Совмещение различных волокон

Создание «гибридных» композитов путем совмещения в едином материале волокон разной природы является эффективным средством регулирования свойств композитов независимо от их структуры армирования.
Возможны различные варианты сочетания непрерывных наполнителей. Первый вариант предусматривает создание гетероволокнистых материалов по принципу однородных смесей, при этом волокна различных типов равномерно распределяются в первичной нити или жгуте (табл. 3.2). Второй вариант заключается в использовании многокомпонентного наполнителя: ткани, мата или шпона из различных нитей и жгутов (табл. 3.3). По третьему варианту чередуются слои листовых наполнителей с различными волокнами (табл. 3.4).

Каждый из указанных методов имеет преимущества и недостатки. Первый метод — создание однородных смесей — обеспечивает нам более равномерное распределение напряжений в волокнах и матрице при нагружении композита. Ho получение первичной нити или жгута, содержащего различные волокна, не всегда возможно, так как технологические процессы изготовления волокон могут принципиально различаться. Bторой метод — создание бикомпонентной ткани — более технологичен, но в этом случае волокна имеют определенную ориентацию, обусловленную текстильной структурой ткани, и степень реализации механических свойств волокон несколько понижена из-за местных искривлений наполнителей. Третий метод — чередование слоев — позволяет в более широких пределах изменять состав, структуру армирующего слоя и обеспечить высокую степень реализации механических свойств. Вторым и третьим методами можно создавать композиты с разными свойствами по толщине пакета.
Независимо от технологического приема сочетания волокон различия в термоупругих характеристиках наполнителей вызывают появление термических напряжений в процессе формования композита и при изменении температурных режимов эксплуатации трехкомпонентного материала в изделии. При нагревании борные волокна расширяются в продольном и поперечном направлениях, а углеродные волокна имеют отрицательный коэффициент линейного термического расширения вдоль оси волокна и положительный — в поперечном направлении, поэтому при охлаждении в композитах карбоволокнита возникают термические напряжения, наиболее опасные из которых — растягивающие напряжения в матрице. Эти напряжения необходимо учитывать при выборе состава, структуры, температурного режима формования и эксплуатации материала.
Используя широкий ассортимент армирующих наполнителей, удается не только регулировать механические и теплофизические свойства композитов, но и повышать технологичность их переработки. Например, применение стеклянной нити в качестве оплетки борного волокна повышает технологичность переработки однонаправленного бороволокнита, так как препятствует вытеканию смолы при формовании; применение стеклянной тканевой подложки для борных волокон способствует сохранению ориентации волокон в слое и обеспечивает одинаковые расстояния между слоями. Сочетание стеклянных и органических волокон с высокомодульными углеродными и борными волокнами различной текстуры, плохо поддающимися текстильной переработке, позволяет получать технологичные тканые, нетканые и прошивные материалы.
Наиболее сложная задача при создании и использовании гетероволокнистых материалов — реализация прочностных и упругих свойств волокон, обладающих различными прочностными и деформативными характеристиками. Если борные волокна имеют относительное удлинение при разрыве, равное 0,7%, углеродные — 0,5—1,0%, то арамидные и стеклянные волокна — 2—2,5%. В данном случае реализация свойств армирующих волокон определяется их соотношением, а также видом деформирования и характером нагружения.
Наибольшее распространение среди гетероволокнистых композитов получили трехкомпонентные материалы, такие как карбостекло-, органоборо-, борокарбо-, карбооргановолокниты.
Прочность и деформативность при статическом нагружении. При нагружении композитов, армированных разномодульными волокнами, в направлении армирования волокна разрушаются не одновременно из-за различия в их предельных деформациях. При низком содержании волокон с большим модулем упругости Еа2 (или малым удлинением εa2) предельная деформация композита равна предельной деформации низкомодульных волокон εа1 и его прочность определяют из соотношения:

При высоком содержании волокон с большим модулем упругости предельная деформация композита равна предельной деформации волокон εа и его прочность вычисляют по формуле:

Механизм разрушения трехкомпонентных материалов изменяется при критическом содержании низкомодульных волокон:


Поскольку при критическом содержании волокон с различным удлинением равновероятно разрушение высокомодульных и низкомодульных волокон, то, приравняв уравнения (3.1) и (3.2), с учетом соотношения (3.3) для высоконаполненных композитов, при соотношении EмVм≤Eа1 Va1≤Еа2Vа2 получаем:

Таким образом, при μ1≤μкр1 прочность трехкомпонентного композита равна σ+x1+2 = εa2 [μ1Va1Va1Ea1 + (1 + μ1) VaEa2];. при μ1≥μкр1, прочность составляет σ+x1+2 = εa1μ1VaEa1. На рис. 3.1 приведены кривые деформирования при растяжении однонаправленных трехкомпонентных материалов. Как видно из рисунка, наклон кривых уменьшается при увеличении доли низкомодульного наполнителя. Кривые деформирования материалов с содержанием высокомодульного компонента ниже критического имеют перелом, т. е. композиты с небольшим содержанием высокомодульных волокон можно использовать при ограниченных нагрузках, и расчет конструкции в этом случае нужно производить по допустимым деформациям.
Модуль упругости и коэффициент Пуассона в направлении армирования для композитов с содержанием высокомодульных волокон выше критического определяют по закону аддитивность:

У композитов с низким содержанием высокомодульных волокон значение модуля упругости, определенное по уравнению (3.4), сохраняется только на начальном участке кривой σ—ε при деформации, не превышающей удлинения высокомодульных волокон. После разрушения модуль упругости композитов скачкообразно понижается до величины, определяемой по уравнению

При совмещении равномодульных волокон, например борных и углеродных или органических и стеклянных, возможен частный случай решения задачи при Ea1=Ea2; εa2≠εa1; Va1+Va2≥Va (где Va - содержание упрочнителя в каждом из двухкомпонентных материалов).
В табл. 3.5 приведены прочность и модуль упругости при растяжении различных трехкомпонентных композитов с разным соотношением углеродных и стеклянных и углеродных и органических волокон.

Модули упругости первого рода при растяжении, сжатии и изгибе трехкомпонентных материалов близки и линейно возрастают с увеличением содержания в композите высокомодульного наполнителя. Коэффициент Пуассона в этом случае линейно понижается от значения, присущего композиту с низкомодульными волокнами, до величины, характерной для высокомодульного материала (рис. 3.2). Разрушающие напряжения при растяжении, сжатии и изгибе трехкомпонентных материалов с разномодульными волокнами линейно понижаются с увеличением содержания низкомодульных волокон до некоторого критического значения, при котором скачкообразно меняется удлинение (рис. 3.3), после чего они начинают возрастать, достигая значений, присущих низкомодульному композиту.

Критическое содержание низкомодульных волокон в композите увеличивается при уменьшении разницы между отношением прочностей низкомодульных и высокомодульных волокон и отношением их модулей упругости, согласно уравнению:

Минимальная прочность трехкомпонентного композита обратно пропорциональна критическому содержанию наполнителя — низкомодульных волокон:

Как следует из данных табл. 3.6, характер зависимости разрушающего напряжения при сжатии от содержания высокомодульного наполнителя иной, чем при растяжении: величина σх возрастает, так как критические напряжения композиционного материала в процессе сжатия при постоянной степени армирования зависят от модуля упругости матрицы и волокна. Действительно, при введении высокомодульных волокон в стекло- и органоволокниты происходит усиление матрицы (Eм,Gм) и увеличение среднего значения модуля упругости армирующего наполнителя. Степень повышения разрушающего напряжения при сжатии тем больше, чем выше модуль упругости высокомодульного волокна.

При сочетании волокон разного диаметра, например борных волокон с углеродными или стеклянными, тонкие волокна располагаются между толстыми, увеличивая степень наполнения композита и его модуль упругости первого и второго рода. Модуль Юнга композита возрастает на величину ΔEx = Eа1 (Va max—Va2) (где Ea1 — модуль упругости тонких волокон; Va max — теоретическая степень наполнения композита при смешанной укладке; Va2 — содержание в композите волокон большого диаметра).

В этом случае модуль упругости и плотность борокарбо- и боростекловолокнитов несколько возрастают, а прочность не изменяется при введении 10—12% углеродных или стеклянных волокон, после чего плотность и модуль упругости материала понижаются до значений; соответствующих двухкомпонентым композитам. Разрушающие напряжения при растяжении и сжатии карбобороволокнитов с уменьшением содержания углеродных волокон остаются постоянными до некоторого критического их содержания, после чего увеличиваются по линейному закону, и при равном соотношении в композите борных и углеродных волокон разрушающее напряжение его при сжатии возрастает в два раза по сравнению с исходным карбоволокнитом. При оптимальном сочетании упрочнителей в карбобороволокнитах достигается выигрыш в удельных показателях модуля упругости и разрушающего напряжения при растяжении по сравнению с этими характеристиками у двухкомпонентных материалов.

Для описания свойств трехкомпонентных композитов используют тройные диаграммы (рис. 3.4), с помощью которых легко определяются свойства композитов (например, эпоксиборокарбоволокнитов) при известных свойствах и соотношении компонентов.
Ударная вязкость. Сопротивление композитов ударному разрушению при нагружении поперек волокон зависит от прочностных и деформативных свойств волокон, а также от степени реализации их прочности в композите.
Ударная вязкость материалов определяется параметром (σ'а2)/(2Е) наибольшим значением которого характеризуются стекло- и органоволокниты. Следовательно, для повышения ударной вязкости высокомодульных композитов целесообразно вводить в них высокопрочные стеклянные и органические волокна. Как видно из табл. 3.7, при введении в карбоволокнит 30% стеклянных волокон его ударная вязкость возрастает в 2,5 раза, а при добавлении 30% арамидных волокон — в 1,7 раза, В этом случае большое значение имеет способ выкладки пакета: слоями, когда различные компоненты наполнителя равномерно распределяются по толщине пакета, и пачками, когда слои низкомодульного компонента размещаются симметрично относительно срединной плоскости материала. Более высокие показатели ударной вязкости достигаются при послойной укладке различных армирующих наполнителей.

Для трехкомпонентного материала, содержащего низкомодульные волокна в количестве Vа1 с модулем упругости Ea1, при реализации прочности волокон σ'а1 в композите, пренебрегая прочностью матрицы, ударную вязкость находят из выражения:

Ударная вязкость двухкомпонентного композита равна:

При делении уравнения (3.8) на (3.9) с учетом того, что Va = Va1 + Va2 получаем:

Как видно из выражения (3.10), ударная вязкость композита увеличивается при введении в его состав более прочных и менее жестких волокон прямо пропорционально их объемной доле и квадрату отношения реализованных прочностей низкомодульных волокон и обратно пропорционально отношению их модулей упругости.
На рис. 3.5 приведены зависимости ударной вязкости трехкомпонентных композитов от соотношения высокомодульных и низкомодульных волокон. Характер разрушения трехкомпонентных материалов при ударном изгибе сложнее, чем двухкомпонентных. Если карбоволокнит имеет хрупкий излом, то на поверхности разрушения карбостекло- и боростекловолокнитов происходят расщепление и выдергивание волокон из матрицы. С увеличением доли стеклянные волокон в карбостекловолокните заметно растут время деформации и работа разрушения композиции. Так, если время разрушения при ударном растяжении карбоволокнита составляет 330 мкс, а стекловолокнита 2500 мкс, то время разрушения карбостекловолокнита имеет промежуточное значение.

С увеличением в карбостекловолокните доли стеклянных волокон, имеющих более высокое относительное удлинение, примерно в 3,5 раза возрастает относительное удлинение композита при ударном растяжении и прогиб его при ударном изгибе.
На рис. 3.6 приведены характерные диаграммы разрушения карбоволокнита и карбостекловолокнита при ударном растяжении. Как видно из рисунка, площадь под кривой деформирования карбостекловолокнита, характеризующая работу разрушения, значительно превосходит площадь под кривой деформирования карбоволокнита.