2. Структура и свойства стеклопластиков

Структура стеклопластиков определяется в основном видом, соотношением размеров армирующих элементов и расположением их в полимерной матрице. Механические характеристики стеклопластиков, в свою очередь, определяются главным образом арматурой. Исследования показывают, что структура оказывает определенное влияние также на теплофизические, светотехнические, радиотехнические, электротехнические и другие свойства композитных материалов. Это относится, прежде всего, к ориентированным стеклопластикам, свойства которых можно широко варьировать изменением структуры за счет изменения, как типа армирующего материала, так и схемы его ориентации.

Упругие и прочностные свойства ориентированных стеклопластиков.

В зависимости от расположения армирующих элементов можно выделить три основные группы материалов однонаправленные, слоистые и пространственно-сшитые.

Если в качестве армирующего материала используются волокна, уложенные параллельно друг другу, то композит имеет однонаправленную структуру и является трансверсально-изотропным материалом в плоскостях, перпендикулярных направлению армирования. При получении стеклопластика слоистой структуры в качестве армирующего материала используют ровинги, нетканые армирующие материалы, а также ткани различного переплетения. Слоистые композиты могут быть ортогонально армированы с различным соотношением продольных и поперечных слоев арматуры, т. е. ортотропными в осях, совпадающих с направлениями армирования. Волокна могут быть уложены и под другими произвольными углами. В зависимости от числа направлений армирования в слое материал называют двух-, трех- и n-направленным. При достаточно большом n получаем материал с веерным армированием. Материалы третьей группы, простраветвенносшитые, получают на основе многослойных или так называемых объемных тканей. Такие композиты называют трехмерно-армироваными структурами.

Таким образом, все ориентированные стеклопластики: однонаправленные, слоистые и трехмерно-армированные имеют регулярную структуру, следовательно, обладают четко выраженной анизотропией упругих и прочностных свойств.

2.1.1 Влияние содержания компонентов

Содержание наполнителя также является важнейшим фактором, влияющим на прочность и модуль упругости композита. Исходя из того, что основную нагрузку несет арматура, а ее упругопрочностные характеристики почти на полтора порядка выше, чем у матрицы, можно было бы предположить, что увеличение содержания наполнителя вплоть до теоретического предела (90% объемных) будет приводить к росту прочности и жесткости стеклопластика.

Таблица 3 - Прочностные свойства стеклопластиков на основе многослойных тканей и связующего ЭДТ-10

Марка ткани	Разрушающее напряжение при растяжении, МПа		Разрушающее напряжение при сжатии, МПа		Разрушающее напряжение при изгибе, МПа
	по основе	по утку	по основе	по утку	по основе	по утку
МТБС-6,0	255	261	164	373	298	527
МТБС-5,2	246	249	130	251	132	304
МТБС-4,35	278	334	184	390	292	419
ИТМ	388	304	362	335	483	397

Однако это не всегда наблюдается на практике. Существует определенное оптимальное содержание, которое зависит от используемых компонентов, вида деформации, профиля поперечного сечения арматуры, условий эксплуатации и т.д. Армирующему материалу каждого типа соответствует его оптимальное содержание, обеспечивающее максимальную прочность композита. Это объясняется тем, что для получения стеклопластика с высоким, содержанием арматуры требуется применение больших давлений. Однако чрезмерно высокое давление разрушает наполнитель и ослабляет материал.

: 1 - 14,5 мкм; 2 - 19,5; 3 - 12,5; 4 - 9,5; 5 - 6,5 мкм

Рис. 1. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении стеклопластика СВАМ от объемного содержания волокон различного диаметра

В стеклопластике типа СВАМ оптимальное объемное содержание волокон составляет 65°/о; при увеличении содержания волокон прочность и модуль упругости падают, очевидно, вследствие недостатка связующего для образования сплошной полимерной пленки, между волокнами. Такой же вывод был сделан для стеклопластиков на эпоксидном связующем.

В ряде работ отмечалось, что максимально достижимое содержание волокон для однонаправленного стеклопластика составляет 75% (об.). Между тем на примере стеклопластика однонаправленной структуры с диаметром волокна 9-11 мкм было показано, что с увеличением содержания волокна упруго-прочностные характеристики композита при растяжении непрерывно растут и какого-либо максимума, после которого прочность начала бы падать, не наблюдается (рис. 3.9). При этом было достигнуто содержание наполнителя, близкое к теоретическому пределу. В исследованном диапазоне прочность и модуль упругости стеклопластика при растяжении подчинялись закону смеси:

Рисунок 2 - Зависимость модуля упругости от объемной концентрации волокон различного химического состава: 1 - бесщелочного; 2 - щелочного.	Рисунок 3 - Влияние объемного содержания волокна на прочность и модуль упругости при растяжении однонаправленного стеклопластика.

Рекомендации по оптимальному содержанию арматуры при работе стеклопластика на сжатие и сдвиг отличаются. Исследования однонаправленных стеклопластиков на основе эпоксидного связующего показали (рис. 4), что зависимости прочности при сжатии и межслойном сдвиге носят экстремальный характер, при этом максимальная прочность соответствует содержанию волокна, равному 71 - 73% (об.).

Рисунок 4 - Зависимость прочности стеклопластиков при сжатии и сдвиге от объемного содержания волокна.

Повысить содержание волокна - основного несущего элемента — можно за счет применения волокон различных диаметров. У однонаправленных стеклопластиков с достаточно регулярной структурой толщина полимерной прослойки должна быть пренебрежимо мала по сравнению с диаметром волокна. Следовательно, при больших толщинах часть связующего не выполняет своей основной функции - вовлечения в работу композита армирующих элементов и поэтому является балластом. Если заполнить промежутки между основными волокнами арматурой меньшего диаметра, то балластная доля связующего уменьшится, а содержание волокон увеличится.

В идеализированном случае непосредственного контакта цилиндрических волокон одного диаметра наиболее вероятны гексагональная и октаэдрическая схемы расположения арматуры. Соотношение основных и промежуточных волокон (n_R:n_r) для этих схем ответственно составляет 1:2 и 1:1. Если считать, что обе схемы расположения волокон в композите равновероятны, то теоретический предел содержания стекловолокна без промежуточных волокон составит 0,846, а с использованием промежуточных волокон радиуса 0,16 R для гексагональной схемы и 0,42 R для октаэдрической, составит 0,935. Располагая арматуру таким образом, можно значительно повысить ее содержание в стеклопластике.

2.1.2 Влияние геометрических характеристик волокон

При получении высокопрочных ориентированных стеклопластиков используют, как правило, волокна диаметром от 5 до 11 мкм. Наряду с этим при создании материалов с повышенной прочностью при сжатии используют толстые стеклянные волокна диаметром до 100 мкм и выше.

В зависимости от диаметра волокон, определяющего технологию их применения, может быть предложена следующая классификация волокон: а) утолщенные стеклянные волокна диаметром 13 - 30 мкм, используемые в виде первичных нитей, а также в виде ровингов; б) стеклянные волокна диаметром 31 - 100 мкм, используемые в виде оплетенных нитей; в) грубые стеклянные волокна диаметром более 100 мкм, переработанные в намоточные изделия однопроцессным методом или используемые в виде намоточных препрегов. Выбор необходимого диаметра волокна определяется диаметром намоточного изделия. Если радиус намотки составляет, например, 75 мм, а диаметр волокна 0,15 мм, то в волокне возникают напряжения изгиба около 100 МПа, которые соизмеримы с разрушающими напряжениями для волокон такого диаметра.

Р исунок 5 - Зависимость прочности кольцевых стеклопластиковых образцов при растяжении (1) и сжатии (2) от диаметра волокон.

Исследования показывают, что разрушение стеклопластиков в условиях сжимающих нагрузок происходит в результате потери устойчивости армирующими элементами, следовательно, увеличение диаметра стеклянных волокон должно способствовать созданию композитов с повышенной прочностью при сжатии.

Механические характеристики стеклопластиков могут быть значительно улучшены путем изменения профиля поперечного сечения армирующих волокон. Так использование стекловолокна с сечением в виде полого шестигранника (рис. 6) позволяет достичь большой плотности упаковки, в результате чего получается композит с высоким содержанием волокон при малой массе. Достаточно сказать, что плотность композита на основе полых гексагональных волокон вдвое ниже плотности обычного конструкционного стеклопластика.

Р исунок 6 – Теоретическая (1) и эксперементальные (2, 3) зависимости отношения жесткостей стеклопластиков равного веса на основе полых и сплошных волокон и плоских (2) и кольцевых (3) образцах от коэффициента капиллярности.

Основной характеристикой полого стеклянного волокна, определяющей его свойства и свойства стеклопластиков на его основе, является коэффициент капиллярности К, представляющий собой отношение внутреннего диаметра волокна к наружному. Значение коэффициента капиллярности равное 0,5 - 0,6 принято считать оптимальным. Несмотря на то, что с увеличением К значение удельных механических характеристик композита возрастает, переработка жгутов, для которых К-0,6, вызывает большие затруднения.

Исследование механических характеристик стеклопластиков на основе полых волокон свидетельствует о перспективности применения этих волокон для изделий, работающих под действием сжимающих нагрузок. Удельная прочность при сжатии для стеклопластиков на основе полых волокон с К=0,6 оказалась на 33% выше чем для стеклопластиков на основе сплошных волокон

Если прочность стеклопластиков на основе полых волокон при сжатии в направлении оси волокон высока, то в направлении, перпендикулярном оси волокон, прочность при сжатии значительно ниже, чем для стеклопластиков на основе сплошного волокна. Это связано с раздавливанием тонких стенок полых волокон. Необходимо также иметь в виду, что различные дефекты в стенках долых волокон (пустоты, включения) резко снижают их прочность, поэтому большое значение имеет качество применяемых волокон.

Одно из главных преимуществ композитов со сплошными профильными волокнами состоит в том, что увеличиваются их механические характеристики в направлении, перпендикулярном оси волокон. Было показано, что использование треугольных волокон вместо круглых позволяет повысить поперечную жесткость на 20 - 50% в зависимости от содержания арматуры. Еще большее увеличение жесткости получается при применении волокон эллиптического сечения.

2.1.3 Масштабный эффект прочности

Хаотически армированные композиционные материалы характеризуются не только хрупким разрушением, но и макронеоднородностью структуры, что порождает существенное рассеивание прочностных характеристик этих материалов. Статистическая природа прочности в свою очередь приводит к тому, что наблюдается ясно выраженный масштабный эффект прочности (масштабный фактор). С увеличением размеров деталей в соответствии с концепцией наислабейшего звена увеличивается вероятность появления наиболее опасного дефекта, определяющего прочность изделия, что обусловливает уменьшение среднего значения прочности, среднёквадратического отклонения и коэффициента вариации.

Статистическая теория хрупкой прочности в наибольшей степени пригодна для описания масштабного фактора, выраженного через длину деталей.

Таблица 2 - Статистические параметры распределения прочности при растяжении в зависимости от длины рабочей части образцов

Длина рабочей части образца, мм	Число испытаний	Прочность растяженив при x МПа		Среднеквадратическое отклонение S(x), МПа		90%-ный доверительный интервал для х> МПа	Коэффициент вариации, %
		экспериментальная	расчетная	экспериментальное	расчетное		экспериментальный	расчетный
40	27	58,0	58,0	16,7	14,0	52,5 - 63,5	28,8 ,	24
60	29	50,0	53,0	8,1	11,8	47,5 - 52,5	16,2	22
120	14	46,0	45,0	6,8	8,8	42,5 - 49,5	14,8	19
160	13	40,0	43,0	5,6	8,0	37,0 - 42,5	14,0	18

С увеличением длины рабочей части образцов уменьшаются среднее значение прочности, среднеквадратвдеское отклонение, а в большинстве случаев и коэффициент вариации.

Число армирующих элементов в объеме композиции определяется соотнощением их геометрических размеров и размеров образца. Поэтому можно ожидать повышения прочности как при уменьшении геометрических размеров армирующих элементов (соотношение l/d и размеры образцов не изменяются), так и при увеличении размеров образцов (размеры армирующих элементов и отношение l/d не изменяется).