1.5.Выбор ингредиентов вкм
Основными критериями для выбора волокнистого материала являются относительная стоимость С=Ц/в и удельные прочность в/ и упругость Ев/ (Ц – цена, - плотность волокнистого наполнителя, в и Ев – прочность при растяжении и модуль упругости соответственно).
С учетом комплекса требований ТЗ и при С = min, в/ = max и Ев/=max осуществляют выбор наполнителя.
При выборе геометрической формы и размеров наполнителя учитывают их влияние на распределение нагрузки в композиции, механизм разрушения КМ, а также - размеры и форму изделия, условия эксплуатации и др.
Для изделий малой толщины и сложной конфигурации предпочтительнее использовать высокодисперсные наполнители (порошки и т.д.), т.к. они легко распределяются в связующем (матрице).
При использовании волокнистого наполнителя (волокна, нити, жгуты) прочность наполнителя в изделии используется максимально, причем механические свойства ВКМ достигают максимальных значений при степени наполнения Vв=0,65…0,75.
Замена монолитных волокон полыми позволяет увеличить прочность и жесткость изделий при сжатии и изгибе, однако их использование в изделиях, работающих на растяжение, неэффективно.
Выбор оптимального диаметра непрерывных волокон осуществляют по формулам:
(при растяжении) -
(105)
(при сжатии) -
(106)
где - толщина слоя связующего между волокнами; м и в – относительное удлинение при разрыве матрицы и волокна соответственно; - разрушающее напряжение при сжатии однонаправленного ВКМ; G - модуль сдвига связующего.
При создании КМ с требуемыми км, Екм, км выбор оптимального соотношения ингредиентов осуществляют по зависимостям:
(107)
(108)
где в и Vв – пределы прочности и объемная доля волокон в КМ; тм – предел прочности матрицы; Ев и Ем – модули упругости волокна и матрицы соответственно.
Для полной реализации механических свойств волокон в КМ необходимо соблюдение условия Ем Ев.
Определение оптимальной степени наполнения производят из соотношения:
(109)
(110)
где - min - минимальная толщина прослойки связующего (матрицы) между волокнами; D – диаметр волокна; VВV - объемное содержание волокон; k=dвн/dн – коэффициент капиллярности, dвн и dн – внутренний и наружный диаметры полого волокна.
Выбор схемы армирования осуществляют на основании данных о распределении силового поля и характера нагружения, направлений и значений действующих сил, углов армирования и количество волокон в каждом направлении.
В общем случае при выборе схем армирования придерживаются следующих принципов:
ориентация элементарных волокон или нитей в КМ одномерна в направлении вектора приложенной нагрузки;
объемное содержание волокон должно быть большим и стремиться к своему предельному значению;
волокна в системе равнонагружены и работают одновременно;
число перекрещивающихся слоев (для многослойных КМ) должно быть одинаковым;
волокна (слои) должны быть качественно склеены между собой.
При использовании в качестве наполнителей тканых материалов в основном придерживаются вышеприведенных принципов. При этом учитывают (для конкретных условий эксплуатации КМ) и вид прилагаемой нагрузки (растяжение, сжатие, изгиб, кручение).
Таким образом, выбрав форму, размеры и материал наполнителя, можно получить достаточно точные данные о том, из какого материала должен быть второй компонент КМ.
Схемы армирования в ПКМ. В качестве арматуры, в основном, используются ткани и ровинги из волокон: стеклянных, углеродных, органических, базальтовых, борных. Строение тканей характеризуется толщиной нитей, видом переплетения, плотностью, а также прогнутостью нитей основы и утка, характером поверхности.
Наименьшей прочностью и жесткостью обладают ПКМ, армированные тканями трикотажного плетения, так как их волокна сильно искривлены. В то же время эти ткани наиболее податливы и дают возможность укладывать их на поверхности с малыми радиусами кривизны без складок.
Полимерные композиты являются материалами с регулируемой анизотропией механических свойств. То есть они позволяют для конструкций, имеющих одни и те же геометрические формы, обеспечить разное восприятие и передачу внешней нагрузки путем перераспределения напряжений за счет изменения анизотропии ПКМ. Регулирование анизотропии свойств достигается за счет выбора схем армирования. Для слоистых композитов схема армирования определяется направлением укладки волокон в слоях. Направление укладки определяется величиной угла между осью изделия и направлением волокон арматуры.
На рис. 33 показаны типовые схемы армирования. При укладке всех волокон параллельно оси (укладка 0°, рис.33, а) получается однонаправленный ПКМ. Такое армирование осуществляется с помощью ровинга. Если слои ровинга уложить во взаимно перпендикулярных направлениях, то получается структура, изображенная на рис. 33, б - укладка под 0° и 90°
На рис.33, в показано армирование, при котором один слой ориентирован вдоль оси изделия (0°), а два слоя - под углами 45° и -45°. Варианты армирования по схемам на рис. 33 а, б, в могут быть реализованы и с помощью тканей различного плетения.
Рис. 33. Схемы армирования:
а- 0°; 6-0°, 90°; в-0°, 45°, -45°
Схема армирования оказывает большое влияние на прочность композитов при различных условиях нагружения.
Однонаправленное армирование волокон обеспечивает наибольшую удельную прочность для конструкции, работающей в условиях одноосного нагружения. В то же время в перпендикулярном направлении прочность материала незначительна, так как определяется только механическими свойствами матрицы.
Армирование в ортогональных направлениях (рис. 33, б) обеспечивает рациональное восприятие нагрузки, действующей в разных направлениях.
При наличии сдвигающих усилий (рис.33, в) целесообразно выбрать схему армирования, включающую волокна, ориентированные под углом к оси изделия. Основной принцип, которым руководствуются при выборе схемы армирования, состоит в том, чтобы в наибольшей мере совместить поле действующих напряжений с направлением укладки арматуры.
Прочность материала в значительной степени зависит также от доли арматуры в общем объеме материала. При использовании монолитных волокон круглого сечения (типичные армирующие наполнители) показатели механических свойств однонаправленного материала достигают максимума при Уг=0,65-0,7. Повысить объемную долю наполнителя до 0,85 удается при использовании профильных волокон, после чего прочность материала начинает в большей степени зависеть от прочности сцепления на границе волокно - связующее.
Искривление волокон в изделии, например, за счет тканой структуры тканей, приводит к неодновременному включению их в работу и, соответственно, к разнонапряженности, что вызывает снижение прочности и жесткости материала. В связи с этим можно предположить, что армирование ровингом обеспечивает большую прочность, чем армирование тканями.
Выбор связующего. Полимерная матрица является важнейшим компонентом КМ, определяющим его технологические и эксплуатационные свойства. В качестве матрицы в КМ используют отверждаемые эпоксидные, полиэфирные и др. термореактивные смолы, а также полимерные термопластичные материалы. Матрица (связующая композиция) должна обладать определенным комплексом свойств, среди которых можно выделить:
наличие реакционно-способных функциональных групп: эпокси – карбокси и др.);
достаточная для переработки вязкость;
хорошая смачивающая способность по отношению к материалу наполнителя и хорошая адгезия;
адгезия матрица-наполнитель должна быть больше когезионной прочности связующего;
обладать высокой скоростью отверждения;
не выделять при отверждении низкомолекулярных побочных продуктов;
должно обеспечивать идеально упругое поведение материала КМ и др.
Для улучшения физических, механических, технологических и специальных характеристик КМ в состав связующего вводят наполнители, добавки, пластификаторы. Пластификаторы, в свою очередь, должны обладать следующими основными свойствами:
способность совмещаться с полимерами;
малой летучестью;
способностью проявлять пластифицирующие действия при повышенной температуре;
химической стойкостью, которая должна быть не ниже, чем у пластифицируемого полимера;
не должны экстрагироваться из полимера.