ЗНАК ВОПРОСА 1997 № 04

3. Наличием существенного влияния на свойства КМ каждого из его компонентов.

4. Наличием свойств, которыми не обладают компоненты КМ, взятые в отдельности.

5. Однородностью состава и структуры в макромасштабе.

Последний признак позволяет исключить из класса КМ биметаллы, детали с покрытием, сотовые, трубчатые структуры, которые сами по себе являются скорее конструкциями, чем материалами.

Человек использовал композитные материалы еще с древних времен. Известно, что в южных районах Средней Азии, на Ближнем Востоке, в Египте человек строил глинобитные жилища, упрочненные соломой, стеблями тростника, папоротника, папируса и т. д. Израильтяне при изготовлении кирпича также использовали солому, которая предохраняла кирпич от растрескивания в сухом и жарком климате и способствовала повышению прочности сооружаемых построек. В Японии в VIII в. изготавливали статуэтки Будды из сухого лака, пропитыванием полотна лаком. Во всех указанных случаях удавалось получить материалы с более высокими, чем у взятых в отдельности исходных материалов, характеристиками.

_{Рис. 12. Различные композиты: 1 — композит с дисперсными частицами; 2 — волокнистые композиты, 2а — армированные короткими волокнами, 2б — армированный непрерывными волокнами; 2в — армированный волокнами во многих направлениях}

Композитные материалы представляют собой гетерогенные (разнородные по своему составу) структуры, получаемые путем соответствующих композиций из мягкого относительно низкопрочного материала — матрицы, и распределенными в ней непрерывными или дискретными высокопрочными волокнами (наполнителем). Свойства композитных материалов в значительной мере определяются структурой наполнителя и расположением волокон, а также природой связующего (матрицы).

В зависимости от наполнителя различают два вида композитов, структурные схемы которых представлены на рис. 12.

1. Композиты с дисперсными частицами (позиция 1). 2. Волокнистые композиты (позиция 2).

Последние, в свою очередь, можно разделить на однонаправленные композиты с дискретными волокнами (2а), композиты с непрерывными волокнами (2б) и композиты с непрерывными волокнами, ориентированными во многих направлениях (2в).

На практике наибольшее применение получили волокнистые композиты. Наиболее распространенной структурой волокнистых КМ является слоистая, когда армирующие волокна лежат в плоскости слоев, связь между которыми осуществляется через прослойки связующего. В слоистых волокнистых структурах толщина изделия создается набором плоских армирующих элементов — препрегов или слоев ткани, или пленки, с наклеенными на нее однонаправленными волокнами наполнителя. Наиболее широко распространенными материалами для формирования современных конструкционных композитных материалов являются стеклянные, углеродные, органические и борные волокна. На их основе разрабатываются также многокомпонентные материалы, в которых используется комбинированный наполнитель, например, сочетание органических и борных волокон, органических, углеродных и стеклянных и т. д.

В качестве связующего (матрицы) наиболее успешное применение при обычных температурах эксплуатации нашли эпоксидные смолы различных модификаций. При умеренных и довольно высоких температурах, достигающих 755°К применяются фенольные и полибезомидные смолы.

Широкое распространение композитных материалов обусловлено возможностью управлять всем комплексом физико-механических свойств этих материалов, обеспечивающих наилучшее воплощение передовых научных достижений.

При этом под механическими характеристиками принято понимать характеристики прочности и жесткости, используемые в расчетах несущей способности конструкции. К таким характеристикам относятся прежде всего

— предел прочности на разрыв σ_в;

— модуль упругости Е;

— предел прочности на сдвиг τ_в;

— модуль сдвига G;

— коэффициент Пуассона.

Под физическими характеристиками понимаются характеристики свойств материала: плотность, р, теплопроводность, ударная вязкость, а, диэлектрическая проницаемость, скорость распространения волн и т. д. Изменение механических характеристик композитных материалов определенным образом связано с изменением их физических характеристик. Основные механические характеристики типовых композитных материалов приведены в табл. 1. Там же для сравнения приведены усредненные характеристики традиционных конструкционных материалов — стали, алюминия, титана.

При сравнении материалов с различными механическими свойствами принято использовать объективные сравнительные критерии, которые позволяют оценить эффективность использования данного материала в конструкции. Такими критериями являются удельная прочность и удельная жесткость, которые характеризуются отношением предела прочности σ_в, модулей упругости Е и сдвига G_K плотности материала. Эти характеристики определяют весовую эффективность данного материала. На рис. 13 приведены кривые изменения за последние 75 лет удельной прочности различных конструкционных материалов. Можно считать, что в настоящее время у таких традиционных конструкционных материалов, как сталь, алюминий, титан и др., повышение удельной прочности находится в стадии насыщения. Создание композитов, основанных на использовании стекловолокна, бороволокна, углеродного волокна позволяет получить такие удельные прочности, которые в несколько раз превосходят удельные прочности традиционных конструкционных материалов. При этом для композитного материала характерна тенденция к дальнейшему повышению удельной прочности.

_{Рис. 13. Изменения удельной прочности σ/ρ материалов, происшедшие с 1900 г. 1 — сталь; 2 — алюминий; 3 — стеклопластик; 4 — титан; 5 — современные композиты}

Использование в композитном материале волокон с высокой жесткостью борных, углеродных — позволяет варьировать в самом широком диапазоне зависимость удельной прочности КМ от их удельной жесткости, в результате чего конструктор получает возможность использовать КМ с требуемыми характеристиками прочности при сложном напряженном состоянии изделия (совместном действии кручения, изгиба, растяжения — сжатия), требующего повышенных жесткостных характеристик материала. Это обусловливает существенные преимущества композитных материалов перед металлами, где удельная жесткость примерно постоянна при некотором изменении удельной прочности. На рис. 14 показаны соотношения между удельной прочностью и удельным модулем упругости для различных материалов. Из приведенных данных можно видеть, что область расположения композитов с углеродными волокнами значительно удалена от начала координат и занимает довольно значительное пространство по сравнению с металлами, что наглядно свидетельствует о лучших механических характеристиках композитных материалов.

_{Рис. 14. Сопоставление удельных прочностей σ/ρ и удельных модулей упругости Е/ρ различных материалов: 1 — сталь, титан; 2 — алюминий; 3 — стеклопластик; 4 — композиты с волокнами бора; 5 — углепластик}

Управление удельной прочностью и жесткостью, а также другими физико-механическими свойствами композитных материалов осуществляется путем изменения направления укладки волокон или одноосных тканей различного плетения как в плоскости, так и по толщине изделия. В зависимости от ориентации армирующих волокон в плоскости укладки слоистые структуры можно разделить на следующие основные группы: однонаправленные, ортогонально-армированные (рис. 15а), перекрестно-армированные (рис. 15б) и хаотично-армированные. Одним из главных преимуществ ориентированных КМ является высокая удельная прочность в направлении армирования.

_{Рис. 15. Схемы укладки волокон в двухслойной пластине: а — ортогонально-армированные; б — перекрестно-армированные}

Однонаправленные материалы (см. рис. 12–2б) получают при укладке всех волокон параллельно друг другу. Их называют материалами с укладкой 1:0, указывая этим на отсутствие поперечно уложенных волокон. Такая схема укладки предпочтительна при одноосном (в направлении укладки волокон) напряженном состоянии, например, при одноосном растяжении и сжатии. Прочность однонаправленных КМ в продольном направлении в 2,5–4 раза выше, чем у обычных легких сплавов, что в сочетании с меньшей (для углепластиков, например, в 1,4 раза) плотностью обеспечивает однонаправленным КМ большую в 4–6,5 раза удельную прочность соответственно при одноосном растяжении и сжатии. Однако прочностные характеристики однонаправленных композитов в поперечном направлении обычно на один-два порядка ниже, чем в продольном. Поэтому для обеспечения необходимой прочности в различных направлениях необходима укладка армирующих волокон под определенными углами.

Ортогонально-армированные композитные материалы получают укладкой слоев по толщине во взаимно-перпендикулярных направлениях — продольном и поперечном. При этом число продольных и поперечных слоев в них может быть различным (1:1, 1:3, 2:5 и т. д.). Материалы с укладкой 1:1 являются равнопрочными в продольном и поперечном направлениях. Наибольшее влияние на свойства КМ наряду со свойствами армирующих волокон оказывают углы укладки этих волокон в слое и распределение слоев с фиксированным углом по толщине образца или изделия по определенному закону. Схема перекрестно-армированного КМ представлена на рис. 15б.

Изменяя порядок укладки слоев и угол укладки волокон в них по толщине, можно управлять изгибными и крутильными жесткостями КМ, повышая тем самым прочность на кручение и изгиб. Наглядной иллюстрацией влияния угла укладки углеродных волокон и процентного распределения слоев с фиксированной укладкой по толщине могут служить данные, приведенные в табл. 2. Согласно этой таблицы, видно, что, изменяя угол укладки можно в широких пределах варьировать характеристику прочности и жесткости композитных материалов. Схема перекрестного армирования является определяющей при сложном напряженном состоянии элементов конструкции.

Выбор закона укладки волокон в плоскости и по толщине пакета определяется назначением конструкции и предъявляемым к ней требованиям по условиям эксплуатации. Рассчитывая напряженно деформированное состояние элементов конструкции при действии внешних нагрузок, конструктор одновременно проектирует материал, формируя требования к углу укладки слоев и закону размещения их по толщине таким образом, чтобы напряжение, возникающее в элементах конструкции при заданном распределении действующих внешних нагрузок, было наименьшим. При этом особое внимание должно быть проявлено к выбору оптимальной схемы укладки слоев в зонах приложения сосредоточенных нагрузок с целью обеспечения повышенной надежности конструкции из КМ. Одновременно с разработкой схемы укладки конструктор получает возможность выбрать армирующий материал, который позволит решить поставленную задачу при минимальной массе конструкции. Такое решение достигается путем сравнения проектируемых материалов с традиционным конструкционным материалом, например, с алюминиевым сплавом Д16АТ — наиболее распространенным материалом в авиационной промышленности. Если принять массу конструкции из алюминиевого сплава Д16АТ за 100 %, то масса рассматриваемых композитных материалов при одинаковой прочности конструкции в условиях действия одинаковой внешней нагрузки будет пропорциональна отношению удельной плотности для сплава Д16АТ и композитного материала. Эта зависимость представлена на рис. 16.

_{Рис. 16. Относительная весовая эффективность композитных материалов}

Как видно из диаграмм на этом рисунке, масса конструкций из композитных материалов на основе УОЛ-300-К, УТ-900 и стеклопластика, характеристики которых представлены в табл. 4, будет соответственно на 45, 35 и 20 % меньше массы конструкций из сплава Д16АТ.

Следует отметить принципиальное преимущество композитов перед традиционными материалами, которое заключается в следующем. Выбирая материал для различных узлов и агрегатов создаваемой конструкции инженер определяет и заказывает марку металла, отвечающего требованиям данной конкретной конструкции. Для создания одной машины может понадобиться несколько (иногда более десятка) различных марок одного и того же материала, например, стали, которые изготавливаются зачастую на разных заводах.

В случае же с композитными материалами конструктор, варьируя схемой укладки волокон и их размещением по толщине, разрабатывает целую гамму материалов для самых различных узлов и агрегатов своей конструкции, обеспечивая тем самым замкнутый цикл: производство материала — производство изделия.

Слоистая структура рассматриваемых композитных материалов обладает таким серьезным недостатком, как относительно низкая сопротивляемость межслойному сдвигу и обусловленная этим склонность к расслоению. Эти отрицательные особенности КМ начинают особенно отчетливо проявляться при создании толстостенных конструкций, так как возрастает число технологических факторов, определяющих эти способности.

Радикальное увеличение сопротивляемости межслойному сдвигу и поперечному отрыву слоев можно достигнуть созданием межслойных связей. Технологически это осуществляется, в основном, двумя принципиально различными путями: это, во-первых, создание материалов с пространственным расположением армирующих волокон, и, во-вторых, создание пространственных связей между слоями при помощи вискеризации волокон.

В зависимости от способа построения пространственного армирования композитных материалов можно выделить следующие основные группы:

1. Материалы, пространственные связи в которых осуществляются переплетением волокон основы с прямолинейными волокнами утка, как это схематично показано на рис. 17.

_{Рис. 17. Схема переплетения армирующих во локон (тканевая): 1 — основа; 2 — уток}

2. Материалы, пространственные связи которых создаются за счет введения волокон третьего направления. Эти композитные материалы образуются системой трех нитей в прямоугольной (рис. 18) или цилиндрической системе координат. Волокна могут быть ортогональными или располагаться под углом в одной из плоскостей армирования.

_{Рис. 18. Схема армирования прямолинейными волокнами в трех направлениях}

Применение трехмерноармированных тканей для изготовления КМ позволяет на порядок увеличить межслойную прочность на отрыв и существенно повысить сопротивление сдвигу по сравнению с прочностью слоистых материалов.

Особую группу представляют композитные материалы, межслойные связи в которых создаются за счет вискеризации волокон. Процесс вискеризации представляет собой процесс выращивания (закрепления) нитевидных кристаллов (вискеров) на поверхности армирующих волокон преимущественно нормально к поверхности, как это схематично показано на рис. 19. Нитевидные кристаллы — вискеры, обладают высокой удельной прочностью и жесткостью. Их можно вальцевать, разрезать, обрабатывать без заметного снижения прочностных свойств. Существенным недостатком нового класса армирующих материалов — нитевидных кристаллов — является неприменимость для них обычной технологии изготовления. Вискеризованные материалы требуют создания новой специализированной технологии в целях использования всех потенциальных возможностей вискеризации.

_{Рис. 19. Схема армирования вискеризованными волокнами}

Таким образом, применяя различные способы расположения армирующих волокон, используя методы вискеризации, изменяя соотношения арматуры в разных направлениях, можно создавать материалы с задуманными свойствами.

Одним из наиболее серьезных недостатков современных КМ на основе высокомодульных волокон, обеспечивающих наибольшую удельную прочность и жесткость при статических нагрузках, является их относительная низкая трещиностойкость, определяющая усталостную прочность материала при нагрузках, действующих в режиме длительной эксплуатации, а также низкая стойкость при ударных и кратковременных динамических нагрузках. Однако в последнее время разрабатываются методики проектирования, основанные на изучении механики разрушения, и формирования на этой основе приемов, обеспечивающих необходимую трещиностойкость и стойкость к ударным нагрузкам конструкций из КМ.

Механизм разрушения материала представляет собой сложную совокупность явлений, возникающих при разрушении и рассматриваемых с точки зрения линейной механики. При этом механизм разрушения композитов отличается от разрушения металлов. В композитном материале, как правило, имеются внутренние дефекты, связанные с технологией их изготовления. Это прежде всего образование пустот (непроклей) внутри материала, различного рода инородные включения, нарушение непрерывности укладки волокон и степени равномерности их укладки в слое, остаточные напряжения, образующиеся при усадке матрицы и т. д. Эти дефекты материала могут служить источником концентрации напряжений, от которых возникают микротрещины. Наиболее общей закономерностью разрушения твердых тел является диффузионное или рассеянное накопление микротрещин в нагруженном материале, определяющее развитие разрушения. Это накопление и объединение микротрещин, которое происходит в результате длительного воздействия эксплуатационных нагрузок, обусловливает появление так называемых усталостных трещин. Возникновение и дальнейшее развитие усталостных трещин характеризует усталостную прочность материала.

При ударных нагрузках, вызванных попаданием в элементы конструкции посторонних предметов, происходит появление в материале дополнительных микротрещин, дробление и отслаивание волокон от связующего, которые, объединяясь в зависимости от силы удара, способствуют образованию обширной зоны нарушения сплошности материала в районе удара.

Появившиеся трещины можно разделить на две основные категории, а именно, трещины, распространяющиеся вдоль поверхности волокон и разделяющие волокна, остающиеся в композите, и трещины, распространяющиеся поперек волокон.

В первую категорию включаются трещины, которые распространяются вдоль волокон и разделяют композит по всей толщине, что вызывает немедленное разрушение. Повысить прочность материала в этом случае можно, только ужесточив требования к технологии изготовления материала и обеспечив необходимое «смачивание» армирующих волокон связующим, повысив адгезию на поверхности раздела.

Распространение трещин в поперечном направлении, а также стойкость КМ при ударных нагрузках могут быть рассмотрены в первом приближении, в рамках линейного механизма разрушения, обязанного возникновением работам Гриффитса, Ирвина и др. исследователей.

Согласно Гриффитсу развитие трещины происходит тогда, когда освободившаяся часть энергии деформации больше превращения поверхностной энергии, необходимой для образования новой поверхности трещины. При соблюдении этого условия в вершинах (на краях) образовавшейся трещины напряжение достигает такого уровня, при котором происходит дальнейший рост трещины без увеличения приложенной нагрузки.

На основании линейной теории упругости Ирвин оценил поле напряжений в окрестностях вершины трещины с помощью коэффициента интенсивности напряжений К, который характеризует интенсивность поля напряжений у вершины трещины. Разрушение материала наступает при условии, что коэффициент интенсивности напряжений достиг своего критического значения, равного Кс, являющегося постоянной характеристикой данного материала и определяющего условия его разрушения в результате образовавшейся трещины или пробоины без увеличения приложенной нагрузки. Величина коэффициента Кс, называемого еще характеристикой вязкости разрушения, связывает разрушающее напряжение в материале и предельно допустимые размеры его повреждения.

Повышение стойкости материала к разрушению достигается управлением его физико-механическими свойствами, такими, как пластичность, характеризуемая величиной относительной деформации при разрушении δ %, и ударная вязкость, характеризуемая коэффициентом ударной вязкости а [кг см/ см2]. Значения этих характеристик для ряда материалов приведены в табл. 1 и 4. Там же можно проследить влияние этих коэффициентов на величину коэффициента интенсивности напряжений Кс.

Наиболее эффективным путем повышения стойкости КМ к разрушению является создание гибридных композиционных материалов, состоящих из комбинации высокомодульных углеродных волокон и слоев или переплетений из органических или стеклянных волокон. Принципиально новый этап в создании композитов с повышенной усталостной и ударной прочностью связан с появлением, благодаря успехам химии волокнообразующих полимеров, высокопрочных, высокомодульных органических синтетических волокон с повышенными тепло- и термостойкостью. Отечественного волокна такого типа, как СВН, терлон, армос и др. имеют достаточно высокую жесткость, а по удельной прочности превосходят многие известные длинноволокнистые армирующие наполнители. Основные характеристики армирующих волокон приведены в табл. 3. Несомненным успехом в создании композитов повышенной прочности явилось появление органоволокна кевлар, разработанного фирмой Du Pont (США). Предел прочности при растяжении (σ_в) некрученого волокна, пропитанного связующим, составляет 367 кг/мм2, крученой пряжи — 281 кг/мм2 при плотности ρ = 1,44 г/см3. Относительное удлинение (δ) волокна кевлар составляет 2,5 %. Волокно обладает хорошей термостабильностью и сохраняет свойства в диапазоне температур от -70 °C до +180 °C с устойчивостью к усадке (0,2 % при температуре 60 °C). Оно стойко к химическим воздействиям, растворителю, жидкому топливу, морской воде. Обладает повышенными демпфирующими свойствами.

Гибридные полимерные композитные материалы на основе углеродных волокон с добавлением органических волокон представляют собой наиболее перспективные конструкционные композитные материалы, поскольку по своим прочностным характеристикам ни в чем не уступают традиционным конструкционным материалам-металлам, значительно превосходя их по весовой отдаче. Органические волокна, добавленные в углепластик, уменьшают плотность КМ и увеличивают его демпфирующие характеристики, сопротивление ударному, эрозионному и коррозионному воздействию. В результате гибридизации повышается ударная вязкость и трещиностойкость КМ по сравнению с углепластиками на углеродной основе.

Обычно для изготовления углеорганопластиков используется органическая ткань и углеродная лента; в качестве связующего используется эпоксидная смола. В настоящее время наиболее перспективными материалами являются композитные материалы марки УТ-900, изготовленной на основе высокопрочных углеродных волокон УКН и по переплетению волокон в материале напоминающий структуру сатиновой ткани (ткань сатинового плетения), и углеорганопластик УОЛ-300-К на основе комплексной ленты УОЛ, содержащей одну основную нить из органических волокон армос на четыре основных нити из углеродных волокон. В этих материалах применено особое связующее, обладающее достаточно высокой температурой отвердения, что позволяет повысить рабочую температуру изделия до 150 °C. Основные характеристики углеорганопластиков приведены в табл. 4. Там же для сравнения приведены характеристики стеклопластика, традиционного углепластика КМУ-3 и органопластика (органотекстолита).