Леонов В.В., Артемьева О.А., Кравцова Е.Д. Материаловедение и технология композиционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

211

дешевизна приспособления для проведения испытаний; простота установки в

испытательной машине и проведения испытаний; воспроизводимость вида

разрушения, его местоположения и численного значения прочности;

применимость для определения упругих характеристик и исследования

влияния окружающей среды; нечувствительность к способу крепления.

Удовлетворить всем этим требованиям трудно, поэтому для определения

прочности и упругих постоянных применяются образцы разной формы и

размеров.

Форма образцов из композитов в значительной степени зависит также

от цели испытаний: проверки научных гипотез, технической паспортизации

материалов, контроля качества материалов.

5.1.3. Определение содержания арматуры в КМ и

плотности композита

Важными параметрами. определяющими свойства композитов,

являются объемное () и массовое (

мас

) содержание арматуры. Связь между

ними выражается формулами:

масмас

мас

АмасмасМ

масМ















)1(







 (75)

)1(

МА















(76)

Из этих формул видно, что при пересчете массового содержания

арматуры в объемное или наоборот необходимо знать плотность арматуры

(

) и матрицы (

) композита.

Метод определения плотности жестких пластмасс стандартизован

(ГОСТ 15139—69; ASTM D 792-60). Ввиду отсутствия специализированных

стандартов стандарты по определению плотности жестких пластмасс

распространяется и на армирующие волокна и композиты в целом.

Содержание арматуры в композитах определяется тремя методами:

растворением полимерной матрицы, выжиганием ее и гравиметрическим

методом.

Выбор растворителя зависит от материала матрицы. Стандартом ASTM

D 3171—76 предусмотрены следующие реагенты:

для растворения эпоксидных матриц — ацетон и азотная кислота (70%-

ный раствор, не менее) или ацетон, диметилформамид, этиленгликоль,

гидрооксид калия;

212

для растворения фенольных и полиимидных матриц - ацетон, перекись

водорода (50%-ный раствор), серная кислота (96-98%-ный раствор).

Последовательность действий при растворении матрицы описана в

стандарте.

Метод выжигания матрицы отличается от метода растворения только

способом удаления матрицы: образец после взвешивания помещается в печь

с определенной постоянной температурой (зависит от материала арматуры)

до полного выжигания матрицы.

При растворении или выжигании матрицы неизбежны некоторые

потери арматуры. Если эти потери превышают полпроцента, то вносится

поправка, которая определяется при выдерживании чистой арматуры такого

же качества и в таком же количестве в тех же условиях, как при растворении

или выжигании матрицы. Эта поправка приближенная, так как при удалении

матрицы арматура хотя бы временно защищена связующим.

Массовая доля арматуры определяется исходя из массы композита

(исходного образца) М

и массы арматуры после удаления матрицы М

мас



. (77)

Для определения объемного содержания арматуры  необходимо знать

еще плотность композита 

и арматуры 





(78)

Если известна также плотность матрицы 

, то можно определить

объемное содержание пустот

/)ММ(

МАК









(79)

По гравиметрическому методу объемное содержание арматуры:

МА

МК





(80)

Гравиметрический метод является точным только в случае полного

отсутствия в композите пустот.

У многих волокон плотность меняется в весьма широких пределах. В

таких случаях приведенные выше методы определения объемного

содержания арматуры могут дать лишь приближенные результаты.

213

Контрольные вопросы:

1. Как делятся методы испытаний КМ по характеру воздействия?

2. Какие применяются методы испытаний КМ по способу нагружения?

3. От чего зависит модуль упругости материала?

4. На образцах какой формы, проводятся испытания ?

5. Чем отличается метод выжигания матрицы от метода растворения?

Лекция 25 лекция Конструирование с применением КМ

Основные требования, предъявляемые к конструкционным композиционным материалам

Основы структурного конструирования

Сандвичевые конструкции

Материалы для несущих пластин

Пригодность материалов

Материалы для заполнителей

Сотовые структуры

Основные данные по сотовым структурам

5.2. КОНСТРУИРОВАНИЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ

КМ

Комбинирование различных веществ остается сегодня одним из

основных способов создания новых материалов. Большинство современных

конструкционных материалов представляют собой композиции, которые

позволяют техническим изделиям обладать определенным сочетанием

эксплуатационных свойств, например железобетонные конструкции,

стеклопластиковые баллоны давления, автомобильные шины и т. п. Во всех

случаях — это система разных материалов, каждый из составляющих

которой имеет свое конкретное назначение применительно к

рассматриваемому готовому изделию. Ни резина, ни корд автомобильной

шины не могут выполнять своей функции независимо, они используются

совместно и должны рассматриваться как единая композиция. Совместная

работа разнородных материалов дает эффект, равносильный созданию нового

материала, свойства которого и количественно и качественно отличаются от

свойств каждого из его составляющих.

5.2.1. Основные требования, предъявляемые к

конструкционным композиционным материалам

К конструкционным относятся материалы, из которых изготавливаются

конструкции и детали машин, воспринимающие механические нагрузки. В

конструкциях материалы могут испытывать различные воздействия,

связанные, например, с видом нагрузки (растяжение, сжатие, изгиб),

характером нагружения (статический, динамический) и, наконец, действием

окружающей среды (температура, влажность и т. п.). Перечисленные

факторы определяют комплекс конструктивно-эксплуатационных

214

требований, предъявляемых к конструкционным материалам. Способность

материалов удовлетворять комплексу требований выявляется при анализе их

механических свойств, т. е. характеристик, определяющих поведение

материала под действием приложенных внешних механических сил.

При оценке механических свойств материалов различают несколько

видов показателей.

1. Показатели свойств материалов, определяемые вне зависимости от

конструктивных особенностей и характера службы изделий. Эти

показатели определяются путем стандартных испытаний образцов на

растяжение, сжатие, изгиб, твердость. Прочностные и пластические

свойства, определяемые при статических испытаниях на гладких

образцах, не полностью характеризуют прочность материала в

реальных условиях эксплуатации. Полученные характеристики могут

быть использованы лишь для расчета деталей и конструкций,

работающих при нормальных (комнатных) условиях и действии

статических нагрузок.

2. Показатели конструктивной прочности материалов, характеризующие

их работу в условиях эксплуатации конкретного изделия.

К этим показателям относятся характеристики долговечности изделий

(усталостная прочность, износоустойчивость, коррозионная стойкость) и

надежности материала в изделии (вязкость разрушения, энергия,

поглощаемая при распространении трещины, живучесть при циклическом

нагружении и т. д.)

Проблема повышения конструкционной прочности состоит не только в

повышении прочностных свойств, но и в том, как при высокой прочности

обеспечить высокое сопротивление вязкому разрушению, т. е. повысить

надежность материала.

В дисперсно-упрочненных материалах заданные прочность и

надежность достигаются путем формирования определенного структурного

состояния, при котором эффективное торможение дислокаций сочетается с

их равномерным распределением в объеме материала либо (что особенно

благоприятно) с определенной подвижностью скапливающихся у барьеров

дислокаций для предотвращения хрупкого разрушения.

Возможность получения дисперсно-упрочненных композитов заданной

структуры можно продемонстрировать на примере гетерогенных сплавов,

подвергнутых закалке и старению. Во многих сплавах после затвердевания

происходят фазовые превращения, связанные с изменением взаимной

растворимости компонентов в твердом состоянии. Неустойчивый

пересыщенный твердый раствор при нагреве (а в некоторых случаях и при

комнатной температуре) начинает распадаться. На начальных стадиях

распада в пересыщенном твердом растворе образуются объемы,

обогащенные компонентом растворенного вещества. При дальнейшем

распаде твердого раствора эти зоны растут, образуя ультрадисперсные

частицы, равномерно распределенные в объеме материала.

215

Упрочнение при старении объясняется тем, что при деформировании в

случае встречи частиц избыточной фазы дислокации вынуждены либо

огибать эти частицы, либо их перерезать, на что требуется приложение

дополнительной работы.

У волокнистых композитов матрица (чаще всего пластичная)

армирована высокопрочными волокнами, проволокой, нитевидными

кристаллами. Идея создания волокнисто-армированных структур состоит не

в том, чтобы исключить пластическое деформирование матричного

материала, а в том, чтобы при его деформации обеспечивалось нагружение

волокон, и использовалась бы их высокая прочность.

5.2.2. Основы структурного конструирования

Структурное конструирование является итерационным процессом,

начинающимся с создания конструкционных представлений о

целесообразных путях использования новых материалов. Существует целый

ряд требований, которые должны учитываться в процессе производства:

масса материала, цена материала, включая стоимость его разработки;

легкость в переработке; надежность и испытанность. Значимость того или

иного фактора зависит от области применения материала. Уменьшение

массы особенно важно при создании материалов для космической и

авиационной техники, снижение стоимости – в гражданском строительстве и

т.п. Как правило, снижение массы изделия приводит в конечном итоге к

снижению цены изделия.

Процесс конструирования начинается с выбора структуры материала.

Итерационный подход заключается во все более глубоком изучении свойств

материалов при выборе из все меньшего числа предполагаемых структур.

Конечным итогом первой операции является начало самой конструкторской

работы. Композиционные материалы сами являются объектом оптимизации

для использования в конкретных структурах.

Так как композиционные материалы формируются из большого числа

индивидуальных слоев, каждый из которых имеет свою ориентацию, можно

теоретически рассчитать структуру с оптимальными характеристиками.

От основных характеристик материала существенно зависит выбор

конструкции проектируемых деталей.

5.2.3. Сандвичевые конструкции

Структура сандвичевых конструкций состоит

из следующих элементов: двух тонких прочных

облицовочных пластин — обшивок, толстой легкой

сердцевины — заполнителя, разделяющего несущие

пластины и распределяющие нагрузку между ними, и

адгезионных слоев, связывающих пластины с

заполнителем и передающих нагрузку от

216

заполнителя к облицовкам и обратно. Сэндвичевую конструкцию обычно

рассматривают как двутавровую балку, одна из горизонтальных полок

пластин которой «работает» на сжатие, а другая — на растяжение. Сотовый

заполнитель, связывающий пластины, аналогичен вертикальной полке балки,

«работает» на сдвиг и повышает изгибную жесткость структуры, хотя, в

противоположность двутавру, основным его назначением является опора для

пластин облицовки.

Эффективность различных Сандвичевых конструкций показана на Рис.

71.

Сандвичевые конструкции используются в несущих конструкциях

самолетов и ракет, применяются при создании различных транспортных

контейнеров, подвижных частей и обшивок самолетов, в отделке интерьеров

морских судов, катеров и яхт, для производства деталей автомобилей и при

создании различных предметов быта: корпусов телевизоров, лыж и т. д..

Сандвичевые конструкции применяются и в домостроении в качестве

конструкционных отделочных материалов, для дверей, перегородок и многих

других деталей.

Рис. 71 - Примеры, иллюстрирующие уникальное свойство

сандвичевых конструкций существенно увеличивать жесткость

материала практически без увеличения массы

Материалы для несущих пластин

Главными функциями несущих облицовочных материалов (листов) для

Сандвичевых конструкций являются обеспечение их жесткости относительно

изгиба и сдвига в плоскости пластин, а также передача нагрузок в той же

плоскости. Чаще всего используются стекловолокнистые препреги, препреги

на основе углеродных волокон (тканей или однонаправленных материалов),

алюминиевые сплавы марок 2024 и 7075, титановые или стальные листы.

Зачастую возможность использования того или иного материала диктуется

ценой на него, и конструкторские разработки могут меняться в зависимости

от стоимости исходных материалов.

217

Пригодность материалов

При замене материала несущих пластин (так же как и при замене

заполнителя, адгезива и других материалов) необходимо выяснить,

насколько изменились свойства композита. Основными свойствами,

подлежащими проверке, являются жесткость и хрупкость материала, вид

разрушения, надежность и погодостойкость, возможность применения

заклепочных и болтовых соединений, а также все другие свойства, которые

могут интересовать потребителя. Основным же является анализ изменения

прочностных и массовых характеристик. В результате появления новых

материалов алюминиевые пластины в панелях интерьеров кабин самолетов

были заменены сначала на стеклопластиковые, а стекловолокнистые

наполнители — на наполнители из арамидных волокон. В 80-х годах при

строительстве ряда новых самолетов фирмы «Боинг» были применены

сандвичевые конструкции с покрытием из гибридных материалов на основе

углеволокнистых структур и арамидных тканей. В табл. 21.1 приведены

механические свойства некоторых наиболее распространенных материалов

несущих (облицовочных) пластин.

Материалы для заполнителей

Основной функцией заполнителя в сандвичевых конструкциях

является придание устойчивости несущим поверхностям и обеспечение

передачи сдвиговых нагрузок по толщине композита. Для выполнения этой

задачи заполнитель должен быть по возможности более жестким и легким, не

должен изменять свойства при воздействии окружающей среды, особенно

после специальной обработки.

Дерево

Среди материалов, наиболее часто используемых для заполнения

сандвичевых структур, выделяется дерево. Одно из самых старых

применений дерева как заполнителя — использование его в строительных

конструкциях: в фанерованных дверях, перегородках и т. д. Используется

дерево и при производстве лыж в виде плоскостей или ребер жесткости,

заполненных ячеистыми структурами, пенопластами и армированными

пластиками.

Пены

В последнее время все более широкое распространение получает

структура заполнителя на основе твердой пены (пенопласта). Последние

исследования в области технологии инжектирования этого материала

привели к резкому возрастанию объема его использования. В последнее

время наиболее совершенной технологией является использование

одноступенчатого простого инжектирования расплава в полость структуры с

последующим его охлаждением. Точное регулирование реакции отверждения

и эффекты тепловой усадки расплава приводят к большей плотности пены на

границе с несущими пластинами, чем непосредственно в сердцевине.

218

Высокая производительность и низкая цепа такой схемы получения КМ

привели к тому, что этот процесс был автоматизирован и получил широкое

применение. Другая технология – быстро вспенивающиеся материалы

заполнителя для стеклопластиковых лыж и теннисных ракеток. В этой

технологии облицовочные структуры образуют закрытые полости, в которые

инжектируется пенообразующий субстрат. Такой субстрат, отверждаясь,

является одновременно и заполнителем, и адгезивом для стекло-

волокнистого препрега облицовки. Пенам придаются иногда и специальные

свойства, такие как изоляционность или радиопрозрачность.

Низкая цена полистирольных пенопластов привела к использованию их

не только в сэндвичевых конструкциях. Они играют большую роль при

создании теплоизоляции в рефрижераторном транспорте. В строительстве

этот материал конкурирует с полиуретанами. Поливинилхлоридные (ПВХ)

пенопласты используются в самолетостроении в качестве заполнителя в

панелях полов. Они имеют меньшую плотность по сравнению с сотовыми

структурами на основе арамидов.

Сотовые структуры

Основные данные по сотовым структурам

Сотовые структуры являются общим видом продукции, использующей

непропитанные и пропитанные связующим крафт-бумаги, различные

алюминиевые сплавы, арамидные бумаги, стеклопластики на основе

различных видов тканей и связующих. В меньших количествах для этих

целей используются титановые и стальные листы. Виды ячеистых структур

на основе адгезионно соединенных полос тонкого материала показаны на

Рис. 72. Существуют два основных процесса производства сотовых структур:

процесс растяжения: предварительно соединенный по исходным

линиям пакет растягивается, одновременно образуя ячеистую структуру;

преимущества процесса — одностадийность операции;

процесс рифления: листы исходного материала предварительно

подвергаются рифлению; это могут быть листовые металлы, пластики,

бумага, армированные пластики и т. д., причем некоторые материалы

термофиксируются, а затем склеиваются или соединяются другим способом.

219

Используя сотовую структуру на основе арамидной бумаги, можно

получить материал заполнителя с высокой прочностью, обладающий

плотностью 16 ... 48 кг/ма и использующийся для облицовки внутренних стен

и потолка. Несущие панели — стеклотекстолит толщиной менее 0,25 мм.

Физические и механические свойства сотовых структур для заполнителя

сандвичевой конструкции зависят в основном от свойств материалов, из

которых эти конструкции производятся.

Рис. 72 – Отдельные этапы апроизводства сотовых заполнителей

Теплопроводность сандвичевых панелей складывается из

теплоизоляционных свойств каждого из компонентов: пластин, заполнителя

и связующего. Тепловое сопротивление R (величина, обратная

Фрагмент сотовой структуры

220

теплопроводности) является суммой сопротивлений всех трех компонентов

(включая эффекты на границах раздела).

Форма ячейки.

Все сотовые структуры являются анизотропными и их свойства в

выбранном направлении должны соответствовать прилагаемым нагрузкам.

Для большинства сотовых структур наблюдаются очень малые потери

соотношения прочность/масса при формовании или отверждении материала.

Форма ячейки может иметь различную конфигурацию в зависимости от

производителей этих заполнителей композитов. Для некоторых материалов,

например для алюминия, форма вольно или невольно может быть изменена

при переработке. Необходимо заметить, что недорастяжка или перерастяжка

сотового наполнителя меняет не только форму ячейки, но и ее плотность. В

случае перерастяжки, изменение свойств в одном направлении ослабляет

заполнитель и по двум другим.

Размер ячейки.

Размер ячейки является как бы вторичным фактором, определяющим

большинство механических свойств материалов заполнителя. Первичным

является уровень прочности соединения заполнителя с несущими

пластинами. Размер ячейки определяет и уровень напряжений, возникающий

в адгезионном слое между торцами ячеек и несущими пластинами.

Толщина.

Сдвиговые характеристики и свойства заполнителя при сжатии могут

быть корректно оценены только с учетом толщины сотовых заполнителей.

Параметр эффективности толщины (см. рис 21.5) позволяет прогнозировать

поведение сандвичевого материала. Необходимо заметить, что корректно

можно определить фактор толщины только с учетом свойств материала

несущих пластин.

Сотовые заполнители на основе алюминия

Большинство алюминиевых сплавов используется для получения

сотовых заполнителей методом рифления, рифления с усиливающими

элементами; для получения сотового заполнителя с предельно вытянутой

ячеистой структурой и со специальными формами ячейки. Часть материалов

на основе алюминии используется при раскрое деталей слоистых

геометрических форм - цилиндров переменного радиуса, сфер и т. д.

Некоторые виды алюминиевой фольги используются для заполнителей в

виде намотанной рифленой спирали. Последние, в виде цилиндров или труб

используются для поглощения тепла.

Алюминий для сотовых структур до сих пор является самым

распространенным среди материалов для заполнителей. Зачастую стоимость

производства сотовых структур из алюминия ниже, чем при использовании