Лекции по композиционным материалам
advertisement
ВВЕДЕНИЕ Целью создания композиционного материала является объединение схожих или различных компонентов для получения материала с новыми заданными свойствами и характеристиками, отличными от свойств и характеристик исходных компонентов. С появлением такого рода материалов возникла возможность селективного выбора свойств композитов, необходимых для нужд каждой конкретной области применения. КМ, оказавшиеся и экономичными, и удобными в проектировании, сегодня используются везде — от производства игрушек и теннисных ракеток до применения в космических аппаратах (теплоизоляция, микросхемы и др.). ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Слово «композиция» происходит от латинского compositio составление, связывание. В самом общем случае можно отметить, что КМ является материалом, состоящим (составленным) из каких- либо различных частей. Известно определение, согласно которому композиты - это материалы, состоящие из двух или более компонентов (армирующих элементов и матрицы) и обладающие свойствами, отличными от свойств отдельных компонентов. При этом предполагается, что компоненты, входящие в состав композита, должны быть хорошо совместимыми и не растворяться или иным способом поглощать друг друга. Таким образом, в широком смысле КМ— это любой материал с гетерогенной структурой. Такое определение позволяет отнести к КМ абсолютное большинство материалов (сталь, пластмассы, керамика и др.). ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Слово «композиция» происходит от латинского compositio составление, связывание. В самом общем случае можно отметить, что КМ является материалом, состоящим (составленным) из каких- либо различных частей. Известно определение, согласно которому композиты - это материалы, состоящие из двух или более компонентов (армирующих элементов и матрицы) и обладающие свойствами, отличными от свойств отдельных компонентов. При этом предполагается, что компоненты, входящие в состав композита, должны быть хорошо совместимыми и не растворяться или иным способом поглощать друг друга. Таким образом, в широком смысле КМ— это любой материал с гетерогенной структурой. Такое определение позволяет отнести к КМ абсолютное большинство материалов (сталь, пластмассы, керамика и др.). В настоящее время композиционные материалы определяются как группа в совокупности структурно неоднородных материалов (рис. 1.). Наиболее полным считается определение, согласно которому к композитам относятся материалы, обладающие следующими признаками: - состав, форма и распределение компонентов материала «запроектированы заранее»; - не встречается в природе, а создан человеком; - состоит из двух или более компонентов, различающихся по химическому составу и разделенных выраженной границей; - свойства материала определяются каждым из его компонентов, которые в связи с этим должны присутствовать в достаточно больших количествах; - обладает такими свойствами, которых не имеют его компоненты, взятые в отдельности; - неоднороден в микромасштабе и однороден в макромасштабе. Шестой признак не позволяет отнести к КМ биметаллы и материалы с покрытиями, поскольку в макромасштабе они не являются однородными. КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В настоящее время отрасли науки и производства, связанные с разработкой КМ, развиваются наиболее динамично и в ближайшее время номенклатура этих материалов будет стремительно расширяться. Для того чтобы систематизировать КМ по различным признакам, грамотно реализовать процедуру выбора КМ для изготовления различных деталей, упорядочить терминологию, необходима обоснованная классификация этих материалов. Единой общепринятой классификации КМ нет. Это объясняется рядом причин. Во-первых, КМ представляют самый широкий класс материалов, объединяющий металлы, полимеры и керамики. Разнообразие исходных материалов, сложность реальных структур в ряде случаев также затрудняет классификацию композиционных материалов. К тому же вызывает трудности определение понятия «композиционный материал». Наиболее часто используется классификация композиционных материалов, в основу которой положено их деление по материаловедческому признаку (рис. 2.). Классификация КМ по геометрии компонетов Выделяют КМ : - с нульмерными компонентами; - с одномерными компонентами; - с двумерными компонентами (рис. 3). Данная классификация основана на понятии элементарного образца КМ - минимального объема материала, который характеризуется всеми своствами КМ. Элементарный образец должен иметь все три размера, существенно превосходящие минимальный размер компонентов. В КМ с нульмерными компонентами все три размера компонента являются величинами одного порядка, существенно меньшими размера элементарного образца КМ (дисперсноупрочненные сплавы, металлы и сплавы, содержащие короткие нитевидные кристаллы). КМ с одномерными компонентами содержат компоненты, один из размеров которых значительно превышает два других размера (КМ на основе металлов и полимеров, армированные керамическими, борными, углеродными, стеклянными волокнами. КМ с двумерными компонентами содержат компоненты, имеющие два размера, значительно превосходящие третий размер (слоистые КМ, состоящие из чередующихся слоев). Для обозначения нульмерных, одномерных и двумерных компонентов приняты соответствующие индексы: 0*, 1 и 2. Кроме КМ с нульмерными, одномерными и двухмерными компонентами созданы комбинированные КМ, содержащие два или три компонента различной размерности. Примером такого КМ может служить пластик на основе эпоксидной смолы, армированный углеродными волокнами (одномерный компонент) и короткими нитевидными кристаллами карбида кремния (нульмерный компонент). Классификации КМ по расположению компонентов 1. КМ с одноосным (линейным) расположением армирующего компонента. В этих КМ нульмерные или одномерные компонеты располагаются в матрице параллельно. Обозначение этой схемы : 0*:0:0 и 1:0:0 (нульмерный 0* или одномерный компонент расположен вдоль оси х). 2. КМ с двухосным (плоскостным) расположением армирующего компонента. Армирующие компоненты в виде волокон, фольг, матов из нитевидных кристаллов расположены в матрице в плоскостях, параллельных друг другу. Такая схема армирования создается с помощью нульмерных, одномерных или двухмерных компонентов и обозначается 0*:0*:0, 1:1:0 и 2:2:0 соответственно (компоненты расположены в плоскостях ху). 2. КМ с трехосным (объемным) расположением компонентов. В этой схеме армирования невозможно выделить одно или два преимущественных направления в материале. Такая схема может быть реализована с помощью нульмерных (0*:0*:0*) или одномерных (1:1:1) компонентов. Рис. 5. Комбинированное армирование КМ Классификация КМ по природе компонентов По природе компонентов КМ делятся на группы по количеству компонентов (например, на две группы - по природе матрицы и по природе армирующего компонента). Каждая группа, в свою очередь, делится на четыре подгруппы, имеющие компоненты из: - металлов и сплавов; - неметаллических материалов (например, углерода); - неорганических соединений (окислов, карбидов, нитридов и т.п.); - органических соединений. В соответствии с этим признаком композиционный материал углерод-углерод относится по природе матрицы к группе КМ с матрицей из неметаллических элементов, по природе армирующего компонента - к группе КМ со вторым компонентом из неметаллических элементов. Углепластики относятся по природе матрицы к группе КМ с матрицей из органических соединений, по природе армирующего компонента - к группе КМ со вторым компонентом из неметаллических элементов. Также выделяют полиматричные и полиармированные КМ (рис. 6). Полиматричные КМ состоят из чередующихся слоев двух или более КМ с матрицами различного химического состава Полиармированные КМ содержат два или более различных по составу армирующих компонента, равномерно распределенных в матрице. Классификации КМ по геометрии армирующих элементов КМ делятся на порошковые (гранулированные), волокнистые и пластинчатые. К первой группе относят дисперсно-упрочненные КМ, ко второй - КМ, армированные непрерывными и дискретными волокнами, например композиция алюминий борные волокна. К третьей группе относятся КМ, армированные непрерывными и дискретными пластинами. Классификации КМ по структуре и расположению компонентов К КМ с каркасной структурой относятся, например, псевдосплавы, полученные методом пропитки. Матричную структуру имеют дисперсно-упрочненные и армированные КМ. КМ со слоистой структурой состоят из набора чередующихся фольг или листов материалов различной природы или состава. Комбинированную структуру имеют КМ, содержащие комбинации первых трех групп, например, псевдосплавы, каркас которых упрочнен дисперсными включениями. Классификация матричных КМ по схеме армирования (конструкционный принцип) Выделяют две группы – изотропные (хаотичноармированные) и анизотропные (упорядоченно-армированные) КМ. Классификация КМ по методам получения (технологический принцип) 1. КМ, полученные жидкофазными методами (пропитка арматуры полимерами или расплавленными металлами и направленная кристаллизация сплавов. 2. КМ, полученные твердофазными методами (прокатка, экструзия, ковка, штамповка, уплотнение взрывом, диффузионная сварка, волочение и др.). Исходные материалы – порошки, волокна, фольги. 3. КМ, полученные методами осаждения – напыления. Матрица наносится на волокна из растворов солей или других соединений, из парогазовой фазы, из плазмы и т.п. Комбинированные методы заключаются в последовательном или параллельном применении нескольких методов. Например, в качестве предварительной операции может использоваться плазменное напыление, а в качестве окончательной операции прокатка или диффузионная сварка. Классификации КМ по назначению (эксплуатационный принцип) Следует отметить, что классификация КМ по назначению достаточно условна, поскольку часто композиты являются многофункциональными материалами. Тем не менее, среди множества КМ выделяют материалы общеконструкционного назначения (несущие конструкции судов, самолетов, автомобилей и др.), жаропрочные материалы (лопатки турбин самолетов, камеры сгорания), термостойкие материалы (изделия, работающие в условиях частых теплосмен), фрикционные материалы (тормозные колодки), антифрикционные материалы (подшипники скольжения), ударопрочные материалы (броня самолетов, танков), теплозащитные материалы, материалы со специальными свойствами (магнитными, электрическими и т.п.). ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕХАНИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 2.1. МОДУЛИ УПРУГОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Важнейшими характеристиками механического поведения композиционных материалов служат модули упругости, которые представляют собой коэффициенты в зависимостях, связывающих деформации и приложенные механические напряжения. Модуль упругости, характеризующий жесткость материала в условиях действия нормальных напряжений, носит название модуля Юнга (модуля нормальной упругости) Е: σ 𝑬= , ε где - растягивающее (сжимающее) напряжение; относительная деформация. Жесткость материала в условиях действия сдвигающих напряжений характеризуется модулем Гука (модулем сдвига) G τ 𝑮= , γ где - касательное напряжение; - сдвиговая деформация. Связь между напряжениями, действующими на тело и упругими деформациями, возникающими в нем, устанавливает закон Гука. В том случае если тело является изотропным, а на него действует только растягивающее или сжимающее напряжение, закон Гука имеет вид σ = 𝑬ε. Наиболее простым типом КМ являются композиты с непрерывными волокнами, ориентированными в одном направлении. Анализ упругих характеристик таких материалов представляет собой относительно простую задачу. Рассмотрим в первую очередь два крайних случая, связанных с нагружением КМ в направлении осей волокон и в поперечном направлении. Модуль нормальной упругости однонаправленного КМ в направлении оси армирования В качестве простейшего объекта для анализа обычно берут монослой, представляющий собой вытянутые в одном направлении упрочняющие волокна, которые связаны матричным материалом (рис. 8). Рис. 8. Схематическое изображение структуры однонаправленного материала: темные области - волокна, белые – матрица Если пластину нагрузить в продольном направлении, т. е. вдоль оси х, силой Рх, то для деформаций волокон и элементов матрицы можно записать xк=xм=xв=, где xк, xм, xв - значения относительной деформации композита, матрицы и волокна в направлении оси х. Общая сила Рх, действующая на пластину есть сумма сил Рхм, действующих на матрицу, и сил Рхк, действующих на волокно, Рх =Рхм+Рхк. С учетом уравнения 𝑷 σ= , 𝑭 можно записать xкFк=xмFм+xвFв , где xк, x, xв растягивающие напряжения в матрице, волокне и в композиции соответственно в направлении оси х; Fк, Fм, Fв - поперечные сечения матрицы, волокна и композиции соответственно. Разделим обе части уравнения на величину Fк: 𝑭м 𝑭в σ𝒙к = σ𝒙м + σ𝒙в . 𝑭к 𝑭к 𝑭м 𝑭в Здесь – объемная доля матрицы Vм, – объемная доля 𝑭к 𝑭к волокна Vв. Очевидно, что Vм+Vв=1. Тогда можно записать σ𝒙к = σ𝒙м (𝟏 − 𝑽в ) + σ𝒙в 𝑽в . С учетом равенства деформаций матрицы, волокон и композита и изотропностью модуля Юнга при нагружении вдоль оси x, запишем м=Eм, в=Eв, к=Eк. Окончательно модуль Юнга однонаправленного КМ при его нагружении вдоль волокон равен E𝒙к = Eм (𝟏 − 𝑽в ) + Eв 𝑽в . Пусть КМ в виде монослоя (рис. 8) нагружен силой Ру, приложенной перпендикулярно оси волокон. Нормальное напряжение , возникающее при этом в КМ, равно 𝑷𝒚к σ𝒚к = . 𝑭𝒚к В связи с равенством сил, действующих на волокно, матрицу и КМ в целом и равенством площадок, на которые действуют эти силы, можно записать yк=yм=yв=. Абсолютная деформация композиции в направлении оси у yк будет равна сумме абсолютных деформаций волокон и элементов матрицы: lyк=lyв+lyм. Имея в виду l=l, для относительных деформаций получим yкlyк=yвlyв+yмlyм. Разделим обе части уравнения на величину lyк. Получим зависимость вида 𝒍𝒚м 𝒍𝒚в ε𝒚к = ε𝒚м + ε𝒚в . 𝒍𝒚к 𝒍𝒚к С учетом того что 𝒍𝒚м 𝒍𝒚к и 𝒍𝒚в 𝒍𝒚к фактически представляют собой объемные доли матрицы и волокон Vм+Vв=1, можно записать ε𝒚к = ε𝒚м (𝟏 − 𝑽в ) + ε𝒚в 𝑽в . Подставляя выражение для относительной деформации в соответствии с законом Гука σ ε= , 𝑬 получим σ𝒚к σ𝒙м σ𝒙в = (𝟏 − 𝑽в ) + 𝑽в . 𝑬𝒚к 𝑬𝒚м 𝑬𝒚в С учетом равенства нормальных напряжений, позволяющего сократить их в обеих частях уравнения, для модуля нормальной упругости однонаправленного композита в направлении, перпендикулярном оси волокон, окончательно получим E𝒚к 𝑬в 𝑬м = . 𝑬в (𝟏 − 𝑽в ) + 𝑬м 𝑽в Индексы у при величинах модулей упругости волокна и матрицы в последнем уравнении опущены, поскольку предполагается, что материалы обоих компонентов являются изотропными. Выражения для модулей упругости очень удобны для описания упругих свойств КМ, но в то же время считаются лишь оценочными, приближенными, поскольку основаны на использовании идеализированных моделей. 2.1. ПРОЧНОСТЬ КМ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ 2.2.1. ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ ОДНОНАПРАВЛЕННО АРМИРОВАННЫХ КМ Одним из наиболее простых случаев для анализа прочностных свойств КМ может служить растяжение однонаправленной композиции с упрочняющими элементами в виде непрерывных волокон. Растягивающая сила направлена вдоль осей волокон. Пусть композиция состоит из мягкой пластичной матрицы и более жестких и прочных волокон. Модуль упругости материала на диаграмме растяжения характеризуется тангенсом угла наклона к оси деформации. Диаграммы растяжения такой композиции и составляющих ее компонентов представлены на рис. 9. Рис. 9. Диаграмма растяжения волокон (1), матрицы (3) и однонаправленного КМ (2) Участок I соответствует упругому поведению как волокна, так и матрицы. На участке II волокно продолжает деформироваться упруго, а матрица ведет себя упруго-пластически. В пределах участка III и волокно и матрица деформируются пластически. Предельная деформация анализируемой композиции фактически соответствует предельной деформации волокна, т. е. материал разрушится в тот момент, когда начнется спонтанное разрушение элементов упрочняющей фазы. При этом пластические свойства матричного материала еще не исчерпаны. Если воспользоваться ходом рассуждений, приведенных при анализе модуля упругости однонаправленной композиции, нагруженной вдоль оси волокон, то предел прочности анализируемого КМ может быть записан в следующем виде: σвк = σм (𝟏 − 𝑽в ) + σвв 𝑽в . где σвв - предел прочности волокон при растяжении; σм - уровень напряжения в матрице, достигаемый в момент разрушения волокон в композиции. Определение величины σм понятно из рис. 9. Для пластичных слабо упрочняющихся матриц величину σм принимают равной пределу прочности материала матрицы. Данная зависимость известна под названиями уравнения смесей, правила смесей, уравнения аддитивности и правила аддитивности. Это уравнение получено в предположении, что прочность связи на границе между волокном и матрицей достаточна для обеспечения совместной деформации этих компонентов вплоть до полного разрушения композиции. Кроме того, предполагалось, что разрушение композиции происходит при одновременном разрыве всех ее волокон. В реальных композиционных материалах эти допущения могут не выполняться. Тем не менее, считается, что для выполнения оценочных расчетов прочностных свойств КМ данная зависимость вполне пригодна. 2.2.2. ВЛИЯНИЕ ОРИЕНТАЦИИ ВОЛОКОН НА ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТОВ Абсолютное большинство композитов анизотропные материалы, свойства которых в значительной степени зависят от направления действия внешних сил. Рассмотрим нагружение однонаправленного волокнистого материала (рис. 10). В зависимости от угла между осью волокон и направлением растягивающей силы возможны три механизма разрушения композиционного материала. При малых значениях , не превышающих нескольких градусов, КМ разрушается в результате разрыва волокон от воздействия на них нормальных напряжений. В том случае если можно пренебречь прочностью матрицы, предел прочности композита описывается зависимостью следующего вида: σвв σв = , 2 cos θ где σвв – предел прочности волокна. Данная зависимость представлена на рис. 11. С ростом угла разориентации предел прочности волокнистой композиции увеличивается. Экспериментально установлено, что зависимость выполняется лишь при малых углах . При больших углах разориентации , близких к 90°, прочность КМ определяется нормальной прочностью границы раздела между матрицей и волокном или прочностью материала матрицы в условиях ее растяжения. В последнем случае предел прочности композиционного материала описывается зависимостью σвм σв = , 2 sin θ где σвм - величина предела прочности матрицы. В промежутке между критическими углами разориентации кр1 и кр2, прочность КМ описывается зависимостью вида τм σв = , sinθcosθ где τм - предел прочности матрицы или границы между волокнами и матрицей в условиях сдвига. Таким образом, при кр1<<кр2 прочность КМ контролируется механизмом разрушения, основанным на действии касательных напряжений и разрушении матрицы или границы раздела между матрицей и волокном в результате сдвига по плоскостям, параллельным волокнам. Приравнивая полученные выражения, можно получить зависимости, позволяющие найти значения критических углов кр1 и и кр2: τ σ tgθкр𝟏 = м и tgθкр𝟐 = вм . σвв τм ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТОВ, АРМИРОВАННЫХ ДИСКРЕТНЫМИ ВОЛОКНАМИ В данном разделе рассмотрены КМ с дискретными (короткими) волокнами, ориентированными в одном направлении. Растягивающая сила приложена вдоль осей волокон. Анализируя поведение таких волокон в условиях действия растягивающих напряжений, необходимо ввести понятие критической длины волокна. В КМ растягивающая нагрузка передается волокнам через матрицу за счет касательных напряжений, действующих на границе раздела. Концы волокон нагрузки не несут. Центральные части волокон нагружены наиболее сильно. Если волокно вырождается в частицу сферической формы, то можно считать, что оно растягивающую нагрузку не воспринимает. В сплавах с дисперсными сферическими частицами под действием растягивающих напряжений разрушения частиц обычно не наблюдается. Типичным является отслаивание частиц от матрицы. Подобное происходит и в КМ. Под действием растягивающей нагрузки дискретные волокна вытягиваются из матрицы. Вытягивание волокон без их разрушения возможно лишь в том случае, если их длина меньше критической длины lкр. При l > lкр под действием растягивающей силы происходит разрушение волокон. Расчет lкр основан на равенстве касательных и нормальных сил, действующих на волокно, поскольку по определению критическая длина соответствует такому состоянию, когда одновременно должно произойти разрушение волокна и отделение его от окружающей матрицы, 2 πdв 𝒍 σв =τπ𝒅в , 4 𝟐 где - касательные напряжения па границе раздела между волокном и матрицей; σв - нормальные растягивающие напряжения в волокне; l - длина волокна; dв - диаметр волокна. Критическая длина волокна рассчитывается по формуле σвв 𝒍кр = 𝒅в , 𝟐τ где - сдвиговая прочность границы раздела между волокном и матрицей; σвв - предел прочности волокон. При l < lкр прочность КМ равна τ𝒍 σвк = σвм (𝟏 − 𝑽в ) + 𝑽в . 𝒅в При l > lкр 𝒍кр σвк = σм (𝟏 − 𝑽в ) + σвв 𝟏 − (𝟏 − 𝒌) 𝑽в . 𝒍 𝒍кр С увеличением соотношения прочность композиционного 𝒍 материала возрастает. В том случае если длина волокна в 10 раз больше критической, предел прочности композита с дискретными волокнами лишь на 5 % меньше предела прочности материала, армированного непрерывными волокнами. ВЛИЯНИЕ ОБЪЕМНОЙ ДОЛИ ВОЛОКОН НА ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА КМ Объемная доля волокна оказывает существенное влияние на прочностные свойства КМ. На практике максимальная доля волокна во избежание расслоения композиции не превышает 0,7. Для тетрагональной упаковки волокон круглого сечения волокон Vmax = 0,785 (рис. 12), для гексагональной упаковки Vmax = 0,907, а при использовании волокон двух диаметров Vmax ~ 0,924. Рис. 12. Схемы упаковки однонаправленных волокон при их непосредственном контакте Для снижения опасности расслоения композита между волокнами необходимо обеспечить прослойку матричного материала min (рис. 13.). Объемная доля волокна в КМ с тетрагональной упаковкой составляет δmin δmin 𝑽в = π/ 𝟒 + 𝟒 + 𝟐 , dв 𝒅в с гексагональной упаковкой 𝑽в = 𝟐π𝒅𝟐в /(𝟐dв + δmin )𝟐 𝟑 . Рис. 13. Схемы упаковки однонаправленных волокон с матричными прослойками Таким образом, существуют ограничения на величину максимальной объемной доли волокна в КМ. С другой стороны, в композитах с пластичной матрицей и хрупкими волокнами ограничено и минимальное содержание волокна. Рис. 14. Зависимость прочности однонаправленных КМ от Видно, что в области 1 с увеличением Vв прочность КМ σвк снижается. Это объясняется тем, что при малых значениях Vв влияние волокон аналогично влиянию нитевидных пор. В этом случае в результате разрушения волокна разрушения всего КМ не происходит. Нагрузка перераспределяется на матрицу, она деформационно упрочняется и становится способной выдерживать более высокий уровень напряжений. В результате увеличения нагрузки волокна постепенно растрескиваются: происходит их множественное разрушение. Разрушение композиции произойдет лишь после того, как будет полностью исчерпан запас пластичности матрицы и утратится ее способность к деформационному упрочнению. Предел прочности КМ в области 1 описывается зависимостью σвк = σвм (𝟏 − 𝑽в ). В области 2 предел прочности КМ равен σвк = σм (𝟏 − 𝑽в ) + σвв 𝑽в . Минимальную объемную долю волокон находим после приравнивания указанных уравнений: σвм − σм 𝑽min = . σвв + σвм − σм Из рис. 14 следует, что с практической точки зрения разрабатывать и применять КМ с минимальной объемной долей волокна не имеет смысла, поскольку прочность таких материалов ниже прочности даже пластичной матрицы. Имеет смысл применять такие композиты, у которых Vв>Vкр. Vкр – это объемная доля волокна, при которой σвк = σвм . Для количественного определения значения Vкр необходимо правую часть уравнения для предела прочности КМ в области 2 приравнять значению предела прочности неармированной матрицы σвм − σм 𝑽кр = . σвв − σм В том случае если КМ состоит из хрупкой матрицы и пластичных волокон, зависимость σвк – Vв будет иметь другой вид (рис. 15). Эта зависимость состоит из двух восходящих участков. Говорить о величинах Vmin и Vк р в данном случае не имеет смысла. Рис. 15. Зависимость прочности КМ с хрупкой матрицей и пластичными волокнами от объемной доли волокон ПРОЧНОСТЬ КМ ПРИ СЖАТИИ КМ, армированные непрерывными волокнами, как правило, не должны работать в условиях действия сжимающих напряжений. Тем не менее, имеет смысл рассмотреть особенности поведения композитов в этих условиях нагружения (КМ часто работают при знакопеременном нагружении). Если композит представить в виде обладающих неограниченно большой прочностью упругих волокон (пластин), расположенных в пластичной матрице, то разрушение материала происходит в результате потери устойчивости волокон. Возможна реализация двух механизмов разрушения композиции. В том случае если волокна выгибаются в противоположных направлениях и образуется симметричная картина их выпучивания, разрушение материала является результатом растяжения матрицы в направлении, перпендикулярном к оси волокон (рис. 16.). Если волокна изгибаются в одной фазе (асимметричное выпучивание), в основе разрушения композита лежит деформация сдвига матрицы. Pис. 16. Двухмерная модель КМ Пределы прочности при сжатии для первого и второго механизмов соответственно равны 𝑽в 𝑬м 𝑬в σсж = 𝟐𝑽в , 𝟑(𝟏 − 𝑽)в 𝑮м σсж = . 𝟏 − 𝑽в На практике чаще реализуется второй механизм разрушения КМ. Для повышения прочности материала при сжатии необходимо увеличивать жесткость волокон и матрицы, повышать прочность границы раздела. РАЗРУШЕНИЕ КМ Важнейшей характеристикой поведения конструкционных материалов является их трещиностойкость. Трещины, поры или другого рода несплошности в реальных конструкциях есть всегда, вопрос заключается лишь в размерах и устойчивости этих дефектов. Важнейшим достоинством КМ является эффективное перераспределение напряжений при разрушении отдельных волокон. Благодаря этому обеспечивается высокий уровень вязкости разрушения композитов. Для разрушения КМ характерен ряд особенностей. Одна из них заключается в том, что показатели вязкости разрушения композитов в значительной степени определяются направлением развития трещины. В анизотропном КМ выделяются направления, обеспечивающие высокий и низкий уровень трещиностойкости. Трещина легко развивается вдоль границ сопряжения волокон и матрицы, т. е. многие композиты склонны к расслоению. Если же трещина развивается поперек волокон, то возможно достижение высоких значений трещиностойкости материала. В этой связи характер армирования должен четко соответствовать напряженному состоянию, реализующемуся во время эксплуатации изделия, изготовленного из композиционного материала. К важнейшим технологическим дефектам КМ относят расслоения, возникающие на стадиях изготовления, транспортировки и эксплуатации материалов и изделий из них. Дефекты подобного рода могут быть вызваны температурными напряжениями, ударами, другими видами локального нагружения. Поверхностное отслоение характеризуется выпучиванием некоторого объема материала. Некоторые примеры отслоений в слоистых композиционных материалах показаны на рис. 17. Рис. 17. Примеры отслоений в композиционных материалах: а - открытое отслоение при растяжении; 6 - эллипсоидальное отслоение при растяжении; в - отслоение в условиях цилиндрического изгиба; г - эллипсоидальное отслоение при сжатии; д - кромочное отслоение; е - кромочное отслоение со вторичной трещиной Причинами, вызывающими проявление дефектов служат сжимающие напряжения и поверхностный нагрев КМ. Расслоение КМ вдоль границ сопряжения волокон с матрицей является одним из эффективных механизмов торможения трещин, развивающихся перпендикулярно волокнам. У вершины распространяющейся трещины развиваются растягивающие zz и поперечные хх напряжения (рис. 18) в соотношении zz = 4 хх, направление трещины меняется на 90°, т.е. трещина эффективно тормозится. Несущая способность материала при этом сохраняется. Рис. 18. Расслоение на границе раздела волокноматрица при взаимодействии трещины с границей раздела Два важнейших вида повреждений однонаправленных композиционных материалов в условиях действия растягивающих напряжений, а именно единичные разрывы волокон и разрушение границы между матрицей и волокном, схематически приведены на рис. 18. Первый вид повреждений характеризуется отношением числа разрывов к общему числу элементов структуры в рассматриваемом объеме композиционного материала. Второй вид дефектов, связанный с разрушением границы между волокном и матрицей, определяется как отношение суммы длин поврежденных участков границы к общей длине волокон в анализируемом объеме материала. Рис. 19. Типы разрушения слоистых композитов: продольное при изгибе и межслоевое растрескивание Выделяют два механизма повышения трещиностойкости КМ (рис. 20.). Первый связан с разрушением границы раздела между матрицей и волокном, сопровождается затратами энергии, следовательно ведет к росту вязкости разрушения (зона D). Второй механизм обусловлен вытягиванием волокон из матрицы (зона F), дополнительная работа затрачивается на преодоление сил трения между волокном и матрицей. Второй механизм эффективен при условии l lкр . В противном случае происходит не вытягивание волокон, а преимущественно их разрыв в матрице. Зависимость работы разрушения Wвв КМ по механизму вытягивания волокна от длины волокон отражена на рис. 21. Армирование хрупкой матрицы дискретными хрупкими волокнами длиной меньше критической существенно повышает вязкость разрушения КМ, поскольку затраты энергии на вытягивание волокна из матрицы существенно превосходят работу разрушения каждого компонента в отдельности. При l=lкр максимальная работа разрушения КМ равна 1 𝑊max = 𝑉в σвв 𝑙кр . 12 Анализ уравнения показывает, что для повышения работы разрушения, связанной с реализацией механизма вытягивания волокон из матрицы, следует увеличивать объемную долю волокон, их предел прочности и критическую длину. В связи с тем, что критическая длина волокна пропорциональна его диаметру и обратно пропорциональна прочности границы раздела между волокном и матрицей, затраты энергии на разрушение композита могут быть повышены за счет увеличения диаметра волокна и уменьшения величины гр. Однако в последнем случае происходит потеря прочностных свойств КМ в условиях сдвига, сжатия и растяжения в направлении, перпендикулярном оси волокон. Поэтому для повышения вязкости разрушения анализируемых КМ (хрупкая матрица - хрупкое волокно) предпочтительно увеличение диаметра армирующих волокон. В том случае если КМ состоит из хрупкой матрицы и пластичного волокна, характер разрушения композита в значительной степени определяется влиянием волокон. Трещина, легко перемещаясь по хрупкой матрице, может быть заторможена пластичным волокном. Для расчета критического значения коэффициента интенсивности напряжений может быть использована зависимость следующего вида 𝐾Ic = 2𝐸к 2 1 − 𝑉в γм + 𝑉в σ3в 𝑑в 1/2 . 12τ𝐸𝑑 1 − μк В соответствии с зависимостью для увеличения трещиностойкости композиционного материала целесообразно увеличивать диаметр волокна, его объемную долю и прочностные свойства. Возможно также снижение прочности границы раздела между матрицей и волокном, однако использовать эту возможность необходимо в разумных пределах, поскольку одновременно с повышением трещиностойкости снижаются прочностные свойства композиционного материала. Трещиностойкость КМ, содержащих пластичную матрицу и хрупкое волокно, может быть увеличена за счет повышения трещиностойкости матрицы и реализации механизма вытягивания волокон из матрицы. Следовательно, такие материалы должны содержать дискретные волокна длиной, равной или меньшей критической. Таким образом, анализ особенностей поведения композиционных материалов в условиях внешнего нагружения свидетельствует о том, что механизмы разрушения композитов другие, нежели в традиционных металлических конструкционных материалах. Используя особенности технологии получения и реального строения композиционных материалов, во многих случаях можно найти эффективные пути повышения их трещиностойкости. ВОЛОКНИСТЫЕ АРМИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В качестве арматуры в композитах применяются волокнистые армирующие элементы —непрерывные волокна, представленные в виде крученых и некрученых нитей, жгутов (ровингов), лент, тканей различного переплетения, а также короткие волокна различной. НЕПРЕРЫВНЫЕ ВОЛОКНА Матрицы из синтетических смол армируют стеклянными, углеродными, органическими, борными, карборундовыми волокнами. Металлические матрицы армируют тонкими проволоками из стали, W, Be, Ti, Nb. Рис. 22. Диаграммы растяжения волокон: 1-борные; 2высокомодульные; 3-углеродные; 4органические; 5- S-стекла; 6- Е-стекла Стеклянные волокна Стеклянные волокна применяют изготовления неметаллических конструкционных композитов — стеклопластиков. При сравнительно малой плотности (2,4-2,6)·103 кг/м3 они имеют высокую прочность, низкую теплопроводность, теплостойки, стойки к химическому и биологическому действию. Формы сечения стекловолокна показана на рис. 23. Непрерывные волокна получают вытягиванием расплавленной стекломассы через фильеры диаметром 0,8-3,0 мм и дальнейшим быстрым вытягиванием до диаметра 3-19 мкм. Штапельное волокно получают вытягиванием непрерывного стекловолокна и разрывом его на отрезки определенной длины или разделением расплавленного стекла на отдельные части, которые затем растягивают (раздувают) в короткие волокна центробежным или комбинированным способом. Кварцевое волокно получают из стержней вытягиванием, поскольку кварц даже при температуре 2400 К имеет очень высокую вязкость, что затрудняет формование его из расплава. Кремнеземное волокно, содержащее 94—99% SiО2, получают выщелачиванием из силикатных стекол оксидов алюминия, бора, кальция, магния. Наиболее широко применяются алюмоборосиликатное Естекло (SiО2, Аl2O3, В2O3, CaO, MgO, К2O и Na2O), а также высокопрочное S-стекло (SiO2, Аl2O3, MgO). Механические свойства стекловолокон Страна, марка стекла РФ ВМ-1 Кислотостойкое № 7-А США Алюмоборосиликатное М-стекло S-994 Плавленый кварц , кг/м3 E , % ГПа 2,58 2,56 95 74 4,20 2,00 4,8 3,6 2,54 2,89 2,49 2,21 73,5 110 87 74 3,50 3,50 4,80 6,0 4,8 3,2 5,4 - По прочности стекловолокна значительно превосходят стекла в виде блоков. Стекловолокна весьма термостойки. При повышении температуры до 1200 К модуль упругости кварцевого волокна возрастает с 74 ГПа (при 300 К) до 83 ГПа. Поверхность стеклянных волокон покрывают замасливателем, который предотвращает истирание волокон при транспортировке и различных видах переработки. Существует два типа замасливателей: технологические и активные (гидрофобноадгезионные). Технологические замасливатели (парафиновая эмульсия) перед изготовлением КМ удаляют с помощью термической обработки при температуре до 1100 К или смывают. После удаления замасливателей на поверхность волокон в ряде случаев наносят аппреты — вещества, способствующие созданию прочной связи на границе волокно — связующее. В качестве аппретов применяют обычно кремнийорганические и металлоорганические соединения. Наиболее перспективны активные замасливатели, выполняющие двойную функцию — предохранение волокна от разрушения и улучшение адгезии между стеклом и полимерной матрицей. Стекловолокна применяются в качестве армирующих элементов КМ в виде жгутов и нитуй из элементарных волокон, лент, тканей разнообразного плетения, матов, холстов и других нетканых материалов. Для изготовления изделий из стеклопластиков методом намотки промышленностью выпускаются стекловолокна в виде непрерывных жгутов (ровингов), состоящих из прядей комплексных нитей суммарной. линейной плотностью 555—4170 текс (г/км). Тканые армирующие материалы получают путем текстильной переработки крученой комплексной нити, жгута, пряжи или ровницы. Для текстильной переработки используются стекловолокна диаметром 3-11 мкм. Тканые армирующие материалы технологичны, удобны при изготовлении крупногабаритных изделий, в образованных ими слоистых пакетах достигается высокое содержание арматуры. В основном промышленностью выпускаются ткани полотняного и сатинового переплетения. Органические волокна Для получения высокопрочных КМ с полимерной матрицей (органопластиков) применяют волокна на основе ароматических полиамидов (арамидов) и сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). п-Арамид состоит из бензольных колец, соединённых друг с другом через группу -NH-CO- прочными химическими связями. Арамидные волокна обладают уникальным комплексом свойств: высокими прочностью и модулем упругости, термостабильностью, хорошими усталостными и диэлектрическими свойствами, незначительной ползучестью. Волокна п-Арамидные высокомодульные (терлон, кевлар-49 и 149, тварон HM) п-Арамидные высокопрочные (терлон, кевлар HT, тварон HT) п-Арамидные гомополимерные, гетероциклические высокомодульные (СВМ) п-Арамидные сополимерные, гетероциклические высокомодульные (армос) Полиэтиленовые (спектра, дайнема, текмилон) , г/см3 E, ГПа в, ГПа 1,45-1,47 140-150 2,7-3,5 2,5-3 1,45-1,47 140-150 2,7-3,5 2,5-3 1,45-1,46 130-160 4-4,5 3-3,5 1,45-1,46 140-160 4,5-5,5 3,5-4 0,97 60-160 1,5-4,0 3,0-6,0 , % Углеродные волокна Углеродные волокна (УВ) обладают комплексом уникальных механических и физико-химических свойств. УВ присущи высокая теплостойкость, низкие коэффициенты трения и термического расширения, высокая стойкость к атмосферным воздействиям и химическим реагентам, различные электрофизические свойства (от полупроводников до проводников). Они могут иметь сильно развитую поверхность (1000—2000 м2/г). УВ делятся на карбонизованные (температура термообработки 1173-2273 К, содержание углерода 80-90%) и графитизированные (температура термообработки до 3273 К, содержание углерода выше 99%). Существуют два основных типа исходных материалов для УВ: химические волокна — вискозные или полиакрилонитрильные (ПАН) и углеродные пеки. Процесс получения УВ из ПАН-волокон включает их окисление, высокотемпературную обработку (карбонизацию и графитизацию). Окисление облегчает дегидрирование полимера, создает условия для создания оптимальной структуры углерода. В процессе высокотемпературной обработки осуществляется переход от органического к углеродному волокну. При этом происходят сложные процессы ароматизации углерода и формирования структуры углеродного волокна. Обработка проводится в вакууме или в инертной среде — азоте, гелии, аргоне при температурах 800-1500 °C и 1600-3000 °C. Более дешевые и доступные исходные материалы — нефтяные и каменноугольные пеки, представляющие собой смесь олигомерных продуктов. Волокна из них формуют, пропуская расплав при температуре 370-620 К через фильеры диаметром 0,3 мм. Затем сформованное волокно вытягивается до степени вытяжки 100000-500000%. При этом достигается высокая ориентация макромолекул волокна. Карбонизация и графитизация пековых волокон производится аналогично ПАНволокнам. УВ имеют фибриллярное строение (рис. 24). Характерный элемент структуры — закрытые поры, которые могут занимать до 33% объема волокна. Поры имеют иглоподобную форму, ориентированы вдоль оси волокна, их средняя длина (2-3)·10-2 мкм, диаметр (1-2)·10~3 мкм. Увеличение числа пор снижает прочность волокна при растяжении. Рис. 24. Структура УВ: А — поверхностный слой; В — высокоориентированная зона; С — низкоориентированная зона; 1 — микрофибриллы; 2 — аморфный углерод УВ, применяемые для армирования КМ, делятся на высокомодульные (E=300-700 ГПа, В=2-2,5 ГПа) и высокопрочные (Е=200-250 ГПа, в=2,5-3,2 ГПа). УВ имеют исключительно высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600-2000°C в отсутствии кислорода механические показатели волокна не изменяются. УВ устойчивы к агрессивным химическим средам, однако окисляются при нагревании в присутствии кислорода. Их предельная температура эксплуатации в воздушной среде составляет 300-350°C. Нанесение на УВ SiC, BN позволяет устранить этот недостаток. УВ имеют прочность порядка 0,5-1 ГПа и модуль 200-700 ГПа, а подвергнутые ориентационной вытяжке — прочность 2,5-3,5 ГПа и модуль 200-450 ГПа. Благодаря низкой плотности (1,7-1,9 г/см³) по удельному значению механических свойств УВ превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. Удельная прочность УВ уступает удельной прочности стекловолокна и арамидных волокон. Борные волокна Композиты на основе борных волокон имеют высокие прочностные и усталостные характеристики, а также высокий модуль упругости. Традиционным методом получения волокон бора является его химическое осаждение при температуре 1400 К из смеси газов ВСl3+Н2 на вольфрамовую нить диаметром ~12 мкм. В результате осаждения образуется сердцевина из боридов вольфрама (WB, W2B5 ) диаметром 15-17 мкм, вокруг которой располагается слой поликристаллического бора. Для повышения жаростойкости борных волокон и защиты от воздействия некоторых металлических матриц волокна покрывают карбидом кремния осаждением из парогазовой фазы в среде аргона и водорода. Волокна бора, покрытые тонким слоем SiC, называются борсиком. Разрушение волокон бора и борcика происходит главным образом по дефектам на поверхности волокна. Поверхностное травление позволяет уменьшить дефектность волокна и увеличить его прочность. Борные волокна выпускаются промышленностью как в виде моноволокон на катушках, так и в виде полуфабрикатов, представляющих собой комплексные армирующие материалы: ленты полотняного переплетения шириной от 5 до 50 см. Средняя прочность волокон, полученных в оптимальных режимах, достигает 4 ГПа при длине 25 мм, модуль упругости в направлении оси — около 480 ГПа, а плотность зависит от подложки и диаметра волокна и находится обычно в пределах 2,3-2,6 г/см3. Волокна бора применяются в качестве армирующих наполнителей в полимерных и алюминиевых матрицах. Из-за высокой стоимости волокна его применение ограничено. Наиболее эффективно бороалюминиевый композит используется в конструкциях космических аппаратов. Волокна карбида кремния Волокна SiC, как правило, применяются в металлокомпозитах, предназначенных для эксплуатации при высоких температурах. Основные физико-механические свойства волокон SiC на вольфрамовой подложке: , г/см3 3,3 E, ГПа 400-500 G, ГПа 170 в,ГПа 2-4 , % 0,3-0,5 ТКЛР ·106, К-1 (300—600 К) 3,3 Более дешевые SiC-волокна на углеродной подложке имеют мелкозернистое строение (0,5-1,0 мкм), углеродный сердечник слабо связан со слоем SiC. Это обусловливает пониженные прочностные характеристики карбидокремниевых волокон на углеродной подложке, кроме того, они характеризуются повышенной чувствительностью к поверхностным дефектам. Металлические волокна Металлические волокна или проволоки являются наиболее экономичными и, в ряде случаев, весьма эффективными армирующими материалами. Для конструкционных композитов, эксплуатируемых при низких и умеренных температурах, используют стальные и бериллиевые проволочные волокна; для композитов, эксплуатируемых при умеренных и высоких температурах, — вольфрамовые и молибденовые. Проволочные волокна из сталей являются самыми доступными. Наиболее широко применяются для изготовления тонкой высокопрочной проволоки коррозионно-стойкие стали с метастабильным в условиях холодной деформации аустенитом. При этом происходит полное превращение аустенита в мартенсит, что обеспечивает значительное упрочнение (в сочетании с наклепом при деформировании). Кроме того, возможно дополнительное упрочнение в результате отпуска проволоки. Разупрочнение стальных проволок происходит после выдержек при температурах 650-670 К. Исключением является проволока из стали ВНС-9, сохраняющая свои прочностные характеристики до температур 750-780 К. Вольфрамовые волокна предназначены для композитов, эксплуатируемых при высоких температурах. Введение в вольфрам и сплавы на его основе тугоплавких дисперсных частиц (карбидных и др.) позволяет существенно повысить высокотемпературную прочность и предел ползучести вольфрамовых волокон. Для повышения длительной прочности при высоких температурах наносят распылением различные тонкие (4-12 мкм) барьерные покрытия, из которых наиболее эффективным является покрытие HfC , позволяющее избежать рекристаллизации вольфрамовых волокон при температуре 1400 К в течение 1000 ч. Молибденовые проволочные волокна несколько уступают вольфрамовым по прочностным, упругим характеристикам и по жаропрочности. Механические свойства некоторых металлических волокон Материал волокон , г/см3 d, мкм Е, ГПа в, ГПа Алюминий Бериллий Титан Кремний Сталь ВНС-9 Молибден + 5% V Вольфрам 130 100-300 250 50 70 310 120 72 200 334 410 2,7 1,85 4,5 2,5 7,8 19,3 0,29 1,1 0,55 1,0 3,5-3,8 1,8-2,0 3,3 ТКАНЫЕ АРМИРУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ Для получения слоистых композитов в качестве армирующих элементов используют ткани на основе высокопрочных волокон различной природы. Тканые материалы могут быть классифицированы по материаловедческому или конструктивному принципам. Армирующие ткани на основе стеклянных, органических и углеродных волокон имеют различное переплетение. Наиболее простая схема — полотняное переплетение, когда каждая нить основы и утка проходит поочередно сверху и снизу пересекающихся нитей. Широко распространенным является сатиновое переплетение, когда каждая нить проходит поочередно сверху, а затем снизу пересекающей ее нити. Возможны и другие типы переплетений, например трехмерные. КОРОТКОВОЛОКНИСТАЯ АРМАТУРА Измельченные минеральные волокна получают измельчением минеральной ваты. Волокна состоят (75%) из силикатов кальция и других легких металлов (25%), сульфата кальция в форме полугидрата, титанатов. Они представляют собой легкосыпучий порошок белого или сероватого цвета. Диаметр волокон 1-10 мкм при средней длине 275 мкм. Среднее отношение длин волокна к диаметру колеблется в пределах 40-60. Измельченные минеральные волокна используют как волокнистый наполнитель термопластов и реактопластов. Усы представляют собой нитевидные монокристаллы, выращенные в специальных условиях. Прочность усов обусловлена высоким совершенством и бездефектностью структуры кристаллов. Усы SiC имеют прочность более 30 ГПа и E более 690 ГПа. Прочность усов в 5-10 раз больше, чем у непрерывных стеклянных или борных волокон.
