Композиционные материалы и их использование в качестве конструкционных элементов, страница 9

Решающую роль химическая совместимость матрицы и волокна играет при их контакте на поверхности волокна. Для действия волокна и матРИЦЫ как целого в композитах с металлической или полимерной матрицей они должны быть связаны. Предпосылкой для такого адгезионного взаимодействия является способность неотвержденной, или расплавленной, матрицы смачивать волокно. Оксид алюминия и карбид кремния легко смачиваются расплавами металлов, поэтому эти вещества часто используют для армирования композитов с металлической матрицей. На волокна, не смачивающиеся выбранной матрицей, можно нанести специальное покрытие, благоприятствуюшее контакту матрицы с волокном. Связь возникает благодаря тому, что вещество покрытия взаимодействует и с волокном, и с матрицей. Иногда соответствующего эффекта можно достичь, варьируя состав матрицы. Если матрица полностью смочила волокно, то связь может образоваться в результате межмолекулярного взаимодействия или химической реакции.

ВОЙСТВА перспективного комповита определяются не только типом матрицы и армирующего волокна, но и другим фактором, не связанным с его составом, — геометрией армирования. В некоторых композитах расположение армирующих волокон случайно. Дисперсионно наполненный металл (металл, упрочненный мелкими частицами примеси, которые либо выпадают в виде осадка при охлаждении металлического расплава, либо представляют собой керамические частицы, специально диспергируемые в металле) — это тип композита, в котором контролируется только концентрация упрочняющих частиц, а не их точные размеры и ориентация. Это же верно и для многих композитов, содержащих короткие волокна, к которым относится большое число выпускаемых промышленностью стеклопластиков, а также некоторые композиты с металлической и керамической матрицами, наполненные нитевидными кристаллами («усами»).

Существуют две причины, по которым композиты с наиболее высокими эксплуатационными свойствами армируются гораздо более длинными волокнами, обычно непрерывными нитями. Для того чтобы в композите могла полностью использоваться высокая прочность армирующего материала, волокна должны иметь возможность принять на себя высокую

нагрузку, вплоть до предельной, разрывающей волокно. Иначе композит начнет разрушаться задолго до того, как напряжение достигнет предела прочности волокна. Нагрузка просто «вытащит» волокно из матрицы, оставив его целым, но разрушив композит.

Поскольку нагрузка от матрицы на армирующее волокно передается сдвиговыми силами, действующими на его поверхность, площадь его поверхности должна быть велика по сравнению с площадью сечения. Другими словами, армирующий элемент, чтобы эффективно нести нагрузку, должен в одном измерении быть значительно больше, чем в двух других. Для большинства армирующих элементов критическое отношение длины к диаметру, при котором он получает возможность нести нагрузку, способную его разорвать, равно приблизительно 100:1. Точное значение зависит от прочности волокна, вида матрицы и степени их связности.

Таким образом, эффективность армирования композита длинными волокнами выше, чем короткими волокнами или частицами. Есть еще одна причина, по которой длинные волокна стали основным армирующим элементом в перспективных композитах: их ориентация поддается строгому контролю. Это дает возможность сконструировать внутреннее строение композита с учетом нагрузок, при которых он будет эксплуатироваться.

Внутренняя геометрия высокопрочного композита обычно напоминает строение фанеры; он состоит из тонких слоев, каждый из которых армирован волокнами, ориентированными в одном направлении. Такие слоистые структуры получают обычным способом производства перспективных композитов с полимерной матрицей — предварительной пропиткой лент или слоев и их сборкой вручную. Последовательные слои могут быть ориентированы в различных направлениях, что придает материалу прочность и жесткость в нескольких направлениях. Недостатком таких композитов является отсутствие поперечного армирования как между слоями, так и в одном слое. Под действием экстремальной нагрузки композит может расслоиться, а волокна внутри слоя разделиться.