2. Пкм с непрерывными волокнами (впкм).

Использование легких элементов (углерод в органических полимерах, углеродных материалах) наиболее перспективно для производства материалов с высокими механическими свойствами. Теоретическая прочность материала зависит от радиуса атома R, образующего химическую связь.

Теоретическая прочность _теор может быть рассчитана по уравнению ЛУМР (Гриффитс) [2]:

_теор  (2_f ^. E/ ^. a_o)^0.5 = y (G _IC ^. E/a_o)^0.5, где

_f - удельная поверхностная энергия, удельная энергия роста трещин (для полимеров 10² – 10³Дж/м²);

Е – модуль Юнга, МПа;

а_о – расстояние между элементами (межатомное расстояние), образующими структуру, постоянная кристаллической решетки (~10^-8м), длина химической связи, длина дефекта, трещины; а_о  f(R_атома); y – геометрические параметры образца; G_IC  2_f - энергетический параметр трещинодвижущих сил, скорость (интенсивность) высвобождения упругой энергии при увеличении дефекта, Дж/м²; I_c – индекс для условий роста трещины с ее раскрытием при растяжении.

Так как _теор  1/а_о^0,5, а а_о  f(R_атома), то при радиусе атома углерода R_c = 0,071нм, теоретической прочности связи С – С равной 16 – 25 ГПа, прочности -связей С – С в карбо- и гетероциклах 210 – 250 кДж/моль (прочность первичных связей в кДж/моль: металлические 110 – 350, ионные 590 – 1050, ковалентные 160 – 940, донорно акцепторные – до 1000) _теор⁺ для полимеров составляет 26,5 – 39,2 ГПа, Е_теор 40 – 350 ГПа.

Прочность объемных образцов, разрушающее напряжение при растяжении _практ⁺ составляет 60 – 120 МПа (отвержденные эпоксидные реактопласты), 115 – 195 МПа (жидкокристаллические ароматические полиэфиры Ксидар, Вектра), 80 – 90 МПа (полисульфоны ПСН, Удел 1700, полиарилсульфон Radel, полиэфирсульфон Victrex 200P), 100МПа (ПЭЭК), 80 – 100МПа (полифениленсульфиды Ryton, Forton фирмы Ticona, Primef, Solvay, обычно с 40% коротких волокон – 140 – 180 МПа), 70 – 80 МПа (полифениленоксиды Арилокс, Норил), 105 – 185МПа (термопластичные полиэфиримиды Ultem, полиимид LARC-TPI, полиамидимид Торлон), т.е. 2,5 – 3,8% от _теор⁺ (Е_практ⁺  5%Е_теор⁺), что связано с высокой дефектностью промышленных полимеров, определяемой структурными и технологическими причинами.

По ЛУМР _теор⁺ /_практ⁺  (а_о/l)^0.5, где l – длина дефекта, трещины, т.е. достаточно иметь трещину длиной l мкм, чтобы _практ⁺ снизилось в 10 раз.

Механические свойства волокон, особенно, полимерных и углеродных, при формировании которых наряду с масштабным фактором реализуется микрофибрилярная высокоориентированная структура существенно ближе к теоретическим (табл.2).

_практ⁺ высокопрочных углеродных волокон 5-7 ГПа, что составляет уже 20-25% от _теор⁺ , равной 70 ГПа. Е_практ⁺ высокомодульных углеродных волокон 200-980 ГПа (20-90% от Е_теор⁺). _практ⁺ высокомодульных углеродных волокон из-за разориентирования микрокристаллов графита с низкой сдвиговой прочностью относительно оси волокна не превышает 3% _теор⁺ (25 ГПа).

Значение Е_практ⁺ полимерных волокон из ароматических полимеров, СВМПЭ достигает 50% Е_теор⁺, _практ⁺ = 10-15% _теор⁺ .

Разработан большой ассортимент волокон (табл.3) и текстильных форм из них (нити, жгуты, ровинги, ленты, ткани различной текстуры), которые используются в производстве ПКМ, металлических (МКМ), керамических (ККМ), углеродных (УКМ) материалов и изделий из них.

ПКМ в качестве матрицы используют различные полимеры (связующие), при этом упрочняющий компонент (наполнитель) может иметь любую природу. Свойства КМ образуются объемным сочетанием компонентов. Непрерывная матрица воспринимает внешние нагрузки, передает их компонентам второй фазы (в ВПКМ – волокнам), останавливает рост трещин, появляющихся при разрушении волокон за счет относительно высокой пластичности или местного отслоения волокна от матрицы. Оба эти процесса приводят к поглощению (диссипации) энергии, выделяемой при разрушении волокон и характеризуется при растяжении параметром G_IC (коэффициент интенсивности высвобождения упругой энергии деформации). Достаточный уровень трещиностойкости при обычных условиях нагружения обеспечивается при значениях G_IC 250-350 Дж/м², для сильнонагруженных конструкций требуется G_IC  1000 Дж/м² [3].

Эластификация полимерных матриц без снижения их прочности и модуля упругости достигается при использовании «жидких» каучуков (и термопластов с высокими значениями G_c), приводит к формированию гетерофазных дисперсий, в которых эластичная фаза с определенными размерами частиц равномерно распределена в объеме стеклообразной фазы, физически и химически воздействуя с ней. При такой модификации G_IC термореактивных матриц может быть повышена до 400-600 (1000) Дж/м². Трещиностойкость ВПКМ симбатно коррелирует с трещиностойкостью матриц [2, 3].

Матрица защищает наполнитель от воздействия окружающей среды (при водопоглощении 5-8% масс. Прочность и модуль упругости снижаются на 15-20%, теплостойкость на 50-100^оС), определяет многие функциональные свойства (радиопрозрачность, химстойкость и т.д.), формирует межфазный слой при контакте с наполнителем, благодаря смачивающей способности связующего, которая определяется соотношением поверхностных энергий компонентов (поверхностное натяжение жидкого связующего 23-50*10^-3Н/см, критическое поверхностное натяжение смачивания _с = 18-40 дин/см, поверхностное натяжение растекания больше 45*10^-3 Н/см, поверхностная энергия, в эрг/см²: металлов более 1300, аморфного кварца 260, алюмоборосиликатных стекол 425, углерода 50-70, полимеров 30-60).

Межфазный слой – часть объема матрицы (в органопластиках и часть объема наполнителя), в котором свойства под влиянием физического и химического взаимодействия с поверхностью наполнителя существенно изменились. Он показывает существенное влияние на когезионное и адгезионное разрушение ПКМ и объеме, на границе раздела фаз, на характер и величины напряжений, возникающих в матрице. Большой ассотимент полимерных матриц позволяет провести их целенаправленный выбор для ПКМ с заданными свойствами. По комплексу свойств наиболее полно отвечают современным требованиям матрицы на основе модифицированных эпоксидных связующих, малеинимидные матрицы и составы на основе смесей имидообразующих мономеров (табл.4). [3]

Когда определяющими требованиями являются теплостойкость, огнестойкость, трещиностойкость, низкое водопоглощение наряду с высоким уровнем упругопрочных свойств, а модификация эпоксидных материалов не дает требуемых результатов, используют ВПКМ на основе малеинимидных (Т длит. раб.220^оС) и полиимидных (смеси имидообразующих мономеров PMR – 15, LARC – 160, АПИ, Т раб. при 300^оС  2000час, при 350^оС  500 час.) связующих (табл.4).

Таблица 2. Теоретические и практические значения модуля упругости (Е⁺) и разрушающего напряжения при растяжении (σ⁺) объёмных материалов и волокон [3].

Материалы	σ+теор, ГПа	Е+теор, ГПа	σ+практ, ГПа	Е+практ, ГПа
1.ПОЛИЭТИЛЕНЫ (ПЭ)	27-35	240-350
ПЭВП (формованные изделия)			0,02-0,04	0,4-1,0
ПЭВП (волокно)			0,45-0,80	3,0-8,5
Сверхвысокомолекулярные ПЭ (Тпл 1470С, Траб 100-1200 С)
Волокна: Спектра 900 (38 мкм)			2,65	120
Спектра 1000 (27 мкм)			3,10 (до 4)	175
По гель - технологии			4	250
TEKMILON (ф. MITSUI; ρ 0,96 г/см3,ε 4-6% )			1,5-3,5	60-100
DYNEEMA SK-60 (ф. DSM, Голл.; DFVLR, ФРГ; ρ 0,97 г/см3, ε 3-6%)			2,0-3,5	50-125
ПЭ монокристаллы			22
2. ПОЛИПРОПИЛЕНЫ (ПП)	16	40-50
Формованные изделия			0,03-0,04	1,1-1,4
Волокно (Тпл 1700С)			0,3-0,7	3,3-10
Волокно по гель - технологии			3,42	21-29 (до 36)
3.ПОЛИАМИДЫ АЛИФАТИЧЕСКИЕ	27	230
Формованные изделия (ПА6, ПА66, ПА12, ПА610)			0,07-0,08	1,0-2,6
Волокна (капрон, нейлон)			0,50 – 0,95	2 – 4,5
4. ПОЛИАМИДЫ АРОМАТИЧЕСКИЕ (волокна)	30	350
СВМ			3,8-4,2	100-110
РУСАР			3,6-3,8	120-135
РУСАР «О»			4,5-5,0	150
ВМН-88			3,7-4,5	157-167
КЕВЛАР 49 (К-49, Т969, Т981)			2,8-4,0	125-140

Продолжение таблицы 2.

Материалы	σ+теор, ГПа	Е+теор, ГПа	σ+практ, ГПа	Е+практ, ГПа
КЕВЛАР PRD-149 (ρ 1,39 г/см3, ε 4,4%, КИ 25)			2,4-4,2	160-180
TECHNORA HM-50 (ТФК, п -ФДА и 3,4-ДАДФЭ, 2:3 или 1:1)			3,1	71
TBAPON APEHKA 900, 930 (ф. ЕНКА, Нидерланды, ρ 1,44 г/см3)			2,5-3,0 (до 3,6)	70 -130 (до 150)
5.Поли-n-фениленбензтиазол (волокно ПФБТ, ρ 1,58 г/см3, ε 0,9%)			2,7-3,2 (до 5,56)	300-330
6.УГЛЕРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Карбин (сверх короткие кристаллы)	220-230
Алмаз	200	1220
Графитовые кристаллы (плотность идеал. 2,27 г/см3)	140	1060
Стеклоуглерод	300		0,1-0,24	32
Промышленные волокна:	25-70	1060
Зарубежные			до5-7	до450-500
УКН-5000П			3,5	220-250
КУЛОН (нить)			3,0-4,0	350-450
ВЭН-280			2,5-2,8	600-700
ЭЛУР-П			2,0-2,5	180-200
Из ЖК-ПЕКОВ: ТОРНЕЛ Р-100 UHM (λ 500 Вт/м·К, Ag-450)_			2,5 (до 4)	780
Р-120 (λ 600 Вт/м·К)			2,2 (до 4)	840
Р-140 (λ 700 Вт/м·К)			2,5 (до 4)	980
7. СТЕКЛО	10-14	140
Промышленные волокна			2,4-5,0	51-116 (до 140)
8. КВАРЦ	25	160
Волокна 99,9% SiO2			2-3(до 6)	74

Таблица 3. Сравнительные свойства волокон.

Волокна	ρ, г/см3	σ+,ГПа	Е+,ГПа	ε+,%	σ+/ρ, км	Е+/ρ·103, км	Диаметр филамента, мкм	Тдлит.раб.на возд.0С	Тпл,0С
Стекло Е	2,5-2,6	1,7-3,5	64-73	3	118-138	27,6-30	5-25	350	1300
Стекло S	2,48-2,51	4-4,8	78-85	5,3	160-194	24,3-30	5-15	300	1650
Углеродные HM/UHM	1,96/≥2,0	1,86-2,5/2,5-4,0	До500/до900	95-120	164-200	5-12	600	3650	3650·
Углеродные НТ10К	1,8	5 (до 7)	До300	1,8-2,1	300-1100	160-200	5-7	500	3650·
Кварц	2,2-2,3	5,9	75	1,5-1,8	230-270	29-32	1-3	1300	1930
Базальт (SiO2 49-55%)	1,7	1,97-2,5 (до2,85)	71-90 (до 120)	-	-	-	8-14	700	1250
Асбест (хризотил)	2,4-2,6	1,38-2,1 (до 4,2)	160-172 (до 220)	-	55	69	16-30 нм	450	1520
Аl2O3	2,5-3,95	1,3-3,0	115-420	0,35-1,2	-	-	3-25	1000-1400	1800-2500
SiC	2,55-3,4	2,5-4,0	180-450	-	100-150	130-200	10-143	1000-1350	3100
TiC (Tyranno)	2,4	2,5	120	2,2	104	50	1	1300-1600	-
ПТЭФ, лавсан	1,38	0,6	18	15	60	13	10-200	100	250
ПА-66	1,2	10	25	20	80	4	25	150	250
Кевлар 49/149 Hm	1,45/1,47	3/2,4	135/160	3,5/1,5	210	93	12	250	360
Технора HM 50	1,39	3	75	4,3	210	54	12	250	350
Спектра 900, 1000 (СВМ ПЭ)	0,96	2,65-3,12	117 (до 170)	3.5	310	120	38	100-120	180
Борные	2,5-2,76	2,35-3,8	363-420	0,6-1,0	-	-	96-203	300	2000

Продолжение таблицы 3.

Волокна	ρ, г/см3	σ+,ГПа	Е+,ГПа	ε+,%	σ+/ρ, км	Е+/ρ·103, км	Диаметр филамента, мкм	Тдлит.раб.на возд.0С	Тпл,0С
Вольфрам (волочение)	19,2-19,3	3,3-4	402-410	-	20	20	10 (до 250)	800	3400
Жаростойкая сталь (волочение)	7,8-7,9	4-4,13	176-200	-	50	20	50-100	-	1620
Бериллий	1,85	1,1-1,3	290-310	-	71	163	130	-	1285
Тантал	11,66	0,62	193	-	37	11,6	-	-	3000
Титан	4,5-4,7	0,55-1,93	115-120	-	27-41	22-27	-	-	1670
Алюминий	2,68-2,7	0,29-0,62	70-73	-	23	27	-	300	660
· Температура сублимации.

При разработке матриц учитывают сложный комплекс требований к ним: 1) высокие упруго-прочностные свойства (повышение прочности термореактивных матриц до 250МПа, в перспективе до 500 МПа за счет использования химически индивидуальных олигомеров, а не их смесей – смол, использование полиариленов и погетероариленов, вместо карбоцепных, у которых ⁺ в 200 раз ниже прочности связи С-С); 2) высокая термоустойчивость (тепло-, термо-, огнестойкостьпо показателям горючести, дымовыделению, токсичности продуктов горения, FST-свойства, flammability, smoke, toxity, замена эпоксидных матриц на малеинимидные, если требуемая теплостойкость превышает 150^оС с обеспечением FST-свойств), 3) низкое водопоглощение (повышение трещиностойкости, устранение на микроуровне дефектов, стимулирующих осмотический механизм насасывания воды, уменьшение концентрации третичных азотов в малеинимидных матрицах, отвержденных аллильными отвердителями, снижение равновесного водопоглощения в 2-5 раз). Реализация оптимальной структуры ВПКМ обеспечит повышение их прочности ⁺ до 2,35 ГПа при 250^оС (для МКМ ⁺  1,45 ГПа при 450^оС).

При прогнозировании прочности и модуля упругости ПКМ (и многих других свойств) используют правило аддитивности:

⁺ = К₁ (К₂ ^. _м ^. V_м + К₂ ^. _в ^. V_в ), где:

К₁ – комплексный коэффициент, характеризующий особенности КМ,

К₂ – коэффициент, характеризующий тип деформирования.

_м, _в, V_м, V_в – соответственно разрушающие напряжения при растяжении и объемные % матрицы и волокон

Таблица 4. Свойства перспективных термореактивных матриц для ПКМ[3].

№	Матрицы	Температура переработки, 0С	Водопоглощение за 24 часа, %	Трещиностойкость, Glc, Дж/м2	Температура стеклования, 0С	Температура длительной эксплуатации, 0С	Огнестойкость, КИ
1 2 3	Эпоксидные Диановые на основе диглицидиловых олигомеров (ЭД, ЭДТ-10). На основе тетраглицидиловых олигомеров (ЭХД, ВС 2526, ВС 2561, 5208, МУ 720). Экспериментальные, в т.ч. эластифицированные.	20-180 120-200 120-200	9,5-12 6,5-8,0 1-2	60-200 100-400 >1000 (до 7500)	160 80 200 160 200-300 150-250	100 80 120 100 150-160 120	17-21 20-22 22-25
4 5 6	Малеинимидные (БМИ) БМИ, отверждаемые аминами (ПАИС, ТП, ИД) БМИ, отверждаемые аллильными соединениями. Эластифицированные БМИ, отверждаемые аллильными соединениями.	180-250 160-220 160-220	4-6,5 1,5-3,0 1.5-3,0	60-200 200-600 до 1000	250-350 160-180 250-350 200-250 200-290 200-250	150 120 200-220 180-200 180-200 180-200	30-35 35-40 35-40
7 8	Полиимидные (мономерного типа) На основе смесей мономеров (PMR, АМИ-2,3). Фторсодержащие (Авимиды, PMR-T, АПИ-Ф).	280-340 300-370	1-2 0,5-1,5	80-200 (400-600)* до 2500	340-360 320-340 250-400 240-370	250-270 до 250 250-300 250-300	40-60 70-90

Примечание: Числитель – в сухой среде, знаменатель – после равновесного водопоглощения.

Составы 1 и 4 приведены для сравнения, *- эластифицированные АПИ-М, LARC-RP40.

** температура сохранения 50% начальных свойств после 2000 часов.

В зависимости от характера деформирования компонентов КМ (_тм, _тв – пределы текучести матрицы и волокна, _тм – напряжение в матрице при предельной деформации волокна):

⁺ = К₃ (_в ^. V_в + _тм ^. V_м): волокна деформируются упруго, матрица пластически (стеклопластики, углепластики и др.);

⁺ = К₃ (_тв ^. V_в + _тм ^. V_м); волокна и матрицы деформируются пластически (органопластики).

При таком подходе прочностные свойства ВПКМ во многом определяются свойствами наполнителя (доля _м ^. V_м  5%). Однако, свойства ВКПМ зависят от соотношения свойств матриц и наполнителей, определяющих взаимодействие компонентов, вязкость разрушения, трещиностойкость, монолитность, практически весь комплекс технологических и эксплуатационных свойств ВПКМ. Т.к. _км⁺ ~ К₁ ^. _в^{+ .} V_в и Е_км⁺ ~ К₁ ^. Е_в^{+ .} V_в, то для получения высокопрочных и высокомодульных КМ необходимо использовать высокопрочные и высокомодульные волокна. Один из способов оптимизации конструкционных свойств КМ – оптимальный объем фазы наполнителя, в ВКПМ – объем волокон, который изменяется в широких пределах в зависимости от типов упаковки волокон в матрице (V_в, %об): тетрагональная (объемно-центрированная кубическая) – 78,5; гексагональная – 90,7; статически плотная – 82,0; хаотически-ориентированная – 52; с волокнами разного диаметра – 92,4. Повышение V_в до 95 (и даже 99) %об. (предельное армирование) может быть реализовано при использовании профильных волокон. Перепрофилирование стеклянных волокон сопровождается ростом концентраторов напряжений (углы гексагонального сечения), полимерных (фенилоновых) волокон – изменением ориентированной структуры и механизма перераспределения напряжений из-за малого объема матрицы.

Допустимый объем волокон в матрице зависит от диаметра Дв и минимально возможного расстояния между волокнами, обеспечивающего непрерывность матрицы, V_в ~ 0.846/(1 + min/Дв)², хотя критический объем волокон Vв, обеспечивающий эффект упрочнения, значительно ниже:

V_в,.крит = (_м - _тм ) / (_в - _тм )  20%

Благодаря прочности _м - _тм (деформационное упрочнение матрицы), после разрушения волокна матрица перераспределяет напряжения (если сохраняет непрерывность и контакт с волокнами) на неповрежденные волокна.

В реальных ПКМ V_{в, опт} определяется как составом и структурой композиции, так и условиями нагружения.

Содержание волокон в однонаправленных эпоксидных углеволокнитах, обеспечивающее оптимальные свойства при различных условиях нагружения составляет:

Вид нагружения		Vв, опт %об
Растяжения	11+(II)	64-68
	22+()	50-54
Cжатие	11-(II)	60-64
	11-()	54-58
Межслойный сдвиг	12	58-62

Изготовление ПКМ начинается с процесса приготовления связующего и для композиции решающими являются вязкостные характеристики связующих.

Реологические свойства связующих оказывают существенное влияние на выбор параметров процесса совмещения компонентов (пропитка), формирования полуфабрикатов и организацию технологического процесса формирования изделий.

Специфика ПКМ часто предопределяет разделение производства наполнителей (нитей, лент, тканей) и матриц (связующих) с последующими операциями изготовления изделий, в том числе через стадию препрегов (специализированное производство).

Современные тенденции в области матриц ПКМ связаны с модифицированием полимеров традиционных классов с целью получения материалов, удовлетворяющих современным требованиям, предъявляемых к связующим для ПКМ (как технологическим, так и эксплуатационным), с необходимостью обеспечения состава и свойств связующих выбранному технологическому приему формования (жидкофазная и твердофазная намотка, пултрузия, роллтрузия, вакуумное, автоклавное, термокомпрессионное формирование, прессование, спекание), с разработкой и использованием новых типов неорганических, элементоорганических и органических (карбо- и гетероциклических) полимеров. Необходимость использования непрерывных нитей и волокон взамен лент и тканей для повышения прочности ПКМ до 2-2,5 ГПа (при ⁺ = 1ГПа в самолете объем использования ВПКМ – 20%, при ⁺ = 2ГПа  40%) привела к разработке пленочных связующих и клеев (для сборки сотовых конструкций). Низкая влагостойкость, огнестойкость и трещиностойкость эпоксидных матриц стимулировало их модифицирование (например, использование ЭДТ – 69Н взамен ЭДТ – 10) и переход к малеинимидным матрицам.

Природа дефектов в полимерных матрицах различна и во многом определяется составом и технологией изготовления связующих, в случае термореактивных матриц, и условиями формирования матриц с пространственной структурой при отверждении. Полимерные сетки весьма дефектны, имеют микрогелевую структуру с высоким уровнем остаточных напряжений, низкими показателями прочности и модуля упругости. Из-за полидисперсности и дефектности структуры прочность промышленных термопластов со степенью кристалличности до 30% не превышает 150МПа, что в 200 раз ниже прочности связи С-С.

Переход к полиариленам (ПЭЭК, полифениленсульфиды) и полигетероариленам (полиимиды) позволяет существенно повысить упругопрочностные свойства, хотя производство изделий из термопластичных ПКМ с вязкостью матрицы 10⁴ – 10⁸ Па^.с при температуре 300-380^оС затруднительно.

Для ВПКМ с высокопрочными и высокомодульными волокнами необходимо обеспечить деформационную совместимость и монолитность композиции. Деформационная совместимость компонентов обеспечивает монолитность ПКМ и, наряду с физико-химической совместимостью компонентов (смачивание, адгезия, теплофизические свойства), имеет важнейшее значение для реализации свойств волокон в ПКМ, которые несут основную нагрузку (при упругом деформировании напряжение в волокне в 20-40 раз больше напряжений в матрице).

Механизм перераспределения напряжений в ВПКМ заключается в следующем:

1. при растяжении волокон они удлиняются и поперечно сжимаются;

2. удлинение волокон в плоскости, перпендикулярной приложенной силе, растягивающегося напряжения, препятствующего поперечному сжатию волокон;

3. при поперечном сжатии пленка связующего, прилегающая к волокну, растягивается (деформация волокон приводит к деформации матрицы) или отрывается, или растрескивается (зависит от _сц и _м⁺ в пограничном слое);

4. для разрушения ВПКМ под нагрузкой требуется преодолеть не только суммарную прочность волокон, но и силы, препятствующие поперечному сжатию;

5. эти силы тем больше, чем больше адгезия связующего к поверхности наполнителя (W_адг = _п.н (1 + Cos), где _п.н. – поверхностное натяжение жидкого связующего,  - угол смачивания) и чем выше упругие свойства матрицы (необходимы матрицы с высокой прочностью и трещиностойкостью).

Даже при простейшем виде деформирования – растяжении однонаправленных ВПКМ вдоль волокон, в объеме ВПКМ возникает сложнонапряженное состояние. Наличие связи между компонентами ВПКМ обуславливает появление в матрице и на границе раздела радиальных, тангенциальных и осевых напряжений. Вследствие различия в КЛТР волокон и матрицы (α_м>α_в) при охлаждении ниже температуры формования в ВПКМ возникают напряжения. Объемно-напряженное состояние создается в связи с различием коэффициентов Пуассона матрицы ν_м и волокон ν_в. Величины окружных и касательных напряжений из-за суммирования остаточных термических внешних напряжений соизмеримы с прочностью матрицы и прочностью сцепления τ_сц на границе раздела.

Понятие монолитности ВПКМ предполагает сплошность компонентов, отсутствие нарушения связи на границе раздела при деформировании ВПКМ до тех пор, пока не разрушатся волокна. Для ВПКМ необходимы матрицы и наполнители с конкретно задаваемым соотношением упруго-прочностных свойств. Независимо от вида нагружения условия сплошности описываются системой числовых неравенств между механическими характеристиками волокон и матриц, прочностью их сцепления при сдвиге и отрыве, обеспечивающих их совместную работу в ВПКМ с учетом объемов наполнителя и матрицы. При этом обязательно выполнение всех условий монолитности:

E_M/E_B ≥ 0,06÷0,064;

ε_в/ε_м ≥ 1,5 при ε_M ≥ 3÷5%;

τ_М≥τ_сц при τ_М = (0,60÷0,75)σ_в;

τ_сц/ σ_в ≥ 0,040÷0,060;

σ_М/ σ_в ≥ 0,06÷0,07,

где E – модуль упругости; ε – деформация; τ – напряжение сдвига; σ – напряжение растяжения; в – волокна; м – матрица; сц – прочность взаимодействия.

При одновременном нагружении и нагревании до температуры Т учитывается и разница в коэффициентах теплового расширения α_м и α_в. Тогда:

σ_м/σ_в ≥ 0,06 – (α_м – 2,33α_в)Тε_м/σ_в;

ε_м/ε_в ≥ 1,5 + (0,3α_м + α_в)Тε_м;

τ_сц/σ_в ≥ 0,04 + 0,06(α_м – 2,33α_в)ТЕ_м/σ_в;

Е_м/Е_в ≥ 0,064/1 – 1,2Т(α_м – 2,33α_в).

Указанные выше требования к свойствам матриц вытекают из условий сохранения монолитности материала. Они (табл.5) в значительной степени превосходят уровень свойств промышленных отвержденных (густосетчатых) полимеров.

Для повышения свойств ПКМ необходимы матрицы с σ ≥ 250 МПа, относительным удлинением выше 3%, деформационной теплостойкостью 200 – 300 ºС и водо поглощением не выше 1%. Более перспективным является применение в качестве матриц линейных жесткоцепных полимеров, G_с которых колеблется в пределах 1700 – 3900 Дж/м².

Таблица 5. Рассчитанные показатели свойств матриц, обеспечивающие монолитность однонаправленных ВПКМ [4].

Свойства волокон	σ+, МПа	2350	4200
	Е+, ГПа	75	100
	ε+, %	3	3,5
Требуемые свойства матриц	σ+, МПа	140	2501
	Е+, Гпа	4,5	5,7
	ε+, %	4,5	5,25
Свойства межфазного слоя	τ+, МПа	94	1681

¹ труднодостижимые показатели

У жесткоцепных матриц прочность при растяжении составляет 90 – 300 МПа, при изгибе 110 – 160 МПа, модуль упругости – 3500 – 4500 МПа и относительное удлинение – до 15% (все это при плотности 1,2 – 1,3 г/см³ и теплостойкости 250 – 300 ºС). Свойства термопластичных матриц (например, ПЭЭК) ближе к рассчитанным показателям идеального матричного компонента ВПКМ, однако реализовать их сложно, поскольку по технологическим причинам не обеспечивается требуемое значение τ_сц (плохое смачивание из-за высокой вязкости расплава) и прочности на границе контакта термопластичная матрица – наполнитель.

Существенно возрастают механические свойства термопластичных матриц, синтезируемых в форме блоксополимеров, в которых полужесткие блоки сочетаются с блоками жесткоцепными (жидкокристаллические термотропные жесткоцепные полиэфиры Вектра, LCP, Хайдар).

Механические свойства формованных ЖКП близки к механическим свойствам типичных термопластов с 30% об. дисперсного наполнителя. Жесткие блоки в ЖКП упрочняют полимер, а при оптимальном содержании мезофазы вязкость расплава составляет 10 – 100 Па·С. ЖКП является основой самоармирующихся молекулярных ПКМ. Молекулярные композиты при плотности 1,35 г/см³ характеризуются прочностью при растяжении 140 – 160 МПа, при изгибе 180 МПа, относительным удлинением 5% и теплостойкостью до 360 ºС [255].

Практически все параметры деформирования ВПКМ зависят не только от свойств волокон, но и от свойств матрицы, прочности её сцепления с наполнителем.

Под действием нагрузки в пограничном слое возникают напряжения, которые передаются по длине волокна неравномерно. Волокна состоят из отдельных звеньев, длина которых равна статистически определяемому расстоянию между локальными дефектами волокон. Минимальная длина волокон « _крит», при которой касательные напряжения на границе раздела с матрицей при достаточной для реализации свойств волокон, должна быть меньше расстояния между дефектами (рис 2, 3).

Рис. 2. Эпюры распределения напряжений _в и _в при изменении длины волокна с постоянным диаметром.

Рис. 3. Эпюра касательных напряжений, передаваемых полимерной матрицей волокну (в упругой постановке):

1 – участок адгезионного сцепления;

2 – участок фрикционного сцепления.

, где :d_в – диаметр волокна;

σ_в, Е_в – прочность и модуль упругости волокна;

G_м - модуль сдвига матрицы;

τ_сд – касательные напряжения на границе волокно-матрица.

Так как ,

, где е – уровень адгезионного взаимодействия, е = 0,1-1,0

Оценка вклада химических взаимодействий матрица-волокно (А) и за счет сил трения ( шероховатость поверхности, текстура лент, тканей, Б) показывает, что

и решающим является вклад в величину τ_сд за счет организации химического контакта матрица-волокно («А» в 40 раз больше «Б»).

Для ВПКМ, использующих в технологии нагрев (при отверждении термореактивных ПКМ из-за химических реакций сокращение расстояний с 3,0-4,0 нм до длины ковалентной связи ~15 нм, стекловании, кристаллизации уменьшается свободный объем, тепловые и химические усадки), наибольший вклад в значение τ_сд связан с фрикционной составляющей (для теплопроводных ВПКМ он меньше), возникающей за счет давления Р на границе волокно-матрица из-за разницы α_в и α_м.

, где : ΔТ=Т_с – 20 ºС, Т_с – температура стеклования, отверждения, кристаллизации;

υ_м, υ_в – коэффициенты Пуассона.

Величина _крит определяет как критический объем волокон V_{в, крит} в ВПКМ,

так и прочность ВПКМ в зависимости от реальной длины волокон « », используемых в качестве наполнителя.

При < _крит

При < _крит (1), где:

β=1 матрица и волокна идеально упруги;

β=0,5 матрица и волокна идеально пластичны;

β=0,9 для высокомодульных ВПКМ (углеволокниты, волокниты с SiC-волокнами; другие с волокнами, у которых E⁺>250 ГПа).

Введение коэффициента  обусловлено зависимостью сдвиговых напряжений и размеров зоны их концентрации на границе раздела фаз от жесткости полимерной матрицы. Из формулы следует, что при конструировании большинства реальных пластиков, у которых 0,5<1, изменение _крит – один из путей создания композиций с заданной прочностью при растяжении. Примером практического применения этого способа может служить конструирование композиционных пластиков, армируемых монокристаллическими волокнами (обычно с длиной, от 0,25 до 1,25 мм), у которых отношение /d колеблется в диапазоне 800-2000 (например, у сапфировых «усов»).

Большое внимание должно уделяться созданию прочного сцепления армирующих волокон со связующим, чтобы таким путем добиться уменьшения _крит. Этому способствует использование специальных методов отработки поверхности наполнителей.

Из формулы (1) следует также, что влияние _крит на механические свойства композиционных пластиков ослабевает при увеличении длины армирующих волокон с большим среднестатическим расстоянием между локальными дефектами вдоль волокон. Это обстоятельство является одной из важнейших причин того, что при конструировании композиционных пластиков силового назначения предпочтение отдают непрерывным волокнам, совершенствуя технологию изготовления пластика и переработки его в изделия [5, 6].

Разрушение адгезионного взаимодействия концов волокон с матрицей неизбежно, т.к. они и τ_сд полимеров ниже . Передача усилий от матрицы на волокно возможно, т.к. на концах волокон возникают дополнительные силы, предотвращающие смещение волокон относительно матрицы – силы трения. Расчетная длина фрикционного участка и реальная длина волокна =10 – 100 _крит. При >10 ВПКМ c короткими ориентированными волокнами имеют 95% прочности ВПКМ с ориентированными непрерывными волокнами. Эффективность армирования достигается только при (до 350 и более), что связано со сложностью организации контакта волокно-матрица и сохранения его при эксплуатации изделий из ВПКМ. Критическая длина волокна определяется, в основном, организацией взаимодействия с использованием методов регулирования поверхностной энергии наполнителя и поверхностного натяжения жидкой полимерной матрицы перед стадией совмещения компонентов при изготовлении композиции и сохранением контакта фаз в материале.

Универсальных способов обработки поверхности наполнителей нет, хотя часто эти операции называют «аппретированием». Повышение τ_сц, τ_сд достигают использованием поверхностно- и химически активных , чаще всего, кремнийорганических веществ (аппретирование, снижение поверхностной энергии высокоактивных минеральных поверхностей, аппретирование стеклянных, кварцевых, базальтовых SiС-волокон), электрохимическим окислением (метод ЭХО, повышение поверхностной энергии углеродных волокон), обработкой поверхности полимерных волокон тлеющим, коронным разрядом, активация их поверхности. Целенаправленная обработка поверхности снижает _крит углеродных волокон с 0,35-0,6 мм до 0,1-0,2 мм (метод ЭХО), борных волокон – до 1,6-2,0 мм; стеклянных волокон – до 0,16-0,5 мм.

Так как , использование непрерывных волокон позволяет повысить упруго-прочностные свойства ВПКМ и использовать высокопроизводительные технологические приемы формирования полуфабрикатов и формования изделий из них (намотка, пултрузия и др.).

В ВПКМ осуществляется эффективное перераспределение напряжений деформирования от матрицы к волокну, которое деформируется в соответствии со своими упруго-деформационными характеристиками до разрыва, обеспечивая упрочнение гетерофазной системы. Исчерпание прочности волокон позволяет достичь теоретического предела прочности ВПКМ при выполнении двух условий: отсутствия продольного растрескивания и низкой концентрации напряжений вблизи дефектов.

Качество контакта компонентов в КМ характеризуют конечными значениями τ_сц, τ_сд, которые следует характеризовывать как соотношение когезионных и адгезионных взаимодействий. Удельный вклад адгезионной и когезионной прочности матрицы в прочность ВПКМ при растяжении превышает удельный вклад деформативности матрицы в 15,8/1,42 и 15,8/5,3 раза соответственно. В зависимости от соотношения между прочностью матрицы, волокна и прочностью их сцепления на границе раздела при каждом виде деформирования возможны три случая разрушения ПКМ:

Когезионные по матрице (σ_в>σ_сц>σ_м);

Когезионные по волокну (σ_м>σ_сц>σ_в);

Адгезионно-когезионные по межфазной границе и по матрице (σ_в>σ_м≥σ_сц).

Разрушение и рост исходной трещины (дефекта) начинается, если напряжение у вершины трещины достигает предела прочности материала. Распределение напряжений у вершины трещины существенно зависит от того, является ли матрица упругой или пластичной. В случае пластичных и термореактивных матриц и ПКМ в вершине трещины наблюдается зона пластической деформации. В зоне пластичности матрица передает сдвиговые напряжения, равные пределу её текучести при сдвиге.

Оптимальные значения предела текучести матрицы уменьшаются при увеличении модуля упругости волокон. Использование матриц с повышенными прочностными и адгезионными характеристиками приводит к хрупкому разрушению.

При излишнем снижении этих характеристик проявляется опасность растрескивания ПКМ из-за наличия компоненты сдвиговых и трансверсальных растягивающих напряжений, либо из-за эффекта Пуассона, либо вследствие отклонения напряженного состояния от идеального одноосного. Как при растяжении, так и при хрупком разрушении свойства матрицы влияют на прочность ПКМ гораздо сильнее, чем при разрушении вследствие исчерпывания прочности волокон.

Прочность при сжатии σ^-- находится в прямой зависимости от прочности сцепления матрицы с волокном. Прочность при сжатии полимерных матриц в силу специфического строения полимеров выше σ⁺ и σ_ви, но сжатие ПКМ описывается спектром механизмов разрушения, в каждом из которых роль матрицы различна. Для противостояния разрушению при сжатии нужны матрицы с высокими значениями G_сд, σ> 200 МПа.

Прочность ПКМ при межслойном сдвиге, растяжении и сжатии поперек волокон зависит от соотношения жесткости матрицы и волокон, от механизма разрушения, прочности сцепления ( ).

Для повышения конструкционных свойств ПКМ необходимо учитывать соотношения и , особенно при их нагружении в трансверсальном направлении и при сдвиге.

Увеличение пористости с 1 до 9% снижает σ_ви ПКМ в 1,5-2 раза. Ползучесть ПКМ уменьшается с увеличением модуля длительной упругости матрицы.

При повышении прочности матрицы до (0,05-0,07) σ_в (до 200 МПа) усталостная прочность ПКМ может составлять 800-1200 МПа.

С ростом модуля упругости армирующих наполнителей (волокон) необходимы матрицы с резко улучшенной деформативностью, ударной вязкостью и трещиностойкостью (табл. 6). Характеристики ударной вязкости а_к матриц и ПКМ качественными параметрами по зоду (Дж/м) и по Шарпи (Дж/м²) с надрезом и без надреза образцов следует считать устаревшим (как и теплостойкость матриц и ПКМ по Мартенсу, Т_м). Для характеристики ударной вязкости и трещиностойкости используют показатели удельной поверхности разрушения γ_к, коэффициент интенсивности (силовой параметр ) К_с, энергетический параметр

где γ – константа, являющаяся функцией формы и размера образца; с=πа, «а» - характерный линейный размер опасного дефекта (трещины).

Более удобен для расчетов коэффициент интенсивности:

при достижении критического значения которого К_с происходит разрушение: .

Трещинностойкость ПКМ симбатно коррелирует с трещинностойкостью матриц. Для практических целей используют и показатели трещинностойкости, характеризующие остаточную прочность ПКМ при сжатии после ударной нагрузки с энергией 3,3; 4,5; 6,7; 9,0 кДж/м (CAI_3.3; CАI_4.5; CАI_6.7; CАI₉ – стандарт 7210 фирмы Боинг) и 265 Дж/м² (стандарт фирм Боинг и Нортроп).

Таблица 6. Трещиностойкость полимерных матриц.

Матрица	GIc, Дж/м2	Матрица	GIc, Дж/м2
Термопластичные		Бисмалеинимидные
Торлон4000Т	3900	К 601	140
ПИ 2080	920	С 976/ТМ 123	580
Полисульфон Р1700	1700	Матриид 5292	250
Полиэфирсульфон 3600С	1100	1М-АД94-306	330-370
ПЭИ Ултем	1000-19000	Дисбимид RTM	500
Авимид N (NR-150)	2400	F-178	104
Авимид К-2	1400-1700	С 796/ТМ 123/ПГ	1000
Авимид К-3	1900
Полиэпоксидные		Полиимидные
ЭД-20+ГМДА	200-575	PMR-15	230-285
ЭД-20+ДЭТА	130-250	Скайбонд	410
ЭД-20+этилендиамин	280-600	Теримид 600	210
ЭД-20+МФДА	120-240	Теримид 602	610-815
ЭД-20+МЭА	48	LARC-13 эласт.	390
ЭД-20+ТГФА	36-48	PMR-15+NR-150	400
ЭД-20+УП 606/2	200-250	АПИ-2	200
ЭД-20+УП 605/3	84	АПИ-2+СКН	250
ЭХД+ДАДФСН (ВС 2526)	38
SR-5208 (МУ 720)	82
ВС-2561	19,8
ЭДТ-10	29,6

Повышение трещинностойкости матриц и ПКМ является весьма актуальной задачей. Многие способы повышения пластичности жестких матриц (структурная модификация, пластификация и др.) приводят к снижению прочности и модуля упругости, теплостойкости, влагостойкости и др. Наиболее перспективна модификация матриц, резко повышающая трещинностойкость за счет создания гетерофазных дисперсий эластификацией стеклообразных матриц термопластами и эластомерами, в которых эластичная фаза с оптимальными размерами частиц равномерно распределена по объему стеклообразной фазы, физически и химически взаимодействует с ней.

Критерии ЛУМР G_c, K_c, γ_F позволяют рассчитать предельные напряжения, которые выдержит материал

, где а – характерный размер опасного дефекта. При разрыве одного волокна , но если в ВПКМ имеются пучки контактирующих волокон, то трещина, образующаяся при разрушении одного волокна, перерезает все волокна пучка и длина трещины становится равной . Критерий Q_XZ, характеризующий эффективность поглощения деформации в зоне устья трещины равен

Если напряжение в ВПКМ , то разрушение отдельных волокон не будет вызывать катастрофического разрушения ВПКМ.

Чем больше вязкость разрушения ВПКМ (параметры G_Ic,IIc,IIIc , K_Ic,IIc,IIIc , γ_F), тем больше критический размер трещины или другого дефекта, приводящего к разрушению ВПКМ. Условиями, способствующими распространению трещин, инициируемых разрушением отдельных волокон являются: повышение прочности сцепления волокна – матрицы; увеличение объемного содержания волокон; неравномерность распределения волокон по объему материала; уменьшение .

Коэффициент интенсивности напряжений K_Ic=σ(πa)^0.5, где а – полудлина трещины (по ISO13586:2000,15024:2001), пропорционален прочности ВПКМ и волокон и для большинства КМ K_Ic/σ_x=0.08 мм^0,5 (табл. 7).

Вязкость разрушения повышается при использовании волокон большего диаметра; использовании матриц с высокими значениями G_C, K_C, ε, E_M; при увеличении толщины ВПКМ; при оптимальном армировании (например, ВПКМ со структурой ).

С увеличением τ_сд меняется характер распространения трещин. Углеволокниты с волокнами (Элур-П, поверхность активирована методом ЭХО), разрушаются в плоскости, перпендикулярной направлению армирования, многократно меняется направление роста трещин, вязкость разрушения повышается на 5-15%. Углеволокниты с неактивированными волокнами разрушаются как в плоскости, перпендикулярной ориентации волокон, так и путем расслаивания.

Таблица 7. Характеристики вязкости разрушения однонаправленных прессованных эпоксидных ВПКМ.

ПКМ	Свойства матрицы		Свойства ВПКМ
	, МПа	,МПа/мм0,5	, МПа	,МПа	,МПа/мм0,5
Углеволокниты	60	0,32	1000	35	68
	60	0,32	1000	55	73
	60	0,32	1100	35	84
	80	3,0	900	50	80
Бороволокниты	40	0,2	1200	60	86
Стекловолокниты	60	0,32	1800	50	92

Среди разнообразных структур ВПКМ (однонаправленные, ортотропные, с планируемой анизотропией) однонаправленные ВПКМ используются для выбора, анализа возможностей, сравнения свойств ВПКМ различного состава (табл. 8, 9).

В таблицах 8, 9 приведены сравнительные свойства материалов, конструкционные свойства в условиях статического (σ⁺, σ^-, Е⁺, G_сд, τ_сд, ε_отн, σ/ρ, Е/ρ) и динамического (θ, σ_N, σ_М∙θ, G_Ic, K_Ic) нагружения, в основном, однонаправленных (1:0), частично ортотропных (1:1) прессованных ВПКМ на основе эпоксидных диановых и тетрафункциональных матриц, отвержденных аминами и ангидридами при 100 – 160 ºС.

Таблица 8. Сравнительные свойства промышленных конструкционных материалов.

Свойства	Стекловолокниты		Органоволокниты (СВМ, Кевлар)	Углеволокниты с углеродными волокнами		Бороволокниты, волокна B/W			Al	Ti		Сталь
	Стекло Е	Стекло S		Высокопрочными	Высокомодульными
Плотность, г/см3	2,1	2,0	1,25-1,44	1,6	1,6	2,0			2,68-2,8	4,47-4,8		7,75-8,1
Е+||, ГПа	45/32	55	76/32	145/88	220	210/135			62-73	105-125		186-215
Е+┴, ГПа	12	16	5,5	10	6,9	19			62-76	105-125		186-215
Модуль сдвига,G||, ГПа	5,2-5,5	7,6	2,0-2,1	4,8-5	4,8-5	4,8-5
Коэффициент Пуассона, ν+	0,28	0,28	0,34	0,25	0,25	0,25
σ+||, МПа	1020/600	1620	1240/670	1240	760/460	1240/620			400	1000		1260
σ+┴, МПа	40	40	30	41	28	70			400	1000		1260
σ-||, МПа	620/300	690	280/104	1240	960/250	3300/600			400	1000		1260
σ-┴, МПа	140	140	140	170	170	280			400	1000		1260
τсд, МПа	70 (до100)	80 (до 100)	30-60	30-80 (до 100)	30-70	90			Высокая
Относительные удлинения
ε+||/ ε+┴	2,3/0,4	2,9/0,4	1,6/0,5	0,9/0,4	0,3/0,4	0,36/0,4
ε-||/ ε-┴	1,4/1,1	1,3/1,1	2,0/2,5	0,9/1,6	0,3/2,8	1,6/1,5
Логарифмический декремент затухания колебаний,θ,%	1,5/4,6		-/5	1,2/3,2		0,5/2,8			0,7	0,03 (ВТ-3)		0,06-0,07 (18ХНВА)
Усталостная прочность, σN, МПа	200/140		-/180	350/250		350/200			130	500		550
Вибропрочность, σN∙θ, МПа	300/650		-/900	420/800		175/560			До 90	15		330
Термонагруженность, Е+∙α∙10-2, ГПа/К	3,0		1,4	1,08		10,8			16,8	10		24
Трещиностойкость, аk, кДж/м2	10-580, 270 (СВАМ)		315	40-120 (КМУ-9)		85			До 400 (Д16т300)			450 (30ХССА)
GIC, Дж/м2	До 810		430-1130	До 210
Удельная прочность, σ+/ρ, КМ	70-100/50-60		140-180/ 80-120	70-100/40-60		60	14-16				27	16-24
							(Металлы 2,2-3,6)
Удельный модель упругости, Е+/ρ∙103, км	2,6-3,2/1,1-2		5,9-7,0/ 3,9-4,6	8-12/5,3-8,0		12,2		2,7-2,7			2,2-2,4	2,5-2,9
								(Металлы 2,2-3,6)

В знаменателях данные для ортотропных (1:1) волокнитов, в числителях для однонаправленных (1:0) прессованных (V_в60% об).

Таблица 9. Сравнительные свойства конструкционных материалов

Свойства	Эпоксидные прессованные, Vв 60% об				Алюминиевый сплав	Тита-новый сплав	Сталь
	Бороволокниты	Углеволок ниты	Стекловолокниты	Органоволокниты
σ+, МПа,1:1 1:0	620 1400	460 1000-1500 (1800)	600 670-2100	670 780-1200	340-400	1000-1250	1200-1900
σ-,МПа, 1:1	600	250	300	140	400	1000-1250	1200-1900
σN, МПа, 1:1	200	250	140	180	130	500	550
Θ, %	2,8	3,2	4,6	5,0	0,7	0,03	0,7
, 1:1	560	800	650	900	90	15	380
σ+/ρ, МПа∙м3/кг	31	33	30	52	14	27	16
Е+, ГПа, 1:1 1:0	135 180-220	90 80-180(220)	30-35 35-70 (90)	35 65-95 (115)	62-72	110-120	200-215
α∙106,К-1, 1:1	4	0 -0,5	3	3,9(||)72( )
Е+∙α∙102, ГПа/К, 1:0	10,8	1,08	3	1,4	16,8	10,0	24,0
ρ, г/см3	2-2,2	1,5-1,6	2,1	1,35-1,4	2,64 (АМГ)	4,5 (ВТ-3-1)	7,89 (ЭП-679)
ρν, Ом∙м	108-1010	0,4-70 0,003-0,6	109-1012	109-1012
Tg δ при 1010 Гц	0,02-0,03	0,17-0,32 0,25-0,33	0,001-0,02	0,01-0,02
KIc, МПа/мм0,5	86	68-84	92
ак, кДж/м2	84	10,5-42	578	260-740	460
GIc, Дж/м2, 1:1		210	810	430-1130
Д	10-15		3,5-6	3-5
Е (табл. 10, 11)	325/810	535/1100	500/1000	735-1360	165/575		115/480

Конструктивный параметр (табл.9) связывает геометрические размеры конструкции с прочностью , плотностью материала, скоростью вращения ротора . По значению D ВПКМ превосходят металлы в 2-2,5 раза.

Размеры вращающихся деталей, находящихся под действием центробежных сил (диаметр маховика – аккумулятора энергии, хорда пера или средний радиус лопатки компрессора, вентилятора ГТД, лопасть вертолета) могут быть при одинаковых скоростях вращения увеличены в 2 раза (из ПКМ) – необходимое условие для двигателей с большой тягой и маховиков с большой энергоемкостью.

Расчеты удельной энергоемкости маховиков показывают высокую эффективность ВПКМ (табл.10).

Таблица 10. Сравнение энергии, запасаемой маховиками из различных материалов.

Материал	, МПа	Допустимое напряжение , МПа	Плотность ,	Удельная прочность , МПа/( )	Коэффициент, учитывающий форму маховика,	Удельная энергоемкость МПа/( )
Чугун	490	392	7,7	51	0,8	40,8
Высокопрочная сталь	784	627	7,8	80	0,8	64,0
Мартенситная сталь	1960	1568	7,8	201	0,8	161
Композицион-ный материал на основе Е-стекла и эпоксидного связующего	1372	686	2,1	327	0,5	164
Эпоксид ный углепластик	2058	1078	1,6	674	0,5	337
Композиционный материал на основе арамидных волокон и эпоксидного связующего	1715	882	1,4	630	0,5	315
Свинцовая электрическая батарея	-	-	-	-	-	72-109

Для дисков из ортотропных ВПКМ удельная массовая кинетическая энергия при максимальной окружной скорости существенно превышает показатели для алюминия и стали (табл.11).

Таблица 11. Удельная массовая кинетическая энергия свободно вращающегося кольца из различных материалов.

Материалы	V, м/сек	е, КДж/кг
Стекловолокнит	1000	500
Органоволокнит	1360	735
Углеволокнит	1100	535
Бороволокнит	810	325
Алюминий	574	165
Сталь	480	115

Прочность некоторых типов ВПКМ (до 2,2 ГПа) приближается к прочности стали.

σ⁺ эпоксидных углеволокнитов на основе пленочных связующих и углеродных нитей ЭЛУР-0,08 0,7-0,9 ГПа (предел 1,0-1,1 ГПа), с УКН-П-5000-1,4-1,5 ГПа (до 2,0-2,5 ГПа), σ_ви 1,65-2,2 ГПа (до 2,5-3,0 ГПа); σ^-_|| КМУ-9 1,3-1,5 ГПа; σ^-_|| однонаправленных органо(кевларо)волокнитов 0,8-1,25 ГПа; σ⁺ сплавов алюминия 0,05-0,8 ГПа, стали до 2,2 ГПа, но при традиционных способах упрочнения металлов (легирование, дисперсии) предельные значения σ⁺/ρ для них составляет 20-30 (до 50) км, а усталостная прочность составляет не более 30% от предела прочности (для ВПКМ соответственно 70-180 км и 70%).

Удельная прочность однонаправленных прессованных стекловолокнитов в 2-4 раза, органоволокнитов – в 3,5-7,5 раз, углеволокнитов – в 1,4-4 раза выше σ⁺/ρ стали. Удельная прочность Органита 7Н 148 км, 7Т – 45 км, 7ТКС-80 км (алюминий – 6 км).

Е⁺_|| углеволокнитов близок к Е⁺ стали, Е⁺_|| стекло – и органоволокнитов больше, чем у сплавов алюминий и магния.

Предельные показатели E для металлов составляют 2300-3600 км, для углеволокнитов 5000-12000 км (в 2-4 раза выше, чем у сплавов алюминия), для органоволокнитов 3900-7000 км (в 1,5-2,6 раза выше, чем у сплавов алюминия – 2400 км, органит 7Н-5900 км, органит 7ТКС-4450 км).

Предельные показатели для металлов составляют 2300–3600 км, для углеволокнитов 5000–12000 км (в 2–4 раза выше, чем у сплавов алюминия), для органоволокнитов 3900–7000 км (в 1,5–2,6 раза выше, чем у сплавов алюминия 2400 км, органит 7Н – 5900 км, органит 7ТКС – 4450 км). _сд углепластиков с ЭЛУР-0,08 – 45-65 МПа, с УКН-П-5000 – 57-70 МПА (после электроокисления методом ЭХО), для органитов 5Т-16Т, гибридных 6,7,8,12ТКС; 6Н, 7Н, 6НА _сд не превышает 25-45 МПа; _сд углепластиков со связующим УП-2217 – 63-65 МПа. С ростом _сд повышается  и Е ВПКМ, для их упрочнения требуются меньшие значения l_крит.

При малой прочности границы раздела снижается _сд и ⁺. Чтобы ВПКМ разрушалось не хрупко, необходима оптимальная, зависящая от прочности волокон, прочность их связи с матрицей. При _сд ВПКМ35 МПа необходимо использовать волокна с _||>0,5%. Если _||<0,5%, то при низкой предельной деформации волокна низка и ⁺, вследствие чего при _сд35 МПа ПКМ становится хрупким.

В несущих конструкциях деформации достигают 0,2% (типичное для металлов удлинение с учетом концентраторов напряжений), локально >0,2%. Для ВПКМ необходимы матрицы с ⁺1,5_ост. Для кессона крыла самолета необходимы ВПКМ с >2% и _сд100 МПа. Предельно допустимая деформация углепластиков ⁺_доп=0,4%, при разрушающей деформации углеродных волокон, равной 1,3%.

ВПКМ имеют высокую устойчивость к ползучести (табл. 12), а их теплопроводность существенно ниже (для углепластиков зависит от структуры армирования) теплопроводности металлов (табл. 13).

Таблица 12. Устойчивость конструкционных материалов к ползучести (при 20°С).

Материал	Ориентация волокон, градусы	s+, ГПа	Нагрузка, % от [s]+	Долговечность, часы
1. Однонаправленный эпоксидный стекловолокнит (60% стекло S)	0	1,83	85 60	0,01 60
2. Однонаправленный эпоксидный кевлароволокнит (60%  К-49)	0	1,41	80 70 60	2 150 104
3. Углеволокнит эпоксидный (60% УВ “AS”)	0	1,41	80	>1000
4. Углеволокнит эпоксидный (60% УВ “HT”, 120°С)	[0,90]	0,58	90	455
5. Алюминиевый сплав 7075-Т6	–	0,49	96 63	100 350

Таблица 13. Теплопроводность конструкционных материалов.

Материал	l´106, Вт/м×К структура ВПКМ 0° [0,±45,90]°
1. Углепластики на основе волокон: AS (||/^) HT HM	11,4–19,0/0,52 22,8–38,0 53,5–66,5	3,8–5,7 5,7–11,4 11,4–22,8
2. Эпоксидные стеклопластики	3,8	0,38
3. Алюминиевый сплав	152–238
4. Сталь	17,1–51,3
5. Эпоксидный однонаправленный кевлароволокнит (54% об. К-49), ||/^	0,012/0,141	–
6. Отвержденная эпоксидная матрица	1,41–11,2