чаях — это система разных матери­

При

алов, каждый из составляющих кото­

материалов

различают

несколько

рой имеет свое конкретное назначение

видов показателей.

материалов,

применительно к рассматриваемому го­

1. Показатели свойств

товому изделию. Ни резина, ни корд

определяемые вне зависимости от кон­

автомобильной шины не могут вы­

структивных особенностей и характера

полнять

своей

функции

независимо,

службы изделий. Эти показатели опре­

они используются совместно и должны

деляются путем стандартных

испыта­

рассматриваться как единая

компози­

ний образцов на растяжение, сжатие,

ция. Совместная

работа

разнородных

изгиб, твердость. Прочностные и пла­

материалов дает эффект, равносильный

стические

свойства,

определяемые

созданию

нового

материала,

свойства

при статических испытаниях на глад­

которого и количественно и каче­

ких образцах, не полностью характе­

ственно отличаются от свойств каждого

ризуют прочность материала в реаль­

из его

составляющих.

ных условиях эксплуатации. Получен­

1.1. ОСНОВНЫЕ

ТРЕБОВАНИЯ,

ные характеристики могут быть ис­

пользованы лишь для расчета деталей

ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ

и конструкций, работающих при нор­

В МАШИНОСТРОЕНИИ

мальных (комнатных) условиях и дей­

к КОНСТРУКЦИОННЫМ

ствии

статических

нагрузок.

МАТЕРИАЛАМ

2. Показатели конструктивной проч­

ности

материалов,

характеризующие

В машиностроении к конструкционным

их работу в условиях эксплуатации

относятся материалы, из которых из­

конкретного

изделия.

готавливаются

конструкции

и детали

К этим показателям относятся ха­

машин,

воспринимающие

механиче­

рактеристики

долговечности

изделий

ские нагрузки. В конструкциях мате­

(усталостная

прочность,

износо­

риалы

могут

испытывать

различные

устойчивость,

коррозионная

стой­

воздействия,

связанные,

например,

кость) и надежности материала в изде­

с видом нагрузки (растяжение, сжа­

лии (вязкость разрушения,

энергия,

тие, изгиб),

характером

нагружения

поглощаемая

при

распространении

(статический,

динамический) и,

нако­

трещины, живучесть при циклическом

нец,

действием

окружающей

среды

нагружении

и т. д.).

комплексу

эксплуатационных

и

тех­

мерную нагрузку на волокна и ее пере­

нологических

требований.

К

первым

распределение

при разрушении

части

относятся

требования

по

прочности,

волокон.

Материал

матрицы

опреде­

жесткости,

плотности,

стабильности

ляет метод изготовления изделий из

свойств в определенном температурном

композитов,

возможность

выполнения

интервале,

химической

стойкости

конструкций

заданных

габаритов

и т. п. Теоретическая прочность мате­

и формы, а также параметры техно­

риалов ам возрастает с увеличением

логических процессов и т. п.

предъ­

модуля упругости Е и поверхностной

Таким

образом,

требования,

энергии у вещества и падает с увели­

являемые к матрицам, можно раз­

чением расстояния

между

соседними

делить на эксплуатационные и техно­

атомными плоскостями OQ:

логические. К первым относятся тре­

бования,

связанные

с

механическими

ом =

(тЯ/оо)1/2-

н физико-химическими свойствами

Следовательно,

высокопрочные

твер­

материала

матрицы,

обеспечива­

ющими

работоспособность

компози­

дые тела должны иметь высокие модули

ции при действии различных эксплу­

упругости

и

поверхностную

энергию

атационных

факторов.

Механические

и возможно

большее

число

атомов

свойства

матрицы должны

обеспечить

в единице объема. Этим требованиям

совместную

работу

армирующих

удовлетворяют

бериллий,

бор,

угле­

волокон при различных видах нагру­

род, азот, кислород, алюминий и крем­

зок.

Прочностные

характеристики

ний.

Наиболее

прочные

материалы

материала

матрицы

являются

опре­

всегда содержат один из этих элемен­

деляющими при сдвиговых нагрузках,

тов, а зачастую состоят только из

нагружении

композита

в

направле­

элементов

указанного

ряда.

ниях,

отличных

от

ориентации

При

создании волокнистых компо­

волокон, а также при циклическом

зитов

применяются

высокопрочные

нагружении. Природа

матрицы

опре­

стеклянные,

углеродные,

борные

и

деляет

уровень рабочих

температур

органические

волокна,

металличе­

композита,

характер

изменения

ские

проволоки,

а

также

волокна

свойств при воздействии атмосферных

и нитевидные кристаллы ряда карби­

и других факторов. С повышением

дов, оксидов, нитридов и других со­

температуры

прочностные

и

упругие

единений.

компоненты

в

компо­

характеристики

матричных

матери­

Армирующие

алов, так же как и прочность их соеди­

зитах применяются в виде моноволо­

нений со многими типами волокон,

кон, нитей, проволок, жгутов, сеток,

снижается,

материал

матрицы

также

тканей, лент,

холстов.

опреде­

характеризует

устойчивость

компо­

Технологичность

волокон

зита к воздействию внешней среды,

ляет возможность

создания

высоко­

химическую

стойкость,

частично

производительного

процесса

изготов­

теплофизические,

электрические

и

ления изделий на их основе. Важным

другие свойства.

требования

к

ма­

требованием

является

также

совме­

Технологические

стимость волокон с материалом ма­

трице

определяются

протекающими

трицы, т. е. возможность достижения

обычно

одновременно

процессами

прочной связи волокно — матрица

при

получения композита и изделия из

условиях,

обеспечивающих

сохране­

него, т. е. процессами совмещения ар­

ние исходных значений механических

мирующих волокон с матрицей и

свойств компонентов.

окончательного

формообразования

М а т р и ч н ы е

м а т е р и а л ы .

изделия. Целью технологических опе­

В композитах важным элементом яв­

раций

являются

обеспечение

равно­

ляется

матрица, которая обеспечивает

мерного (без касания между собой)

монолитность

композита,

фиксирует

распределения волокон в матрице при

форму изделия и взаимное располо­

заданном

их

объемном

содержании,

жение

армирующих

волокон,

распре­

максимально

возможное

сохранение

деляет

действующие

напряжения

по

прочностных

свойств

волокон,

соз­

объему материала, обеспечивая равно­

дание

достаточно

прочного

взаимо-

Количественные

характеристики

ствах,

обеспечивающих

ааданнкод

перечисленных

свойств

определяются

свойства материала;

при статических и динамических испы­

материал является однородным в ма­

таниях образцов с острыми трещинами,

кромасштабе и неоднородным в микро­

аналогичными тем, что имеются в ре­

масштабе

(компоненты

различаются

альных деталях машин и конструк­

по свойствам, между ними существует

циях в виде надрезов, отверстий, де­

явная граница

раздела).

компоненты

фектов

материала (пор,

микропустот,

В большинстве случаев

инородных включений и т. п.).

композиции

различны

по

геометриче­

Помимо

эксплуатационных

требо­

скому признаку. Один из компонентов,

ваний

для

конструкционных

матери­

обладающий

непрерывностью

по

алов принимаются во внимание требо­

всему объему, является матрицей, ком­

вания

по

технологичности. Техноло­

понент прерывный, разделенный в объ­

гические

свойства

машиностроитель­

еме композиции,

считается

усилива­

ных материалов должны обеспечивать

ющим или армирующим. Матричными

возможно

меньшую

трудоемкость

материалами могут быть металлы и их

изготовления деталей и

конструкций.

сплавы, органические и неорганические

Технологичность характеризуется спо­

полимеры, керамика и другие веще­

собностью

материала

приобретать

ства.

Усиливающими

или

армиру­

заданную форму при действии раз­

ющими компонентами чаще всего яв­

личных факторов (температуры, давле­

ляются

тонкодисперсные

порошко­

ния и др.), подвергаться механической

образные

частицы

или

волокнистые

обработке,

соединяться

различными

материалы

различной

природы.

методами (сваркой, склеиванием) и т. д.

В зависимости от вида армирующего

Особое значение имеет технологичность

компонента композиты могут быть раз­

материала, а также его стоимость при

делены на две основные группы: дис­

массовом

производстве.

прочностных

персно-упрочненные и волокнистые,

Различия

в

упругих,

которые

отличаются

структурой,

и других свойствах, присущие раз­

механизмами

образования

высокой

личным материалам, тесно связаны с их

прочности.

композиты

составом

и

структурой.

Изменения

Дисперсно-упрочненные

в составе и структуре (внутреннем

представляют собой материал, в ма­

строении)

определенным

образом

трице

которого равномерно

распре­

отражаются и на свойствах матери­

делены

мелкодисперсные

частицы

алов.

Знание

закономерностей,

второго вещества. В таких материалах

определяющих

в материале

наличие

при нагружении всю нагрузку вос­

тех или иных физических, механи­

принимает матрица, в которой с по­

ческих, теплофизических,

технологи­

мощью множества практически не-

ческих и иных свойств, позволяет

растворяюшихся в ней частиц второй

рационально испольэовать

существу­

фазы

создается

структура,

эффек­

ющие

и

создавать

новые

материалы.

тивно

сопротивляющаяся

пластиче­

ской деформации.

вязкий,

лишенный

1.2. ОБЩИЕ

ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

Известно,

что

хрупкости

материал

перед

разруше­

О

КОМПОЗИТАХ

нием претерпевает

значительную

де­

Композиционные материалы представ­

формацию.

Причем

пластические

де­

формации в реальных кристаллических

ляют собой гетерофазные системы, по­

материалах начинаются при напряже­

лученные из двух или более компонен­

ниях, которые меньше, чем теорети­

тов

с

сохранением

индивидуальности

чески

рассчитанные

для

идеальных

каждого отдельного

компонента.

материалов, примерно в 1000 раз.

Для

композиционных

конструк­

Такая низкая прочность по сравне­

ционных

материалов

характерны

нию с теоретической объясняется тем,

следующие признаки:

что в пластической деформации актив­

состав и форма компонентов мате­

но участвуют дислокации — локаль­

риала

определены

варанее;

ные

искажения

кристаллической

компоненты присутствуют в количе­

решетки. При деформировании благо­

даря дислокациям сдвиг атомов в со­

дисперсные

частицы,

равномерно

седнее положение происходит не одно­

распределенные

в

объеме

материала

временно по всей поверхности сколь­

Упрочнение при старении Ьбъяс-

жения, а растягивается во времени.

няется тем, что при деформировании

Такое постепенное скольжение за счет

в случае встречи частиц избыточной

небольших смещений атомов в области

фазы

дислокации

вынуждены

либо

дислокации

не требует

значительных

огибать эти частицы, либо их пере­

напряжений, что и проявляется при

резать, на что требуется приложение

испытаниях

пластичных

материалов.

дополнительной

работы.

Упрочнение таких материалов заклю­

Упрочнение дисперсными частицами

чается в создании в них структуры,

позволяет

достигать о*

=

10”2G, где

затрудняющей

движение

дислокаций.

G — модуль сдвига, но при нагреве

Наиболее

сильное

торможение

до Т = (0,64-0,7) 7пл прочность резко

передвижению

дислокаций

создают

снижается.

факторы

определяют

дисперсные частицы второй фазы, на­

Структурные

пример

химические

соединения

типа

следующий

допустимый

уровень

карбидов, нитридов, оксидов, боридов,

статической прочности в конструкциях

характеризующиеся

высокой

проч­

различного

назначения:

для

сталей

ностью

и температурой

плавления.

ов =

1600-7-2200 МПа; для титановых

Проблема

повышения

конструк­

сплавов

ов =

1000-г-1250 МПа;

для

ционной прочности состоит не только

алюминиевых

сплавов

ов =

5504-

в повышении прочностных свойств, но

600 МПа.

и в том, как при высокой прочности

У волокнистых композитов матрица

обеспечить

высокое

сопротивление

(чаще

всего пластичная)

армирована

вязкому разрушению, т. е. повысить

высокопрочными

волокнами,

прово­

надежность

материала.

локой,

нитевидными

кристаллами.

В дисперсно-упрочненных матери­

Идея создания волокнисто-армиро­

алах заданные прочность и надежность

ванных структур состоит не в том, что­

достигаются

путем

формирования

бы исключить

пластическое

деформи­

определенного

структурного

состо­

рование матричного материала, а в том,

яния, при котором эффективное тормо­

чтобы при его деформации обеспечива­

жение дислокаций сочетается с их

лось нагружение волокон и исполь­

равномерным распределением в объеме

зовалась бы их высокая прочность.

материала либо (что особенно благо­

Механические

свойства

высоко­

приятно)

с

определенной

подвижно­

прочных

материалов

определяются

стью скапливающихся у барьеров дис­

наличием

поверхностных

дефектов

локаций для предотвращения хрупкого

(надрезов, трещин и т. п.). Около вер­

разрушения.

получения

дисперсно-

шин этих дефектов при нагружении

Возможность

концентрируются

напряжения,

кото­

упрочненных

композитов

заданной

рые зависят от приложенного напря­

структуры

можно

продемонстриро­

жения, глубины трещины и радиуса

вать на примере гетерогенных сплавов,

кривизны в вершине трещины. Для

подвергнутых

закалке

и

старению.

хрупких

материалов

коэффициент

Во многих сплавах лосле затвердева­

концентраций

напряжений

равен

102

ния происходят фазовые превращения,

4- 108. В этом случае при действии

связанные с изменением взаимной рас­

уже относительно небольших

средних

творимости

компонентов

в

твердом

напряжений у кончика трещины рас­

состоянии. Неустойчивый

пересыщен­

тягивающие

напряжения

достигают

ный

твердый

раствор

при

нагреве

предельных значений и материал раз­

(а в некоторых случаях и при комнат­

рушается.

критическая

длина

ной температуре) начинает распадать­

Существует

ся.

На

начальных

стадиях

распада

трещины,

при

которой

проявляется

в пересыщенном твердом растворе об­

тенденция к ее неограниченному росту,

разуются

объемы, обогащенные

ком­

приводящая к разрушению материала.

понентом

растворенного

вещества.

Важен тот факт, что соответствующее

При дальнейшем распаде твердого рас­

критическое

напряжение

зависит

от

твора эти зоны растут, образуя ультра­

абсолютного

размера

трещины

и

оно

такие механизмы повышения вязкости

своей несущей способности при цикли­

разрушения, которых нет у гомогенных

ческих нагрузках в отличие от пласти­

материалов.

чески деформируемых материалов.

Эти механизмы связаны с наличием

Современные

композиты

имеют не

в композиционных волокнистых мате­

только

широкий

спектр

физико-меха-

риалах

большого

числа

поверхностей

нических свойств, но и способны к на­

раздела, которые могут стать тормозом

правленному их изменению, например,

на

пути

развития

трещины. Можно

повышать вязкость разрушения,

регу­

в первом

приближении

отметить

два

лировать жесткость,

прочность и дру­

явления,

способствующих

интенсив­

гие

свойства.

Эти

возможности

рас­

ной

диссипации

энергии

движения

ширяются при применении в компози­

трещины

—

вытягивание

волокон из

тах волокон различной природы и гео­

матрицы

и

разрушение

границы

раз­

метрии, т. е. при создании гибридных

дела

между

ними.

Дополнительное

композитов. Кроме

того,

для данных

сопротивление

распространению

-тре­

материалов

характерно

появление си­

щин,

развившихся в

матрице, оказы­

нергетического

эффекта

(согласован­

вают

силы

трения

между

вытягива­

ного

совместного

действия

несколь­

емым волокном и матрицей.

ких

факторов

в одном

направлении).

Повышенное

сопротивление

раз­

Причины

синергетического эффекта

витию разрушающих трещин в волок­

нистых

материалах

обусловлено

их

в гибридных композитах связаны со

работоспособностью

при

значитель­

статистической природой прочности во­

ных

накопленных

повреждениях.

локон,

специфической концентрацией

Характерное

для

композитов высо­

напряжений

при

разрушении

компо­

кое

сопротивление

усталости связано

зита

положительными

начальными

с тем, что высокомодульные волокна,

напряжениями,

которые

могут

воз­

воспринимающие основную

нагрузку,

никнуть в процессе изготовления из­

как

хрупкие

материалы

не

снижают

делий.

Г л а в а

2

ВОЛОКНИСТЫЕ

АРМИРУЮЩИЕ

ЭЛЕМЕНТЫ

В качестве арматуры в композитах

нические и борные волокна. Начи­

применяются

волокна

различной

нают

применять

базальтовые,

сап­

природы,

представленные

в

разнооб­

фировые, волокна на основе карбида

разных

формах. Форма

волокнистых

кремния и др. В стадии исследований

армирующих

элементов

определяется

находятся работы по созданию высоко­

природой волокон, способом их полу­

прочных

полиэтиленовых

волокон.

чения и дальнейшей текстильной пере­

В качестве

армирующих

элементов

работкой, а также процессами полу­

при создании композитов на основе

чения композитов и изделий из них.

металлических

матриц

применяются

Волокнистые

армирующие

элемен­

тонкие проволоки из стали, воль­

ты — это, как правило, непрерывные

фрама, бериллия, титана, ниобия и дру­

волокна, представленные в виде кру­

гих

металлов.

ченых и некрученых нитей, жгутов

На рис. 2.1 приведены диаграммы

(ровингов),

лент,

тканей

различного

растяжения

некоторых

типов

арми­

переплетения,

а* также

короткие

во­

рующих волокон.

могут

иметь

локна в виде порошков, штапельных

Армирующие

волокна

тканей, матов и т. д.

неоднородную

структуру

и

обладать

2.1. НЕПРЕРЫВНЫЕ

ВОЛОКНА

анизотропией

механических

характе­

ристик. К волокнам с ярко выражен­

Наиболее

часто

для

армирования

ной

анизотропией

относятся

органи­

матриц из синтетических смол при­

ческие

арамидные

волокна,

углерод­

меняют стеклянные, углеродные, орга­

ные, борные. Стекловолокна

и метал-

о

1

г

з

*

s

et%

Кварцевое волокно, в основном, по­

Рис. 2.1. Характерные диаграммы растя­

лучают

из

стержней

вытягиванием,

поскольку кварц даже при темпера­

жения

высокопрочных волокон, применяе­

мых в

современных

композитах:

туре 2400 К имеет очень высокую

1 — борных;

2 — высокомодульных;

3 —

вязкость, что затрудняет

формование

высокопрочных углеродных;

4 — органи­

его из

расплава.

ческих;

5 — S-стекла;

6 — Е-стекла

Кремнеземное волокно,

содержа­

лические

волокна

рассматриваются

щее 94—99% Si02, получают выщела­

как однородные и изотропные. Анизо­

чиванием из силикатных стекол окси­

тропия свойств волокон может оказать

дов алюминия, бора, кальция, магния.

существенное влияние

на

характери­

Наиболее

широко

применяются

стики

композитов на их основе.

бесщелочное

алюмоборосиликатное

лянные

волокна

широко

применяют

Si02,

А12Оа, В2Оа, CaO,

MgO,

К20

при создании

неметаллических

кон­

и Na20

и некоторые другие компонен­

струкционных

композитов — стекло­

ты),

а

также

высокопрочное

стекло

пластиков.

При сравнительно

малой

(в состав его входят оксиды Si02,

плотности

(2,4-=-2,6)• 103

кг/м8

они

А1а0 3, MgO).

стеклянных

волокон

имеют

высокую

прочность, низкую

Поверхность

теплопроводность,

теплостойки,

стой­

покрывают замасливателем,

который

ки к химическому и биологическому

предотвращает

истирание

волокон

действию.

сечения

стекловолокна —

при транспортировке и различных ви­

Форма

дах

переработки.

Существует

два

круг 1 (рис. 2.2). Однако выпускаются

типа замасливателей: технологические

и полые волокна 2 и профилированные

и активные (гидрофобно-адгезионные).

с формой сечения в виде треугольника

Технологические

замасливатели

(на­

5, квадрата 4, шестиугольника 5,

пример,

парафиновая эмульсия

или

прямоугольника 6.

замасливатели

на

основе

крахмала),

Модуль

Средняя

Плотность

прочность

Предельная

Страна, марка стекла

упруго

на базе

Р-Ю -в,

сти

Е

10 мм

деформация

кг/м*

*

е*. %

ГПа

СССР

Высокомодульное:

2,58

95

4,20

4,8

ВМ-1

ВМП

2,58

93

—

—

УП-68

2,46

85

—

—

УП-73

‘2,40

83

—

—

Кислотостойкое № 7-А

2,56

74

2,00

3,6

США

Алюмоборосиликатное

2,54

73,5

3,50

4,8

Е-стекло

2,89

ПО

3,50

3,2

М-стекло

S-994

2,49

87

4,80

5,4

D-стекло с низкой диэлек­

2,16

52,5

2,45

4.7

трической проницаемостью

2,49

2,40

4,0

Известковонатриевое

66

А-стекло

2,49

70

3,15

Ч

С-стекло

4,5

Свинцовосиликатное L-стек-

4,30

51

1,70

4,6

ло

74

—

Плавленый кварц

2,21

6 ,0

применяемые только на стадии пере­

восходят стекла в виде блоков. На

работки волокна, состоят из клеящих

прочность

стекловолокон

определя­

и пластифицирующих веществ. Перед

ющее

влияние оказывает

состояние

изготовлением

стеклокомпозита

эти

поверхности волокон,

которое зависит

замасливатели

удаляют

с

помощью

от условий формования.

термической

обработки

при

темпе­

Стекловолокна

весьма термостойки.

ратуре до 1100 К или смывают.

При повышении температуры до 1200 К

После

удаления

замасливателей на

модуль упругости кварцевого волокна

поверхность волокон в ряде случаев

возрастает с 74 ГПа (при 300 К) до

наносят аппреты — вещества, способ­

83 ГПа. Бесщелочные

алюмосиликат­

ствующие созданию прочной связи на

ные стекла начинают снижать свою

границе

волокно — связующее. В

ка­

прочность при 600 К, натрийкаль-

честве

аппретов

применяют

обычно

цийсиликатные,

боратные,

свинцовые

кремнийорганические

и

металлоор­

и фосфатные при 400—500 К. Модуль

ганические

соединения.

активные

упругости

снижается

незначительно

Наиболее

перспективны

вплоть

до

температуры размягчения.

замасливатели, выполняющие двойную

Механические

свойства

стекло­

функцию — предохранение волокна от

волокон, выпускаемых в СССР и за

разрушения и улучшение адгезии ме­

рубежом, приведены в табл. 2.1.

ка­

жду стеклом и полимерной матрицей.

Стекловолокна

применяются в

По прочности стекловолокна значи­

честве

армирующих

элементов

ком­

тельно

(на

один-два

порядка

пре­

позитов

в

виде

жгутов и

нитей из

элементарных

волокон,

лент,

тканей

прочностью при растяжении и моду­

разнообразного

плетения,

матов,

лем упругости,

термостабильностью,

холстов и других нетканых матери­

позволяющей

эксплуатировать

их

алов.

в широком температурном

интервале,

Для изготовления изделий из стекло­

хорошими усталостными и диэлектри­

пластиков

методом

намотки

про­

ческими

свойствами,

незначительной

мышленностью

выпускаются

стекло­

ползучестью. Благодаря низкой плот­

волокна в виде непрерывных жгутов

ности арамидные волокна по удельной

(ровингов), состоящих из прядей ком­

прочности

превосходят

все известные

плексных

нитей

суммарной

линейной

в настоящее время армирующие во­

плотностью 655—4170 текс.

локна и металлические сплавы, усту­

Тканые

армирующие

материалы

пая по удельному модулю упругости

получают

путем

текстильной

пере­

углеродным и борным волокнам. Ара­

работки

крученой

комплексной

нити,

мидные

волокна

отличаются

хорошей

жгута, пряжи или ровницы. Для

способностью

к

текстильной

перера­

текстильной

переработки

исполь­

ботке. Так, сохранение прочности ара-

зуются

стекловолокна

диаметром

мидных волокон после ткачества со­

3—11 мкм. Тканые армирующие мате­

ставляет 90% исходной прочности ни­

риалы технологичны, удобны при из­

тей, что дает возможность применять

готовлении

крупногабаритных

изде­

их в качестве тканых армирующих

лий, в образованных ими слоистых

материалов.

пакетах

достигается

высокое

содер­

Механические

свойства

органиче­

жание арматуры. В основном про­

ских

арамидныя

волокон

приведены

мышленностью

выпускаются

ткани

в табл. 2.2.

полотняного

и

сатинового

перепле­

2.1.3.

Углеродные

волокна.

Угле­

тения.

родные волокна обладают комплексом

Толстостенные

изделия,

если

при

ценных,

а

по

ряду показателей

уни­

этом необходимо

обеспечить высокую

кальных

механических

и

физико­

межслойную

прочность,

получают из

химических

свойств.

Углеродным

заготовок

объемного

плетения

или

волокнам присущи высокая теплостой­

трехмерного армирования.

кость,

низкие

коэффициенты трения

Рулонные

нетканые

армирующие

и термического

расширения,

высокая

материалы,

называемые

холстами,

стойкость к атмосферным воздействиям

представляют

собой

неориентирован­

и химическим

реагентам,

различные

ные наполнители из непрерывных или

электрофизические

свойства

(от

штапельных

стекловолокон,

скреп­

полупроводников до проводников). Они

ленных

между собой связующим (же­

могут иметь сильно развитую поверх­

сткие холсты)

или механическим про­

ность

(1000—2000 ма/г). Углеродные

шиванием

стеклянными

нитями

(мяг­

волокна