1.2.3.4. Поливолокнистые (гибридые) впкм (пвпкм) [11, 63, 163].

Каждый тип ВПКМ имеет недостатки. Е⁺_ll стекловолокнитов в 1,5-2 раза ниже Е⁺ сплавов алюминия, органо(кавларо)волокниты имеют низкие значения σ^-, органо- и углеволокниты – низкие значения τ_сд. Недостатки индивидуальных ВПКМ с волокнами одной химической природы в меньшей степени проявляются в поливолокнистых (гибридых) ВПКМ (ПВПКМ).

Таблица 95. Сравнительная качественная оценка конструкционных свойств ВПКМ и алюминиевых сплавов

Материалы3	Прочность при растяжении, σ+	Прочность при сжатии, σ -	Устойчивость к усталостным нагружениям, σN	Модуль упругости Е+,Е-,Еви	Относительное удлинение, ε	Вибростойкость	Вязкость разрушения ак, Кс, Gс	Стоимость1 (алиминий - 1)
Углеволокниты	++(+)	++(+)	+++	+++	++(+)	+++	++(+)	20-1001
Стекловолокниты	++	++	+	+	+	++	++	1,5-2,51
Органоволокниты	+++	-	+	+(+)	+(+)	-	++(+)	15-1501
Сплавы на основе алюминия	+	+	+	++	-	+++	-	12

Примечания:

1)Стоимость волокон(>90% стоимости ВПКМ), долл. США/кг: Стеклянные: А,С, Е, S -2:3,5-6,0 (в зависимости от σ⁺), углеродные 40-60, более 100 (из ЖК – пеков, типа Р-100-120ч140); в России 1 кг УВ стоит около 30-90 долл. США/кг, нити «Кулон» - 175 долл. США/кг.; полиарамидные типа СВМ, РУСАР, KEVLAR 149 22-24; базальтовые 1,5-3,5. Эпоксидные связующие – до 80 руб/кг, теплостойкие термопласты (типа ПСН – 100 руб/кг, 2008г);

2)1100-1400 долл. США/кг, 20% мировой потребности алюминия обеспечивает Россия;

3)Упругопрочностные свойства однонаправленных прессованных эпоксидных (на основе диановых связующих, отвержденных малеиновым ангидридом; содержание волокон 55% об.) ВПКМ при 20⁰С.

Разработки ПВПКМ связаны с необходимостью устранения недостатков индивидуальных ВПКМ с использование специфических свойств волокон различного состава (высокие значения модуля упругости и прочности, высокая энергия поглощения энергии при разрушении, электропроводность, низкая плотность и др.), с решение экономических вопросов (высокая стоимость высокомодульных волокон).

Поливолокнистые ПВПКМ (органопластики, органоуглепластики и др.) существенно расширили ассортимент конструкционных и функциональных ВПКМ и области их использования в технике (особенно, авиакосмической).

Конструирование поливолокнистых ПВПКМ позволяет в более широком диапазоне менять прочностные и деформативные свойства конструкционных ВПКМ как путем подбора армирующих наполнителей с различными прочностными и упругими характеристиками, так и путем изменения их объемного соотношения и взаимной ориентацией слоев. Такой подход к конструированию состава и структуры ВПКМ позволяет оптимизировать его свойства.

Основным признаком поливолокнистого материала является наличие различных типов армирующих волокон, находящихся в одной среде, выполняющей роль матрицв

Прочностные и упругие характеристики однонаправленных ПВПКМ (σ_ll⁺, σ_┴⁺, σ_ll ^-, σ_┴^-, Е_┴⁺, Е _ll⁺, Е_ви, G) определяются объемным содержанием низкопрочных и высокомодульных волокон.

Так, Е _ll⁺ ПВПКМ Е _ll⁺= Е _м⁺· V_m + Е⁺_вмв· V_вмв+ Е⁺_нмв · V_нмв

Где: М- матрица, ВМВ – высомодульные волокна, НМВ – низкомодульные волокна.

Модуль упругости трехкомпонентных систем линейно возрастает с увеличением содержания высокомодульного армирующего наполнителя, причем тем больше, чем выше его модуль упругости. При сочетании стеклянных и углеродных волокон дополнительный эффект достигается за счет снижения плотности материала.

Прочность при растяжении трехкомпонентных материалов в направлении армирования имеет минимальное значение при некоторой для данной композиции объемной доле высокомодульного компонента, что объясняется неодновременным разрушением входящих в композицию волокон, имеющих различную деформативность. Чем выше модуль упругости высокомодульных компонентов, тем ниже критическая величина её объемного содержания, соответствующая минимальной прочности. Это связано с тем, что разномодульные армирующие наполнители при нагружении композиции воспринимают на себя нагрузку, пропорциональную модулю упругости, а разрушение материала происходит при достижении предельных значений прочности высокомодульных волокон, величина которых понижается с ростом модуля упругости.

Сочетание в композиционном материале различных армирующих наполнителей, один из которых имеет более высокий уровень предельных деформаций, позволяет уменьшить их хрупкость без существенного снижения модуля упругости. Одной из особенностей ПВПКМ является наличие синергического эффекта (синергия – совместное, согласованное действие нескольких факторов в одном направлении). Синергический эффект заключается в увеличении кажущейся предельной информации и предельного напряжения более хрупких волокон в поливолокнистом ВПКМ и в проявлении на диаграммах деформирования площадок псевдотекучести и заключается в том, что свойства ПВПКМ не вытекают из свойств их компонентов, отличаются от свойств, вычисленных по правилу аддитивности, с превышением свойств над расчетными(положительный эффект) или со снижением свойств (отрицательный эффект, результат несогласованной работы компонентов).

Причинами появления синергических эффектов в ПВПКМ являются термические напряжения, статистическая природа прочности ПВПКМ, специфика концентрации напряжений в них (энергетический эффект). Причиной неаддитивности свойств углестекловолокнитов, углеоргановолокнитов являются также различные свойства межфазных слоев на границе углеродное волокно – матрица, стеклянное волокно – матрица, полимерное волокно – матрица.

Для различных ПВПКМ рассчитаны критические величины содержания низкомодульных волокон (табл. 96).

Таблица 96. Критическое содержание низкомолекулярных волокон