Пространственное армирование

30.06.2015

Модули упругости и прочность при межслойном сдвиге, растяжении и сжатии в направлении, перпендикулярном плоскости укладки слоев композита, мало чувствительны к изменению расположения волокон в плоскости армирования. Существенное повышение этих характеристик композита достигается созданием поперечных связей между слоями, т. е. пространственным расположением волокон. При этом характеристики композитов в направлении укладки волокон пропорциональны количеству волокон в каждом направлении.
В зависимости от принципа образования пространственных связей материалы делятся на три группы (табл. 3.13). К первой относятся композиты на основе многослойных тканей, в которых пространственные связи образуются вследствие искривления нитей основы, связывающих отдельные слои или проходящих через всю толщину ткани. Ко второй группе относятся материалы, в которых пространственные связи армирующего наполнителя создаются за счет введения волокон третьего направления. Такие материалы образуются системой трех нитей в прямоугольной или цилиндрической системе координат. К третьей группе относятся композиты, в которых пространственные связи создаются за счет нитевидных кристаллов, выращенных или нанесенных на поверхности волокон, лент, тканей и внедрившихся между волокнами основного наполнителя.
Пространственное армирование

Для стекло-, органо- и карбоволокнитов (композитов на основе низкомодульных волокон) используют многослойные ткани. Свойства таких материалов определяются степенью искривленности нитей основы, как это видно из данных табл. 3.14, где приведены характеристики стеклотекстолитов из таких тканей.
Пространственное армирование

Для композитов на основе высокомодульных углеродных и борных волокон наиболее приемлема схема трехмерного армирования, при которой упрочняющие волокна сохраняют прямолинейность. В этом случае в разных направлениях возможна укладка различных волокон, благодаря чему образуется многокомпонентный материал. В табл. 3.15 приведены свойства такого материала, армированого в направлении х и у кварцевыми, а в направлении z — кремнеземными волокнами, и для сравнения — свойства материала, армированного только кремнеземными волокнами.
Пространственное армирование

При Изготовлении таких материалов встречаются определенные трудности в подборе связующего, которое должно быть низковязким и не должно содержать растворителя, так как для изготовления этих материалов используется только метод гидровакуумной или автоклавной пропитки.
Вискеризации, армирование дискретными волокнами полимерной матрицы, заполняющей межволоконное пространство в композитах с непрерывными волокнами, позволяют не только повысить прочностные и упругие характеристики композитов при сдвиге без ухудшения их свойств в направлении армирования, но и направленно изменить некоторые физические свойства композита. Введение в состав композита дискретных волокон с иными физическими свойствами, чем у основных (непрерывных) волокон, позволяет влиять на тепло- и электропроводность, диэлектрическую проницаемость и фактор диэлектрических потерь композитов.
Пространственное армирование

Введение дискретных волокон в матрицу способствует возрастанию ее упругих и прочностных показателей и термостойкости композита пропорционально количеству и механическим характеристикам дискретных волокон. Это в свою очередь благотворно сказывается на повышении сопротивления деформированию композитов при нагружении в направлении, отличном от направления ориентации непрерывных волокон. При увеличении степени наполнения полимерных матриц их прочностные и упругие свойства улучшаются (рис. 3.19). Особенно значительное повышение прочности и жесткости полимерных матриц достигается путем, их упрочнения нитевидными кристаллами. Введение нитевидных кристаллов в полимерную матрицу в количестве 11—13% (об.) приводит к резкому возрастанию показателей ее свойств (табл. 3.16). Так, модуль упругости при растяжении повышается в 5—7 раз, при сдвиге — в 5—6 раз, разрушающее напряжение при растяжении — в 3—4 раза. В то же время аналогичные характеристики для той же матрицы, упрочненной дискретными стеклянными волокнами, увеличиваются соответственно только в 3, 2,5 и 2 раза.
При содержании дискретных волокон до 15% упругие и прочностные свойства матриц можно определить с достаточной для практики точностью по зависимостям, а с точностью, достаточной для инженерных расчетов, — по уравнениям:
Пространственное армирование

При изготовлении композитов существует несколько способов введения дискретных волокон в матрицу, заполняющую пространство между непрерывными волокнами: чередование слоев армирующего наполнителя, состоящих из непрерывных волокон и дискретных волокон (маты, бумаги), введение дискретных волокон в связующее и вискеризация армирующего наполнителя.
Пространственное армирование

На равномерность распределения дискретных волокон в межволоконном пространстве композита и эффективность упрочнения влияют геометрические размеры дискретных волокон: их диаметр и длина должны быть соизмеримы с диаметром структурных элементов армирующего наполнителя композита (нитей, жгутов), составляющим для стекло-, карбо- и бороволокнитов от 10 до 200 мкм. Поскольку для эффективного упрочнения матрицы должно быть выдержано соотношение lа/dа≥100 и la≤200 мкм, диаметр дискретных волокон, используемых для упрочнения матрицы, заполняющей межволоконное пространство композитов, не должен превышать 2 мкм. Поэтому наиболее пригодны для этих целей тонкие фракции нитевидных кристаллов.
Первый способ прост в технологическом отношении и применяется при локальном упрощении композитов, например, в местах болтовых или заклепочных соединений. В табл. 3.17 приведены данные, позволяющие оценить эффективность этого способа при упрочнении карбоволокнитов.
Пространственное армирование

Второй способ сопряжен с рядом технологических трудностей, обусловленных сложностью равномерного диспергирования дискретных волокон в объеме связующего, поддержания заданной концентрации, а также достижения требуемой ориентации вследствие стремления дискретных волокон ориентироваться параллельно непрерывным волокнам при прохождении последних через вязкое связующее, содержащее дискретные волокна.
Существует три метода вискеризации — нанесение дискретных волокон или нитевидных кристаллов на армирующиё наполнители: выращивание нитевидных кристаллов на поверхности волокон из газовой фазы в процессе высокотемпературных реакций, осаждение дискретных волокон и нитевидных кристаллов на поверхность жгутов, нитей, лент, тканей, покрытых связующим, из аэрозоля, в том числе в электрическом поле, и осаждение из суспензий.
Пространственное армирование

Метод химической вискеризации получил распространение при выращивании на поверхности жгутов и лент из углеродных волокон нитевидных кристаллов карбида и нитрида кремния.
При химической вискеризации изменяется природа и увеличивается удельная поверхность волокна, что положительно сказывается на прочности сцепления его со связующим. Однако следует иметь в виду, что в отдельных случаях прочность карбоволокон снижается из-за протекания окислительных процессов и изменения структуры волокна при высокотемпературном нагреве (табл. 3.18). Вследствие необходимости высокой температуры процесса и избирательности роста нитевидных кристаллов на различных волокнах метод химической вискеризации имеет ограничения. На рис. 3.20 приведена зависимость свойств карбоволокнитов от степени вискеризации углеродной ленты при выращивании на ней нитевидных кристаллов Si3N4 из газовой фазы, а в табл. 3.19 — механические характеристики вискеризованных карбоволокнитов при оптимальной степени вискеризации.
Пространственное армирование
Пространственное армирование

Вискеризация из аэрозоля осуществляется при прохождений жгутов, лент или нитей, покрытых связующим, через камеру, содержащую взвесь дискретных волокон или нитевидных кристаллов в воздухе. Электризуясь при трении в псевдокипящем слое, волокна и нитевидные кристаллы в процессе налипания на поверхность армирующего наполнителя хаотически распределяются на ней.
На рис. 3.21 приведена зависимость основных свойств карбоволокнита от степени вискеризации при осаждении нитевидных кристаллов β-рутила из аэрозоля (по геометрическим размерам и свойствам нитевидные кристаллы диоксида титана наиболее подходят для этой цели).
Качество ориентации может быть улучшено при нанесении кристаллов и дискретных волокон в электрическом поле. В этом случае вискеризации могут подвергаться практически все виды армирующих наполнителей независимо от природы волокна.
Пространственное армирование

При вискеризации тканей используется метод осаждения из суспензии, содержащей взвесь нитевидных кристаллов в слабоконцентрированном растворе связующего; необходимая степень вискеризации достигается изменением концентрации кристаллов в пульпе или регулированием ее количества при фильтрации через армирующий наполнитель. На рис. 3.22 приведена зависимость сдвиговых характеристик стеклотекстолита от степени вискеризации нитевидными кристаллами нитрида алюминия, нанесенными на стеклоткань осаждением из суспензии.
Пространственное армирование

Способ введения нитевидных кристаллов в состав композита определяет структуру получаемого материала. В одном случае кристаллы равномерно и хаотично распределены по объему матрицы в пространстве между элементарными волокнами, в другом — между пучками волокон, в которых межволоконное пространство заполнено обычным связующим. При выращивании из газовой фазы нитевидные кристаллы жестко связаны с волокном, при этом увеличивается прочность сцепления нa границе раздела. В остальных случаях между нитевидными кристаллами и волокном имеется прослойка связующего.
Если нитевидные кристаллы равномерно распределены в пространстве между элементарными волокнами, их свойства могут быть рассчитаны по приведенным ранее уравнениям при замене показателей упругих и прочностных свойств связующего характеристиками упрочненной матрицы.
Когда нитевидные кристаллы не распределены равномерно по объему связующего, а сосредоточены в пространстве между пучками волокон, с учетом разницы в жесткости упрочненной и неупрочненной матриц по аналогии с уравнениями (2.50) и (2.51) прочность композитов при межслойном сдвиге и поперечном отрыве находят из выражений:
Пространственное армирование

Модуль сдвига, исходя из свойств упрочненной матрицы и ее объемной доли в композите, определяют по уравнению:
Пространственное армирование

Расчет упругих постоянных с учетом разориентации и перекрестной укладки слоев вискеризованных волокон в композитах можно производить по известным зависимостям. Для этого достаточно определить упругие свойства в главных направлениях ортотропии с использованием приведенных характеристик ужесточенной матрицы, что подтверждается хорошим совпадением экспериментальных и расчетных значений определяемых величин, например в случае противофазной разориентации волокон.
Повышение модуля сдвига матрицы приводит к уменьшению чувствительности композита к искривлениям и разориентации волокон.
С увеличением степени вискеризации до некоторого оптимального значения возрастают прочность и модуль упругости при сдвиге, прочность при растяжении и изгибе в трансверсальном направлении и прочность при сжатии; прочностные и упругие свойства в направлении армирования при этом не изменяются. Если степень вискеризации превышает оптимальную, показатели прочностных свойств композитов с волокнами, вискеризованными выращиванием нитевидных кристаллов из тазовой фазы и осаждением из аэрозоля, монотонно снижаются, что обусловлено повышением пористости композиций и уменьшением содержания в них основного армирующего наполнителя. Более интенсивное снижение прочности при изгибе и растяжении композитов на основе углеродных волокон, вискеризованных выращиванием нитевидных кристаллов из газовой фазы, вызвано понижением их прочности по мере увеличения продолжительности вискеризации.
Пространственное армирование

Прочность при сдвиге композитов на основе волокон, вискеризованных осаждением нитевидных кристаллов из суспензии, проходит через максимум, который сдвигается в сторону большего содержания нитевидных кристаллов с уменьшением их размеров. Это объясняется особенностями метода вискеризации: с увеличением количества и толщины слоя осажденных нитевидных кристаллов затрудняется их внедрение в пространство между волокнами, и они начинают располагаться в плоскости ткани. Сдвиговая прочность в этом случае также зависит от диаметра нитевидных кристаллов, она возрастает с уменьшением их толщины, поскольку это облегчает их внедрение в структуру ткани. Различная ориентация нитевидных кристаллов при вискеризации сказывается на изменении модулей сдвига Gxz и Gxy.
Высокая сдвиговая жесткость композитов на основе волокон, вискеризованных из аэрозоля, объясняется тем, что оптимальное содержание в них кристаллов несколько выше из-за отсутствия непосредственного контакта твердых кристаллов со сравнительно мягкими углеродными или органическими волокнами. Это позволяет увеличить давление формования в процессе изготовления композитов без повреждения волокон. При вискеризации из аэрозоля композиты характеризуются одинаковыми значениями модулей сдвига Gxz и Gxy в связи с хаотическим расположением кристаллов на волокне и отсутствием их преимущественной ориентации.
При оптимальном содержании нитевидных кристаллов в композитах разрушающее напряжение при сдвиге удается повысить в 2—3 раза, модуль упругости при сдвиге — в 1,3—1,6 раза, разрушающее напряжение при сжатии — в 1,5—2 раза и при трансверсальном растяжении — в 1,5—3 раза. Наряду с этим уменьшается деформация материалов при нагружении в условиях повышенных температур. Как видно из рис. 3.23, с повышением температуры эффективность вискеризации возрастает в 1,5—3 раза и проходит через, максимум при температуре, несколько большей, чем температура стеклования матрицы.
Вискеризованные композиты характеризуются значительно более высокими длительной статической прочностью при повышенной температуре и ударной вязкостью по сравнению с обычными материалами. Композиты на основе волокон, вискеризованных выращиванием нитевидных кристаллов из газовой фазы, благодаря прочной связи кристаллов с поверхностью армирующих волокон имеют большую прочность при сдвиге и трансверсальном отрыве и отличаются меньшей чувствительностью этих показателей к воздействию температуры.