Всего на сайте:
248 тыс. 773 статей

Главная | Химия

Свойства волокнистых композиционных материалов  Просмотрен 458

Свойства КМ обусловливаются целым рядом факторов:

свойствами материала матрицы;

свойствами материала армирующего компонента;

объемной долей армирующего компонента;

размером и расположением упрочняющих частичек (для дисперсно-упрочненных КМ);

схемой армирования и длиной волокон (для волокнистых КМ);

силой связи между матрицей и волокном, которая обеспечивает полноту передачи нагрузки от матрицы волокнам;

расположением и ориентацией волокон в КМ.

Очень важным фактором, особенно для волокнистых материалов, является сила связи между армирующим компонентом и материалом матрицы.

В композитах «металлическая матрица - металлический армирующий компонент» эта связь обеспечивается взаимодействием между металлами с образованием тонкого (1…2 мкм) пограничного слоя интерметаллида. В случае значительного отличия модулей упругости и термических коэффициентов линейного расширения связь между матрицей и волокном может быть ослаблена остаточными напряжениями на границах их раздела.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей в связи отсутствия переходного слоя имеют слабые адгезионные связи между матрицей и волокнами, поскольку они обеспечиваются межмолекулярным взаимодействием. Прочность такой связи прямопропорционально зависит от поверхностной энергии волокна (поверхностного натяжения), которую увеличивают разными способами: поверхностным травлением, окислением, вискеризацей. Вискеризация (от англ, whiskers - усы, нитевидные кристаллы) - это выращивание на поверхности волокон нитевидных кристаллов, увеличивающих связь с матрицей.

При неизменном количестве армирующего компонента прочность волокнистых КМ зависит от прочности волокон, силы сцепления между волокнами и матрицей и сопротивления матрицы сдвигу.

Рис. 5.7. Диаграмма изменения прочности для стеклопластика и его составляющих

 

Диаграмма растяжения для КМ имеет некоторые особенности по сравнению с обычными материалами.

На рис. 5.7 приведены кривые растяжения σ=f(ε) для стеклопластика (кривая 2) и его составляющих - стеклянного волокна (кривая 1) и полиэфирной матрицы (кривая 3) при одноосном армировании.

На рисунке можно выделить три области - I, II, III. В первой (прямолинейные участки на кривых растяжения) матрица, волокно, и композит деформируются упруго. Во второй начинается пластическая деформация матрицы (кривая 3), и зависимость напряжение - деформация для композита становится нелинейной (кривая 2), хотя волокно продолжает деформироваться упруго (кривая 1). При этом увеличивается доля нагрузки, которую воспринимают волокна. Третий этап связан с разрушением волокна.

Но если волокно разрушается хрупко, практически мгновенно, то композит значительно медленнее. Это объясняется несколькими причинами. Первое, не все волокна рвутся одновременно. Второе, разорванные волокна остаются в неповрежденной матрице и воспринимают часть нагрузки во время продолжения пластической деформации матрицы.

При условии, что матрица и волокна прочно связаны между собой в композите, величины деформации матрицы, волокон и композита в направлении осей волокон одинаковы вплоть до разрушения (εм = εв= εкм). Тогда внешняя нагрузка, действующая на КМ в этом направлении (Ркм), равняется сумме нагрузок, которые воспринимают матрица и волокна отдельно.

Ркм = Рв + Рм. (5.3)

Из рис. 5.7 видно, что σв КМ (кривая 2) приблизительно в семь раз выше, чем матрицы (кривая 3), а добавка стекловолокна с высоким модулем упругости (77·103МПа) позволила заметно повысить модуль Е композиционного материала по сравнению с матрицей.

Показатели прочности КМ в первом приближении подчиняются правилу аддитивности.

σвкм = σвм·Vм = σвB·Vв (5.4)

где σвкм, σвм, σвв – временное сопротивление соответственно КМ, матрицы и волокна; Vм и Vв – объёмные доли материалов матрицы и волокна.

Если воспользоваться законом Гука (σ = Eε) вдоль волокна и условием (εм = εв= εкм), то напряжение в уравнении (5.4) можно заменить модулями нормальной упругости.

EKM = EBVB + EMVM = EBVB + EM(1-VB), (5.5)

Где Екм, Ев, Ем – модули нормальной упругости в направлении волокан соответственно КМ, волокна и матрицы.

Важную роль в упрочнении волокнистых материалов играет отношение длины волокна к его диаметру: чем оно больше, тем выше прочность КМ. Если упрочнителем являются дискретные волокна, то учитывается так называемый концевой эффект, т.е. неравномерное распределение напряжения вдоль волокна (на его концах напряжение меньше, чем в средней части).

На конструкционную прочность КМ существенным образом влияет ориентация волокон относительно действующих в конструкциях нагрузок. Наиболее заметно анизотропия свойств проявляется в одноосно армированных КМ, для которых предел прочности на растяжение вдоль волокон достигает максимального значения (рис. 5.8, кривая 1). Предел прочности поперек волокон на порядок ниже (рис. 5.8, кривая 4).

В керамических КМ линейный характер кривой напряжение - деформация сохраняется вплоть до температуры 1000-1200°С. Это свидетельствует о том, что в них практически отсутствует пластическая деформация даже при такой высокой температуре.

Для гибридного КМ на кривой Р = f(∆l) присутствуют два пика (рис. 5.9). Первый соответствует разрушению углеродного волокна, которое имеет более высокий модуль упругости. Разрушенное волокно перестает передавать нагрузку, что приводит к ее резкому снижению. После этого основную нагрузку начинает воспринимать стекловолокно, и второй пик отвечает его разрушению.

Рис. 5.8. Зависимость между напряжением и деформацией при растяжении эпоксидного карбопластика с разной укладкой волокон:

1 - продольная, 2 - под углом 45°, 3 - взаимно перпендикулярная, 4 - поперечная

Рис. 5.9. Диаграмма Р = f(∆l) для гибридного КМ:

Матрица – эпоксидная смола, упрочнитель – 30% стекловолокна, 40% - углеволокна

Использование в композитах на основе полимерной матрицы смеси армирующих волокон с высокими модулями упругости оказывается очень эффективным. В настоящее время такие КМ находят все более широкое практическое применение.

Предыдущая статья:Волокнистые композиционные материалы с керамической матрицей Следующая статья:Слоистые композиционные материалы
page speed (0.0154 sec, direct)