Структура и свойства полимерных волокнистых композитов
..pdfДеление физико-механических й технологических харак теристик монослоя композита; уточнение метода изго товления заданной конструкции и определение режимов формования. На этдм этапе производится уточнение требований к материалу монослоя композита, исходя из технических требований, предъявляемых к материалу конструкции, и выбранной схемы армирования. При этом учитывается изменение свойств монослоя за время, рав ное ресурсу эксплуатации, под влиянием таких фак торов, как температура, климатические воздействия, радиация и т. п. С учетом характера нагружения и вида напряженного состояния монослоя в конструкции, ис пользуя уравнения микромеханики композитов, зада ют такие параметры, как степень армирования, пори стость, прочность сцепления волокна со смолой, упруго прочностные характеристики волокон и матрицы.
По получении требуемых параметров приступают к выбору компонентов монослоя. Определяют вид арми рующих волокон, их текстильную форму, вид поверхно стной обработки и характеристики поверхности. При этом устанавливают некоторые параметры технологи ческого процесса формования, такие, как шаг и натя жение при намотке и выкладке, допуск на разориентацию и т. п. Выбор полимерного связующего и опреде ление его технологических, характеристик (вязкость, те кучесть, скорость отверждения, жизнеспособность) поз воляют уточнить метод изготовления детали и назна чить технологические режимы формования: давление, температуру, время термообработки, обеспечивающие получение материала с необходимым соотношением компонентов и термостабильностью. На этом же этапе определяют упруго-прочностные характеристики моно слоя в композите путем расчета или испытания одно направленного материала. Для получений более досто верных данных о характеристиках монослоя, опреде ляемых расчетными методами, следует учитывать такие факторы, как величина эффективной длины волокна в композите, искривления, крутка и разориентация воло кон, дисперсия ^значений их прочности, модули упруго сти и удлинения.
Третий этап проектирования предусматривает уточ нение схемы армирования с учётом реальной толщины монослоя: ориентации и количества монослоев, их рас
211
положения по толщине материала. Учитывается требо вание симметричной ориентации слоев относительно средней плоскости во избежание коробления вследствие термических напряжений, а также максимального уда ления от средней плоскости 'разориентированных слоев для придания конструкции большей жесткости на кру чение. После уточнения схемы армирования и геометри ческих размеров сечения производится расчет напряже ний, действующих в материале конструкции и моносло ях, с учетом начальных напряжений, вызванных усадкой при отверждении и разностью коэффициентов термиче ского расширения компонентов и слоев композита. При этом определяются для монослоя действующие напря жения4 сдвига (межслойного и в плоскости армирова ния), растяжения, сжатия в осевом и трансверсальном направлениях и коэффициенты запаса прочности.
Если коэффициенты запаса прочности по некоторым свойствам, избыточны (недостаточны) или ставится за дача снизить массу конструкций и изменить частотные характеристики, прибегают к оптимизации схемы арми рования, при которой либо изменяют количество моно слоев или их взаимную ориентацию, либо заменяют ма териал отдельных монослоев композита на другой, с бо лее подходящими характеристиками. В последнем слу чае осуществляется переход к гетероволокнистому ком позиту. Так, в целях повышения ударной вязкости ма териала часть углеродных и борных волокон можно заменить на органические и стеклянные; для повышения модуля упругости и предела выносливости материала, наоборот, часть органических или стеклянных волокон заменяют высокомодульными волокнами; так же по ступают при необходимости повысить жесткость кон струкции на кручение (заменяют волокна в перекрест но-армированных слоях на более высокомодульные). После оптимизации схемы армирования повторно про водят расчет напряжений, действующих в материале конструкции и в монослое,щосле чего, как и в предыду щем случае, определяют коэффициенты запаса прочно сти и жесткости в материалах монослоев.
Третий этап проектирования требует трудоемких расчетов, особенно на стадии оптимизации схемы ар мирования, поэтому для этих целей целесообразно ис пользовать ЭВМ. Поэтапное рассмотрение процесса
212
проектирования композита показывает, что материал и конструкция создаются одновременно, поэтому для ус-_ пешного проектирования необходимо на всех этапах содружество расчетчиков-прочнистов, конструкторов, технологов^ материаловедов.
5.3. Рациональные направления и эффективность применения композитов- в технике
Местное упрочнение металлических конструкций — один из рациональных путей применения полимерных композитов. В таких комбинированных конструкциях уменьшается сечение деталей при замене металла на композиционный материал, в. большинстве случаев од нонаправленный, ориентированный по оси действия мак симальных напряжений. Это обеспечивает снижение массы конструкций до 50% по сравнению с массой ме таллического аналога равной прочности, повышение их жесткости, демпфирующей способности и ресурса экс плуатации.
Композиты применяют в комбинированных конст рукциях цилиндрических обечаек, емкостей, работаю щих под внутренним давлением, дисков роторов и дру гих деталей, находящихся в поле действия центробеж ных сил или подвергающихся вибрациям; сжатых и растянутых панелей, балок и профилей, работающих на изгиб. В подобных конструкциях удается достаточно полно реализовать высокие механические характеристи ки композитов с однонаправленной структурой без су щественного изменения метода проектирования и тех нологии изготовления [158].
Для усиления различных деталей можно использо вать два метода: внешнее армирование — усиление кон струкций накладками из композитов и внутреннее ар мирование — усиление внутренних полостей конструк ций заполнением их композитами Г159].
При нагружении панелей продольно действующей силой возникающие в матрицах напряжения пропорцио нальны И Х модулям упругости. Если £ к . м / £ м е т > О к .м / О м е т , то при растяжении разрушение детали происходит по композиту, а металл оказывается несколько недогру женным. Следовательно, снижение массы растянутой
2 1 3
Рис. 5.10. Кривые усталостной прочности панелей — металлической
(/)и комбинированной, подкрепленной 55% карбоволокнита ( 2) .
Рис. 5.11. Уменьшение массы сжатых комбинированных панелей по сравнению с цельнометаллическими в зависимости от их длины при прочности композита на сжатие^ равной:
1 — 600 М П а; 2 — 500; 3 — 350 М П а.
панели возрастает с увеличением относительной пло щади композиционного материала FK. м в сечении пане ли. При / ' ’к . м=50% уменьшение массы равнопрочной комбинированной панели составляет около 20% •
Усталостное разрушение комбинированной панели обычно начинается с металлической части. Снижение уровня напряженности металла при эксплуатационных нагрузках способствует значительному повышению сро ка службы комбинированных панелей. Например, дли тельность эксплуатации панели из алюминиевого спла ва и карбоволокнита возрастает в 3,5 раза по сравне нию с металлической (рис. 5.10). При этом сохраня ется уровень статической прочности материала и мас са панели снижается на 20%.
Существенная экономия массы достигается при ис пользовании композитов для подкрепления металличе ских панелей, работающих на сжатие и сдвиг. Крити ческие напряжения общей потери устойчивости таких панелей значительно повышаются благодаря увеличе нию их жесткости. Снижение напряженности металли ческой части панели предотвращает местную потерю устойчивости ее отдельных элементов. Сравнение крити ческих напряжений потери устойчивости цельнометал лической панели и эквивалентной ей по м'ассе комби нированной панели, состоящей из алюминиевого спла
214
ва и эпоксикарбоволокнита, показывает, что эффектив ность подкрепления возрастает с увеличением прочно сти при сжатии композита (рис. 5.11).
Применение накладок из карбо- и бороволокнитов для усиления элементов, работающих на изгиб (бал ки, лонжероны, шпангоуты и др.), позволяет сущест венно снизить их массу при значительном увеличении жесткости [159]. Эффективность подкрепления возра стает с увеличением относительной площади композита в сечении конструкции (рис. 5.12).
. Усиление металлических деталей, подверженных виб рациям, композиционных материалов, демпфирующая способность и модуль упругости которых регулируются в широких пределах, является эффективным средством отстройки деталей от резонансных режимов и снижения уровня возникающих в них вибронапряжений. Значи тельный эффект достигается также в случае покрытия карбо-, стеклоили органоволокнитом деталей корпуса компрессора, патрубков и трубопроводов.
При использовании упрочняющих колец из бороволокнита для бандажирования высокоскоростного рото ра уменьшаются масса конструкции и напряженность диска ротора, что позволяет увеличить скорость его вра щения на 20—30%. В случае упрочнения цилиндриче ской обечайки емкостей высокого давления из стали или титана намоткой стекло- и органоволокнитов в танген циальном направлении с учетом полной реализации их прочности обеспечивается снижение массы изделий до
удельной |
прочности. В |
|
|
||||
результате обмотки боро- |
|
- |
|||||
волокнитом |
гидравличе 80 |
||||||
|
|||||||
ских |
цилиндов, |
например |
|
|
|||
стоек |
шасси, |
увеличива 60 |
|
||||
ется |
жесткость |
стенок1* 40 |
1 |
||||
|
|
|
|
|
|
||
Рис. 5.12. Уменьшение массы |
го |
- |
|||||
комбинированных |
конструкций |
||||||
в зависимости |
от |
|
относитель |
|
, бгм +/FM |
||
ной площади |
рабочего течения |
п |
|||||
' 0,2 0,3 0,4 0,5 |
|||||||
|
композита: |
и |
|||||
1 — алюминиевый |
сплав+карбово- |
|
|
||||
локнит; |
2 —титановый |
сплав+боро-_ ол |
|
^OJIQKHUT. |
” - |
гидроцилиндров, что приводит к стабилизации зазора между поршнем и стенками цилиндра. Экономия массы при этом составляет 20—30% [159].
Конструктивное' решение, при котором композиты вводят во внутреннюю полость изделия, является наибо лее перспективным, так как имеет ряд преимуществ перед другими вариантами их применения: 1) доста точно полная реализация высоких показателей механи ческих свойств, характерных для однонаправленных
композитов, |
без существенного |
изменения |
методов про |
ектирования |
и технологии изготовления |
конструкций; |
|
2) большая |
площадь контакта |
на границе композит — |
металл, благодаря чему снижается напряженность кле евого соединения;. 3) надежная защита полимерного композита от воздействия окружающей среды и от ме ханических повреждений; 4) использование в некоторых случаях для формования подкрепляющего1элемента из композиционного материала заполняемой полости под крепляемого элемента.
Чтобы создать условия для совместной работы раз номодульных материалов, при проектировании комби нированных конструкций работающие пары подбирают в соответствии^ их деформативными характеристиками.
Наибольший эффект достигается при сочетании ма териалов с близкими значениями допустимых деформа ций. Если деформация металла существенно выше, чем композита, то прочность металла используется не пол ностью, так как разрушение конструкции происходит по достижении предельной деформации композита. Для создания комбинированной конструкции, равнопрочной с металлической, можно использовать менее прочные металлические сплавы.
При нагружении 'композита в замкнутом объеме до стигается более высокая прочность при сжатии. Так, у бороволокнита она возрастает с 1200 до 1800 МПа бла годаря тому, что металлическая оболочка предохраняет наружные слои борных волокон от преждевременной потери устойчивости.
Упрочнение алюминиевых профилей эпоксибороволокнитом, взятым в количестве 50%, обеспечивает по вышение упруго-прочностных характеристик конструк ций в 2 раза (разрушающего напряжения при растяже нии до 800 МПа, при сжатии — до 1200 МПа, модуля
216
упругости — до 140 ГПа) при одновременном снижении плотности до 2200 кг/м3.
Критический напряжения общей потери устойчивости панелей, подкрепленных стрингерами, армированными эпоксидными боро- и карбоволокнитами, значительно возрастают в результате увеличения жесткости их при изгибе. Благодаря снижению напряженности в обшив ке предотвращается местная потеря устойчивости. Уменьшение массы конструкции составляет при этом 40% [160].
Трехслойные панели и оболочки из полимерных во локнистых композитов нашли широкое применение в различных конструкциях: панели интерьера и полов самолетов и судов, зданий и сооружений, панели шумоглушения газотурбинных двигателей, лрпасти верто летов, поверхности управления самолетом (рули, за крылки, тормозные щитки, створки люков и т. п.).
Выполненные' в варианте трехслойных конструкций с сотовыми, пенопластовыми гофрированными или трубчатыми заполнителями и обшивками'из различных полимерных композитов, они обеспечивают снижение массы конструкции на 12—40%. Для подкрепления об шивок о.бычно используют различные сотовые заполни тели: алюминиевые, стеклопластиковые, полимерные, отличающиеся размером ячейки и толщиной стенки, а следовательно, и плотностью.
Важнейшими характеристиками заполнителей трех слойных конструкций являются модуль сдвига и разру шающее напряжение при сжатии, возрастающие с уве личением плотности заполнителя. Это позволяет в про цессе проектирования конструкций подбирать материа лы с требуемыми свойствами. Так, при увеличении ка жущейся плотности полимерного сотового заполнителя высотой 8 мм с 50 до 60 кг/м3 прочность панелей пола с обшивками из карбоволокнита и сопротивление их действию сосредоточенных нагрузок повышаются на 20%. Для соединения обшивок из композиционных ма териалов с заполнителями используют пленочные клеи, обеспечивающие прочность клеевых швов при равно мерном отрыве более 200 МПа [159].
В трехслойных конструкциях, работающих на сжа тие, удается наиболее полно реализовать прочность вы сокомодульных композитов, что обеспечивает высокую
15-1 915 |
217 |
so
2 5
Рис. 5.13. Зависимость удельной прочности при сжатии от параметра напряженности в трехслойных панелях с заполнителем из алюминие вых сот и обшивками из алюминиевых сплавов (/) или карбоволокнитов \2— 5) с ориентацией слоев:
2 — 0; 3 — 0/90® ( 3 : 1 ) ; 4 — 0/20®; 5 — 0/90® (1 : 1); 6 — 0 /± 45/90®.
В скобках указано соотношение слоев в материале.
Рис. 5.14. Зависимость массы баллона на рабочее давление 21 МПа от его объема; материал баллона:
1 — алюминиевый сплав; 2 — сталь; 3 — стекловолокннт.
удельную прочность изделий. На рис. 5.13 приведены зависимости удельной прочности при сжатии трехслойкых сотовых панелей с обшивками из алюминиевого сплава и карбоволокнитов разной структуры армирова ния. Из рисунка видно, что несущая способность пане лей с обшивками из композита по сравнению с метал лическими панелями увеличивается при однонаправлен ной укладке волокон в обшивках на 210%, при укладке 0/л;/2 (1 1)—на 80%, при укладке 0/л/4/я/2— на 40%. В случае замены алюминиевых обшивок на обшивки из карбоволокнита при одинаковой несущей способности панели ече масса снижается на 10—65% в зависимости от схемы укладки волокон в обшивках.
Трехслойные конструкции с обшивками из стеклдтекстолитов широко применяются для изготовления па нелей, перегородок самолетов, судов и других транс портных средств, антенных обтекателей и радиопрозрачных экранов, для защиты радиотехнической аппа ратуры.
Трубы, стержни, профили и другие изделия, выпол ненные из боро- и карбоволокнитов, хорошо работаю-
Щ
1цйе йа сжатие й устойчивость, находят применение Нрй создании конструкций ферм, тяг управления, различ ного рода подкосов. Сравнение эффективности подко сов, выполненных из алюминиевого сплава и эпоксибороволокнитов, приведено ниже [160]:
|
Масса подкосов, кг |
|
|
Нагрузка |
из алюминиевого |
из эпокснборо- |
Снижение |
массы, % |
|||
|
сплава |
волокита |
|
2 2 ,4 |
1,35 |
1,08 |
33 |
3 1 ,4 |
2 ,2 2 |
1,22 |
45 |
Емкости высокого давленияксферической и цилинд рической формы изготавливают методом намотки из эпоксидных стекло- и органоволокцитов [161]. Баллоны для хранения сжатых газов могут работать под давле нием > 7 0 МПа. Баллоны из стекло- и органоволокнитов при одном и том же объеме имеют меньшую мас су, чем металлические сварные баллоны (рис. 5.14). Сравнение емкостей высокого давления из различных
материалов при помощи критерия K=pV/Q |
(р — рабо |
чее давление, V — объем сосуда, Q — масса) |
выявляет |
преимущества баллонов, изготовленных из высокопроч ных органоволокнитов (например, композитов, армиро ванных арамидным волокном t).
Одним из наиболее сложных вопросов является со единение деталей из композитов между собой и с ме таллическими деталями, обеспечение их совместной ра боты в условиях эксплуатации. На практике широкое распространение получили клеевые соединения, обеспечивакЛцие сдвиговую прочность до 25 МПа при склеи вании эпоксидных стекло-, карбо- и бороволокнитов между собой и с алюминиевыми и титановыми сплава ми. Различие в коэффициентах линейного термического расширения соединяемых материалов при усилении ме таллов композитом приводит к появлению в них началь ных касательных напряжений, которые, суммируясь с эксплуатационными напряжениями, могут вызвать от слоение композита вследствие возникновения пика каса тельных напряжений. Эффективность клеевого соедине ния может быть повышена путем снижения касательных
15* |
219 |
Напряжений у кондов детали Из композита утолщением клеевого слоя, применением эластичного клеевого со единения, плавным уменьшением толщины накладки, увеличением поверхности склеивания за счет расшире ния поверхности накладки и использованием прослойки из материала с меньшим, чем у накладки, модулем упругости.
В комбинированных элементах конструкций более полная реализация прочностных и упругих свойств ком позитов обеспечивается при использовании клеемехани ческих соединений.
Для увеличения прочности композитов в местах при ложения сосредоточенных нагрузок производится их усиление перекрестным армированием или введением между слоями различных материалов, таких, как сталь ная или титановая фольга, стеклоткань, бумага из ни тевидных кристаллов или ортогонально уложенных сло ев того же композита. На рис. 5.15 приведены диаграм мы деформирования карбоволокнита при смятии бол том с усилением отверстия различными методами, а. в табл. 5.3 — данные, позволяющие оценить эффектив ность различных способов усиления [162].
С увеличением коэффициента армирования, пред ставляющего собой отношение объемного содержания усиливающего и основного материалов, наблюдается не только повышение прочности при смятии (рис. 5.16), но и локальное увеличение других показателей.
Отличные конструкционные свойства в сочетании со специальными обусловили эффективное использование полимерных волокнистых композитов в различных, от раслях промышленности. Их применяют при изготов лении изделий, масса которых должна быть минималь ной: самолетов и вертолетов, судбв с динамическими принципами поддержания, поездов на. воздушной и маг нитной подушке, искусственных спутников Земли,-меж планетных станций и ракетной техники.
Применение полимерных композитов открывает ши рокие возможности для улучшения массовых характе ристик изделия (снижения массы конструкций на 10— 70% ). В настоящее время полимерные композиты наи более широко используются в авиакосмической техни ке {163, 164]. Стекло-, карбо- и органоволокниты нахо-
.дят применение в конструкции несущих- и рулевых ло-
2 2 0