Волокнистые композиционные материалы

ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

У волокнистых композитов матрица (чаще всего пластичная) ар­мирована высокопрочными волокнами, проволокой, жгутами и т. п. воспринимающими нагрузку, за счет чего и достигается уп­рочнение композитов. Композит приобретает ряд свойств, которы­ми не обладают его компоненты. При этом появляется возможность создавать материалы или непосредственно детали с заранее задан­ными характеристиками для определенных условий эксплуатации.

Свойства волокнистых композитов определяются природой ма­териалов матрицы и волокна, а также способами армирования. Именно эти параметры лежат в основе классификации композитов.

В зависимости от материала матрицы композиты делятся на пластики (полимерная матрица), металлокомпозиты (металличе­ская матрица), композиты с керамической матрицей и матрицей из углерода.

При создании композиционных материалов применяются высо­копрочные волокна из стекла, бора, углерода, металлической про­волоки и нитевидных кристаллов оксидов, нитридов и других хими­ческих соединений.

Название композита определяется материалами матрицы и во­локна, например, стеклопластик — это композит, у которого материал матрицы — пластмасса, упрочняющий компонент — стекловолокно.

Армирующие компоненты применяются в виде моноволокон, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов. Различают компо­зиты, образованные из слоев; армированные непрерывными парал­лельными волокнами; армированные тканями (текстолиты). Распо­ложение волокон может быть направленным (одно- или многонаправленным) или хаотическим, двухмерным или трехмер­ным— пространственным (рис. 16.1).

Волокнистые композиционные материалы

Рис. 16.1. Классификация композитов по конструктивному признаку:

а — хаотически армированные (1 — короткие волокна; 2— непрерывные волокна); б— одномер­но-армированные (1 — непрерывные волокна; 2— короткие волокна); в — двухмерно-армиро­ванные (1 — непрерывные нити; 2 — ткани); г — пространственно-армированные (1 — три се­мейства нитей; 2 — п семейств нитей)

Текстолит — это материал, полученный прессованием пакета кусков хлопчатобумажной ткани, пропитанной смо­лой. Выпускается в виде листов, плит, труб и стержней. Обладает хорошей способностью поглощать вибрационные нагрузки, водостойкостью, высокой ударной вязкостью, электроизоляционными и антифрикционными свойствами. Теплостоек до 80°С. Используется для изготовления зубча­тых колес, вкладышей подшипников скольжения, электро­изоляционных деталей радиоаппаратуры.

Стеклотекстолит отличается от текстолита тем, что в качестве наполнителя используется стеклоткань. Более прочен и теплостоек, чем текстолит, имеет лучшие элек­троизоляционные свойства. Применяется для изготовле­ния корпусов судов, самолетов, автомобилей и других крупногабаритных изделий, для электроизоляционных деталей, работающих при повышенных температурах.

В асботекстолите наполнителем является асбестовая ткань. Кроме электроизоляционных, он имеет хорошие теплоизоляционные и фрикционные свойства. Применяется в качестве теплозащитного и теплоизоляционно­го материала, для изготовления тормозных колодок, дисков сцепления и др.

Гетинакс представляет собой материал, полученный прессованием нескольких слоев бумаги, пропитанной смолой. Он обладает электроизоляционными свойства­ми, устойчив к действию химикатов, может применять­ся при температуре до 120-140 °С. Применяется в элект­ротехнике для изготовления печатных плат, в электри­ческих машинах и трансформаторах в качестве изоляции, как декоративно-облицовочный материал.

Материалы матриц волокнистых композитов. Матрица должна обеспечивать монолитность композита, фиксировать форму изде­лия и взаимное расположение армирующих волокон. Она обеспечи­вает равномерную нагрузку на армирующие волокна и перераспре­деление нагрузки в случае разрушения части волокон. Кроме того, материал матрицы определяет технологию изготовления изделий из композита. Таким образом, требования, предъявляемые к свойст­вам материала матриц, можно разделить на эксплуатационные и технологические.

К первым относятся механические, физические и химические свойства, которые определяют возможность эксплуатации компози­та в различных условиях. Прочность матрицы должна быть такой, чтобы обеспечить совместную работу всех армирующих элементов. При нагрузках, приложенных в направлениях, отличных от ориен­тации волокна, прочность композита определяется во многом, если не в основном, прочностью матрицы. Природа матрицы обусловли­вает также уровень рабочих температур и среду эксплуатации ком­позита.

В процессе операций изготовления композита должны быть обеспечены следующие условия:

• равномерное (без касания между собой) распределение воло­кон в матрице;

• достаточно прочная связь на границе раздела.

Для этого материал матрицы должен обеспечить хорошую смачиваемость волокна. Смачивание характеризуется растеканием жидкости по поверхности твердых тел. Если капля жидкости расте­кается по поверхности твердого тела, она его смачивает. Если же она принимает сферическую форму, например, капля ртути на стекле, жидкость обладает плохой смачивающей способностью.

Кроме того, желательно иметь невысокие значения параметров формообразования: температуру, давление, чтобы избежать измене­ния свойств или даже разрушения упрочняющей фазы, а также с целью снижения энергозатрат в процессе изготовления композита.

В качестве материала для изготовления матриц наибольшее при­менение нашли полимеры, углерод и металлы.

Для изготовления полимерных матриц используют термореактив­ные эпоксидные и полиэфирные смолы, а также целый ряд термо­пластичных пластмасс. Свойства полимерной матрицы достигаются в результате полимеризации и отверждения (для реактопластов), при этом материал матрицы должен иметь низкую усадку.

Недостатками пластиков являются их низкие жесткость, проч­ность и теплостойкость. Более высокая теплостойкость присуща термореактивным, а не термопластичным пластмассам. Наиболее теплостойкими (до 300÷350 °С) являются кремнийорганические и полиамидные пластмассы (табл. 16.2).

Таблица 16.2. Свойства полимерных матриц

Волокнистые композиционные материалы

Широкое применение для изготовления матриц нашли эпоксид­ные смолы. Они обладают более высокими механическими свойст­вами, что обеспечивает композиционным материалам на их основе большую прочность при сжатии и сдвиге. Их отверждение происхо­дит при сравнительно низких температурах и с небольшой усадкой. При изготовлении деталей не требуется высоких давлений, что важ­но при создании композитов, армированных высокопрочными, хрупкими волокнами, так как снижается вероятность их поврежде­ния.

Углеродная матрица обладает высокими значениями механиче­ских характеристик, высокой теплостойкостью (свыше 2000 °С в не­окислительной среде), низкими коэффициентами трения и темпе­ратурного расширения, высокой химической стойкостью.

Металлическая матрица характеризуется высокими значениями прочностных характеристик, ударной вязкости, модуля упругости. Металлы сохраняют свои свойства в более широком интервале тем­ператур, чем полимеры. В качестве матричных материалов преиму­щественно используют алюминий, титан, сплавы на их основе и магниевые сплавы.

В качестве матричного материала на основе алюминия применя­ют как технический алюминий, так и сплавы на его основе: АМц, АМг2, АМг6, Д16, Д20, В95 и др. Использование этих сплавов по­зволяет изменять механические характеристики матриц в достаточ­но широком пределе. Так, предел прочности сплава АМц составля­ет 130МПа, АМг6 — 300МПа, Д16 — 500МПа, В95 — 600 МПа. Модуль упругости алюминиевых сплавов — около 70 ГПа. Сплавы обладают малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью. Для алюминиевых сплавов характерна высокая технологичность, они пластичны, хорошо обрабатываются резанием, заготовки могут быть получены вакуумной или аргоно-дуговой сваркой.

Магниевые сплавы обладают плотностью меньшей, чем алюми­ниевые, однако они уступают им по прочности, модулю упругости и технологичности. Так, предел прочности сплавов МА2-1, МА5, МА8, используемых в качестве матричных материалов,— 250÷300 МПа, модуль упругости около 40 ГПа. Горячая пластичность этих сплавов ниже, чем у алюминиевых.

Титановые сплавы ( в качестве матричного используют, напри­мер, сплав, содержащий 90 % Тi, 6 % А1, 4 % V) имеют более высо­кие, чем у алюминиевых и магниевых сплавов, модуль упругости, Е= 140 ГПа, и предел прочности — до 1000 МПа. Они сохраняют прочностные характеристики при нагреве до температур 300÷450 °С. Сплавы обладают удовлетворительной пластичностью в горячем со­стоянии. Однако для их пластической деформации необходимы достаточно высокие напряжения. Это затрудняет получение компо­зитов с хрупкими армирующими волокнами.

Армирующие компоненты композиционных материалов. Армирую­щие волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в процессе эксплуатации, и обеспечивают жесткость и прочность композита в направлении ориентации волокна. Таким образом, во­локна должны обладать высокой прочностью и жесткостью, т. е. большим модулем упругости Е, химической стойкостью, и сохра­нять этих свойств в интервале эксплуатационных температур.

В качестве армирующих используют моноволокна, жгуты или ткани, сформированные из моноволокна. Основное применение получили следующие типы волокон.

Стеклянные волокна наиболее широко применяют при создании композитов с неметаллической матрицей. При малой плотности они имеют высокую прочность и теплостойкость, нейтральны к хи­мическому и биологическому воздействию. Непрерывные волокна получают вытягиванием расплавленной стекломассы через фильеры диаметром 0,8÷3 мм и дальнейшим быстрым вытягиванием их до диаметра 3÷9 мкм. Поверхность стеклянных волокон покрывают замасливателем (например, парафиновая эмульсия) для предотвра­щения истирания волокон при транспортировке и технологических операциях.

Органические волокна используют для получения композитов с полимерной матрицей. Вследствие низкой плотности они обладают высокой удельной прочностью, превосходящей все известные в на­стоящее время армирующие волокна и металлические сплавы. При­меняют волокна на основе ароматических полиамидов, которые об­ладают высокими значениями предела прочности при растяжении и модуля упругости.

Прочность углеродного волокна достигает 1500÷2000 МПа, что cоответствует прочности молибденовой проволоки.

Борные волокна обладают по сравнению с другими армирующи­ми компонентами большим модулем сдвига G. Бор является полу­проводником, поэтому композиты с таким волокном имеют пони­женные тепло- и электропроводность. Метод получения борных волокон — химическое осаждение бора из смеси газов (2ВС13 + ЗН2 &#85&4;2В + 6НС1) на вольфрамовую подложку при температуре около 1100 °С. Эти волокна применяют при создании композитов как с металлической, так и с полимерной матрицей.

Волокна из карбида кремния имеют пониженные механические свойства по сравнению с волокнами из бора и углерода, для них ха­рактерна повышенная чувствительность к поверхностным дефек­там. Их используют для металлокомпозитов, работающих при высо­ких температурах.

Металлические волокна и проволоки являются наиболее эконо­мичными. Для композитов, работающих при низких температурах, используют стальные и бериллиевые проволочные волокна, а экс­плуатируемых при высоких температурах — вольфрамовые или мо­либденовые. Стальные волокна в основном изготовляют из высоко­прочной коррозионностойкой стали.

Коротковолокнистая арматура. Диаметр волокон — 1÷10 мкм при средней длине 275 мкм. Особо высокая жесткость и прочность, близкая к теоретической, характерны для нитевидных кристаллов («усов»), что обусловлено совершенством их структуры. Нитевид­ные кристаллы могут быть использованы для создания композитов с различными матричными материалами. Свойства некоторых ар­мирующих волокон приведены в табл. 16.3.

Таблица 16.3. Свойства волокон и нитевидных монокристаллов

Волокнистые композиционные материалы

Волокнистые композиционные материалы

Тканые армирующие материалы используют для получения слоистых композитов. Используются стеклоткани, углеткани, органоткани с разным типом плетения.

Волокнистые композиционные материалы.

На рис.5 приведены схемы армирования волокнистых композиционных материалов, Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длины волокна к диаметру l/d ≈ 10÷10 3. и с непрерывным волокном, в которых l/d=∞. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50-100 %), модуля упругости, коэффициента жесткости (Е/&#&47;) и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

Таблица1. Механические свойства композиционных материалов на металлической основе

Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные (&#&63;в = 2500÷3500 МПа,

Е= 38÷420 ГПа) и углеродные (&#&63;в = 1400÷3500 МПа, Е = 160÷450 ГПа) волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют &#&63;в = 2500÷3500 МПа, Е = 450 ГПа. Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных сталей.

Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.

Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. Пер­спективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др. имеющие &#&63;в = 15000÷28000 МПа и Е = 400-600 ГПа.

В табл.1 приведены свойства некоторых волокнистых композиционных материалов.

Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью
(&#&63;в, &#&63;-1 ) и жаропрочностью, в тог же время они малопластичны. Однако волокна в
композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исключают
внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью одноосных волокнистых композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль к поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения.

Волокнистые композиционные материалы

Рис.6. зависимость модуля упругости Е (а) и временного сопротивления &#&63;в (б) бороалюминиевого композиционного материала вдоль (1) и поперек (2) оси армирования от объемного ……

На рис.6 приведена зависимость &#&63;в и Е бороалюминиевого композиционного материала от содержания борного волокна вдоль (1) и поперек (2) оси армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше &#&63;в, &#&63;-1 и Е вдоль оси армирования. Однако необходимо учитывать, и что матрица может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно — матрица. Для предотвращения контакта между волокнами матрица должна полностью окружать все волокна, что достигается при содержании ее не менее 15-20 %.

Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при изготовлении или эксплуатации, так как это может привести к понижению прочности композиционного материала.

Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления с полями напряжения.

Волокнистые композиционные материалы

Рис. 7. Длительная прочность бороалюминиевого композиционного материала, содержащего 50% борного волокна, в сравнении с прочностью титановых сплавов (а) и длительная прочность никелевого композиционного материала в сравнении с прочностью дисперсионно-твердеющих сплавов (б).

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени (рис.7, а) с повышением температуры.

Основным недостатком композиционных материалов с одно- и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого недостатка лишены материалы с объемным армированием.

4.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы. В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций. Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100-500 нм и равномерном распределении их в матрице. Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5-100об.%.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), нерастворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала до 0,9-0,95 Тпл. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсноупрочненные композиционные материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.

Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия — САП (спеченный алюминиевый порошок). САП состоит из алюминия и дисперсных чешуек Al2 Оз. Частицы Al2 Оз эффективно тормозят движение дислокаций и тем самым повышают прочность сплава. Содержание Al2 Оз в САП колеблется от 6-9 % (САП-1) и до 13-18 % (САП-3). С увеличением содержания Al2 Оз &#&63;в, повышается от 300 для САП-1 до 400 МПа для САП-3, а относительное удлинение соответственно снижается с 8 до 3%. Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкие стали при работе в интервале температур 250-500°С. По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность &#&63;100 для сплавов САП-1 и САП-2 при 500°С составляет 45-55 МПа.

Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов. Наиболее высокую жаропрочность имеют сплавы на основе никеля с 2-3 об.% двуоксида тория или двуоксида гафния. Матрица этих сплавов обычно &#&47;-твердый раствор Ni+20% Сr, Ni+15% Мо, Ni+20% Сr и Мо. Широкое применение получили сплавы ВДУ-1 (никель, упрочненный двуокисью тория), ВДУ-2 (никель, упрочненный двуокисью гафния) и ВД-3 (матрица Ni+20% Сr, упрочненная окисью тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. При температуре 1200°С сплав ВДУ-1 имеет &#&63;100 ≈75 МПа и &#&63;1000 ≈65 МПа, сплав ВД-3 — 65 МПа. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительности выдержки при данной температуре (см. рис.7).

Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т.д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т.д.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жидкости, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т.д. в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т.д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т.д.) и в других областях народного хозяйства.

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов достаточно хорошо отработана.

10.3. Волокнистые композиционные материалы

1.3.1. Структура, механизм упрочнения и свойства.

В волокнистых композитах особенность структуры заключается в равномерном распределении высокопрочных, высокомодульных волокон в пластической матрице (содержание их, т.е. объемная доля, может достигать 75%). В волокнистых композитах высокопрочные волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, и обеспечивают жесткость и прочность композиции в направлении ориентации волокон.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композита, не только отражающих исходные характеристики его компонентов, но и включающие свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. Появление ряда новых свойств в композитах связано с гетерогенной структурой, обусловливающей наличие большой поверхности раздела между волокнами и матрицей, что существенно повышает трещиностойкость материала.

Устойчивость любого твердого тела к распространению трещин определяется механизмом поглощения энергии в вершине растущей трещины. В композитах поперечные растягивающие напряжения на конце растущей трещины могут вызвать отслаивание волокон от матрицы, а сдвиговые напряжения на границе раздела – распространение отслоенных участков вдоль волокна. При отслаивании затрачивается энергия, поскольку волокна должны перемещаться относительно матрицы. Кроме того, при дальнейшем нагружении до разрушения волокна могут разрываться в матрице вдали от плоскости распространения трещины. Поэтому для армированных материалов характерны такие механизмы повышения вязкости разрушения, которых нет у гомогенных материалов.

Эти механизмы связаны с наличием в композиционных волокнистых материалов большого числа поверхностей раздела, которые могут стать тормозом на пути развития трещины. Можно отметить два явления, способствующих интенсивной диссипации энергии движения трещины – вытягивание волокон из матрицы и разрушение границы раздела между ними.

Повышенное сопротивление развитию разрушающих трещин в волокнистых материалах обусловлено их работоспособностью при значительных накопленных разрушениях.

Характерное для композитов высокое сопротивление усталости связано с тем, что высокомодульные волокна, воспринимающие основную нагрузку, как хрупкие материалы не снижают своей несущей способности при циклических нагрузках в отличие от пластически деформируемых материалов.

Армирование во­локнистых КМ может осуществляться по одноосной, двухосной и трехосной схеме (рис. 1.2, а).

Волокнистые композиционные материалы Волокнистые композиционные материалы

Рис. 1.2 Схемы армирования волокнистых (а) и слоистых композиционных материалов (б)

Свойства волокнистых композитов в большой степени зависит от схемы армирования. Ввиду значительного различия в свойствах волокон и матрицы при одноосном армировании физическим и механическим свойствам присуща анизотропия. При нагружении растяжением временное сопротивление и модуль упругости КМ достигает наибольших значений в направлении расположения волокон, наименьших в поперечном направлении. Например, КМ с матрицей из технического алюминия АД1, упрочненный волокнами бора, в направлении волокон имеет σв = 1000 ÷ 1200 МПа, а в поперечном – всего 60 ÷ 90 МПа. Анизотропия свойств не наблюдается при двухосном армировании с взаимно перпендикулярным расположением волокон. Однако по сравнению с одноосным армированием прочность вдоль волокон уменьшается почти в 3 раза с 1000 до 350 МПа. Остаются низкими характеристики при сжатии и сдвиге.

Модуль упругости КМ сравнительно достоверно подсчитывают, исходя из свойств и объемного содержания волокон и матрицы:

Например, модуль упругости КМ с алюминиевой матрицей (Е = 70 ГПа), упрочненного 50об. % волокон бора (Е = 420 ГПа) равен 70х0,5+420х0,5 = 245 ГПа, что хорошо согласуется с модулем упругости реального композита ВКА-1 (табл. ). Временное сопротивление КМ изменяется в зависимости от объемного содержания наполнителя также по закону аддитивности:

где σв и σм — соответственно временное сопротивление волокна и матрицы.

Исключение составляют материалы с очень малым (<5%) или очень большим (>80%) содержанием волокон.

Малые значения прочности и жесткости КМ в направлении, перпендикулярном расположению волокон, при растяжении объясняется тем, что в этом случае, также как при сжатии и сдвиге, они определяются свойствами матрицы. Поэтому при изготовлении деталей из КМ волокна ориентируют так, чтобы с максимальной выгодой использовать их свойства с учетом действующих в конструкции нагрузок.

Большую роль играет матрица в сопротивлении КМ усталостному разрушению, которое начинается с матрицы. Гетерогенная структура поверхности раздела между волокном и матрицей затрудняет процесс распространения трещины в направлении, перпендикулярном оси волокон. В связи с этим КМ характеризуются высокими значениями предела выносливости. Так по пределу выносливости КМ на алюминиевой основе превосходят лучшие алюминиевые сплавы в 3 – 4 раза.

Прочность КМ в большой степени зависит от прочности сцепления волокон с матрицей. Для их качественного соединения необходимо обеспечивать хороший контакт (без загрязнений, газовых и других включений) по всей поверхности соединений.

Компози­ционные материалы относятся в основ­ном к термодинамически неравно­весным системам, что является главной причиной диффузионных процессов и химических реакций, происходящих на границе раздела между волокном и ма­трицей. Эти процессы протекают при изготовлении композиционных материа­лов и при их использовании. Некоторое взаимодействие между компонентами необходимо для обеспечения прочной связи между ними, передачи напряже­ний. Для металлических компози­ционных материалов прочная связь ме­жду волокном и матрицей осущест­вляется благодаря их взаимодействию и образованию очень тонкого слоя (1-2 мкм) интерметаллидных фаз. Если между волокнами и матрицей нет взаи­модействия, то на волокна наносят спе­циальные покрытия для его обеспече­ния, но прослойки образующейся при этом фазы должны быть очень тонкими. Связь между компонентами в композиционных материалах на неме­таллической основе осуществляется с помощью адгезии.

Плохой адгезией к матрице обладают высокопрочные борные, углеродные, керамические волокна. Улучшение сцепле­ния достигается травлением, поверх­ностной обработкой волокон, называе­мой вискеризацией. Вискеризация — это выращивание монокристаллов карбида кремния на поверхности углеродных, борных и других волокон перпендику­лярно их длине. Полученные таким образом «мохнатые» волокна бора на­зывают «борсик». Вискеризация способ­ствует повышению сдвиговых характе­ристик, модуля упругости и прочности при сжатии без снижения свойств вдоль оси волокна.

На поверхности соединения компо­нентов не должно происходить химиче­ских реакций, приводящих к поврежде­нию волокон, ухудшению их свойств и свойств композиционного материала.

При сильном взаимодействии компо­нентов временное сопротивление воло­кон и композиционного материала в це­лом значительно снижается. Например, временное сопротивление волокон кар­бида кремния в композиционном мате­риале с титановой матрицей в результа­те такого взаимодействия снизилось с 320 до 210 МПа, что вызвало сниже­ние временного сопротивления компо­зиционного материала на 30%. Для уменьшения взаимодействия применяют легирование как матрицы, так и волокон, защитные покрытия волокон, низкотемпературные и высокотемпературные способы изготовления КМ.

Кроме того, прочность сцепления волокон с матрицей зависит от их механической совместимости, на которую влияет разница в пластических свойствах, в коэффициентах Пуассона и линейного расширения, модулей упругости. Механическая несовместимость приводит к возникновению остаточных напряжений на границах раздела которые при достижении определенной величины вызывают разрушение связи между волокнами и матрицей.

Податливая матрица, заполняя пространство между волокон, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счет собственной жесткости и взаимодействия, существующего на границе раздела матрица — волокно. Следовательно, механические свойства композита определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица – волокно.

Волокнистый наполнитель композиционных материалов

Естественные наполнители. Наибольшее применение в техно­логии КМ находят две разновидности волокнистых наполнителей естественного происхождения – асбест и волластонит.

Асбест – название группы силикатных минералов, обладаю­щих волокнистым строением.

Волокна асбеста состоят из множества плотно упакованных полых микрофибрилл с наружным диаметром до 40 нм и диамет­ром полости около 5 нм.

Прочность асбестовых волокон достаточно высокая. Предел прочности при растяжении лучших сортов асбеста превышает 3000 МПа, что в 5 раз выше прочности наиболее распространен­ной в машиностроении стали 45. Однако изгиб, скручивание и другие виды деформации в процессе добычи и последующей пе­реработки асбеста существенно снижают его прочность.

Прочностные свойства асбестовых волокон сохраняются до 400 °С, затем начинают снижаться и при 600 °С волокна теряют свою прочность и легко растираются в порошок. При нагреве до 1450 °С асбест плавится.

Асбест негорюч, инертен к воздействию щелочей, но не стоек в среде кислот. На него не действуют солнечная радиация, кисло­род, озон, он не растворим в воде.

Введение асбеста в матрицу повышает прочность КМ, а также предотвращает трещинообразование как в процессе изготовления, так и при эксплуатации материала. Асбестовый наполнитель вводят в матрицу из цемента, каучука, битума, маслосмоляных смесей и др.

Волластонит (химическая формула СаSiO3 ) – природный минерал, состоит из кристаллов игольчатой формы, имеющих белый цвет. Добыча его организована в промышленном масштабе. На долю волластонита как природного наполнителя приходится до 15% общего расхода наполнителей, используемых в промыш­ленности пластмасс.

Искусственные наполнители. Сырьем для получения волокнис­тых наполнителей могут служить разные исходные вещества. Наи­большее применение в технологии КМ получили металлические, стеклянные, полимерные, углеродные, корундовые, карборундо­вые и борные волокна. Усредненные характеристики их физико-механических свойств представлены в табл. 2.

Высокопрочная металлическая проволока является одним из самых доступных видов волокон. В качестве наполнителя она ис­пользуется, главным образом, в сочетании с металлической и керамической матрицами.

Для армировании металлов рекомендуется проволока из не­ржавеющей стали. К ее достоинствам относится менее интенсив­ное, по сравнению с углеродистыми сталями, взаимодействие с металлической матрицей. При использовании наиболее широко употребляемой алюминиевой матрицы в процессе изготовления КМ возможно образование хрупкого интерметаллида FeAl3. ко­торый образуется преимущественно в результате взаимодействия алюминия с ферритной фазой и существенно менее активно с аустенитной и мартенситной структурами.

Характеристика волокнистого наполнителя композиционных материалов

Диаметр волокна, мкм

Поэтому для изготовления наполнителя металлических матриц используют также хромоникелевые сплавы аустенитного и мартенситного классов. Прочность мартенситной проволоки в 1,5 раза выше, чем аустенитной. Однако вследствие отсутствия фазовых превращений при нагревании аустенитная проволока способна воспринимать нагрузки при повышенных температурах.

Проволоку с высокими физико-механическими показателями получают также из никелевых, ферроникелевых и кобальтовых сплавов.

Прочность проволоки из нержавеющей стали находится в сред­нем на уровне 2500 МПа. Легирование стали кобальтом позволяет существенно повысить ее прочность. Например, прочность проволо­ки из стали, легированной 2% кобальта, около 4000 МПа, а при введении в сталь 4% кобальта ее прочность достигает 5000 МПа.

Титановая проволока имеет высокую удельную прочность, от­носительную инертность, сохраняет прочностные характеристи­ки до температур 400 °С. Прочность проволок из титановых спла­вов находится на уровне 1700 МПа. Широкому использованию титановой проволоки в качестве упрочняющего наполнителя КМ препятствует техническая сложность и высокая трудоемкость их производства, а также трудности обеспечения прочности адгези­онного контакта с металлической матрицей.

Технологические трудности характерны и для производства бериллиевой проволоки. Однако, несмотря на эти трудности, а также на токсичность бериллия, проволока из него привлекает большое внимание вследствие высоких значений удельной проч­ности и модуля упругости. Прочность бериллиевой проволоки на­ходится на уровне 1400 МПа, что при плотности бериллия 1,8 г/см 3 соответствует удельной прочности до 80 км. Удельная жесткость бериллиевой проволоки достигает 16 тыс. км.

Молибденовая и вольфрамовая проволоки привлекают внима­ние вследствие высоких предела прочности и модуля упругости при высоких температурах. Молибденовая проволока имеет пре­дел прочности около 2500 МПа. Проволока из вольфрамового спла­ва имеет наиболее стабильную прочность в широком температур­ном интервале. Предел прочности вольфрамовой проволоки нахо­дится на уровне 5000 МПа.

Стеклянные волокна изготовляют из расплавленного стекла методом вытягивания или раздува стеклянной струи, которые в зависимости от способа формирования называют соответственно непрерывными или штапельными волокнами.

Для получения непрерывного волокна расплав стекла пропуска­ют через отверстия (фильеры)диаметром около 1 мм. Выходящая из фильеры нить наматывается на быстро вращающийся барабан. В процессе намотки нить вытягивается в волокно диаметром око­ло 10 мкм. Отдельные волокна соединяются в одну прядь, в кото­рой может содержаться до 100 волокон. Чтобы волокна не слипа­лись одно с другим и для защиты их от разрушения при трении одного о другое, детали перерабатывающего оборудования и по­верхность волокон в процессе их вытягивания из нити покрывают замасливателем.

Замасливатель уменьшает адгезию между волокном и полиме­ром, ухудшая свойства стеклопластиков. Поэтому в технологию композиционного материала вводят операцию термохимического удаления замасливателя и нанесения на их поверхность аппрета, чаще всего на кремнийорганической основе. Аппрет резко повы­шает адгезию стеклянного волокна со связующим полимером.

Штапельные волокна получают путем раздувания струй распла­ва стекла воздухом или паром на короткие волокна диаметром до 20 мкм. Прочность штапельных волокон в 2–3 раза меньше проч­ности непрерывных волокон вследствие отсутствия у штапельных волокон ориентационного эффекта.

Для использования КМ при повышенных температурах приме­няют кварцевое волокно. Его получают путем вытяжки кварцевых

стержней, нагретых до пластического состояния. Максимальное значение прочности кварцевых волокон диаметром 0,8 мкм дос­тигает 10000 МПа. Прочность кварцевых волокон сохраняет высо­кое значение при повышенных температурах.

Кроме использования в качестве наполнителя КМ стеклянные (оптически прозрачные) волокна находят не менее широкое при­менение для изготовления световодов. Световоды – это жгуты из волокон диаметром 150–1000 мкм, сердцевина которых имеет повышенный показатель преломления света по сравнению с обо­лочкой. Луч света, многократно отражаясь от оболочки, идет вдоль волокна, не выходя в окружающее пространство. Изображение освещенного объекта передается по изогнутому произвольным образом световоду в виде мозаики из отдельных точек. Каждая точка изображения соответствует одному стекловолокну. В световоде ди­аметром 5 мм помещается несколько десятков тысяч отдельных волокон, что гарантирует высокое качество передаваемого изоб­ражения объекта.

Органические волокна имеют промышленную основу для круп­нотоннажного производства. Среди них наиболее перспективны волокна на основе ароматического полиамида (материал известен под названием кевлар).

Волокна из ароматического полиамида обладают высокой хи­мической стойкостью, не взаимодействуют с органическими ра­створителями, а также с моторным топливом и смазками. Они не плавятся и не подвергаются деструкции до 400 °С и сохраняют дли­тельную прочность при температурах до 200 °С. То, что они него­рючи, имеет большое практическое значение. Основные свойства кеврала представлены в табл. 2

К недостаткам волокон из ароматического полиамида следует отнести их неустойчивость к воздействию щелочей и к кипяче­нию в воде. Они также подвержены старению под действием уль­трафиолетового излучения.

Углеродные волокна получают путем термической обработки по­лимерных волокон из вискозы или полиакрилнитрила, последние сокращенно называют ПАН-волокна. Текстильной переработке уг­леродных волокон препятствует их низкая пластичность и хруп­кость, поэтому текстильная форма углеродных волокнистых мате­риалов закладывается на стадии исходных полимерных волокон.

Вискозные волокна перерабатывают в углеродные волокна пре­имущественно в виде тканых структур, а ПАН-волокна использу­ют в виде текстильных нитей. Углеродные волокнистые материа­лы выпускают в виде непрерывных нитей, жгутов, войлока, лент, тканей разного ассортимента, трикотажных изделий техническо­го назначения и т.д.

При выборе сырья для производства углеродного волокна не­обходимо учитывать, что для вискозного волокна сырьевая база более развита, чем для ПАН-волокон, но ПАН-волокна имеют более высокий выход углерода в процессе карбонизации. В про­цессе термодеструкции ПАН-волокон выделяется значительное количество ядовитого соединения НСN, утилизация которого значительно усложняет аппаратурное оформление технологичес­кого процесса термической обработки.

Для получения углеродных волокон используют также нефтя­ной пек, лигнин и фенольные смолы, которые обеспечивают бо­лее низкую прочность и упругость, но имеют значительно более низкую себестоимость.

Технологический процесс получения углеродных волокон ос­нован на термическом разложении исходных органических воло­кон в строго контролируемых условиях. В процессе карбонизации происходит удаление летучих веществ из исходного органическо­го полимера, которое сопровождается уменьшением диаметра волокна.

Термическая переработка органических волокон в углеродные осуществляется в две стадии: карбонизация при температурах около 1000 °С и графитация при температурах около 2500 °С. Волокна, подвергнутые только первой стадии термической обработки, на­зывают карбонизованными волокнами, а волокна, прошедшие обе стадии – графитированными.

Прочность углеродных волокон пропорциональна прочности исходных органических волокон, причем по прочности как карбонизованное, так и графитированное волокно превосходит ис­ходное.

Углеродные волокна выпускают в виде жгута, состоящего из десятков тысяч отдельных волокон – филаментов – диаметром около 7 мкм. Филамент, в свою очередь, состоит из нескольких тысяч микрофибрилл 1 (рис. 17, а), взаимоориентированное рас­положение которых частично является слепком надмолекулярной структуры исходного полимера и частично привнесено вытяжкой исходного волокна в процессе термической обработки. Степень ориентации анизотропного углеродного волокна регулируют пу­тем искусственного вытягивания волокна в процессе термичес­кой деструкции. С увеличением степени вытягивания возрастают прочность и жесткость волокна.

Волокнистые композиционные материалы

Рис. 17. Схема строения углеродного (а) и борного (б) волокон:

1 – микрофибриллы; 2 – вольфрамовая проволока; 3 – борные волокна

Основные свойства углеродных волокон представлены в табл. 2.

Борные волокна получают путем химического осаждения бора из газовой фазы на вольфрамовую проволоку 2(рис. 17, б).В качестве подложки используют вольфрамовую проволоку диа­метром около 10 мкм. Диаметр борных волокон 3 зависит от про­должительности и технологических параметров процесса. Наибо­лее распространенный диаметр борных волокон около 100 мкм. Лучшие образцы борного волокна имеют свойства, указанные в табл. 2.

Характерной особенностью борных волокон является их высо­кая твердость. По твердости бор занимает второе место после уг­лерода в модификации алмаза среди элементов Периодической системы. Микротвердость борных волокон составляет 35000 МПа.

Следует отметить разницу температурных коэффициентов ли­нейного расширения вольфрама и бора, что вызывает большие внутренние напряжения (величина их в некоторых случаях превы­шает предел прочности борного покрытия, что приводит к обра­зованию радиальных трещин).

Нитевидные кристаллы представляют собой кристаллическое вещество нитевидной формы с большим отношением длины к поперечному сечению, которое составляет более 20 при диаметре до 5 мкм. Из-за формы их часто называют усами. При соответству­ющих условиях кристаллизации любое кристаллическое вещество может быть получено в виде нитевидных кристаллов. В настоящее время удалось получить более 100 веществ в виде нитевидных кри­сталлов, среди них металлы, оксиды, карбиды, галогениды, нит­риды, графит и органические соединения.

Нитевидные кристаллы привлекают большое внимание. Инте­рес к ним вызван их уникальными свойствами: нитевидные кри­сталлы обладают крайне высокими значениями прочности и жес­ткости (см. табл.2).

Методы получения нитевидных кристаллов весьма разнообраз­ны, они могут быть выращены из газовой фазы, из расплавов и растворов путем химического разложения или электролиза после­дних, а также из твердой фазы.

Нитевидные кристаллы выпускают в виде ваты и бумаги на основе нитевидных кристаллов (усов) корунда и карборунда. Око­ло 90% общего выпуска нитевидных кристаллов приходится на долю карборунда.

Основными причинами, тормозящими выпуск нитевидных кристаллов, являются большой разброс их характеристик и недостаточная воспроизводимость результатов, что затрудняет приме­нение этого продукта в технологии производства КМ при изго­товлении ответственных деталей новой техники. В свою очередь, малый объем производства обусловливает высокую стоимость ни­тевидных кристаллов.

Для нитевидных кристаллов характерна обратно пропорцио­нальная зависимость прочности от диаметра, что объясняется уменьшением числа дефектов с уменьшением размера кристалла. Наибольшее влияние на прочность оказывают дефекты боковой поверхности кристалла. Их устранение путем химического поли­рования повышает предел прочности при существенном умень­шении разброса данных параллельных определений.

Несмотря на отмеченные недостатки нитевидные кристаллы рассматриваются в качестве наиболее перспективного высокопроч­ного наполнителя для производства КМ будущего.

При соответствующих усилиях отмеченные недостатки техно­логии нитевидных кристаллов вполне могут быть преодолены. Об этом свидетельствует практический опыт успешного использова­ния нитевидных кристаллов в системе теплозащиты космических аппаратов «Шаттл» и «Буран».

Рекордное значение предела прочности на растяжение ните­видных кристаллов составляет 41378,6 МПа (4218 кг/мм 2 ). Оно достигнуто на усах карборунда, выращенных в лабораторных ус­ловиях. Данное число указывает на поразительные свойства усов, оно означает, что на нить площадью поперечного сечения 1 мм 2. т.е. нить диаметром чуть более 1 мм, подвешен груз массой 4 т и нить этот груз выдерживает. К грузу можно добавить еще массу 200 кг и нить не разорвется, и только после следующего дополни­тельного нагружения массой 18 кг нить не выдерживает и разры­вается. Однако достигнутые показатели физико-механических свойств нитевидных кристаллов значительно ниже теоретических значений, которые можно приближенно оценить по формуле:

Волокнистые композиционные материалы

где &#&63;в – теоретическое значение предела прочности при растяже­нии (временного сопротивления) материала; Е модуль упруго­сти.

Несоответствие теоретических и экспериментальных значений предела прочности вызвано наличием в реальных кристаллах де­фектов строения.

При оценке теоретического значения предела прочности при растяжении материала исходят из предположения, что кристал­лическая решетка материала имеет идеальное строение и разрыв атомарных связей кристаллической решетки происходит одновременно. Однако реальные материалы разрушаются по дислокаци­онному механизму, что означает последовательный разрыв ато­марных связей в процессе перемещения дислокации.

Прочность реального материала может быть повышена за счет увеличения плотности дислокаций или уменьшения числа дефек­тов. Зависимость предела прочности при растяжении от плотности дислокаций в железе (рис. 18) подтверждает этот вывод.

Повышение плотности дислокаций тормозит их продвижение под воздействием приложенной нагрузки, что приводит к повыше­нию физико-механических свойств материала. Традиционные спо­собы упрочнения материалов основаны на повышении плотности дислокаций разнообразными технологическими приемами, кото­рые нашли отражение на правой ветви, приведенной на рис. 18 зависимости. Предел повышения прочности материалов традици­онными технологическими приемами соответствует плотности дислокаций &#&61;=10 12 см- 2. При большей плотности дислокаций в материале возникают трещины и он перестает представлять инте­рес для технического применения в качестве конструкционного материала.

Волокнистые композиционные материалы

Рис. 18. Влияние плотности дефектов кристаллического строения на прочность материала

Левая ветвь кривой отображает повышение прочности матери­ала в результате уменьшения числа дефектов. Основным технологи­ческим приемом снижения дефектности материала является умень­шение геометрических размеров дискретных элементов структуры материала. Предел повышения прочности материалов в данном случае ограничен лишь его теоретической прочностью.

Одним из направлений реализации перспективного направле­ния повышения прочности материалов является рассмотренная технология нитевидных кристаллов

Другое направление уменьшения дефектности материала – получение дискретных элементов структуры материала размерами менее 100 нм, которые называют наноструктурами.

Волокнистые композиционные материалы.

Композиционные материалы с

волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длинны волокна к диаметру //йЫ0-И0э, и с непрерывным волокном, в которых l/ehxo. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длинны к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения [25, 31].

Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исчезает внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью волокнистых одноосных композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения. Однако необходимо учитывать, что матрица может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно — матрица. Для предотвращения контакта между волокнами матрица должна полностью окружать все волокна, что достигается при содержании ее не менее 15-20 % [22, 23, 24, 25]. ^ Основным недостатком композиционных материалов с одно и двумерным

армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву.

Этого лишены материалы с объемным армированием [25].

В принципе, композиционные материалы с измельченным и в частности, с непрерывным волокном и/или нитями, и слоистые материалы представляют

» собой предпочтительные конструкционные материалы, поскольку они сочетают в себе желательные присущие им физические и/или химические свойства матрицы с превосходными характеристиками прочности и жесткости, получаемых от волокна и/или нитей. Измельченные волокна или нити и длинные сплошные волокна или нити в основном используют в четырех конфигурациях [29], из которых однонаправленная конфигурация (длинное или непрерывное волокно, либо нити, расположенные по существу параллельно) и конфигурация с ориентированными нарезанными волокнами (измельченные волокна или нити, расположенные все в одном и том же направлении) в принципе обеспечивают оптимальное качество. Поскольку волокна обеспечивают значительный контроль внутренней структуры композиционного материала вследствие их высокого отношения длины к диаметру, то длинные, непрерывные волокна представляют собой выбор усиливающих элементов для изготовления качественных композиционных материалов. Однако в работе [30] указано, что при изготовлении композиционных материалов, которое обычно затрагивает сложную геометрию, трудно размещать непрерывное волокно во время процесса изготовления.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *