Механизм упрочнения полимеров волокнами.

Волокно - это форма материала, имеющая высокое отношение продольных размеров к поперечным (как правило не менее 100:1, чаще 1000:1). Одна из важных особенностей волокон - их прочность и модуль упругости в продольном направлении значительно выше этих же показателей в блоке.

Такие способности волокон обусловлены анизотропией и совершенством их молекулярной структуры. В волокне Молекулы и надмолекулярный структуры ориентированный вдоль волокна, в результате большая часть ковалентный связей молекул ориентированна вдоль волокна, что повышает продольную прочность, но снижает поперечную. Ориентация молекулярных и надмолекулярный структур вдоль волокна снижает дефектность структуры материала. Чем тоньше волокно, тем выше его прочностью, что связано с большей ориентацией структур вдоль волокна и меньшим количеством дефектов.

Однако из волокна невозможно изготовить прочные конструкции различной формы так как оно не держит формы и легко гнётся кроме того, волокно эффективно работает при продольной,растягивающей нагрузке,а поперёк имеет низкую прочность.

Для получения из волокна монолитного конструкционного материала отдельные волокна необходимо соединенить или склеить. Наиболее подходящим для этого является полимерное связующее. В результате получают материал имеющий более высокую прочность, чем отдельные его компоненты.

Рассмотрим работу работу наполненного волокном полимера подьнагрузкой.В композита полимерное связующее и волокнистый наполнитель деформируется вместе, но волокно в продольном направлении имеет во много раз больше более высокий модуль упругости, чем связующее. Поэтому при одинаковой величине деформации на композит нагрузка на волокно несколько раз выше, чем нагрузка на полимерное связующее. В результате прочное волокно берет на себя большую часть нагрузки, а не прочное полимерное связующее слабо нагружано и не разрушается. Волокно защищает полимерную матрицу от внешней нагрузки это картина армирования.

Роль связующего

1. Обеспечение целостности материала.

2. Перераспределение нагрузки между волокнами, что дополнительно повышает прочность и придаёт ему конструкционную жесткость. Более нагруженные волокна находящиеся ближе к месту приложения внешней нагрузки передают нагрузку параллельно идущим соседним волокнам через свою боковую поверхность и через связующее. В результате нагрузка не концентрируется на отдельных волокнах, а перераспределяется равномерно между большим числом волокном, что повышает прочность материала.

Таким образом функция связующего в композите это обеспечение монолитности материала и перераспределение нагрузки между волокнами. А фуннкция волокна - нести нагрузку при деформировании и обеспечивать прочность материала.

Лекция. 11.04

Влияние содержания волокна на упруго-прочностный свойства композита.

При невысоком содержании волокна в полимере (до 30-40%) при максимально плотной упаковке волокна физико-механические свойства композита подчиняются линейному закону и меняются пропорционально обычной линейной зависимостью.

При увеличении содержания волокна прочность начинает уклоняться от зависимости в сторону меньших значений.

Это отклонение обусловлено появлением дефектов в структуре композита. К дефектам относятся:

Недостаточно высокая адгезия

Несмоченные связующие участки волокна

Воздушные включения и пузырьки

Волнистость и непараллельность волокон

Перекручивание волокон

Чем больше содержание волокна и меньше связующего, тем сложнее идёт проникновение связующего и дефектов становится больше

При концентрации волокна выше фи максимального прочность композита падает. Это обусловлено нехваткой связующего для заполнения всего пространства между волокнами, из-за чего количество дефектов сильно увеличивается. Подобным образом меняется и модуль продольной упругости.

От чего зависит количество дефектов и степень отклонения прочности материала.

От способа совмещения связующего с волокном (сильно зависит)

От метода формования образца (экструзия, вакуумное формование)

Чем выше давление на материал, тем меньше величина отклонения. Максимально допустимая степень наполнения определяется величиной фи максимальное, который зависит от способа укладки волокон. Максимальное значение фи максимальное достигается при строго параллельной укладке всех волокон. В этом случае фи максимальное может достигать 90%. Однако любое отклонение от параллельности в укладке приводит к уменьшению фи максимальное

Одноосная ориентация - волокна направлены в одну сторону (только вдоль/только поперёк)

Двуосная - волокна направлены вдоль и поперёк

При двухосной ориентации волокон величина фи м составляет 40-60%. Чем меньше фи м, тем ниже максимально достижимая концентрация волокна в композите. Это вызывает заметное снижение прочности материала. Поэтому для производства сверхпрочных материалов волокна ориентирует в композите одноосно.