книги / Структура и свойства полимерных волокнистых композитов
..pdfГ М. ГУНЯЕВ
СТРУКТУРА
И СВОЙСТВА
ПОЛИМЕРНЫХ
ВОЛОКНИСТЫХ
КОМПОЗИТОВ
МОСКВА «ХИМИЯ», 1981
УдК 678.6/.7:678.029.5:678.6l
Гуняев Г. М.
Структура и свойства полимерных волокнистых композитов. — М.: Химия, 1981. — 232 с., ил.
В книге приводятся сведения о свойствах армирующих во локон (углеродных, борных, органических, керамических и стеклянных), полимерных матриц (эпоксидных, имидных и дру гих смол) и композитов на их основе. Рассмотрены способы повышения сопротивления растяжению, межслойному сдвигу и сжатию, а также возможность регулирования сопротивления статической и динамической усталости и ударной вязкости пу тем изменения1состава композитов и ориентации армирующих волокон.
Книга предназначена для материаловедов, технологов и конструкторов, занимающихся разработкой и применением по лимерных композитов в различных областях науки и техники.
232 с. 67 табл., М9 рис., список литературы 171 ссылок.
Ре ц е н з е н т : доктор техн. наук профессор
Ю.М. ТАРНОПОЛЬСКИЙ
31410-096 |
95.81.2803090000 |
|
Г 060(01)-81 |
||
|
© Издательство «Химия», 1981 г.
Содержание
Основные условные обозначения |
5 |
Введение |
7 |
Глава 1. КОМПОНЕНТЫ ПОЛИМЕРНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ |
|
|
КОМПОЗИТОВ. ПОВЕРХНОСТЬ РАЗДЕЛА |
13 |
|
1.1. Полимерные |
матрицы (связующие) |
13 |
1.2. Волокнистые |
армирующие наполнители |
23 |
1.3. Межфазная |
граница раздела |
48 |
Глава 2. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ |
ПРОЧНОСТЬ |
И |
||
ДЕФОРМАТИВНОСТЬ |
ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ |
|||
КОМПОЗИТОВ |
|
|
61 |
|
2.1. Растяжение и сжатие вдоль волокон |
62 |
|||
2.2. Межслойный сдвиг, растяжение и сжатие под углом |
||||
к направлению армирования |
. |
99 |
||
2.3. Ударное нагружение и вязкость разрушения |
108 |
|||
Глава 3. РЕГУЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ КОМПОЗИТОВ ИЗ |
||||
МЕНЕНИЕМ ИХ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ |
116 |
|||
3.1. Совмещение |
различных |
волокон |
|
118 |
3.2. Перекрестная |
укладка |
слоев |
|
130 |
3.3. Пространственное армирование |
|
143 |
||
Глава 4. УСТАЛОСТЬ И РЕСУРС РАБОТЫ ПОЛИМЕРНЫХ |
||||
КОМПОЗИТОВ |
|
|
156 |
|
4.1. Динамическая усталость и демпфирование |
156 |
|||
4.2. Статическая усталость и ползучесть |
|
175 |
||
4.3. Календарный срок и ресурс эксплуатации |
185 |
|||
|
|
|
|
3 |
Глава 5. ПОЛИМЕРНЫЕ ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИТЫ В |
|
|
СОВРЕМЕННОЙ |
ТЕХНИКЕ |
194 |
5.1. Конструкционные |
и специальныесвойства , |
194 |
5.2. Методы изготовления и проектированиядеталей , , |
202 |
|
5.3. Рациональные направления и эффективность приме |
|
|
нения композитов |
в технике |
213 |
Литература |
|
223 |
Основные условные обозначения
П о к а з а т е л и
а— ударная вязкость
с— удельная теплоемкость
В— диэлектрическая проницаемость
d— диаметр
Е— модуль Юнга
F — площадь сечения
f — частота колебаний
G — модуль сдвига / — длина
Q— масса
S — площадь поверхности
Т — температура t— время
tg б — фактор диэлектрических потерь
V — содержание компонента v— коэффициент вариации
а— коэффициент линейного термического расширения
у— плотность
е— относительная деформация при растяжении, сжатии р,— коэффициент трения
v— коэффициент Пуассона
.ру — удельное объемное электрическое сопротивление
а — нормальное напряжение
т— сдвиговое напряжение
ср— угол
В — логарифмический декремент затухания
И н д е к с ы
а— арматура (волокно)
д— деструкция
и — изгиб кр — критическое
км — композиционный материал •м — матрица (связующее)
п— поры пц— пропорциональность
п — расчетное сц— сцепление уд — удельное
э — экспериментальное эф— эффективное
g — стеклование
N — число циклов
г— радиальное
i— длительное
х, у, z — главные оси упругой симметрии Н-----растяжение
-------сжатие ' (штрих) — реализуемое значение
Введение
Развитие и совершенствование техники неразрывно связано с прогрессом в области материаловедения. Бла годаря успехам этой науки достигнуты более высокие показатели прочности, жаропрочности и других свойств современных конструкционных материалов.
За последние 20 лет прочность основных конструк ционных сплавов, широко применяемых в машинострое нии, повышалась незначительно, в среднем на 15 МПа в год. Для работы в современных конструкциях мате риал должен обладать не только высокой прочностью, но и жесткостью. Если за истекшие 20—25, лет удалось достигнуть повышения удельной прочности металличе ских материалов, то удельный модуль упругости сплавов на основе алюминия, титана, железа, молибдена, магния и других металлов остался неизменным (27— 29 МПа*м3/кг) [1]. Увеличение этого показателя — необ ходимое условие повышения несущей способности кон струкций, так как использование традиционных материа лов с более высокой прочностью и неизменным модулем упругости сопровождается ростом упругих деформаций, что бывает неприемлемо по конструктивным соображе ниям.
Повышению .тактико-технических параметров изделий, увеличению их надежности, срока службы, сниже нию веса и материалоемкости в значительной мере спо собствовало создание композиционных материалов (ком позитов), обладающих свойствами, практическй недо стижимыми в традиционных конструкционных материа л а х — алюминиевых и титановых сплавах и сталях {1 ].
Композиционные материалы состоят из связующего, обеспечивающего монолитность материала, и упрочняю щего наполнителя [2].
7
Композиционные материалы делятся на волокни стые (упроченные непрерывными или дискретными во локнами) и дисперсноупрочненные (наполненные дис персными порошкообразными частицами).
При создании волокнистых композитов используют стеклянные, керамические, углеродные и органические волокна, металлические проволоки аморфной или поликристаллической структуры, а также нитевидные моно кристаллы различных соединений. Армирующие напол нители применяются в форме моноволокон, проволоки, нитей, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов, бумаг и т. д. Наибольший удельный модуль упругости— 120— 335 МПа-м3/к г — имеют углерод, бор, бериллий, карбид и нитрид кремния. Получение веществ и соединений в форме непрерывных волокон или дискретных монокри сталлов, обладающих высокой прочностью — 2,1—32ГПа, позволило использовать их в качестве эффективных упрочнителей композиционных материалов [3, 4]. Ниже при ведены основные свойства материалов, применяемых в
качестве‘заполнителей в |
композиционных |
материалах: |
||||||
|
|
|
|
|
т . |
<г, |
МПа |
|
Материал |
V. „ |
Е, |
Е/у |
|
моно |
|
||
КГ/мЗ |
ГПа |
МПа*мЗ/кг |
5? |
волок |
||||
|
крис |
|||||||
|
|
|
|
|
|
таллы |
но |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Углерод |
2300 |
770 |
335 |
|
3773 |
26000 |
5200 |
|
Бор |
2300 |
420 |
180 |
|
2573 |
— |
4500 |
|
Бериллий |
1800 |
310 |
172 |
|
1823 |
— |
1800 |
|
Карбид кремния |
3200 |
560 |
175 |
|
2873 |
21000 |
3600 |
|
Нитрид кремния |
3200 |
390 |
122 |
- |
2173 |
14000 |
— |
|
Нитрид алюминия |
3300 |
350 |
106 |
|
2723 |
16 000 |
— |
|
Окись алюминия |
4000 |
380 |
98 |
|
2293 |
32 000 |
2100 |
В качестве матриц используют металлы и сплавы, органические и неорганические полимеры, силикатные стекла, кислородные и бескислородные тугоплавкие со единения, кокс и пироуглерод.
Классификация полимерных композитов производится в зависимости от химической природы связующего и наполнителя, а также структуры материала (размеров, формы и ориентации армирующего наполнителя) |[5]. По химической природе связующего полимерные компо
8
зиты делятся на органические (эпоксидные, имидные, фенолоформальдегидные, изоцианатные и т. п.), элемен тоорганические (кремнийорганические, карборановые и т. п.), неорганические (алюмофосфатные и др.) и угле родные. По форме армирующего наполнителя различают пленочные и волокнистые композиты, непрерывно и дис кретно армированные. В зависимости от химического со става волокон композиты делят на карбоволокниты, бороволокниты, стекловолокниты и т. д.
Вид армирующего наполнителя определяет макро структуру композитов, что позволяет разделить их на текстолиты, бумалиты и ориентированные композиты. Среди последних различают однонаправленные и пере крестно армированные композиты. Последние могут быть двумерно- и пространственно-армированными.
Жесткие армирующие волокна воспринимают основ ную часть напряжений, возникающих в композите при нагружении, обеспечивая его прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. Уровень прочностных и деформативных характеристик композиционных мате риалов при условии совместимости волокон с матрицей определяется в основном свойствами волокон, их разме рами, ориентаций и содержанием в композиции. Подат ливая матрица, заполняющая межволоконное простран ство, осуществляет пер.едачу напряжений отдельным во локнам за счет касательных напряжений, действующих вдоль границы раздела волокно — матрица, и восприни мает напряжения, действующие в направлении, отлич ном от ориентации волокон.
В настоящее время в мировой практике для получе ния полимерных композитов применяют стеклянные, ас бестовые, углеродные, борные, органические, керамиче ские волокна и нитевидные кристаллы окислов, карби дов, и нитридов металлов [6] в сочетании с матрицами на основе модифицированных термореактивных смол — эпоксидных, фенолоформальдегидных, полиэфирных и полиимидных, а также некоторых термопластов — полисульфонов, полиамидов и др. [7].
Свойства матрицы определяют механические свойства композитов при сдвиге и нагружении их нормальными напряжениями в направлениях, отличных от ориента ции волокон, термоустойчивость, химическую стойкость и технологические режимы получения изделий.
9
Соотношение между компонентами в композитах ме няется в зависимости от природы и текстуры наполните ля, смачивающей способности и монолитности матрицы, а также от назначения материала.
Состояния границы раздела волокно — матрица и прочность сцепления между ними является функцией межфазного взаимодействия, которое в композитах обус ловливается химическими реакциями между функцио нальными группами, расположенными на поверхности волокон и связующего, а также физическим взаимодей ствием этих групп в процессе сорбции, ориентации моле кул или участков цепей связующего и механического закрепления их на поверхности волокна путем заполне ния пор и трещин.
Многие характеристики композитов могут быть рас считаны по ивзестным свойствам его компонентов, их соотношению, и прочности связи между ними. Однако из-за большой чувствительности некоторых показателей, например прочности, к действию многих факторов, не поддающихся полному учету, применение строгих мате матических решений не всегда возможно. Поэтому при описании свойств композитов и их конструировании_можно использовать довольцо простые модели составной среды, учитывающие качественные особенности поведе ния композитов при тех или иных видах воздействия [8]. Так, для высоконаполненных композитов многие характеристики (модуль упругости, коэффициент Пуас сона, коэффициент термического расширения, теплопро водность, диэлектрическая проницаемость и ряд других) с достаточной для инженерной практики точностью вы числяются по уравнениям аддитивности, особенно при введении поправочных коэффициентов, учитывающих структуру материала и свойства компонентов.
Волокнистая форма арматуры и существенное раз личие в прочностных, деформативных и физических ха рактеристиках волокон и матриц определяют анизотро пию свойств композитов, которую можно регулировать изменением содержания и взаимного расположения во локон.
Работоспособность композитов при нагревании опре деляется их составом, температурой, временем ее воз действия, агрессивностью окружающей среды и измене нием температуры во времени. Степень изменения
10