книги / Новые материалы и технологии.-1
.pdfуниверситета в 1998-2003 гг. Основой технологии является пле тение армирующего каркаса и его использование как полуфаб риката при формовании композиционного изделия. Данный спо соб защищен патентами и подробно рассмотрен в учебном по собии Б.Д. Олейника «Новые технологии в производстве труб и других изделий из композитов» (Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2006).
5. Физико-механические характеристики композиционных полимерных материалов
Рассмотрим физико-механические характеристики трех
наиболее применяемых композиционных полимерных материа лов: стеклопластика, органопластика и углепластика. В отличие от конструкционных металлов, которые являются изотропными материалами с одинаковыми свойствами по всем направлениям
осей |
координат, композиты - это анизотропные материалы. |
У них |
механические свойства .в различных направлениях не |
одинаковы. Их значения в каждом конкретном направлении в основном зависят от направлений армирующих волокон. Возь мем для примера стеклопластиковую трубу, изготовленную ме тодом спирально-перекрестной намотки (см. рис. 8). Направле ния армирующих волокон при этом виде намотки показаны на рис. 16. Выделим элементарный объем в виде пластинки и из точки О построим систему координат (X, Y, Z).
Возьмем одну из основных характеристик композицион ного материала - предел прочности на растяжение. По всем на правлениям координатных осей эта характеристика будет иметь различные значения. Чем больше угол между направлением
|
волокон, тем |
меньше |
будет |
||||
|
значение предела прочности. |
||||||
|
Наибольшим |
|
значение |
проч |
|||
|
ности |
будет |
|
в направлении, |
|||
|
совпадающем |
с |
расположе |
||||
|
нием |
волокон. Этот |
вариант |
||||
|
реализуется |
|
наиболее |
на |
|||
|
глядно на однонаправленном |
||||||
|
стеклопластике (рис. 17). |
||||||
Рис. 16. Стеклопластиковая труба |
|
Здесь |
направления ко |
||||
со спирально-перекрестной на |
ординатной |
оси |
X |
и |
арми |
||
моткой |
|
|
|
|
|
|
|
рующих волокон совпадают.
В этом направлении у данного композита будет наибольшая прочность. В любом другом направлении прочность будет иметь меньшее значение. Это справедливо и для другой характеристи ки - модуля упругости. Заметим, что свойства однонаправлен но-армированного композита являются базовыми характеристи ками, применяемыми в механике композитов при расчетах на
пряжений и деформаций в
X |
конструкции из КПМ [4]. Эти |
|
|
||
|
характеристики |
определяют |
|
экспериментально при испы |
|
|
тании образцов. В табл. 5 |
|
|
приведены основные физико |
|
|
механические |
характеристи |
Рис. 17. Однонаправленно-арми |
ки трех КПМ на основе эпок |
|
рованный стеклопластик |
сидного связующего. |
Таблица 5
Физико-механические характеристики композитов
Характеристики |
|
Стекло |
Углепла |
Органо |
|
однонаправлено-армиро- |
|||||
пластик |
стик |
пластик |
|||
ванного композита |
|
||||
|
1200... |
1400... |
1600... |
||
Предел прочности на растяже |
|||||
ние вдоль волокон, МПа |
|
1300 |
1500 |
1700 |
|
Предел прочности на сжатие 500..600 |
350...400 |
200...270 |
|||
вдоль волокон, МПа |
|
65...70 |
|
|
|
Модуль упругости при растяже |
130...150 |
70... 80 |
|||
нии вдоль волокон, ГПа |
|
40...50 |
50...60 |
|
|
Предел прочности на межслой |
30...35 |
||||
ный сдвиг, МПа |
|
|
|
|
|
Предел прочности при |
растя |
50...55 |
55...60 |
50.. .60 |
|
жении поперек волокон, МПа |
20-10 6 |
|
|
||
Коэффициент линейного |
тем |
4-10^ |
-1,5-10-6 |
||
пературного расширения, 1/град |
|
|
|
Некоторые из характеристик можно приближенно оценить
с помощью математических моделей (формул), не прибегая к
трудоемким испытаниям образцов. Например, прочность КМ при
растяжении приближенно определяют по следующей формуле:
Окм оВ0ЛСвол ■+■осв Ссв, |
(2) |
где ов0Ли асв - пределы прочности волокон и связующего; Свол и
Ссв - объемные доли волокон и связующего в композите.
Из сравнения свойств волокон и связующего (см. табл. 1,2)
и из формулы (2) очевидно, что основной вклад в прочность
композита вносят армирующие элементы - волокна. Рассмотрим
это на примере однонаправленного стеклопластика:
• пусть прочность стекловолокна овол = 250 кг/мм2;
•прочность эпоксидного связующего осв = 8 кг/мм2;
•доля волокон в композите Свол = 0,6;
•доля связующего в композите Ссв = 0,4;
•для КМ справедливо выражение Свол+ Ссв = 1.
окм « 250 0,6 + 8 • 0,4 = 150 + 3,2 ~ 153 кг/мм2
Формула (2) показывает, что с увеличением доли волокон в объеме композита его прочность повышается. Но, как показа ли эксперименты, это справедливо лишь до определенного со отношения содержания волокон и связующего, примерно до со отношения Свол • Ссв = 0,75 0,25. При значении Свол> 0,75 доля связующего Ссв< 0,25, что не обеспечивает 100 %-го покрытия связующим каждого волокна и полного заполнения межволо конных полостей. Это приводит к неравномерному распределе нию нагрузок (напряжений) между волокнами, что и снижает показатель прочности КМ.
|
|
|
|
Вернемся к рис. 17 и |
||||
|
|
|
рассмотрим, |
какова |
будет |
|||
|
|
|
прочность КМ в направлении, |
|||||
|
|
|
не совпадающем с |
направле |
||||
|
|
|
нием волокон. Очевидно, что |
|||||
|
|
|
она будет уменьшаться с уве |
|||||
|
|
|
личением угла |
между |
этими |
|||
Рис. 18. |
График |
зависимости |
направлениями. |
В |
направле |
|||
нии |
координаты У прочность |
|||||||
прочности |
однонаправленного |
на |
растяжение |
будет |
мини |
|||
КМ от направления вырезки об |
||||||||
разца (ср - |
угол между направле |
мальна, это значение |
называ |
|||||
ниями армирования |
и вырезкой |
ется |
прочностью на растяже- |
|||||
образцов из пластины) |
||||||||
|
|
|
|
|
кирпичик, основа будущего здания. Элементарное единичное стекловолокно имеет прочность 2500...3000 МПа, а модуль уп ругости 80 000...90 000 МПа. У однонаправленного композита прочность и модуль упругости значительно ниже. Это факт, и от него не уйдешь. А связано это со следующим:
•во-первых, помимо волокон в композите часть объема, причем немалую, занимает связующее, оно имеет очень низкие характеристики (прочность всего 50...70 МПа, модуль упругости 3000...4000 МПа) по сравнению с характеристиками волокон;
•во-вторых, при намотке используют жгуты, ровинги, собранные в ленту, в ней множество элементарных волокон, они собраны и расположены случайным образом, и в будущем ком позите волокна будут «работать» по-разному: одни на пределе, другие не в полную меру и т.д.;
•в-третьих, при технологической переработке (движению по нитетракту и т.п.) часть волокон травмируется;
•в-четвертых, волокна ленты пропитываются связующим
вванночке неравномерно, эта неравномерность сохраняется в композите, поэтому каждое из волокон в разной степени будет брать на себя нагрузку;
•в-пятых, при намотке всегда наблюдается неравномер ность натяжения ленты по ее объему, по виткам, по слоям, что в конечном итоге приводит к неравномерности нагрузки на каж дое волокно.
Все это вполне закономерно снижает «выходные» харак теристики композита. Поэтому в однонаправленном стеклопла стике прочность составляет 1200... 1400 МПа, а модуль упруго сти 60 000...70 000 МПа.
При армировании композита в двух направлениях общее количество волокон остается примерно таким же, как и в одно направленном композите, но ориентированы они по разным на правлениям, иногда отличающимся на 90°. Так, при формовании цилиндрической оболочки методом ППН армирующие ленты укладывают вдоль оси оболочки и в кольцевом направлении, т.е. под углом 90° друг к другу. Причем задают определенное соот ношение между этими направлениями, например
К : П = 2 : 1, |
(3) |
где К и П - кольцевое и продольное армирование; 2 |
1 - доле |
вое соотношение по этим направлениям. |
|
По этим направлениям характеристики КМ будут соотно |
|
ситься примерно так же: ск : оп ~ 2 1 и Ек : Еп ~ 2 |
1. |
Будет справедливо примерное соотношение о« ~ 2/3 аод и |
сп~ 1/Зоод(здесь сод - прочность однонаправленного композита) или в цифровом выражении ок = 2/3 1200 = 800 МПа и сп ~ = 1/3 1200 = 400 МПа.
Таким образом мы рассмотрели 3 ступени:
• |
волокно и связующее; |
• |
однонаправленный композит; |
• |
конструкцию. |
Для сравнения и анализа сведем все данные в табл. 6. Сравнивая и анализируя эти цифры, видим, что на «вхо
де», на первом этапе имеют место высочайшие характеристики, однако на «выходе» (в конструкции) они намного меньше. Тако ва динамика этих характеристик. При изготовлении различных конструкций из КМ эту методику анализа можно использовать для сравнения конструктивных вариантов, а также для оценки
|
|
Таблица 6 |
|
Характеристики материала и конструкции |
|||
|
Предел прочно |
Модуль упруго |
|
Материал |
сти на растяже |
сти на растяже |
|
ние |
ние |
||
|
|||
|
мПа |
||
Стекловолокно |
2500 |
80 000 |
|
Связующее |
80 |
3000 |
|
Однонаправленный стекло |
|
|
|
пластик |
1200 |
60 000 |
|
Материал оболочки (конст |
|
|
|
рукции): |
|
|
|
кольцевое направление |
800 |
40 000 |
|
осевое направление |
400 |
20 000 |
эффективности той или иной технологии. Чем меньше потерь на
этапах, тем эффективнее отработана конструкция и технология.
Будущему конструктору и технологу надо эту методику пони
мать и уметь использовать.
6.Металлокомпозиты
Уметаллических композиционных материалов (МКМ) ос новные компоненты: армирующий и связующий - металлы или сплавы. Связующий компонент в МКМ принято называть мат рицей. Применение в МКМ высокопрочных и высокомодульных металлических волокон (проволок) значительно повышают фи зико-механические характеристики, а использование в качестве связующего металлической матрицы увеличивает прочность композита в направлении, перпендикулярном волокнам, и проч ность при сдвиге.
Металлокомпозиты по сравнению с полимерными КМ
имеют ряд достоинств:
•обеспечивают работоспособность конструкции в экс тремальных условиях;
•уровень их эксплуатационных температур значительно выше, до +450 °С;
•имеют вязкий характер разрушения;
•стойки к тепловым ударам;
•обладают высокой коррозионной и эрозионной стой
костью;
•имеют хорошие демпфирующие свойства.
Отметим и недостатки МКМ:
•проблема совместимости компонентов (подбор пары волокно - матрица);
•более сложная технология;
•значительная стоимость изделия;
•ограниченные возможности переработки.
Армирующий элемент, получают из различных металлов. В настоящее время нашли применение следующие виды волокон: борные, карбидокремниевые, карбид вольфрама, стальная высо копрочная тонкая проволока, бериллиевая проволока, борсик (волокна бора с нанесенным защитным покрытием из карбида кремния), вольфрамовые, молибденовые, оксидалюминиевые.
Материал матрицы - это менее прочный и мягкий металл: алюминий, магний, никель, хром, титан - со средней температу рой плавления.
Первым метаплокомпозитом была стальная высокопроч ная проволока с алюминиевой матрицей. Для ряда изделий этот композит позволил повысить механические характеристики, со противление усталости, расширить интервал эксплуатационных температур. МКМ на основе стальной проволоки У8А и алюмо
магниевой матрицы имеет прочность ав= 1500 МПа и сохраняет ее на 70 % при температуре до 500 °С. МКМ на основе волокон карбида кремния и алюминиевой матрицы отличается малой ползучестью, т.е. сохраняет жесткость и размеры при повышен ных температурах. МКМ с борными волокнами и титановой матрицей имеет высокие характеристики: прочность около 900 МПа и модуль упругости 210 000 МПа.
Наибольшее применение из всех МКМ нашел бороалю миниевый металлокомпозит. Это самая технологичная компози ция, с высокими физико-механическими характеристиками. Рас смотрим подробнее этот материал, его свойства и технологию получения.
Борные волокна получают осаждением бора из газовой фазы на разогретую до 1350 °С вольфрамовую тонкую нить. В промышленных масштабах выпускают волокна с диаметрами 55; 100; 140 и 200 мкм. На рис. 20 показана технологическая
Рис. 20. Схема получения борных волокон методом осаждения при нагревании: I - подающий барабан с вольфрамовой нитью; 2 - штуцер для подачи газо вой смеси; 3 - камера осаждения; 4 - штуцер для удаления газов; 5 - приемный барабан для бороволокна; U - электрический потенциал для нагрева ни ти; Г|, Г2, Гз - температура по длине нити (Т\ >
> h > T 2)