Определение упругих характеристик слоистых пластиков

Термопластичные матрицы
В настоящее время получает развитие производство термопластичных композиционных материалов (ТКМ) на основе твердофазного совмещения непрерывных армирующих и термопластичных волокон по так называемым “волоконной” и “пленочной” технологиям [4, 9, 10]. Суть “волоконной” технологии заключается в максимальном приближении термопластичного связующего в виде волокон к волокнам армирующего материала. Создается тканый полуфабрикат (ткани, лента, трикотаж и др.), состоящий из армирующих волокон и волокон термопластичного связующего с взаимно максимальным их приближением друг к другу.
Возможность чередовать непрерывные матричные и армирующие волокна с заданной регулярностью с надежной фиксацией схемы армирования структуры на всех стадиях переработки полуфабрикатов создала предпосылки создания целой гаммы перспективных КМ. Необходимо подчеркнуть, что “волоконная” технология отличается экологической чистотой и неограниченным сроком хранения полуфабрикатов по сравнению с жидкофазным совмещением традиционных технологий получения полуфабрикатов КМ.
Физико-механические характеристики некоторых термореактивных матриц приведены в табл. 2.1.
К ним относятся легкие металлы и сплавы. Наибольшее использование в качестве матриц получили алюминий, магний и их сплавы, что объясняется благоприятным сочетанием физико-механических и технологических свойств при создании термостойких композиционных материалов [2, 3, 12, 17, 30].
Наибольшее применение металлические матрицы получили в изделиях из КМ в авиационной технике.
Композиционные материалы углеалюминий, углеалюминий-магний в настоящее время находят применение в производстве поршней для двигателей внутреннего сгорания.
Таблица 2.1
Физико-механические свойства термореактивных матриц

	Матрица
Характеристика	эпоксидная	полиэфирная	фенолформаль-дегидная	полиимидная
Плотность, 10^3, кг /м^3	1,1 ... 1,4	1,1 ... 1,5	1,2 ... 1,36	1,20 ... 1,45
Модуль упругости при растяжении, ГПа	1,9 ... 5,0	1,5 ... 4,5	1,4 ... 6,8	3,2 ... 5,5
Модуль сдвига G, ГПа	0,8 ... 1,5	1,0 ... 1,9	1,0 ... 1,4	-
Коэффициент Пуассона, 	0,34 ... 0,4	0,35 ... 0,42	0,35	-
Предел прочности, МПа:
- при растяжении	27,4 ... 140	23 ... 70	23 ... 78	90 ... 95
- при сжатии	85 ... 274	50 ... 250	68,5 ... 205	250 ... 280
- при сдвиге	42 ... 53	38 ... 48	-	-
Предельное удлинение, %	1,2 ... 9	1,0 ... 6,0	0,4 ... 3,0	1,0 ... 4,0
Объемная усадка, %	0,5 ... 3,6	4 ... 15	0,5 ... 7,0	0,5 ... 2,0
Теплостойкость по Мартенсу, С	140 ... 150	50 ... 60	140 ... 180	250 ... 370
Коэффициент линейного расширения,   10^-5, 1/ С	4,8 ... 8,0	6,0 ... 9,0	6,0 ... 8,0	5,0 ... 5,8
Водопоглощение за 24 ч, %	0,03 ... 0,3	0,15 ... 0,6	0,15 ... 0,6	0,01 - 0,6

Керамические матрицы используются для создания КМ, работающих в условиях высоких температур ( Т > 1000С, лопатки газовых турбин, камеры сгорания и др.).

В поле зрения практического использования наибольший интерес представляют нитрид кремния Si₃ N₄, кремний Si, нитрид бора BN, карбид кремния SiC. Эти керамические материалы обладают наилучшей комбинацией высокотемпературной прочности и стойкостью к горячей коррозии. Однако из-за хрупкого характера разрушения и неспособности к рассеянию концентрированных напряжений при низких и средних температурах керамические матрицы чувствительны к тепловому удару и надрезу.
Непропитанные волокнистые материалы (волокна, нити, жгуты, ткани, трикотаж и др.), образующие определенную плоскую или пространственную структуру, называют армирующими каркасами. Армирующие каркасы подразделяются на четыре категории: дискретную, непрерывную, одномерную, плоского переплетения (двухмерную) и пространственную интегрированную [11, 16, 32].
В дискретной волокнистой системе ориентация волокон хаотична и не поддается точному контролю.
Для структур второй категории характерна наивысшая степень непрерывности и линейности волокон. В этих структурах реализуется наибольшая эффективность свойств волокон. Подобные структуры характерны для намоточных волокнистых систем. Недостаток армирующих каркасов намоточных волокнистых систем заключается в их низкой внутри- и межслоевой прочности.

в Д

Рис. 2.2 Структуры тканых ( а ), вязаных ( б ), плетеных ( в ) и
нетканых ( Д ) армирующих материалов [32]
В производстве композитов используются различные типы тканей. Они различаются между собой по весу, толщине, типу и номеру нити, по типу переплетения. Наибольшего применения получили ткани трех основных типов переплетения: полотняного, саржевого и сатинового. В ткани полотняного переплетения (рис. 2.2, а) основа и уток взаимно переплетаются. Саржевая ткань соткана так, что на ее поверхности получается характерный узор из диагональных полос. В ткани сатинового переплетения каждая нить основы или утка проходит над несколькими нитями утка или основы. Применяя ткани различных типов, можно получать композиты с различными прочностными и технологическими свойствами. Наиболее высокими прочностными свойствами обладают ткани сатинового переплетения, так как нити в них в основном прямолинейны. Ткацкая технология позволяет получать ткани разной ширины, в виде рукавов или полотен с различными конструкциями основы и утка с дополнительными проложенными (непереплетающимися) системами нитей.
К недостаткам тканых материалов с точки зрения конструирования некоторых композитных изделий относятся ограниченная способность облегания криволинейных поверхностей (формуемость), слабое сопротивление сдвигу в плоскости, низкая эффективность реализации прочностных свойств волокон в ткани по отношению к растягивающим нагрузкам из-за непрямолинейности нитей основы и утка, обусловленной характером процесса ткачества. Ткани, образованные системой трех нитей, переплетающихся под углом 60 , характеризуются меньшей анизотропией, повышенной сдвиговой жесткостью, более однородной формуемостью. Тем неменее ни один из тканых материалов не обладает способностью к вытяжке, достаточной для реализации глубокого формования.

Рис. 2.8 Химическая структура волокна кевлар

Таблица 2.7

Свойства органических волокон

Плотность, кг/ м^3 1440

Диаметр одиночного волокна, мкм 12

Предел прочности при растяжении , МПа 2758

Удлинение при разрыве, % 2,4

Модуль упругости при растяжении, Гпа 130

Модуль упругости при изгибе, ГПа 105

Динамический модуль упругости, ГПа 137

Органоволокна не претерпевают при нагревании резких изменений свойств вплоть до разложения при высоких температурах. В табл. 2.8 представлены механические и теплофизические свойства органоволокон при различных температурах.
Армирующие материалы из органоволокон выпускаются в виде технических нитей с различной линейной плотностью и структурой, в виде пряжи, ровнинга и тканей.