1.4.Влияние различных факторов на механические свойства волокон и нитей
Механические (прочностные) свойства волокон и нитей являются определяющими показателями при выборе наполнителей для ВКМ и конструирования из них изделий. Всю совокупность факторов, влияющих на механические свойства волокон и нитей, можно условно разбить на следующие группы:
1) геометрические;
2) структурные;
3) природа волокна и нити;
4) текстильная форма волокна и нити;
5) условия испытаний и нагружения.
Рассмотрим влияние некоторых основных факторов на механические свойства волокон и нитей.
Влияние природы волокна, их геометрических характеристик и структурных свойств на механические показатели
К геометрическим характеристикам относят диаметр и длину волокна. Зависимость предела прочности р волокон от их диаметра и длины представлена на рис. 13.
а) б)
Рис. 13 - Прочность волокон от диаметра (а) и длины (б) волокон
1 – волокна и нити (стеклянные, высокосиликатные, углеродные, металлические, органические, текстильные); 2 – борные волокна
Для большинства волокон их прочность (рис. 13 а) с увеличением диаметра снижается. Это связано с тем, что при увеличении диаметра волокон возрастают структурные неоднородность материала, остаточные напряжения, число механических и химических повреждений поверхности. Аналогичная зависимость наблюдается и для пучков волокон (нити, пряжи), т.к. снижается плотность материала вследствие увеличения пористости между отдельными волокнами. Исключением являются борные волокна (кривая 2 рис. 13 а). Это связано со спецификой структуры борного волокна и технологией его изготовления.
Снижение прочности волокон любой природы (рис. 13. б) также связано с увеличением числа поверхностных дефектов. Существует некоторая критическая длина волокна, при которой начинается проявляться упрочняющий эффект волокнистого наполнителя. Применительно к стеклянным нитям и пряжи критическая длина волокна может быть определена по уравнению:
(48)
где d - диаметр волокна, см; р - предел прочности при растяжении, МПа; - прочность сцепления волокон друг с другом, МПа.
Из числа структурных факторов, наибольшее влияние на прочностные характеристики текстильных форм волокон оказывают число взаимно расположенных элементов, их распределение в отдельных сечениях (полнота сечения) и скрученность. Число элементов в нитях и пряжи в целом увеличивает разрывную нагрузку Рр, но предел прочности при растяжении р при этом снижается, что связано с увеличением пористости текстильной формы. Естественно, что снижение полноты сечения должно снижать прочностные характеристики нитей и пряжи. Скрученные нити и пряжи обладают более высокой прочностью, чем некрученые (стренги, концы). Чем выше степень крутки элементов в нитях и пряжи, тем выше прочность сцепления между элементами, а, следовательно, и больше значения Рр и р и при прочих равных условиях (рис. 14).
Армирующие волокна могут иметь неоднородную структуру и обладать анизотропией механических характеристик. К волокнам с ярко выраженной анизотропией относятся органические арамидные волокна, углеродные, борные. Стекловолокна и металлические проволоки рассматриваются как однородные и изотропные. Анизотропия свойств волокон может оказать существенное влияние на характеристики изделий.
Часто для оценки влияния природы наполнителя на свойства изделий используют показатель - относительное разрывное удлинение р, которое тесновзаимосвязано с механическими характеристиками волокон. Характер изменения предела прочности р волокон различной природы в функции их относительного удлинения р приведен на рисунке 15.
Рис. 14- Прочность текстильных форм стеклянных волокон: 1 – элементарное волокно; 2 – крученая стеклонить; 3 – стекложгут некрученый (стренг) |
Рис. 15 - Диаграммы растяжения волокон различной природы 1 - борные, 2 - стеклянные высокомодульные, 3 ‑ высокопрочные углеродные, 4 - органические, 5 - S-стекло, 6 - Е-стекло |
Видно (рис. 15), что чем больше относительное удлинение, тем выше значения предела прочности волокон при растяжении.