3. Регулирование состава, структуры и свойств впкм.

Свойства ВПКМ определяются не только составом, природой матрицы и наполнителя, но и в значительной степени структурой ВПКМ. Регулирование (оптимизация) свойств ВПКМ достигается:

1. Использованием волокон и матриц различной химической природы, определяющей их упруго-прочностные (и другие) свойства (табл. 8, 9, 15-17), с различным объемным содержанием компонентов (табл. 18, рис. 7);

2. Оптимальным армированием, когда по распределению напряжений в конструкции задаются свойства КМ, созданием анизотропной структуры путем соответствующей схемы армирования для достижения максимальных упруго-прочностных характеристик ВПКМ в направлении действия напряжений, обеспечение согласования поля действующих напряжений с полем сопротивления материала (ВПКМ с планируемой анизотропией свойств) (табл. 19, рис. 8-13);

3. Использованием наполнителей различной текстуры с различной степенью искривленности волокон; регулированием толщины слоев с различной ориентацией (схемой армирования) волокон (рис. 13);

4. Использованием различных технологических приемов формования изделий (табл. 20);

5. Использованием комбинаций волокон различной химической природы (межслоевые и внутрислоевые поливолокнистые ВПКМ, гибридные ВПКМ, регулирование упруго-прочностных свойств при статическом и динамическом нагружении, повышение критических параметров гибридных стеклоорганопластиков, углеорганопластиков, стеклоуглепластиков по сравнению с s, Е, G_С индивидуальных стекло-, угле-, органопластиков) (рис. 24);

6. Сочетанием материалов различной химической природы (многослойные супергибридные КМ, металло-полимерные типа Алор, Сиал; полимерно-керамические броневые материалы) (табл. 31- 35, рис.28,29).

Для расчета свойств ВПКМ с требуемой анизотропией используют показатели свойств однонаправленных волокнитов [7]: . Расчетные данные затем используются при конструировании ВПКМ с требуемой анизотропией.

Выбор схемы армирования ВПКМ определяется условиями нагружения конструкций.

Несущим элементом большинства конструкций в авиаракетостроении являются оболочки (обшивки), подкрепленные стрингерами. Оболочки изготавливают выкладкой или твердофазной намоткой препрегами и они состоят чаще всего из слоев однонаправленного полуфабриката, уложенных под различными углами по отношению к осям (структуры ВПКМ с регулируемой анизотропией свойств), механические характеристики которых определяются соотношениями механики ВПКМ.

В условиях одноосного растяжения работают оболочки нижней поверхности крыльев и горизонтальных стабилизаторов самолета, крылатой ракеты, их предельные состояния при эксплуатационных нагрузках определяется деформацией однонаправленного слоя ВПКМ при растяжении поперек волокон (Е_впкм = _⁺/Е_⁺).

В оболочках со слоями одинаковой толщины квазизотропного ВПКМ структуры [0, 90, ±45] слои с волокнамиориентации [0] воспринимают нормальные, [90] – поперечные, [±45] – касательные напряжения. Свойства ВПКМ структуры [0, 90, ±45] не зависят от направления нагружения и характеризуются двумя упругии постоянными – модулем упругости Е_впкм и коэффициентом Пуассона _впкм.

Для изготовления оболочек и их подкрепляющих элементов-стрингеров используют ВПКМ (прежде всего, углеволокниты) структуры [0, 80; +45, 10%; -45, 10%].

В самолете на сжатие работают оболочки верхней поверхности крыла и нижней поверхности фюзеляжа. Для них эффективно использовать углеволокниты структуры [0, 90, ±45] типичными элементами конструкции самолета, работающими на сдвиг, являются стенки лонжеронов и нервюр крыльев и оперение, для которых эффективны углеволокниты структуры [0, 90, ±45] и [±45].

Текстолиты используют для изготовления малонагруженных элементов конструкций – рули, закрылки, створки люков, зализы крыльев и оперения. Предельное состояние текстолитов при растяжении ограничивается значениями прочности, а не деформацией. Раскрой, выкладка, намотка тканными препрегами проще, чем при использовании волокнистых препрегов.

Высокие конструкционные свойства ВПКМ позволяют изготавливать из них крылья и фюзеляж (воспринимает общий изгиб, сосредоточенные перерезывающие и осевые нагрузки, крутящие моменты от крыльев, оперения, шасси), что существенно снижает массу и увеличивает эффективность эксплуатации летательных аппаратов.

Первыми конструкционными и диэлектрическими ПКМ (использование в конструкциях антенных обтекателей, рис. 48,50) являются стеклопластики, сохраняющие до сих пор наиболее высокие прочностные показатели среди других ПКМ. ВПКМ на основе стеклянных и кварцевых волокон являются основными материалами радиопрозрачных конструкций, используемых в различных отраслях техники. Из эпоксидных стекло - и кварцепластиков изготовлены обтекатель сферической стационарной антенны диаметром 4,6 м гидроакустического комплекса AN/BQQ; обтекатель буксируемой антенны диаметром 82,5 мм (на кабеле длиной 700 м) шумопеленгаторной станции H4 AN/BQR-15; обтекатель РЛС AN/BPS-15 для обнаружения надводных целей ПЛАРБ «Огайо» (США). Однако модуль упругости стеклопластиков только у однонаправленных стекловолокнитов АГ-4С, СВАМ, использование которых при сложных условиях нагружения ограничено, превышает модуль упругости сплавов алюминия, хотя удельные показатели s ⁺/r и E⁺/r существенно выше соответствующих свойств металлов (табл.14, рис. 4-6).

Для повышения модуля упругости конструкционных ПКМ были разработаны высокомодульные углеродные и полимерные волокна, угле- и органопластики на их основе.

Таблица 14. Сравнительные упругопрочностные свойства металлов и стеклопластиков[8].

Материалы	s +, МПа	s –, МПа	s +/r, км	s -/r, км	Е+, ГПа	E+× 104/r, км	r, г/см3
Сталь: 30ХГСА легированная Ст5 Дюралюминий Д-16 ЭФ32-301* КАСТ* АГ-4С* АГ-4НС* СВАМ (1:1)* СВАМ (10:1)*	1600 1280 380-470 440 420 330 700 900 640 1300	1600 1280 380-470 440 300 110 500 – 630 620	20,4 16,3 5,5 15,7 24,6 20,6 38,8 50,0 33,7 68,4	20,4 16,3 5,5 15,7 17,6 6,5 27,7 – 32,6 –	210 210 210 7,2 2,2 2,0 3,2 – 3,6 5,8	2680 2680 2680 2570 1300 1160 1830 – 1900 3050	7,85 7,85 7,85 2,8 1,7 1,7 1,8 1,8 1,9 1,9

_* - стеклопластики

Рис. 4. Удельная прочность s ⁺/r и удельный модуль упругости Е⁺/r прессованных однонаправленных (а,[0]) и квазиизотропных (б, [0, 90]) с содержанием 60% об. Волокон стекловолокнитов (1), органоволокнитов (волокна kevlar, 2), углеволокнитов с высокопрочными волокнами НТ (3), углеволокнитов с высокомодульными волокнами НМ (4) и изотропных металлов (5) [72, 73].

s ⁺/r,

км

Рис. 5. Удельная прочность при растяжении металлов и стеклопластиков [8]:

1 – сталь 30ХГСА; 2 – легированная; 3 – Ст5; 4 – Дюралюминий Д-16;

5 – Стеклопластик ЭФ 32-301; 6 – КАСТ; 7 – ориентированный стеклопластик АГ-4С; 8 – ориентированный стеклопластик АГ-4НС; 9 – СВАМ (1:1); 10 – СВАМ (10:1).

Е⁺/r,

км

Рис. 6. Удельный модуль упругости (E⁺/r, км) металлов и стеклопластиков [8]:

1 – сталь 30ХГСА; 2 – легированная; 3 – Ст5; 4 – Дюралюминий Д-16;

5 – Стеклопластик ЭФ 32-301; 6 – КАСТ; 7 – ориентированный стеклопластик АГ-4С; 9 – СВАМ (1:1); 10 – СВАМ (10:1).

Таблица 15. Свойства тканых углеродных лент и тканей и эпоксидных углепластиков (связующее ЭНФБ, КМУ-4) на их основе.

Показатели свойств	Ленты и ткани, ТУ
	УОЛ-300-1	УОЛ-300-2	УОЛ-300-1К	УОЛ-300-2К	ЛЖУ-0,25П	ЛЖУ-0,32П	УТ-900-2,5; ТУ 6-06-105-881
	ТУ 6-06-104-88		ТУ 6-06-103-88		ТУ 6-12-05763346-131-91		Марка А	Марка Б	Марка В
Линейная плотность, г/м	80±5	62±5	73±3	58±3	68±10	100±30	240±30	240±30	240±30
Плотность на 10 см: По основе	62±1	100±1	60±1	100±1	107±2	85±1	60±2	60±2	60±2
По утку	10±1	10±1	10±1	10±1	–	–	60±2	60±2	60±2
УГЛЕПЛАСТИКИ
s +, МПа	1100-1400	1200-1500	1150-1300	1150-1400	1200-1300	1200-1300	4002	550	600
s –, МПа	950-1100	1000-1200	800-1000	900-1100	800-1000	800-1000	400	550	600
Толщина монослоя, мм	0,235±0,015	0,175±0,015	0,235±0,015	0,175±0,015	0,22±0,03	0,32±0,04	0,22±0,02	0,22±0,02	0,22±0,02

Примечания:

В названиях лент УОЛ-300 - 300 – ширина ленты в мм, нити основы: 1 – УКН-П-5000; 2 – УКН-П-2500. В утке ленты имеют разреженные стеклянные или полимерные нити 14-30 текс.

УОЛ-К – тканые комбинированные ленты с соотношением в основе углеродных и полимерных нитей 6:1 на основе УКН-П-5000 и УКН-П-2500 углеродорганические ленты УОЛ-55, 150, 300-1, 300-2, 300К (БПО «Химволокно»).

УОЛ-300-1: основа УКН-П-5000, 410 текс; уток СВМ-К 14,3 текс, лента толщиной 0,235±0,15 мм;

УОЛ-300-1К: основа УКН-П-5000, 410 текс и Армос 167 текс; уток СВМ-К 14,3 текс;

УОЛ-150,300-1: основа УКН-П-5000, 390 текс; уток СВМ-К 29,4 текс. УКН ТУ 6-06-4152-87, аппрета до 1,5±0,5% масс.

Тканые ленты ЛЖУ ткутся из нитей УКН-П-5000 или 2500, имеют углеродную уточную нить; ЛЖУ-35 (ТУ 6-06-31-346-81), в 35±5 мм.

¹ Углеродная ткань из нитей основы и утка (равная плотность) УКН-П-2500, 200 текс (саржа, толщина 0,22±0,02 мм); кромка – нить УРАЛ Н, 205 текс, s ⁺ 0,55–0,60 ГПа. «Аппрет» 0,1%-ный раствор ПВС (при 70-80 °С 5-10 с в ванне, сушка 110-130°С 15-30 мин.).

² s_ВИ³300 МПа, Е_ВИ³130 ГПа, t_сд³60 МПа.

Для лент шириной до 300 мм используют рапирный станок ТЛБК-300, шириной 800-1100 мм – станок ТР-120-У.

Таблица 16. Свойства углеродных лент и однонаправленных эпоксидных углеволокнитов на их основе.

Тип ленты	Ширина ленты, мм	Линейная плотность, м/г 1	Плотность нити в ленте, г/см3	Количество нитей на 10 см, не менее	Свойства эпоксидного углеволокнита
					r, г/см3	Содержание наполнителя, % об.	s +, ГПа	s –, ГПа	ЕВИ, ГПа	Толщина монослоя, мм
ЛУ ЛУ-П ТУ 6-06-И81-80	255±25	35±3	1,69	460	1,53	63±4	–	–	165±20	0,10±0,01 0,13±0,02
ЛУ-П2-0,1-А	255±20	30±5	1,69	460±25	1,49	62±4	0,7	0,7	157±25	0,1–0,12
ЛУ-П-0,1-Б	255±20	30±5	1,69	460±25	1,49	62±4	0,6	0,7	157±25	0,1–0,12
ЛУ-П-0,2-А	255±20	30±5	1,69	485±25	1,49	62±4	0,7	0,7	157±25	0,11–0,15
ЛУ-П-0,2-Б	255±20	30±5	1,69	485±25	1,49	62±4	0,6	0,7	157±25	0,11–0,15
ЭЛУР-П-А ТУ 6-06-И86-81	245±30	30±5	1,71	420±25	1,50	63±4	0,9	0,9		0,11–0,13
ЭЛУР-П-Б	245±30	30±5	1,71	420±25	1,50	63±4	0,8	0,8		0,11–0,13
ЭЛУР-0,08-П-А	220±30	15±5	1,71	570±25	1,50	63±4	0,9	0,9		0,07–0,109

¹ позволяет получить листы толщиной 0,07–0,15 мм;

² поверхностная обработка (ЭХО).

Таблица 17. Механические свойства однонаправленных эпоксидных прессованных углеволокнитов на основе углеродных волокон различных фирм.

Свойства	«Целаниз Корп.»				«Геркулес Корп.»			«Грейт Лейкс Карбон Корп.»		«Юнион Карбайд»	«Стекпоул Файберс»
	Целион 3000 (62%)(1)	Целион 6000 (62%)	GY-50 (62%)	GY-70 (62%)	AS (62%)(2)	HTS (62%)	HMS (62%)(3)	Фортафил CG-3 (60%)	Фортафил CG-5 (60%)	Торнел 300 (65%)(4)	Панекс 30 (60%)
rВ, г/см3	–	–	–	–	1,55	1,58	1,63	–	–	–	1,58
s||+, ГПа	1,9	1,647	0,88	0,63-0,78	1,58-1,86	1,2	0,74-1,14	1,05-1,3	0,98-1,1	1,56	1,55-1,58
s^+, ГПа	–	0,544	–	0,24	0,65	–	0,31	–	–	–	0,89-0,9
Е||+, ГПа	155	151	211	289-324	141-145	162	204-207	–	–	138	124-127
Е^+, ГПа	–	11,2	–	7,0	9,4	–	8,0	–	–	–	10,0
e||+, %	1,2	1,1	0,4	0,2	1,2	–	0,55	–	–	–	1,2
e^+, %	–	0,49	–	–	0,7	–	0,44	–	–	–	–
s –, ГПа	–	1,468	–	0,62-0,7	–	–	–	0,91	0,84	–	–
Е –, ГПа	–	141	–	308	138	–	107	–	–	138	124
e –, ГПа	–	1,7	–	–	–	–	0,42	–	–	–	–
sВи, ГПа	1,9	1,75	1,02	0,79-0,83	1,79-1,9	–	0,96-0,98	1,2-1,48	1,2-1,48	–	1,72-1,76
ЕВи, ГПа	141	135	190	255-260	121-127	–	169-176	105-124	105-124	–	124-127
tсд, МПа	98-127	125	49-70	59-60	124-127	–	55-98	77-83	77-83	124	114-120

Примечания:

1. – объемное содержание волокон; r^В – плотность волокон;

2. – s_||⁺ углепластиков, полученных пултрузией составляет 1,2 (эпоксидное связующее 826, тип ЭД 22-24) – 1,05 (эпоксидное связующее 5208) ГПа, вакуумным формированием 0,855-0,925 ГПа (60% волокон AS);

3. – а_к по Изоду ~ 2 Дж/м² × 10⁴;

4. – а_к по Изоду – 6 Дж/м² × 10⁴ (60% об. Торнел 300).

Таблица 18. Упругопрочностные свойства прессованных эпоксифенольных углеволокнитов структуры 1:0 и 1:1 (углеродные волокна с s ⁺ 1,6ГПа, Е ⁺»350 ГПа) [5].

Упругопрочностные свойства, МПа	Структура ВПКМ
	1:0			1:1
	Содержание волокна, объемн. %
	29	42	59	26	28
Модуль упругости при растяжении вдоль волокон	7000–8300	11400–12100	16200–18400	4200–5200	5100–5400
Модуль упругости при сдвиге вдоль волокон	1900–2400	3500–4300	3500–4000	2100–2400	3700–3900
Модуль упругости при сдвиге под углом 45°	2900–3300	4600–5200	8000–9200	23800–26600	17000–20000
Разрушающее напряжение при растяжении вдоль волокон	–	310–350	720–780	130–131	220–240
Разрушающее напряжение при сжатии вдоль волокон	230–250	380–460	–	180–220	240–290
Разрушающее напряжение при изгибе перпендикулярно волокнам	400–460	–	700–940	250–310	320–370
Разрушающее напряжение при изгибе под углом 45° к волокнам	310–340	–	–	270–330	240–300
Разрушающее напряжение при межслоевом сдвиге	30–35	–	27–33	23–28	–

Рис. 7. Зависимость предела прочности при растяжении (s ⁺,1), сжатии (s ^-,2), межслойном сдвиге (t_В,,3,4) и коэффициента вариации предела прочности при растяжении (К_n,5) углепластика КМУ-4э от объемного содержания углеродных волокон (V_В,V_П – соответственно объем волокон и пор) [9].

Таблица 19. Физико-механические свойства имидоуглеволокнитов с различной ориентацией волокон из углеродной ленты Селион 3000 и связующего LARC-160 [10].

Ориентация	Температура испытания, °С	s +×10–2, МПа	s –×10–2, МПа	Е +×10–4, МПа	Е –×10–4, МПа	e +, %	e –, %	n
(0)t,||	-170	17,6	16,0	16,3	14,0	1,14	1,42	0,37
	20	17,2	12,2	15,4	12,8	1,15	1,05	0,275
	205	15,6	10,4	14,4	12,4	1,28	0,96	0,31
	315	14,6	7,85	14,7	12,6	0,97	0,64	0,31
(90)t,||	-170	0,33	2,15	0,103	0,110	0,33	2,03	0,68
	20	0,22	1,63	0,103	0,110	0,33	2,17	0,68
	205	0,15	1,29	0,77	0,066	0,20	2,44	0,41
	315	0,17	0,85	0,487	0,054	0,37	2,80	0,31
(±45)s,||	-170	1,82	2,35	0,262	0,210	0,74	1,50	0,75
	20	1,66	1,75	0,210	0,164	–	3,00	0,76
	205	1,54	1,26	0,190	0,102	–	4,17	0,84
	315	1,42	0,61	0,168	0,103	–	2,27	0,92
(0,±45,90)s,||	-170	5,60	7,00	0,580	0,600	0,96	1,44	0,32
	20	6,00	6,05	0,510	0,590	1,10	1,21	0,296
	205	6,15	–	0,520	0,480	1,02	–	0,325
	315	5,85	4,70	0,530	0,590	0,89	1,07	0,30
(02,±45,0)s,||	-170	9,50	11,00	0,980	0,930	1,04	1,52	–
	20	10,50	10,30	0,940	0,850	1,13	1,40	–
	205	9,00	7,40	0,890	0,790	1,04	1,15	–
	315	10,00	5,75	0,940	0,805	1,08	0,77	–
(02,±45,0)s,^	-170	2,12	2,97	0,190	0,213	1,65	4,50	–
	20	2,18	2,89	0,180	0,190	1,70	1,67	–
	205	2,32	2,59	0,180	0,177	1,85	1,66	–
	315	2,00	2,27	0,160	0,163	1,60	1,60	–
(0,±45)s,||	-170	7,00	7,40	0,663	0,740	1,10	1,30	–
	20	7,40	7,20	0,600	0,700	0,96	1,33	–
	205	7,00	4,90	0,580	0,550	1,25	1,26	–
	315	6,72	4,45	0,567	0,570	1,26	0,90	–
(0,±45)s,^	-170	2,87	3,42	0,262	0,265	1,45	1,40	–
	20	2,65	3,58	0,250	0,225	1,35	1,70	–
	205	2,40	2,68	0,230	0,196	1,30	1,50	–
	315	2,04	2,45	0,220	0,189	1,15	1,60	–

s ⁺, Е ⁺, e ⁺ – разрушающее напряжение, модуль упругости при растяжении и относительное удлинение;

s ^–, Е ^–, e ^– – при сжатии;

|| – испытания параллельно нулевому направлению;

^ – испытания перпендикулярно нулевому направлению;

n – коэффициент Пуассона;

S – симметричная укладка слоев.

Рис. 8. Зависимость для различных ВПКМ модуля упругости Е ⁺, модуля сдвига G_xy(б), коэффициента Пуассона n (в), прочности при растяжении s⁺_х, вдоль волокон (6), s⁺_у поперек волокон (7), s⁺₄₅ под углом 45 (8) и соответственно модулей упругости Е⁺_х(9), Е⁺_у (10), Е⁺₄₅(11) («г», 6-11 для углеволокнита КМУ-1Л) от угла армирования j [11].

Рис. 9. Изменение упругих (а, 1-Е⁺₀ (+j), 2-Е⁺₀ (±j), 3-Е⁺₄₅, 4-Е⁺₉₀) и прочностных (б, 1-s ⁺₀, 2-s ^-₀, 3-s ⁺₄₅, 4-s ⁺₉₀, 5-s ^-₄₅) характеристик углепластика КМУ-4л от угла армирования [11].

Рис. 10. Анизотропия коэффициента Пуассона углеволокнита КМУ-4л, 1, и стекловолокнита СК-Э-ВМ, 2. [11].

Рис. 11. Зависимость Е⁺ (а) и  ⁺ (б) прессованных эпоксидных углеволокнитов от доли однонаправленных слоев (А) и слоев с ориентацией 45 (В) в структуре волокнита [12].

Рис. 12. Удельная прочность и удельный модуль упругости конструкционных материалов [12]:

А – сталь SAE 980;

Б – алюминий 7046-Т4;

В – эпоксидный прессованный однонаправленный стекловолокнит (стекло S);

Г – эпоксидный прессованный углеволокнит (волокна AS);

Д – эпоксидный прессованный углеволокнит (волокна HMS);

3 – углеволокниты структуры [0,90,45];

4 – однонапрвленные углеволокниты.

Рис. 13. Зависимость Е⁺ и G_сд ПКМ от толщины слоев с различной ориентацией волокон (,%) [9, 11].

Таблица 20. Зависимость упругопрочностных свойств эпоксидных углеволокнитов от технологических способов формования [12].

Характеристика	Метод формования	Протяжка (пултрузия)						Вакуумное формирование
	Углепластик	AS-826				AS-5208		AS-826				AS-5208
	Схема ориентации волокон, град.	0	90	45	045	0	90	0	90	45	0,45	0	90
Содержание волокон, %об.		59	59	59	59	59	59	60	60	60	60	60	60
 +, МПа		1205	37	105	640	1060	20	855	17	540	710	925	10
Е +, ГПа		140	11	55	86	134	14	123	14	76	83	119	15
Относительное удлинение при разрыве, 10–6 мм/мм		8500	3700	8470	7400	7500	1740	7800	2200	7900	9100	8300	850
Коэффициент Пуассона, 		0,20	0,023	0,86	0,98	0,18	0,029	0,32	0,097	0,36	0,48	0,25	–
 –, МПа		660	40	170	350	920	90	480	100	–	–	390	80
Е –, ГПа		141	10	59	77	130	13	119	8	–	–	90	10
Предельная деформация при сжатии, 10–6 мм/мм		4700	7400	5700	4500	6800	4400	3900	13700	–	–	4700	8200
Коэффициент Пуассона, 		0,15	0,023	0,58	0,36	0,17	0,46	0,48	0,011	–	–	0,46	0,0087

Углеродные волокна AS, 826 – эпоксидное связующее диановое, 5208 – эпоксидное связующее тетрафункциональное.

При сложных схемах армирования ПКМ необходимо:

1. увеличивать содержание матрицы в слоях, расположенных трансверсально по отношению к основной нагрузке;

2. применять для трансверсальных слоев матрицы с деформативностью, превышающей деформативность матрицы в нулевых слоях;

3. ориентировать трансверсальные слои под углами 75  80^, чтобы увеличить деформативность трансверсальных слоёв в направлении нагружения за счёт деформации сдвига.

В диапазоне углов армирования 0 – 90 коэффициент анизотропии Е₀ / Е₉₀ и коэффициент Пуассона изменяются более чем в 20 раз, в плоскости в 3 – 4 раза. Отклонение ориентации на углы 5^ снижает упругие характеристики на 5 – 10%.

Комбинированные схемы армирования дают значительный эффект. Так, углеволокнит 0^, 75%, +45^, 25% при снижении Е_х на 16%, имеет Е_у в 1,7 раза, G_ху и Е₄₅ в 2,7 раза более высокие по сравнению с однонаправленным.

Структура и состав ПКМ, ВПКМ определяет их поведение и в условиях динамического нагружения (циклического, ударного, термоциклического) и даёт возможность эффективного регулирования таких параметров, как усталостная прочность, демпфирующая способность, вибропрочность, термонагруженность.

Состав и структура ПКМ, ВПКМ в полной мере соответствует основному способу направленного регулирования параметров динамических вязкоупругих свойств, заключающемуся в создании гетерофазных систем с резко различными временами релаксации сегментов в фазах, систем с несовместимыми компонентами.

Вязкоупругие свойства полимеров и полимерных материалов в динамических условиях характеризуются возникновением в них затухающих колебаний, определяемых значениями логарифмического декремента затуханий, мерой демпфирующей способности материала ( или ),

, где

и вынужденных колебаний

,

,

,

,

, где - упругая составляющая, отвечающая за накопление энергии

и её возвращение;

- вязкая составляющая, потери на внутреннее трение;

- угол механических потерь.

Тангенс угла механических потерь tg и температурный интервал эффективного вибропоглощения Т_эфф. определяют уровень вибропоглощения. Высокая эффективность применения ПМ и ПКМ для снижения вибрации ( и шума) обусловлена специфической способностью полимеров, заключающейся в повышенной способности к диссипации внешней энергии. Молекулярный механизм поглощения энергии колебаний в полимерах объясняется теорией релаксации, в основе которой лежат процессы перехода полимерной системы к состоянию термодинамического равновесия за счёт реализации различных видов молекулярного движения, сопровождающихся диссипативными потерями энергии. Каждому виду молекулярного движения соответствует релаксационный процесс, характеризующийся определённым значением энергии активации и своим временем релаксации. Для любого релаксационного процесса характерно появление резонансного максимума на кривой температурной зависимости коэффициента механических потерь (наиболее интенсивный релаксационный переход и наибольшая диссипация энергии соответствует переходу полимера из стеклообразного в эластическое состояние). У гомополимеров область перехода ( высота пика механических потерь может быть значительной) перекрывает незначительный частотный и температурный диапазон. В широких пределах ( tg 0,10,3; частоты 5 – 10000Гц) изменяются параметры при сополимеризации, изменении природы и количественных соотношений звеньев как в основных цепях макромолекул, так и в боковых звеньях, что используется при целенаправленном конструировании вибропоглащающих композиций.

ПКМ, ВПКМ на основе полимеров с высокими значениями tg имеют высокий уровень вибропоглощения ( рассеивания в виде тепла механической энергии, подводимой в условиях циклического нагружения). В результате снижается амплитуда колебаний конструкций и уменьшаются связанные с такими колебаниями нежелательные эффекты, что приводит к повышению надежности и улучшению технических параметров.

В табл.8, 9 приведены характеристики ПКМ в условиях динамического напряжения.

Динамическая усталость материалов является одной из основных причин, ограничивающих ресурс работы конструкций в машиностроении ( в авиастроении – оболочки, лопатки, конструкции механизации крыльев, стабилизаторов и др.).

Для большинства ПКМ зависимость - ln N, где N – число циклов нагружения, горизонтальная асимптота и термин «предел усталости» неприменим. Используют условный предел усталости _xN, при котором ПКМ выдерживает определённое количество циклов ( N10⁷, 2N10⁷) нагружения.

, где x= , - предельная деформация матрицы, при которой происходит усталостное разрушение ПКМ. Если = (0,05-0,07) ,т.е. около 200 МПа, ПКМ возрастает до 800-1200 МПа, ПКМ возрастает и с ростом Е_в.

Усталостное разрушение однонаправленных ПКМ начинается с матрицы при достижении в ней определённого уровня напряжений ( для углеволокнитов

_N= 520 МПа, связующее ЭНФБ, _N= 420 МПа, связующее 5-211Б). Величина предела выносливости ( _ПКМ )_N углеволокнитов (ПКМ – углеволокнит) для знакопеременного цикла составляет (0,3-0,5) , для знакопостоянного-(0,6-0,8) .Пределы выносливости углеволокнитов, в основном, определяются усталостными характеристиками матрицы (углеродные волокна практически не подвержены усталостным напряжениям) и прочностью контакта волокно-матрица. Оптимальный объем волокон V_в устанавливается в зависимости от коэффициента асимметрии цикла нагружения (при знакопостоянном цикле нагружения V_в 60-64% об.).Коэффициент усталостного сопротивления в зависимости от вида и степени асимметрии цикла равен (0,5-0,7) , т.е. в 2-3 раза выше, чем у стеклопластиков, что связано с высоким модулем упругости углеродных волокон и, как следствие, более низким уровнем напряжений и меньшей повреждаемости матрицы. Усталостные характеристики ВПКМ приведены на рис.14-19.

Усталостная прочность существенно анизотропна. При изменении угла армирования от оси нагружения на 15 усталостная прочность КМУ-1 л снижается на 25 % (рис.19).

Демпфирующая способность- способность ПКМ рассеивать механическую энергию при циклическом нагружении в упругой области за счет внутреннего трения. В ПКМ имеет место упруговязкое рассеяние энергии, сопровождающееся переходом механической энергии в тепловую, химическую, электрическую. Демпфирование в ПКМ слагается из потерь энергии механических колебаний вследствие деформации волокон, возникновение  в матрице, из-за трения на границе раздела. Из-за релаксационного характера высокоэластических деформаций происходит разогрев ПКМ.

В качестве характеристики внутреннего рассеивания энергии в материале принят логарифмический декремент колебаний, определяемый по ширине резонансной кривой.

Логарифмический декремент затухания колебаний , мера демпфирующей способности материала конструкций, подверженных высокочастотным динамическим нагрузкам, определяет механизм усталостного разрушения ПКМ (механический или тепловой).  возрастает с ростом V_м , снижением Е_В , с увеличением искривления волокон (объемные текстуры), углов армирования; зависит от типа напряженного состояния, амплитуды напряжения. Разогрев ПКМ при циклических нагрузках – из-за гистерезиса потерь и низкой теплопроводности. С повышением напряжения в 8-10 раз  возрастает в 1,5-2 раза, что положительно сказывается на работе деталей при резонансных колебаниях.  ПКМ в 5-10 раз выше, чем у металлов.

С увеличением модуля сдвига наблюдается монотонное снижение механических потерь, причем кривая представляет собой ветвь равносторонней гиперболы, а произведение коэффициента механических потерь на значение модуля сдвига – величина постоянная.

Большое влияние на логарифмический декремент затухания колебаний оказывает текстура армирующего наполнителя:

Наполнитель в ПКМ	Значения  при
	Свободные колебания	Вынужденные колебания
Кордная тканая лента	0,8	1,5
Жгут	0,5	1,1

Степень демпфирования понижается с уменьшением искривленности волокон в композиции. Демпфирующая способность ВПКМ существенно зависит от угла между направлениями армирования и приложения нагрузки (максимальна при углах 15-30). Уровень демпфирования углепластиков повышается в зависимости от текстуры наполнителя в ряду: кордные ленты (ЛУ-П, ЭЛУР), нити УКН, жгуты ВМН.

Демпфирующая способность углепластиков определяется в основном рассеиванием энергии в матрице, сопровождающейся переходом механической энергии в тепловую, химическую и электрическую, и существенно зависит от уровня нагружения, структуры армирования материала и рабочей температуры. Если однонаправленные углепластики имеют уровень демпфирующей способности вдоль волокон 0,5-1,0%, то в диагонально- армированном углепластике она возрастает в 5-7 раз (рис.20-23, табл.21).

По сравнению с другими ВПКМ, углепластики обладают меньшей удельной ударной вязкостью, трещиностойкостью и остаточной прочностью при наличии дефектов, т.е. большей чувствительности к концентрации напряжений. Значительное влияние на чувствительность углепластиков к концентрации напряжений оказывает структура армирования и направление приложения нагрузки по отношению к ориентации волокон.

Так при растяжении под углом ±45⁰С к направлению армирования прочность углепластика очень мало зависит от размера концентратора.

Источник демпфирования (амплитуда колебаний ограничивается величиной сил сопротивления) в ВПКМ-внутреннее упруго-вязкое рассеивание энергии. С ростом демпфирующей способности материала возможенипереход от механического усталостного разрушения к тепловому(критический разогрев определяет податливость потерь и зависит от податливости матриц и их Т_с: ЭДС-10 60-80⁰С, ЭТФ 160-180⁰С, полиимидные – более 280⁰С)

Рис. 14. Зависимость усталостной прочности σ_N ВПКМ, относительных напряжений в матрице σ_м от модуля упругости армирующих волокон Е_В (1-УП(ВМ), 2-УП(ВП), 3-стекловолокнит, 4- органит) [13]

Рис. 15. Кривые усталости углепластика КМУ-4э [0⁰/±45⁰/90⁰] при различных значениях коэффициентов ассиметрии циклов [13] :

1. циклы с растяжением под нагрузкой, равной 89% от прочности углеродных волокон при растяжении σ⁺_В(R=1) ;

2. циклы со сжатием под нагрузкой, равной 65% от прочности углеродных волокон при растяжении σ ^-_В(R=∞) ;

3. то же при напряжении равном 47% σ ^-_В(R=-1) ;

R-коэффициент ассиметрии циклов.

Рис.16. Зависимость прочности от числа циклов нагружения для [11]:

1- МКМ В/Al; 2-алюминиевый сплав 2024 – Т 3; 3-стеклопластик (стекло Е);4-стеклопластик (стекло S); 5-боропластик; 6-кевларопластик; 7-углепластик; 3-7 – однонаправленные эпоксидные прессованные волокниты

Рис.17. Усталостная прочность при циклическом растяжении однонаправленных эпоксидных волокнитов [11]. Наполнители (1-4) в ВПКМ :

1-Кевлар-49; 2- борные B/W; 3-S-стекло; 4- Е-стекло; 5- сплав Al 2024-T3

Рис.18. Удельное сопротивление усталости (σ_N/ρ) различных материалов в зависимости от числа циклов N до разрушения [11] :

1- эпоксидный углепластик; 2- эпоксидный боропластик; 3- эпоксидный однонаправленный стекловолокнит; 4- титан 8-1-1; 5- сталь 4130; 6- алюминий 2024

Рис.19. Усталостные свойства ПКМ ((тип А,Б,В,Е; Г,Д-для сравнения; характеристика -значения удельного предела прочности при растяжении к плотности σ⁺/ρ при различных типах динамического нагружения [11].

Типы нагружения: