Тема: Композиционные материалы на основе термореактивных связующих

и ориентированных армирующих наполнителей

Термин «композиционные материалы» появился в то время, когда потребовалось наиболее емкое название нового класса материалов, состоящих из армирующего компонента и связующего. Современные композиционные материалы не только имеют широкий спектр физико-механических свойств, но и способны к направленному их изменению, например повышению вязкости разрушения, регулированию жесткости, прочности и т. д.

Особенность волокнистой композиционной структуры заключается в равномерном распределении высокопрочных, высокомодульных волокон в пластичной матрице. Материалы с волокнистыми наполнителями подразделяются на пластики с короткими волокнами, в том числе штапельными, рублеными нитями или жгутами и с непрерывными элементарными волокнами, жгутами, прядями, нитями, лентами. У слоистых материалов матрица армирована последовательно чередующимися слоями наполнителя.

Наполнители влияют на самые разнообразные свойства полимерных композиционных материалов и определяют возможные способы переработки полимерных композиционных материалов в изделия. Характер и степень влияния наполнителя на свойства полимерных композиционных материалов зависят от природы, структуры, содержания наполнителя в полимерных композиционных материалов, формы, размера, взаимного расположения частиц или волокон, их пространственной ориентации, прочности сцепления со связующим .

Характерным размером волокон наполнителя является диаметр, для элемента слоистой структуры – толщина слоя; характерным размером связующегоявляется толщина прослойки.

Как известно, пространственная ориентация для изометрических частиц не имеет значения, а для анизометрических – имеет важное значение , т. к. от ориентации зависят свойства полученного композиционного материала.

Наполнение полимеров позволяет практически неограниченно направленно регулировать технологические и эксплуатационные свойства материалов. Свойства наполненных полимерных материалов конструкционного назначения, способы их получения и переработки в изделия в значительной мере определяются природой полимерной матрицы и наполнителя, их объемным соотношением, характером взаимного распределения и взаимодействием на границе раздела.

При изготовлении изделий из композиционных материалов предварительно определяются технологические свойства полимерных связующих: вязкость, время гелеобразования.

Определение времени гелеобразования является одним из важных параметров – оно характеризует продолжительность хранения пропитанного материала (препрега ) и температуры переработки материала в изделия. Общая продолжительность процесса получения композиционного материала от момента получения замеса связующего не должна превышать утроенного времени гелеобразования при комнатной температуре.

Данные лабораторные работы направлены на обучение студентов методам контроля качества получаемых композиционных материалов и исследованию структуры полученных материалов, что в конечном счете определяет свойства материала при его эксплуатации.

Задание № 1. Определение количества компонентов и изготовление пластин композиционного материала

Цель работы : на основе заданных компонентов изготовить композиционный материал с заданной структурой и соотношением компонентов.

I . ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №1

Один из основных компонентов армированных пластиков – связующее – представляет собой полимер с различными добавками. Связующим пропитывается армирующий волокнистый наполнитель. После отверждения связующее склеивает между собой волокна или слои наполнителя, обеспечивая их совместную работу в пластике.

Для получения армированных пластиков широко применяются связующие на основе полиэфирных, эпоксидных и модифицированных фенолоформальдегидных смол. В качестве наполнителей применяются ориентированные материалы: ленты, ткани, нити, ровинги .

Процесс изготовления пластин композиционного материала состоит из последовательных стадий:

– определение типа связующего и наполнителя;

– расчет соотношения компонентов композиционного материала;

– изготовление связующего – смешивание компонентов в заданных пропорциях;

– разрезка наполнителя на заготовки в соответствии с размерами формы;

– нанесение связующего на слои наполнителя и последовательное соединение пропитанных слоев;

– укладка набранного пакета между плитами пресса и отверждение в соответствии с заданными режимами.

1. Расчет массы компонентов в композиционном материале

Ход работы . Первоначально определяют необходимый объем V КМ (м 3) пластины композиционного материала.

где l , b , h – длина, ширина, толщина пластины композиционного материала. Толщину выбирают в зависимости от стандарта на испытания композиционного материала (h = 2–8 мм).

Зная объем материала, определяют его массу m КМ, кг

где ρ КМ – плотность композиционного материала, кг/м 3 .

Плотность материала ρ КМ (кг/ 3) определяют осреднением, зная соотношение компонентов (задано преподавателем).

где ρ а – плотность арматуры, кг/м 3 ; ρ с – плотность связующего, кг/м 3 (определяется по правилу смеси); P а , P с – объемное содержание арматуры и связующего в композиционном материале соответственно, доли ед.

Степень наполнения для технологического процесса задается в массовых долях, а для расчетов – в объемных долях. Связь между массовым С и объемным Р содержанием компонентов выражается соотношениями:

Предполагают, что пористость отсутствует, т. е. равна нулю.

Массу компонентов (г) для изготовления пластины композиционного материала определяют из их массового соотношения:

где m а, m с – масса наполнителя и связующего соответственно, кг; C а, C с – массовое содержание наполнителя и связующего соответственно; доли ед.

где m а - масса арматуры, г; – масса одного слоя арматуры, г, определяется расчетным путем или взвешиванием; γ а – поверхностная плотность слоя армирующего материала, г/м 2 .

Полученное значение N а округляют до целого (ближайшего большего).

Пересчитывают массу связующего для поддержания заданной степени наполнения.

После расчета учитывают технологические отходы, например остатки связующего на инструменте, для чего количество связующего увеличивают примерно на 20%.

Аналогично проводят расчет компонентов для всех видов композиционных материалов. По результатам расчетов заполняют технологическую карту получения композиционного материала табл. 1).

2. Изготовление пластины композиционного материала

Оборудование и материалы : компоненты для приготовления связующего (по заданию преподавателя), тканый наполнитель, ножницы, весы, жесткие пластины для укладки слоев, муфельная печь.

Ход работы . Из компонентов изготавливают плиту композиционного материала с размерами 250× 250 мм методом послойной укладки.

Разрезанный наполнитель послойно пропитывают полученным связующим, тщательно прокатывают роликом для удаления воздушных пузырей и укладывают на пластину, смазанную антиадгезивом или покрытую слоем масляной бумаги.

Связующее равномерно распределяют по поверхности наполнителя, не допуская его отжима. После набора необходимого пакета из пропитанных слоев сверху укладывают жесткую пластину и, при необходимости, грузы. Отверждение проводят по режимам, как для отверждения соответствующего типа связующего (приложение 1).

Таблица 1. Технологическая карта на изготовление композиционного материала

Материал	Изделие, образец, заготовка				Кол-во, масса, г
	Размеры, мм			Объем, см 3

Компоненты	Норматив	Состояние,		Кол-во, г
Наполнитель
Связующее

Задание № 2. Определение соотношения компонентов в полученном материале

Цель работы : научиться определять соотношение компонентов в материале методом выжигания и гравиметрическим методами.

I . ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №2

Одним из основных показателей структуры композиционного материала, который влияет на свойства полученного изделия, является соотношение компонентов. Массовое содержание компонентов в композиционных материалах на основе термореактивного связующего определяется методами выжигания, растворения или гравиметрическим методом.

Метод растворения основан на удалении из образца композиционного материала связующего под воздействием растворителя, а метод выжигания – под воздействием повышенных температур (для высокотемпературостойких наполнителей). Расчеты по данным методам предполагают отсутствие пор в исходном материале. Если материал пористый, то необходимо проводить расчеты с учетом этого параметра. Наиболее быстрым и неразрушающим методом контроля степени наполнения является гравиметрический .

II . ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

1. Определение соотношения компонентов по методу выжигания

Оборудование и материалы : образцы композиционного материала, весы с точностью до 0,001 г, муфельная печь, эксикатор, тигли.

Ход работы . Готовят не менее трех образцов композиционного материала любой формы и размеров. Масса образца не должна превышать 5 г.

Тигли прокаливают в муфельной печи при температуре 650± 5° С в течение 20 мин и охлаждают в эксикаторе.

Образцы композиционного материала взвешивают на электронных весах с точностью до 0,001 г и помещают в предварительно взвешенные с такой же точностью тигли. Тигли с материалом переносят в муфельную печь при температуре 650± 5° С на 15–20 мин, чтобы выжечь связующее. Затем тигли помещают в эксикатор и охлаждают до комнатной температуры, после чего взвешивают с той же точностью.

Массовые доли наполнителя и связующего в процентах определяют из соотношений:

где m а – масса остатка после прокаливания, г; m км – исходная масса образца композиционного материала, г.

Для определения объемного содержания арматуры Р а необходимо знать плотность композиционного материала и арматуры

где ρ КМ , ρ а – плотности композиционного материала и арматуры соответственно, г/см 3 .

Приведенные расчеты предполагают отсутствие пор в исходном материале. Если материал пористый, то необходимо проводить расчеты с учетом пористости. Если известна плотность матрицы, то можно определить объемное содержание пор P p

где ρ км , ρ а , ρ с

За результат принимают среднее арифметическое значение всех экспериментов. По результатам эксперимента заполняют протокол. Сравнивают полученное значение степени наполнения с заданной изначально, делают вывод.

2. Определение содержания компонентов гравиметрическим методом

Оборудование и материалы : образцы композиционного материала, весы с точностью до 0,001 г.

Ход работы . Берут образцы композиционного материала любой формы и размеров. Определяют плотность композита по одной из стандартных методик: гидростатическим взвешиванием или методом прямого обмера и взвешивания. Плотности исходных компонентов берут из справочника или определяют экспериментально.

Объемное содержание арматуры рассчитывают по соотношению

где ρ КМ , ρ а , ρ с – плотности композиционного материала, арматуры и связующего соответственно, г/см 3 .

Гравиметрический метод является точным только в случае полного отсутствия в композите пустот.

За результат принимают среднее арифметическое не менее трех результатов эксперимента. Сравнивают полученное значение степени наполнения с заданной изначально, делают вывод.

Сравнивают результаты определения соотношения компонентов по предлагаемым методикам и делают вывод.

Форма отчета по заданию №2

По результатам эксперимента заполняют протокол.

ПРОТОКОЛ № ____ от _____________

Определения содержания компонентов в композиционном материале.

1. АППАРАТУРА: (применяемое оборудование и приборы, тип, марка, основные характеристики)

2. МАТЕРИАЛ: (тип, марка или состав связующего, ГОСТ, дата изготовления)

3. ОБРАЗЦЫ: (тип, размеры, количество, метод изготовления)

4. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЯ: (температура)

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ:

5.1. Метод выжигания

Материал	№ образца	m т , г	m км , г	m а , г	C a	P a	C c	P c	P p
Коэффициент вариации, %

Испытания провел:

5.2. Гравиметрический метод

Материал	№ образца	ρ км , г/см 3	ρ а , г/см 3	ρ с , г/см 3
Среднее арифметическое значение
Среднее квадратическое отклонение
Коэффициент вариации, %

Испытания провел:

Литература

1. Любин, Дж. Справочник по композиционным материалам: в 2 т. / под ред. Дж. Любина . – М.: Машиностроение, 1989. – 2 т.

Задание № 3. Изучение структуры композиционного материала на основе термореактивного связующего и армирующего наполнителя

Цель работы : изучить структуру композиционного материала на основе термореактивного связующего и армирующего наполнителя.

I . ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №3

Качество композиционного материала описывают расположением наполнителя, отклонением слоев от заданной ориентации и толщиной прослойки связующего.

II . ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

Оборудование и материалы : пластины композиционного материала, изготовленного в задании № 1 данной работы.

Ход работы. Изучают, описывают и зарисовывают структуру полученного материала по следующим параметрам:

– наличие непропитанных участков;

– наличие областей с избытком связующего ;

– наличие пузырей и раковин;

– искривление волокон наполнителя;

– отклонение от прямолинейности волокон;

– толщина прослоек связующего .

Для непропитанных участков, областей с избытком связующего, пузырей и раковин определяют их суммарную площадь и отношение к общей площади поверхности материала. Материал считается качественным, если дефекты составляют не более 5% от общей площади поверхности материала.

При определении толщин прослоек проводят исследование торцевых поверхностей под микроскопом. Толщина прослоек и распределение наполнителя должны быть равномерными, без искривлений.

Результаты исследования заносят в табл. 2 и делают вывод о качестве полученного материала.

Таблица 2

Соотношение компонентов				ρ км , кг/м 3	Пористость, %	Средний угол отклонения от осевой линии, град	Толщина прослоек связующего, мм
Теоретич .		Эксперимент.
С а	С с

Литература

1. Композиционные материалы: справочник / под ред. В. В. Васильева. – М.: Машиностроение, 1990. – 510 с.

2. Композиционные материалы: справочник / под ред. Д. М. Карпиноса . – Киев: Наукова думка, 1985. – 591 с.

Сегодня наука многое знает о строении материалов и их свойствах, знает «привычки» и «вкусы» различных материалов, и это позволяет улучшать известные и создавать новые материалы не вслепую, не наудачу, а целенаправленно. Наглядно это можно продемонстрировать на том, как создают композиты .

Материаловедение

Материаловедение изучает общие закономерности создания материалов, устанавливает связи между строением, составом и свойствами материалов. Используя эти закономерности и связи, разработчики новых материалов намечают области поиска и движутся к своей цели осознанно, не блуждая в потемках, как Палисси, создавая французский фарфор, (подробнее: ). Пути, ведущие к цели, сегодня уже достаточно хорошо освещены, на некоторых из них установлены мощные прожекторы, на других повешены маленькие фонарики. По ярко освещенным дорогам можно двигаться быстро, по слабо освещенным - медленнее, преодолевая бугры и пробираясь сквозь заросли, но направление выдерживать можно достаточно четко. Вот по таким дорогам и движутся сегодня отряды материаловедов. А кто-то открывает новые пути, и им необходима интуиция Палисси. Как же сегодня создаются композиты. Это неверное утверждение, что метод проб и ошибок уже не используется вообще. Используется. Но сравнительно мало.

Армированные композиты

Армированным композитам повезло больше, чем другим материалам. К тому времени, когда созрела мысль о необходимости их разработки, уже существовала теория анизотропных сред, которая позволяла предсказывать заранее свойства композитов по известным свойствам компонентов. Если древние металлурги, добавляя в расплавленное железо вещество, не знали, как оно повлияет на свойства стали, (подробнее: ) то создатели армированных композитов четко знают, что они должны получить, вводя определенный вид волокон в определенную матрицу. И могут предсказать свойства будущего материала не только качественно, но и количественно. Потому что они опираются на прочный теоретический фундамент.

Теория и практика

Это не означает, что на практике всегда получается то, что предсказывает теория. К сожалению, полное согласие теории с практикой наблюдается далеко не всегда. Теория, как правило, строится для каких-то определенных моделей, которые отражают главные особенности реальных композитов. Главные, но не все. Все она просто не может учесть, потому что их очень много, и попытка учесть все приводит к такому усложнению, что пользоваться такой теорией просто невозможно. Поэтому каждая теория справедлива в тех рамках, которые оговорены при ее построении. А реальные материалы об этих рамках ничего не знают. И если их поведение в эти рамки не укладывается, то нужно винить не теорию, а тех, кто ее применяет там, где применять нельзя. Но для большей части армированных композитов теория армированных сред позволяет достаточно надежно оценивать свойства, которые могут быть достигнуты, то есть дает ориентир, к которому следует стремиться. Эта теория в общем виде довольно сложна, и чтобы ее понять, нужно знать специальные разделы высшей математики. Мы не будем их касаться, а чтобы все-таки получить представление о том, как можно заранее прогнозировать свойства композитов, рассмотрим простейший пример, для понимания которого вполне достаточно знаний среднего пятиклассника.

Пример создания композита

Требуется создать композит на основе алюминия с прочностью 1000 МПа и модулем Юнга 200 ГПа. Достаточно иметь эту прочность только в одном направлении, в остальных допустима прочность на уровне алюминия. Плотность композита не должна превышать плотности алюминиевых сплавов.
Алюминий как основа создания композита. Если задачу перефразировать, получится следующее: требуется создать материал на основе алюминия, обладающий прочностью и жесткостью хорошей легированной стали и сохраняющий при этом весовые характеристики алюминия . Традиционными металлургическими методами (легированием, термической обработкой, пластической деформацией) это сделать невозможно. Прочность чистого алюминия составляет 120-150 МПа, алюминиевых сплавов - до 500-700 МПа. Большего добиться не удается. Модуль Юнга алюминия и его сплавов примерно 70 ГПа, причем легирование, термообработка и пластическая деформация практически не влияют на его величину. А нам нужно увеличить его почти втрое. Алюминий относится к числу легких металлов (плотность 2700 кг/м 3), и если осуществлять легирование более тяжелыми элементами, чем сам алюминий, это приведет к увеличению плотности и не позволит выполнить поставленные требования.

Рассуждения материаловеда-композитчика

Проследим за ходом рассуждений материаловеда-композитчика . Для него ясно, что задача должна решаться путем создания композиционного материала. Поскольку требуется обеспечить прочность только в одном направлении, нужно создавать армированный материал, в котором армирующие волокна уложены параллельно друг другу. Вдоль их оси и будет обеспечена максимальная прочность и жесткость. Вопрос в том, какие волокна использовать и сколько их ввести? Ясно, что в качестве арматуры нужны волокна с максимальными значениями прочности и жесткости . Но только этими показателями ограничиваться нельзя. Например, вольфрамовые волокна, хотя и обладают высокими механическими характеристиками, имеют большую плотность, и, используя их в качестве арматуры, мы заведомо не сможем выполнить требование, касающееся плотности разрабатываемого композита. По той же причине следует отказаться от применения стальных проволок и волокон карбида кремния. Нитевидные кристаллы, (подробнее: ) могли бы помочь решить задачу, но, как мы уже знаем, их использование связано с большими технологическими трудностями и крупными материальными затратами. Пожалуй, наиболее целесообразно попробовать волокна бора и углерода . Их применение не увеличит плотность композита по сравнению с алюминием (углеродные волокна даже уменьшат ее), а модуль упругости и прочность должны повыситься. Необходимо подсчитаем, сколько волокон нужно ввести, чтобы обеспечить заданные механические характеристики. Сколько - это значит не сколько штук, а сколько процентов по объему должны занимать в композите волокна.

Правило смесей

Расчет здесь простой. Нужно применить правило аддитивности, т.е. воспользоваться правилом смесей . Раньше в четвертом-пятом классах решали задачи такого типа: килограмм карамелек стоит 1 рубль, а килограмм ирисок - 3 рубля. Сколько будет стоить килограмм смеси, составленной из двух килограммов карамелек и четырех килограммов ирисок? Казалось бы, кому нужно знать стоимость килограмма этой злосчастной смеси, ведь ни одного нормального покупателя такой вопрос совершенно не волнует. Но оказалось, задачи о смесях на самом деле - очень нужная штука. Их нередко используют в разных технических расчетах и в частности при оценочных расчетах некоторых свойств композитов. Например, прочность и жесткость композиционного материала в направлении армирования можно рассчитать точно так же, как стоимость одного килограмма смеси. Композит в первом приближении можно рассматривать как смесь матрицы и волокон. (Это можно сделать далеко не всегда, но в данном случае для оценочных расчетов - можно.) Цена одного килограмма смеси определяется по простой формуле: Ц = Ц 1 N 1 + Ц 2 N 2 . В этой формуле Ц 1 Ц 2 и Ц - цены карамелек, ирисок и смеси соответственно; N 1 - доля карамелек в смеси, N 2 - доля ирисок в смеси. При этом в сумме N 1 + N 2 = 1. В смеси, состоящей из 2кг карамелек и 4кг ирисок, доля карамелек N 1 = 2/(2+4) = 1/3, а доля ирисок N 2 = 4/(2+4) = 2/3. В соответствии с приведенной формулой цена 1кг смеси из карамелек и ирисок составит: Ц = 1(руб/кг) 1/3 + 3(руб/кг) 2/3 = 2 1/3 (руб/кг).

Модуль Юнга для композита

По аналогичной формуле можно рассчитать модуль Юнга для композита в направлении укладки волокон: Е = E M V M +E B V B . Здесь E M , E B , Е - модули Юнга матрицы, (подробнее: ), волокон и композита соответственно; V M , V B - объемные доли матрицы и волокон в композите.
Бронепластина как яркий пример применения композита. С учетом того, что V M + V B = 1, это выражение можно записать в виде: Е = E M (1-V B) + E B V B . Последней формулой воспользуемся для решения поставленной задачи. Нам нужно получить композит с модулем Юнга Е = 200 ГПа. Модуль Юнга алюминиевой матрицы E M = 70 ГПа, средний модуль Юнга борных волокон E B = 400 ГПа, а углеродных волокон E B = 350 ГПа. Следовательно, для композита, армированного борными волокнами, формула примет вид: 200=70 (1-V B) + 400 V B . Решая это уравнение относительно V B , получим: V B = 0,39 = 39 % (по объему). Для композита алюминий - углеродные волокна - 200 = 70(1-V B) + 350V B , откуда V B = 0,46 = 46 % (по объему). Таким образом, чтобы выполнить требование по жесткости, необходимо ввести в алюминий либо 39 % (по объему) борных волокон, либо 46 % (по объему) углеродных волокон. Прочность композита тоже может быть рассчитана по правилу смесей. Если волокна менее пластичны, чем матрица (а у нас как раз такой случай), то прочность армированного материала в направлении укладки волокон приближенно оценивается формулой: (Ϭ B) к = (Ϭ B) в V B + Ϭ М (1-V B) Здесь (Ϭ B) к и (Ϭ B) в - пределы прочности композита и волокон; Ϭ М - величина, близкая к пределу текучести матрицы; V B - объемная доля волокон. Нам нужно получить (Ϭ B) к = 1000 МПа. Борные волокна в среднем имеют (Ϭ B) в = 3250 МПа, а углеродные - (Ϭ B) в = 2500 МПа, предел текучести алюминия примерно 30 МПа. Таким образом, для алюминия, армированного борными волокнами, получаем 1000 = 3250 V B + 30(1 - V B), а для углеалюминия - 1000 = 2500 V B + 30(1 - V B). Решение этих уравнений дает для бороалюминия V B = 0,3 = 30 % (по объему), а для углеалюминия V B = 0,39 = 39 % (по объему). Из полученных результатов видно, что задача решается либо созданием бороалюминия, содержащего 39 % (по объему), либо - углеалюминия, армированного 46% (по объему) углеродных волокон. Композиты такого состава будут иметь требуемую жесткость, прочность их будет выше заданной (это не очень выгодно с экономической точки зрения, но делать материалы менее прочными мы не имеем права, поскольку при уменьшении прочности за счет уменьшения концентрации волокон снижается и модуль Юнга). Плотность полученных композитов также можно рассчитать по правилу смесей: ɣ = ɣ B V B + ɣ М (1 - ɣ B). Здесь ɣ, ɣ B , ɣ М - плотности композита, волокон и матрицы; V B - объемная доля волокон. Взяв значения плотностей борных и углеродных волокон (2630 кг/м 3 и 1700 кг/м 3) и зная, что ɣ М = 2700 кг/м 3 , легко подсчитать, что плотность композита алюминий - 39 % (по объему) борных волокон составляет 2670 кг/м 3 , а композита алюминий - 46 % (по объему) углеродных волокон - 2240 кг/м 3 . Следовательно, требование по плотности выполнено тоже. Дальше следует решить, на каком из двух выбранных композитов остановиться. Это определяется целым комплексом условий - технологических, конструкционных, экономических. В одних случаях более предпочтительным может оказаться бороалюминий, в других - углеалюминий. Поскольку дополнительная информация не оговаривается, на этом можно остановиться, считая задачу, о том как создаются композиты, выполненной.

В современной промышленности вряд ли найдется такая отрасль, где не использовались бы те или иные композиционные материалы (КМ). Для материаловедения весьма актуальной является задача получения КМ с требуемым комплексом свойств. Решение данной задачи в значительной степени связано с изучением процессов самоорганизации, устойчивости и распада различных неравновесных полиструктурных систем, к которым с полным основанием могут быть отнесены КМ. Главным признаком композитов является способность образовывать в процессе формирования специфические структуры из частиц наполнителя и матрицы. В результате новый составной материал приобретает неаддитивные, иногда уникальные свойства, не присущие составляющим КМ в отдельности. К таким структурам, прежде всего, могут быть отнесены кластерные, решеточные и каркасные.

Из всех физико-механических показателей КМ прочность является одной из наиболее сложнопрогнозируемых величин. Она непосредственно определяется вероятностными процессами возникновения и развития структурных повреждений в нагруженных композитах. Природа экстремального изменения прочности при повышении содержания наполнителя в КМ интересна и мало изучена. Тем не менее, характер ее изменения находит вполне ясное описание в довольно простых математических моделях дисперсно-наполненных композитов, предлагаемых А.Н. Бобрышевым, В.Т. Ерофеевым, В.Н. Козомазовым .

Физико-механический показатель прочности КМ с дисперсным наполнителем непосредственно зависит от процентного соотношения объема матрицы и наполнителя. С повышением содержания наполнителя в КМ развиваются два одновременных альтернативных процесса в большей мере обусловленных возникновением границы раздела между фазами в композите и поэтому обязанных проявлению комплексных свойств, не присущих компонентам в отдельности.

С одной стороны, протекает процесс упрочнения композита за счет введения в матрицу дисперсных частиц. Такое упрочнение преимущественно осуществляется в результате близкодействующего взаимодействия отдельных частиц наполнителя, способствующего переводу матричного материала в контактном пространстве между частицами наполнителя из его объемного состояния в пленочное с более высокой прочностью и структурированностью.

С другой стороны, в композите проявляется процесс разупрочнения, развивающийся с повышением содержания наполнителя. Прежде всего, источником дефектов является поверхность раздела фаз. Кроме того, с повышением содержания наполнителя в КМ проявляется пустотность, вызванная дефицитом связующего материала.

Классификация композиционных материалов (КМ)

Крупнейшим достижением в материаловедении за последние полвека является создание так называемых композиционных материалов . Большой интерес к ним обусловлен высоким уровнем свойств:

Высокой прочностью;

Высокой жесткостью;

Высокой жаропрочностью;

Значительным сопротивлением распространению трещин и др.

В отличие от обычного конструкционного материала композиционный материал (КМ) – искусственный продукт, не встречающийся в природе, его компоненты выбирают и рассчитывают преднамеренно. КМ содержит по крайней мере две различные химические фазы и его свойства определяются свойствами этих фаз.

Основная идея создания КМ – получить комбинацию свойств, которые не присущи каждому материалу в отдельности.

Традиционно применяемые металлические и неметаллические материалы в значительной мере достигли своего предела конструктивной прочности. Вместе с тем развитие современной техники требует создания материалов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Зачастую требования, предъявляемые к материалам, могут носить противоречивый характер. Удовлетворить эти требования можно путем использования композиционных материалов.

Принцип построения КМ человек позаимствовал у природы. Типичными композиционными материалами являются стволы растений, стебли деревьев, кости человека и животных.

Как известно, для оценки эксплуатационных характеристик конструкций существует квадратно-кубическая зависимость: прочность и жесткость повышаются пропорционально квадрату линейных размеров (поперечное сечение), в то время, как масса растет пропорционально кубу (объем) линейных размеров. Т.е. для достижения высоких значений жесткости и прочности должны быть использованы новые высокопрочные и более жесткие материалы, чтобы масса в известном смысле не опережала механические характеристики.

Важной характеристикой в свете этого является удельный модуль упругости Еуд=G/γ. Промышленные материалы, такие, как сталь, алюминий, титан, стекло – имеют близкие значения Е УД. Для его увеличения конструктор вынужден, в основном, использовать материалы с более низкой плотностью γ и увеличенным размером сечения.

Композиционный материал – это материал, состоящий из двух или нескольких компонентов, отличных по своей природе и химическому составу.

Компоненты образуют единую структуру с границами раздела.

Компонент, непрерывный во всем объеме материала, называется матрицей . Компонент (компоненты) прерывистые, разъединенные матрицей, называются арматурой или армирующим компонентом (фазой). Понятие «армирующий» означает «введенный с целью изменения свойств материала», но всегда «упрочняющий».

КМ принято классифицировать по нескольким основным признакам:

По материалам матрицы и арматуры;

По структуре – геометрии и расположению компонентов;

По методу получения;

По области применения, впрочем, этот принцип классификации используется редко, т.к. разные материалы могут иметь одно применение (или один и тот же материал использоваться для различных целей).

Классификация по материалам

1. КМ на основе металлов и сплавов. Чаще всего используется Al, Mg, Ti, Cu и сплавы на их основе;

2. КМ на основе интерметаллидов, т.е. химических соединений «металл–металл», например TiAl, Ti 3 Al, NiAl, Ni 3 Al и др.;

3. керамические КМ – соединения оксидов, карбидов, нитридов, обладающие высокой жаропрочностью;

4. КМ на основе неметаллов, например на основе углерода;

5. КМ с матрицей из полимеров.

Классификация по структурным признакам

1. Волокнистые КМ (ВКМ);

2. Слоистые КМ;

3. Дисперсно-упрочненные КМ (ДУКМ или ДКМ).

Классификация по методам получения

1. Химические методы, связанные с химическим, электрохимическим и термохимическим осаждением или напылением;

2. Твердофазные методы совмещения матрицы и арматуры (методы порошковой металлургии, сварка взрывом, обработка давлением и т.д.);

3. Жидкофазные методы - пропитка волокон расплавом матрицы на воздухе, в вакууме или инертном газе и др.;

4. Комбинированные методы.

Волокнистые композиционные материалы

Несущим элементом волокнистых композиционных материалов (ВКМ) является волокно, проволока. Эти компоненты имеют высокую прочность, высокий модуль упругости и, как правило, невысокую плотность. Именно волокна определяют уровень свойств композиционных материалов. Наиболее перспективными являются волокна бора и углерода. Они используются для упрочнения матриц из Al, Mg, Ti.

Приведем для сравнения свойств армирующих компонентов следующую таблицу.

Свойства волокон, проволоки и нитевидных кристаллов («усов»).

Матрица скрепляет волокна, защищает от механических повреждений и окисления, передает нагрузку на волокна. При разрушении некоторых волокон матрица перераспределяет напряжения. Состояние поверхности раздела компонентов оказывает существенное влияние на поведение КМ. Эта поверхность представляет собой некоторую область, где протекают различные процессы – растворения, образования новых фаз, перераспределения примесей. Некоторые следователи склонны считать поверхность раздела еще одной фазой.

ВКМ находят применение в авиационной и космической технике, судостроении, автомобилестроении, металлургии, химической промышленности, медицине (ортопедии). Их используют для изготовления корпусных элементов, обшивки, силовых конструкций, поршней, лопаток компрессоров, турбин, протезов, медицинских инструментов. В технологическом отношении необходимо отметить, что правильно выбранная технология оказывает существенное влияние на свойства КМ. При этом следует исходить по крайней мере из 3-х условий. Во-первых, техпроцесс должен обеспечить равномерное распределение волокон при заданном их объемном содержании; они должны быть изолированы между собой слоем матрицы. Во-вторых, механическое повреждение волокон должно быть сведено к минимуму. В-третьих, взаимодействие волокон с окружающей средой и с матрицей в процессе их совмещения и снижение при этом прочности волокон должно быть минимальным.

Механическое поведение ВКМ.

Армирование волокнами дает возможность получать наиболее эффективное упрочнение.

Требования к волокнам:

Высокая прочность;

Высокий модуль упругости;

Легкость изготовления и низкая стоимость;

химическая стабильность.

Разрушение ВКМ состоит из ряда последовательных дискретных этапов. В каждом из них происходит перераспределение напряжений. Трещина возникает в матрице и, развиваясь, встречает препятствие на границе раздела «волокно-матрица». Наступает период относительной стабильности. В подобных композитах сочетаются два противоположных свойства – высокий предел прочности за счет использования высокопрочных волокон и достаточная вязкость разрушения за счет пластичного материала матрицы.

Дадим оценку прочности ВКМ с непрерывными волокнами. В ВКМ непрерывные волокна обычно распределены равномерно по всему объему.

В целях упрощения предположим, что они однородны, прочно скреплены с матрицей так, что при деформировании между ними отсутствует проскальзывание, т.е. деформации композита, волокон и матрицы равны.

.

Схематично кривая «напряжение-деформация» выглядит следующим образом и имеет 4 характерные стадии.

I стадия: упругое волокно и упругая матрица (деформация невелика, оба компонента работают в упругой области).

II стадия: упругое волокно, пластичная матрица (линейна зависимость сохраняется, т.к. модуль упругости волокна много больше модуля упругости матрицы , объемная доля волокон высокая и поведение композита определяется свойствами волокон).

III стадия: пластичные волокно и матрица.

IV стадия: разрушение волокна.

Поведение композита с непрерывными волокнами проще представить, если рассматривать следующую модель.

Здесь σ - растягивающие напряжения, действующие на поперечное сечение ;

τ – напряжения сдвига, воздействующие на площадь .

Пусть к образцу из ВКМ приложена осевая нагрузка P, которая связана с напряжением соотношением

где F – площадь поперечного сечения стержня.

Предположим также, что поверхность разрушения плоская; тогда разрушающая нагрузка P max связана с осевым напряжением разрушения σ max аналогичным образом:

.

Определим теперь прочность КМ при растяжении

.

Поскольку поверхность разрушения проходит через оба компонента, можно записать

,

где F В – площадь волокон в поперечном сечении; F М – площадь матрицы.

Это уравнение можно переписать в ином виде

,

где σ В – средняя прочность волокон в композиции; σ М – среднее напряжение течения в матрице в момент разрушения.

Если в любом поперечном сечении относительная площадь волокон и матрицы одинакова, то последнее уравнение принимает вид

где V B и V M – объемные доли волокон и матрицы соответственно.

Это уравнение называется правилом смеси или аддитивности. Оно широко используется для расчета прочности композиций.

При выводе правила смеси предполагали, что между составляющими композита существует прочная связь. Это означает равенство деформаций разрушения .

Правило смеси имеет определенные границы применения. Это связано с существованием верхней и нижней границ объемных долей волокон и , что в свою очередь определяется технологическими возможностями. При очень плотной укладке волокон матричный материал почти отсутствует, как показано ниже.

Плотная укладка

И, напротив, доля волокон слишком мала, упрочнение незначительно:

V В слишком мало

В силу указанных причин для ВКМ существует понятие оптимальной объемной доли волокон.

Примечание: При малых деформациях правило аддитивности для напряжений можно записать как

Это уравнение выполняется до тех пор, пока не будет достигнута деформация разрушения одной из структурных составляющих.

Разрушение ВКМ с непрерывными волокнами.

Характер разрушения ВКМ зависит от объемного содержания волокон и матрицы и соотношения их деформаций до разрушения.

до разрушения.

а) однократное разрушение.

Ему соответствует диаграмма разрушения

б) множественное разрушение

Диаграмма разрушения при этом имеет вид

Волокна дробятся на меньшие длины. Ниспадающие ветви диаграммы соответствуют вытягиванию концов разорвавшихся волокон из матрицы.

Матрица и волокна могут разрушаться не в одной плоскости.

ВКМ, обладая высоким пределом прочности и еще меньшей пластичностью, чем высокопрочные сплавы, имеют, однако, меньшую чувствительность к концентраторам напряжений и большое сопротивление усталостному разрушению. Это объясняется тем, что у материалов различный механизм развития трещин. В традиционных изотропных высокопрочных сталях и сплавах развитие трещин идет прогрессирующим темпом.

В КМ трещина обычно возникает в матрице и, развиваясь, встречает препятствия на границе раздела «матрица-волокно». Волокна тормозят развитие трещин и наступает период относительной стабильности, в течение которого развитие трещин приостанавливается.

Влияние ориентации волокон.

Волокна не всегда параллельны действующей нагрузке. По расположению компонентов (схемы армирования) КМ могут быть разделены на 3 группы:

1. Композиты с одноосным (линейным) расположением армирующего компонента. Волокна, проволоки или нитевидные кристаллы располагаются в матрице в плоскостях, параллельных друг другу.

2. Композиты с двухосным (плоскостным) расположением армирующего компонента, составляющие которого в виде волокон, фольг, матов из нитевидных волокон и т.п. расположены в матрице в плоскостях, параллельных друг другу.

3. КМ с трехосным (объемным) расположением компонентов, когда невозможно выделить одно или два преимущественных направления в материале.

Размер пучка нити, шаг пучков, плотность упаковки нити в каждом направлении характеризуют свойством ткани.

Пусть Θ – угол между направлением (ориентацией) волокон и направлением нагрузки однонаправленного ВКМ.

1. При небольших Θ разрушение происходит вследствие разрыва волокон.

2. При средних значениях Θ – в результате сдвига матрицы по плоскости, параллельной волокнам, либо по поверхности раздела.

3. При больших углах Θ – либо путем разрыва матрицы, либо по поверхности раздела путем отрыва .

Если принять, что σ 0 – прочность композита при Θ=0 0 ;

τ м – предел прочности матрицы на сдвиг;

σ м – предел прочности матрицы при растяжении, то графически зависимость прочности композита σ К от угла Θ выг8лядит следующим образом

Волокнистые композиционные материалы с дискретными волокнами.

Здесь, как и в предыдущем случае, обратим внимание скорее на качественную сторону вопроса без достаточно строгого вывода основных формул.

В том случае, когда армирующие волокна непрерывны, напряжения в них постоянны по всей длине за исключением концевых участков. При малом разбросе частных значений прочности волокон в момент разрушения композиции напряжения почти во всех волокнах достигают их предела прочности. Если же композиция армирована короткими волокнами или усами, то активная роль матрицы состоит в том, чтобы путем пластической деформации передать напряжения волокнам и нагрузить их. В КМ с непрерывными волокнами (особенно высокопрочными) активная роль матрицы состоит скорее в том, чтобы «сплотить» волокна, заставить их работать как единое целое.

Матрица передает нагрузку в результате сдвиговых напряжений на поверхность волокна вблизи разрушенных волокон.

Рассмотрим распределение напряжений в волокне конечной длины l, находящемся в материале матрицы. При этом будем считать, что волокно и матрица работает в упругой области. Если нагрузка приложена к матрице, то в упругой области последняя удлиняется пропорционально напряжению.

Модули упругости соотносятся как - это условие является основным для получения композиции с более высокими механическими свойствами. Т.е. волокно будет ограничивать свободное удлинение матрицы в соседней с волокном зоне.

Рассматриваем отдельно взятое волокно, окруженное матрицей. Влияние других волокон в нашей модели исключается.

Ненагруженное состояние

Схема совместной деформации волокна и матрицы (а) и эпюры распределения растягивающих напряжений в волокне и напряжений сдвига на поверхности раздела «волокно – матрица» в упругом (б) и упруго – пластическом приближении (в).

На некотором удалении от волокна матрица свободно и равномерно пластически удлиняется, тогда как в прилегающей к волокну зоне удлинение матрицы будет равняться упругому удлинению последнего. Это приводит к возмущению поля деформации в прилежащей к волокну зоне. По мере удаления от волокна его возмущающее действие ослабевает, пока полностью не сойдет на нет.

Предполагается, что между волокном и матрицей существует идеальная связь и отсутствует передача напряжений через торцы волокна. Это распределение растягивающего напряжения σ вдоль волокна показано на рисунке б.

Поскольку нагрузка не передается через торцы волокна, то растягивающее напряжение увеличивается от нуля на его концах до максимального значения в точке l кр /2. Критическая длина lкр определяется как длина короткого волокна, которая необходима для достижения напряжения, равного напряжению в волокне бесконечной длины.

Распределение касательных напряжений τ вдоль поверхности раздела нетрудно найти, если рассмотреть равновесие сил, действующих на элемент волокна. Касательные напряжения максимальны на концах волокон и минимальны в середине волокна (рис.б).

Анализ отношения τ max /σ max показывает, что максимальные касательные напряжения на поверхности раздела могут достигать и превышать предел текучести матрицы. В этом случае матрица пластически деформируется, и эпюры напряжений будут такими, как это показано на рис. В. При небольшой растягивающей нагрузке изменение касательных напряжений определяется упругим поведением матрицы. По мере увеличения нагрузки максимальные значения ограничиваются пределом текучести матрицы τ Т.

Таким образом, упругопластическое поведение матрицы представляется более вероятным в процессе работы композиции. За пределами упругой области длина передачи нагрузки и, следовательно, l кр зависят от напряжения разрушения волокна. Эту зависимость легко получить из уравнения равновесия элементов волокна и матрицы в предположении равенства τ пределу текучести матрицы τ Т.

,

где - напряжение разрушения волокна.

Из этого выражения следует, что критическая длина волокна l кр возрастает пропорционально напряжению разрушения волокна.

В рассмотренной выше модели не учитывалось влияние соседних волокон на распределение напряжений и деформацию. Существуют работы, где приводятся расчеты распределения σ вдоль оси волокна и распределения τ по периметру волокна в зависимости от расположения соседних волокон.