Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физикохимия неорганических композиционных материалов. Учебное пособие.pdf
температурой плавления, например: карбиды, нитриды, оксиды,
бориды.
Проблема повышения конструкционной прочности состоит не
только в повышении прочностных свойств, но и в том, как при
высокой прочности обеспечить высокое сопротивление вязкому
разрушению, т.е. повысить надежность материала. В дисперсноупрочненных материалах заданные прочность и надежность
достигаются путем формирования определенного структурного
состояния, при котором эффективное торможение дислокаций
сочетается с их равномерным распределением в объеме материала,
либо (что особенно хорошо) с определенной подвижностью
скапливающихся у барьеров дислокаций для предотвращения
хрупкого разрушения. Упрочнение дисперсными частицами позволяет
достигать σ
0.7)T
пл
=10‾²G, где G – модуль сдвига, но при нагреве до T= (0 ,6-
т
прочность резко снижается. Структурные факторы определяют
следующий допустимый уровень статической прочности в
конструкциях различного назначения:
‒ для сталей σ
‒ для титановых сплавов σ
‒ для алюминиевых сплавов σ
=1600-2200 МПа;
в
=1000-1250 МПа;
в
=550-600 МПа.
в
У волокнистых композиционных материалов матрица (чаще
всего пластичная) армирована чаще всего высокопрочными
волокнами, проволокой, нитевидными кристаллами. Идея создания
волокнисто-армированных структур состоит не в том, чтобы
исключить пластическое деформирование матричного материала, а в
том, чтобы при его деформации обеспечивалось нагружение волокон и
использовалась бы их высокая прочность.
Механические свойства высокопрочных материалов
определяются наличием поверхностных дефектов (надрезов, трещин и
т.п.) Около вершин этих дефектов при нагружении концентрируются
напряжения, которые зависят от приложенного усилия, глубины
трещины и радиуса кривизны в вершине трещины. Для хрупких
материалов коэффициент концентрации напряжений равен 10²-10³. В
этом случае при действии уже небольших напряжений у кончика
трещины растягивающие напряжения достигают предельных
значений, и материал разрушается. Существует критическая длина
трещины, при которой проявляется тенденция к ее неограниченному
росту, приводящая к разрушению материала. Важно, что
11
соответствующее критическое напряжение зависит от абсолютного
размера трещины, и оно тем выше, чем меньше длина трещины.
Из хрупких веществ материалы с высокой прочностью можно
получать в основном в виде волокон. Это связано с тем, что волокна
значительно менее чувствительны к имеющимся у них дефектам, чем
монолитные изделия. Из-за геометрии волокна трещины должны быть
в них либо очень короткими, либо они должны быть продольными и
относительно безопасны. Изделие с высокой прочностью может быть
получено путем объединения параллельных волокон (канат).
Напряжения между отдельными волокнами создаются вследствие
трения скольжения, возникающего при растяжении каната. В процессе
эксплуатации волокна в канате изгибаются, трутся, и их прочность
падает. Например, высокопрочные волокна (стеклянные, углеродные,
борные) очень чувствительны к поверхностным напряжениям, и их
нельзя применять в канатах, не использовав среду, которая связала бы
их воедино (полимер или металл). Когда используются не
непрерывные волокна, а объединяются связующим короткие, то
сохраняется принцип волокнистого армирования, состоящий в том,
что при нагружении композиционного материала на границе раздела
матрицы с волокном возникают касательные напряжения,
вызывающие полное нагружение волокон.
Особенность волокнистой композиционной структуры
заключается в равномерном распределении волокон в пластичной
матрице. Содержание их, то есть объемная доля, может достигать 75 %
и более. В дисперсно-упрочненных материалах оптимальным
содержанием дисперсной среды считается 2-4 %. Дисперсные частицы
в указанных материалах в отличие от волокон создают только
косвенное упрочнение, то есть благодаря их присутствию
стабилизируется структура, формирующаяся при термической
обработке. Другая отличительная особенность волокнистой
композиционной структуры ‒ анизотропия свойств, обусловленная
преимущественным расположением волокон в том или ином
направлении. Дисперсно-упрочненные материалы имеют одинаковые
свойства во всех направлениях.
В композиционных материалах сочетаются два
противоположных свойства: высокий предел прочности и достаточная
вязкость разрушения. Высокая прочность достигается за счет
использования хрупких высокопрочных волокон, а достаточная
вязкость разрушения обусловлена пластичной матрицей и
12
специфическим механизмом рассеяния энергии разрушения
композиции. Кроме того, в традиционных сплавах удельная жесткость
(Е/d, км) практически одинакова, а в композиционном материале она
увеличивается на 100-200 %. Это позволяет существенно снизить
массу конструкций.
Для технологов важно уметь подбирать компоненты
композиционных материалов и понимать назначение каждого из них.
На рис. 1.1 схематично приведены виды компонентов
композиционных материалов.
Связующее и отвердитель всегда будут являться матрицей.
Связующее обеспечивает придание формы изделию из
композиционного материала. Это особенно актуально сразу после
процесса формования. Если связующее не успеет образовать быстрые
связи, образец начнет раздуваться или изгибаться. Наполнитель
является армирующим материалом. Композиционный материал
получает название по природе наполнителя. Например, стеклопластик,
углепластик.
Рис. 1.1. Состав композиционных материалов
Наполнителя стараются ввести как можно больше, так как он
придает прочность волокнистым композиционным материалам. Для
большего количества введенного наполнителя используют
пластификаторы или разбавители. Пластификатор гомогенизирует
систему, а разбавитель понижает вязкость связующего. Загуститель
хотя и повышает вязкость связующего, но способствует образованию
«быстрых» связей и сохранению формы изделия. Антипирен придает
системе негорючесть. Такими свойствами обладают соединения
галогенов, фосфора, кремния. Инсектицидные добавки защищают
13
композиционный материал от грызунов и образования плесени. От
Наимено-
понента
Геометрия компонента
Соотношение размеров
Нульмер-
1
1
<<
L
l
1
2
<<
L
l
1
3
<<
L
l
Одномер-
1
1
≈
L
l
1
2
<<
L
l
1
3
<<
L
l
Двухмер=
1
1
≈
L
l
1
2
<<
L
l
13≈
L
l
плесени хорошо защищает салициловая кислота.
Для композиционных материалов были выбраны следующие
классификационные признаки:
‒ геометрия компонентов;
‒ расположение компонентов (схема армирования);
‒ природа компонентов.
По геометрии компонентов композиционные материалы могут
быть разделены на три основные группы (рис.1.2):
вание ком-
ный
ный
ный
Рис. 1.2. Три основные группы КМ по геометрии компонентов
1. Композиционные материалы с нуль-мерными
компонентами, имеющими все три размера одного и того же порядка
и, следовательно, с учетом признака 6 не имеющими ни одного
размера, соизмеримого с характерным размером элементарного
образца композиционного материала. Примерами композиции этой
группы могут служить дисперсно-упрочненные материалы, металлы и
сплавы, армированные частицами, материалы на основе керамики,
содержащие в своем составе короткие нитевидные кристаллы (длина
которых много меньше характерного размера элементарного образца
композиционного материала) и т.п.
2. Композиционные материалы с одномерными
компонентами, один из размеров которых значительно превышает два
;
;
;
;
;
;
14
других и соизмерим с характерным размером элементарного образца
композиции. Примером этой группы материалов являются
волокнистые композиционные материалы на основе полимеров,
металлов и др., армированные стекловолокнами, керамическими,
борными, углеродными и другими волокнами.
3. Композиционные материалы с двухмерными компонентами,
два размера которых значительно превышают третий и соизмеримы с
характерным размером элементарного образца композиционного
материала. Примером материалов этой группы являются слоистые
материалы, например композиции, состоящие из чередующихся слоев
титана и алюминия или их сплавов.
Для обозначения нуль-мерных, одномерных и двухмерных
компонентов композиционных материалов могут быть приняты
соответствующие индексы 0
, 1 и 2.
*
Возможны случаи, когда композиция содержит два или три
армирующих компонента различной геометрии, например, пластик на
основе эпоксидной или полиамидной смолы, армированный
углеродными волокнами (одномерный компонент) и короткими
нитевидными кристаллами карбида кремния (нуль-мерный
компонент), или композиция на основе алюминия, армированного
борными волокнами (одномерный компонент) и слоями титановой
фольги (двухмерный компонент). Такие композиционные материалы
называются комбинированными.
По расположению компонентов (схеме армирования)
композиционные материалы могут быть разделены на три группы
(рис. 1.3):
1. Композиции с одноосным (линейным) расположением
армирующего компонента, составляющие которого в виде волокон,
проволок или ориентированных цепочек нитевидных кристаллов
распределяются в матрице параллельно друг другу. Такая схема
армирования может быть осуществлена с помощью нуль-мерных или
одномерных компонентов и обозначается 0
:0:0 или 1:0:0 (компонент
*
расположен вдоль оси х). Необходимо отметить, что при одноосном
армировании нуль-мерными компонентами, когда расстояние между
составляющими армирующего компонента мало в направлении оси х и
значительно больше вдоль осей у и z, объемное содержание
армирующего компонента составляет всего 1-5 %.
2. Композиции с двухосным (плоскостным) расположением
армирующего компонента, составляющие которого в виде волокон,
фольг, матов из нитевидных кристаллов и т.п. расположены в матрице
15
в плоскостях параллельно друг к другу. Такая схема армирования
Геомет-
понента
Расположение компонентов
Одноосное
(линейное)
Двухосное
(плоскостное)
Трехосное
(объемное)
Наиме-
нование
Схема
Схема
Схема
Нуль-
Одно-
1:1:0 1:1:1
Двух-
–
2:2:0
_
0:
2
2
:
2
2
0:
2
2
:
2
2
−
может быть осуществлена с помощью нуль-мерных, одномерных иди
двухмерных компонентов и обозначается 0
:0, 1:1:0 или 2:2:0
*:0*
(компонент расположен в плоскостях, параллельно ху).
рия ком-
мерный
0*
0
:0:0
*
0
*:0*
:0
0
*:0*:0*
мерный
1
1:0:0
мерный
2
Рис. 1.3. Три группы КМ по расположению компонентов
Двухосная схема армирования нуль-мерными компонентами
возможна в тех случаях, когда критическое содержание армирующего
компонента в материале менее 15-16 %. При использовании волокон
или других одномерных компонентов для плоскостного армирования
можно реализовать не только ортогональную (1:1:0), но и другие,
более сложные, виды укладки: первый слой 1:0:0, второй слой
(волокно под углом 45° к оси х); третий слой
16
(волокно под углом –45° к оси х); четвертый слой 0:1:0 и т.д. Каждое
Располо-
нентов
Комбинация компонентов
(0*+1)
(0*+2)
(1+2)
(0*+1+2)
Одноос-
– – –
Двухос-
Трехос-
–
число есть косинус угла между волокном и соответствующей ось
координат.
3. Композиции с трехосным (объемным) расположением
компонентов, когда невозможно выделить одно или два
преимущественных направлений в материале. Такая схема
армирования может быть реализована с помощью нуль-мерных
(0
) или одномерных компонентов 1:1:1.
*:0*:0*
Для комбинированных композиционных материалов (рис. 1.4),
армированных одновременно компонентами различной геометрии
возможны следующие сочетания компонентов: (0
+1+2).
(0
*
+1):(0*+2):(1+2) и
*
жение
компо-
ные
ные
ные
Рис. 1.4. Классификация комбинированных композиционных
материалов по видам сочетаний и расположению компонентов.
17
Трехосная система армирования путем сочетания нуль-мерных
и одномерных компонентов имеет следующие варианты:
(0
+1):0*:0
*
(0*+1):(0*+1):0
*
*
(0*+1):(0*+1):(0*+1).
По природе компонентов композиционные материалы
разделяются на 4 группы: с компонентом из металлов и сплавов, с
компонентом из неметаллических соединений (углерод), с
компонентом из неорганических соединений (оксидов, нитридов,
карбидов и т.п.), с компонентом из органических соединений. Для
полной характеристики композиционных материалов необходимо
указать природу каждого из компонентов. Например,
композиционный материал «углерод-углерод» относится по природе
матрицы к группе композиций с матрицей из неметаллических
элементов, но по природе армирующего компонента ‒ к группе
композиций со вторым компонентом из неметаллических элементов.
Дополнениями к рассмотренным группам относятся
полиматричные и полиармированные композиционные материалы
(рис. 1.5).
Рис. 1.5. Полиматричные и полиармированные композиционные
материалы
Полиматричные композиционные материалы состоят из
чередующихся слоев двух и более композиций с матрицами
различного химического состава.
Полиармированные композиционные материалы содержат два
и более различных по составу армирующих компонентов, равномерно
распределенных в матрице относительно друг друга.
Полиармированные композиционные материалы могут быть
«простыми», если содержат армирующие компоненты различной
18
природы, по одинаковой размерности, и комбинированными, если
содержат армирующие компоненты различной природы и
размерности. Например, стеклопластик является простым
полиармированным композиционным материалом, а бор-алюминий с
прослойками из титановой фольги – комбинированным
полиармированным.
Комбинированный композиционный материал не относится к
полиармированным, если он содержит армирующие компоненты
одной природы (например, композиция на основе алюминия,
армированного стальной проволокой и титановой фольгой.
На рис. 1.6 приведена общая схема классификации
композиционных материалов.
Рис. 1.6. Общая схема классификации композиционных материалов
19
2. ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
2
кр
l
х =
2.1. Распределение напряжений в дискретных волокнах
В том случае, когда армирующие волокна непрерывны,
напряжения в них постоянны по всей длине, за исключением
концевых участков. В момент разрушения композиционного
материала напряжения почти на всех волокнах достигают их предела
прочности. Если же композиция армирована короткими волокнами
или «усами», то активная роль матрицы состоит в том, чтобы путем
пластической деформации передать напряжения волокнам и нагрузить
их.
На рис. 2.1 показаны эпюры напряжений в волокнах
композиционных материалов. Рассмотрим распределение напряжений
в волокне конечной длины l, находящемся в матрице. При этом будем
считать, что волокно и матрица работают в упругой области. Если
нагрузка приложена к матрице, то в упругой области последняя
удлиняется пропорционально напряжению. Находящееся в матрице
волокно с более высоким модулем упругости (условие Е
> Ем является
в
основным для получения композиции с высокими механическими
свойствами) будет ограничивать свободное удлинение матрицы в
соседней с волокном зоне (рис. 2.1).
На некотором удалении от волокна матрица свободно и
равномерно пластически удлиняется, тогда как в прилегающей к
волокну зоне удлинение матрицы будет равняться упругому
удлинению последнего. Это приводит к возмущению поля
деформации в прилежащей к волокну зоне. По мере удаления от
волокна его возмущающее действие ослабевает, пока полностью не
сойдет на нет. Предполагается, что между волокном и матрицей
существует идеальная связь и отсутствует передача напряжений через
торцы волокна. Так как нагрузка не передается через торцы волокна,
то растягивающее напряжение увеличивается от нуля на его концах до
максимального значения в точке
. Критическая длина lкр
определяется как длина короткого волокна, которая необходима для
достижения напряжения, равного напряжению в волокне бесконечной
длины. Распределение касательных напряжений τ вдоль поверхности
раздела волокно-матрица не трудно найти, если рассмотреть
равновесие сил, действующих на элемент волокна. Касательные
20