Ананьин С.В., Ананьева Е.С., Маркин В.Б. Композиционные материалы. Часть 2

Подождите немного. Документ загружается.

сутствии. Так, в случае кристаллических полимеров, обладающих более высокой

степенью молекулярной упорядоченности и более сильным межмолекулярным

взаимодействием, наполнителя.

Установлено, что возрастание вязкости расплава происходит не только за

счёт увеличения количества вводимого наполнителя, но и в результате взаимо-

действия полимера и волокна, обуславливающего ограничение подвижности мо-

лекулярных цепей и зависящего от структуры

термопласта. Так, в случае кри-

сталлических полимеров, обладающих более высокой степенью молекулярной

упорядоченности и более сильным межмолекулярным взаимодействием, затруд-

нено образование дополнительных связей с поверхностью наполнителя, что под-

тверждается меньшей адгезией наполнителя к термопласту и незначительным из-

менением температуры плавления.

Расплавление порошка полимера в присутствии наполнителя производят в

большинстве случаев

в экструдерах. Этот метод получил наиболее широкое рас-

пространение. Наполненный термопласт, выходящий из экструдера, гранулиру-

ют. Существует несколько разновидностей метода:

• раздельная дозированная подача компонентов в материальный цилиндр

экструдера и совмещение процессов смешения с расплавлением термопла-

ста;

• предварительное смешение полимера и наполнителя с последующей пода-

чей смеси для расплавления и

экструдирования;

• введение пучка непрерывных волокон в расплав полимера, экструдирова-

ние массы и гранулирование.

Слоистые пластики получают прессованием пакета с чередующимися

слоями плёнки термопласта и ткани. В связи с тем, что вязкость расплавов термо-

пластов весьма высока и на несколько порядков превышает вязкость расплавов

термореактивных смол, применяемых для пропитки тканей,

получать монолит-

ный слоистый материал очень трудно. Для того чтобы связующее полностью за-

полнило межтканевое и межслоевое пространство, необходимо применять доста-

точно толстую плёнку термопласта, что снижает степень наполнения армирован-

ного материала. Если же уменьшить толщину плёнки, то при расплавлении тер-

мопласта возможно образование пустот в результате разрывов тонкого слоя тер

мопласта при контакте с тканью, а также неполное обволакивание наполнителя

связующим и, следовательно, ухудшение свойств армированного материала. При

повышении давления прессования не всегда достигается желаемый результат, т.к.

появляется опасность разрушения наполнителя, что, безусловно, сказывается на

значениях показателей механических свойств композита.

2.3 Основные виды термопластов, особенности их свойств и применения

Среди термопластов наиболее разнообразно применение материалов из

полиэтилена, поливинилхлорида и полистирола, преимущественно в виде гомо-

генных или эластифицированных материалов, реже газонаполненных и напол-

ненных минеральными порошками или порошками стеклянными, углеродными

либо синтетическими органическими волокнами.

Пластики с высокой термопластичностью (100-130°С) и с устойчивостью

свойств при повышенных температурах производят на основе полипропилена,

полиформальдегида, поликарбонитов, полиакрилатов, ароматических полиами-

дов. Особенно быстро расширяется номенклатура изделий, изготавливаемых из

поликарбонатов, в том числе наполненных стекловолокном.

Для деталей работающих в узлах трения, широко применяются пластики

из алифатических полиамидов, наполненных теплопроводящими материалами

(

полиамидные пластмассы, графитопласты, металлонаполненные пластики).

Особенно высока химическая стойкость, прочность к ударным нагрузкам и

диэлектрические свойства пластиков на основе политетрафторэтилена и сополи-

меров тетрафторэтилена. В материалах на основе полиуретанов удачно сочетается

износостойкость с морозостойкостью и длительной прочностью в условиях зна-

копеременных нагрузок. Полиметилметакрилат используют для изготовления оп-

тически прозрачных атмосферостойких материалов

, применяемых в качестве уда-

ропрочных, легких, легко штампуемых, механически обрабатываемых и свари-

ваемых органических стёкол.

Отсутствие реакции отверждения во время формования термопластов дает

возможность предельно интенсифицировать процесс переработки, производить

вакуум и пневмоформование ранее изготовленных листов и профилей, раздув

трубчатых заготовок в пленке

и полые изделия, сборку сложных конструкций

сваркой и повторное формование амортизированных изделий. Поскольку вяз-

кость расплава высокомолекулярных полимеров велика, формование термопла-

стов на литьевых машинах или экструдерах требует удельных давлений 300-1300

кгс/см

Развитие производства термопластов направленно на создание материалов

из тех же полимеров, но с новыми сочетаниями свойств, применением эластифи-

каторов, порошковых и высокомодульных коротковолокнистых наполнителей.

Первые шаги по использованию наполненных термопластов в авиа-, авто и

судостроении, электропромышленности, строительстве, при изготовлении дета-

лей бытового назначения и т.д. подтвердили целесообразность и экономическую

эффективность применения таких материалов. Изготовление корпусов электро-

двигателей, труб, вентилей, тарных ёмкостей, декоративно-отделочных панелей,

изделий антифрикционного назначения, воздухозаборников, ёмкостей для хими-

чески активных сред, зубчатых передач, штепсельных разъёмов, изделий для

сельскохозяйственной авиации и многих других - вот далеко не полный перечень

возможных областей использования термопластов, наполненных волокнами.

3 КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ

Композиционные материалы должны состоять из компонентов, которые до-

полняют друг друга и являются полностью совместимыми.

В композиционных материалах высокомодульный армирующий компонент

комбинируется с матрицей, которая выбирается из соображений простоты изготов-

ления из нее металлической конструкции. Кроме того, химическое и механическое

взаимодействие между двумя фазами должно

быть незначительным.

К наиболее важным свойствам, позволяющим разрешить проблему совмес-

тимости компонентов в случае матрицы из смолы, относятся в основном химическая

инертность армирующего компонента (обычно волокна) при умеренных температу-

рах изготовления материала, а также большая упругая податливость матрицы.

У композиционных материалов с металлической матрицей температура изго-

товления обычно более высокая

и матрица имеет модуль упругости на один или два

порядка выше, чем у органических матриц из смол, поэтому проблемы химической

и механической совместимости в этих материалах гораздо более серьезны. Возник-

новение вышеуказанных проблем связано со свойствами, присущими матрице и ар-

мирующему компоненту.

Проблема химической совместимости в композиционных материалах с ме-

таллической

матрицей решается двумя путями: использованием низкотемператур-

ной (в твердом состоянии) техники изготовления или выбором термодинамически

стабильных составляющих фаз, находящихся в равновесии друг с другом. Соответ-

ствующая термомеханическая совместимость достигается путем использования пла-

стичной матрицы, которая деформируется и принимает на себя все различные де-

формации, возникающие при термической обработке или путем

выбора матрицы и

армирующего компонента, имеющих близкие температурные коэффициенты линей-

ного расширения.

Композиционный материал с металлической матрицей имеет ряд преиму-

ществ, которые очень важны при использовании конструкционных материалов; Эти

преимущества создаются благодаря комбинации следующих свойств: высокой

прочности; высокого модуля упругости; высоких вязкости и ударной вязкости; ма-

лой чувствительности к изменениям температуры

или тепловым ударам; высокой

поверхностной стойкости и малой чувствительности к поверхностным дефектам;

высокой электро- и теплопроводности; хорошей воспроизводимости свойств, а так-

же хорошей технологичности основы при конструировании, производстве, обработ-

ке давлением и формоизменении, соединении и окончательной механической обра-

ботке, [14].

Конструкционные сплавы с высокой прочностью по сравнению с конструк-

ционными керамиками

или органическими материалами могут быть использованы в

композиционных материалах в качестве матрицы. Прочность матрицы особенно

важна для обеспечения свойств композиционного материала в участках,

расположенных вдали от армирующего компонента под некоторым углом к направ-

лению его расположения. Такие свойства, как прочность в поперечном направлении

относительно направления волокон, прочность при кручении, прочность на

сдвиг

между слоями главным образом контролируются свойствами матрицы. Это спра-

ведливо как при статическом нагружении, так и в условиях ползучести, цикличе-

ских нагрузок. Прочность соединения или связи в композиционном материале также

контролируется матрицей. Более высокая прочность матричного металла позволяет

сберечь дорогостоящий упрочняющий компонент.

Борсик-

алюминий

Боропластик Углепластик Титан

7900 10800 10600 2500

а)

500 1000 480 2500

б)

2500 350 300 1000

В)

Рисунок 3.1 - Удельный модуль упругости различных аэрокосмических

материалов(50 об. % волокон):

а — модуль упругости

в продольном направлении Е

(кгс/мм

); б — модуль

упругости в поперечном направлении Е

(кгс/мм

); в — модуль сдвига G

(кгс/мм

Высокий модуль упругости металлических матричных сплавов по сравнению

с органическими материалами особенно важен в высоко модульных композицион-

ных материалах. На рисунке 3.1 сравниваются удельные модули упругости несколь-

ких композиционных материалов, армированных волокнами. Отметим, что хотя

композиционный материал бор — эпоксидная смола с однонаправленным располо-

жением волокон имеет наиболее высокие значения удельного модуля

упругости в

направлении волокон. Удельный модуль сдвига также выше для металла, армиро-

ванного волокнами. Коэффициент жесткости (E/d) очень важен для динамических

конструкций, таких, как лопасти вентилятора газовой турбины и крупногабаритные

самолетные профили.

Высокие пластичность и ударная вязкость металлических матричных сплавов

наиболее важные свойства в композиционных материалах, так как армирующий

компонент не

обладает хорошей ударной вязкостью. Пластичные металлические

матрицы, такие, как алюминий, титан или никелехромовые сплавы при ударных на-

грузках поглощают энергию пластической деформации, что очень важно для многих

областей использования динамических конструкций. Пластичная матрица также по-

зволяет притуплять вершину трещины и уменьшать концентрацию напряжений в

результате пластической деформации, что приводит к повышению вязкости разру-

шения материала.

Важное

преимущество металлов как материала матрицы для высокомодуль-

ных композиционных конструкций — сравнительная нечувствительность свойств

металла к изменению температуры. Низкое сопротивление тепловым ударам кера-

мических материалов по сравнению с металлами часто ограничивает их использова-

ние. Свойства матриц из органических смол крайне чувствительны к изменениям

температуры, особенно вблизи критической температуры стеклования полимера.

Смолы имеют

тенденцию не только разупрочняться при умеренно повышенных

температурах, но их сопротивление окислению, коррозии и эрозии резко падает при

повышенных температурах. Промышленные сплавы па основе алюминия, титана и

никеля значительно менее чувствительны к изменениям температуры или теплосме-

нам.

Конструкционные промышленные сплавы промышленные сплавы обычно

менее чувствительны к поверхностным дефектам, чем керамики

или органические

смолы, и их поверхность более устойчива. В керамике небольшие трещины, обра-

зующиеся в результате эрозии, истирания или коррозии могут катастрофически

снижать прочность керамического материала из-за высокого коэффициента упруго-

сти и неспособности керамики залечивать эти дефекты и надрезы путем пластиче-

ского течения. Небольшие трещины служат сильными концентраторами напряже-

ний

и ослабляют материал. В органических полимерах процессы, включающие ис-

тирание, эрозию и коррозию, могут вызывать поверхностные повреждения вследст-

вие относительно низкой твёрдости и прочности материала.

Многие смолы чувствительны к влаге и имеют тенденцию к образованию по-

ристости. К тому же смолы зачастую более склонны к окислению при умеренных

температурах и

ультрафиолетовом облучении, чем сплавы алюминия или титана.

Сплавы, используемые в качестве металлических матриц, имеют высокие

электро- и теплопроводность, что способствует диффузии и исключает повышение

температуры и концентрацию электрических зарядов у точечных дефектов. Удары

молнии или горячего газа являются менее опасными в металлических композициях,

чем в полимерных, так как ударная энергия (электрическая

или тепловая) может бы-

стро отводиться.

Одно из наиболее важных и ценных качеств металлических матриц — от-

личная воспроизводимость свойств деформированного металла. Ни для какого дру-

гого промышленного материала не может быть осуществлен такой точный контроль

механических и физических свойств, как для металлических сплавов, используемых

в динамических конструкциях. Эта особенность матричных

сплавов также очень

важна в высокомодульных композиционных материалах, где существенны не только

свойства матрицы, но и некоторые свойства соединения и поверхностей разделов,

которые должны быть постоянны и воспроизводимы.

Ценность сплавов как металлических матриц, применяемых в высокомо-

дульных материалах, заключается еще в том, что они обладают хорошей техноло-

гичностью. Такая технологичность, наряду с длительностью службы, обеспечивает

их применение при разработке машиностроительных конструкций, производстве

сложных металлических изделий, включающем операции обработки давлением и

соединения, а также технику окончательной отделки и покрытия.

Резюмируя, отметим, что композиционные материалы с металлической мат-

рицей требуют разработки усложнённой технологии с целью реализации преиму-

ществ, которые они

могут дать в инженерных конструкциях. При разработке этих

композиционных материалов следует тщательно рассмотреть проблемы химической

и механической совместимости двух фаз. Вследствие высоких прочности и модуля

упругости матрицы взаимодействие между матрицей и упрочняющим компонентом

происходит в большей степени, чем в случае композиционных материалов с матри-

цей из смолы. Кроме того, многие

из свойств металлических сплавов, полезных для

инженерных конструкций, позволяют использовать указанные сплавы в качестве

матрицы композиционных конструкционных материалов.

3.1 Типы композиционных материалов с металлической матрицей

Композиционные материалы с металлической матрицей могут быть упроч-

нены вторыми фазами: трехмерными упрочнителями (микрочастицы), двумерными

упрочнителями (пластины) и одномерными упрочнителями (волокна) — каждый из

этих классов упрочнителей

имеет свои преимущества и особенности. В общем ком-

позиционные материалы применяются в совершенно различных областях, [14].

3.1.1 Композиционные материалы, упрочненные частицами

Под композиционными материалами, упрочненными частицами, здесь под-

разумевают системы, имеющие более чем 20 об.% твердой упрочняющей дисперс-

ной фазы и не включающие класс дисперсноупрочненных металлов, которые имеют

значительно меньшую объемную долю дисперсной

фазы. К тому же диаметр частиц

и расстояние между ними в композиционных материалах гораздо больше (обычно

более 1 мкм), чем в дисперсноупрочненных металлах (0,01—0,1 мкм). Такое рас-

стояние между частицами в дисперсноупрочненных металлах является наиболее

подходящим для осуществления дислокационного взаимодействия. В композицион-

ных материалах, упрочненных частицами, такими, как карбид вольфрама — ко-

бальт, упрочняющую

фазу считают основной, несущей нагрузку, а матрицы служат

для передачи нагрузки или для облегчения изготовления материала.

Высокий коэффициент стеснения пластической деформации матрицы, вы-

званный твердым упрочняющим компонентом, используется для того, чтобы пре-

дотвратить течение в матрице. В основном прочность композиционного материала

увеличивается линейно по мере снижении объемной доли матрицы. Однако

теку-

честь и пластическое течение могут иметь место, а удлинение при разрушении ино-

гда достигает 30%. Это значение намного превосходит возможное удлинение волок-

нистых композиционных материалов, нагруженных в направлении расположения

хрупкой упрочняющей фазы. Такое различие обусловлено тем, что для удлинения

композиционных материалов, упрочненных волокнами или пластинами, необходима

деформация самой упрочняющей составляющей.

Упрочнение

трехмерными частицами может привести к получению материа-

лов с изотропными свойствами, так как материал симметрично распределен по

трем ортогональным плоскостям. Однако композиционный материал, упрочненный

частицами, не является гомогенным и свойства его чувствительны не только к свой-

ствам компонентов, но и к свойствам поверхности разделов и геометрии распреде-

ления. Прочность композиционных материалов, упрочненных частицами, обычно

зависит от диаметра частиц, расстояния между ними и объемной доли упрочняющей

фазы. Свойства матрицы, включая коэффициент деформационного упрочнения, ко-

торый

повышает эффективность стеснения пластической деформации упрочните-

лем, также важны.

3.1.2 Слоистые композиционные материалы

Здесь слоистые композиционные материалы рассматривают как материалы,

упрочненные повторяющимися слоями упрочняющего компонента с высоким моду-

лем упругости и прочностью, которые располагаются в более пластичной и хорошо

обрабатываемой металлической матрице. Межпластинчатые расстояния имеют мик-

роскопический размер, так что

в конструкционных элементах материал может рас-

сматриваться как анизотропный и гомогенный в соответствующем масштабе. Эти

композиции относятся к конструкционным материалам, и поэтому не включают

многие типы плакированных материалов, в которых слой может рассматриваться

как конструкционный элемент с защитным от окружающей среды покрытием, яв-

ляющимся вторым компонентом конструкционного материала. В качестве примера

конструкционного слоистого композиционного материала можно привести компо-

зицию карбид бора — титан, в которой упрочняющим повторяющимся компонен-

том служат пленки карбида бора толщиной 5—25 мкм, полученные методом хими-

ческого осаждения из паров. Другим примером являются эвтектические композици-

онные материалы, такие, как Ni—Мо и Al—Си, в которых две фазы кристаллизуют-

ся в виде

чередующихся пластинок. Оба этих эвтектических композиционных мате-

риала состоят из пластичной металлической матрицы, упрочненной более прочной

пластинчатой фазой с более высоким модулем упругости.

Константа упругости конструкционных слоистых композиционных материа-

лов может быть предсказана в соответствии с теорией слоев.

В любом из главных направлений упрочненной пластины модуль упругости

получают из уравнения смеси

CММRR

EVEVE

(3.1)

где Е

, Е

и Е

— модули упругости упрочняющего компонента, матрицы и

композиционного материала соответственно; V

и V

— объемные доли волокна и

матрицы.

Другие константы упругости анизотропного материала несколько более

сложны для расчета, но могут быть точно предсказаны.

Прочность слоистых композиционных материалов более тесно связана со

свойствами упрочнителей в массивном сечении, чем со свойствами малых по объе-

му (одномерных) упрочнителей, таких, как усы (нитевидные кристаллы) или волок-

на.

Так как упрочняющие пластины имеют два размера, которые сравнимы по вели-

чине с размерами конструкционных деталей, дефекты в упрочняющем компоненте

могут являться зародышами трещин длиной, сопоставимой с длиной трещин в дета-

ли. Такое действие дефектов в пластинчатом композиционном материале противо-

положно тому действию, которое оказывают дефекты на зарождение трещин в во-

локнистых композиционных материалах. В волокнах, находящихся под растяги-

вающей осевой нагрузкой, трещина распространяется в поперечном направлении,

поскольку площадь поперечного сечения волокна мала по сравнению с поверхно-

стью всего образца.

Наиболее важные упрочняющие материалы по своей природе хрупки, их

прочность связана

со статистическим распределением плотности и интенсивности

дефектов. Такие армирующие фазы подчиняются классическому механизму разру-

шения, установленному Гриффитсом, и прочность их обратно пропорциональна

размеру. Эта зависимость прочности от размера у хрупких материалов была иссле-

дована Вейбулом. Прочность слоистых конструкционных композиционных мате-

риалов ограничена до некоторой степени более низкой прочностью упрочняющих

слоёв (

фолы) по сравнению с волокнами. К тому же низкая величина деформации

при разрушении хрупкой упрочняющей фазы ограничивает удлинение и пластич-

ность композиционного материала во всех направлениях и плоскости армирования.

Однако прочность и модуль упругости армирующей фазы реализуются по всем на-

правлениям плоскости, что даст значительные преимущества по сравнению с одно-

направленным

армированием волокнами.

3.1.3 Композиционные материалы, армированные волокнами

Свойства МКМ армированных непрерывными волокнами можно представить

используя кривые "напряжение - деформация" . При этом предполагается, что мак-

роскопические деформации матрицы, волокна и КМ одинаковы. Кривые «напряже-

ние — деформация» МКМ должны лежать между деформационными кривыми во-

локна и матрицы. Причем напряжение в КМ должно быть

пропорционально объем-

ной доли волокна, рисунок 3.2.

Рисунок 3.2 – Кривые «напряжение — деформация» металлокомпозитов при

растяжении.

E %

III

Волокно

=0,5

=0,25

=0,1

Мат

Если выбрана пластичная матрица, то её текучесть обнаруживается уже при

очень малой деформации ( область I занимает на всей кривой небольшой участок).

Рисунок 3.3 - Схематическая кривая «напряжение — деформация» компози-

ционного мате риала с металлической матрицей:

I—упругое волокно, упругая матрица; II — упругое волокно, пластичная

матрица, III — пластичные волокно и матрица, IV — разрушенное

волокно.

На первой стадии происходит упругая деформация матрицы и волокон (ри-

сунок 3.3). Модуль упругости, полученный экспериментально, будет равен

ММFFC

VEVEE

(3.2)

где V

— объемная доля матрицы; V

— объемная доля волокон. Розен и др.

показали, что уравнение (3.2) отвечает теоретически нижней границе модуля, когда

коэффициенты Пуассона двух фаз почти равны. То же выражение справедливо для

условия упругого сжатия. Более высокие значения модуля могут быть подучены в

случае несоответствия коэффициента Пуассона. Таким образом, простое правило

аддитивности смесей, примененное к области

упругости, оказалось очень полезным

для предсказания поведения композиционного материала.

Однако необходимо рассмотреть другие дополнительные факторы, например

пористость, которую можно условно принять за нулевую фазу, имеющую модуль

упругости и предел прочности, равные нулю. Пористость наиболее сильно снижает

модуль упругости композиционного материала.

Для определения влияния пористости материала на модуль упругости был

разработан

ряд эмпирических уравнений. Мак-Адам при изучении порошковой ме-

таллургии железа использовал выражение

()

CEE −=

(3.3)

где Е

— модуль упругости с учетом пористости.

Напряжение

Деформация

III

Вторая стадия на рисунке 3.3 включает область, в которой волокно растяги-

вается упруго, а матрица — пластически. Так как обычно объемная доля волокна

высокая и оно имеет значительно более высокий модуль упругости, чем матрица, Е

почти равно Е

Отметим, что хотя модуль Е

почти ранен Е

(85% при 50 об.% бора в ком-

позиции алюминий — бор), он не представляет собой истинный модуль упругости.

Деформация композиционного материала в области II вызывает некоторое постоян-

ное удлинение, а релаксация приложенного напряжения оставляет волокно упруго-

растянутым, в матрице при этом возникают остаточные сжимающие напряжения.

Применение циклической деформации в этой области вызывает эффект гистерезиса

и изменяет действие любой предварительной термомеханической обработки.

Третья стадия (рисунок 3.3) наблюдается, когда оба компонента (волокно и

матрица) претерпевают пластическую деформацию и представляют собой обычное

пластическое растяжение двух фаз. При этом деформация компонентов в компози-

ционном материале может отличаться от деформации отдельно нагруженных ком-

понентов в отношении образования шейки или другого типа

негомогенного пласти-

ческого течения. Для некоторых пластичных волокон начало шейкообразования за-

держивается вследствие стесняющего действия матрицы. Этот эффект, отмеченный

Пилеромом в системе серебро — сталь, привел к более высокой прочности компо-

зиции, чем суммированная прочность компонентов.

Рисунок 3.4 - Силы, воздействующие на упрочняющее волокно:

а — растягивающее напряжение, действующее на поперечное сечение

/4;

τ— напряжение сдвига, воздействующее на площадь

Четвертая стадия на кривой зависимости напряжения от деформации, приве-

денной на рисунке 3.3, соответствует разрушению высокопрочных волокон. На этой

стадии матрица передает нагрузку от концов разрушенного волокна к неразрушен-

ным частям и течет вокруг открытых пор или трещин. Эта стадия обычно заканчи-

вается разрушением композиционного материала. При достаточной пластичности

матрицы

и динамических нагрузках, связанных с многократными разрушениями во-

локна, не приводящих к катастрофическому разрушению, композиционный матери-

ал может остаться невредимым, если объемная доля волокна меньше критической

величины. Четвертая стадия аналогична стадии деформации композиционного ма-

териала, содержащего прерывистые волокна. При наличии дискретных волокон

матрица передает нагрузку в результате развития сдвиговых напряжений на

поверх-