Тема 15. Композиционные материалы
Одним из путей создания качественных, надежных и экономических конструкций в машиностроении является применением конструкционных материалов с повышенными физико-химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами. Многие отрасли машиностроения нуждаются в материалах, обладающих высокими прочностью, жаростойкостью, жаропрочностью, сопротивлением растрескиванию, наличием специальных магнитных, оптических и других свойств.
Традиционные металлы не в полной мере удовлетворяют указанным требованиям. В то же время композиционные материалы обладают комплексом свойств и особенностей, позволяющих снизить массу конструкции при одновременном повышении ее тактико-технических и эксплуатационных характеристик. В отдельных случаях композиционные материалы вообще незаменимы.
Композиционные материалы (КМ) представляют собой гетерофазные сочетания химически различных компонентов с четкой границей раздела между фазами. Причем КМ не обладает свойствами присущими не одному из компонентов в отдельности. Обычно КМ состоят из наполнителя (армирующих элементов) и связующего (матрицы).
Наполнитель КМ имеет волокнистую, нитяную, жгутовую, проволочную, ленточную, сеточную или тканевую структуру. Причем структура и физико-механические характеристики армирующих элементов считаются известными.
Матрица (иногда ее называют связующим) КМ обеспечивает его монолитность и совместную работу волокон и наполнителя.
Наполнитель, пропитанный связующим, называют препрегом.
Главная особенность создания конструкций из КМ заключается в создании материала, разработке технологического процесса изготовления и проектировании самой конструкции одновременно.
В КМ высокопрочные волокна воспринимают основные усилия, возникающие в конструкции при действии внешних нагрузок, и обеспечивают жесткость и прочность в направлении ориентации волокон.
Армирующие волокна должны удовлетворять эксплуатационным и технологическим требованиям: иметь требуемую прочность, жесткость, плотность, стабильность в определенном температурном интервале, химическую стойкость, а также технологичность производства волокон. Армирующие компоненты используют в виде моноволокон, нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент. Свойства КМ при этом зависят не только от свойств волокон и матрицы, но и от способа армирования. Структура КМ определяется числом слоев, их толщиной и взаимной ориентацией однонаправленного слоя.
Форма армирующих элементов определяется методом производства волокон и технологией изготовления композиционных изделий из них.
Классификация КМ
По типу арматуры КМ могут быть разделены на дисперсно-упрочненные и волокнистые (рис.15.1). Дисперсно-упрочненные композиты представляют собой материалы, в матрице которых равномерно распределены мелкодисперсные частицы. В этих материалах основную нагрузку воспринимает матрица. Дисперсно-упрочненные КМ изотропны, т.е. имеют одинаковые свойства по всем направлениям. Содержание дисперсной фазы обычно составляет 5%.
При создании волокнистых КМ в качестве арматуры используют высокопрочные стеклянные, углеродные, борные, органические волокна, металлические проволоки, нитевидные кристаллы ряда карбидов, оксидов, нитридов и других соединений.
Армирующие материалы используются в виде моноволокон, нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов.
Волокнистые КМ можно также различать по способу армирования: ориентированное и стохастическое. В волокнистых КМ с ориентированным армированием арматура располагается в определенном порядке, а в стохастическом – случайно. В первом случае композиты обладают ярко выраженной анизотропией свойств, а во втором эти материалы квазиизотропны. Объемная доля наполнителя в волокнистых КМ составляет 60-75%. Объемной долей наполнителя в КМ называют отношение объема волокон (наполнителя) к объему всего КМ.
По типу матрицы различают такие КМ: полимерные (ПКМ), металлические (МКМ), керамические (ККМ).
Среди полимерных КМ различают композиты на основе полимерных смол (полиэфирные, эпоксидные, эпоксифенольные и другие) и термопластов (полиэтилена, дивинилхлорида, капрона и др.). По способу получения ПКМ можно разделить на материалы, полученные выкладкой, намоткой, пултрузией, прессованием и др. Одним из наиболее эффективных методов формования ПКМ является метод намотки армирующих наполнителей, на основе которого получает цилиндрические, конические отсеки корпусов ДА, различные трубы, баллоны, агрегаты близкой к телам вращения формы.
Металлические КМ по способу получения делят на литейные и деформируемые.
С точки зрения механики композита можно разделить на силовые, несиловые и специальные. К силовым КМ предъявляются требования высокой прочности и жесткости при регламентированных уровнях нагрузок. Несиловые композиционные материалы используется для различных изделий бытового назначения, ограждений, покрытий и др. В настоящее время широкое применение находят специальные КМ, обес почивающие достижение в изделиях определенных физических свойств жаропрочные, термостойкие, фрикционные, ударопрочные, теплоза-щитные, радиопрозрачные и др.).
Матрица КМ обеспечивает монолитность материала, фиксирует форму изделия, способствует совместной работе волокон и перераспределяет нагрузку при разрушении части волокон. Тип матриц определяет также метод изготовления конструкции.
Важнейшее преимущество композитов – возможность создания из них элементов конструкции с заранее заданными свойствами, наиболее полно соответствующими характеру и условиям работы. Многообразие волокон и матричных материалов, а также схем армирования, используемых при создании композитных конструкций, позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и макроструктуры композита.
Важным требованием при создании волокнистых композитов является совместимость материалов волокна и матрицы. Условиями совместимости компонентов считают:
1. Наличие на границе раздела армирующий материал – связующее прочной связи, близкой к прочности матрицы, при условиях, обеспечивающих сохранение исходных свойств компонентов.
2. Адгезионная связь по границе раздела не должна разрушаться под действием термических и усадочных напряжений, возникающих вследствие различия температурных коэффициентов линейного расширения волокна и матрицы.
3. Отсутствие химического взаимодействия между армирующим материалом и связующим.
Свойства композитов зависят не только от свойств волокон и матрицы, но и от способов армирования. КМ могут быть образованы из слоев, армированных параллельными непрерывным волокнами (их свойства определяются свойствами однонаправленного слоя), армированные тканями, с хаотическим и пространственным армированием. При расчетах физико-механических характеристик КМ, определении напряженно-деформированного состояния конструкции пользуются понятием угла укладки (ориентации) монослоя КМ. Углом укладки называют угол между продольным направлением монослоя и заданной наперед системой координат. Волокнистое армирование позволяет создавать материал и изделие одновременно в рамках одного и того же технологического процесса. При этом необходимо отметить, что в общем случае, последовательность укладки монослоев в пакете КМ влияет на его напряженно-деформированное состояние.