Композиционные материалы и их использование в качестве конструкционных элементов, страница 3

-3

МНОГООСНАЯ МНОГОСЛОЙНАЯ

ВЯЗАНАЯ ОСНОВА

КОНСТРУКЦИЯ С БЛОКИРОВАННЫМИ УГЛАМИ

механических характеристик, например ориентаций, в которых данный тип армирования обеспечивает прочность. Материалы для иллюстраций представили С. Фоусер, А. Маджиди и Дж.-М. Ян из Делаверского университета, а также Ф. Ко из Дрексельского университета.

мидных волокон, известных высокими прочностью и жесткостью. Полимеры с гибкими цепями, например полиэтилен, при использовании новых способов вытяжки можно ориентировать вдоль оси волокна, получая при этом предельно прочные и жесткие волокна.

ОХРАНЕНИЕ прочности волокон при создании композита — основная цель при получении перспективных материалов. Просто пучок волокон имеет довольно низкую конструкционную ценность. Чтобы использовать их прочность, конструктор материала должен поместить их в матрицу другого материала. Матрица играет роль адгезива, соединяющего волокна, и придает материалу твердую форму. Кроме того, она защищает волокна от различных напряжений, источником которых может стать окружающая среда, а также от физического повреждения, которое может инициировать разрыв.

Прочность и жесткость композита определяются главным образом свойствами армирующего материала, т. е. волокон, однако и матрица вносит свой вклад в его свойства. Например, тепло- и электропроводность композита сильно зависят от проводимости матрицы. Механические свойства композита определяются не только волокнами, но и синергизмом свойств волокон и матрицы.

Предел прочности при растяжении композита — результат этого синергизма. Когда под нагрузкой находится пучок волокон в отсутствие матрицы, разрыв каждого волокна приводит к уменьшению носителей нагрузки. Нагрузка, которую оно несло, перераспределяется по оставшимся неразорванным волокнам, увеличивая на них напряжение. Если же волокна находятся в матрице, то разрыв волокна еще не приводит к тому, что полностью теряются механические функции волокна.

Причина этого заключается в том, что матрица вязка (т. е. упруга или пластична). Когда концы разорванного волокна под действием растягивакощей нагрузки вытаскиваются из матрицы, то упругая деформация или пластическое течение матрицы вызывает сдвиговые напряжения, которые постепенно увеличивают напряжения на разорванные фрагменты волокна. Из-за такого перераспределения напряжения волокно продолжает вносить некоторый вклад в упрочнение композита и после разрыва. Напряжение на соседние неразрушенные волокна возрастает в меньшей степени, чем в отсутствие матрицы, и, таким образом, композит может выдержать большее напряжение, не разрушаясь. Синергизм между волокнами и матрицей приводит, следовательно, к упрочнению композита, а также к повышению его ударной вязкости, увеличивая энергию разрушения.

Общее требование к пластичности материала матрицы в какой-то степени обусловливает его выбор, однако обычно основным фактором, определяющим этот выбор, служит область температур, в которой предназначается эксплуатировать изготовляемый композит. Композиты, подвергающиеся нагревам не выше 100—200 ^о с, обычно имеют полимерную матрицу. Большинство композитов относятся к этой группе; например, стеклопластик — прототип композиционных материалов — состоит из коротких стеклянных волокон, погруженных в матрицу из полиэфирной смолы. Его часто применяют для изготовления бытовых приборов, лодок и корпусов автомобилей; его применение не только снижает вес детали, но и удешевляет ее производство, например, тем, что позволяет применять литье под давлением и получать детали сложной формы в одну стадию. Большинство новых композитов, разработанных для покрытий поверхностей летательных аппаратов и других конструкционных деталей, представляют собой жесткие прочные волокна, такие, как углеродные или арамидные, в полимерной матрице, теплостойкость которой обычно выше, чем теплостойкость полиэфирной смолы.