Регулирование свойств композитов изменением их состава и структуры

30.06.2015

Структура волокнистых композитов и существенные отличия в свойствах сочетаемых волокон и матриц обусловливают анизотропию механических, теплофизических, электрических и других свойств композитов. Степень анизотропии свойств принято характеризовать отношением показателей, определенных в различных направлениях. Наиболее отчетливо анизотропия проявляется при сопоставлении свойств композитов в направлении укладки волокон со свойствами, определенными под углом к направлению армирования или в плоскости укладки волокон. Как следует из табл. 3.1, степень анизотропии физико-механических свойств однонаправленных стекло-, карбо- и бороволокнитов, определенных в направлении армирования и в трансверсальном направлении, различна (различие в свойствах может достигать двух порядков). Наибольшая степень анизотропии характерна для показателей прочности композитов при растяжении. С ростом прочности и жесткости волокон увеличивается различие в прочностных и упругих характеристиках волокон и матриц, повышается анизотропия свойств композитов, что проявляется в чувствительности их к разориентации, искривлениям и крутке волокон.
Волокнистым композитам, имеющим сложную структуру, свойственно существенное различие между упруго-прочностными свойствами в направлении армирования и показателями сдвига в плоскости укладки волокон. Модуль упругости и прочность при сдвиге таких композитов более чем на один порядок отличаются от модуля Юнга и прочности в направлении армирования.
Регулирование свойств композитов изменением их состава и структуры

В некоторых случаях анизотропия упругих свойств композитов увеличивается вследствие анизотропии свойств волокон, таких как углеродные и органические. Так, оксиальный и трансверсальный модули упругости высокомодульных карбоволокон различаются в 30—50 раз, поэтому деформативные характеристики органо- и карбоволокнитов необходимо определять с учетом анизотропии волокон. Использование в этом случае известной формулы Ey = Eм/(1—Vа), получаемой согласно модели Рейса, приводит к результатам, отличающимся на 15—20% от экспериментальных данных.
В отличие от физической (природной) анизотропии композитам присуща конструкционная анизотропия, которая создается в процессе их изготовления и так же, как и свойства композита, является регулируемой величиной.
Регулирование степени анизотропии, оптимизация показателей свойств композитов достигается целенаправленным изменением их состава или структуры армирования. Возможные способы и пределы регулирования свойств однонаправленных композитов изменением соотношения волокон и матрицы, их свойств и прочности сцепления между ними разобраны ранее. Появившиеся за последние годы новые способы регулирования свойств однонаправленных композитов заключаются в создании «гибридных» структур путем сочетания в едином материале волокон или матриц различной природы и с разными свойствами, т. е. создание гетероматричных и гетероволокнистых композитов. Гетероматричные материалы состоят из трех (или более) твердых сред, отделенных друг от друга поверхностями раздела, одна из которых является границей раздела между матрицами, а другая — традиционной границей раздела между матрицами и волокнами; при этом волокна могут сохранять непрерывность на границе раздела матриц. В таких материалах можно создавать участки с различными физико-механическими свойствами не только по сечению слоистого материала за счет совмещения слоев композитов с различными матрицами, но и в плоскости армирования, т. е. возможно программирование количественных и качественных характеристик материала по координатам в соответствии с заданным распределением нагружения путем совмещения волокон в определенных местах с различными матрицами. В зависимости от природы и свойств матриц изменяются упругие, прочностные, теплофизические, диэлектрические и другие характеристики материала. Примером гетероматричных композитов могут служить эпоксиалюмобороволокниты.
Кардинальным способом целенаправленного регулирования степени анизотропии и свойств композита является изменение структуры его армирования за счет перекрестного или пространственного армирования.