19. Прочность композиционных материалов

Композиционный материал представляет собой высокопрочный или высокомодульный материал, называемый армирующим компонентом, соединенный со вторым материалом, называемым матрицей, позволяющей осуществлять изготовление инженерной конструкции и передавать нагрузки к упрочняющим элементам.

Свойства композиционных материалов (КМ) в значительной степени зависят от формы, размера, количества составных частей.

Известно, что по форме наполнителя КМ разделяют на дисперсно-упрочненные, слоистые и волокнистые, а по схеме армирования они подразделяются на КМ с одноосным, двухосным и трехосным армированием.

КМ на металлической основе, упрочненные дисперсными частицами представляют собой системы, имеющие более 20% объема упрочняющей дисперсной фазы и не включающие класс дисперсно-упрочненных металлов, которые имеют значительно меньшую объемную долю дисперсной фазы.

В КМ, упрочненных частицами, такими как карбид вольфрама-кобальт, упрочняющую фазу считают основной несущей нагрузку, а матрица служит для передачи нагрузки или для облегчения процесса изготовления материала.

Высокий коэффициент стеснения пластической деформации матрицы, вызванный твердым упрочняющим компонентом, используется для того, чтобы предотвратить течение в матрице. В основном прочность КМ увеличивается линейно по мере снижения объемной доли матрицы. Однако текучесть и пластическое течение могут иметь место, а удлинение при разрушении иногда достигает 30%. Это значение намного превосходит возможное удлинение волокнистых композиционных материалов, нагруженных в направлении расположения хрупкой упрочняющей фазы. Такое различие обусловлено тем, что для удлинения КМ, упрочненных волокнами или пластинами, необходима деформация самой упрочняющей составляющей.

Упрочнение трехмерными частицами может привести к получению материала с изотропными свойствами, так как упрочнитель равномерно распределен по трем ортогональным плоскостям. Однако КМ, упрочненный частицами, не является гомогенным и его свойства чувствительны не только к свойствам компонентов, но и к свойствам поверхностей разделов и геометрии распределения упрочняющих частиц. Прочность КМ, упрочненных частицами, зависит от диаметра частиц, расстояния между ними и объемной доли упрочняющей фазы. Свойства матрицы, включая коэффициент деформационного упрочнения, который повышает эффективность стеснения пластической деформации упрочнителем, также важны.

На рис. 19.1 показана схематичная кривая напряжение-деформация композиционного материала с металлической матрицей. Как видим из рисунка, на первой стадии происходит упругая деформация матрицы и армирующих волокон. Модуль упругости композиционного материала, полученный экспериментально, будет равен

(19.1)

где Е_М, Е_В – модуль упругости матрицы и волокон соответственно, V_М, V_В – объемная доля матрицы и волокон соответственно.

Это выражение теоретически соответствует нижней границе модуля упругости, когда коэффициенты Пуассона двух фаз практически одинаковы.

То же выражение справедливо для случая упругого сжатия. Более высокие значения модуля упругости могут быть получены в случае несоответствия коэффициентов Пуассона двух фаз. Таким образом, правило аддитивности смесей, примененное к области упругости, оказалось очень полезным для предсказания поведения композиционного материала.

Однако, необходимо рассмотреть и другие факторы, например, пористость, которую условно можно принять за нулевую фазу, имеющую модуль упругости и предел прочности, равные нулю. Пористость наиболее сильно снижает модуль упругости КМ.

Рис. 19.1. Схематичная деформационная кривая композиционного материала. I – упругое волокно; II – упругое волокно, пластичная матрица; III – пластичное волокно и матрица; IV – разрушение волокна

Для определения влияния пористости КМ на модуль упругости был разработан ряд эмпирических уравнений. Так, например, при изучении порошковой металлургии железа использовалось выражение:

, (19.2)

где Е_V – модуль упругости с учетом пористости, C_V – концентрация пор.

Вторая стадия на рис. 19.1 включает область, в которой волокно растягивается упруго, а матрица – пластически, так как обычно объемная доля волокна достаточно высокая и оно имеет значительно более высокий модуль упругости, чем матрица. Модуль упругости композиционного материала вдоль направления армирования Е_II равен сумме эффективных наклонов деформационных кривых двух фаз, с учетом их объемной доли:

(19.3)

где – эффективный коэффициент деформационного упрочнения матрицы, который обычно гораздо меньше, чем модуль упругости волокна и им можно пренебречь. В связи с этим, модуль упругости на упруго пластичной части деформационной кривой частот представляют выражением:

. (19.4)

Третья стадия наблюдается, когда оба компонента КМ (волокно и матрица) претерпевают пластическую деформацию и идет обычное пластическое растяжение двух фаз. При этом деформация компонентов в КМ может отличаться от деформации отдельных компонентов в отношении образования шейки или другого негомогенного пластического течения. Для некоторых пластичных волокон начало образования шейки задерживается из-за стесняющего действия матрицы. Этот эффект в системе серебро-сталь, приводит к более высокой прочности композиции, чем суммарная прочность компонентов.

Четвертая стадия на деформационной кривой (рис. 19.1), соответствует разрушению высокопрочных волокон. На этой стадии матрица передает нагрузку от концов разрушенного волокна к не разрушенным частям и течет вокруг открытых пор или трещин. Эта стадия обычно заканчивается разрушением КМ. При достаточной пластичности матрицы и динамических нагрузках, связанными с многократными разрушениями армирующего волокна, не приводящих к катастрофическому разрушению, КМ может остаться неповрежденным, если объемная доля волокна меньше критической величины. Четвертая стадия аналогична стадии деформации композиционного материала, содержащего прерывистые волокна. При наличии дискретных волокон матрица передает нагрузку в результате развития сдвиговых напряжений на поверхность волокна вблизи разрушенных концов.

Свойства в поперечном направлении и напряжения сдвига для КМ, армированных волокнами, значительно менее чувствительны к поведению матрицы, чем в продольном направлении. Для КМ с пластичной металлической матрицей, армированной высокопрочными хрупкими волокнами, текучесть и пластическое течение матрицы являются основными свойствами, определяющими поведение композиции. Однако волокна вызывают значительное повышение модуля упругости КМ. Примерно также увеличивается модуль сдвига.

Слоистые КМ рассматривают как материалы, упрочненные повторяющимися слоями компонента с высоким модулем упругости, которые располагаются в более пластичной и легко обрабатываемой матрице. Межпластинчатые расстояния достаточно малы, так что в конструкционных элементах материал может рассматриваться как анизотропный и гомогенный в соответствующем масштабе. Эти композиции относятся к композиционным материалам, и поэтому не включают многие типы плакированных материалов, в которых слой может рассматриваться конструкционный элемент с защитным покрытием, являющимся вторым компонентом конструкционного материала. В качестве примере конструкционного слоистого композиционного материала можно привести композицию карбид бора-титан, в котором упрочняющим повторяющимся компонентом служат пленки карбида бора толщиной 5-25 мкм, полученные методом химического осаждения из пара. Другим примером являются эвтектические композиционные материалы, такие, как Ni-Mo, Al-Cu, в которых две фазы кристаллизуются в виде чередующихся пластинок. Оба этих эвтектических композиционных материала состоят из пластичной металлической матрицы, упрочненной пластинчатой фазой с более высоким модулем упругости.

В любом из главных направлений упрочненной пластины модуль упругости определяется из правила аддитивной смеси

(19.5)

где Е_R, Е_М, Е_КМ – модули упругости упрочнителя, матрицы и композиционного материала соответственно, V_R, V_М – объемные доли упрочнителя и матрицы.

Другие константы упругости анизотропного материала несколько более сложны для расчета, но могут быть точно посчитаны.

Прочность слоистых композиционных материалов более тесно связана со свойствами упрочнителей в массивном сечении, чем со свойствами малых по объему упрочнителей, таких, как нитевидные кристаллы или волокна. Так как упрочняющие пластины имеют два размера, которые сравнимы по величине с размерами конструкционных деталей, дефекты в упрочняющем компоненте могут быть зародышами трещин, длина которых сопоставима с длиной трещин в детали. Такое действие дефектов в пластичном КМ противоположно тому действию, которое оказывают дефекты на зарождение трещин в волокнистых КМ. В волокнах, находящихся под растягивающей осевой нагрузкой, трещина распространяется в поперечном направлении, так как площадь поперечного сечения волокна мала по сравнению с поверхностью всего образца.

Наиболее важные упрочняющие материалы хрупкие по своей природе, их прочность связана со статистическим распределением плотности и интенсивности дефектов. Прочность таких армирующих фаз обратно пропорциональна размеру. Прочность слоистых конструкционных композиционных материалов ограничена до некоторой степени более низкой прочностью упрочняющих слоев (фольг) по сравнению с волокнами. К тому же низкая величина деформации при разрушении хрупкой упрочняющей фазы ограничивает удлинение и пластичность КМ во всех направлениях в плоскости армирования. Однако прочность и модуль упругости армирующей фазы реализуются по всем направлениям плоскости, что дает значительные преимущества по сравнению с однонаправленным армированием волокнами.

Учитывая анизотропию строения композитов, их испытания проводят в продольном и поперечном направлениях.

Обычно прочность материала определяется напряжением, рассчитанным по первоначальному поперечному сечению (техническое напряжение), а не напряжением, рассчитанным по площади поперечного сечения в данный момент. В случае статических растягивающих напряжений критерий разрушения прост и определяется наиболее высоким или предельным растягивающим напряжением по первоначальному сечению образца, которое может выдержать материал. Для высокомодульных композиций с металлической матрицей разрушением заканчивается четвертая стадия деформации. В результате, по мере того как нагрузка увеличивается, несущая способность снижается в результате разрушения отдельных волокон.

Разрушение слабых волокон приводит к трем важным последствиям: 1) Уменьшается прочность КМ в поперечном сечении в месте разрушения волокна; 2) Уменьшается эффективная прочность вследствие концентрации статического напряжения вокруг трещины, в месте разрушения волокна; 3) Возникает ударное нагружение КМ, а, следовательно, снижается его несущая способность в результате зарождения механических волн напряжений при разрушении волокон.

Концентрация напряжений у концов разрушенного волокна также может снижать эффективную прочность композиции. В КМ трещина, распространяющаяся в направлении перпендикулярном приложенной растягивающей нагрузке, может быть остановлена на поверхности раздела волокно-матрица вследствие того, что максимальное напряжение у вершины трещины в матрице приблизительно равно пределу прочности матрицы и мало по сравнению с напряжением разрушения волокна. Например, в композиции алюминий-бор напряжение у вершины трещины по мере ее распространения в алюминии равно 350 МПа, а локальная прочность волокна близка к 4,2 ГПа. Механизм притупления вершины трещины показан на рис. 19.2. В связи с этим концентрация напряжений вокруг вершины трещины не приводит к нестабильному росту трещин в этой системе. Однако в системе титан-окись алюминия, где отношение прочности волокон к прочности матрицы 2:1, такая концентрация напряжений у вершины трещин может сильно охрупчивать или ослаблять композицию.

Рис. 19.2. Трещины в композиционном материале. а) расщепление по границам раздела; б) деформационный сдвиг матрицы и расщепление. 1 – трещина; 2 – волокно; 3 – матрица

Свойства в поперечном направлении не могут быть так просто рассчитаны, как свойства в продольном направлении, но, используя некоторые предположения, можно предсказать модуль упругости и прочностные характеристики. Для предсказания значения макроскопического модуля упругости были сделаны предложения: 1) оба компонента деформируются упруго по линейному закону вплоть до напряжения разрушения; 2) связь на границе раздела хорошая; 3) расположение волокон правильное.

На основе этих предположений можно определить жесткость Е₂₂ и коэффициент Пуассона в поперечном направлении:

(19.6)

КМ с неметаллической матрицей так же нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы, коксованные или пироуглеродные, получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна, обладающие высокой прочностью и жесткостью. Это стеклянные, углеродные, борные органические, нитевидные кристаллы (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и т.д.), а также металлические проволоки.

По виду упрочнителя КМ классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

В дисперсно-упрочненных КМ основную нагрузку воспринимает матрица, а дисперсные частицы упрочнителя препятствуют движению дислокаций при нагружении материала, то есть мешают развитию пластической деформации. Чем больше это сопротивление, тем выше прочность. Прочность зависит также от дислокационной структуры, формирующейся в процессе пластической деформации при изготовлении изделий из КМ. Кроме того, дисперсные частицы оказывают «косвенное» упрочняющее действие, способствуя образованию структуры с высокой степенью неравноосности зерен – волокнистой структуры. Такая структура формируется при сочетании пластической деформации и отжигов. При этом дисперсные частицы частично или полностью препятствуют рекристаллизационным процессам.

Уровень прочности зависит от объемного содержания упрочняющей фазы, равномерности ее распределения, степени дисперсности и расстояния между частицами. Согласно формуле Орована, сопротивление сдвигу увеличивается с уменьшением расстояния между частицами:

(19.7)

где G – модуль сдвига; b – межатомное расстояние; l – расстояние между частицами.

Значительное упрочнение достигается при размере частиц 10-100 нм и расстоянии между ними 50-500 нм. Объемное содержание частиц зависит от схемы армирования.

В дисперсно-упрочненных КМ наполнителями служат дисперсные частицы тугоплавких фаз оксидов, нитридов, боридов, карбидов (Al₂O₃, SiO₂, BN, SiC и др.). К достоинствам тугоплавких соединений относятся высокие значения модуля упругости, низкая плотность, пассивность к взаимодействию с материалами матриц, большая распространенность в природе и невысокая стоимость.

В волокнистых КМ упрочнителями служат волокна или нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавких соединений типа SiC, а также проволока из металлов и сплавов (Mo, W, Be, высокопрочная сталь и др.). Для армирования КМ используют непрерывные и дискретные волокна диаметром от долей микрометров, до сотен микрометров. Упрочнителями могут быть карбоволокна, бороволокна, синтетические и углеродные волокна, керамика и т.п.

Карбоволокниты (углепластики) представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего и упрочнителя в виде углеродных волокон.

Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненный углеродной лентой, и КМУ-1у упрочненный жгутом, вискеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200 °С.

Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-3л получают на эпоксиани-линоформальдегтдном связующем, их можно эксплуатировать до 100 °С, они наиболее технологичны. Карбоволокниты КМУ-2, КМУ-2л на основе полиамидного связующего можно применять при температуре до 300 °С.

Карбоволокниты отличаются высоким статическим и динамическим сопротивлением усталости, сохраняют это свойство при нормальной и очень низкой температуре. Высокая теплопроводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего трения. Они водостойкие и химически стойкие.

Теплопроводность углепластиков в 1,5-2 раза выше, чем теплопроводность стеклопластиков.

Карбоволокнит с углеродной матрицей типа КУП-ВМ по значениям прочности и ударной вязкости в 5-10 раз превосходит специальные графиты. При нагреве в инертной среде и в вакууме он сохраняет прочность до 2200 °С, на воздухе окисляется при 450 °С и требует защитного покрытия. Коэффициент трения одного карбоволкнита с углеродной матрицей по другому высок ~ 0,35-0,45, а износ мал ~ 0,1-1 мкм на торможение.

Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного связующего и упрочнителя – борных волокон. Они отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими: твердостью, модулем упругости, тепло- и электропроводностью. Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе с матрицей.

В качестве матриц для бороволокнитов используют модифицированные эпоксидные и полиамидные связующие. Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200 °С, КМБ-3 и КМБ-3к не требуют высокого давления при переработке и могут работать при температуре не выше 100 °С, КМБ-2к работоспособен до 300 °С.

Бороволокниты имеют высокое сопротивление усталости, они стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов.

Так как борные волокна полупроводники, то бороволокниты обладают повышенной теплопроводностью и электропроводностью. Для бороволокнитов прочность при сжатии в 2-2,5 раза больше, чем для карбоволокнитов.

Органоволокниты это композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей в виде синтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительно высокой удельной прочностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременных нагрузок и резкой смене температуры. Для синтетических волокон потери прочности при текстильной переработке небольшие.

Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате. У них высокие диэлектрические свойства и низкая теплопроводность. Большинство органоволокнитов может работать при температуре 100-150 °С, а с полиамидным связующим и полиоксадиазольными волокнами до 200-300 °С.

В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнами применяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна). Такие материалы имеют большую прочность и жесткость.

Углеродными называются композиционные материалы, представляющие собой углеродную матрицу, армированную углеродными волокнами или тканями. Одинаковая природа и близкие физико-химические свойства обеспечивают прочную связь волокон с матрицей и уникальные свойства этих КМ. Механические свойства углеродных КМ в большой степени зависят от схемы армирования и могут меняться от 100 до 1000 МПа. Наиболее предпочтительным является многоосное армирование, при котором армирующие волокна расположены в трех и более направлениях.

Достоинствами углерод-углеродных КМ являются: малая плотность 1,3-2,1 г/см³, высокая теплоемкость, сопротивление удару, эрозии и облучению, низкие коэффициенты трения и теплового расширения, высокая коррозионная стойкость, широкий диапазон электрических свойств от проводников до полупроводников, высокая прочность и жесткость. Уникальной особенностью углерод-углеродных КМ является увеличение прочности в 1,5-2 раза и модуля упругости при повышении температуры. К их недостаткам относят склонность к окислению при нагреве до температур выше 500 °С в окислительной среде. В инертной среде и в вакууме изделия из углерод-углеродных КМ работают до 3000 °С.

Керамическими называют КМ, в состав которых входят керамическая матрица и металлические или неметаллические наполнители. Керамические КМ имеют высокую температуру плавления стойкость к окислению, термоударам и вибрации, прочность и теплопроводность при сжатии. В качестве матриц используют силикатные, алюмосиликатные и другие стекла, тугоплавкие оксиды, нитриды, бориды и карбиды.

Использование металлической проволоки из тугоплавких металлов и жаропрочных сталей имеет целью создать пластичный каркас, предохраняющий КМ от преждевременного разрушения при растрескивании керамической матрицы. Ударная вязкость и термостойкость керамических КМ повышаются при увеличении содержания волокна не более чем на 25%, затем возрастающая пористость вызывает снижение прочности КМ. Недостатком керамических КМ армированных металлическими волокнами является их низкая жаростойкость. Перспективным наполнителем для керамических КМ является высокомодульное углеродное волокно. Для обеспечения максимальной прочности доля углеродного волокна должна составлять 50-60% при оптимальном соотношении модулей упругости матрицы и волокна, равном 0,1.

КМ с матрицей из тугоплавких оксидов можно использовать до 1000 °С, из боридов и нитридов до 2000 °С, из карбидов свыше 2000 °С. Кроме того, свойства керамических КМ зависят от способа формования.

Преимуществом керамических КМ, армированных волокнами SiC, является наличие химического сродства матрицы и наполнителя, близкие значения модулей упругости, коэффициентов линейного расширения. Совместимость матрицы и наполнителя в этих КМ обеспечивает высокую прочность связи между ними, что в сочетании со стойкостью к окислению при высоких температурах позволяет их использовать для ответственных тяжело нагруженных изделий.