Гибридные композиты

Гибридные композиты получаются путем совмещения двух или более типов волокон. В итоге получаются материалы повышенной жесткости, прочности, стойкости и в некоторых случаях намного удешевленные. Так, например, включение в углепластик стекловолокон повышает жесткость материала. Делается это и с целью понижения цены (включение стекловолокон удешевляет углепластик), и для увеличения жесткости формируемой структур. Создание гибридных композиционных материалов путем совмещения в едином материале волокон разной природы является эффективным средством регулирования свойств композитов. При создании гибридных композитов нужно учитывать влияния различных факторов и природы самих материалов, а также использование их в различном соотношении.

Число всевозможных сочетаний материалов и свойств полученных гибридов великое множество, особенно в современном мире. Они используются в различных областях народного хозяйства, здравоохранения, военной, космической промышленности и др.

Существует пять основных типов гибридных композитов.

1 .Усредненный - волокна в таком КВМ смешиваются по всей массе композита. Отсутствуют участки макроконцентраций какого-либо волокна.

2. Внутрислоевой - волокна в каждом слое КВМ регулярно чередуются. К этому типу могут быть отнесены и армирующие гибридные ткани. Слои могу "размываться" между собой.

3. Межслоевой - каждый слой композита состоит из одного вида волокон (например, углепластиковая труба с наружными слоями стекловолокна).

4. Отдельные усилительные элементы (связки, ребра жесткости).

5. Так называемые супергибриды, т.е. слои композитов с органической матрицей и с металлической матрицей и листы металлической фольги, уложенные в определенной последовательности.

Наиболее часто встречаются внутри- и межслоевые типы гибридных материалов. Гибридные КВМ производят по обычной технологии, комбинируя углеволокнистые структуры с борными, стекловолоконными, арамидными или металлическими сложными структурами. При получении внутри- и межслоевого гибридного материала используются те же виды связующего, что и в обычных процессах получения углепластиков. Чтобы избежать коробления материала, рекомендуется симметричное относительно нейтральной оси расположение слоев с разными термодеформационными свойствами.

Существуют три основные причины, приводящие к необходимости гибридизировать пластики:

1) включение других волокон, превосходящих по каким-то параметрам, помогает ликвидировать недостатки;

2) включение волокон в композиты для использования преимуществ;

3) снижение цены полученного материала.

Первая категория материалов включают КВМ, к которым предъявляются большие требования к ударопрочности. Повышение ударной вязкости достигается обычно методом включения других высокопрочных волокон, обладающей большей работой разрушения. Альтернативой является гибридизация с высокопрочными волокнами с высокими адгезионными свойствами.

Таблица 1. Ударная вязкость гибридных композиционных материалов с эпоксидной матрицей

Массовая доля волокна, %	Ударная вязкость по Изоду, Дж/м	Массовая доля волокна, %	Ударная вязкость по Изоду, Дж/м
100(УВ)	1495	100 (УВ)	1495
75 (УВ), 25(кевлар)	1815	75(УВ), 25 (СВ)	2349
50 (УВ), 50(кевлар)	2349	50 (УВ), 50 (СВ)	2989
100(кевлар)	2562	100 (СВ)	3843

Низкая прочность при сжатии - основной недостаток КВМ из кевлара - может быть ликвидирован при гибридизации этого материала с УВ. Последнее является примером создания второй категории материалов.

Таблица 2. Свойства однонаправленных КВМ на основе волокон торнел-300, кевлар-49 и гибридных композитов с номинальной объемной долей волокна 60%

Массовая доля волокна, %		Плотность	Растяжение		Сжатие		Изгиб		Сдвиг
Торнел	кевлар	, кг/м3	Е, ГПа	, МПа	Е , МПа	сж, МПа	°0,2, МПа	и, МПа	сд, МПа
100	0	1600	145	1564	678	1006	1605	1605	91
75	25	1560	120	1282	474	937	1247	1357	76
50	50	1510	108	1213	413	688	827	1102	56
0	100	1350	77	1261	182	286	339	633	49

Оптимальным оказывается соотношение Кевлар и УВ 50:50. Еще большее влияние гибридизация оказывает на модуль упругости при сжатии: этот параметр почти удваивается при введении всего 5% УВ в КВМ с массовой долей стекловолокна 50%. Гибридизация углепластиков борными волокнами используется при создании ответственных конструкций, подвергающихся сжатию (горизонтальные стабилизаторы в самолетах, переборки крыльев, обтекатели и т.д.)

Механические свойства гибридных материалов

Материал	Структура	в, МПа	сж, МПа	Е, ГПа
Бороэпоксидный	0, ±45, 90°	827	1516	131
Высокопрочный УВ-эпоксидный	0, ±45, 90°	772	758	90
Гибридный бор-УВ-эпоксидный	(0° ± УВ 90 УВ)	689	1474	124

При создании гибридного КВМ с соотношением УВ и борного волокна 50:50, сохраняется около 90% модуля упругости и прочности при сжатии относительно чистого боропластика.

Высокопрочные борные волокна хорошо выдерживают большие изгибные напряжения (они могут быть успешно использованы в местах соединений), в то время как углеродные волокна прекрасно работают на кручение и сжатие в арочных конструкциях.

Р ис.1. Влияние содержания УВ на предел прочности и модуль упругости при растяжении КВМ вдоль волокон

На рис. 1 представлено изменение модуля упругости и прочности "межслоевого" гибридного КВМ. Чемис и Ларк показали наличие "синергетического эффекта", связанного с увеличением жесткости УВ-слоев по мере удаления от нейтральной плоскости. Модуль упругости при изгибе изменяется по правилу аддитивности во всем интервале содержания УВ и стекловолокна, однако существенно зависит от вида верхнего слоя. При массовой доле УВ 60% и стекловолокна 40%, модуль упругости при изгибе меняется от 85 до 275 ГПа в зависимости от того, вверху или внизу расположен УВ-слой.

Р ис.2. Зависимость модуля упругости и предела прочности при изгибе гибридного СВ-УВ КВМ от содержания УВ

Таким образом, значимым оказывается не только содержание компонентов в гибридных материалах, но и последовательность их включения в КВМ.

Усталостные свойства стеклопластиков могут быть повышены, введением УВ. Очевидно, что усталостные свойства гибридов практически совпадают с теми же характеристиками углепластиков и оказываются существенно выше, чем у стеклопластиков. Этот эффект может быть объяснен тем, что при равных нагрузках первыми ее воспринимают более жесткие углеродные волокна, обладающие и лучшими усталостными характеристиками. Для усталостных свойств не играет роли последовательность слоев в гибридном материале. Усталостные свойства гибридов зависят только от типа применяемого волокна и выкладки. Так, межслоевые гибридные материалы обладают лучшими усталостными свойствами, нежели внутрислоевые. Целью получения гибридного композиционного материала может служить также улучшение электрических, термических или фрикционных свойств углепластиков. Так, введение небольшой добавки УВ в асбестофенольные подшипники, увеличивает их износостойкость на 2560%. Тонкий слой УВ, включенный в пресс-материал для деталей машин, делает их электропроводными, и, следовательно, исключаются радиопомехи, возникающие при работе механических устройств. С помощью этого метода можно избавиться и от статического электричества.

Гибридные армированные пластики

Возможны различные варианты сочетания непрерывных армирующих волокон:

- создание гетероволокнистых материалов по принципу однородных смесей (волокна различных типов равномерно распределяются в первичной нити или жгуте) (таблица 4).

- использование многокомпонентного армирующего материала: ткани, мата или шпона из различных нитей и жгутов (таблица 5).

-чередование слоев листовых армирующих материалов с различными волокнами (таблица 6)

Таблица 4. Свойства эпоксидных композитов на основе борокарбокстеклонитей

Объемное содержание в нитях волокон, %			 10-3 кг/м3	Прочность, МПа			Модуль упругости Е, ГПа
Борных	Углеродных	Стеклянных		при изгибе	при сжатии	при сдвиге
78,1	10,4	11,5	1,84	1640	840	63,1	215
56,5	32,9	10,6	1,71	1660	827	53,0	190
46,2	42,7	11,1	1,72	1650	745	44,3	202
27,2	67,9	4,9	1,56	810	430		103

Таблица 5. Свойства эпоксидных композитов на основе боростеклоткани

Объемное содержание в тканях волокон, %		Модуль упругости Е, ГПа	 10-3, кг/м3	Прочность, МПа
Борных	Стеклянных			при изгибе	при сжатии	при растяжении
83,5	16,5	152	1,8	1090	1240	72
80,7	19,3	118	1,7	730	1130	87
64,5	35,5	87	1,73	980	1040	120

Таблица 6. Свойства карбооргано- и карбостекловолокнитов с послойным чередованием углеродных и органических волокон

Композит	Объемное содержание волокон, %				 10-3, кг/м3		Модуль упругости Е, ГПа	Прочность МПа		Ударная вязкость а, кДж*м2
	Углеродных	Органических (арамидных)	Стеклянных					при изгибе	при сжатии
Карбоор-гановолокнит	40	14			1,4		175	980	520	150
	38	22		1,35		165		820	530	260
Карбо- стекло- волокнит	30		17		1,52		85	460	320	180
	17		33	1,62		77		410	300	1752
	4		46	1,76		65		730	240	241

Наиболее распространение среди гетероволокнистых композитов получили трехкомпонентные материалы, например, углестекло-, органоборугле-, углеоргановолокниты. Независимо от технологических приемов сочетания волокон различие в термоупругих характеристиках армирующих волокон вызывают появление термических напряжений в процессе формования композита и при изменении температурных режимов эксплуатации трехкомпонентного материала в изделии. Удачным считается сочетание арамидных и углеродных волокон вследствие того, что значения предельных температурных коэффициентов термического расширения у них близки и поэтому внутренние термические напряжения не столь значительны.

При сочетании углеродных и арамидных волокон в разном соотношении были получены однонаправленные композиты с существенно более высокими значениями прочности при сжатии, изгибе и сдвиге в сравнении с органокомпозитами.

В дальнейшем широкое промышленное применение могут найти волокна, полученные методом осаждения (борные или дешевые 81С) с эпоксидными связующими. В случае, когда при малом количестве добавок высокопрочных (высокомодульных) волокон, композиционные материалы могут быть экономически выгодны, такие волокна могут быть включены в гибридные материалы. Эти волокна перспективны для композитов с металлической матрицей, сфера применения которых смещается в область средних и высоких температур эксплуатации. Применение лопастей винтов в самолетостроении или лопаток турбин из композитов, армированных 81С-волокнами, обеспечивает лучшие свойства и защиту этих узлов от посторонних предметов.

Таблица 7. Свойства однонаправленных гибридных композитов на основе углеродного волокна Торнел-300 и арамидного волокна Кевлар-49

Параметр	Объемное содержание (углеродных/арамидных) волокон, %
	100/0	75/25	50/50	0/100
Плотность, г/см3	1,60	1,56	1,51	1,35
Модуль упругости Е, ГПа	145,48	119,97	108,25	77,22
Предел пропорциональности, МПа	680	470	410	180
Прочность при растяжении. ГПа	1,57	1,28	1,21	1,66
Прочность при сжатии, ГПа	1,014	0,94	0,69	0,29
Прочность при сдвиге (испытание на изгиб короткой балки), МПа	91,01	75,85	55,85	48,95

Технический интерес представляют гибридные углеорганоэпокситекстолиты, обладающие при незначительном снижении жесткости и прочности в осевом направлении удовлетворительной прочностью при сжатии. Арматурой для текстолитов служат равновесные ткани из органических волокон Кевлар-49 и углеродных Торнел-300. Свойства однонаправленных и слоистых композитов на основе лент и тканей из арамидного и углеродного волокна приведены в таблице 8.

Таблица 8 - Свойства гибридных композитов на основе УВ Торнел-300 и арамидного волокна Кевлар-49

Объемное содержание в армирующем материале углеродных и арамидных волокон (Торнел-300/Кевлар-49), %	Модуль упругости Е, ГПа	Прочность при растяжении, ГПа	Предел пропорциональности, МПа	Прочность МПа при
				сжатии	сдвиге
Однонаправленные ленты
100/0	145	1,56	335	1007	91
75/25	120	1,28	280	938	76
50/50	108	1,21	301	688	56
0/100	77	1,26	109	286	49
Ортогонально-армированные ленты
100/0	70	0,76		906
75/25	68	0,64	166	593
50/50	55	0,57	81	369
0/100	387	0,60	39	153
Сбалансированные ткани
100/0	66	0,48	139	558	40
75/25	62	0,47	114	278	32
50/50	51	0,42	55	241	29
0/100	37	0,57	38	165	26