84483_fd6503fc207392b6a974c95522a2af91

ISBN: 978-5-91559-160-7

Similar

Углерод. Углеродные волокна. Углеродные композиты

Машиностроение. Энциклопедия. Том II—4. Неметаллические конструкционные материалы

Авиационные материалы. Избранные труды 1932-2002. Юбилейный научно-технический сборник

Материаловедение (металлообработка)

Text

С.Л. БАЖЕНОВ

МЕХАНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
С.Л. БАЖЕНОВ

МЕХАНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ

Издательский Дом

ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ

2014
Издание осуществлено при финансовой поддержке Российского
Фонда Фундаментальных Исследований по проекту № 13-03-07008

С.Л. Баженов

Механика и технология композиционных материалов-
Научное издание / С.Л. Баженов — Долгопрудный: Изда-
тельский Дом «Интеллект», 2014. — 328 с.

ISBN 978-5-91559-160-7

В учебно-справочном руководстве описаны технология изготовления,
механические свойства и разрушение композиционных материалов на ос-
нове полимерных матриц.

В последние годы существенное значение приобрели композиты бы-
тового назначения, используемые в корпусах автомобилей и маломерных
судов. Детально изложена технология производства стеклянных, углерод-
ных, борных и органических волокон. Описаны термореактивные и тер-
мопластичные полимерные матрицы, а также технология формования
высокопрочных композитов и композитов бытового назначения на их
основе.

Дана теория разрушения волокнистых композиционных материалов и
наполненных композитов.

Книга предназначена для научных и инженерных работников, зани-
мающихся применением и разработкой композитов в автомобильной про-
мышленности, судостроении, авиационной и космической технике, а также
для студентов и преподавателей материаловедческих и технологических
специальностей.

ISBN 978-5-91559-160-7

Предисловие.................................. 11

Глава 1

ВВЕДЕНИЕ..................................................... 13

1.1. Определение.............................................. 19

1.2. Масштабные уровни структуры......................... .. 21

1.3. Волокна и матрица........................................ 23

1.4. История разработки композитов.......................... 25

1.5. Показатели эффективности ................................ 28

Список литературы............................................. 30

Глава 2

ВОЛОКНА....................................................... .... 32

2.1. Стеклянные волокна... ........................... ... 36

2.1.1. Типы стекловолокон............................. ....37

2.1.2. Производство стекловолокон..................... ....38

2.2. Борные волокна........................................ .39

2.3. Углеродные волокна ...................................... 41

2.3.1. Производство волокон........... . ..43

2.4. Органические волокна.. 47

2.4.1. Арамидные волокна . 47

2.4.2. СВМПЭ-волокна.. 50

2.5. Термостойкие волокна 52

2.6. Натуральные волокна ..53

2.7. Замасливатели и аппреты.... .. 54

2.8. Форма волокон........................................... 54

2.8.1. Ткани............................................. 55

2.8.2. Нетканые материалы................................ 58
4 o^iae 1ение

2.8.3 Препреги........................................... 59

2 8.4. Плетеный текстиль........ ..............................

2.8 5. Прошивка................................................эд

2.8 6. Заготовки ...............................................

2.9. Гибридные композиты ..........................................

Список литературы.................................................q

Глава 3

МАТРИЦЫ И ИХ СВОЙСТВА..................................

3.1. Радикальная полимеризация .....................................

3.2. Реакция поликонденсации......................................

3.3. Кристаллические и аморфные полимеры .........................

3 4. Температура стеклования...................................69

3.5. Термопласты и реактопласты ....................................

3.6. Стойкость к действию растворителей.............................

3.7. Газопроницаемость

3.8. Стойкость к ультрафиолетовому излучению

3.9. Пропитка волокон

3 10. Ненасыщенные полиэфирные смолы

3.10.1 . Химическая структура ненасыщенных полиэфиров...76

3.10.2 . Свойства.......................................77

3.10.3 . Двухосновные кислоты...............................77

3.10.4 . Гликоли............................................79

3.10.5 . Мономерные добавки.................................

3.10.6 . Отверждение смолы..................................

3.10.7 . Ингибиторы отверждения.............................

3.10.8 . Ускорители отверждения.............................

3.10.9 . Объемный формовочный компаунд......................

3.10.10 . Отверждение.......................................

3.10.11 . Добавки...........................................

1. Эпоксидные смолы...........................................

3.11.1. Структура................... .......................

3.11.2. Отверждение.........................................

3.11.2.1. Отвердитель.................................

3.11.2.2. Пропитка волокон............................

3.11.2.3. Температура отверждения.....................

3.11.3. Препреги................ ...........................

3.11.4. Адгезия ... ......

.79
.80
.81
.82
.82
.83
.84
.84
.85
.85
.87
.88
.88
.89
.90
90

3.11.5. Усталостная прочность.................................

3.11.6. Ползучесть............................................'

3.11.7. Вязкость разрушения...................................

3.11.8. Изготовление пресс-форм...............................

3.12. Сложные винилэфирные смолы..................................93

3.12.1. Структура............................................94

3.12.2. Коррозионная стойкость...............................96

3.13. Фенольные смолы.............................................97

3.13.1. Структура............................................97

3.13.2. Отверждение..........................................98

3.13.3. Свойства.............................................99

3.13.3.1. Горючесть....................................99

3.13.4. Применение......................................... 100

3.14. Углерод-углеродные композиты.............................. 100

3.14.1. Производство....................................... 101

3.15. Полиимиды................................................. 102

3.15.1. Бисмалеимиды....................................... 103

3.16. Цианаты................................................... 104

3.17. Полиуретаны............................................... 105

3.17.1. Свойства и применение.............................. 107

3.18. Кремнийорганические полимеры.............................. 107

3.19. Дициклопентадиен........................................... НО

3.20. Термопластичные матрицы.................................... ПО

3.20.1. Термопластичные композиты широкого потребления..... 111

3.20.2. Термостойкие матрицы............................... 113

3.20.2.1. Полиэфирэфиркетон.......................... 113

3.20.2.2. Полисульфон................................ 114

3.20.2.3. Термопластичные полиимиды..................... 114

3.20.3. Жидкокристаллические полимеры...................... 116

3.20.4. Фторопласты........................................ 116

Список литературы............................................... 117

Глава 4

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ВОЛОКНИСТЫХ
КОМПОЗИТОВ........................................................ 119

4.1. Формование композитов широкого потребления в открытых
формах......................................................... 119

4.1.1. Наружный полимерный слой............................ 119
Оглавление

4.2. Ручная послойная выкладка.......................................

4.2.1. Формование..........................................

4.3. Напыление............................................... 122

4.4. Изготовление пресс-форм.......................................

4.4.1. Извлечение деталей.......................................

4.5. Формование высокопрочных композитов в открытых
пресс-формах....................................................126

4.5.1. Ручная послойная выкладка препрегов......................

4.5.2. Автоматизированная послойная выкладка....................

4.6. Вакуумформование..............................................

4.6.1. Отверждение..............................................

4.7. Отверждение в автоклаве.....................................130

4.8. Методы неавтоклавного отверждения ..........................130

4.9. Прессование................................................131

4.9.1. Прессование компаундов..............................133

4.9.2. Прессование заготовок...............................134

4.9.3. Прессование препрегов...............................134

4.10. Инжекция термореактивной смолы.............................134

4.10.1. Вакуумная инжекция термореактивной смолы..........136

4.10.2. Термокомпрессионное формование....................136

4.10.3. Метод матричной пленки............................136

4.10.4. Центробежное литье................................138

4.11. Намотка.................................................138

4.11.1. Намотка препрегом......................................

4.11.2. Оправки................................................

4.11.3. Намоточные станки......................................^3

4.12. Машинная укладка волокон......................................

4.13. Пултрузия.....................................................

149

4.14. Производство композитов на основе термопластов................

4.14.1. Формование композитов, армированных короткими
волокнами .................................................

4.14.1.1. Экструзия..................................

4.14.2. Литье под давлением................................

4.14.3. Формование в открытых формах.......................

4.14.4. Пултрузия..........................................

4.14.5. Прессование........................................

150

151

152

153

154
4.14.6. Специфические методы формования термопластичных

154
композитов..................................................... 1

4.14.7. Последовательное формование................................. 156

4.14.7.1. Двухстадийное формование........................... 156

4.14.7.2. Прокатка .......................................... 156

4.15. Ремонт композитов.................................................. 156

4.15.1. Повреждение при ударе....................................... 157

4.15.2. Оценка поврежденности....................................... 159

4.15.3. Технология ремонта.......................................... 160

4 15 3.1. Внешняя накладка .................................. 160

4.15.3.2. Ремонт с заменой поврежденной области.............. 161

4.16. Обозначение схемы укладки слоев.................................... 163

4.17. Усталость.......................................................... 166

4.18. Остаточные напряжения.............................................. 168

4.19. Сэндвич-структуры ................................................. 169

4.19.1. Сердцевина.................................................. 170

4.19.2. Производство сэндвич-структур............................... 170

4.20. Соединение деталей из композита.................................... 171

4.20.1. Механическое соединение ............Ъ................................................. 171

4.20.2. Склеивание.................................................. 173

4.20.2.1. Состав клеев....................................... 175

4.20.3. Другие методы соединения.................................... 177

4.21. Конечная обработка................................................. 177

4.21.1. Водоструйная резка.......................................... 178

4.21.2. Лазерная резка.............................................. 179

Список литературы........................................................ 179

Глава 5

РАЗРУШЕНИЕ................................................................. 181

5.1. Что такое разрушение?............................................. 181

5.2. Механизмы разрушения.............................................. 184

5.2.1. Хрупкое разрушение........................................... 186

5.2.2. Пластическое разрушение...................................... 186

5.2.3. Квазихрупкое разрушение...................................... 189

5.2.4. Крэйзы....................................................... 189

5.3. Механические характеристики....................................... 191

5.3.1. Виды разрушения.............................................. 192
5.4. Теория хрупкого разрушения Гриффитса-Орована....................

5.4.1. Теоретическая прочность...................................

5 5 Концентрация напряжений........................................

5.5.1. Теория Гриффитса......................................199

5.5.2. Теория Орована...........................................

5.5.3. Методы измерения вязкости разрушения..................203

5 5.3 1 Метод податливости ........................... . 203

5.5.3.2. Сильный изгиб консолей............................

5.5.4. Плосконапряженное состояние и плоская деформация......208

5.5.5. Размер зоны пластичности .............................209

5.5.6. Температура и скорость нагружения.....................212

5.6. Вязкость разрушения волокнистого композита..................2)2

5.7. Поперечное разрушение.......................................214

5.7.1. Энергия упругой деформации волокна....................215

5.7.2. Отслоение волокон.....................................216

5.7.3. Извлечение волокон....................................216

5.7.4. Адгезионное разрушение ...............................217

5.7.5. Слой адгезива.........................................219

Список литературы................................................220

Глава 6
ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИТЫ................................................223

6.1. Продольный модуль упругости.................................223

6.2. Поперечный модуль упругости................................ 224

6.3. Модуль сдвига...............................................226

6.4. Влияние температуры.........................................227

6.5. Коэффициент Пуассона........................................228

6.6. Прочность................................................. 229

6.6.1. Поперечное растяжение.................................229

6 6 2 Пластичная матрица.....................................230

6.6.2.1. Регулярная решетка волокон ....................230

6.6.2.2. Случайно распределенные волокна.................

6.7. Внутрислоевой сдвиг....................................... 234

6.8. Продольное растяжение..................................... 236

6.8.1. Растяжение под углом к оси волокон.....................

6.9. Осевое растяжение......................................... 241

6.9 .1. г >£ .241

J т ............................ .......................

6.9 2. е < е ........... .. 243

J т ............................ .......................
6.10. Растрескивание..............................................^46

эдо

6.10.1. Исчерпание несущей способности волокон................

6.11. Теория Розена...............................................251

6.11.1. Неэффективная длина волокна..........................253

6.11.2. Малые степени армирования............................257

6.11.3. Пластичная матрица...................................257

6.11.4. Прочность пучка волокон..............................258

6.11.5. Средняя прочность волокон............................260

6.12. Размотка....................................................262

6.12.1. Отслоение разрушенного волокна.......................265

6.12.2. Растрескивание вблизи отверстия......................266

6.13. Коэффициент реализации прочности волокон....................269

6.14. Влияние температуры.........................................270

Список литературы.................................................272

Глава 7

РАЗРУШЕНИЕ ПРИ ПРОДОЛЬНОМ СЖАТИИ....................................274

7.1. Потеря устойчивости волокон................................275

7.2. Исчерпание несущей способности волокон.....................279

7.2.1. Разрушение органопластика при повышенной
температуре .................................................285

7.3. Разрушение стеклопластика..................................289

7.3.1. Крутка нити..........................................291

7.3.2. Потеря устойчивости стеклянных волокон...............292

7.4. Разрушение углепластика....................................294

7.4.1. Высокопрочные углеродные волокна.....................295

7.4.1.1. Влияние отверстия ............................ 295

7.4.1.2. Влияние пор................................... 299

7.4.1.3. Разрушение при повышенной температуре..........299

Список литературы...............................................300

Глава 8

РАЗРУШЕНИЕ ДИСПЕРСНО-НАПОЛНЕННЫХ КОМПОЗИТОВ.........................303

8.1. Предел прочности...........................................305

8.1.1. Модель регулярной упаковки частиц....................306

8.1.2. Модель композита со случайно распределенными
частицами....................................................308

8.1.3. Крупные частицы......................................309
8.2. Деформация при разрыве........................

8.2.1. Однородно деформирующиеся матрицы.......

8.2.2. Матрицы, деформирующиеся путем распространения

шейки.............................

8.3. Верхний предел текучести..............

8.4. Нижний предел текучести...............

8.4.1. Переходы механизмов разрушения

8.4.2. Переход к хрупкому разрушению ..

8.4.2.1. Хорошая адгезия .........

8.4.2.2. Слабая адгезия ..........

..........315

.........316

.........317

.........318

.........319

течению

Список литературы ..........

8.4.2.2. /.су < су . Переход к хрупкому разрушению.

т у Г

8.4.2.2.2. сут> суу. Переход к однородному пластическому

....321

.............323

............325

ПОЛИ’
НИКИ,
Kepaiv
ретен
ных п

ЭТИМР

Ре
читать
ка в а
ства б
кости

М
ловин
ИЗОбр!
лофор
телям
меннь
описа
Архео
приро
еще з<
бон ат
приме
полих

Ci
толью
мироь
товые
не. Н(
немил

Бс
кевлар
локна
314

315

316

317

318

319

321

323

325

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время наблюдается стремительный рост производства
полимерных композитов, проникновение их в самые различные области тех-
ники, успешное вытеснение ими многих традиционных материалов: металлов,
керамики, стекла, древесины и полимеров. Соответственно растет число изоб-
ретений и новых технологий, конференций, научных публикаций, посвящен-
ных проблемам создания композиционных материалов, специалистов, занятых
этими проблемами, и готовящих их учебных кафедр.

Рекордные характеристики полимерных композитов пленяют воображение
читателей научно-популярных изданий. Аэрокосмическая и спортивная техни-
ка в авангарде, а за ней и другие отрасли промышленности и сельского хозяй-
ства берут их на вооружение, добиваясь все новых эффектов в прочности, лег-
кости, технологичности, коррозионной стойкости и т. д.

Можно ли утверждать, что полимерные композиты — открытие второй по-
ловины XX в.? Нет, ведь резина — классический полимерный композит — была
изобретена в середине прошлого века. Первый синтетический пластик — фено-
лоформальдегидную смолу — догадались смешивать с минеральными наполни-
телями немедленно после ее изобретения. Поиски предшественников совре-
менных композитов уводят нас в далекое прошлое человечества. В Библии
описана технология получения саманных кирпичей, армированных соломой.
Археологические раскопки доказывают, что тростник и дерево пропитывали
природными смолами уже за 5000 лет до н. э. Каолин использовали в Китае
еще за 1000 лет до н. э. Большинство других природных наполнителей — кар-
бонаты, тальк, оксиды металлов, асбест, древесную муку, целлюлозу — стали
применять в комбинации сначала с природными, а затем и с синтетическими
полимерами на рубеже XIX—XX вв.

Стеклянные волокна стали использовать в полимерных композитах, как
только было создано их промышленное производство, и уже во время Второй
мировой войны из них делали элементы обшивки и короба в авиации. Базаль-
товые волокна применили для армирования композитов впервые в нашей стра-
не. Новые синтетические наполнители с начала 1960-х гг. обеспечивают даль-
нейший прогресс в получении необычных комбинаций свойств композитов.

Борные волокна появились в 1959 г., арамидное высокопрочное волокно
кевлар создано фирмой «Дюпон» (США) в середине 1960-х гг.; короткие во-
локна из нержавеющей стали для получения электропроводящих композитов и
12

—Предисловие

покрытые никелем частицы слюды для этой же цели введены в промышленНу
практику в конце 1970-х - начале 1980-х гг. Бурное развитие наполнителей
сопровождалось активным поиском поверхностно-активных веществ, которые
способствовали бы лучшему взаимодействию между наполнителем и поли-
мерной матрицей. Применение промежуточного вещества для улучшения вза
имодействия между двумя несовместимыми веществами обосновал Платон
Известный специалист в области силановых аппретов Е. Плюдеманн отыскал
в трудах великого философа концепцию совместимости, которая ему понадо-
билась для объяснения того, как Вселенная могла быть построена из несовме-
стимых компонентов (земли, воды, воздуха и огня). Три первых компонента
Вселенной Платона нашли применение в полимерных композитах, а над про-
блемой обуздания огня (в смысле достижения негорючести) трудятся в наше
время многие исследователи. Силановые аппреты были созданы одновременно
со стеклопластиками и долгое время занимали доминирующую роль. Стеарат
кальция начали добавлять в пластмассы еще в начале XX в. В 1975 г. на миро-
вом рынке появились конкурирующие с силанами органические титанаты, а

ГЛА

затем и органические цирконаты.

История развития наполнителей и модификаторов интересна и поучитель-
на. Стоит обратить внимание на то, что эти процессы практически не затрону-
ли полимерные матрицы. Их синтезировали и затем через некоторое время в них
стали вводить тот или иной наполнитель. Сначала это были термореактивные
смолы, которые в виде жидких низковязких олигомеров относительно легко было
смешать с наполнителем или пропитать ими наполнитель. В 1930-е гг. начали
вводить наполнители в эфиры целлюлозы, а затем в ПВХ. После Второй миро-

вом войны термопласты заняли доминирующее положение в производстве пла-
стиков. До самого последнего времени для этих целей использовали промыш-
ленные полимеры. Производство композитов породило множество научных и
технологических проблем.

Долгое время развитие технологии композиционных полимерных материа-
лов базировалось на изобретательстве, но в наше время развитие технологии
определяется научными исследованиями, ведущимися широким фронтом Па-
раллельно эмпирическим исследованиям развивается теория композиционных
материалов. Усилия теоретиков сосредоточены на расчетах механических свойств
композитов и некоторых физико-химических свойств. До последнего времени
наиболее глубоко были проработаны вопросы, относящиеся к композитам, Р
мированным непрерывными волокнами. Для этого класса композитов хара
терно, что их создание происходит одновременно с образованием издели
Наполненные короткими волокнами и частицами различной формы компо
ты в большинстве случаев сначала получают в форме полупродукта (препр^
гранулята или порошка) и только затем формуют из него изделие. ДвоиН

матери2'

р раб ка осложняет расчет свойств материала в изделии. ^ер.

Главы 5—8 данной книги основаны на монографии: Баженов С.Л-»

лин А.А., Кульков А.А., Ошмян В.Г. Полимерные композиционные

лы. Прочность и технология. — Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2010.

накопле
произоп
материа
получил
появлен
и наполi
ными П(
исследо»
время щ
Сейч
композит
лась на
однако з
зиционн
пейскогс
ПОЯ ВИЛ И1
риалов,
материал
культета
ОСНОВНО!

В да»
материа/
быстро. ]
яся осно
лось, а п
позицио
была вое
зиционн
тывающе
рои поле
вентаря.
велосипе
ка. Как в
ГЛАВА

ВВЕДЕНИЕ

Развитие наук происходит путем чередования стадий постепенного
накопления знаний и революционных переворотов. В физике такой переворот
произошел в начале XX в. и появилась современная квантовая физика. В науке о
материалах он произошел в 1960-е гг. В западной литературе этот переворот
получил название «революции в материаловедении». Эта революция привела к
появлению целого ряда новых материалов — полимеров, керамик, волокнистых
и наполненных композиционных материалов, а также материалов с поверхност-
ными покрытиями. Как следствие, возникла необходимость широких научных
исследований новых материалов, и, как сосчитали американцы, в настоящее
время примерно каждый третий ученый занимается наукой о материалах.

Сейчас материалы делят на четыре класса — металлы, керамики, полимеры и
композиционные материалы [1], [2]. Соответственно наука о материалах раздели-
лась на четыре отдельные науки. До 1960 г. непрерывно росла роль металлов,
однако затем их роль начала снижаться и стала расти доля полимерных, компо-
зиционных и керамических материалов (рис. 1.1). В университетах США и Евро-
пейского союза помимо физических, химических и биологических факультетов
появились факультеты полимеров, металлов, керамик и композиционных мате-
риалов. В западных университетах сейчас обязательно имеется хотя бы один
материаловедческий факультет, но во многих университетах есть два таких фа-
культета. Отечественные классические университеты появление новых наук в
основном проигнорировали, и их структура соответствует 30—40-м гг. XX в.

В данной книге рассматриваются технология и механика композиционных
материалов. Эта наука родилась в начале 1940-х гг. и развивалась исключительно
быстро. На памяти автора уже дважды изменилась отрасль индустрии, являюща-
яся основным потребителем волокнистых композитов. Соответственно измени-
лось, а точнее, расширилось представление о том, что представляют собой ком-
позиционные материалы. В 1970-х гг. основными потребителями композитов
была военная и космическая промышленность. Поэтому волокнистые компо-
зиционные материалы представлялись прежде всего как корпус ракеты, испы-
тывающей растяжение под действием внутреннего давления (рис. 1.2). Во вто-
рой половине 1980-х гг. на первое место вышло производство спортивного ин-
вентаря. Для профессионального велосипедиста неважно, сколько стоит его
велосипед. Главное, чтобы велосипед был чуть легче и быстрее, чем у соперни-
ка. Как в космонавтике, так и в спортивной индустрии основной задачей явля-
Относительная роль

2020

2010

1980

1960

1940

1900

| МЕТАЛ ЛЫ|

(МЕТАЛЛЫ

Суперсплавы

Стальные
сплавы

Легкие
металлы

Медленное развитие.
В основном контроль
качества и технологии

Стеклообразные металлы
Сплавы AI—Li
Двухфазные стали
Микросплавные стали
Новые суперсплавы

Чугун

Сталь

ЮОООдон.э. 5000дон. э. 0 1000 1500 1800

1990
“Г-

2000

—Г-

|ПОЛИМЕРЫ|

[композиты

Нейлон

ПЭ

КЕРАМИКИ |

| керамики]

Огнеупорная керамика

ПК

Портландцемент

2020

1990

1980

1960

1940

1900

Дерево
Кожа
Волокно

Вязкие инженерные керамики
(А12О3, Si3N4, PSZ и др.)

Плавленый Металлокерамика Стеклопластики
кварц ।_____________[Пирокераг^ика______

ЮОООдон.э. 5000 до н. э. 0 1000 1500 1800

Золото

Медь

Бронза

Железо

__I—
2000

I
2010

ПММА

ПС

Металло-

композиты

полимеры

ПП

Углепластики

композиты

Годы

Клеи

Каучук

(полимеры]

Проводящие

Термостойкие

Саман

Камень

Кремень

Гончарные изделия

Стекло

Цемент

Бакелит

Титан I
Цирконий) Сплавы
и т. д.

Высокомодульные

композиты|

Керамические

Полиэфиры

Эпоксиды

Акрилы

Органопластики

Рис. Схематическая диаграмма, иллюстрируюшая изменение относительной роли четырех основных типов
материалов (керамик композиционных материалов, полимеров и металлов) с течением времени

конструкционных
Рис. \Л. Схематическая диаграмма, иллюстрирующая изменение относительной роли четырех основных типов конструкционных
материалов (керамик, композиционных материалов, полимеров и металлов) с течением времени

ется снижение веса и повышение технических характеристик продукции. Это
является основным преимуществом композитов, о котором знают все, кто хоть
что-то слышал о них. Традиционно в этих отраслях не очень принято считать
деньги. Это относится и к гражданским самолетам последнего поколения типа
Боинг-787 (Дримлайнер), почти наполовину состоящим из углепластика. Правда,
в последнем случае деньги считают, но выигрыш от экономии топлива превы-
шает затраты на использование дорогого материала.

Рис. 1.2. Установка «Тополь-М»

В последнее время ситуация принципиально изменилась, и основным по-
требителем композиционных материалов стала автомобильная промышленность,
где из них делают корпуса автомобилей. Основной целью применения компо-
зитов (в основном стеклопластика) в этом случае является снижение стоимос-
ти. Утрированно, в автомобильной отрасти материал лучше, если изделие из
него дешевле. При этом часто дешевле не сам материал, а изготовление детали.
Одним из основных преимуществ композитов часто является относительная
простота и дешевизна изготовления деталей. Помимо автомобилестроения,
композиты широко используются в маломерных судах. Около 20 % населения
земного шара живет вблизи морскою побережья. Многие живут на берегах рек
и также имеют лодки, катера и небольшие яхты В технически развитых стра-
нах лодки теперь не долбят из стволов деревьев и не варят из стальных листов,
а получают напылением стеклопластика. Корпус такой лодки получается за
нескольких операций и не ржавеет, процесс напыления недорог и не требуется
регулярная покраска лодки.

В автомобилестроении волокнистые композиты конкурируют с листовым
металлом. При больших объемах выпуска автомобиля дешевле мешллический
корпус. Для его изготовления требуются мощные прессы и дорогие пресс-фор-
мы, применение которых экономически оправдано лишь при больших объемах
производства. Поэтому сейчас из металла делают корпуса легковых автомоби-
лей, объем производства которых превышает 100 000 шгук в год. При меньших
объемах дешевле стеклопластик. Как следствие, из стеклопластика сейчас де-
лают кабины мощных грузовиков и корпуса дорогих спортивных автомашин.
В Москве на обочине частенько можно видеть попавшие в аварию скоростные
машины с торчащими из корпуса пучками стекловолокон. Грузовиками управ-
ляют профессионалы, в аварию они попадают реже, и многие думают, что ка-
бины грузовиков, как и прежде, сделаны из металла. Люди с сомнением отно-
сятся к новым материалам, и покупателям машины «Урал» (рис. 1.3) могут дать
в руки хороший молоток, предлагая ударить им по кабине для оценки ее проч-
ности. Сейчас волокнистые композиционные материалы представлены, преж-
де всего, в корпусах автомобилей, катеров, в так называемых «акриловых» ван-
нах и душевых кабинах, а только потом в ракетах «Тополь», беговых лыжах и
досках для сноуборда.

Рис. 1.3. Машина «Урал»

В связи с принципиальным различием областей применения и требования-
ми к композиционным материалам их разделяют на две большие группы. Их
называют «композитами широкою потребления» и «высокопрочными», или
«передовыми», композитами. Они различаются как типом волокон и матрицы,
так и технологией изготовления. Естественно, строгой границы между компо-
зитами двух типов нет.

В высокопрочных композитах используют непрерывные волокна и прочные,
а зачастую и термостойкие матрицы. Высокопрочные композиты применяют в
би-
них
де-
ин,
тые
>ав-

ка-
но-
хать
)ОЧ-
>еж-
зан-
ах и

аэрокосмической промышленности, в спортивной технике и машиностроении.
Как следует из названия, композиционные материалы широкого потребления
применяют в лодках, катерах, сантехнике, коррозионно-стойких трубах, дета-
лях домашних приборов, контейнерах, мебели и музыкальных инструментах.
В последние годы стала преобладать именно эта часть композиционных мате-
риалов. Применение высокопрочных композитов также росло, но медленнее,
чем композитов широкого потребления. Использование волокнистых компо-
зитов в различных отраслях техники иллюстрирует рис. 1.4. Их основными
потребителями являются транспорт, строительная индустрия, судостроение,
различные электроприборы и коррозионно-стойкие материалы.

Коррозионно-стойкие

Судостроение материалы

11 %

Строительство

21 %

Бытовая техника

Рис. 1.4. Использование волокнистых композитов в различной технике. Общий объем
производства композиционных материалов в США оценивается в 1,8 млн т

Транспорт
33%

Приборы
5%
Авиастроение
1%

1НИЯ-
,i. Их
, или
)ИЦЫ,
)МПО-

чные,
я ют в

Композиты классифицируют и по типу применяемой полимерной матри-
цы. Полимерные матрицы делят на реактопласты (термореактивные смолы) и
термопласты. Реактопласты — это жидкие смолы с относительно низким моле-
кулярным весом, из-за чего они в подогретом виде легко пропитывают волок-
на. В процессе отверждения реактопласты образуют поперечные сшивки и по-
степенно превращаются в твердый материал. Их основным недостатком явля-
ется хрупкость.

Термопласты при нагревании плавятся, как лед или металлы, и в жидком
виде ими пропитывают волокна. Затем их охлаждают, и они твердеют. Приме-
ром термопласта может служить полиэтилен низкой плотности, из которого
делают упаковку для хлеба и других продуктов.

Особенностью всех полимеров является очень сильное возрастание их вяз-
кости течения с молекулярной массой, т. е. с длиной полимерной цепи, что
иллюстрирует рис. 1.5. При небольшой длине цепей вязкость пропорциональ-
на молекулярной массе, но в полимерах она описывается формулой

г/ = АМ3'5, (1.1)
где М — молекулярная масса полимера. Согласно уравнению (1.1), при увели-
чении молекулярной массы полимера в 10 раз вязкость их течения возрастает
примерно в три тысячи раз. По причине высокой молекулярной массы термо-
пласты имеют высокую вязкость течения, и пропитать ими волокна гораздо
труднее, чем маловязкой смолой. Это является основным недостатком термо-
пластичных матриц.

Рис. 1.5. Зависимость вязкости от молекулярной массы полимера М

Полимеры используют как в неармированном виде, так и в качестве мат-
риц в композитах. Доля термопластов во всем объеме полимеров равна при-
мерно 80 %, а остальные 20 % приходятся на долю реактопластов. Термопласты
используют в основном в неармированном виде. На композиционные матери-
алы приходится примерно 20 % от общей доли полимеров. В рамках этого
сектора уже реактопласты занимают около 80 %. Это связано с проблемами
пропитки волокон термопластами. Таким образом, в случае армированных пла-
стиков доминируют уже реактопласты.

В последние десятилетия был достигнут впечатляющий прогресс в химии и
производстве полимеров. Синтезировано более двух миллионов полимеров.
Химики легко могут варьировать свойства полимеров изменением их химичес-
кой структуры. Они, как умелый повар, могут делать почти все, что угодно,
причем сравнительно недорого. И если еще лет двадцать назад у разработчика
композитов широкого выбора волокон и матричных полимеров не было и он

/. /. Опрсде 1сние 19

брал то, что дает промышленность, то теперь ситуация изменилась. Сейчас, во
всяком случае на западе, выпускается большой ассортимент термореактивных
смол и отвердителей. Разработчик композита оказывается в положении посе-
тителя дорогого ресторана, получающего в руки меню, похожее на толстый
журнал. И он должен хотя бы в принципе понимать, что ему предлагают. Пока
это относится в основном к термореактивным матрицам, а выбор волокон и
термопластичных матриц по-прежнему ограничен.

По областям применения композиционные материалы конкурируют с ме-
таллами. Композиты имеют три основных преимущества по сравнению с ме-
таллами:

• высокопрочные композиты имеют высокую прочность и малый вес:

• композиты широкого потребления дешевле;

• композиты обоих типов имеют более высокие усталостные характеристи-
ки, что особенно важно в авиации.

Основным недостатком композиционных материалов является невысокая
жесткость. Любое изделие должно удовлетворять двум обязательным условиям.
Прежде всего, оно не должно разрушаться под нагрузкой. Как следствие, мате-
риал должен быть прочным. Второе требование состоит в том, что под нагруз-
кой удлинение материала не должно превышать некоторое значение. В про-
тивном случае форма изделия изменится настолько, что оно не сможет фун-
кционировать. Для этого материал должен иметь высокий модуль упругости.
К сожалению, часто композиционные материалы имеют недостаточно высо-
кий модуль упругости, и проблему жесткости приходится решать путем уве-
личения толщины.

Причина невысокого модуля упругости композиционных материалов со-
стоит в следующем. Типичный композит с полимерной матрицей содержит
примерно 50 об. % матрицы. Как следствие, модуль упругости однонаправлен-
ного композита примерно вдвое ниже модуля упругости волокон. Чтобы плас-
тина из композита имела высокую жесткость не только вдоль волокон, но и в
других направлениях, помимо продольного слоя она должна иметь как мини-
мум один поперечно ориентированный слой, а также два слоя, направленных
под углами ±45° к направлению продольного слоя. Жесткость этих слоев в
продольном направлении невысока, и суммарный модуль упругости пластины
примерно в 8 раз ниже модуля упругости волокон. Чтобы конкурировать с
металлами по жесткости, армирующие волокна в композитах должны иметь
очень высокий модуль упругости.

1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Слово «композит» происходит от английского слова composite, ко-
торое имеет два перевода на русский язык. Во-первых, оно означает «смесь», а
во-вторых, «составной, сложный». Композиционные материалы представляют
собой смесь, состоящую из двух или более материалов (рис. 1.6). Эти магериа-
лы могут представлять собой керамику, полимер или металл. В физике суще-
ствует термин «многофазный материал». Понятия «композиционный» и «мно-
гофазный» различны. А именно, понятие «композиционный материал» подра-
зумевает не только многофазную структуру, но и определенную технологию
смешения компонентов. Помимо наличия двух или более фаз, должны выпол-
няться еще три условия:

• композиты производят путем некоторого смешения компонентов,

• доля второго по объему компонента должна быть не ниже 5 %,

• свойства компонентов должны существенно различаться.

Рис. 1.6. Примеры композитов:

а — однонаправленный, непрерывные волокна;
б — армированный короткими волокнами; в — дис-
персно-наполненный

Определение композиционного материала было выработано в связи с его
использованием в рекламе изделий и имеет не только научный, но и юриди-

ческий аспект. Под приведенное определение подходят, например, известные

древним цивилизациям саманные кирпичи, делавшиеся из глины и армиро-
ванные соломой. Бетон также подходит под это определение, поскольку его
получают смешением камней, песка и цемента. Но ему не удовлетворяют ин-
женерные пластики, содержащие помимо полимера небольшие количества
красителей, пластификаторов, антиоксидантов, стабилизаторов ультрафиолета и т. д.
Смеси полимеров, имеющих двухфазную микроструктуру, которая образуется в
процессе смешения полимеров, этому определению также не удовлетворяют.
Не удовлетворяют ему и сплавы металлов, имеющие двухфазную структуру,
которая образуется при твердении из гомогенного расплава или при последую-
щей термообработке. Композитом не может быть ни многофазный металл, ни
многофазный полимер, поскольку понятия «металл», «полимер», «керамика» и
«композит» являются взаимоисключающими. Однако если частицы или волок-
на смешаны с полимером или металлом, полученный материал можно считать
композиционным. Таким образом, понятие композита объединяет собой струк-
турную многофазность и технологию получения, Данное определение не иде-
ально и может вызвать возражения, но оно принято.

Наука о композитах рассматривает как свойства, так и технологию произ-
водства. В данной книге сначала даются общие представления о волокнах и
матрицах, описываются методы их получения, а затем рассматриваются свой-
ства композиционных материалов. Две следующие главы посвящены волокнам
и матрицам, из которых состоят композиты
1.2. Масштабные уровни структуры

Фундаментальной особенностью волокнистых композиционных материа-
лов является их предельная анизотропия, состоящая в несопоставимости меха-
нических свойств в направлении вдоль и поперек волокон. Эта особенность
тормозит использование высокопрочных композитов, поскольку конструкто-
ры часто просто не обучены проектированию изделии из композитов и боятся
их. Ниже описаны основы, определяющие поведение различных композитов.

1.2. МАСШТАБНЫЕ УРОВНИ СТРУКТУРЫ

Если студенту задать вопрос, из чего состоят тела, он почти навер-
няка ответит: из атомов. Так же на этот вопрос ответят физик и химик. Физика

и тем более химия замечательно обходятся двумя структурными уровнями —

макроскопическим и атомным. Макроскопические явления в физике и химии

описывают исходя из атомной структуры. Од-
нако материаловеды на вопрос, из чего состоят
тела, ответят иначе. Они говорят, что металлы
и аморфно-кристаллические полимеры состо-
ят из микрокристаллов. Их размер может из-
меняться очень широко. Например, кристаллы
льда имеют размер порядка сантиметра. Вес-
ной таяние льда начинается с границ раздела
кристаллов, и лед становится неровным. В ме-
таллах типичный размер кристалла составляет
100 мкм, а в аморфно-кристаллических поли-
мерах — лишь 10 нм. Первым понял, что для
описания структуры материала атомного уров-
ня недостаточно, В.А. Каргин (рис. 1.7), кото-
рый ввел понятие надмолекулярной структуры
[3], [4]. В настоящее время от этого термина
почти отказались, но идею развили до концеп-
ции масштабных уровней структуры.

Понятие структуры описывает широкий
спектр особенностей, размер которых варьиру-

ется от ангстремов до многих метров. Обычно Рис j 7 в А Каргин
различают три масштабных уровня структуры,
называемые макро-, микро- и наноструктурами. К макроуровню относят осо-
бенности, размер которых сравним с размером изделия (от миллиметра до многих
метров). Понятие микроструктуры охватывает детали размером в пределах от
одного до ста микрон. К этому уровню структуры относятся волокна, частицы
наполнителя, микропоры, прослойки матрицы в межволоконном пространстве,
а также микротрещины в композиционных материалах. Термин «нанострукту-
ра» относится к деталям субмикронного размера, от одного нанометра до 1 мкм.
Им описывают очень мелкие частицы, структура которых в значительной степени
определяется поверхностной, а не внутренней областью. Иногда выделяютмезо-
уровень структуры. К нему относятся особенности, размер которых находится на
пределе разрешения невооруженного глаза (0,2 мм). Например, разрушение ме-
таллов, полимеров и композиционных материалов определяется либо микро-,
либо мезоуровнем структуры. Эта концепция весьма неочевидна, особенно в
России, где материаловедческих учебных заведений мало, и большинство мате-
риаловедов обучались как физики или химики, а в этих науках известны лишь
макроскопический и атомный уровни. Правда, имеются исключения. Явление
ферромагнетизма в физике характеризуется наличием доменов, типичный размер
которых составляет 10—100 мкм (рис. 1.8) [5]. А в химии существует понятие
коллоидов, характерный размер которых составляет 1 100 нм.

Рис. 1.8. Порошковые фигуры на поверхности кристалла кремнистого железа; видны
границы доменов в объеме образца. Стрелками показано направление намаг-
ниченности доменов

Концепция масштабных уровней структуры не сводится просто к констата-
ции существования различных масштабных уровней структуры. Она рекомен-
дует, например, природу разрушения искать на микроуровне, а природу мик-
ропроцессов на атомном уровне. Эти рекомендации относятся не ко всем
характеристикам материала. Например, жесткость материалов определяется
межатомным взаимодействием. Разработка концепции структурных уровней была
непростой и даже болезненной, поскольку наука исторически шла от макро-
уровня к атомному уровню, к уровню элементарных частиц, кварков и струн.
Здесь же процесс пошел назад — от атомного уровня к микроуровню. При этом
многие ученые старой школы считают, что науки без атомов не бывает.
1.3. ВОЛОКНА И МАТРИЦА

На микроуровне композиционный материал состоит из двух или
более различных компонентов. Непрерывная фаза называется матрицей. Ком-
позит может иметь керамическую, металлическую или полимерную матрицу.
Механические свойства трех классов материалов значительно отличаются. Так,
полимеры имеют сравнительно невысокую прочность и жесткость; керамики
прочны, жестки, хрупки и термостойки; металлы имеют промежуточные проч-
ность и модуль упругости, а также весьма пластичны. В данной книге описы-
ваются композиты на основе полимерных матриц. Матрица придает форму
изделия и защищает волокна от окружающей среды. Именно она лимитирует
термостойкость композита, и разработка термостойких матриц является важ-
ным направлением развития композиционных материалов.

Второй компонент называют армирующим или наполнителем. Наполнен-
ные композиты рассмотрены в последней главе. В большинстве случаев на-
полнитель прочнее и жестче матрицы. Однако имеются исключения, напри-
мер полимеры, наполненные частицами измельченной резины или керамики,
наполненные частицами пластичного металла. Наполнитель, как правило,
имеет небольшой размер, обычно менее 500 мкм, а в нанокомпозитах и мень-
ше микрона.

На механические свойства композита существенно влияет форма армирую-
щей фазы, которой обычно являются волокна, но могут быть пластинки или
быть сферической. По форме различают два типа наполнителя — волокна и
дисперсные частицы. Соответственно выделяют волокнистые и дисперсионно-на-
полненные композиционные материалы. Волокнистые композиты с полимер-
ной матрицей называют также армированными пластиками. Примеры этих ком-
позиционных материалов представлены на рис. 1.6.

Свойства композитов зависят от множества параметров, основным из кото-
рых является объемная доля волокон. Свойства зависят также от формы, ори-
ентации и распределения волокон, а также концентрации пор. Однако наибо-
лее важным параметром является объемная доля волокон. В композитах на
основе непрерывных волокон ее вообще иногда считают единственным пара-
метром, определяющим свойства композита.

Объемная доля наполнителя ограничена множеством факторов. В напол-
ненных композитах объемная доля частиц обычно не превышает 40 об. % из-за
трудности смешения с матрицей. Волокнистые композиты обычно имеют бо-
лее высокую долю волокон. Обычно степень армирования не превышает 70 об. %
вследствие появления пор. С помощью ультразвука содержание волокон в од-
нонаправленном стеклопластике можно повысить до 80 об. °Ь без заметного
повышения пористости. А в случае органических волокон, которые при попе-
речном прессовании в условиях повышенных температур могут и вменять свое
сечение, созданы композиты, содержащие до 98 об. % волокон. Волокна в по-
добном композите имеют не цилиндрическую форму, а вид неправильных мно-
гогранников, как показано на рис. 1.9.
Свойства композитов зависят также от адгезионной прочности между волок-
нами и матрицей. Для передачи нагрузки от матрицы к волокну адгезия должна
быть достаточно прочной. В то же время она не должна быть и излишне проч-
ной. В противном случае при случайном появлении трещины волокна не от-
сдаиваются от матрицы даже локально, и трещина легко растет через материал.
Таким образом, адгезионная прочность должна иметь оптимальную величину.
Интересно, что максимуму прочности соответствует адгезия в древесине дуба.

Рис. 1.9. Некруглое сечение сверхвысокомолекулярных полиэтиленовых волокон в одно-
направленном бронезащитном материале

Для обеспечения адгезии (связи) с матрицей на волокна наносят аппрет.
Молекулы аппрета вступают в химическую реакцию как с поверхностью во-
локна, так и с матрицей, в результате чего волокна химически связываются с
матрицей. Еще одна функция аппрета состоит в повышении стойкости матери-
ала к действию влаги. Отметим, что проблему адгезии химики часто переоце-
нивают, что связано с их желанием получить задание на соответствующую ра-
боту. После разработки новых волокон они, как правило, имеют плохую адге-
зию с матрицами, но эту проблему быстро решает фирма-производитель волокон
путем соответствующей поверхностной обработки.

В дисперсионно-наполненных композитах частицы имеют приблизитель-
н р внь размеры во всех трех измерениях. Размер частиц обычно равен
приблизительно 10 мк. Распределение частиц, как правило, является случай-
ным (см. рис. 1.6, в), однако плоские частицы могут иметь ориентацию, и это
также используется для классификации.

Волокна имеют большую длину, которая намного превышает их диаметр, од-
нако отношение длины к диаметру волокон может сильно варьироваться. Для
ок-
кна
оч-
от-
1ал.
iHy.
/ба.

получения композитов используют непрерывные или короткие волокна со сравни-
тельно небольшим отношением длины к диаметру. Длина коротких волокон мо-
жет существенно различаться — от 0,5 мм до 10 см. Такие волокна могут иметь
преимущественное направление ориентации или быть случайно ориентированны-
ми (см. рис 1.6, б и в). Если непрерывные волокна (см. рис. 1.6, а) уложены в
одном направлении, композит называют однонаправленным. Для армирования ис-
пользуют также ткани. Многослойные композиты (ламинаты) состоят из несколь-
ких однонаправленных слоев или тканей, уложенных в различных направлениях и
имеющих определенную последовательность укладки слоев. Обычно ламинат со-
держит от 4 до 40 слоев, ориентация волокон в которых определенным образом
изменяется по толщине пластины. К примеру, последовательная укладка слоев в

ИСТОРИЯ РАЗРАБОТКИ КОМПОЗИТОВ

целлюлозных воло-

ОДНО-

р, од-

Рис. 1.10. Заворачивание мумии фа-
раона в ткань, пропитанную смолой

отбора. Она состоит из высокопрочных ориентированных
кон и целлюлозной неориентированной матрицы.

двух перпендикулярных направлениях создает поперечно-армированный композит
со схемой укладки 0/90°. Примером такого композита является фанера.

прет,
э во-
тся с
гери-
?оце-
о ра-
адге-
юкон

тель-
эавен
учай-
и это

В действительности волокнистые композиты не такие уж и новые
материалы. Ими являются, например, саманные кирпичи, делавшиеся из гли-
ны, армированной соломой. Египтяне мумии фараонов заворачивали в ткани и
пропитывали смолой (рис. 1.10), которая постепенно твердела. Кроме того,
имеются природные волокнистые композиты, как, например, древесина и ко-
сти. Структура древесины (рис. 1.11) определилась в результате естественного
Монгольские племена делали луки, склеивая пять кусков дерева (с помо-
щью клея, приготовленного из копыт и костей животных). К ним с растягива-
емой стороны лука приклеивали бычьи сухожилия, а со сжимаемой стороны -
полоски из бычьего рога. Затем лук обрабатывали паром и изгибали, придавая
ему окончательную форму. Затем его стягивали шелковой нитью и медленно
охлаждали. В результате получали мощный лук.

Создание современных композиционных материалов имело несколько ос-
новных ступеней:

1. «Стихийное» создание композиционных материалов типа саманного кир-
пича.

2. Создание фанеры и ее авиационного варианта, называемого дельта-дре-
весиной. Дельта-древесина является искусственным композиционным матери-
алом, склеенным из однонаправленных слоев натуральной древесины. Вопре-
ки принятому мнению, дельта-древесина на воздухе не горит. Ее основной
недостаток состоит в том, что во влажных условиях она коробится, в результате
чего ухудшаются аэродинамические характеристики пластины. В результате
коробления дельта-древесины скорость самолетов времен начала Второй ми-
ровой войны падала примерно на 100 км/ч.

3. В 1918 г. англичанин Гриффитс разработал теорию разрушения, назван-
ную позднее его именем. Из этой теории следует, что прочность материала тем
выше, чем меньше размер дефекта (трещины). Он также понял, что тонкие
волокна не могут иметь крупных дефектов, и начал получать плавлением тон-
кие стеклянные волокна. Эти волокна оказались очень прочными в согласии с
его теорией. В середине 1930-х г. Журков получал волокна кварца прочностью
12 ГПа, что втрое выше прочности лучшей стали.
4. Главной ступенью создания современных композиционных материалов яв-
ляется разработка А.К.Буровым (рис. 1.12) и его сотрудниками в конце 1930-х гг.
однонаправленного стеклопластика, состоящего из стеклянных волокон и по-
лимерной матрицы. С именем Бурова связано и появление новой науки —
науки о волокнистых композиционных материалах. Отметим, что выдающиеся
российские ученые основывали новые направления различных наук и получа-
ли Нобилевские премии, но прецедентов основания целой науки не было ни
до, ни после А.К. Бурова. В этом смысле его можно сравнить лишь с разработ-
чиком радио Поповым.

Рис. 1.12. Андрей Константинович Буров (1900—1957) в конце 1930-х гг. в Институте
кристаллографии АН СССР создал синтетический волокнистый анизотроп-
ный материал (СВАМ). Основатель науки о волокнистых композиционных ма-
териалах

5 Производство Буровым стеклянных волокон специально для изготовления
композиционных волокон. В конце Второй мировой войны пластины из стек-
лопластика использовали в авиации вместо дефицитного алюминия.

6. Разработка новых полимерных матриц. Первыми появились фенольные
смолы. В 1936 г. были запатентованы ненасыщенные полиэфирные смолы, а в
1938 г. появились эпоксидные смолы.

7. Создание новых типов волокон (борных, углеродных и органических).

Отметим, что создание новых материалов никогда не было простым. Но
если эпохи бронзы и железа длились около 2 тыс. лет, то волокнистые компо-
зиты появились лишь в 1941 г., и их разработка и испытания продолжаются и
сейчас. В середине 1950-х гг. разработкой и исследованием армированных пла-
стиков занялись в английской компании «Роллс-ройс», которая специализиро-
валась на разработке самолетных двигателей. Попытка внедрения углепластика
привела к банкротству фирмы. Сейчас появляются сообщения о растрескива-
нии углепластиковых Боингов-787 («Дримлайнеров»). Поэтому конструкторы
крайне осторожно подходят к использованию новых материалов. Они вынуж-
дены искать компромисс между желанием обойти конкурентов и боязнью вне-
дрения новых материалов. Кроме того, они часто просто не умеют проектиро-
вать изделия из высокопрочных композитов. Эти материалы весьма специфич-
ны вследствие своей анизотропии, что требует специальных методов соединения,
заделки кромок и т. д. Все это тормозит использование композитов. Даже ла-
бораторное испытание композитов на растяжение и сжатие отличается от ис-
пытания металлов и полимеров и требует не только умения, но и специального
оборудования.

Особенностью однонаправленных полимерных композитов, отличающей их
от других материалов, является исключительно высокая степень анизотропии.
Продольная прочность и жесткость однонаправленного композита примерно в
сто раз выше соответствующих поперечных характеристик. Например, типич-
ные значения прочности углепластика при продольном и поперечном растяже-
нии равны 1800—2200 и 60—80 МПа соответственно. Предельно высокая сте-
пень анизотропии определяет механическое поведение и, в частности, необыч-
ное разрушение композитов.

1.5. ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Армированные пластики широко используют в авиационной и
спортивной технике. Это обусловлено рекордно высокими механическими ха-
рактеристиками композитов, определяемыми стеклянными, углеродными или
арамидными волокнами. По прочности армированные пластики в общем-то не
превосходят традиционные металлические сплавы, а по жесткости — сильно
уступают им. Главное преимущество армированных пластиков связано с ком-
бинацией прочности и низкой плотности. Это преимущество композитов ста-
новится очевидным, если рассмотреть модуль упругости и предел прочности
материалов в расчете на единицу массы. Эти характеристики называют удель-
ным модулем упругости (Е/р) и удельной прочностью (с/р) материала. Более вы-
сокий удельный модуль и удельная прочность композитов позволяют снизить
вес изделии. Это особенно важно в космической и спортивной технике, где
цена играет не главную роль, а также в движущихся деталях транспортной
техники, где сокращение веса обеспечивает повышение эффективности и сни-
жение энергозатрат. Например, потребление бензина легковым автомобилем
практически пропорционально его весу (рис. 1.13).

Эффективность материала определяется его удельной прочностью в случае
сосудов внутреннего давления и твердотопливных ракет, корпус которых при
работе испытывает растяжение. И поскольку разработка композиционных ма-
териалов исторически была связана с ракетной техникой, наиболее часто ис-
пользуется именно этот параметр эффективности. По этой характеристике ком-
позиционные материалы превосходят другие материалы особенно сильно.

Рис. 1.13. Корреляция веса автомобиля и потребления им бензина

При сжатии несущая способность стержня ограничена эйлеровской поте-
рей устойчивости. В этом случае наименьший вес будет иметь стержень, из-
готовленный из материала с наибольшей величиной ЕХ111р. Наконец, при изгибе
минимальный вес будет иметь панель с максимальной величиной Ех,ъ/р. В авиа-
ции и спортивной технике композиты наиболее часто испытывают именно из-
гибающие нагрузки, и поэтому эффективность материала следует характеризо-
вать параметром эффективности Е{/3/р, а не удельной прочностью.

Отметим, что по этому параметру композиты имеют не столь высокое пре-
имущество над другими материалами, как при сравнении удельной прочности.
Поэтому следует иметь в виду, что в случае авиационной и спортивной техни-
ки материалы часто нужно сравнивать не по удельной прочности, а по соответ-
ствующим параметрам эффективности (Е1/2/р или Ех/3/р). Заметим, что в слу-
чае сотовых панелей это опять может быть удельная прочность, и нужно каж-
дый раз определять параметр эффективности, характеризующий конкретное
изделие.

Материалы сравнивают при помощи диаграмм эффективности (рис. 1.14), в
которых, например, по одной оси откладывается модуль Юнга, а по второй,
например, плотность. На рис. 1.14 представлены три определяющие линии,
характеризующие материалы при трех описанных способах нагружения.
Рис. 1.14. Диаграмма эффективности материалов, характеризующая композиты на основе
полимерных матриц

Рассмотрим определяющую линию, вдоль которой величина Ех'ъ/р является
константой. Эта линия соответствует панели, нагруженной центральной силой.
Материалы, характеристики которых лежат на этой прямой, имеют одинаковую
эффективность. Эффективность материалов, расположенных над этой линией,
выше. Положение армированных пластиков на этой диаграмме показывает, что
по всем трем критериям композиты эффективнее, чем полимеры. Сравнение со
сплавами показывает, что большинство композитов имеет преимущество по пара-
метрам Е1 /ри Е1 3/р, однако по параметру Е/р различия менее выражены.

Список литературы

1. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные материалы. —
СПб.: Издательство НОТ, 2009.

2. Михайлин Ю.А. Специальные полимерные композиционные материалы. —
СПб.: НОТ, 2009.

3. Strong А.В. Fundamentals of Composite Manufacturing. Materials, Metrhods and
Applications. SME, 2008.
основе

, что
die со

пара-

ы.

and

Список литературы 1 у

4. Баженов С.Л., Берлин А.А., Кульков А.А., Ошмян В. Г. Полимерные композицион-
ные материалы. Прочность и технология. — Долгопрудный: ИД «Интеллект»,
2010.

5. Мэттьюз Ф., Ролингз Р. Композитные материалы. Механика и технология.
М.: Техносфера, 2004.

6. Каргин В.А., Слонимский Г.Л. Краткие очерки по физико-химии полимеров.
2-е изд. — М., 1967.

7. Буров А.К Техническая физика. Т. 15, вып. 5, 1945.

8. Буров А. К., Андреевская Г.Д. Синтетические волокнистые анизотропные матери-
алы и их техническое применение. — М.: Изд-во АН СССР, 1956.

9. Головкин Г.С. Предельное армирование органоволокнитов // Пласт, массы. № 6,
1981. - С. 39-41.

10. Вагнер Л. Легкие баллистические материалы / Под ред. А. Бхатнагара. — М.:
Техносфера, 2011.

11. Kelly A. Strong Solids. Clarendon Press, Oxford, 1973.

12. Ashby M.F. On the Engineering Properties of Materials / Acta Metall. 37, 1989. —
P. 1273.

13. Чамис К. Mикромеханические теории прочности. В кн.: Разрушение и усталость/
Под ред. Л. Браутман. — М.: Мир, 1978. — С. 106.

14. Тарнопольский Ю.М. и Скудра А.М. Конструкционная прочность и деформатив-
ность стеклопластиков. — Рига: Зинатне, 1966. — С. 260.

15. Mathews F.L., Rawlings R.D. Composite materials: Engineering and science. Woodhead
Publishing Limited, Cambridge, England, 1999.

16. Нильсен Л.Е. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. —
М.: Химия, 1978.
ВОЛОКНА

В принципе волокна могут иметь самый различный диаметр, но в
композитах в основном используются волокна диаметром 6—10 мкм, что гораз-
до тоньше человеческого волоса (примерно 50 мкм, рис. 2.1). Близкий диаметр
имеют промышленные стеклянные (=8 мкм) и высокопрочные арамидные во-
локна 13 мкм). Сверхвысокопрочные углеродные волокна имеют пониженный
диаметр (=6 мкм). Исключение представляют собой борные волокна, которые
имеют диаметр примерно 50 мкм в связи с особенностью их получения.

Рис. 2.1. Сравнение диаметра человеческого волоса с рахзичными армирующими волокнами:
а человеческим волос; б — борные волокна; в — стеклянные волокна; г — арамидные
волокна; д — углеродные волокна
Десятимикронный диаметр волокон представляет собой компромисс. С
одной стороны, при фиксированном количестве фильер уменьшение диаметра
волокон приводит к снижению линейной плотности (веса и сечения) нитей, в
результате чего увеличивается их цена в расчете на килограмм. С другой —
уменьшение диаметра волокон приводит к увеличению прочности, которое при
диаметре менее 10 мкм обычно становится не очень значительным (рис. 2.2).
Связано это с тем, что прочность стеклянных и органических волокон прибли-
жается к теоретическому пределу, и дальнейшее увеличение прочности воз-
можно только за счет увеличения модуля упругости. Подробнее это описано в
гл. 5. Высокомодульные углеродные волокна — исключение, и их прочность
еще заметно ниже теоретического предела.

Рис. 2.2. Зависимость прочности при растяжении от диаметра стеклянных волокон

Относительную длину волокон описывают отношением длины к диаметру,
называемым характеристическим отношением. Если длина волокон намного
выше так называемой неэффективной длины (примерно пятьдесят диаметров,
что при диаметре 10 мкм составляет 0,5 мм), они эффективно упрочняют мате-
риал. При увеличении длины волокон до 5 см (сто неэффективных длин) на-
блюдается заметное повышение прочности и модуля упругости с ростом дли-
ны. В дальнейшем скорость роста прочности замедляется. В высокопрочных
композитах используют непрерывные волокна, длина которых может состав-
лять километры.

Повышение содержания волокон приводит к увеличению прочности при
растяжении и модуля упругости. Типичное содержание волокон в однонаправ-
ленном композите составляет 60—70 об. %, что лимитируется возможностью
упаковки волокон без появления пор.
Сейчас разработано большое количество искусственных волокон, типич-
ные характеристики которых приведены в табл. 2.1. Если волокна получают
различными технологическими методами, их свойства могут различаться весь-
ма сильно. Большинство искусственных волокон деформируется линейно-уп-
руго (рис. 2.3). Исключением являются арамидные волокна и, в частности,
СВМ, которые ведут себя нелинейно.

Рис. 2.3. Диаграммы растяжения различных волокон

Важной характеристикой волокна является удельный модуль упругости.
В таблице представлены и другие показатели эффективности. Удельная проч-
ность волокон примерно на порядок выше, чем у металлов. По этой характери-
стике композиционные материалы превосходят другие материалы особенно
сильно. Удельный модуль упругости углеродных, арамидных и СВМПЭ-воло-
кон также примерно на порядок выше, чем у металлов. Удельная жесткость
стекловолокна относительно невысока.

Как описано в предыдущей главе, при сжатии несущая способность стерж-
ня ограничена эйлеровской потерей устойчивости. В этом случае наименьший
вес будет иметь стержень, изготовленный из материала с наибольшей величи-
ной ЕХ11/р. При изгибе минимальный вес будет иметь панель с максимальной
величиной Е1/3/р. По параметру удельной прочности углеродные волокна пре-
восходят алюминии в 16 раз; по удельному модулю упругости — в 6 раз, по
параметру Ех/1/р — в 3 раза и по параметру Еш/р — лишь в 2,4 раза. Есте-
ственно, что специалисты по композиционным материалам предпочитают срав-
нивать удельную прочность материалов, хотя, например, в авиации, где мате-
риалы часто работают на изгиб, их следует сравнивать по параметру Е1 3/р илИ
ЕХ1~/р. В этом случае выигрыш в свойствах гораздо ниже.
Таблица 2.1. Сравнение свойств основных типов волокон

Волокна Плотность р, кг/м3 Прочность при растяже- нии о, ГПа Удельная прочность о/р, (МПа • м3)/кг Модуль упругости Е, ГПа Е/р, (МПа • м3)/кг Е i/2/р Е ^3/р
Е-стекло 2540 3,4 1,34 70 28 з,з 1,62
S-стекло 2540 4,2 1,65 90 35 3,7 1,76
Углеродные (стандартный модуль) 1860 4,1 2,2 230 123 8,2 3,29
Углеродные (средний модуль) I860 5,4 2,9 280 150 9.0 3,52
Углеродные высокомодульные 1900 3,4 1,8 440 232 11,0 4,0
Арамидные (стандартные) 1450 4,0 2,76 130 90 7,9 3,5
Арамидные (высокомодульные) 1450 3,4 2,34 185 127 9,4 3,9
СВМПЭ (стандартный модуль) 970 2,6 2,68 120 124 11,3 5,1
СВМПЭ (высокомодульные) 970 3,0 3,1 170 175 13,4 5,7
Борные 2650 3,5 1,32 390 147 7,5 2,8
SiC 3000 3,4 1,13 414 138 6,8 2,5
Паутина 1300 1,0 0,77 95 73 7,5 3,5
Сталь 7800 1,0 0,13 210 27 1,9 0,76
Алюминий 2800 0.5 0,18 70 25 3,0 1,47
Титан 4500 1,15 0,26 172 38,2 2,9 1,24
2.1. СТЕКЛЯННЫЕ ВОЛОКНА

По объему производства стеклянные волокна намного опережают
все другие типы волокон и лишь немного уступают алюминию. Это объясняет-
ся низкой стоимостью стекловолокна (которая на порядок ниже, чем у других
типов волокон). Как следует из табл. 2.1, стекловолокну присуща высокая удель-
ная прочность, и его широко используют во многих потребительских товарах
из-за низкой стоимости.

Рис. 2.4. Примеры структур силикатного стекла:

а — трехмерная кристаллическая сетка кварца; б — связи между атомами образуются и в
аморфной структуре; в — сетка разрушается при добавлении модификаторов, например
Na2O

Стекло основано на диоксиде кремния SiO2 (кварце), который является
одним из самых распространенных компонентов земной коры. Элементарная
ячейка кварца имеет тетраэдрическую структуру (рис. 2.4). Кварц плавится
при температуре около 1610 °C. Для снижения температуры плавления в него
вводят добавки, например оксиды металлов вроде Na2O или СаО, которые
дают положительные ионы, приводящие к частичному разрушению трехмер-
ной сетки (рис. 2.4, в). К примеру, добавление одной молекулы Na^O приво-
дит к появлению двух ионов Na+, каждый из которых присоединяется к одному
атому кислорода, который перестает соединять два тетраэдра. Разрушение крис-
таллической решетки вызывает снижение температуры стеклования стекла Tg
(температуры, при которой оно начинает течь). Обычное оконное стекло при
700 С легко течет. В составе огнеупорного стекла пирекс меньше добавок, и
оно имеет более высокую температуру стеклования. Для примера в табл. 2.2
приведены составы обычного натриевого и термостойкого боросиликатного
стекла.
Таблица 2.2. Типы стекла

Тип стекла Типичным состав, вес. % Область применения
Натриевое стекло 70%SiO2, 10%СаО, 15%Na2O Оконное стекло, бутылки и т. д. Легко формуется
Боросиликатное стекло 80%SiO2, 15% В2О3, 5 % Na2O Огнеупорное стекло («пирекс»), кухонная и лабораторная посуда

2.1.1. Типы стекловолокон

Сейчас производится огромное количество различных типов стек-
лянных волокон, однако в композитах используют только Е-стекло, S-стекло,
С-стекло и кварцевые волокна. Состав стеклянных Е-волокон аналогичен стеклу
пирекс. Их используют в различных электрических устройствах благодаря вы-
сокой прочности, высокому напряжению электрического пробоя и низкой сто-
имости. По этой же причине их применяют и в композитах. S-волокна прибли-
зительно на 35 % прочнее Е-волокон и немного более термостойки (рис. 2.5).
Их используют преимущественно в высокопрочных композитах. С-волокна
имеют повышенную кислотную стойкость.

Рис. 2.5. Влияние температуры на прочность стекловолокна

Кварцевые волокна получают из кварцевых стержней, которые затем вытя-
гивают в волокна. Прочность кварцевых волокон на 25 % ниже, а плотность
лишь немного больше, чем у стеклянных волокон. Их применяют, если тре-
буется высокая термостойкость или низкое поглощение электромагнитных сиг-
налов. Например, в абляционной защите, тепловых экранах и защитных кол-
паках антенн и радарных установок.

2.1.2. Производство стекловолокон

Сырьем для стекловолокон служат силикатный песок и различные
добавки, например известняк и борная кислота, а также второстепенные ком-
поненты, например глина, каменный уголь и плавиковый шпат. Их мешивают
и плавят. Температура плавления кварца равна 1610 С. Температур i плавления
смеси компонентов стекла ниже, чем у кварца, и в целом она равна примерно
1200 °C.

Загрузка

Рис. 2.6. Схема процесса производства непрерывных стеклянных волокон. Волокна с
большой скоростью вытягиваются из расплава и быстро охлаждаются

Получение стеклянных волокон иллюстрирует рис. 2.6. Сырье поступает в
см ситель, где оно перемешивается и подается в печь. Полученный расплав
пропускают через фильерную пластину и з коррозионно-стойкого металла (на-
пример, платины). В фильерной пластине имеется множество отверстий (обычно
от 200 до 1200), через которые вытекает стекло и образуется нить, состоящая из
множества параллельных волокон. Затем нити вытягивают (удлиняют), охлаж-
дают потоком воздуха или опрыскиванием водой, наносят аппрет и наматыва-
ют на катушку. Стоит отметить, что терминология производителей волокон и
специалистов по композитам различается. Производители волокон нити назы-
вают комплексными нитями, а волокна — элементарными нитями
Замасливатели используют в текстильной промышленности несколько сто-
летий. В XVIII в. появился машинный ткацкий станок, в котором нити часто
рвались. Поэтому их стали пропитывать водным раствором крахмала. Волокна
подклеивались, что уменьшало частоту обрыва нити. Крахмал удаляли путем
стирки ткани. Позднее для этого стали использовать поливиниловыи спирт и
другие растворимые в воде вещества. На стеклянные нити раньше наносили
замасливатель, предотвращающий их разрыв при прохождении через текстиль-
ный станок. Первоначально в этом качестве использовали машинное масло,
ухудшающее адгезионную связь с матрицей, но уже А.К. Буров в 1940-х гг.
начал плавить стеклянные волокна, не покрывая их маслом. Сейчас в качестве
замасливателя используют матричную смолу или аппрет, улучшающий адгези-
онную связь с матрицей.

Диаметр волокон зависит от диаметра фильер, температуры, вязкости рас-
плава, скорости и способа охлаждения. Для получения композитов обычно
используют волокна диаметром примерно 8 мкм, но в материалах, работающих
на сжатие, иногда используют и волокна диаметром 20 мкм. Более толстые
волокна при переработке ломаются в местах перегиба.

Таблица 2.3. Свойства стеклянных волокон

Свойство Е-стекло S-стекло С-стекло
Коэффициент теплового расширения, 10 6°С 5,2 5,7 7,3
Удельная теплоемкость, кДж/(кг • °C) 0,8 0,74 0,8
Температура размягчения, °C 846 970 750
Напряжение электропробоя, кВ/см 103 130 —
Показатель преломления 1,56 1,53 1,53
Увеличение веса после 24 ч в воде, % 0,7 0,5 1,1
Увеличение веса после 24 ч в 10% H2SO4, % 39 4,1 2,2

2.2. БОРНЫЕ ВОЛОКНА

Борные волокна начали производить в начале 1960-х гг. в связи с
недостаточным модулем упругости стеклянных волокон. Широкого распрос ра-
нения они не получили из-за очень высокой стоимости (примерно 3000$ за 1 кг).
Объем производства борных волокон невелик, но в некоторых случаях они
играют важную роль.

Борные волокна получают методом химического осаждения из газовой фазы.
В этом процессе (рис. 2.7) вольфрамовое волокно диаметром примерно 10 мкм
пропускают через печь со смесью газов ВС13 и Н2. При контакте с вольфрамом,
нагреваемым пропускаемым постоянным током, газы реагируют, и атомы бора

осаждаются на волокне:

2ВС13 + ЗН2 -> 2В + 6HC1T.

После выхода из камеры волокно наматывают на катушку. Типичный диа-
метр борных волокон равен 50 мкм, а время осаждения составляет десятки
секунд. Побочным продуктом реакции является соляная кислота HCL Борные
волокна сочетают высокий модуль упругости, прочность при растяжении и
исключительно высокую прочность при сжатии.

упру
ИЗ ГО
а так

в рег

2.3.

Металлический наконечник

Впуск газа

Трубка из стекла пирекс

Подающая катушка

Рис. 2.7. Химическое осаждение из
газовой фазы на подложку. Вольфра-
мовое волокно диаметром 10 мкм
протягивают через цилиндрическую
камеру, в которой бор осаждается на
горячую поверхность волокна

Ртутный электрод

0,25 мм

Впуск газа

Круглое отверстие

Трубка из стекла пирекс

Борные волокна поставляют в виде катушек с одиночным волокном или
лент, в которых волокна вплетены в углеродную ткань. В авиации борные во-
локна использовали для изготовления горизонтального и вертикального стаби-
лизаторов самолетов, верхнего лонжерона, руля направления, а также горизон-
тальных стабилизаторов вертолетов. Борные волокна применяют в препрегах в
сочетании с углеродными волокнами. Такие гибриды имеют высокий модуль

ЛИ В

ЧИСТ1
xapai
роли
воло

трехр
стал/
тура
надо:
базал
НЫМ1
вы со
СТИН1
у гл ер
пенд!
стин.
лени1
равен
упрут

Н
и мо;
обраС
рез м
денис
сталл
размс
волок
сдвиг
сталл
ИСХО1
граф к
чина*
ВЫСО1
лены
упругости и высокую прочность при сжатии. Борные волокна используют для
изготовления теннисных и бадминтонных ракеток, лыж и клюшек для гольфа,
а также рыболовных удилищ. Ими армируют алюминий, но бор легко вступает
в реакцию с алюминием, что осложняет технологию получения композита.

2.3. УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА

Углеродные волокна производят с начала 1960-х гг. Их разработа-
ли в связи с низким модулем упругости стекловолокон. Благодаря повышению
чистоты сырья и совершенствованию технологии производства механические
характеристики волокон неуклонно улучшались, и сейчас производятся угле-
родные волокна с прочностью до 6 ГПа. По удельной прочности углеродные
волокна уступают только российским арамидным волокнам русар и армос.

На рис. 2.8 показана структура углеродного волокна. Оно имеет сложную
трехмерную структуру, основой которой являются тонкие и изогнутые кри-
сталлы графита, ориентированные преимущественно вдоль оси волокна. Струк-
тура атомной решетки графита изображена на рис. 2.9. Она представляет собой
наложенные друг на друга пластины графита. Плоскость пластин называют
базальной. Высокая прочность графита в базальной плоскости обусловлена проч-
ными ковалентными связями атомов углерода в кольцах. Это обеспечивает
высокую жесткость и прочность волокна в осевом направлении. Соседние пла-
стины графита связаны слабым ван-дер-ваальсовым взаимодействием атомов
углерода. Этим обусловлена низкая прочность графита при растяжении в пер-
пендикулярном направлении и низкая прочность при сдвиге в плоскости пла-
стин. Модуль Юнга графита в плоскости слоев и в перпендикулярном направ-
лении равен 1060 и 36,5 ГПа соответственно. Модуль сдвига в плоскости слоев
равен лишь 4,5 ГПа. В лучших пековых углеродных волокнах осевой модуль
упругости достигает 90 % теоретического предела.

На рис. 2.10 показано влияние температуры термообработки на прочность
и модуль упругости углеродных волокон. При увеличении температуры термо-
обработки модуль упругости монотонно возрастает, а прочность проходит че-
рез максимум и при некоторой температуре начинает снижаться. Такое пове-
дение объясняется тем, что при увеличении температуры термообработки кри-
сталлы графита становятся менее дефектными и, в частности, увеличивается их
размер. Базальные плоскости кристаллов ориентированы не точно вдоль оси
волокна. Поэтому при осевом растяжении в базальной плоскости появляются
сдвиговые напряжения, приводящие в конце концов к сдвигу плоскостей кри-
сталла графита и разрушению волокна. Чем крупнее кристалл, тем легче про-
исходит его сдвиг. В процессе графитизации увеличивается размер пластин
графита. Поэтому при некоторой температуре термообработки прочность на-
чинает снижаться, несмотря на увеличение модуля упругости. Типичные для
высокопрочных волокон значения модуля упругости (240—280 МПа) обуслов-
лены невысокой степенью кристаллизации и малым размером кристаллов гра-
Рис. 2.8. Модель трехмерной структуры ба-
зальных плоскостей графита в углеродном
волокне

Рис. 2.10. Зависимость
прочности при растяже-
нии и модуля упругости
углеродных ПАН-воло-
кон от температуры тер
мообработки
фита. Прочность волокон определяется углом разориентации пластин графита
и длиной кристаллов. Отметим, что имеются сообщения, что в высокопрочных
волокнах при чистом ПАН-сырье увеличение температуры термообработки не
приводит к снижению прочности.

В 1970—1980-е гг. различали углеродные и графитовые волокна. Прочность
высокопрочных волокон соответствовала максимуму (см. рис. 2.10). Графито-
вые волокна получали из углеродных путем дополнительной высокотемпера-
турной обработки, называемой графитизациеи Сейчас термин «углеродные
волокна» может применяться по отношению к обоим типам волокон. Измени-
лись терминология и классификации волокон. Теперь волокна часто описыва-
ют величиной модуля упругости, различая волокна со стандартным, средним и
высоким модулем упругости.

2.3.1. Производство волокон

Углеродные волокна делают высокотемпературной обработкой по-
лиакрилонитрильных (ПАН), пековых или вискозных волокон. Эти материалы
имеют высокое содержание углерода, и нагреванием в отсутствие кислорода
они преобразуются в углерод. Это напоминает получение древесного угля выжи-
ганием древесины в средние века. Первыми были получены углеродные волокна
из вискозы, но теперь они используются лишь в самолетах, разработанных мно-
го лет назад. Переход на более современные волокна требует сертификации,
поэтому проще сохранять старое производство. Нефтяной пек (гудрон) — это
материал, который остается после получения бензина и других нефтепродуктов
из сырой нефти. Его используют в асфальте. Пек имеет высокое содержание
углерода, что позволяет использовать его в качестве сырья для производства
углеродных волокон. Процессы получения углеродных волокон из пека, виско-
зы и полимерных ПАН-волокон аналогичны.

Из полиакрилонитрильных волокон делают одежду, но в этом случае их
называют акриловыми. ПАН-волокна, служащие сырьем для получения угле-
родных волокон, имеют ту же химическую структуру, но производятся на дру-
гих заводах. Ниже речь пойдет только о них. ПАН-сырье выпускают в форме
нитей, состоящих из сотен и тысяч параллельных волокон, наматываемых на
катушки.

На рис. 2.11 проиллюстрирован процесс производства углеродных волокон
из ПАН-сырья. Чтобы полимер при термообработке не плавился, его окисляют
при температуре 220—280 °C. Эту стадию процесса называют стабилизацией
или окислением. Окисление проводят на воздухе в условиях, предотвращаю-
щих усадку (сокращение длины) волокон. При стабилизации полиакрилонит-
рильные молекулы реагируют с кислородом воздуха и образуются химические
сшивки между соседними макромолекулами.

Молекулярная структура волокна в процессе стабилизации показана
на рис. 2.12, а. На этой стадии из линейного полимера образуются кольца,
при дальнейшем нагреве преобразующиеся в кольца графита. ПАН-нити

Вытяжка

ПАН-волокно

Т ермостаби лизация

Карбонизация

Графитизация

из расплава

Шпуля Аппретирование Поверхностная

обработка

Рис. 2.11. Схема производства углеродных волокон. Ориентированные полиакрилонит
рильные волокна окисляются в термореакторе, после чего карбонизуются
Модуль упругости повышают путем последующей термообработки при повы-
шенной температуре. Для улучшения адгезии с полимерной матрицей поверх-
ность волокон подвергают травлению

Рис. 2.12. Структурные изменения углеродного ПАН-волокна на стадии стабилизации
и карбонизации (б). В процессе карбонизации выделяются водород и азот

СО МНС
ние ни
тонкой
Cie
нагрева
на рис.
полиме
кольца,
газы, bi
але сос
альном
они амс

Cie.
вышени
ным на
усадку,
графита
содержа
ность в<
выше те

Пос;
в которе
окислен
адгезию
ства в Э1

Поел

совместр
наматыв
тает с 1,

По VI
ся. Это с
териал о в
1960-х гг
до 100$з
учитывав
волокон
ства вок
стой мост
неплохо
ются не 1
не испо 1
законами
в Россию
со многих катушек подают в печь через ряд гребней, разделяющих сосед-
ние нити. Их пропускают через валки, на которых нити становятся едином
тонкой лентой.

Следующую стадию процесса называют карбонизацией. Ее проводят путем
нагрева до примерно 1400 С в атмосфере азота. Схема этого процесса приведена
на рис. 2.12, б. При нагревании образуется водород и азот, а ориентированные
полимерные цепи объединяются в пластины, имеющие шестикомпонентные
кольца. Отметим, что помимо водорода и азота выделяются весьма ядовитые
газы, вплоть до цианидов. После карбонизации содержание углерода в матери-
але сос авляет 80 95 %. Во время карбонизации волокна усаживаются в ради-
альном направлении, и их диаметр уменьшается примерно вдвое. По структуре
они аморфны.

Следующий этап процесса называют графитизацией. Ее проводят для по-
вышения жесткости и прочности волокон. Осуществляют ее еще более силь-
ным нагревом в атмосфере азота в условиях, предотвращающих продольную
усадку. При графитизации выделяется азот и увеличивается размер пластин
графита. При этом структура уплотняется еще сильнее. После графитизации
содержание углерода в волокнах превышает 99 %. Модуль упругости и проч-
ность волокон определяются температурой (и временем) графитизации. Чем
выше температура, тем выше модуль упругости волокна.

После графитизации волокна пропускают через электролитическую ванну,
в которой окисляется их поверхность и удаляется образовавшаяся грязь. При
окислении на поверхности образуются гидроксильные группы, улучшающие
адгезию с матрицей. Углеродные волокна обрабатывают и плазмой, но их свой-
ства в этом случае ниже, чем при электролитической обработке.

После смывания электролита на волокна наносят аппрет, обеспечивающий
совместимость с матрицей и играющий роль замасливателя. После сушки нить
наматывают на катушку. При термообработке плотность ПАН-волокна возрас-
тает с 1,20 до 1,78 г/см3.

По мере роста объемов производства цена продукции постепенно снижает-
ся. Это общеэкономический закон, поскольку разработка новых товаров и ма-
териалов является весьма затратной. Первые углеродные волокна в середине
1960-х гг. стоили примерно 500$ за 1 кг, в середине 1970-х гг. цена снизилась
до 100$ за 1 кг, а сейчас она составляет примерно 35$. Приведенные цифры не
учитывают инфляции, которая за эти годы была 4—5-кратнои. Удешевлению
волокон способствовал и выпуск ни гей, состоящих из очень большого количе-
ства волокон. Обычно нить состоит из 4000-12 000 волокон. Для снижения
стоимости теперь производят нити, состоящие из 320 000 волокон. Уак^е нити
неплохо зарекомендовали себя, но волокна в середине нити термообра атыва
ются не полностью, что ухудшает их свойства. В авиакосмической отрасли их
не используют. Продажа высококачественных волокон в Россию запрещена
законами стран-производителей. Продажа низкопрочных углеродных волокон
в Россию разрешена.
В табл. 2.4 приводятся типичные значения прочности и модуля упругости
различных углеродных волокон. Модуль упругости пековых волокон выше, чем
ПАН-волокон. Их используют, если требуется высокий модуль упругости ма-
териала. Однако они дороже и используются гораздо меньше ПАН-волокон.

Таблица 2.4. Типичные свойства различных углеродных волокон

Тип волокна Прочность при растяжении, ГПа ПАН-волокна Модуль упругости, ГПа
Стандартные 3,5-4,5 230-240
Средне модульные 5,4-6,4 280—290
Высокомодульные 3,5-3,8 440-590
Пековые волокна
Стандартные 1.9 380
Среднемодульные 2,1 520
Высокомодульные 3,6 720-850

Как правило, повышение температуры приводит к увеличению длины ма-
териала, и коэффициент теплового расширения (КТР) положителен. Углерод-
ные волокна представляют собой исключение, и их КТР отрицателен. Особен-
но силен этот эффект у высокомодульных волокон. Это позволяет создавать
многослойные углепластики с нулевым КТР, что важно в космической техни-
ке, поскольку температура на освещенной стороне орбиты очень высокая, а на
теневой падает до —150 °C.

Теплопроводность является еще одной важной характеристикой волокон.
У сверхвысокомодульных пековых волокон она превосходит даже теплопро-
водность серебра. Углеродные волокна проводят электрический ток, что объяс-
няется ориентацией базальных плоскостей графита вдоль оси волокна. Поэто-
му из тканей на их основе делают нагревательные элементы.

Углеродные волокна ведут себя упруго вплоть до разрушения, не ползут и не
подвержены усталости. Они химически инертны, за исключением контакта с
сильными окислителями и некоторыми расплавленными металлами. Недостат-
ками углеродных волокон являются хрупкость, низкая стойкость к удару, низкое
ин ни при разрушении и относительно низкая прочность при сжатии.

Один из н до т тков } гл пластиков состоит в неспособности отводить элеК"
тричество от жизненно важных электронных деталей самолета при попадании
молнии. Для защиты от молнии углеродные волокна методом химического осаж-
дения покрывают слоем никеля. По прочности они не уступают обычным угле-
родным волокнам.
2.4. ОРГАНИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА

В композиционных материалах используют арамидные волокна
торговых марок «Кевлар», «Тварон», «Русар», «Армос» и «СВМ». Другим ти-
пом высокопрочных органоволокон являются сверхвысокомолекулярные поли-
этиленовые (СВМПЭ) волокна. На западе их производят под маркой «Spectra»
(в США) и «Dynema» (в Европе). Для армирования шин и конвейерных лент
используют также нейлоновые волокна.

2.4.1. Арамидные волокна

Производство арамидных волокон торговой марки «Кевлар» и
«СВМ» началось в 1971 — 1972 гг. в США и СССР соответственно. Первона-
чально кевлар применяли для армирования шин. Затем его стали исполь-
зовать в бронежилетах. Название «СВМ» является сокращением от слова
«сверхвысокомодульные». Арамидные ткани применяют для изготовления
корпусов баллистических ракет, парашютов, парусов яхт, защитных перча-
ток и одежды.

Химическая структура кевлара приведена на рис. 2.13. Арамиды арома-
тичны. Вследствие полярности им характерно сильное межмолекулярное вза-
имодействие. По этой же причине они поглощают воду из воздуха, и после
хранения на складе в комнатных условиях волокна СВМ содержат около 4%
воды.

Рис. 2.13. Химическая структура полиарамида

Арамидные волокна получают методом гель-формования, как показано на
рис. 2.14. Производство волокон начинается с синтеза полиарамида. Полимер
промывают, а затем растворяют в нагретой концентрированной серной кисло-
те. Полимер жесткоцепной, и в растворе его молекулы ведут себя, как жесткие
стержни, образуя гелеобразное (студнеобразное) вещество из-за межмолеку-
лярного взаимодействия. В фильере эти стержни ориентируются вдоль направ-
ления течения, причем в ориентированном состоянии растворимость полимера
ухудшается и он выталкивает серную кислоту, образуя непрерывные волокна.
После формования их промывают и высушивают. Вследствие жесткоцепной
структуры полимера сильная ориентационная вытяжка не требуется. Тем не
менее последняя стадия получения волокон состоит в небольшой вытяжке на
20—30 %, при которой возрастают модуль упругости и прочность, после чего
нить наматывают на катушку.
48

Г юва 2. Волокна

Волокна

Приемная катушка

Фильерная
пластина

Отмывка
и охлаждение
волокон

Гелеобразный
полимер

Арамидные волокна, в отличие от стеклянных и углеродных, в замасливате-
ле не нуждаются. Для улучшения адгезии волокна кевлар иногда аппретируют.
Российские волокна СВМ, армос и русар имеют лучшую адгезию к полимер-
ным матрицам и аппрета не требуют. Фирма «DuPont» (США) производит ара-
мидные волокна кевлар-29 (высокодеформативные), кевлар-49, кевлар-КМ и
кевлар-149 (высокомодулъные). Различия между сортами волокон кевлар обус-
ловлены различием степени кристалличности, увеличение которой приводит к
увеличению модуля. В Европе производят волокна тварон, которые по хими-
ческой структуре и свойствам аналогичны волокнам кевлар-49. Механические
свойства волокон приведены в табл. 2.5. Плотность арамидных волокон равна
1,45 г/см , что примерно в 1,7 и 1,25 раз меньше плотности стеклянных и
углеродных волокон соответственно. По прочности и жесткости они занимают
промежуточное положение между ними. Российские волокна русар имеют ре-
кордную для всех конструкционных материалов удельную прочность, и она
выше, чем у лучших углеродных волокон.

Арамидные волокна разрушаются путем ряда разрывов фибрилл, после кото-
рого трещина распространяется вдоль волокна, в результате чего волокна распа-
даются на множество микрофибрилл. Высокая ударная прочность — важнейшее
свойство арамидных волокон, определяющее их применение в защитных броне-
жилетах и шлемах. Ударная стойкость волокон обусловлена их фибриллярной
природой. При поперечном ударе волокна сминаются и их сечение изменяется
от цилиндрического к плоскому, но их продольная прочность при этом снижа-
ется не более чем на 30—40 % от начального значения. Недостатком арамидных

а>
►-
X
лз

о
о

С
Таблица 2.5. Характеристики органических волокон

Волокно Марка Плотность, г/см3 Прочность, Г Па Модуль, ГПа Деформация, % Диаметр волокна, мкм Термостойкость, °C
Даинима, СВМПЭ SK75 SK60 SK25 0,97 3,3-3,9 2,45-3,3 2,2 110-135 66—100 53 3-4 12-20 100
Спектра, СВМПЭ 1000 900 0,97 3,1 2,6 175 122 2,7 3,5 25 35 100
СВМ, арамид 1,45 4 НО 5 13 250
Армос, арамид 1,45 4,5-5 120 3,5 13 250
Русар, арамид 1,45 5 120 3,5 13 250
Кевлар, арамид 149 129 119 49 29 1,47 1,45 1,44 1,45 1,43 2,38 3,45 3,1 3 3 145 98 61 124 75 1,5 3,3 4,4 2,8 3,6 12 250
Номекс, арамид 1,38 0,6 18 22 120 250
Нейлон, полиамид 6,6 1,14 0,9 5 20 25 150
Технора, арамид 1,39 3,4 75 4,3 12 150
Вектран, полиэфирные НТ 1,43 3,3 77 3,8 276
ПВО* нм AS 1,56 1,54 5,9 5,8 280 180 2,5 3,5 400
ПБТ** 1,57 3,5 380 1 350
ПЭТФ 1,39 1,3 13 120

* Пол ибензобисокса зольные.

** Полибензобистиазольные.

2.4. Органические волокна

волокон являются невысокая прочность при сжатии (450 МПа), которая при.
мерно в 10 раз ниже, чем при растяжении, а также гидрофильность.

Арамидные волокна довольно термостойки. На рис. 2.15 продемонстриро-
вана зависимость прочности волокон кевлар-49 от времени выдержки при по-
вышенной температуре. При температуре 250 С снижение прочности состав-
ляет лишь 5 %, но оно возрастает при увеличении времени выдержки при этой
температуре. Зависимость прочности описывается прямой линией в полулога-
рифмических координах. Снижение прочности обусловлено окислительной
деструкцией волокон.

Время выдержки в нагретом состоянии t, с

Рис. 2.15. Влияние температуры на прочность волокон кевлар-49

Арамиды стоики к действию большинства растворителей и оснований, но
чувствительны к действию сильных кислот (соляной, азотной и серной).

Полимеры под действием ультрафиолета и солнечного света деструктиру-
ют. Примером служит полиэтиленовая пленка, которая после двух лет служ-
бы под воздействием солнечного света рассыпается в труху. Это обусловлено
тем, что квант света разрывает полимерную молекулу, и она дробится на две час-
ти. Аналогично, арамидная ткань под действием солнечного света через 5 недель
утрачивает 50 % прочности. Соответственно ее нужно защищать от солнечно-
го света.

2.4.2. СВМПЭ-волокна

Область применения полиэтилена необычайно широка — от пи-
щевых пакетов и мешков для мусора до труб холодного водоснабжения. Его не
следует путать со сверхвысокомолекулярным полиэтиленом (СВМПЭ). СВМПЭ
имеет ту же химическую структуру, что и бытовой полиэтилен, но его молеку-
лярная масса (от 1 до 5 млн) на порядок выше, чем у традиционных видов
полиэтилена. Повышение молекулярной массы приводит к улучшению боль-
шинства физических свойств, но при этом возрастает и вязкость полимера [см.
уравнение (1.1)], что делает невозможным его переработку из расплава. Этот
полимер представляет собой порошок, из которого спеканием формуют кухон-
ные доски, скользящие слои лыж и сноубордов.

Исходным материалом для получения СВМ ПЭ-волокон служит порошко-
образный полиэтилен с молекулярной массой 1—5 млн. Так как из расплава
СВМПЭ сформовать волокно не удается (полимер имеет слишком высокую
вязкость и не течет даже при очень высоких температурах), их формуют из
разбавленного раствора концентрацией от 2 до 30%, пропуская через фильер-
ную пластину, как при получении арамидных волокон. В разбавленном раство-
ре полимерные цепи СВМПЭ-молекул образуют гелеобразную сетку. Из сла-
босвязаннои сетки длинных молекулярных цепей получают волокна. После этого
для увеличения механических характеристик волокна подвергают дополнитель-
ной ориентационной вытяжке. Растворитель удаляют, а волокна сушат и до-
ориентируют путем вытяжки.

Механические свойства СВМПЭ-волокон представлены в табл. 2.1 и 2.5.
Они имеют высокую прочность при растяжении и высокий модуль упру-
гость. Их особенностью является низкая плотность (0,97 г/см ). Помимо
высокой прочности и жесткости, СВМПЭ-волокна имеют высокую ударную
стойкость, поэтому их широко применяются для защиты от баллистических
и ударных воздействий. В отличие от полиарамидов СВМПЭ-волокна не
поглощают воду. Они обеспечивают тот же уровень защиты при меньшем
весе брони.

Полиэтилен имеет плохую адгезию с большинством материалов. В проти-
вобаллистических материалах слабая адгезия способствует повышению ударо-
стойкости, волокна вытягиваются из матрицы, на что тратится работа. Еще
более мощным механизмом диссипации энергии является взаимное трение нитей
при поперечном ударе. Поэтому в бронежилетах часто используют несклеен-
ные ткани. Если требуется хорошая адгезия, СВМПЭ-волокна обрабатывают
коронным разрядом или плазмой, после чего адгезия с матрицей оказывается
не хуже, чем у углеродных волокон.

Благодаря химической инертности стойкость СВМ ПЭ к действию раство-
рителей и кислот выше, чем у арамидов. В композитах СВМПЭ-волокна ис-
пользуют очень редко поскольку они сильно ползут, т. е. удлиняются под на-
грузкой, причем ползучесть ускоряется при повышении температуры. Высокая
скорость ползучести СВМПЭ обусловлена низкой скоростью п тавления, при-
мерно 130 °C.

Применение СВМПЭ связано в основном с защитой от поражения оскол-
ками снарядов и пулями. Это обусловлено малой плотностью и превосходны-
ми защитными свойствами. Из СВМПЭ делают легкие каски и бронежилеты
военнослужащих, броню вертолетов, самолетов, легковых автомобилей и дру-
гих транспортных средствах. Чередование слоев СВМПЭ и арамидных волокон
еще больше улучшает защитные свойства. Из СВМПЭ изготавливают также
ткани парусов, веревки, защитную одежду и перчатки, защищающие руки от
порезов.

Производство СВМПЭ-волокон является основой прои в д тва легкой брони
и относится к области высоких технологий. В настоящее время высококаче-
ственное волокно производят только в США (под торговой маркой «Спектра»)
и Европейском Союзе («Дайнима»). Низкокачественное волокно производит
Китай. В России СВМПЭ-волокно и сырье для них не производятся, поэтому
приходится закупать их в Китае.

В композитах используют и другие высокопрочные волокна. Их производ-
ство состоит в синтезе жесткоцепного полимера, растворении и получении во-
локон из раствора. Примером является полиэфиримид (ПЭИ) торговой марки
«Вектра». Производят также поли-р-фениленбензобисоксазольные (ПВО) во-
локна. Интересно, что и ПЭИ, и ПВО могут служить как для армирования, так
и в качестве матрицы. Достоинством обоих полимеров являются высокая жес-
ткость и негорючесть. Под торговой маркой М5 выпускают жесткоцепной тер-
мопластичный полиимид, имеющий более высокий модуль упругости, чем по-
л парам иды.

Из полипропилена (ПП) получают однонаправленные ленты, которые уп-
лотняют и получают плоские листы. Прессованием при высокой температуре
из них получают баллистическую защиту.

2.5. ТЕРМОСТОЙКИЕ ВОЛОКНА

Борные и углеродные волокна вступают в реакцию с расплавлен-
ным алюминием, в результате чего на поверхности может образоваться хруп-
кий слой, инициирующий разрушение волокна. Это осложняет технологию
получения композитов и не позволяет пропитывать их расплавами металлов.
Данного недостатка лишены волокна карбида кремния благодаря своей хими-
ческой инертности. Их получают осаждением из газовой фазы. При осаждении
SiC на поверхности волокна могут образовываться различные кристаллические
структуры, ч о улучшает адгезию с металлической матрицей. В настоящее вре-
мя научились получать волокна SiC пиролизом органического прекурсора, со-
держащего атомы Si и С (подобно углеродным волокнам). Цена получаемых
пиролизом волокон SiC существенно ниже, и они весьма перспективны для
армирования термостойких металлов и керамик. С полимерными матрицами
использовать их не имеет смысла.

Из алюминия, армированного волокнами SiC, изготавливают несущие эле-
менты крыльев самолетов и корпусов управляемых ракет. Из титана, армиро*
ванного волокнами SiC, изготавливают ведущие валы и лопасти винтов. По
жесткости этот материал превосходит другие материгыы. Перспективна кера-
мическая броня, армированная волокнами карбида кремния.

Алюминий армируют волокнами оксида алюминия диаметром 3—20 мкм.
Модуль упругости волокон оксида алюминия составляет 270—380 ГПа. Это
волокно не корродирует в расплавах металлов и прозрачно для луча радара.

Нитриды получают из кремнийорганических полимеров. Они устойчивее
к тепловому удару, чем SiC. Коэффициент теплового расширения нитридов
ниже, чем оксида алюминия. Они сохраняют жесткость и прочность при тем-
пературе 1200 °C.

Базальтовые волокна впервые разработали в СССР, а затем по лицензии
стали производить в других странах. Они имеют достаточно высокий модуль
упругости и прочность. Несмотря на небольшой объем производства, их при-
менение расширяется, особенно при дефиците углеродных волокон.

2.6. НАТУРАЛЬНЫЕ ВОЛОКНА

Преимуществами натуральных волокон являются низкая стоимость,
низкая плотность, биоразлагаемость, отсутствие раздражения кожи и дыхатель-
ных путей. Их характеристики зависят от климата, методов сбора и степени
зрелости растений. Некоторые страны энергично разрабатывают композиты
широкого потребления на основе натуральных волокон, но широкомасштабно
они пока не внедрены. Положение может измениться коренным образом, по-
скольку все большее значение приобретает экологический фактор, и разработ-
ка натуральных биоразлагаемых материалов продолжается. Возможно, в буду-
щем натуральные волокна смогут успешно конкурировать с синтетическими.
В Европе натуральные волокна начали применять в листовых термопластич-
ных формовочных компаундах (ЛФК) для изготовления деталей автомобилей.
Натуральные волокна (льна, конопли и джута) заменяют стекловолокно. Мате-
риалы на их основе допускают вторичную переработку.

Большой интерес представляет натуральная паутина. Молекулярная струк-
тура паутины может послужить основой для разработки синтетического шелка,
свойства которого не будут уступать передовым волокнам. Технология произ-
водства этих волокон может быть экологически чистой, поскольку их предпо-
лагается формовать из водных растворов при комнатной температуре.

Преимущество паутины над натуральным шелком, вырабатываемым туто-
вым шелкопрядом, состоит в способности паука синтезировать ра. ные виды
паутины, для чего у него имеется шесть желез. Паутина имеет необычайно
высокое удлинение при разрыве (35 % у несущих волокон и до 200 % у других
типов паутины), и, как следствие, они способны эффективно диссипировать
энергию при поперечном ударе. Многообещающим выглядит применение пау-
тины в медицине для сшивания ран, в сосудистой хирургии, гемостатических
повязках, для протезирования мышечных связок и т. д.
г1ава 2- в°10кна

2.7. ЗАМАСЛИВАТЕЛИ И АППРЕТЫ

Задача замасливателя состоит в предотвращении разрыва углерод-
ных, стеклянных и других хрупких волокон при текстильно р ке, а
аппрета — в улучшении адгезионной связи с матриц и и защите волокна от
воды. В качестве замасливателя часто используют аппрет. Аппрет должен обра-
зовывать химическую связь и с волокном, и с матрицей. Для этого молекула
аппрета на одном конце имеет полярную кремниисодержащую группу, реаги-
рующая со стеклом, а на другом — длинную неполярную органическую группу,
взаимодействующую с матрицей. Аналогично, неполярный конец молекулы
мыла взаимодействует с жиром, а полярный с водой, в результате чего воз-
никает связь между водой и жиром, что облегчает его смывание.

Иногда в качестве замасливателя используют неотвержденную матричную
смолу, однако она часто не обеспечивает хорошей адгезии. Поэтому волокна
обрабатывают плазмой, коронным разрядом или электролитически, что акти-
вирует поверхность и облегчает ее взаимодействие со смолой. Например,
СВМПЭ-волокна обрабатывают плазмой, а химически инертные волокна кар-
бида кремния обрабатывают средой с высоким содержанием кремния.

Аппрет улучшает влагостойкость стеклопластиков, но в других композитах
он может снижать ее. Для улучшения совместимости волокон и матрицы ис-
пользуют полярные аппреты, но они, как и полярные полимеры, склонны впи-
тывать воду. Таким образом, аппрет повышает прочность, но может отрица-
тельно влиять на другие свойства.

Стоимость волокон

Стоимость волокон подвержена рыночным колебаниям и со временем меня-
ется. Тем не менее стоит иметь общее представление о цене различных волокон.
Наиболее дешевыми являются стеклянные волокна. Их цена составляет пример-
но 2 $/кг. Цена углеродных волокон варьируется в широких пределах. В частно-
сти, она зависит от сертификации, получение которой требует больших усилий и
увеличивает цену волокон примерно вдвое. Волокна для авиакосмической про-
мышленности стоят около 35 $/кг, а волокна, используемые для производства
спортинвентаря, в промышленности или в медицине, вдвое дешевле. Цена воло-
кон кевлар-49 и СВМПЭ-волокон марки «Spectra» также составляет примерно
35 $/кг. Цена волокон русар равна примерно 100 $/кг.

2.8. ФОРМА ВОЛОКОН

ир ющи в локна используются в виде непрерывных нитей,
тканей, нетканого полотна и вязаных изделии. Текстильная технология имеет
многовековую историю, и композитная отрасль лишь ра шила ее, разработав
новые формы волокон.
В фильерной пластине получают непрерывные нити, состоящие из сотен
волокон. Нити используют во многих технологических методах производства
композитов. Их можно наматывать на оправку (при намотке) или рубить и
пропитывать смолой (при напылении). Из нитей получают ткани и вязаный
текстиль.

Для повышения эффективности производства композита нити складывают
(тростят) в жгуты, состоящие из множества нитей. Таким образом, волокна
существуют на трех масштабных уровнях: в виде одиночного волокна диамет-
ром примерно 1( мкм, нити, состоящей из сотен или тысяч волокон, и жгута,
состоящего из десятков нитей. Плоские ленты, состоящие из очень большого
количества волокон, называют ровингами.

Часто возникает необходимость в волокнах длиной от 0,5 мм до 10 см.
Такие волокна называют штапельными. Их получают, рубя непрерывную нить
на отрезки. Штапельное волокно используют также в матах и формовочных
компаундах.

Линейную плотность нитей описывают единицей измерения, называемой
текс. Текс — это вес в граммах 1000 м нити. Один километр нити в 58 текс
весит 58 г. Эта единица характеризует сечение и количество волокон в нити.
Например, нить в 58 текс тоньше, чем нить в 100 текс. Аналогичную единицу
называют денье (вес в граммах 9 км нити).

2.8.1. Ткани

На ткацком станке нити основы натягивают параллельно между
двумя опорами. Между нитями основы в поперечном направлении станок впле-
тает нити утка. Нити основы располагаются вдоль рулона, а утка — в попереч-
ном направлении. Плотность основы и утка характеризуют количеством нитей
в соответствующих направлениях в расчете на один метр. Чтобы ткань не рас-
сыпалась, кромку рулона ткут особым образом. Иногда ткани, предназначен-
ные для изготовления композитов, кромок не имеют.

В зависимости от типа переплетения нитей ткани называют «полотном»,
«саржей», «атласом» и т. д. На рис. 2.16 приведены наиболее ипичные спо-
собы переплетения тканей. В ткани полотняного переплетения (рис. 2.16, а)
каждая нить основы проходит под одной нитью утка, а затем над следующей
нитью без пропусков и гак далее. Такое переплетение обеспечивает макси-
мальную плотность ткани. Если количество нитей в направлении утка и
основы одинаково, то полотно имеет равную прочность в обоих направле-
ниях и называется равнопрочным. Благодаря своей плотности полотно не
очень хорошо пропускает смолу и воздух. В полотнах иногда используют
ровинги (плоские ленты). Из тканей полотняного переплетения изготавли-
вают плоские многослойные ламинаты, печатные платы микросхем, узкие
ленты, пресс-формы и поверхностные покрытия деревянных конструкций,
например корпусов лодок.
Ткань рогожка (рис. 2.16, б) напоминает полотно, но в ней две нити пооче-
редно проходят сначала нал двумя, а татем под двумя нитями. Такие ткани
гибче полотна. Рогожка — более плоская и прочная, чем полотно аналогичного
веса. Она имеет более высокую прочность, что объясняется меныпим количе-
ством перегиба нитей утка и основы. Рогожку применяют в тех же случаях что
и полотно, но она лучше драпирует выпуклости детали. Ее часто используют в
толстых и жестких изделиях.

Рис. 2.16. Некоторые способы переплетения нитей в тканях:

а — полотно; б — рогожка, в— саржевое переплетение, г — сатиновое переплетение
(в 8 ниток); () — атласное переплетение (в 3 или 4 нитки); е — перевивочное переплетение

В сарже (рис. 2.16, в) нити утка проходят над одной и под двумя и пи более
нитями основы. В результате на ткани появляются диагональные линии. Сар-
жевое переплетение 2x2 соответствует рогожке, когда нить проходит над дву-
мя, а затем под двумя нитями. Шаг плетения может быть другим. Например, в
случае саржи 4x4 нить пропускается сначала над четырьмя, а затем под че-
тырьмя нитями. Саржу применяют в изделиях сложной формы. Саржевые тка-
ни на основе углеродных волокон часто выбирают за их эстетичный внешний
вид. Они менее стабильны, но обеспечивают лучшую пропитку и драпирую-
щую способность, чем полотно. Композитам на основе саржи свойственна бо-
лее гладкая поверхность, чем при использовании полотна.

Переплетение «гусиной лапкой» является частным случаем сатина. В этой
ткани нить пропускают под одной, а затем над тремя перпендикулярными ни-
тями. Такую ткань называют также четырехпрядным сатином. При сатиновом
переплетении (рис. 2.16, г) одна нить основы проходит над несколькими, на-
пример четырьмя (раппорт равен 5) или более нитями (с раппортом 6, 9 и г. д.),
а затем под одной нитью утка. На лицевой поверхности преобладают нити
утка. Такое плетение обеспечивает высокую драпирующую способность и рас-
тяжимость во всех направлениях. Оно позволяет добиться высокой плотности
нитей. Сатиновые ткани плоски. Они не столь стабильны, как полотно, и менее
открыты, чем другие виды переплетения, что затрудняет пропитку и удаление
воздуха. Поскольку эта ткань несимметрична, при разработке детали следует
обращать внимание на то, чтобы асимметричные слои не вызывали коробления
детали. Сатиновые ткани используют в авиастроении, где детали часто имеют
сложную форму. Например, для изготовления защитных кожухов, колпаков
радаров, труб и других изогнутых изделии. Если нежелательны изгибы нитей,
можно использовать пятипрядное сатиновое переплетение (в которой нить
проходит сначала над четырьмя, а затем под одной нитью). При восьмипряд-
ном сатиновом переплетении нить сначала проходит под одной, а затем над
семью перпендикулярными нитями. Такие ткани из тонких стеклянных нитеи
часто используют в авиакосмической промышленности.

Атлас (рис. 2.16, д) аналогичен сатину, но в нем на лицевой поверхности
преобладают нити основы, а не утка. Он имеет повышенную стабильность и
более высокую прочность в направлении основы, чем полотно. Атласная ткань
может иметь большее количество нитей, чем полотно и «рогожка». Атлас весь-
ма гибок и принимает сложные контуры, в том числе сферические. Его ис-
пользуют для изготовления удилищ, лыж и трубопроводов в авиации.

Перевивочное переплетение (рис. 2.16, е) получают путем перекручивания
двух нитей основы вокруг нити утка. Этот узор предотвращает перекашивание
тканей с низким количеством нитей и большой открытостью переплетения.

С его помощью получают тяжелые ткани, а также основу для нанесения тонких
покрытий. Эти ткани применяют для изготовления пресс-форм и при ремонт-
ных работах в сочетании с тканями других типов.

Петельный характер трикотажных тканей (рис. 2.17) обеспечивает им боль-
шую драпировочную способность и рас-
тяжимость по сравнению с описанными
выше тканями. Им свойственна исключи-
тельная способность принимать различную
форму, и поэтому трикотаж используют
при формовании деталей сложной геомет-
рии. Трикотаж можно надеть на оправку
подобно носку, что обеспечивает выигрыш
во времени и отличную подгонку матери-
ала. Такие ткани нередко используют в
антибаллистическои броне, особенно если
изделие имеет сложную форму (например,
защитный шлем). Трикотаж прекрасно ос-

_ Рис 2.17. Трикотажная ткань

танавливает рост трещин. гие 1
Выпускаются ткани из ровингов с большим количеством волокон, неплот-
но сотканных одним из описанных ранее способов. Неплотность ткани облег-
чает пропитку волокон. Этот материал применяют для быстрого наращивания
веса изделия.

Ткань полотняного плетения имеет самую высокую плотность плетения, за
ней следуют саржевое и атласное плетения. Поэтому стабильность размеров
полотна выше, чем тканей другого плетения. Однако изогнутость нитей умень-
шает эффективность армирования по сравнению с другими тканями и одно-
направленными композитами.

Открытость и драпирующая способность основные характеристики тка-
ни. Открытость характеризует плотность упаковки нитеи (промежуток между
параллельными нитями). Драпирующая способность обусловливает способность
висящей ткани не сминаться и образовывать складки. Приме зи тьно к ком-
позитам она описывает отличительное качество ткани принимать очертания
пресс-формы. Эти характеристики зависят от свойств нитей и способа их пере-
плетения.

Вуалями называют ткани плотного полотняного переплетения из очень тон-
ких нитей. Вуаль укладывают на внешнее полимерное покрытие, чтобы обес-

енъ
ШИ[
сет
цен

Рис.
локс

ко г
пои
«Тух
ных

печить гладкость поверхности.

Трехмерные (3-D) ткани переплетаются не только в плоскости, но и по
третьему измерению. Параллельные слои в 3-D-тканях ткутся одновременно, и
при этом нити переплетаются в поперечном направлении. Волокна утка прохо-
дят перпендикулярно плоскости основы, в результате чего получается единый
трехмерный «штабель». Они обеспечивают армирование поперек слоев, что
подавляет расслоение композитов. Трехмерные ткани весьма эффективны для
получения деталей типа ведущих валов, где нагрузка ориентирована под углом
45°. Из трехмерной ткани делают защитные шлемы, не имеющие складок. Об-
щее время его формования методом вакуумной инжекции смолы составляет
около трех минут, что объясняется быстрой пропиткой 3-D-ткани.

ных

нося

воло

вою

2.8.

Нетканые материалы

Нетканый материал (рис. 2.18) получают резкой стекловолокон на
куски длиной 3—8 см, которые направляют на движущуюся ленту. На них нано-
сят немного связующего, которое сушат, и получают листовой материал. Нетка-
ные материалы из рубленых волокон укладываются аналогично тканям, но име-
ют более рыхлое строение и меньшую цену, чем ткани. Волокна в них склеены
непрочно и при обработке они могут выпадать. Если возникает необходимость в
повышенных характеристиках, используют нетканый материал на основе непре-
рывных волокон. Его получают набрасыванием непрерывных нитей на движу*
щуюся ленту, а затем на волокна наносят тонкий слои связующего.

Прочность слоистых композитов на основе нетканых материалов составлЯ'
ет лишь от трети до половины прочности композитов на основе тканей. Более
низкие свойства объясняются низким содержанием волокон, их случайной оря

ют в
ри те
резу;
поз и
ткан
она <

хран:

-20°

ток о
ные <
более
П
ентацией и малой длиной. Низкая стоимость обеспечила нетканым материалам
широкое использование. Например, ими заменяют тканые вуали. Вуаль не не-
сет нагрузки, и в большинстве случаев нетканый материал оказывается равно-
ценной заменой ткани.

Рис. 2.18. Нетканое полотно на основе рубленых во-
локон

Нетканые полотна изготавливают не толь-
ко из стекловолокон. Производят нетканый
полиэтилен. В материале торговой марки
«Tyvek» полиэтиленовые волокна двух различ-
ных молекулярных масс укладывают на лен-
ту, как при изготовлении матов из непрерыв-
ных стеклянных волокон. Связующее не на-

носят, но прокатывают лист между двумя

нагретыми валками. Температуру валков подбирают так, чтобы полиэтиленовые

волокна с более низкой молекулярной массой частично плавились и склеивали
волокна с более высокой молекулярной массой.

2.8.3. Препреги

Высокопрочные углеродные и арамидные волокна часто использу-
ют в виде препрегов. Слово «препрег» на английском языке означает «предва-
рительно пропитанный». Препреги содержат как смолу, так и отвердитель. В
результате отпадает необходимость в пропитке волокон при изготовлении ком-
позита. Выпускают как однонаправленные препреги, так и препреги на основе
ткани. В препрегах эпоксидную смолу обычно частично отверждают, чтобы
она оставалась липкой, но не текла.

В препрег при формовании ничего не добавляют, и смола должна включать
требуемое количество отвердителя и других составляющих. Поэтому препреги
хранят в холодильниках. Обычно срок хранения препрегов при температуре
~20 С составляет 6 месяцев. По истечении этого времени их нужно сертифи-
цировать или просто списать. Если рулон не был использован целиком, оста-
ток отправляют в холодильник. В последнее время были разработаны эпоксид-
ные смолы с большим сроком хранения, и некоторые из них можно хранить
более года вне холодильника без заметного отверждения.

Препреги получают, пропуская нити сквозь гребенку, не допускающую их
перехлеста. Затем их натягивают, чтобы между нитями не было промежутков и
они образовали единый слой волокон. После этого волокна помещают на по-
верхность бумаги с тонким слоем смолы. После укладки волокон сверху накла-
дывают второй лист бумаги со смолой. Этот материал пропускают через валки,
и смола вдавливается в волокна. Для облегчения пропитки валки нагревают.
Затем препрег сворачивают в рулон и отправляют в холодильник.

Бумага покрыта кремнийорганическим антиадгезивом и легко отслаивается
от препрега. Верхний слой бумаги удаляют при сворачивании. Нижний слой
бумаги сворачивают вместе с препрегом, чтоэы избежать и ния слоев
Его удаляют при укладке препрега. Рулоны препрега обычно имеют ширину
30—60 см, но бывают и шириной 7,5 и более 180 см. Вес рулона должен быть
удобен при погрузочных работах. Препреги имеют точно определенное содер-
жание смолы (с некоторым избытком, компенсирующим ее вытекание при фор-
мовании). При высокой вязкости смолы ее наносят в виде раствора, аствори-
тель нужно удалить, чтобы избежать образования пор в готовом материале.

Иногда препреги изготавливают из тканей. Они имеют более высокую дра-
пирующую способность, чем однонаправленные препреги. Однако при исполь-
зовании ткани снижается прочность композита. При необходимости максималь-
ной прочности предпочтительнее однонаправленные препреги. Производят пре-
преги и на основе жгутов и лент. Их применяют в автоматизированных процессах,
когда нежелательно использование жидкой смолы. Использование ленточных
препрегов обеспечивает более точный контроль содержания смолы, чем мок-
рая намотка.

2.8.4. Плетеный текстиль

Методика плетения насчитывает столетия. Сейчас плетеные изде-
лия выпускают на компьютеризованных станках, получающих разнообразные
структуры. Некоторые из них изготавливают на сердечниках или оправках,
придавая материалу форму, которой невозможно добиться обычными текстиль-
ными методами. Для получения изделий сложной формы плетение осуществ-
ляют на изогнутых оправках.

Плетеные структуры имеют высокую трещиностоикость и ударную проч-
ность, поскольку в этом случае исключен легкий рост трещины вдоль волокон,
как в однонаправленных слоях. Плетеные материалы используют для изготов-
ления хоккейных клюшек, протезов, весел для байдарок, горизонтальных ста-
билизаторов самолетов, деталей автомобилей, мотоциклетных седел, водны'
лыж и велосипедных рам.

2.8.5. Прошивка

Поперечным простегиванием нескольких слоев ткани можно улУ4'
шить поперечные свойства композита. Если не менее 5 °о объема волокон ори’
ентировано перпендикулярно плоскости слоев, композит называют трансДЗ'

минарно
та при с
мел слое;
при этом
объясняе
прошивк
не весь
деталей

2.8.6.

с заранее
но соотв
инжекци
ния слое
отвержде
зование з
го цикла
шают пуп
формова»

Загот<
прегов, к
слои, кот
слоем кл<
в выклад!
го, котор
литке см<
ную стад)

Еще <
волокон I
нии форм
сти фору
В этом сл
локна наг
ки При э
ся в высо

Гре хм
нои преф'
остается .
балок, Т-
ИСПОЛЬЗО!
позволяет
щают на по-
верху накла-
через валки,
и нагревают.

отслаивается
1ижний слой
пания слоев.
4еют ширину
должен быть
1енное содер-
шие при фор-
ра. Раствори-
материале.

высокую дра-
о при исполь-
ги максималь-
юизводят пре-
<ых процессах,
[ие ленточных
)лы, чем мок-

(летеные изде-
эазнообразные
или оправках,
:ыми текстиль-
ние осушеств-

ударную проч-
вдоль волокон,
)Т для изготов-
энтальных ста-
седел, водных

зи можно улу4"
а волокон ори-
явают трансда-

минарно-армированным. Прошивка улучшает остаточную прочность компози-
та при сжатии после удара, повышает вязкость разрушения, прочность при
межслоевом сдвиге, а также снижает размер трещин в случае удара. Однако
при этом снижается прочность в плоскости ламината. Подавление расслоения
объясняется связью слоев. Прошивка экономит время производства. Вместо
прошивки слои иногда соединяют короткими шпильками. Иногда прошивают
не весь материал, а его отдельные участки, например, в местах соединения
деталей. Прочность непрошитых участков композита при этом не ухудшается.

2.8.6. Заготовки

Часто композиты производят из волокнистых заготовок (преформ)
с заранее уложенными и закрепленными слоями. Форма заготовки почти точ-
но соответствует конечному изделию. Заготовки используют, например, при
инжекиии смолы в закрытую пресс-форму. Это позволяет избежать перемеще-
ния слоев при инжекции смолы и закрывании формы. В этом случае после
отверждения матрицы деталь не нужно обрабатывать. В других случаях исполь-
зование заготовки определяется необходимостью ускорения производственно-
го цикла или дороговизной пресс-форм. Эффективность производства повы-
шают путем предварительной нарезки и сборки заготовок, так что на стадии
формования не нужно заботиться о правильной укладке слоев.

Заготовки получают укладкой слоев ткани, нетканого материала или пре-
прегов, которые фиксируют и режут по форме детали. Реже сначала вырезают
слои, которые затем выкладывают. Выложенный материал скрепляют тонким
слоем клея или легкими стежками. Другой метод получения заготовок состоит
в выкладке нетканых слоев с небольшим количеством нанесенного связующе-
го, которое затем термообрабатывают. После обрезки заготовка готова к про-
питке смолой. Недостатками этого метода являются затраты на дополнитель-
ную стадию производства и высокая стоимость связующего.

Еще один метод создания преформ состоит в напылении смеси смолы и
волокон на перфорированную форму. Сильное всасывание благодаря перфора-
ции формы способствует равномерному распределению материала по поверхно-
сти формы, уплотнению и фиксации волокон до отверждения связующего.
В этом случае стеклянные волокна пропускают через резак, после которою во-
локна направляются на перфорированный экран, имеющий геометрию заготов-
ки. При этом их опрыскивают связующим. Недостатки этого метода заключают-
ся в высокой стоимости оборудования и недостаточном уплотнении заготовки

Трехмерные преформы получают и методами 3-D-ткачества. Геометрия тка-
ной преформы должна соответствовать форме изделия. После этого в заготовку
остается лишь ввести смолу. З-О-процессами создают заготовки двутавровых
балок, Т-образных ребер жесткости и т. д. При значительной толщине изделия
использование заготовки становится экономически более выгодным, так как
позволяет уменьшить расходы на ручной труд.
2.9. ГИБРИДНЫЕ КОМПОЗИТЫ

Композиты, в которых сочетаются два или более видов волокон
называют гибридными. В настоящее время гибридные композиты используются
довольно широко и экзотикой уже не являются. Смешение различных волокон
может производиться как на уровне одного слоя, так и путем чередовании слоев
на основе различных волокон. Гибридные композиты используют преимущества
различных волокон. Примерами являются материалы, сочетающие углеродные и
арамидные волокна, стеклянные и углеродные, а также стеклянные и арамидные
волокна. Смесь стеклянных и углеродных волокон позволяет создать относи-
тельно недорогой композит, обладающий повышенной жесткостью, благодаря
низкой цене стекловолокон и высокой жесткости углеродных волокон. Некото-
рые гибриды наполняют одновременно волокнами и частицами.

Слои препрега на основе арамидных волокон размешают в верхней и ниж-
ней плоскостях балки, т. е. в местах наиболее вероятного удара. Остальная
часть балки делается из углеродных волокон. При использовании одной матри-
цы возможна полная интеграция органо- и углепластика. При этом повышают-
ся ударные характеристики. Гибриды имеют повышенную вероятность рассло-
ения. Она снижается, если использовать одну смолу. Из чередующихся слоев
арамидных и СВМПЭ-волокон делают легкие бронежилеты и жесткую броню.

Гибриды получают и путем переплетения различных волокон в ткани. Одна
из возможностей состоит в переплетении армирующих и термопластичных во-
локон. Последние можно расплавить, в результате чего образуется матрица.
Например, основа может играть роль армирующих волокон, а уток — матрицы.
Правильно подобранное текстильное переплетение гарантирует однородное
распределение матрицы и волокон.

Усами называют волокна длиной менее 0,5 мм. В композитах прочность усов
реализуется не полностью из-за их малой длины. Усы получают путем резки и
пропускания волокон между валками, что уменьшает длину волокон. Измель-
ченные волокна используют для ремонта композитов и заполнения малых или
узких областей в отвержденных деталях. Усы поставляют также в виде пастооб-
разной смеси с неотвержденной смолой, что упрощает их использование.

6. Карг
2-е г

7 Буро

8. Буро
алы

9. Голо*

1981

10. Вагн^

Техн
11. Kelly
12. Ashb)

Р. 12
13. Чачи

Под

14. Тарт

HOCTI
15. Mathi

Publi;

16. Нилы.

М.: X

Список литературы

1 ПеРепе™ин К Е- Армирующие волокна и волокнистые полимерные материалы. -
СПб.: Издательство НОТ, 2009.

^Пб^Н^ОТ^009^ПеЦИаЛЬНЫе ПОлимеРНЬ1е композиционные материалы."

3. Strong А.В. Fundamentals of Composite Manufacturing. Materials, Metrhods and
Applications. SME, 2008.

4. Баженов С.Л., Берлин А.А., Кульков А.А., Ошмян В.Г. Полимерные композиии011'
2010 МЭТерИаЛЫ' ПР°ЧНОСТЬ и технология. - Долгопрудный: ИД «Интеллект»,

5. Мзпнпьюз Ф.,Ролингз Р. Композитные материалы. Механика и технология. - М-
Техносфера, 2004.
Список литературы

J\y. 63

6. Каргин В.А., Слонимский Г.Л. Краткие очерки по физико-химии полимеров.
2-е изд. — М., 1967.

7. Буров А.К. Техническая физика. Т. 15, вып. 5, 1945.

8. Буров А.К., Андреевская Г.Д. Синтетические волокнистые анизотропные матери-
алы и их техническое применение. — М.: Изд-во АН СССР, 1956.

9. Головкин Г.С. Предельное армирование органоволокнитов // Пласт, массы. № 6,
1981. - С. 39-41.

10. Вагнер Л. Легкие баллистические материалы / Под ред. А. Бхатнагара. — М.:
Техносфера, 2011.

11. Kelly A. Strong Solids. Clarendon Press, Oxford, 1973.

12. Ashby M.F. On the Engineering Properties of Materials / Acta Metall. 37, 1989. —
P. 1273.

13. Чамис К. Микромеханические теории прочности. В кн.: Разрушение и усталость /
Под ред. Л. Браутман. — М.: Мир, 1978. — С. 106.

14. Тарнопольскии Ю.М. и Скудра А.М. Конструкционная прочность и деформатив-
ностъ стеклопластиков. — Рига: Зинатне, 1966. — С. 260.

15. Mathews F.L.y Rawlings R.D. Composite materials: Engineering and science. Woodhead
Publishing Limited, Cambridge, England, 1999.

16. Нилсен Л.Е. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. —
М : Химия, 1978.
ГЛАВА

МАТРИЦЫ И ИХ СВОЙСТВА

Молекулы полимеров (по-гречески — «много единиц») представ-
ляют собой длинные цепи, состоящие из повторяющихся звеньев (рис. 3.1).
К настоящему времени химики синтезировали более двух миллионов полимеров
и полимерные звенья могут быть как простыми, так и очень сложными. В резуль-
тате соединения мономерных звеньев образуется длинная полимерная цепь. Оди-
ночная полимерная цепь может состоять из сотен или даже тысяч звеньев. Дли-
ну цепи характеризуют молекулярной массой. Поскольку различные молекулы
имеют разную длину, используют среднее значение молекулярной массы

где и — количество молекул с молекулярной массой Мг Молекулу принято
считать полимерной, если молекулярная масса М превышает 20 000. Органика
с более низкой молекулярной массой полимером не считается. Для примера,
молекулярная масса полиэтилена изменяется от 20 000 до 3 000 000. Поскольку
звено представляет собой СН2 с молекулярной массой 18, молекула ПЭ состо-
ит из 1000—100 000 звеньев.

Рис. 3.1. Схематическое изображение фрагмента полимерной мо-
лекулы, состоящей из множества повторяющихся фрагментов

Мол кулярная масса существенно влияет на свойства полимеров. Повыше-
ние moj кулярнои массы, как правило, приводит к улучшению механических
свойств. Полимс ры высокой молекулярной массой обычно имеют высокую
прочность и вязко ть разрушения. В табл. 3.1 представлены примеры некото-
рых наиболее распространенных полимеров.

При объединении нескольких звеньев в сравнительно короткие цепи обра-
зуются олигомеры. Олигомерные смолы, состоящие из нескольких мономеров»
в ходе полимеризации образуют длинные цепи. Полимерная смола, как прави-
ло, представляет собой олигомерную жидкость. Некоторые смолы являются
твердыми веществами, которые плавятся и отверждаются при нагревании.
Таблица 3.1. Химическое строение некоторых распространенных линейных
полимеров

Общая формула Боковая группа X Название полимера
X X' 1 1 -С —С- 1 1 X X . п н F Полиэтилен Политетрафторэтилен
'н х‘ 1 1 -с—с- 1 1 _Н X. п с6н5 а CN Полистирол Поливинилхлорид Полиакрилони грил
Н X' 1 1 -с—с- 1 1 _н н. п сн3 С1 F Полипропилен Поливинилиденхлорид Поливинилиденфторид

Процесс объединения мономерных звеньев в длинные цепи называется
полимеризацией. Существуют несколько механизмов полимеризации. Наибо-
лее важными являются свободно-радикальная полимеризация и реакция поли-

конденсации.

3.1. РАДИКАЛЬНАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ

Радикальная полимеризация начинается с образования химически
активного свободного радикала, имеющего неспаренныи электрон. В смолах
свободные радикалы обычно образуются при нагревании пероксида, введенного
в виде добавки, как показано на рис. 3.2. Свободный радикал взаимодействует с
непрочной двойной С=С-связью мономера и раскрывает ее. При этом радикал
реагирует с мономером, на котором в свою очередь появляется неспаренный
электрон. Образовавшийся радикал также активен и может взаимодействовать с
Двойной С—С-связью следующего мономера, что приводит к удлинению поли-
мерной молекулы на одно мономерное звено при сохранении радикала на конце
Цепи. Взаимодействие активной цепи с мономерами многократно пов оряется,
пока не закончится, встретившись с другим свободным радикалом.

^ис. 3.2. Радикальная полимериза-
ЦИя ^Реакция полиприсоединения)

1. Распад пероксида

2. Связь с мономером

3. Рост цепи

R—О —О—R- R—О- +-0—R

R—-О- + М -» R—О — NI-

R-O—М- + М -* R—О—М—И-
2 2 5 S 2 2

5
сь

3.2. РЕАКЦИЯ ПОЛИКОНДЕНСАЦИИ

Реакция поликонденсации принципиально отличается от ради-
кальной полимеризации. При поликонденсации взаимодействуют два мономе-
ра (рис. 3.3), первый из которых содержит две концевые химически активные
группы X, а второй — две концевые активные группы Y. Реакция начинается
с того, что группа X одного мономера реагирует с активной группой Y дру-
гого мономера, в результате чего образуется новая химическая группа S и
выделяется побочный продукт (обычно это вода), как показано на рис. 3.3.
Объединенная молекула имеет два активных конца — X и Y. Поэтому она
способна снова реагировать с мономерами. Рассмотрим правый конец мо-
лекулы. В данном случае это Y, и он может взаимодействовать только с
первым мономером, имеющим концевые группы X. После присоединения
этого мономера конец цепи меняется на группу X. Она может взаимодей-
ствовать только с мономером второго типа Y. Таким образом, чередование
реакции с мономерами первого и второго типа может продолжаться, пока
имеются оба мономера. На каждой стадии реакции в качестве побочного
продукта образуется вода.

1. Х-^-Х + У—R2—Y->X—R,—S—R2—Y+h^O

2. X—Rt -S-R2 —Y + X—R, —X -» X—R1 —S—R2 — S—R! —X+ О

3. X—R1 -S-R2 —S——X+ Y—R2 — Y-> X—R! —S—R2 — S—R, — S—R? —Y+ H>0

Рис. 3.3. Реакция
поликонденсации

Отметим, что при синтезе полимера смесь постепенно твердеет, подвиж-
ность мономеров уменьшается, и их контакты с активными концами полимера
происходят реже. Кроме того, снижается концентрация мономеров, что также
уменьшает скорость реакции. Для ускорения полимеризацию проводят при
повышенной температуре и высокой концентрации мономеров. Когда достига-
ется желаемая длина цепи, смесь охлаждают.

Поскольку радикальная полимеризация начинается с небольшого количе-
ства инициатора, количество растущих цепей обычно невелико, а цепи растут
весьма быстро. Напротив, при поликонденсации количество растущих цепей
большое, и их конечная длина меньше, чем при цепной полимеризации. При-
меры полимеров, синтезируемых в реакции поликонденсации, приведены в
табл. 3.2.

3-3- КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ И АМОРФНЫЕ ПОЛИМЕРЫ

Некоторые полимеры имеют кристаллическую структуру, как кера-
и и металлы. Структурное звено кристалла полиэтилена это группа СН2.
Отличие полимеров от других кристаллических материалов состоит в том,
доля кристаллических областей в них обычно не превосходит 70 80%. Эго
обусловлено тем, что длинные молекулы трудно уложить в идеальный кри-
сталл, и часть материала остается аморфной. Такие полимеры называют час-
тично-кристаллическими. Второй особенностью полимеров является очень
малый размер кристаллических областей (примерно 10 нм). Вследствие малого
размера их называют не кристаллами, а кристаллитами. Некристаллические
области являются аморфными.

Рис. 3.4. Структура кристалла полиэтилена. Элементарная ячейка показана пунктирными
линиями Внизу показан вид сверху изображенных молекул

Разброс размеров и очень малый размер кристаллитов приводит к тому, что
плавление полимеров происходит в широком интервале температур (обычно
20-40°C). Первыми плавятся мелкие кристаллы, имеющие сравнительно боль-
шую долю дефектной поверхности. Напротив, в металлах кристаллы крупные
(типичное значение равно примерно 100 мкм), и температура плавления четко
определена. Кристаллизация характерна для полимеров с простой структурой
звена, как полиэтилен или полипропилен (рис. 3.4.). Полимеры со сложной
химической структурой звеньев или крупными боковыми группами не крис-
таллизуются, что обусловлено невозможностью идеально упорядочить круп-
ные атомные структуры. Такие полимеры аморфны.

ТЕМПЕРАТУРА СТЕКЛОВАНИЯ

Температура стеклования аморфного материала — это темпера-
тура, при которой он начинает течь. В полимерах температура стеклования
представляет собой интервал температур, в котором происходит постепенный
переход аморфного полимера из застеклованного (твердого) в вязкотекучее
состояние. Этот переход похож на постепенный переход твердого гудрона в
текучее состояние. В отличие от плавления, этот переход не сопровождается
изменением атомной структуры и поэтому не поглощает тепло. На языке фи-
зиков, этот переход не является фазовым переходом, но представляет собой
изменение агрегатного состояния. Движение атомов в твердом полимере при
температуре ниже Т сводится к колебаниям относительно положения равнове-
сия. При температуре Т полимерные звенья начинают перемещаться друг от-
носительно друга. Как следствие, полимер обретает способность изменять свою
форму и течет.

Аморфно-кристаллические полимеры включают аморфные области, кото-
рым также свойственна температура стеклования. Выше температуры стекло-
вания такие полимеры аналогичны смеси мельчайших кристаллических час-
тиц и воды. Аналогом такого вещества является глина, состоящая из смеси
твердых частиц и воды. При большой доле воды такой раствор легко течет, а
при большой доле частиц — это твердый материал. Точно так же свойства
аморфно-кристаллических полимеров выше температуры стеклования силь-
нейшим образом (экспоненциально) зависят от степени кристалличности
полимера. При комнатных условиях такими полимерами яв яются о и ти
лен и полипропилен.

Важной характеристикой полимера является температура деструкции, ри
этой температуре начинается разрыв полимерной цепи. Деструкция привод
Уменьшению молекулярной массы и ухудшению свойств полимера Про ih
С С-связеи полимерных молекул от их длины почти не зависит, и поэ у
температура деструкции не зависит от молекулярной массы, осксль уд"
РУкция возможна только при довольно высоких температурах, на воздухе р<
1116 часто начинается окислительная деструкция.
3.5. ТЕРМОПЛАСТЫ И РЕАКТОПЛАСТЫ

Полимеры, не имеющие поперечных сшивок, являются термопла-
стами. При комнатной температуре они находятся в твердом состоянии. Им
придают нужную форму, плавя их путем нагревания. Самыми распространен-
ными термопластами являются полиэтилен, полипропилен, нейлон, поликар-
бонат, полиэтилентерефталат и поливинилхлорид. Термопласты способны к
повторному формованию путем нагревания.

Реактопласты (термореактивные смолы) при комнатной температуре обыч-
но являются олигомерными жидкостями. Жидкий реактопласт заливают в форму
и отверждают. При химическом сшивании полимерных цепей образуется трех-
мерная сетчатая структура. В результате в единое целое соединяется все поли-
мерные молекулы. После образования поперечных сшивок (отверждения) ре-
актопласт уже не размягчается.

Рис. 3.5. Фрагменты молекул с
ароматическими циклами:
а — ароматический цикл (бензольное
кольцо); б — полистирол (аромати-
ческое кольцо в боковой цепи); в —
эпоксидная смола (ароматические
циклы в основной цепи)

Одной из важнейших характеристик матричных полимеров является нали-
чие или отсутствие ароматических циклов в молекулярной цепи. На рис. 3.5
продемонстрированы различные ароматические фрагменты. Название «арома-
тические» объясняется тем, что низкомолекулярные вещества, содержащие аро-
матические циклы, имеют специфический запах. Простейший ароматический
цикл представляет собой бензольное кольцо, состоящее из шести атомов угле-
рода и присоединенных к ним атомов водорода (рис. 3.5, а). Ароматические
кольца устойчивы ко многим химическим веществам. Из-за большого размера
вращение ароматического цикла затруднено, что придает полимерным молеку-
лам жесткость и высокую температуру стеклования Т, определяющую термо-
стойкость полимера. Если количество ароматических групп велико, говорят,
что он имеет высокое содержание «ароматики». Полимеры без ароматических
групп называют алифатическими. Их примерами являются полиэтилен, поли-
пропилен, полистирол, поликарбонат, поливинилхлорид, полиметилметакри-
лат — наиболее крупнотоннажные полимеры.
‘?’6, Стойкость к действию растворителей —'у
большинство свойств композитов зависит от сочетания свойств ма.рииы и
волокон. Однако некоторые свойства определяются в основном волокнами, а
другие - матрицей. Матрица определяет термостойкость композита, стойкость
к действию растворителей, пламени и света. Она определяет также вязкость
течения термопластичных композитов.

При повышении температуры матрица может расплавиться (кристалличес-
кие термопласты) или деструктировать (реактопласты). В целом, любые взаи-
модействия между макромолекулами повышают температуру размягчения. Од-
ним из типов такого взаимодействия является взаимное перепутывание и за-
цепление макромолекул, которое усиливается при увеличении молекулярной
массы. К повышению температуры размягчения приводят и межмолекулярные
взаимодействия, например образование водородных связей и наличие поляр-
ных групп.

з.б. СТОЙКОСТЬ К ДЕЙСТВИЮ РАСТВОРИТЕЛЕЙ

В целом, чем ближе химическая структура полимера и раствори-
теля, тем сильнее воздействие. Одна из важнейших характеристик химичес-
кой структуры полимера — полярность. Полярность характеризует наличие
зарядов в молекулах. Полярными являются атомы кислорода и ОН-группы,
поскольку они имеют два или один избыточный электрон соответственно
Напротив, атомы, отдающие им электроны, имеют положительный заряд.
Отрицательно заряженные атомы одной молекулы притягиваются к положи-
тельному заряду другой, и поэтому полярные молекулы характеризуются до-
вольно сильным межмолекулярным взаимодействием. Например, полярные
растворители сильно взаимодействуют с полярными полимерами. Если взаи-
модействие полимера с растворителем не слишком сильное, оно может про-

явиться по истечении некоторого времени или при высоких температурах.
Повышение температуры может приводить к набуханию полимера, облег 1аю
тему диффузию растворителя и еше более усиливающему взаимодействие
полимера и растворителя. Сильное взаимодействие может пр о
ханию полимера даже при комнатной температуре. Особенно сильное

набу-

взаи-

к ра-

модействие приводит к растворению.

Правило подобия определяет, устойчив ли материал по othol
створителю Молекула воды полярна. Поэтому полярные о мер
мидов для действия воды более уязвимы, чем неполярные вроде _

Правило подобия применимо и к ароматическим полимерам. Отме-

матические растворители сильно влияют на ароматческиещ $ ин.
что ароматические термопласты весьма

СТВа растворителей, кроме наиболее агрессивных арома ических р.с

при повышенных 1емпературах. ИСПОльзуют все шире на транс-

Химически стойкие полимерные компози ’ тпашп бумажной про-

"°Рте, в нефте- и газопереработке, химической целлюлошо-бумажн
мышленности, при очистке сточных вод и т. д. в виде труб, фитингов и резер-
вуаров. Для этих областей применения ценными качествами являются корро-
зионная стойкость композитов, их прочность и относительно низкая стоимость.
Выбор матрицы зависит от типа химической среды. Большинство полимеров
имеет умеренную химическую стойкость.

Кислород является химически активным газом. Его реакция с полимером
приводит к разрыву цепи и к ухудшению свойств полимера. Считается, что
автомобильные покрышки, пролежавшие на складе 10 лет, уже негодны к экс-
плуатации из-за окислительной деструкции. Химические вещества, называе-
мые антиоксидантами, замедляют окисление полимеров. Их добавляют к по-
лимерам в небольших концентрациях (1—2 %).

3.7. ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТЬ

Газопроницаемость определяется, прежде всего, размером моле-
кул газа и их взаимодействием с матрицей. Газ легко диффундирует при увели-
чении расстояния между соседними цепями полимера и при небольшом разме-
ре молекул газа. Газопроницаемость усиливается, если газ и полимер имеют
сходную химическую природу. Дополнительное повышение газопроницаемос-
ти может быть следствием набухания полимера. Напротив, поперечные сшив-
ки и наличие кристаллитов снижают газопроницаемость.

Горючесть полимера зависит от нескольких факторов. Наиболее распрост-
раненный способ снижения горючести — включение в матрицу галогенсодер-
жаших соединений, содержащих атомы xjlopa, брома, фтора или иода. При
горении выделяются галогенсодержащие газы, гасящие пламя. Однако эти газы
представляют опасность для человека. Алифатические полимеры, например
полиэтилен или пропилен, весьма горючи, поскольку по своей химической
структуре они представляют собой «твердый бензин». К счастью, они испаря-
ются труднее, чем бензин. Ароматические полимеры горят гораздо хуже. Ис-
пользование ароматических матриц способствует замедлению или даже подав-
лению горения, особенно если при горении образуется кокс, основой которого
являются бензольные кольца.

Существуют различные способы введения галогенов. Обычно их вводят в
виде наполнителя, например хлорида магния или бромида кальция. Атомы га-
логена могут быть введены и в молекулы компонентов смолы. В полиэфир-
ной композиции они могут быть введены как в смолу, так и в гликоль. Горю-
честь снижается во всех случаях. Материалы, содержащие фосфор, повышают
эффективность галогенсодержащих добавок, и поэтому их часто добавляют в
смолы вместе с галогенами. Еще один способ снижения горючести заключает-
ся в использовании нейтральных наполнителей.

Электрические свойства полимеров имеют большое значение для печатных
плат из стеклопластиков. Почти все полимеры не проводят электрический ток
и являются диэлектриками. Напряжение пробоя может быть повышено напол-
нИТелем. В некоторых случаях отсутствие электропроводности является нело-
вком. ПоР7^ь;ХТш°бШИВКа СаМ0ЯеТ0В’ К°ТОраЯ бь.ть элект-
ропроводной, чтобы и бежать повреждения при ударе молнии. В авиации элек-
тропроводность углепластика обеспечивают введением металлических порош-
ков, волокон с металлическим покрытием или проволочной сетки в составе
композита.

3.8. СТОЙКОСТЬ К УЛЬТРАФИОЛЕТОВОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ

Полимеры чувствительны к действию ультрафиолета (УФ). Если
энергия кванта света выше энергии химической связи основной цепи, он разры-
вает макромолекулу. Ароматические полимеры более чувствительны к УФ-излу-
чению, чем алифатические. Для повышения УФ-стойкости в полимер добавля-
ют фотостабилизаторы. Примером является сажа, которую вводят в каучук для
повышения стойкости автомобильных шин к действию света.

Вязкость разрушения композита в значительной степени определяется мат-
рицей, которая рассеивает энергию путем ее преобразования в теплоту. Для
этого матрица должна сильно деформироваться хотя бы на микроуровне. Иде-
альным случаем является рассеяние энергии как матрицей, так и волокнами.
Для углепластика увеличение вязкости разрушения матрицы играет ключе-

вую роль.

Вязкость разрушения матрицы в значительной степени определяется ее де-
формацией при разрыве. Деформативность можно увеличить различными спо-
собами. Один из них состоит в увеличении гибкости основной цепи, напри-
мер, вводя в макромолекулу звенья линейного термопластичного полимера с
небольшим количеством боковых групп. Сейчас производится широкий набор
таких смол. Другой способ повышения удлинения заключается во введении в
смолу частиц каучука размером порядка сто нанометров. В результате повыша-
йся деформативность, но материал становится двухфазным и чувствительным
к действию химических веществ. Еще один метод повышения деформативнос
ти реактопластов состоит в уменьшении количества поперечных сшивок.
$ этом случае ухудшаются механические характеристики, теплостойкость и стой
к°сть к действию раствори гелей и газов.

Удлинение при разрыве термопластов выше, чем у г в*

пользуют, если первоочередное значение имеет вязкость разрушения и уд р
Ная ст°йкость композита, например углепластика. Вязкость разрушения[ х
рактеризует степень хрупкости материала, и ее не следует путать с вяз^
Течения. Наиболее сложный способ повышения вязкости Разру^”” ¥ллине-
^ется в использовании матрицы, имеющей одновременно вы еский

Ие и высокие механические характеристики. Например, если ‘тичность
еактопласт включает алифатические сегменты, обесПеЧИВа^ част0 ВНОДят
повышения вязкости разрушения в полим

КаУчуки.
3.9. ПРОПИТКА ВОЛОКОН

Для пропитки матрица должна хорошо смачивать волокна. Вяз-
кость течения является важнейшим фактором, определяющим качество про-
питки. Если вязкость слишком высока, смола не течет, и п э ому регулирова-
ние вязкости матрицы имеет большое значение.

При возрастании молекулярной массы полимера его вязкость повышается
[см. уравнение (1.1)]. В некоторые термопласты и термореактивные смолы до-
бавляют растворитель, что обеспечивает пропитку, но тр бует даления раство-
рителя при отверждении. Для этого нужна дополнительная стадия технологи-
ческого процесса, и создается угроза для здоровья персонала.

В случае термореактивных матриц углепластик оказывается сравнительно
хрупким, даже если используют пластичные матрицы. Решением проблемы
является использование термопластов. Термопласт вводят напылением на во-
локна полимерного порошка, введением листов термопласта между слоев во-
локон, а также путем переплетения термопластичных и армирующих волокон.
В последнем случае при нагревании термопластичные волокна плавятся и об-
разуют матрицу.

Добавки вводят в композит с целью улучшения свойств. Как правило, их
вводят в небольших концентрациях. Добавки включают ингибиторы горения,
например галогенсодержащие полимеры, электропроводящие наполнители,
фотостабилизаторы и пластификаторы, повышающие ударную вязкость.

Наполнители обычно представляют собой мелкий порошок, добавляемый в
полимер для придания определенных свойств или снижения стоимости. Наи-
более распространенными наполнителями являются измельченный известняк
или тальк. Наполнители обычно представляют собой частицы неправильной
округлой формы. Они дешевле полимера, так что стоимость смеси полимера и
наполнителя ниже стоимости чистого полимера (если принимать во внимание
общий вес и объем).

Наполнители смешивают с жидкой термореактивной смолой или распла-
вом термопласта. При этом повышается вязкость смолы. Для определенных
методов формования желательна густая смесь. Однако слишком высокая вяз-
кость затрудняет пропитку волокон, и поэтому контроль качества пропитк
часто сводится к требованию нахождения вязкости в границах «технологичес-
кого окна».

В термореактивные смолы обычно большое количество добавок не вводят
Однако и в этом случае наблюдаются повышение жесткости, снижение проч-
ности и уменьшение деформации при разрыве. Наполнители могут снижать
горючесть, изменять цвет и уменьшать усадку материала.

Органические добавки, растворимые в матрице и придающие ей опреДе'
ленный цвет, называют красителями. Неорганические нерастворимые в матрИ'
це порошки называют пигментами. Красители и пигменты имеют широки*1
диапазон цветов и оттенков. В целом красителям свойственны мягкие иветО'

вые о
высок

Дл
смолы
повер’
нител!
банка)
повыи
тропи
димер

Ев
напоя
водою
сить с<
матер!

Не
ни ванI
ряда и
добавк

Др
ее реп
меняю

ЗЛО.

иСПОЛЬ
ству КН
ния. С
НЫХ BI
смолы
ками я
Феру. '
основь

В ь
кузов,
матери
та вл и в
строит
НЫ\ Ж!
ленное
не ьен 1
вЫе оттенки, а пигменты имеют более яркий цвет. Пигменты имеют более
высокую термостойкость.

Для формования композита важнейшее значение имеет вязкость течения
СМОЛЫ. Слишком текучая смола может стекать по стенке формы, образуя на
поверхности каверны. Для увеличения вязкости в смесь можно вводить напол-
нители. Если это невозможно, вязкость смеси повышают тиксотропными до-
бавкимУ' Например, коллоидная двуокись кремния обеспечивает значительное
повышение вязкости. Ее действие возрастает при введении усилителей тиксо-
тропии. Это обусловлено возникновением дополнительных связей между по-
лимерными цепями, повышающих вязкость смолы.

Еше чаше возникает противоположная проблема, когда после введения
наполнителя смесь оказывается слишком густой. Для улучшения пропитки
волокон используют добавки, понижающие вязкость. Это позволяет повы-
сить содержание ингибитора горения или наполнителей, снижающих стоимость
материала.

Некоторые смолы вспениваются. Существуют добавки, подавляющие вспе-
нивание, механизм действия которых состоит в изменении электрического за-
ряда и поверхностной энергии смолы и наполнителя. К антивспениваюшим
добавкам относятся кремнийорганические соединения.

Другая проблема — плохое смачивание смолой волокон. Во многих случаях
ее решают добавлением в смесь поверхностно-активного вещества (ПАВ), из-
меняющего энергию поверхности, что облегчает ее смачивание.

НЕНАСЫЩЕННЫЕ ПОЛИЭФИРНЫЕ СМОЛЫ

В качестве матрицы в волокнистых композитов наиболее часто
используют термореактивные ненасыщенные полиэфирные смолы. Их господ-
ствующее положение объясняется низкой стоимостью и легкостью ф рм в
ния. Стоимость ненасыщенных полиэфиров в среднем на 25 о ниже, чем слож
НЫХ винилэфиров, и на 30-50 % ниже, чем эпоксидных смол. Полиэфирные
смолы легко отверждаются и имеют широкий диапазон свойств. Их недостат
ками являются хрупкость и отрицательное воздействие на окружаю ую м с
Феру. Тем не менее в композитах широкого потребления полиэфиры являются
основным типом матрицы.

В некоторых автомобилях из полиэфирного композита сделан почти весь
кузов. Во многих прогулочных яхтах полиэфирные смолы являются основным
материалом корпуса. Из стеклопластика на основе полиэфирных матриц изго-
тавливают ванны, душевые кабины, лодки и отделочные панели в жилишн
строительстве. Их используют в резервуарах и трубах для некоррозион1
Нь,х жидкостей в целлюлозно-бумажной, нефтегазовой и хими iec

Ценности, ч гобы описать химическую структуру полиэфирных смол, далее пр -
Веден их синтез.
76

—Глава 3. Матрицы и их свойства

3.10.1. Химическая структура ненасыщенных полиэфиров

Полиэфирные смолы — это целый класс смол, различающихся по
своему химическому строению. Представление об их структуре проще всего
дать, описав их полимеризацию. На рис. 3.6 продемонстрирована реакция
полимеризации полиэфирной смолы. В ней участвуют мономеры гликоля и
двухосновной кислоты. Гликолями называют молекулы с двумя химически ак-
тивными ОН-группами. Они располагаются по обе стороны от центральной
группы R,. В двухосновных кислотах активны карбоксильные СООН-группы.
В полиэфирных смолах гликольные группы R, и группы кислотные группы R
могут быть самыми различными. Поэтому их свойства могут существенно
различаться.

1. Реакция мономеров

Образовавшаяся
q связь

Яс
димер
ком б
кость
остан
СОСТО1
в резу

3.10.

Сложный эфир

НО—G — ОН + НО—С—А—С—ОН НО—G-j-0

Гликоль

Двухосновная
кислота

2. О—С=О-группа полиэфирной смолы взаимодействует с избытком гликоля и двухосновной кислоты

ОО ОО

I II I II

НО— G— О— С— А—С—ОН + НО—G—ОН + НО—С—А—С—ОН

Гликоль

Двухосновная
кислота

Сложный Сложный Сложный

эфир эфир эфир

Рис. 3.6. Синтез полиэфирной смолы

ная гр
При 9
низки
незна1

Не
nonmv
избыт
шенис
зацию
номер

nf
висит
вязкое
от 50
ж ИД КС
рой Вс
лярно

зло.:

При реакции гликоля и двухосновной кислоты атом Н гликоля и ОН-груп-
па кислоты образуют молекулу воды, побочного продукта поликонденсации.
Одновременно атом О гликоля образует связь с атомом С кислоты. Структура
группы О—С=О характерна для сложных эфиров, и поэтому связь называют
эфирной. Образовавшаяся молекула представляет собой сочетание гликоля и
мономера двухосновной кислоты. Кислотная группа СООН образовавшейся
молекулы может реагировать с новой молекулой гликоля (см. рис. 3.6). При
этом образуется молекула воды. В свою очередь, гликольная ОН группа может
реагировать со следующей молекулой двухосновной кислоты, что приводит к
росту макромолекулы и выделению молекулы воды.

КОЛЬН
КИХ KJ
ненас^
нал ич
ны, и
В СЛуи
жены
кол ич
ХРУПК|
чтобы
Же uej
Двойн
чающихся
\ проще Bctr$
\вана реакция
ры гликоля и
Мимически лк-
у центральной
ЮОН-группъг
чые группы Ro
\ существенно

с—он + н2о

ухосновной кислоты

«к—С — ОН

ухосновная

I кислота

Легкость инициации полимеризации ведет к быстрому росту их числа. По-
лимеризацию регулируют для оптимизации молекулярной массы цепи. Слиш-
ком большая длина молекулы нежелательна, так как при этом снижается вяз-
кость смолы, и пропитка волокон становится проблемой. Полимеризацию можно
остановить, понизив температуру реакции. Другой способ остановки реакции
состоит в добавлении ингибитора полимеризации, реагирующего с концом цепи,
в результате чего рост цепи прекращается.

3.10.2. Свойства

Свойства отвержденной смолы зависят от многих факторов. Эфир-
ная группа полярна и взаимодействует с водой и полярными растворителями.
При 90 °C полиэфирные смолы сильно поглощают воду, теряя прочность. При
низких температурах (например, при эксплуатации лодки) поглощение воды
незначительно.

Непрореагировавший кислотный мономер ухудшает химическую стойкость
полимера. Остаток кислоты может быть обусловлен торможением реакции или
избытком кислотного мономера по сравнению со стехиометрическим соотно-
шением. Остаточное содержание кислоты можно снизить, проводя полимери-
зацию с избытком гликоля. Количество непрореагировавшего кислотного мо-
номера можно определить титрованием.

При полимеризации необходимо контролировать вязкость смолы Она за-
висит от степени полимеризации и, соответственно, от длины цепей. Исходная
вязкость ненасыщенных полиэфирных смол изменяется в широких пределах,
от 50 сантипуаз (легкотекучие жидкости) до 4000 сантипуаз и выше (вязкие
жидкости). Значения вязкости зависят от молекулярной массы, значения кото-
рой варьируются от 800 до 10 000. Слишком вязкие смолы с высокой молеку-
лярной массой плохо пропитывают волокна.

)Н + Н2О

коля И ОН-груп
рли конденсаиии
-Лоты. Структура
У связь называют
ггание гликоля я
I образовавшей^
h- рис. 3.6). ПР1*
РН группа м°*еГ

Приводит *

)связь На

3.10.3. Двухосновные кислоты

Конечные свойства полиэфирной матрицы зависят от типа гли-
кольных и кислотных мономеров. Полиэфирные с^^^ся^дв^ши^-
™ - нс.аоыше.. .

ненасннпрнными Термин «ненасыщенная поли ц р

ненасыщенными, 'ермин Д|)ОЙ11Ь|е С=С-связи химически актив-

наличие в ее структуре С—С-свя тси. дно* 11Iuk> г шопы

ны, и они вступают в реакцию, приводя к -перечно^—ию^.ы.
В случае ненасыщенных двухосновных кислот двоинь Гпи11.ком большое
жены пегуляоно по всей длине полимерной молекулы. Слишком большое
жены регулярно по всей дли конечный материал становится

количество сшивок нежелательно, посколь у полно тяг i тк

хрупким. Для ограничения концентрации сшивок °™еР с язеи. для >той
чтобы реагировала только часть химически акзивнь которых содержат
же цели синтезируют двухосновные кислоты, не все шсн 1

двойные С=С-связи. Наиболее часто используются ненасыщенные фумаро

L что
вая и малеиновая кислоты, а также малеиновый ангидрид. Их структура при,
ведена на рис. 3.7.

Ненасыщенные двухосновные кисл<

ноос н

I I

с=с

I I

н соон

НООС СООН

Малеиновый ангибрид

фумаровая кислота

Малеиновая кислота

Насыщенные двухосновные кислоты

Ортофталевая
кислота

Ортофталевый
ангидрид

Тетрабромофталевый
ангидрид

О О

II II

НО—С—СН2—СН2—СН2—СН2—С—ОН
Адипиновая кислота

Хлорэндиковая кислота

Рис. 3.7. Химическая структура наиболее часто используемых двухосновных кислот

Насыщенные полиэфирные смолы иллюстрирует рис. 3.7. Наиболее широко
сейчас используют ортофталевую кислоту, называемую также полиэфирнои смолой
общего назначения. Ей присущи все свойства ароматических соединений. А имен-
но, повышенная жесткость и прочность, пониженная горючесть и стойкость к
УФ-излучению. Ортофталевая кислота недорога и хорошо реагирует со стиролом.

Изофталевая кислота — второй по значению термореактивный полиэфир-
Как и у ортофталевой кислоты, у нее две активные СООН-группы соединены с
ароматическим кольцом, но эти группы соединены не с соседними углеродами
ароматического кольца, а разделены одним атомом углерода. Хотя изофталевая
смола различается лишь местом присоединения активных групп к кольцу, ее
свойства несколько отличаются от ортофталевой смолы. Прочность отвержден*
ной изофталевой смолы на 30 % выше, чем ортофталевой кислоты. Она имеет
более высокую вязкость разрушения, термостойкость и стойкость к действию
химических веществ и воды. Изофталевая кислота на 10 % дороже ортофталевоИ-
Ее применяют в качестве внешнего полимерного покрытия и в изделиях, йены
тывающих действие умеренных химических веществ и воды (при комнатной тем
пературе). Терефталевая кислота используется реже орто- и изофталевой кисД°т
КТура "»и.

гибрид

В ней две активные группы отделены друг от друга двумя атомами углерода.
Смолы на основе терефталевой кислоты имеют повышенную термостойкость.

Тетрабромофталевый ангидрид и хлорэндиковая кислота содержат галоге-
ны (F, С1, Вг и I), что снижает горючесть полимера. Использование хлорэнди-
ковой кислоты способствует повышению химической стойкости полимера.

Адипиновая кислота не относится к ароматическим соединениям и имеет
меньшую жесткость и прочность. Конечный полимер на основе адипиновой
кислоты намного более пластичный. Он более устойчив к УФ-излучению и
кислороду воздуха, чем ароматические двухосновные кислоты.

3.10.4. Гликоли

‘фталевая
ислота

1 — сн— с—он

Гликоли имеют две ОН-группы. В ненасыщенных полиэфирных
смолах часто используют этиленгликоль (НО—СН2—СН2—ОН) из-за его низ-
кой стоимости и хороших свойств. При увеличении количества атомов углеро-
да в цепи гликоля молекула становится более гибкой, а полимер пластичным.
Например, повышенное содержание атомов углерода в пропиленгликоле
(НО — СН,— СН — ОН) обеспечивает пластичность полимера. Еше более длинные

СН,

полимерные цепи имеют диэтиленгликоль (НО—СН2—СН2—О—СН2—СН2—ОН)

4—СН—С—ОН

О
«новая кисло!

ных кислот

[более широко
Рирной смолой
зений. А имен-
/ и стойкость к
т со стиролом
[ЫЙ полиэфир-
/ь! соединены с
ми углеродами
тя изофталевв#
п к кольну, ее
стъ отвержД^'
рты. Она
!сть к действий
е ортофтале^
изделиях,
комнатной ге
Фталевой кисЛ°

сн3

и неопентил гл и коль (НО — СН,— С — СН,— ОН). Неопентил гл и коль способ-
‘ I

СН,
ствует повышению химической стойкости, водостойкости и атмосферостойкос-
ти смолы. Эти мономеры являются алифатическими, что обеспечивает гибкость
молекул. Такие полимеры весьма пластичны. Часто используют ароматичный
сн3

бисфенол А (НО——СН, — С — СН,——ОН). Это соединение имеет

СН,
алифатические группы, что обеспечивает одновременно и прочность, и плас-
тичность. Стоимость бисфенола А выше, чем более простых гликолей.

3.10.5. Мономерные добавки

Некоторые мономеры, не являющиеся двухосновными кислотами
и гликолями, могут реагировать с поли Мирной смолой.

Например, в полиэфирные смолы для повышения модул» стеклования

сти добавляют дициклонентадиен. Он увеличивает км е‘ добавок и

полимера Дициклонентадиен дешевле других модифи ,

повышает качество поверхности (отсутствуют ямки и другие следы ус<дки).
После смешения мономеров двухосновной ки лоты и гликоля они реагиру.
ют и образуются длинные химически активные ненасышенны олигомерные
молекулы, поскольку один из компонентов имел двойную С С связь.

3.10.6 . Отверждение смолы

Отверждение смолы проводят при получении композита. Оно начи-
нается после смешения полиэфирной смолы с небольшим количеством (обычно
от 1,5 до 2 %) инициатора отверждения. Чаше всего используют пероксидный
инициатор, который при нагревании или химической инициации распадается на
два свободных радикала. Инициатор образует связь с одним из атомов углерода
двойной С=С-связи (рис. 3.8), в результате чего второй электрон С=С-связи
становится неспаренным и второй атом углерода свободным радикалом.

электрон

Рис. 3.8. Отверждение полиэфирной
смолы:

а — атака инициатором двойной С=С-связи;
б — образование радикала на атоме углерода;
в — реакция радикала с молекулой стирола

В смесь в качестве сореаген-
та добавляют стирол, содержа-
щий двойную С=С-связь. Моле-
кулы стирола подвижны и легко
реагируют со свободными ради-
калами смолы, как показано на
рис. 3.8, в, в результате чего на
стироле образуется свободный
радикал. Он может снова реаги-
ровать с двойной связью следу-
ющей молекулы стирола. Это
объединяет нескольких молекул
стирола в небольшую цепь, со-

единенную с полимерной макр0'

молекулой. В некоторый момент свободный радикал стирола реагирует с двой-
н вязью др гои молекулы нолиэфирнои смолы, и две полимерные молеку-
лы оказываются соединенными стирольным мостиком. Реакция радикала
стирола с С С-с вязью соседней полимерной молекулы менее вероятна, чем
со стиролом, из-за малой вероятности их удобного расположения для образо-
вания связи. Это называют стерическим затруднением.

Процесс сшивания прерывается, когда свободный радикал реагирует не с<>
стиролом или другим полимером, а с молекулой пероксида, растворенного
кислорода и т. д. Если их концентрация высока, поперечная сшивка мо*еТ
прекратиться слишком рано, и поэтому важно контролировать концентрат"0
инициатора и других компонентов.

Отв<
нои Tev
будь yci
идперог
ции и т
Поэтом

Мо;
вающии
разбавл
ствоват!
свойств
речных
разбави
но 3 °с.
усадки (

Шир
ШИМИ CI
термостс
статкамг
веществ;
имеет Мс

Серь
к внедри
бутил мет
Сшиваю
компози
повышег
замедляе
ния реак
агентов г

Пом1
превосхс
основе
пользую

Для
инициат
замедляв
чить вре
кой. Наг
РОны, иг

3.10.7.

Рои звол
КОЛЯ они
чые олиг,

позита. оНп

—">м«Н*
пероксид*

ДИИ расбается ца
аз атомов уГлер
ктрон с=с.связ;
радикалом.

кдение полиэфирной

ром двойной С=С-свьи,
ди кал а на атоме углеро .
ала с молекулой стирсча

качестве сореаген-
стирол, содержа-
С=С-связь. Моле-
подвижны и легко
свободными рааи-
.1, как показано на
результате чего на
1зуется свободный
может снова РеаГ1^'
1НОН связью CJie^

л / J V

;улы стирола-
^скольких мол
большую ue"b’ро-
полимернои др

па реагирует с
олимерные м 3

Реакция Р чем
1еНее Ве^об^’°
ожения для

,КаЛ Р"яствоРеН^г
ида, РасТ

чная CLU146 аТр^
овать коНце

Отверждение полиэфирных смол инициируют пероксидами. При комнат-
ной температуре это обычно метилэтил кетон пероксид совместно с каким-ни-
будь ускорителем. Распространенными пероксидами являются также дибензо-
илпероксид и 2,3-пентандионпероксид. Они отличаются температурой актива-
ции и типом смол, с которыми их используют. Все пероксиды взрывоопасны.
Поэтому их хранят в холодильнике в небольших количествах.

Молекулы, соединяющие соседние полимерные молекулы, называют сши-
вающими агентами. Обычно это стирол, который помимо образования сшивок
разбавляет смолу, облегчая пропитку волокон. Разбавитель не должен присут-
ствовать в отвержденном композите, так как это ухудшает его механические
свойства. Обычно стирол почти целиком используется для образования попе-
речных сшивок. Как следствие, он расходуется практически полностью. Такие
разбавители называют активными. Усадка полиэфирной смолы равна пример-
но 3 %. В присутствии сшивающего агента она увеличивается на величину его
усадки (с учетом концентрации). Усадка стирола равна примерно 17 %.

Широта использования стирола объясняется его низкой стоимостью и хоро-
шими свойствами конечного продукта. Стирол ароматичен, что придает смоле
термостойкость, жесткость, прочность и снижает поглощение влаги. Его недо-
статками являются низкая стойкость к УФ-излучению и некоторым химическим
веществам, а также хрупкость. В зависимости от концентрации стирола прочность
имеет максимум. Такое поведение характерно и для других сшивающих агентов.

Серьезная проблема стирола заключается в ядовитости его паров. Это привело
к внедрению других сшивающих агентов — метилметакрилата, бутил акрилата,
бутилметакрилата, альфаметилстирола, винилтолуола, параметилстирола и т. д.
Сшивающий агент определяет температуру отверждения и свойства получаемого
композита. Сшивающие агенты способны сшивать полиэфирные смолы как при
повышенной, так и при комнатной температуре. Скорость реакции постепенно
замедляется, что обусловлено увеличением молекулярной массы, и для продолже-
ния реакции требуется увеличение температуры. Некоторые из этих сшивающих
агентов имеют меньшую усадку, чем стирол, и это может определять их выбор.

Помимо стирола, широко используют метилметакрилат (ММА), имеющий
превосходную атмосферостойкость и стойкость к УФ излучению. Смолы на
основе ММА при горении выделяют мало дыма. Для снижения горючести ис-
пользуют галогены, а для снижения плотности дыма — ММА

Для регулирования скорости отверждения в смесь полиэфирной смолы,
инициатора и сшивающего агента вводят добавки. В некоторых случаях они
замедляют отверждение. При формовании композита нередко нужно увели-
чить время гелеобразования, т. е. время, в течение которого она остается жид-
кои. Например, в случае длительной укладки волокон в форму. С другой сто-
роны, иногда необходимо уменьшить время или температуру отверждения.

3.10.7 . Ингибиторы отверждения

Двойные С=С-свяш в полиэфирных смолах и стироле могут само-
произвольно разрываться по термоактивационному механизму с образованием
свободных радикалов. Солнечный ультрафиолет также может привести к возник-
новению свободных радикалов. Поэтому смолы поставляют в металлических боч-
ках или бутылях из темного стекла. Чтобы продлить срок хранения, в смолу вво-
дят ингибиторы отверждения, дезактивирующие свободные радикалы. Существу-
ет несколько ингибиторов отверждения. Наиболее распространенными являются
гидрохинон и катехин. При смешении компонентов смолы необходимо знать со-
держание ингибитора, чтобы определить нужное количество инициатора.

3.10.8 . Ускорители отверждения

Крупные изделия часто отверждают при комнатной температуре.
Для этого используют вещества, ускоряющие распад пероксидов. Самыми рас-
пространенными ускорителями являются соединения кобальта. Кобальт слу-
жит как катализатор и при отверждении не расходуется. Поэтому его требуется
немного, обычно менее 0,5 вес. % смолы. В некоторых случаях эффективность
кобальта повышают с помощью ионов калия, магния, меди или кальция.

Ускорители ни в коем случае нельзя смешивать непосредственно с перок-
сидами из-за опасности взрыва. Обычно в смолу с разбавителем вводят ускори-
тель, тщательно перемешивают, а только затем добавляют пероксид. При об-
ратной последовательности пероксид инициирует отверждение.

крытых
снаруж!

водок
т>ре. В
вании J

Прг
чист Лс
тер и ал а
мают п
несколь

Пан
дефекте
юшая 7
таны пр

Еси
нее загу
трацию
никает
тяют ра
полните

3.10.9 . Объемный формовочный компаунд

3.10.1С

Объемный формовочный компаунд (ОФК) представляет собой смесь
полиэфирной смолы с инициатором, наполнителем и волокнами. Компоненты
смешивают при комнатной температуре. Чтобы избежать преждевременного
отверждения, полученный материал хранят в холодильнике. Типичный ОФК
содержит 25 % смолы и стирола, 45 % наполнителя и 35 % волокон. ОФК име-
ют тестообразную консистенцию, что позволяет точно отмерять их дозу при
укладке в открытую форму. Эту массу выпускают в виде цилиндров диаметром
приблизительно 10 см. Основным методом их формования является прессова-
ние, обеспечивающее быстрое изготовление деталей несложной формы. ОФК
не очень хорошо текут в пресс-форме. Обычно дозу ОФК помещают в центр
пресс-формы, при закрытии которой материал заполняет ее. Даже при опти-
мальном количестве наполнителя, волокон и смолы перемещение компаунда
на большое расстояние в форме может привести к его разрыву. Поэтому длина
изделий из ОФК не превышает 40 см.

Крупные панели делают из листового формовочного компаунда (ЛФК). По
составу ЛФК и ОФК почти одинаковы. При приготовлении ЛФК предвари'
тельно инициированную смесь смолы и наполнителя наносят на движушУ10СЯ
полиэтиленовую пленку. Толщина смеси смолы и наполнителя составляет око-
ло 5 мм. Волокна режут на отрезки длиной 3—7 см и насыпают на слой смолы
и наполнителя. Поверх рубленых волокон накладывают второй слой смеси смолы
и наполнителя. Образуется слоистая структура с волокнами в середине, по

и темпе

шения г

рез нек<

ст\днео(
нию. Из

ветствук

Деляется
возраста
Т>РУ раз
Реакции
гРева об
3аВсрще1

3.9. г

Сс «твер^
Ски* боч'
Се °Лу
Су1Цеству,
И ^atoTcy
° ЗНать СоЯ
эра.

‘м пераТу ре
амыми рас-
овая ьт слу-
о требуется
рективность

ШЬЦИЯ.

но с перек-
упят ускори-
шь При об-

крытыми смесью смолы и наполнителя, и двумя полиэтиленовыми пленками
снаружи. Этот материал пропускают между валками, запрессовывающими смолу
в волокна. Затем его сворачивают в рулон и хранят при пониженной темпера-
туре. В ЛФК можно использовать относительно длинные волокна. При формо-
вании ЛФК движение материала в форме обычно небольшое.

При формовании рулон ЛФК разматывают и разрезают на куски так, чтобы
лист ЛФК покрывал практически всю поверхность формы и перемещение ма-
териала при формовании было небольшим. При укладке в форму с ЛФК сни-
мают полиэтиленовую пленку. Для получения толстых изделий укладывают
несколько слоев ЛФК.

Панели автомобильных кузовов должны быть гладкими и свободными от
дефектов поверхности. Усадка полиэфирной смолы при отверждении (достига-
ющая 7—10%) ведет к появлению ямок. Для решения этой проблемы разрабо-
таны присадки. Их концентрация составляет примерно 2—5 %.

Если смола слишком жидкая, она стекает вниз. Этого избегают, добавляя в
нее загущающие тиксотропные добавки, например, имеющие высокую концен-
трацию водородных связей, повышающих вязкость. Для пропитки волокон воз-
никает необходимость уменьшить вязкость смолы. В этом случае в нее добав-
ляют разбавитель. Такой материал может иметь более высокое содержание на-

г собой смесь
Компоненты
^временного
> 1 a 11 U 1-J 14 ОФК

н оФК име"
, их дозу пр;
ов диаметр0

ТС»

Ф°рмь'- иеНтР
шиют в

же при

|Ие К V
]ОэтоМУ

полнителей и волокон.

3.10.10. Отверждение

Отверждение полиэфирной смолы зависит от состава компози
и температуры отверждения. Этот процесс иллюстрирует рис. 3.9. После сме
шения всех компонентов смолу нагревают, скажем, до температуры 70 °C. Че
рез некоторое время после начала отверждения смола густеет и становитс:
студнеобразной (гелеобразной) благодаря постепенному поперечному сшива

нию. Из жидкости она превращается в
ветствующее время называют временем
гелеобразования деталь отверждается
быстро. В процессе отверждения вы-
деляется тепло, и температура смолы
возрастает. Максимальную темпера-
туру разогрева называют экзотермой
реакции. Высокая тем пераз ура разо-
грева обычно приводит к быс!рому
завершению отверждения.

рис. 3.9. Изменение температуры в процес-
се отверждения полиэфирной смолы

единое студнеобразное вещество. Соот-
гелеобразования. При коротком времени
Необходимо иметь в виду, что при увеличении объема отверждаемой смолы
или увеличении толщины детали максимальная температура разогрева (экзо-
терма реакции) вследствие выделения тепла повышается. В процессе отвержде-
ния скорость процесса постепенно замедляется, и температура снижается.

Проблемы возникают как при слишком медленном, так и при быстром
отверждении. Если отверждение происходит медленно, материал может недо-
отвердиться. Длительное отверждение приводит к необходимости увеличения
количества пресс-форм. Если материал отверждается слишком быс- ро, он мо-

жет оказаться хрупким.

3.10.11. Добавки

В смолу добавляют антиоксиданты и вещества, защищающие ее от
УФ-излучения. Их содержание обычно не превышает 10 %. Для защиты от Уф
часто используют сажу. В полиэфирные смеси добавляют пи м ы ( вердые
неорганические частицы) и красители (органические). Их концентрация невы-
сока, и они не оказывают существенного влияния на другие свойства смолы.

3.11. ЭПОКСИДНЫЕ СМОЛЫ

Эпоксидные смолы — второе по объемам производства семейство
термореактивных смол, используемых в композитах. Около 50 % всех эпоксид-

ных смол используют в качестве основы высококачественных красок автомо-
билей, судов, электрических домашних приборов, металлических труб и т д
Другая область применения — эпоксидные клеи. Ими склеивают и композиты,

причем не только на основе эпоксидных матриц.

Около четверти объема эпоксидных смол приходится на композиты, ис-
пользуемые в качестве электрических плат в электронике. Это обусловлено
высокими диэлектрическими характеристиками смол. Они имеют пониженное
газовыделение, поскольку не содержат стирола и растворителя. Кроме того,
для элеь троплат важна термостойкость эпоксидов. Хорошие механические свой-
ства, тс мо тонкость, и адгезионные качества эпоксидных смол обеспечили им
использование в высокопрочных композитах в авиакосмической промышлен-
ности, спортинвентаре и медицинском оборудовании.

группа

Эпоксидная

группа

Рис. 3.10. Схематическое
изображение эпоксидного
олигомера

Поперечное сшивание обеспечивают эпоксидные группы (рис. 3.10). В оТ'
личие от углеродных С С-связей в полиэфирнои смоле, располагающихся
Лаем°йсм
юТ>«а <>
:си

При бь>СТПА
Л Мо*ет ц?м
™ УВеличенТ
,ыст₽0. он

всей длине макромолекул, эпоксидные группы располагаются только на кон-
цах молекул. Поэтому степень сшивки эпоксидов ниже, чем полиэфирных смол.

^Щающие ееОт
защиты от Уф
ленты (твердые
нитрация невы-
ойства смолы.

3.11.1. Структура

Синтез эпоксидных смол основан на присоединении эпоксидной
группы к концам олигомерной цепи. Наиболее часто используют реакцию бис-
фенола А и эпихлоргидрина, в результате чего на каждом конце получаемого
олигомера образуются две глицидильные группы, соединенные атомом кислоро-
да (рис. 3.11). Такие связи называют эфирными, и поэтому данную смолу назы-
вают диглицидиловым эфиром бисфенола А (ДГЭБА). Типичная величина п (дли-
ны олигомерной цепи между эпоксидными группами) составляет от 2 до 12.
Свойства отвержденной эпоксидной смолы зависят от величины п При возра-
стании числа звеньев п повышаются вязкость разрушения и температура раз-
мягчения полимера. Отметим, что природа основной цепи эпоксидов намного
разнообразнее, чем полиэфиров.

тства семейство
% всех эпоксид-
красок автомо-
ких труб и т. Д
эт И КОМПОЗИТЫ,

Рис. 3.11. Бисфенол А и синтезируемая из него эпоксидная смола — дигтицидиловый
эфир бисфенола А (ДГЭБА)

Диглицидиловый эфир бисфенола А (ДГЭБА) Глицидил

КОМПОЗИТЫ, иС
)ТО обусловлено
’ЮТ П°НИХеН’’1
ЛЯ. КР°МесТвОй’
анические св°иМ
л обеСПеЧ^еН-
;ОЙ Пр<>МЬ

««•

3.11.2. Отверждение

Поперечное сшивание обеспечивают эпоксидные группы. Они на-
ходятся на конце олигомерной цепи, а в некоторых случаях и на конце боко-
вых ветвей. Активных мест в середине цепи нет. Положение эпоксидного коль-
ца принципиально отличается от ненасыщенных полиэфиров, где активная
группа (двойная С—С-связь) повторяется вдоль главной цепи. Даже если эпо-
ксидная группа присутствует в боковых ветвях молекулы (как у новолака), кольцо
находится обязательно в ее конце. У эпоксидов природа основной цепи намно-
го разнообразнее, чем у полиэфиров, где точка поперечной сшивки является
неотъемлемой частью каждого повторяющегося звена.

3 1°> а
В эпоксидных смолах поперечное сшивание происходит при размыкании
эпоксидного кольца благодаря взаимодействию с активной группой на конце
другой молекулы, называемой отвердителем. Химическая структура типичного
отвердителя изображена на рис. 3.12. На обоих его концах располагаются амин-
ные NH группы. Активные группы на двух концах молекулы обеспечивают
взаимодействие отвердителя с эпоксидными группами двух разных молекул,
тем самым обеспечивая их соединение.

Смола

Отвердитель

Рис. 3.13. Отверждение эпоксидной смолы
аминным отвердителем

Отвержденный
полимер
-► с—с—с...

H—N О—Н

Рис. 3.12. Типичная молекула аминного
отвердителя

Когда конец аминного отвердителя оказывается вблизи эпоксидного кольца,
атом азота отвердителя (имеющий небольшой отрицательный заряд) притяги-
вается к атому углерода эпоксидного кольца, имеющему небольшой положи-
тельный заряд (рис. 3.13). Атом азота образует связь с атомом углерода, и
эпоксидное кольцо раскрывается. Атом азота при образовании связи с углеро-
дом теряет атом водорода, который образует связь с кислородом, бывшим час-
тью эпоксидного кольца. Связь атомов углерода и азота приводит к поперечно-
му сшиванию, поскольку второй аминный конец отвердителя может реагиро-
вать с другой эпоксидной молекулой. Как следствие, эпоксидные молекулы
образуют единую молекулярную сетку.

При отверждении эпоксида образуется полярная ОН-группа, определяю-
щая высокую адгезионную способность смолы. Напротив, при сшивке ненасы-
щенных полиэфиров ОН-группы не возникают. Структура отвержденного эпо-
ксида показана на рис. 3.13. Отверждение шоксидныч и полиэфирных смо
приводит к образованию воды, что упрощает их использование в качестве ма
риц в волокнистых композитах. Однако сами эпоксидные смолы синтезирую
в реакции поликонденсации. Поэтому в них присутствуют остатки воды, кото-
рые, если требуется, удаляют вакуумированием при повышенной температура

Наиболее часто в композитах используют диглгшилиловый эфир бисфсн0'
ла А (ДГЭБА). В настоящее время имеется очень большой выбор эпоксидных
смол с различной химической структурой полимера между концевыми эгго<
сидными группами.
и

"ПОЙ на

'УРа т"пИч>
1агаются аЧо
обесп.. X.

ЭПОКСИДНОЙ смолы

.сидпого кольца,
заряд) притяги-
)ЛЫИОЙ положи-
иом углерода, и
1 связи с углеро-
)М, бывшим час-
хит к поперечно
[ может РеагИр°.
ш„ые -о*»’"

""»• мр“'«5:
сшивке 0.

эфирных е маГ
|е в ка тезИР^
олы синте х.
гатки

"»й теМ6,'И

и зф“р „КС»'11'
.вор
конненыы0

3.11. Эп<)К( и<)ныс с ио III -J

3.11.2.1. Отвердитель

Отвердители эпоксидных смол также имеют различную химичес-
кую структуру. Они могут быть очень маленькими, олигомерами, иметь те
или несколько активных групп. После смешения эпоксида с отвердителем на-
чинается взаимодействие активной группы отвердителя и эпоксидной группы
Чтобы увеличить скорость реакции, смесь нагревают. На выбор отвердителя
влияют его совместимость с эпоксидной смолой, время, температура отверж-
дения и требования к свойствам композита.

Большинство отвердителей взаимодействует с эпоксидным кольцом, обра-
зуя ОН-группу на углероде эпоксидной группы. При определенных условиях
гидроксильные группы могут реагировать с эпоксигруппами других молекул,
инициируя гомополимеризацию смолы. В этом случае отвердитель исполняет
роль инициатора.

ри определении количества компонентов необходимо учитывать количество
активных групп эпоксидной смолы и отвердителя, а также их молекулярную мас-
су. Как эпоксидные смолы, так и отвердители могут иметь несколько активных
групп. Относительные концентрации эпоксидных групп и активных групп отвер-
дителя определяют концентрацию сшивок и, как следствие, физические и меха-
нические свойства полимера. Стехиометрическое отношение определяет количе-
ство компонентов, обеспечивающее реакцию всех химически активных групп.

Количество активных групп в смоле характеризуют эпоксидным числом. Его
определяют делением молекулярной массы эпоксида на количество активных
групп в одной молекуле. Низкое эпоксидное число свидетельствует о том, что
полимер между активными группами достаточно короткий. В этом случае ко-
личество поперечных сшивок на единицу веса будет большим. И наоборот,
высокие эпоксидные числа свидетельствуют о небольшой концентрации попе-
речных сшивок. То же самое относится и к отвердителю.

Концентрацию сшивок характеризуют количеством сшивок в расчете на
единицу объема. Наивысшая концентрация сшивок обычно достигается при
стехиометрическом соотношении смолы и отвердителя. Если концентрация
активных групп отвердителя значительно ниже количества эпоксидных трупп,
появляются несшитые отрезки макромолекул, характерные гля термопластич-
ных полимеров. При этом физические характеристики снижаются. Излишек
отвердителя ведет к появлению в отвержденном продукте неиспользованного
низкомолекулярною oi вердителя.

Если эпоксид способен юмополимериюваться, отвердителя требуется мень-
ше, чем при стехиометрическом соотношении Оптимальное количество отвер-
дителя зависит от температуры сшивки, поскольку гомоио тимери гания требует
более высоких температур отверждения, чем реакция с отвердителем. Па прак-
тике отвердителя часто используют на 20 % меньше, чем нужно по стехиоме
рии Отметим, что количество отвердителя в эпоксидных системах, в которых
соотношение активных групи отвердителя и смолы блитко к I . 1, существенно
отличается от количества инициатора в полиэфирных смо iax ( тишь 1 2 г)
Разработаны смолы, отверждение которых объединяет реакцию эпокси ь
ных групп и двойных С=С-связей. Поперечное сшивание в них осуществляет-
ся как с помощью эпоксидных групп на концах молекул, так и по С=С-свя.
зям. При этом используют расходуемый стирол, который после отверждения
не требуется удалять.

Многие неотвержденные эпоксидные смолы и отвердители раздражают кожу,
и нужно использовать резиновые перчатки. После отверждения материал не-
токсичен. Другая проблема состоит в токсичности паров. К счастью, давление
паров большинства эпоксидных смол и отвердителей низко, но при нагрева-
нии смолы оно растет, что может вызвать головную боль и аллергию. Более
того, некоторые смолы и отвердители являются канцерогенами. При работе с
вредными смолами и отвердителями нужно использовать респиратор.

Раньше для улучшения пропитки волокон использовали растворители, но
от них постепенно отказываются. В случае смол с повышенной вязкостью раз-
рушения растворитель иногда используют. Из готовых изделий его удаляют.
Активные разбавители с эпоксидными смолами не используют.

3.11.2.2. Пропитка волокон

Эпоксидные смолы имеют более высокую вязкость течения, чем
полиэфиры, что затрудняет пропитку волокон. Простейший способ снижения
вязкости состоит в повышении температуры смолы. Это ускоряет отвержде-
ние, и нужно использовать отвердитель, инициируемый при повышенных тем-
пературах. Вязкость снижают также добавлением маловязкой смолы. Напри-
мер, в вязкую смолу на основе бисфенола А (с большим числом п) можно
добавить менее вязкую смолу на базе бисфенола А. Это позволяет снизить
вязкость и сохранить физические свойства композита.

3.11.2.3. Температура отверждения

Некоторые эпоксидные смолы отверждают при комнатной темпе-
ратуре, используя активный низкотемпературный отвердитель. Такие смолы
применяют в качестве бытовых клеев, покрытий и для электроизоляции. Одна-
ко более часто эпоксидные смолы отверждают при повышенной температуре
Температура отверждения зависит от типа смолы и отвердителя. Максималь-
ная температура эксплуатации изделия не должна превышать температуру с ек
лования. Последняя повышается при увеличении температуры отверждения
Эпоксидные смолы, используемые в композитах, делятся на три типа:

I) отверждаемые при комнатной температуре;

2) отверждаемые при температуре !20°С;

3) отверждаемые при 160 С.

Процесс стеклования замораживает подвижность молекул смолы и отвср^
дителя. Как следствие, реакция отверждения останавливается, и температур
стеклования отвержденного полимера не может превышать температуру е|4
отверждения. Нг1 рис. 3.14 приведена схематическая зависимость температур
УщеСт*сЧ
По Cs-
°ТВеР>к?Ц'
[ра*а>от ,п
Мат<°?’
гьч * Аи
при н *И«
1еРгию. Б?'
При ра^
затор.

стеклования эпоксидной смолы от температуры отверждения 1 При невы-
соких температурах отверждения температура стеклования Т равна темпера-
туре отверждения, но при неко-

торой температуре отверждения
реакция происходит полностью,
и дальнейшее увеличение темпе-
ратуры не приводит к повыше-
нию Т. Правда, при этом смола
отверждается быстрее.

творители

вязкостью раз.

-1 его удаляют

Рис. 3.14. Влияние температуры отвер-
ждения Тна температуру стеклования
Т эпоксидной смолы

5 Но

ь течения, чем
особ снижения
ряет отвержде-
ышенных тем-

см олы. Напри-
слом и) можн
воляет снизить

Обычно даже при повышенной температуре отверждение эпоксидной смо-
лы занимает несколько часов. Полиэфирные смолы при комнатной температу-
ре отверждаются быстрее, чем эпоксидные смолы при повышенной температу-
ре. Скорость и температура отверждения зависят как от структуры смолы, так и
от отвердителя. Часто эпоксидные смолы отверждают ступенчато. Например,
материал выдерживают в течение часа при 60 °C, что обеспечивает равномер-
ность отверждения, а после этого отверждают при 160 °C.

мнатной тем"е
. Такие смо>
лзоляиии.&
юй теМПесРиМ^
:ля- макси>
^мпера^енИ»
,Ы отверг
гри типа-

3.11.3. Препреги

В препрегах на волокна наносят эпоксидную композицию, содер-
жащую отвердитель. Для увеличения срока годности их хранят в холодильнике.
Однако даже в этом случае по истечении некоторого времени их бракуют. Раз-
работаны эпоксидные композиции с большим сроком хранения. Такие ре-
преги не нуждаются в охлаждении и сохраняют свои свойства при комнатной
температуре до года. Одна из причин — использование специального отверди-
теля, который при сушке растворителя кристаллизируется и выпадает в отдель-
ную фазу, что тормозит его взаимодействие со смолой. При на: ревании отвер-
дитель плавится и инициирует сшивание смолы. В отличие от полиэфирных
смол ингибиторы отверждения в эпоксидах не применяются.

В случае эпоксидных смол наполнители используют редко. Их используют
Для увеличения времени гелеобразования, стойкости к растрескиванию при
быстром изменении температуры, уменьшения усадки, поныв е 11 а< и
сти и электропроводности.

Медленное отверждение эпоксидных смол инициировало использование
постотверждения. Деталь извлекают из формы, koi да она уже стала жесткой,
—Ar ^aea 3- Матрицы и их свойства

помещают в печь и доотверждают. Постотверждение позволяет уменьшить ко.
личество используемых пресс-форм.

Серьезное преимущество эпоксидных смол по сравнению с полиэфирными
состоит в более низкой степени усадки. В эпоксидных смолах сшиваются толь-
ко концы цепей, и плотность сшивок меньше, чем в полиэфирных. Это позво-
ляет формовать детали со строгими допусками размеров. Тем не менее усадка
может приводить к образованию каверн на поверхности изделия.

3.11.4. Адгезия

Эпоксидная смола образует прочную связь с поверхностью воло-
кон. Это обусловлено образованием полярных ОН-групп при поперечном сши-
вании (см. рис. 3.13) и отражается на прочности, жесткости и стойкости к
растворителям. Поэтому эпоксидные смолы используют в качестве клеев для
склеивания композитов друг с другом, с металлами, керамикой и полимерами.
Их используют и для склеивания некомпозитных материалов.

3.11.5. Усталостная прочность

Усталостная прочность характеризует способность материала вы-
держивать циклические нагрузки в течение длительного времени. Даже если
напряжение не превышает предела прочности, со временем деталь может раз-
рушиться из-за постепенного растрескивания матрицы. Усталостные свой-
ства зависят от способности матрицы выдерживать повторяющийся изгиб.
Большинство эпоксидных смол имеет превосходную усталостную стойкость.
В сочетании с высокой прочностью это является одним из основных преиму-
ществ волокнистых композитов на основе эпоксидных матриц по сравнению
с металлами.

3.11.6. Ползучесть

Ползучестью называют постепенное удлинение материала под действием
растягивающей нагрузки. Типичный график изменения деформации от време-
ни представлен на рис. 3.15. На кривой выделены три области. В области 1
ползучесть называется нестационарной. В ней скорость ползучести постепенно
уменьшается. За ним следует область стационарной ползучести II, в которой
скорость постоянна. Наконец, при больших временах в материале накаплива-
ются внутренние повреждения, скорость ползучести возрастает (область ПО’
наконец, материал разрушается.

Температура, при которой материалы начинают ползти, зависит от их тем
пературы плавления. Как правило, ползучесть возникает при ТУ 094Тт~~
где Тт температура плавления по абсолютной шкале Кельвина. НаприМеР'
лед тает при О С. Поэтому лед ползет весьма быстро, и это является причин^1
•мнить

эфиРнь,М11
ютСя ТОЛЬ'
Это позво.
;нее усадка

движения ледников как в горах, так и в Антарктиде. Поэтому толщина льда в
Антарктиде зависит от ползучести льда при температуре около —30 С

Рис. 3.15. Ползучесть при постоянном напря-
жении

>СТЬЮ водо-
емном сши-
'тойкости к
ie клеев для
юлимерами.

Большинство полимеров плавится
при температуре 100—250 С, и поэтому
практически все они сильно ползут под
нагрузкой. В волокнистых композитах
скорость ползучести зависит от наличия
волокон, которые почти не ползут. Од-
нако в случае коротких волокон ползу-
честь матрицы может иметь значение.
Эпоксиды характеризуются низкой ско-

ггериала вы-
4. Даже если
ь может раз-
метные свой-
цийся изгиб,
ю стойкость.
1НЫХ преиму-
ю сравнению

ростью ползучести.

Ползучесть матрицы зависит от двух факторов. Первый — это плотность
поперечных сшивок. При большой плотности сшивок увеличиваются темпера-
тура стеклования и плотность полимера и, как следствие, снижается скорость
ползучести. Второй фактор — это жесткость основной полимерной цепи. Жес-
ткость цепи зависит от ее структуры, и в частности от степени ароматичности.
В целом у полиэфиров и эпоксидов скорость ползучести невысокая, причем
сшитые эпоксиды ползут медленнее полиэфиров.

од ДСП---
ими от вре (
. В облас

ГИ пос |<
II, в к

отоР0*1

ле накапл
область

цва'

3.11.7. Вязкость разрушения

Увеличение молекулярной массы полимера улучшает его механи-
ческие свойства. В реактопластах этого добиваются повышением плотности
поперечных сшивок. Однако при некоторой плотности сшивок полимер с а о-
вится хрупким. Поэтому требуется компромисс между требованиями к вязкос-
ти разрушения и прочности.

Степень сшивки эпоксидных смол можно повысить с помощью му т
Функциональных отвердителей и высокой температурь! отверждения как и в
случае других реактопластов, при увеличении плотности сшивки вязкость раз-
рушения эпоксидов достигает максимума, после чего начинает снижаться, и
материал становится хрупким. Вя зкость ра зрушения зависит от глины сегмен
та полимерной цепи между эпоксидными группами. Дпинные сегменты более
гибкие, чем короткие. Уменьшение степени ароматичности привозит к утзеги-
чению гибкости молекул и к повышению вязкости разрушения, но при этом
Уменьшаются прочность, жесткость и термостойкость.

Стандартный метод повышения вязкости разрушения токсичных смо г состоит
в Добавлении каучука Каучук может быгь сополимери зовам с эпокси гом (и з смеси
Мономеров) или растворен в нем 11едостаток каучука состоит в снижении хими гее
кой стойкости и прочности, особенно если он выпадает в от ге пятую фазу
Добавление термопласта в эпоксид аналогично добавлению каучука
гие термопласты, например полисульфон, придают эпоксидной смоле пла
тичность, а их эффективность зависит от взаимной совместимости. При Не
большой концентрации (часто до 10—15 %) термопласт совместим со смолой
но при более высокой концентрации он выпадает в отдельную фазу, что может
ухудшать свойства. Обычно термопласты добавляют в смолу путем смешения в
растворителе. Но иногда их вводят химически на стадии полимеризации, в
результате чего образуется сополимер, состоящий из фрагментов линейноп
полимера и термореактивных фрагментов цепи. Комбинация эпоксидов с ли-
нейными полимерами сочетает высокую ударную прочность термопластов с
низкой вязкостью течения реактопластов, облегчающей пропитку волокон.

Вязкость разрушения можно повысить без существенной потери других
механических свойств путем включения алифатических сегментов в главную цепь
эпоксида. Алифатические сегменты придают полимеру гибкость и, следователь-
но, высокую вязкость разрушения. Такие эпоксиды являются ударопрочными
Их недостатком является высокая стоимость. Пластичность отвержденной смолы
можно повысить и за счет гибкости молекул отвердителя.

Термостойкость эпоксидных смол определяется температурой стеклования,
зависящей от химической природы полимерной цепи, степени ароматичности
полимера и концентрации поперечных сшивок. Термостойкость может лими-
тироваться и температурой разложения.

В электроплатах используют преимущественно эпоксидные смолы. Хоро-
шие электрические свойства эпоксидов обусловлены малой концентрацией
остатков растворителей и мономеров.

Водостойкость эпоксидных смол ограничена наличием полярных ОН-групп.
имеющих сродство с водой и способствующих ее поглощению. Напротив, аро-
матика снижает поглощение влаги. В результате эпоксиды имеют умеренную
водостойкость, но она выше, чем у полиэфиров, в которых имеется большое
количество полярных атомов кислорода. При высоких температурах они по-
глощают влагу.

Эпоксидные смолы стойки к действию растворителей, отличающихся от
них по химической природе. Полярные растворители взаимодействуют с Iм
слабо, а неполярные и неароматические растворители (т. е. большинство орга
нических растворителей) на них почти не влияют.

Высокое содержание ароматики в эпоксидных смолах определяет их невы
сокую стойкость к ультрафиолету. Если энергия связи ароматической rpvnnW
ниже энергии УФ-квантов, связь разрывается. УФ-стоикость смол повы
ют с помощью добавок, поглощающих ультрафиолет. Кроме того, эпоксид^
можно синтезировать из алифатических компонентов, относительно стой
ких к УФ-излучению

Высокое содержание ароматики обусловливает негорючесть эпоксидо
Ароматические материалы обычно не горят, а обугливаются. Это характер
как для эпоксидов, так и для ароматических полиэфиров. Горючесть °
смол снижают введением атомов галогенов при синтезе или в виде добавок
««ой ем 4 М,
СТимОСТи
честим Со 'РИ Ht
УЮ фазУ, чТо>,
Путем смеш>
п°лимери %,
^нтов Ли ЦЧ,
ия эпохсидо;и^
сть ТеРМопласЛ
Опитк* нолок*8'
•НТОВ в°гТеРИ
нтов главную^
ость и, след0Ватель
гея Ударопрочными
твержденной смолы

атурой стеклования
пени ароматичноев1
й кость может лими-

тные смолы. Хоро-
шо и концентрацией

полярных ОН-грР
нию. Напротив,аро-
Ы имеют умеренна
,ЫХ имеется больш
емператураХ онИ

=й, отлИЧа^юТсНИ
™°6:Х‘«’ювр"

неб'

; определи''
роматическ
1кость смо

о<

.роме то.- 0
относ"-""

с1°

а ЭтохаРь^
ll° г пюч^Л^
ров. Гор»0' X
или В виде д

3.12. Сложные винил )фирныс смолы 93

но сильно дымят. Темный, содср-
жащии сажу дым может выделяться даже при тлении. При использовании гало-
генов дым может стать опасным для человека. Дымность зпоксидов и поли-
эфиров примерно одинакова.

Эпоксидные смолы на 50-100% дороже полиэфирных смол. Сравнительно
высокая стоимость, трудность пропитки волокон и необходимость отвержде-
ния при высоких температурах это основные факторы, ограничивающие
применение эпоксидных смол.

3.11.8. Изготовление пресс-форм

Для изготовления больших партий деталей используют металли-
ческие пресс-формы. При изготовлении небольших партий используют пресс-
формы из композитов.

Пресс-формы получают формованием на модели детали. Модель изготавли-
вают механической обработкой или отливкой. В качестве модели может исполь-
зоваться и сама деталь. Модель часто делают из эпоксидной смолы, наполнен-
ной мелкими стеклянными шариками, что облегчает механическую обработку
После обработки модель покрывают слоем эпоксидной смолы, которую затем
отверждают. Отверждение производят при максимально возможной температу-
ре, чтобы повысить плотность поперечных сшивок и обеспечить долговечность
пресс-формы. Жесткость формы увеличивают ребрами жесткости. Дня увеличе-
ния срока службы пресс-формы иногда покрывают слоем никеля. Такие формы
используют для изготовления деталей из высокопрочных композитов.

Если ненасыщенные полиэфирные и эпоксидные матрицы не удовлетворя-
ют предъявляемым требованиям, используют специальные полимеры. Их доля
составляет примерно 20 % всего объема производства композитов. Если требу-
ется химическая стойкость матрицы, используют сложные виниловые эфиры,
сочетающие химостоикость и низкую стоимость. Фенольные смолы использу-
ют, если требуется негорючесть материала. Кроме того, они весьма термостой-
ки. Если требуется высокая термостойкость, используют композит углерод-
углерод или полиимидные матрицы.

3.12. СЛОЖНЫЕ ВИНИЛЭФИРНЫЕ СМОЛЫ

Сложные винилэфирные смолы — это семейство гермореактивных
смол, имеющих много общего с ненасыщенными полиэфирными и эпоксидны
ми смолами. Сложные винилэфирные смолы дороже полиэфирных, но дешевле
эпоксидных смол Они пластичнее и более коррозионно-сгоикие, чем полиэфи-
ры, но уступают эпоксидам. Сложные винилэфиры используют в корропюнно
л iy и оезепвуарах в химической про-

стоиком корабельном оборудовании, в трупах и р s у j

г, , ~ z. in < y винил эфирных смол по сравнению

мышленности. Другое достоинство сложных ви р i

с полиэфирными — возможность снижения содержания ci прола.
3.12.1. Структура

По химической структуре сложные виниловые эфиры занимают про,
межуточное положение между эпоксидами и полиэфирными реактопластами.
Сложный виниловый эфир представляет собой олигомерную цепь с группами
сложного винилового эфира, имеющими на каждом конце двойную С С-связь,
заменяющую эпоксидные группы (рис. 3.16). Название сложный виниловый
эфир обусловлено тем, что химическая СН2 СН-группа называется виниль-
ной, а группа, соединяющая ее с полимерной цепью, относится к сложным
эфирам. Сходство химического строения винилэфиров и эпоксидов очевидно
(см. рис. 3.16). В сущности, сложный виниловый эфир имеет на концах цепи
двойную С=С-связь вместо эпоксидной группы. Как и ненасыщенные поли-
эфиры, его можно сшивать пероксидным инициатором и стиролом.

Сложный
эфир

Олигомерная цепь

Винильная

группа

Сложный
Ч эфир

jch=chJ
I______U

Винильная
группа

Сложный

эфир

группа

Рис. 3.16. Строение типичного сложного винилового эфира. Внизу приведен пример ви-
нилэфирной молекулы

Свойства отвержденного сложного винилового эфира отличаются от свойств
эпоксидов по двум причинам. Во-первых, эфирные связи на обоих концах мо-
лекулы более уязвимы для влаги и растворителей, чем эпоксидные группы.
Второе отличие сложных виниловых эфиров от эпоксидов заключается в том.
что реакция отверждения проводится молекулами стирола, как сшивание не-
насыщенных полиэфиров. Напротив, в эпоксидах сшивка производится моле-
кулами отвердителя. Два этих фактора определяют сочетание в сложных вини-
ловых эфирах характеристик эпоксидных и полиэфирных смол. Они занимаю
промежуточное состояние между ними.

Отверждаются сложные винилэфиры аналогично ненасыщенным полиэфир
ным смолам. Поперечное сшивание иллюстрирует рис. 3.17. Сшивание начи-
нается с распада пероксидного инициатора. Образовавшиеся свободные ради
калы взаимодействуют с двойными С—С-связями на концах цепи (2). Как и в
случае ненасыщенных полиэфиров, сшивание осуществляется стиролом. В за
висимости от концентрации полимера стирольный мостик может состоять и
$ан^а1от
акт°пла
пь с ГП, аЧ
Ю С=~г. ППаМй

>,и вини^
еяТ “"««5

я к СложцЬ|,(
Xе °ч<
кониах цепи
Щенные поли,
лом.

одной или несколько молекул. Непрореагировавшие концы молекул винило-
вог и присое иняются к соседней молекуле, что приводит к образованию
полимерной сетки. После образования показанной на рис. 3.17 сшивки концы
молекул активны и могут реагировать с другими молекулами стирола и следу-
ющими винилэфирными молекулами.

R—о—О—R -> R—о* + «о—R
1

‘l

R—О’ + СН2—СН—с—О—СН2—сн—...

СН.=С

Рис. 3.17. Реакция поперечной сшивки слож-
ного винилового эфира:

/ — распад пероксида; 2 — атака образовавшегося
пероксидного радикала двойной С=С-связи; 3 — ре-

акция свободного радикала на атоме углерода со сти-
ролом; 4 — образование стирольного мостика в ре-
зультате реакции с двойной С=С-связью следующей
молекулы сложного винилэфира

сн2—СН

сн2=с

введен пример®

аются

оТ свойсТ

>боих к

ониах но

ключам- яе'
ак СШИТСЯ
эизводЦ вин’1'
В СЛО*Н
>л. они занв

Так как двойная С=С-связь сложного винилового эфира располагается
на конце полимерной молекулы, она активнее, чем двойные углеродные связи
в полиэфирах. В результате сложные виниловые эфиры отверждаются быст-
ро. В реакции участвуют почти все двойные С—С-связи. Высокая реакци-
онная способность винилэфирной группы делает возможным сшивание без
участия стирола. Даже при использовании стирола меньшее количество ак-
тивных двойных связей и более высокая реакционная способность конце-
вых групп позволяют уменьшить его содержание. Из-за меньшего количе-
ства сшивок сложные винилэфирные смолы усаживаются меньше, чем по-
лиэфирные.

Пероксидные инициаторы, ускорители и друнте добавки, применяемые в
полиэфирных смолах, часто используют и для сшивания с южных виниловых
эфиров. Однако их концентрация отличается от полиэфирных систем. В поли-
фирах наиболее распространен метилэтилкетон пероксид, a i i iwx вини
ловых эфирах — бензоилпероксид. Вместо кобальтовых ускорителей использу-
ют анилины.
3.12.2. Коррозионная стойкость

Полиэфирные группы — самые коррозионно-опасные места поли-
мера. Так как в сложных винилэфирах таких позиций меньше, чем в традици-
онных полиэфирах, они менее подвержены химическим воздействиям. Высо-
кое содержание ароматики еше больше повышает их химическую стойкость.
Уменьшение количества полиэфирных ipynn приводит к уменьшению степени
полярности сложного винилового эфира по сравнению с полиэфиром, что умень-
шает поглощение влаги. Зависимости веса винилэфирной и полиэфирной смо-
лы от времени нахождения в воде показаны на рис. 3.18.

Время выдержки в воде, сут.

Рис. 3.18. Увеличение веса полиэфирных и слож-
ных винилэфирных смол вследствие поглощения
влаги

которые к<
ные винил
тцтезеи, Щ
быт и Pd3P<
ния на спо

Наличг
низэфир3
диэфирах.
эфирные. I
(эпоксиднс
ные винил
цепи може
рителя. Эт<

3.13.

Коррозионную стойкость деталей на
основе сложной винилэфирной смолы
можно повысить за счет использования
одного или двух слоев тонкой стеклотка-
ни, закрывающей открытый торец пласти-
ны, постотверждения детали, повышающе-

го концентрацию поперечных сшивок и плотность структуры, а также исполь-
зования в качестве отвердителя бензоилпероксида или диметиланалина,
обеспечивающих высокую концентрацию поперечных сшивок.

Непрореагировавшие С=С-связи полиэфирной цепи уязвимы для атаки
кислорода, кислот и других химически активных веществ. Результатом являет-
ся старение и коррозия в агрессивных средах. Двойные С=С-связи в сложных
виниловых эфирах располагаются только на концах цепей. Это уменьшает ко-
личество непрореагировавших связей (по сравнению с полиэфирами) и снижа-
ет опасность химического воздействия.

Гидроксильные ОН-группы в цепях сложного винилэфира (см. рис. 3.16
положительно влияют на адгезионные свойства отвержденной смолы. ОН-группы
взаимодействуют с поверхностью стекловолокна, обеспечивая его смачивание
и связь с матрицей. Это один из факторов, определяющих более высокую проч-
ность композитов на основе сложных винилэфирных смол по сравнению с
композитами на основе традиционных полиэфиров. Гидроксильные группы
обеспечивают также лучшую связь с клеями по сравнению с полиэфирами.

Для снижения горючести сложных винилэфирных смол используются те
же методы, что и в случае полиэфиров и эпоксидов. Самые распростране н
из них — галогенирование самих смол и введение гало ген содержащих на о
нителей и три гидрата алюминия.

Сложные винилэфиры с высоким содержанием наполнителя можно исполь
зовать в качестве листовых (ЛФК) и объемных формовочных компаундов (О

ными мате]
мать замет!
причем их
полиэфирн

Из неар
эчектровык
Из-за высо!
ются при о
добавляют <
ный из них
цвет, как, г
цвет смолы

Фе ноль
кую термос
ствию раст!
ВОЛОКНИСТЬ
СИДНЫХ И В1
Ризации. О
средствах.
Формован и

3.13.1.

(Рис. 3.19)
*ет вэаимо
ные Местц

пФ1ц.

- чем в трэд *
;истви"м. вЬ1си;
скую СТОЙКОЕ

Vl|enu
иР°м)ЧтОумен7
'ЛИЭфирной см0.

лиэфирных И слож
:лствие поглощения

кость деталей на
эфирной смолы
т использования
он кой стеклотка-
ты й торец пласти-
али, повышаюше-
I, а также исполь-
д и мети ланал ина,
эк.

язвимы для атаки
^зультатом являет-
?-связи в сложных
Это уменьшает ко
эфирами) и снижа

/ 3.1б)

ира (см. Ри •
смолы. ОН-ГР»""-
шя его смачИ^0ОЧ-
,лее высокую с
,л по сРавНеруппН
оксильные
с полиэфир^*1 те
.л используете
распростР3 рОл
содержащих Я3

)СПрЛь
теля можн°
компаунД00

которые конкурируют с аналогичными полиэфирными компаундами. Слож-
ные винилэфирные смолы нечувствительны к действию двухвалентных загус-
тителей, применяемых в ЛФК и ОФК на основе полиэфирных смол. Поэтому
были разработаны другие загустители, не оказывающие существенного влия-
ния на способность к формованию.

Наличие двойных С С-связеи только на концах молекулы сложного ви-
нилэфира приводит к более низкой плотности поперечных сшивок, чем в по-
лиэфирах. Поэтому сложные винилэфирные смолы менее хрупкие, чем поли-
эфирные. Пластичность смолы можно повысить за счет гибкости центральной
(эпоксидной) части молекулы сложного винилового эфира. Поскольку слож-
ные винилэфиры обычно сшивают в растворе активного разбавителя, длина их
цепи может быть больше, чем у эпоксидов, отверждаемых без участия раство-
рителя. Это определяет их повышенную пластичность и вязкость разрушения.

3.13. ФЕНОЛЬНЫЕ СМОЛЫ

Фенольные смолы были первыми синтетическими термореактив-
ными материалами, получившими название «бакелит». Они продолжают зани-
мать заметное место среди реактопластов, что объясняется их негорючестью,
причем их роль возрастает. Стоимость фенольных смол на 10—15% выше, чем
полиэфирных.

Из неармированных фенольных смол в течение десятилетий изготавливают
электровыключатели, детали бытовых приборов, ручки для кухонной посуды.
Из-за высокой плотности сшивок фенольные смолы хрупкие и сильно усажива-
ются при отверждении. Для уменьшения усадки и снижения хрупкости в них
добавляют опилки и тальк. Добавляют также красители. Самый распространен-
ный из них — сажа, и поэтому детали из фенольных смол часто имеют черный
Цвет, как, например, ручки кухонных сковород. Для склеивания слоев фанеры
цвет смолы значения не имеет, и в этом случае красители не используют.

Фенольные смолы плохо горят и имеют низкую теплопроводность, высо-
кую термостойкость, высокое электрическое сопротивление, стойкость к дей-
ствию растворителей и хорошую адгезионную способность. Несмотря на это, в
волокнистых композитах они используются намного реже по i )ных, эпок
сидных и винилэфирных смол. Это объясняется выделением воды при полиме-
ризации. Однако их использование расширяется, особенно в транспортных
средствах. Растущий спрос стимулировал работы по упрощению техно югии
формования фенольных композитов.

3.13.1. Структура

Фенольные смолы получают в реакции фенола и формальдегида
(рис. 3.I9) Фенольное кольцо имеет три активных атома. Каждый из них мо-
жет взаимодействовать с формальдегидом, связывая фенольные кольца угле
родным мостиком. Реакционно-активные атомы фенольного кольца реагиру
с двумя или тремя другими кольцами, что приводит к созданию плотной трех
мерной сетки.

Рис. 3.19. Поперечная сшив-
ка фенольной смолы, в ре-
зультате чего образуется трех-
мерно-сшитая сетка

3.13.2. Отверждение

Поперечную сшивку осуществляют двумя способами, допускаю-
щими прерывание отверждения и получение препрега. Первый способ состо-
ит в реакции в растворе щелочи, когда концентрация формальдегида намного
выше, чем фенола. В результате получают жидкий резол. Это линейный по-
лимер. состоящий из ароматических колец, соединенных углеродными мос-
тиками. Резол можно сшить, нагрев его до 150 °C. Для сшивания не требуются
добавки. Недоотвержденный резол представляет собой вязкую, растворимую
в воде жидкость. При пропитке волокон в резол вводят катализатор, сокра-
щающий время отверждения. При необходимости отверждение может проис-
ходить даже со скоростью, достаточной для пултрузии. При намотке, требую-
щей большого времени гелеобразования, лучше использовать катализатор,
активируемый при нагревании.

Второй способ прерывания отверждения предполагает избыток фенола. Э и
условия противоположны условиям получения резолов. Получаемый материал,
называемый новолаком, является несшитым полимером, который после обез-
воживания имеет вид порошка. Для сшивания новолака требуется отвердите
Самый распространенный — гексаметилентетрамин. Он активируется при на
гревании, и новолаки обычно формуют при высокой температуре поддавлени
ем. В композитах новолаки применяют редко из-за своей порошкообразно
формы. Для получения композита новолак растворяют в воде или спирте (на
пример, этиловом). При сшивании растворитель нужно удалять.

Основной недостаток фенольных смол состоит в образовании воды к
побочного продукта реакции отверждения (в реакции поликонденсации).
приводит к пористости материала. Чтобы ее удалить, при горячем прессов^
пресс-форму слегка приоткрывают, выпуская водяной пар. Для снижения
? /.?. Фено 1ыи ic мо 1Ы

ристости фенольные смолы отверждают в две сталии. Сначала О1вержлсиие
проводят при температуре ниже температуры кипения волы, а татем деталь
доотверждают при icMiiepaiype примерно 160 °C в течение нескольких часов
(в зависимости от толщины деыли). В композитах фенольные смолы исполь-
зуют, если нельзя испольювагь друше матрицы.

3.13.3. Свойства

Фенольные смолы имеют хорошую химическую стойкость благо-
даря ароматической природе и высокой конпентрапии поперечных сшивок
Они стоики к действию спиртов, тфиров, хлорированных углеводородов, бен-'
зола, минеральных масел и жиров. Стойкость к слабым кислотам и основани-
ям также довольно высока, но они не выдерживают сильных кислот щелочей
и кипячения в воде. Их стойкость к действию УФ-имучения ниша, как и v
других ароматических полимеров. Недостаток фенольных смол таключается
также в хрупкости и невысокой прочности.

Ми, допускаю-
i способ состо-
1егида намного
линейный по-
гродными мос-
я не требуются
к растворимую
шзатор, сокра-
е может проис-
мотке, требую-
сь катализатор,

jroK фенола

. Эти

емыи

матери^'

обеЗ'

3.13.3.1. Горючесть

Важнейшим достоинством армированных пластиков на основе фе-
нольных смол является низкая горючесть и малое выделение дыма, которых
при использовании других смол добиться почти невозможно. Рост применения
фенольных смол обусловлен ужесточением противопожарных правил, особен-
но на общественном транспорте. Самовозгорание фенольной смолы происхо-
дит лишь при температуре 600 °C. Горючесть пластиков и композитов характе-
ризуют кислородным индексом (КИ), оптической плотностью дыма и его ток-
сичностью.

Кислородный индекс представляет собой минимальное объемное процент-
ное содержание кислорода в смеси кислород/азот, которое необходимо для
поддержания горения полимера (табл. 3.3). Для его оценки поджигают верхний
конец бруска полимера шириной примерно Ю мм и длиной 100 мм и опреде-
ляют такую концентрацию кислорода в смеси, при которой смесь выделяю-
щихся газов позволяет пламени гореть в течение 3 мин или распространяться
по полоске на длину 50 мм.

отверг
ируется при на-
Ре под да влени-
^Рошкообразной
или спирте (на-

гь.

вании воды
рденсации)-
нем прессован!111
ля снижения

Таблица 3.3. Кислородный индекс различных пол мерой

Maiepnajj КИ, °с Материал КИ, со
Полиэтилен 17,4 Пол и карбона! 22—28
Полипропилен 17,4 Не11ласти(|)И1Шрованиый ПВ\ 45-49
11олистирол 17,8 Пол И И МИД 37
Полиэтилен гереф| ала i 20 (реполиная смола 40-49
Дополнительным достоинством фенольных смол является низкая стоимость
Фенольные смолы (см. рис. 3.19) состоят из большого количества бензольных
колец, образующих трехмерную структуру и обеспечивающих материалу низ-
кую горючесть. Плохая горючесть ароматических материалов обусловлена их
малым испарением. Кроме того, поперечно-сшитые ароматические соедине-
ния в условиях ограниченного доступа кислорода проявляют тенденцию к об-
разованию кокса, который еще более огнестоек, чем фенольная смола. Кокс
тормозит горение и не требует гало ген содержащих добавок. Дым от горения
фенольной смолы имеет темный цвет, образуется медленно и состоит из срав-
нительно безвредных углеводородов. Он не содержит галогенов, образующих
плотный удушливый дым.

3.13.4. Применение

Вследствие низкой горючести фенольные композиты используют в
пассажирском транспорте, например в панелях потолка и стен железнодорож-
ных вагонов. Они являются лучшим материалом для изготовления боковых
панелей и пола салонов самолетов, железнодорожных поездов и других транс-
портных средств. Из углепластика на основе фенольной смолы делают выхлоп-
ные сопла ракет. В сопле под действием температуры (до 3300 °C) фенольная
смола постепенно разлагается, обугливается и уносится раскаленными вых-
лопными газами. При армировании углеродными волокнами абляция материа-
ла замедляется. По мере уноса кокса обнажаются новые слои композита, кото-
рые также обугливаются. Ракетные сопла конструируют так, чтобы толщины
фенольного углепластика хватает на весь срок горения.

Высокая плотность сшивок ограничивает ползучесть композитов. В компо-
зиты на основе других смол для ограничения ползучести иногда запрессовыва-
ют металлические вставки, но в случае фенольных матриц это не требуется.
Разработка ударопрочных фенольных композитов еще больше расширит их
использование в автомобилях, где они вытесняют металлы. Применение фе-
нольных композитов растет и в палубных покрытиях морских нефтедобываю-
щих платформ. Стеклопластик на основе фенольной смолы выдерживает крат-
ковременный прямой контакте пламенем. Он имеет низкую теплопроводность
и хорошую химостойкость.

3.14. УГЛЕРОД—УГЛЕРОДНЫЕ КОМПОЗИТЫ

Композиты углерод—углерод по технологии изготовления значи
тельно отличаются от всех других композитов. Для получения углеродной маТ
рицы берется какой-либо полимер, который при нагревании превращается в
углеродный материал. Для этого подходит любая смола с высоким содержани
ем углерода. Чаще всего используют фенольную смолу, но изредка берут не
фтяной пек, остающийся после перегонки нефти.
Налу ]
°в-пен

пых

а Их
СоеДиНе
цик> к об.
°Ла- Кокс
>Т г°РенИя
1Т Из сРав.
>РазУющИх

пользуют в
“знодорож-
4Я боковых
угих транс-
ют выхлоп-
фен ольная
шыми вых-
ия материа-
озита, кото-
^ы толщины

Композиты }Г ерод углерод имеют высокую термостойкость. Из них из-
готавливают искрогасители, трубопроводы и выхлопные системы, камеры сго-
рания и турбины. В двигателях внутреннего сгорания их применяют в поршнях
и других термостойких деталях. Малый вес и меньший износ при трении обес-
печивают им преимущество над металлами. Пламя может приводить к окисле-
нию композита, а в присутствии кислорода и к горению. Окисление предотв-
ращают с помощью покрытия из карбида кремния. Стойкость к окислению
можно снизить антиоксидантами.

Углерод—углеродные композиты используют в носовых обтекателях и со-
плах ракет. Если композиты с фенольной матрицей при контакте с раскален-
ными газами эродируют, то композиты углерод—углерод ей почти не подвер-
жены. Их широко применяют в тормозных парах самолетов, грузовиков и до-
рогих легковых автомобилей. Это основано на высокой термостойкости и малом
износе композита. Важное значение имеет также их высокая теплоемкость,
рекордная для всех существующих конструкционных материалов. Главным не-
достатком углерод—углеродных композитов является высокая стоимость, что
обусловлено длительностью производственного процесса. Поэтому их исполь-
зуют, если цена не имеет первостепенного значения.

эв. В компо-
.прессовы Ba-
te требуется
эасширит их
менение Фе'
фтедобываю-
>живает кР®
эпроводност

чИ'

зления

1М с

одеР
берУ"

3.14.1. Производство

Процесс начинается с размещения волокнистой заготовки из уг-
леродных волокон в форме, которую волокна заполняют почти целиком. После
этого заготовку пропитывают жидкой фенольной смолой и пиролизуют. Пи-
ролиз проводят при температуре 1000—1500 °C в отсутствие кислорода возду-
ха. При пиролизе газообразные кислород, водород и других элементы улета-
ют, и смола превращается в почти чистый углерод. В результате возникает
пористая структура. Если прервать процесс на этой стадии, материал будет
иметь высокую термостойкость, но низкие механические свойства из-за сво-
ей пористости.

Для уменьшения пористости материал повторно пропитывают фенольной
смолой. Композит погружают в жидкую смолу, и она постепенно заполняет
поры. Этот процесс можно ускорить с помощью давления. Однако даже под
Давлением это занимает от нескольких дней до нескольких недель. Смолу вновь
пиролизуют, что снова приводит к образованию пор. Пропитку и пиролиз по-
вторяют несколько раз. После этого материал подвергают термообработке при
температуре около 2500 С.

На поверхность композита иногда наносят керамическое покрытие, пре-
дотвращающее окисление. Наконец, ею шлифуют, обрезаю! и сверлят мон-
тажные отверстия. Процесс изготовления композта занимает несколько не-
дель, а в отдельных случаях и до шести месяцев.

Поскольку композиты у!лерод—углерод эксплуатируются при высокой тем-
пературе, первостепенное значение имеют их характеристики при повышен-
ных температурах. На рис. 3.20 приведены зависимости прочности при растя

едка
жении и сжатии от температуры. На рис. 3.21 приведена аналогичная зависи-
мость модуля упругости. Рост температуры приводи к небольшому снижению
модуля упругости материала. Прочность возрастает благодаря снижению кон-
центрации напряжения вблизи дефектов при повышенных температурах

Рис. 3.20. Зависимости прочности при рас-
тяжении и при сжатии композита углерод—
углерод от температуры

Рис. 3.21. Зависимость модуля упругости
композита углерод—углерод от температуры

3.15. ПОЛИИМИДЫ

Полиимиды являются наиболее термостойкими из всех современ-
ных полимеров, используемых в композиционных материалах. При температу-
рах до 315 С срок их службы очень большой, причем допускается краткосроч-
ное нагревание до 480 С. В волокнистых композитах полиимиды используют в
качестве термостойких матриц. Существуют как термопластичные, так и тер-
мореактивные полиимиды.

Имидная группа

Структура полиимида

Рис. 3.22. Имидная группа и ее
включение в структуру подимФ

На рис. 3.22 схематически показана имидная группа. Она представляв
собой кольцевую структуру, содержащую а юг и две карбонильные грУ^14
(атом углерода, соединенный двойной снятью с атомом кислорода). Это
ткая плоская структура, имеющая лишь несколько связей, способных к вну
реннему вращению. Все святи в ней прочные, что определяет термостойка1
'°1ИЧНаЯ Зйь
'"““У сн„>4
' СН"*еНИщ Ч
МпеРатур^ Ч.

ть модуля упругости
лерод от температуры

из всех современ-
ах. При температу
кается краткосроч
МИДЫ используют в
•тичные, так и тер

3 15. Полиимиды

полимера. Имидная группа может быть встроена в полимерную пень, как
показано на рис. 3.22.

В настоящее время в волокнистых композитах наиболее широко использу-
ются два типа полиимидных смол — так называемые полиимиды с концевыми
колпачками и бисмалеимиды. Полиимиды с концевыми колпачками в США
производятся под торговой маркой PMR-15. Количество мономерных звеньев
обычно варьируется от двух до четырех. Это дает молекулярную массу, равную
примерно 1500. Как и другие полиимиды, PMR-15 отверждается сравнительно
медленно. Другой недостаток полиимидов заключается в необходимости испочь-
зовать растворитель, который удаляют при отверждении. Для этого отверждение
проводят в вакууме, обычно в автоклаве. Используют и альтернативный двухста-
дийный способ отверждения, позволяющий легко удалить растворитель. Заго-
товку получают укладкой препрегов. Растворитель удаляют, выдерживая заго-
товку в печи в течение 1—2 ч при температуре от 75 до 200 °C Затем заготовку
помещают в пресс-форму и отверждают при 320 °C. Отверждение длится от
нескольких минут в случае мелких деталей до нескольких часов в случае дета-
лей значительной толщины.

Алифатический характер полимера приводит к невысокой стойкости ма-
териала к окислению при высокой температуре. Кроме того, вследствие вы-
сокой плотности сшивок материал весьма хрупок. Ввиду этого продолжается
дальнейшая разработка полиимидов. Выбор молекулярной массы 1500 для
PMR является компромиссом. Более высокая молекулярная масса обеспечи-
вает прочность и пластичность полимера, но температура стеклования при
этом начинает превышать температуру отверждения. Технологическое «окно»
отверждения составляет 250—270 °C. Снижение молекулярной массы улучша-
ет качество пропитки, но материал становится более хрупким из-за возраста-
ния плотности сшивок.

Полиимиды используют в качестве подшипников и герметиков в условиях
высоких температур. Из них изготавливают трубопроводы и лопасти двигате-
лей, а также пожаростойкие перегородки истребителей. Термос ойкость поли-
имидов определяет их применение в корпусах сверхзвуковых самолетов, а так-
же в хвостовом оперении и обтекателях управляемых ракет. Необходимость
термостойких полиимидов в корпусах сверхзвуковых самолетов обусловлена
тем, что при адиабатическом сжатии воздуха на кромках крыла и ipy х высту-
пающих частях самолета по законам фишки повышается температура.

103

3.15.1. Бисмалеимиды

Имидная
е в стрУкТУ^^

Она преД^у^

обонильну6

Бисмалеимидные смолы имеют более высокую сiойкость к окис-
лению при повышенной темпера гуре и лучшую термос гой кость во влажных
Условиях, чем эпоксидные смолы. Опи технологичнее других полиимидов, и их
используют как при ручной выкладке, гак и при автоматизированных методах
изготовления, например при намотке, пултрузии, инжекции матрицы и ваку-
умформовании препрегов.

зяет
Структура бисмалеимидной смолы представлена на рис. 3.23. Она содерАи
два малеиновых кольца с двойной С=С-связью, которая раскрывается и обес-
печивает поперечное сшивание. Для сшивания смолу нагревают. Из-за невьь
сокой молекулярной массы олигомера плотность сшивок высока, и полимер
оказывается сравнительно хрупким.

Рис. 3.23. Структура бисмалеимидной смолы. Стрелками показаны двойные С=С-связи

Имеется несколько способов повышения пластичности бисмалеимида. Пер-
вый заключается в удлинении олигомерной цепи благодаря реакции с метилен-
диамином. Другой состоит в реакции бисмалеимидного олигомера с реагентом,
обеспечивающим пластичность материала, таким как диаллилбисфенол А. Эти
методы позволяют получать бисмалеимидные смолы, легко отверждаемые при
температуре 120 °C. Для улучшения свойств полимер доотверждают при темпе-
ратуре около 250 °C. Температура стеклования Г бисмалеимида после термо-
обработки в течение 6 ч может достигать 300 °C. Это намного выше 7^ эпоксид-
ных смол, что определяет применение бисмалеимидов в деталях сверхзвуковых
самолетов и выхлопной системе автомобилей Формулы-1.

3.16. ЦИАНАТЫ

Цианаты — еще одна группа термостойких смол. По термостойко-
сти они уступают бисмалеимидным смолам, но имеют превосходные диэлект-
рические характеристики и низкое влагопоглощение. Их используют для изго-
товления обтекателей радиолокационных антенн, композитов для авиации
космических аппаратов. Чтобы смола не поглощала электрические волны и
электроника не перегревалась, требуются смолы с низким показателем диэлек-
трических потерь. Цианаты имеют наименьшие диэлектрические потери среДи
всех термореактивных смол. Лучшие показатели имеют только пол и тетрафтор
этилен (ПТФЭ) и полиэтилен.

Структура цианатэфира представлена на рис. 3.24. Углерод-азотное колы!0’
как и бензольное, имеет высокую жесткость и прочность. Низкие диэлек Р11
ческие потери цианатов обусловлены симметричным расположением отриИ‘
тельно заряженных атомов кислорода и азота, что обеспечивает очень маД
дипольный момент молекулы. При армировании цианатов полиэтиленовым1
или политеграфгорэтиленовыми волокнами показатель диэлектрических
терь еще ниже.
При производстве эфиров циановой кислоты не используются легколету-
чие растворители, и даже в вакууме они не выделяют газов. Это представляет
особую ценность для космической промышленности. Кроме того, плотность
цианатов несколько ниже, чем эпоксидов, что дает выигрыш в весе.

1°йные С=с
----------

^алеимида. Пер.
кции с метилен-
ера с реагентом
>исфенол А. Эти
верждаемые пр-
дают при темпе-
[да после термо-
ыше 7^ эпоксид-
IX сверхзвуков^

3.17. ПОЛИУРЕТАНЫ

В последнее время появились стеклопластики на основе полиуре-
тановых матриц. Полиуретанам присуща высокая деформативность, и поэтому
они обладают потенциалом использования в панелях автомобильных кузовов.
Их дополнительным преимуществом является быстрота отверждения.

Синтез полиуретана происходит путем соединения двух мономеров, каж-
дый из которых имеет по меньшей мере две активные группы. Уретановая связь
образуется в результате взаимодействия многоатомного спирта с диизоциана-
том (рис. 3.25). При этом не выделяется вода. Для полимеризации требуется по
меньшей мере две активные ОН-группы. Если имеется три такие группы, обра-
зуются поперечные сшивки. На рис. 3.25 показан мономер многоатомного спирта
с двумя концевыми ОН-группами. Промежуточные группы могут быть алифа-
тическими, ароматическими или смешанными.

В реакции участвует также изоцианат, имеющий NCO-группу с двойной
C==:N-связью (см. рис. 3.25). Для полимеризации мономер должен иметь как
„ I и их свойства
Г,а«а 3. MWW “

С*1

ПР"

«1*, "а

^Применение ПОЛИУГ
используют сорта

ЧЧХСУЮЛ.

Имеется два недос
выделение токсичного
Рачительна: Вторая
6"Жрах полиурета

ВаШйшими ено!

2""'

ЯВЛЯЮТСЯ б
м5°ГИческих

,хЛСП0Собст

ст м

.. ,е группы Химические соединения с двумя изоцИа,
минимума<,КТИ ''тся диизоцианатами. При реакции водород '
ми группами назыв. с адатом изоцианата, а кислород мцОгоа "аЧ.

Диизоцианат

НО

но—| г ’—'х

Многоатомный спирт

Рис 3.25. Образование уретановой связи

Многоатомный спирт в изоцианате играет роль, аналогичную отвердителю
в эпоксидной смоле. На концах эпоксидных молекул имеются эпоксидные груп.
пы что аналогично ОН-группам на концах многоатомных спиртов. В эпокси-

# 1 не г*'

де и M° - -pe

qlll 10
np"

дах между эпоксидными кольцами могут располагаться различные химические
группы. Аналогично, между ОН-группами многоатомного эфира может распо-
лагаться множество других групп. Разнообразие промежуточных групп между
активными концами определяет потенциальное многообразие полиуретанов

В многоатомных спиртах между активными концами могут располагаться
самые разные группы, но реально в полиуретанах используются относительно
короткие эфирные группы и сложные эфирные группы. Полиуретаны на осно-
ве сложных эфиров гибче полиуретанов на основе эфиров. Из полиуретанов на
основе сложных эфиров получают пенопласты.

Обычно между изоцианатными концами располагаются крупные арома-
тические группы. Примерами диизоцианатов являются толуолди изоцианат и
ме- илендифенилцианат. Метилендифенилцианат имеет более темную окрас-

ку и менее стоек к окислению и УФ-излучению, чем диизоцианат. Стойкость
к УФ-свету и пластичность можно повысить алифатическим диизоцианатом
Превосходная атмосферостоикость и стойкость к УФ-излучению свойственны

также триизоцианату.

При хранении и использовании изоцианатов следует соблюдать крийн
торожность. Они токсичны и вызывают нарушение дыхания.

ЫСТро РеагиРУют с водой, выделяя большое количество тепла.
Много Ые СПИРТЫ и из°иианатные мономеры обычно являются жиДк°сТ, .
натной ТрМНЫИ СПИрт и из°иианат реагируют почти мгновенно даже при
инжекции смлЗТУРе’ И ПОЭТОмУ их используют для инжекции матриц
И смесь вводят^' ЖИДКИХ компонента закачивают в смесительную Ю
образуется внутпиаКРЫТУЮ пресс’Ф°РмУ с волокнистой заготовкой.

внутри пресс-формы. Давление может быть невысоким, и
Ичную отвердите;,
‘я эпоксидные груп
спиртов. В ЭПОКСИ-
яичные химически:
>фира может расг
энных групп меж.
зие полиуретанов,
югут располагать^
^кэтся относительна
лиуретаны на осн
Из'подиуретанов'-

можно использовать недорогие пресс-формы. После отверждения полиуретана
деталь извлекают. Этот процесс легко проходит в условиях изоляции от окру-
жающей среды и легко автоматизируется. Композиты на основе полиуретано-
вой матрицы можно формовать прессованием, инжекцией матрицы, литьем
под давлением, напылением и ручной выкладкой.

3.17.1 . Свойства и применение

Главное преимущество полиуретана — его эластичность. Деформа-
ция при разрыве стеклопластика на основе полиэфирной матрицы при концен-
трации волокон 55 % не превышает 5 %, в то время как при использовании
полиуретановой матрицы она может достигать 50 %. Полиуретаны могут быть
как гибкими, так и весьма жесткими. Некоторые сорта армированного полиуре-
тана имеют удлинение 600 % и считаются эластомерами. Прочность полиурета-
нов при растяжении достигает 15—50 МПа. Некоторые полиуретаны остаются
эластичными и могут эксплуатироваться при температурах ниже —30 °C. Полиуре-
таны имеют лучшую адгезию, чем полиэфиры. Это является достоинством при
склеивании деталей. При формовании полиуретана легко получить высококаче-
ственную ровную поверхность, что важно в автомобильной промышленности.

Износостойкость армированных полиуретанов намного выше, чем у боль-
шинства других полимеров. По этой причине их используют в спортивной обу-
ви. Применение полиуретанов ограничивается высокой стоимостью. В компо-
зитах используют сорта полиуретана, которые на 10—20% дороже полиэфир-
ных смол.

Имеется два недостатка, связанных с горением полиуретанов. Первый —
выделение токсичного газа HCN, хотя его концентрация в продуктах горения и
незначительна. Вторая проблема — недостаточное количество атомов кислорода
в молекулах полиуретана, что может приводить к образованию угарного газа СО.

Важнейшими свойствами полиуретанов являются гибкость, стойкость к
истиранию и хорошая адгезионная способность. Технологическими преиму-
ществами являются быстрое отверждение, возможность применения уникаль-
ных технологических процессов, а также отсутствие растворителей и сореаген-
тов. Все это способствует расширению их применения. Полиуретан применяют
в качестве вакуумных листов при вакуумформовании. Его напыляют на деталь,
в результате чего получается сплошной слой. Напыленный полиуретановый
вакуумный лист может использоваться повторно.

3.18. КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ

Кремнийорганические полимеры используют при производстве
композитов уже давно Например, в качестве антиадгезионной смазки, облег-
чающей выемку изделий из пресс-форм. Их применяют и в качестве матрицы
в композиционных материалах. Например, из стеклопластика с кремнийорга-
нической матрицей делают электроплиты. Кремнииорганические смолы тер_
мостойки, стойки к электрическому пробою, плохо горят и неэлектропровод.
ны. Их недостатками являются длительность отверждения, высокая стоимость
и чувствительность к растворителям, например ацетону, толуолу и тетрахлор.

метану.

Рис. 3.26. Структура
кремнийорганичес-
кого полимера

Структура кремнийорганических соединений приведе-
на на рис. 3.26. Они имеют полимерную структуру на осно-
ве чередующихся атомов кремния и кислорода, в которую
включены небольшие боковые органические группы, свя-
занные с атомами кремния. Это очень широкий класс по-
лимеров. В зависимости от структуры кремнииорганика
может принимать форму масел, каучуков и смол, использу-
емых для производства композитов.

Антиадгезив предотвращает слипание пресс-формы и
детали. Его наносят на поверхность пресс-формы, после

чего укладывают композиционный материал. Помимо кремнийорганики, в ка-
честве антиадгезива используют парафин, поливиниловыи спирт, фторполиме

ры и другие вещества.

Кремнийорганические масла имеют до тысячи звеньев. Короткоцепные
олигомеры при комнатной температуре обычно являются жидкостями. Когда
количество звеньев приближается к 1000, они становятся пастообразными.

Некоторые кремнийорганические смазки получают смешиванием кремнийор-

ганического масла с короткоцепными жироподобными загустителями Их дис-

пергируют в воде и используют для придания водоотталкивающих свойств из-

делиям из кожи.

Кремнийорганические антиадгезивы часто наносят напылением в аэрозоль-
ном виде. Аэрозоль не должен попадать на слои препрега, поскольку это при-
водит к расслаиванию композита. Чтобы исключить попадание антиадгезива в
композит, нужно исключить попадание аэрозольной кремнийорганики в вен-
тиляционную систему.

Кремнийорганику применяют для антиадгезионной обработки пресс-форм
и в жидком виде. Она устойчива к окислению и термическому разложению
служит дольше других антиадгезивов и из-за низкого поверхностного натяже-
ния легко наносится на поверхность формы.

В противоположность антиадгезивам аппреты обеспечивают адгезионную
связь матрицы и волокон. Силановые аппреты (мономерная форма кремний-
органики) уже несколько десятилетий используют в качестве аппрета в стекло-
пластиках, где они обеспечивают не только адгезионную связь, но и влагосто
кость стеклопластика. При отсутствии аппрета во влажных условиях волоки
быстро отслаиваются от матрицы. Силановые аппреты наносят на стеклово
локна при их производстве

Силановы аппреты имеют два типа реакционно-способных концевых груй
первый из которых образует химическую связь с полимером, а второй ""
волокном Улучшение адгезии аппретом особенно заметно при воздействия н

композит в
чИваются v

Одни bj
ками, а ДРУ
ны придип:
нению с
-65 до +26
хорошей ат
и низкой з
клеев и гер
аппретом.
Кремнийор
Они дорож

ИЗГОТО1
нийоргани!
простота и:
можность Е
при высокс
ют в виде о
сти детали,
верждаемо!

Из ГОТО!
жна быть ч
внутренню
смолу смен
вают и откс
Отвержден
пресс-фор!\
ее долгове^

Из ГОТО!
нения крем
возможное
стадии отв<
вакуумный
Тавливаему
-иокн истый
в Печь и от

Исполь
^еМя подг
U До юо р
Исключень

герщел
“Ь,х л ИСТО.
*есткие и
СМ°ЛЫ
:ектропп>

Кая <4
у" <>

^Ор,

,нений п
№уру »»"'?
'Р°Да, в к ^о-
;ие группы ?
РРТИЙ «,'*
Ремнийорганика
1 смол, использу.

пресс-формы и
сс-формы, после
неорганики, в ка-
лрт, фторполиме-

Короткоцепные
тдкостями. Когда
п астообразными.
нием кремнийор-
отелями. Ихдмс-
юших свойств ИЗ-

ением в аэрозоль-
ос КОЛЬКУ ЭТО пр
ше антиадгези^

ботки npe^i
«эму Pa3J1 * 0е-

композит воды или растворителей. При наличии аппрета волокна лучше сма-
чиваются матрицей.

Одни виды кремнийорганики превосходно служат антиадгезионными смаз-
ками, а другие относятся к самым липким материалам (например, они способ-
ны прилипать к тефлону под водой). Преимущества кремнийорганики по срав-
нению с другими клеями заключаются в их термостойкости (в диапазоне от
—65 до +260 С), стойкости к действию щелочей, кислот, масел, растворителей,
хорошей атмосферостойкости (они сохраняют свойства на протяжении 20 лет)
и низкой электропроводности. Кремнийорганика прекрасно выполняет роль
клеев и герметиков по тем же причинам, по которым она является хорошим
аппретом. В частности, она клеит композит с неорганическими материалами.
Кремнийорганические клеи наносят на чистую подготовленную поверхность.
Они дороже эпоксидных клеев, но служат в самых суровых условиях.

Изготовление гибких пресс-форм — еще одна сфера использования крем-
нийорганики. К преимуществам кремнийорганических пресс-форм относятся
простота изготовления и низкая стоимость. Ее недостатками являются невоз-
можность выдержать строгие требования к размерам детали и деформирование
при высоком давлении. Компоненты кремнийорганического каучука поставля-
ют в виде олигомерной смолы и отвердителя. Выбор смолы зависит от сложно-
сти детали, наличия поднутрений и совместимости с матрицей композита, от-
верждаемой в гибкой пресс-форме.

Изготовление пресс-формы начинается с подготовки модели, которая дол-
жна быть чистой и сухой. Ее устанавливают на дне жесткого короба. Модель и
внутреннюю поверхность короба обрабатывают антиадгезивом. После этого
смолу смешивают с отвердителем и заливают в короб с моделью, короб закры-
вают и откачивают воздух. Иногда смесь перед заливкой в форму вакуумируют.
Отверждение проводят при комнатной или повышенной температуре. Готовую
пресс-форму отделяют от модели и наносят защитное покрытие, повышающее
ее долговечность.

Изготовление многоразовых вакуумных листов — еще одна область приме-
нения кремнийорганики. Высокопрочные композиты должны иметь минимально
возможное содержание пор. Это требует вакуумирования уже на начальной
стадии отверждения и прессующего давления на поздних стадиях отверждения.
Вакуумный лист представляет собой герметичную пленку, закрывающую изго-
тавливаемую деталь. Между композитом и вакуумным листом укладывают во-
локнистый материал, поглощающий излишек смолы. Затем систему помешают
в печь и отверждают.

Использование кремпийорганической пленки вместо нейлона сокращает
время подготовки вакуумной системы. Кроме гого, ее можно использовать от
30 До 100 раз. Разрывы кремнийорганического вакуумного листа практически
исключены (что бывает с нейлоновыми листами). Повреждения листа устрани-
КУ1 герметиком. Преимущества многоразовых кремнийорганических вакуум-
ных листов еще очевиднее при высоких температурах, когда ими заменяют
Жесткие и дорогие полиимидные пленки.
3.19. ДИЦИКЛОПЕНТАДИЕН

Рис. 3.27. Дицикло-
пентадиен

Преимущества дициклопентадиена (ДЦПД) состоят в пониженном
вязкости течения и химической стойкости по сравнению с ненасыщенными поли-
эфирами ДЦПД уже давно используют в качестве добавки к полиэфирным см0.
лам. В полиэфирах дициклопентадиен взаимодействует с малеиновой кислотой
повышая Т и ускоряя отверждение Низкая вязкость ДЦПД позг Уменьшить
количество стирола, что снижает степень усадки. В последнее время его начади
применять и в качестве матрицы в композитных коррозионно стойких трубах

Структура молекулы ДЦПД показана на рис. 3.27. Поли-
меризация начинается с размыкания шестиатомного кольца
содержащего двойную С—С-связь. Это приводит к образова-
нию линейного полимера, в котором ди циклопентадиен пред-
ставляет собой сложную боковую группу. Главная полимер-
ная цепь включает активные С—С-связи. Для полимериза-
ции ДЦПД используют металлорганический катализатор на
основе рутения. Так как при отверждении выделяется мно-
го тепла, требуется контроль температуры. Отверждение про-
текает с большой скоростью. Высокая активность смолы
обусловлена множеством реакционно-способных двойных
С=С-связей в двойном кольце и основной цепи, в результа-

те чего плотность поперечных сшивок оказывается весьма высокой. Несмотря на
это, полимер весьма пластичен благодаря отсутствию ароматики.

Особенностью ДЦПД является очень высокая реакционная способность.
Другими его преимуществами по сравнению с ненасыщенными полиэфирами
и сложными виниловыми эфирами являются более низкая вязкость (примерно
в 100 раз), жесткость, коррозионная стойкость и отсутствие стирола. Дицикло-
пентадиен используют в методе инжекции матрицы. Из-за его активности от-
падает необходимость в дорогом оборудовании, применяемом при инжекции
других матриц. Для работы с ДЦПД требуются простой смесительный сосуд,
насос для подачи смеси и средства контроля температуры в пресс-форме. Из-
за низкой вязкости смолы волокнистые заготовки пропитываются очень быст-
ро. ДЦПД может использоваться и при намотке, пултрузии и напылении
К недостаткам ДЦПД следует отнести увеличение вязкости со временем, ч о
объясняется постепенным окислением по двойным углеродным связям. Его
стойкость к окислению ниже, чем полиэфиров. Адгезия ДЦПД со стеклянны-
ми волокнами далека от оптимальной.

3.20. ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ МАТРИЦЫ

Общим недостатком термореактивных матриц является хрупкость
Этот недостаток проявляется особенно сильно в углепластиках вследствие ни}'
кого разрывного удлинения волокон. Поэтому технологам пришлось решагь
;;це^<5
ЛиэФирНы?Ч
"новой JM4
"ВДЯет »ме>.
'‘Р'мя «» «, '
:та“ки« ТЧЬ "
>а рис. 3.27 п
ат°многок2*
гг“н™иенпк
лавная подИмер.

Для полимеру
ии катализатора
1 выделяется мно-
Отверждение про-
лктивность смета
юсобных двойн
й цепи, в резуль.а-
экой. Несмотря!

шая способность
»1МИ полиэфира
икость (пример

го активности
ом при инжек^

ИИ и Н<1 п

дным ссте1^н‘
ПД с° сте

проблему пропитки волокон высоковязкими термопластами. Решение этой
проблемы стоило больших денег и потребовало принципиального изменения
всей технологии производства композитов. Сейчас применение термопластич-
ных матриц в волокнистых композитах быстро расширяется.

Изготовление деталей из термопластов основано на их плавлении при
нагревании. При охлаждении они твердеют. К сожалению, при увеличении
молекулярной массы увеличивается вязкость течения, что затрудняет про-
питку волокон. Кроме того, термопласты с высокой молекулярной массой
плохо растворяются, и выбор молекулярной массы термопласта является ком-
промиссом.

3.20.1. Термопластичные композиты широкого потребления

Деление композитов на высокопрочные и композиты широкого
потребления применимо и к термопластам. В термопластичных композитах
широкого потребления используются дешевые термопласты и короткие стек-
лянные волокна. Их формуют традиционными методами, разработанными для
неармированных термопластов. Например, литьем под давлением, экструзией
или термоформованием.

Полимер, краситель, УФ-стабилизатор и другие добавки смешивают в двух-
шнековом экструдере. Туда же вводят короткие волокна, и они перемешивают-
ся с расплавом полимера. В композитах широкого потребления используют
короткие волокна, выдерживающие переработку в экструдере и легко проходя-
щие сквозь выпускное отверстие. Из-за увеличения вязкости концентрация
волокон обычно не превышает 40 вес. %.

Оборудование для производства термопластичных композитов модифици-
ровано по сравнению с неармированными полимерами. Например, литьевые
каналы делаются более широкими. Волокна приводят к абразивному износу
металла на пути течения расплава, и оборудование нужно часто осматривать.

На рис. 3.28 и 3.29 приведены зависимости прочности при растяжении и
модуля упругости стеклопластика от объемной доли стеклянных волокон. При
30% волокон прочность при растяжении увеличивается на 90 % по сравнению
с неармированным полимером, а модуль упругости — на 350 %. Это вызвано
тем, что основную нагрузку несут именно волокна. Увеличение прочности и
модуля ynpyrociи зависит от типа полимера.

Однако даже при небольшой концентрации волокон резко уменьшается
Удлинение при разрыве. Ударная вязкость имеет минимум и в целом увеличи-
вается незначительно (при значительной концепграции волокон). При увели-
чении температуры прочность волокон почти не снижается, и поэтому при
ЭТ0м свойства армированных пластиков снижаются менее существенно, чем
НеаРмированн ых.

Термопласты часто армируют для повышения износостойкости. В случае
аРамидных волокон износостойкость многократно возрастает как по сравне-
нию с неармированной матрицей, так и со стеклопластиком. Например, введе-
-А» Гмваз-матРицыиихсв°иства

ние 20 % арамидных волокон приводит
нию скорости износа нейлона.

примерно к четырехкратному сниже-

Прочность при растяжении полипропилена

Рис. 3.29. Влияние содержания волокон
на модуль упругости полипропилена

Рис. 3.30. Влияние длины волокон
на прочность армированного по-
липропилена при растяжении

Прочность композита увеличивается при увеличении длины волокон (рис. 3.30).
Увеличение длины волокон от 0,2 до 75 мм позволяет повысить прочность
композита примерно на 25 %. Обычно короткие волокна смешивают с полиме"
ром в двухшнековом экструдере, но существует альтернативный способ, при
котором нить стекловолокон пропитывают расплавом термопласта, а затем пучоь
рубят на более длинные отрезки (3—5 мм), чем при смешении в экструДеРе‘
При формовании длина волокон не уменьшается, что обеспечивает более вы
сокие механические свойства, чем в случае коротких волокон. При дальней
шем увеличении длины волокон скорость улучшения роста свойств композита
замедляется. Для большинства полимеров оптимальная длина волокон состав
ляет примерно 75 мм. Если требуется еще большая длина волокон, приходится
использовать другие методы производства.
Сейчас постоянно растет производство полипропилена, армированною
непрерывными волокнами. Однонаправленные слои и ткани на основе стек-
лянных волокон и полипропилена производятся в виде рулонов. Главными
достоинствами таких стеклопластиков являются высокая ударная прочность,
низкая стоимость и простота формования. Из них изготавливают детали кор-
пуса автомобилей. Существенными недостатками армированных термоплас-
тов являются недостаточная термо тонкость и невысокая стойкость к дей-
ствию растворителей.

76 вес.

кания волокон
пропилена

3.20.2. Термостойкие матрицы

Вследствие высокой стоимости термостойкие термопластичные
матрицы используют только в высокопрочных и термостойких композитах.

3.20.2.1. Полиэфирэфиркетон

Наиболее широко используемым термостойким термопластом яв-
ляется полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), структура которого показана на рис. 3.31.
В нем ароматические группы: эфирная и кетонная. ПЭЭК плохо горит, имеет
низкую электропроводность, высокую стойкость к растворителям, прочность и
вязкость разрушения.

связи связь

ПЭК

Эфирная Кетонная

связь связь

длины
„рованног
растяжении

<ОН (РиС‘

ПРп°о>е
цот с пОб 0р*
1 сП°м>
, * 3aTeiepe
в ^ее &
iaeT бп^е>
ПРИ ^4^”
ств
,н.

Рис. 3.31. Химическая структура полиэфирэфиркетона (ПЭЭК) и потиэфиркетона (ПЭК)

В композитах ПЭЭК используют благодаря сочетанию термостойкое
относительной простоты переработки. По термостойкости ПЭЭК лишь немно-
го уступает полиимидам и полиарилимидам. Кроме того, ПЭ К обладает пре-
восходной стойкостью к растворителям и УФ-излучению, высокой трещи нес-
тойкостью и низкой горючестью.

По химической структуре и свойствам на него похож полиэфиркетон (ПЭК),
в котором имеется не две а одна эфирная связь (через агом кислорода). Другой
полимер этого семейства - полифениленэфир (ПФЭ) торговой марки «Noryl».
Регулярность расположения групп в цепи обеспечивает высокую степень кри-
еталличности полимера. Как следствие, полимер имеет высокую прочность и
м°ДУль упругости, а также стойкость к растворителям, диффузия которых че-
Рез плотные кристаллиты затруднена.
3.20.2.2. Полисульфон

Полисульфон (ПС) - это ароматический полимер, в котором часть
ароматических колеи связана атомами серы. На рис. 3.32 изображена структура
полисульфона. Другим серосодержащим полимером является полифениленсуль-
фид Эти полимеры перерабатываются плавлением. К наиболее распростра-
ненным полимерам этой группы относятся полисульфон марки «Udel», поли-
арилсульфон «Astrel», полиэфирсульфон «Radel» и полифениленсульфид «Ryton».

Полисульфон

СН3 о

СН3 О J„

Полифенилсульфид

Рис. 3.32. Химическая структура полисульфона и полифениленсульфида

3.20.2.3. Термопластичные полиимиды

Свойства термопластичных полиимидов похожи на свойства поли-
имидных реактопластов. А именно, они имеют хорошие механические свой-
ства, высокое электрическое сопротивление, превосходную стойкостью к дей-
ствию растворителей (некоторые из них устойчивы ко всем известным на се-
годняшний день растворителям) и низкую горючесть. Структура типичного
термопластичного полиимида изображена на рис. 3.33. Термопластичные по-
лиимиды плавятся при высокой температуре, что затрудняет их переработку.
Стойкость к растворителям не позволяет использовать растворители для про-
питки волокон.

I ис. 3.33. Структура термопластичною полиамида

Из полиимида торговой марки «Vespel» изготавливают втулки, стержни и
дру!ие детали, когда важна термостойкость в сочетании со стойкостью к Рл'
створигелям. Изделия получаю! спеканием порошка при температуре немного
ниже 1емпера!уры плавления. Спеченные термопласты, содержащие короткие
волокна и наполнители, формуют и подвергают механической обработке.

Сложность формования гермопластичных полиимидов инициировала и*
модификацию Разработан материал LARC-TP1 с гибкой полимерной цепь»-
юйства поли-
теские свой-
костью к дей-
хтным на се-
ра типичного
1астичные по-
: nepepa6oTKV
тели для ПР

СТег л0'
1КИ, ’ Ю

К°сТ че^с
Г aTVpe Не
р УХ х
а^.лот^ „ И’

что позволило снизить температуру плавления и перерабатывать полимер пу-
тем плавления, го используют в качестве матрицы в высокопрочных компо-
зитах, но делать изделия сложной формы из него трудно.

Другая модификация термопластичных полиимидов состоит в сочетании
имидных и амидных групп, в результате чего получают полиамидоимид (ПАИ).
Для придания пластичности в полимер включена амидная группа, играющая
роль мостика между ароматическими группами. ПАИ выпускают под торговой
маркой «Тог1оп». Этот полимер имеет наивысшую термостойкость из всех по-
лимеров, поддающихся переработке плавлением. Он сохраняет свои свойства
при температуре 260 С (7^ — 280 С) в течение длительного времени и поддает-
ся экструзии, литью под давлением и прессованию. Его можно армировать
волокнами.

Другим полимером, у которого между ароматическими группами имеются
связующие группы, является полиэфиримид (ПЭИ) торговой марки «Ultem».
В этом полимере модифицирующим звеном является простой эфир. Как и дру-
гие модифицированные полиимиды, ПЭИ термостоек, стоек к растворителям
и плохо горит. Его применяют в медицинской технике, поскольку он сохраняет
свои свойства после высокотемпературной стерилизации и может формоваться
литьем под давлением. ПЭИ дешевле других полиимидов.

Содержание стеклянных, арамидных и углеродных волокон в армирован-
ном ПЭИ может достигать 40 об. %. Для повышения износостойкости и сниже-
ния коэффициента трения в ПЭИ добавляют до 10 % политетрафторэтилена,
кремнийорганики или дисульфида молибдена. Из износостойких сортов ПЭИ
изготавливают зубчатые колеса, подшипники, золотники, кулачки и т. д.

Молекула полибензимидазола (ПБИ) близка к полиимидам, но имеет иной
состав пятикомпонентного кольца. На воздухе ПБИ не горит и до температу-
ры 538 °C почти не выделяет дыма. Он стоек к действию кислот, щелочей,
органических растворителей и горюче-смазочных материалов. Из ПБИ полу-
чают волокна, из которых делают огнестойкие перчатки, одежду пожарных и
Другое защитное снаряжение. Иногда на них наносят алюминиевое покры-
тие, повышающее термостойкость материала благодаря отражению теплового
ИК-изучения.

Температура стеклования ПБИ превышает 427 С. Формуется он плохо.
Изделие прессуют, а затем механически обрабатывают. Полибеншмидазол
применяют для изготовления прокладок, кольцевых уплотнителей и клапа-
нов. Он термостоек, имеет высокую прочность, твердость, низкий коэффи-
циент трения и низкий коэффициент теплового расширения. К нему не при-
кипают другие полимеры даже в расплавленном состоянии. Поэтому из ПБИ
изготавливают подшипники и прокладки, используемые при плавлении дру
ГИх термопластов.

В отличие от других термопластичных полиимидов ПБИ посывляется

Виде Раствора. Из него методом полива получают пленки и поверхностные
покрытия, а также используют в качестве герметика. ПБИ чувс1вшелен к по
ЛяРным растворителям и поглощает воду.
3.20.3. Жидкокристаллические полимеры

Жидкокристаллические (ЖК) полимеры обычно состоят из длин,
ных и жестких прямых молекул. При течении в фильерах они ориентируются.
В жидком состоянии при определенных температурах кристаллические зоны
превращаются в аморфные, что сопровождается резким падением их вязкости.
Поэтому ЖК-полимеры используют в качестве смазочных материалов с низкой
или высокой вязкостью (в зависимости от температуры). Жесткая линейная струю
тура звеньев облегчает ориентацию и обеспечивает высокую прочность ЖК-по-
лимеров. Примером являются арамидные волокна типа СВМ, русар, армос и
кевлар. Жесткость полиарамидов возрастает при увеличении степени Кристал-
личности, и поэтому производят несколько марок кевлара, различающихся
модулем упругости волокон.

Производятся различные виды матричных ЖК-полимеров. Наиболее рас-
пространенными являются «Vectra» и «Xydar». Их можно формовать из распла-
ва В твердом виде им свойственна высокая степень ориентации. Ароматичес-
кая природа этих материалов обусловливает их прочность, жесткость и термо-
стойкость. В целом ЖК-полимерам свойственны высокая трещиностойкость,
стойкость к растворителям и негорючесть.

3.20.4. Фторопласты

Полимеры, содержащие атомы фтора, называют фторопластами.
Они выделяются уникальными свойствами, связанными с высокой прочностью
С F-связи. Это обеспечивает высокую плотность фторопластов. Фторопласты
имеют высокую химическую стойкость и слабую адгезию к другим материалам
Плохая адгезия затрудняет их использование в качестве матриц. Однако добав-
ление фторполимеров к другим матрицам повышает стойкость к растворите-
лям, электрическое сопротивление, негорючесть и термостойкость без значи-
тельного ухудшения адгезии с волокнами.

Политетрафторэтилен Поливинилиденфторид

Рис. 3.34. Структура ПТФЭ и сопряженных полимеров

I I
If f]„

П оли гексафторп ропилен

Первым полученным фторопластом был политетрафторэтилен (ПТФЭ), из-
ГнТн^чеХТ МаРК°Й <<ТефЛ°Н» (РИС- 334> По химической структуре
Фтора Уник^ьной особеНУ’ В К°Т°РОМ аТ°МЫ ВОД0Р°^ вменены на атомы
?ия Поэтом^из него“ ПТФЭ является коэффициент тре-

елают подшипники военной техники В быту он ис-
i Из

1ичеСкРу%
м Их вя3?Нь'
Иалов c u
ИНейнаяс?
'Ность
РУсар,
аРМоСи

апени

азличающИХС!|

Наиболее рас.
>вать из распла-
и. Ароматичес-
гкость и термо-
диностойкость

с _А

Список литературы —’ I /•

пользуется в качестве антипригарного покрытия сковородок. ПТФЭ имеет мо-
лекулярную массу в несколько миллионов, и поэтому детали из него делают
прессованием порошка ПТФЭ при температуре несколько ниже температуры
плавления.

Впоследствии были разработаны фторполимеры с более низким содержа-
нием фтора, сохраняющие часть атомов водорода на атомах углерода основной
цепи. Поскольку ПТФЭ невозможно расплавить и формовать методами пере-
работки расплавов, был получен полигексафторпропилен (ПГФП). В ПГФП
один из атомов фтора заменен группой CF^, что обеспечивает ему большую
гибкость.

Впоследствии были разработаны фторполимеры с более низким содер-
жанием фтора, сохраняющие часть атомов водорода на атомах углерода. Наи-
более известный из них, поливинилиденфторид (ПВДФ), имеет по два ато-
ма фтора и по два атома водорода на углеродном звене основной цепи (см.
рис. 3.34). Он выпускается под торговой маркой «Купаг» фирмой «Atofina».
Этот полимер имеет электретные свойства. В композитах его используют в
качестве добавки, улучшающей химическую стойкость других матричных по-
лимеров. Подобно другим фторполимерам, ПВДФ обладает превосходной
огнестойкостью, высоким электрическим сопротивлением и низким коэф-
фициентом трения.

фторопластами
кой прочностью
)В. Фтороплз0™
гим материалам
. Однако добаь
гь К раствор^'
Кез зна<

кость без J

F Jrt
эрпро^леН

|ЛХ

Список литературы

1. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные материа-
лы. — СПб.: Издательство НОТ, 2009.

2. Михайлин Ю.А. Специальные полимерные композиционные материалы. —
СПб.: НОТ, 2009.

3. Strong А.В. Fundamentals of Composite Manufacturing. Materials, Metrhods and
Applications. SME, 2008.

4. Баженов С.Л., Берлин A.A., Кульков А.А., Ошмян В.Г. Полимерные композицион-
ные материалы. Прочность и технология. — Долгопрудный: ИД «Интеллект»,
2010.

5. Мэттьюз Ф., Ролингз Р. Композитные материалы. Механика и технология.
М.: Техносфера, 2004.

Каргин В А., Слонимский Г.Л. Краткие очерки по физико-химии полимеров
2-е изд. - М., 1967.

7- Буров А.К. Техническая физика. Т. 15, вып. 5, 1945.

Буров А К, Андреевская Г.Д. Синтетические волокнистые анизотропные ма ри
илы и их техническое применение. — М.: Изд-во АН СССР, 1956.

9- Головкин Г.С. Предельное армирование органоволокнитов/ Пласт, массы. № 6,
. 1981. - с. 39-41. А г ..

10- Вагнер Л. Легкие баллистические материалы / Под ред. А. Бхатназара. М..

Техносфера, 2011.

1 Kelly A. Strong Solids. Clarendon Press, Oxford, 1973.

12 Ashby M.F. On the Engineering Properties of Materials / Acta Metall. 37, 1989. -
p- 1273.
118 Глава 3. Матрицы и их свойства

13. Чамис К. Микромеханические теории прочности. В кн.: Разрушение и усталость/
Под ред. Л. Браутман. — М.: Мир, 1978. — С. 106.

14. Тарнопольский Ю.М. и Скудра А. М. Конструкционная прочность и деформатив-
ность стеклопластиков. — Рига: Зинатне, 1966. — С. 260.

15. Mathews F.L., Rawlings R.D Composite materials: Engineering and science. Woodhead
Publishing Limited, Cambridge, England, 1999.

16. Нильсен Л.Е. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. —
М.: Химия, 1978.
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА
ВОЛОКНИСТЫХ композитов

J4.1. ФОРМОВАНИЕ КОМПОЗИТОВ

ШИРОКОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ В ОТКРЫТЫХ ФОРМАХ

Методы формования волокнистых композитов представляют со-
бой развитие методов формования полимеров. Однако некоторые из них разра-
ботаны специально для композитов, как, например, пултрузия. Простейший
метод производства деталей состоит во введении слоев ткани или волокон и
жидкой матричной композиции в открытую пресс-форму. После пропитки во-
локон смолу отверждают. Поскольку смолу вводят в пресс-форму в жидком
виде, процесс называют «мокрым».

4.1.1. Наружный полимерный слой

При ручной послойной выкладке и напылении для получения вы-
сокого качества поверхности детали на пресс-форму наносят специальный слой
полимера (который становится внешним слоем детали после извлечения из
пресс-формы). Наружный полимерный слой обычно отличается от матричной
смолы. Он выполняет защитные и декоративные функции. Состав наружного
слоя выбирают, чтобы деталь имела привлекательный внешний вид в течение
длительного времени.

Наружный полимерный слой наносят на поверхность пресс-формы, но после
извлечения детали он оказывается внешним слоем детали. Поэтому он не дол-
жен прилипать к пресс-форме. Для этого поверхность пресс-формы обрабаты-
вают антиадгезивом. Наружный полимерный слой является репликой поверх-
ности пресс-формы, и поэтому она должна быть чистой, без царапин и сколов

Для наружного полимерного слоя используют полиэфирную или винил-
эфирную смолу. Поскольку наружный слои должен быть износостойким и не
Должен растрескиваться под действием влаги, о ычно испотьзуют изофтале
вую полиэфирную смолу. Стирол является активным разбавителем. Смолу мо-
дифицируют для получения нужного цвета, быстрого отверждения, совмести
мости с матрицей, легкости обслуживания и высокого удлинения. Для этого за
заводе-производителе в жидкую смолу вводят красители, наполнители, тиксот-
ропные добавки (контролирующие вязкость), ускоритель отверждения и ити-
битор отверждения, удлиняющий срок хранения и т. д. Смола должна аккуРаг
но и регулярно размешиваться, чтобы частицы оставались во взвешенном Со.
стоянии и не выпали в осадок.

Смолу для наружного полимерного слоя транспортируют в небольших боч-
ках. Их хранят при температуре 20-26'С, чтобы уменьшить возможность пре*,
девременного отверждения и кристаллизации. Ускоритель в смолу вводят При
ее производстве. Поэтому смолу смешивают только с инициатором непосред.
ственно перед нанесением на поверхность пресс-формы. В смолу ее произво-
дитель вводит и краситель.

Наружный полимерный слой напыляют на внутреннюю поверхность пресс-
формы. При напылении помещение должно иметь хорошую систему вытяжки
а температура должна быть близка к 25 С. После достижения смолой этой
температуры вводят инициатор (обычно приблизительно 2 %). Перед этим не-
большое количество смолы смешивают с инициатором и определяют время
гелеобразования. Если оно не соответствует техническим условиям, концент-
рацию инициатора изменяют.

Правильное нанесение наружного полимерного слоя зависит от квалифи-
кации рабочего. Толщина сдоя обычно равна 0,46 ± 0,05 мм. Если покрытие
слишком тонкое, после отверждения оно может потерять сплошность. Слиш-
ком толстое покрытие может растрескаться. Толщину проверяют при помощи
специального щупа. Покрытие наносят несколькими последовательными про-
ходами. Участки сложной формы напыляют первыми, а затем переходят к бо-
лее простым участкам.

Отверждение смолы начинается после добавления инициатора, и она гото-
ва к следующему этапу производства приблизительно через 45 мин. Это время
не должно превышать 8 ч, так как покрытие успеет отвердиться, и хорошей
адгезионной связи с композитом достичь не удастся.

Растрескивание наружного полимерного слоя может быть вызвано усадкой
при отверждении или произойти при выемке детали из-за прилипания к пресс-
форме. Растрескивание может быть обусловлено также случайными ударами.

Ч бы волокна не были видны через наружный полимерный слой, на него
перед укладкой композита кладут тонкий слой стекловуали. Кроме того, ву-
нивает поверхность и предотвращает выход торцов волокон на пс
верхность.

ПаРтиИ
При

нУ°
эфиРиь'
тели * Д'

нят ПРИ
смоль1 П
В СВ!

пользую
вер*ДеН
матрица
является
обеспеч!

При

ни, вяза
мерный
придаю!

Прес
ной час']

4.2.1.

РУЧНАЯ ПОСЛОЙНАЯ ВЫКЛАДКА

Ручная послойная выкладка является одним из основных метол0®
создания композитов. Выкладываемые детали могут иметь различный размер1
форму. Фактически ручная выкладка остается единственным методом произ-
водства деталей сложной формы в авиации и другой технике. При укладке в
композит легко вставлять арматуру. Разнообразие деталей, получаемых этим
п об м, определяется разнообразием условий отверждения. Материал отпер*

Добавка
мерногс
Укладыг
Волоки;
валико\
контрол
ПеРенос

Дет<
JMnepj
Разогре
Всди П£
юЩие с
химиче<
Фузию

Нек
х °ВеРХ1
*XyAiua<
иМеет t
1ИСИГТ от

М. Если покРЫ1и
мощность. Слш
•ряют при помош,
loнательными пр
-м переходят кб:

4.2. Ручная пос юйная вык ла<)к а —121

даЮт как в комнатных условиях, так и при повышенной температуре. Ручная
послойная выкладка является эффективным методом производства небольших
партий деталей.

При ручной послойной выкладке используют полиэфирную, винил эфир-
ную или эпоксидную смолу, но наиболее часто используют недорогие поли-
эфирные ортофталевые смолы. Эти смолы отверждаются стиролом. Наполни-
тели и добавки в смолу вводит изготовитель композита.

Температурный интервал хранения смолы довольно узкий и обычно ее хра-
нят при 25 С. В отличие от смол для наружного полимерного слоя матричные
смолы транспортируют без наполнителей и при хранении их не перемешивают.

В связи с широким выбором матриц при ручной послойной выкладке ис-
пользуют множество инициаторов, выбор которых зависит от температуры от-
верждения и типа смолы. Поскольку обычно используется ортополиэфирная
матрица, совместимая с различными инициаторами, основным параметром
является температура отверждения. Если используется другая смола, требуется
обеспечить ее совместимость с инициатором.

При ручной послойной выкладке используют маты рубленых волокон, тка-
ни, вязаные изделия и т. д. Их укладывают в пресс-форму на наружный поли-
мерный слой и вуаль. Для увеличения скорости выкладки слои разрезают и
придают им нужную форму.

Пресс-формы делят на односторонние (открытые) и с закрываемой ответ-
ной частью, которая может быть как твердой, так и гибкой.

латора, и она го;

45 мин. Этовреч<
циться, и хороня

гь вызвано усадим
шлипания к Прес*
,айными УДЗР*
ЭНЫЙ СДОЙ, наЙ
и. Кроме то№
он волокон

4.2.1. Формование

Смолу перемешивают с отвердителем, наполнителями и другими
добавками. Для улучшения пропитки волокон на поверхность наружного поли-
мерного слоя наносят тонкий слой матричной смолы. Затем в пресс-форму
укладывают слои волокон или ткани и равномерно поливают смолой (рис. 4.1).
Волокна могут быть как непрерывными, так и рублеными. Смолу прикатывают
валиком. По мере пропитки изменяется прозрачность структуры, что облегчает
контроль пропитки. Иногда волокна пропитывают вне пресс-формы, а затем
переносят в пресс-форму и разравнивают.

Деталь может отверждаться как при комнатной, так и при повышенной
температуре. Важно учитывать выделение тепла при отверждении. Поскольку
разогрев может повредить материал, он не должен быть слишком толстым.
Если панель толстая, после отверждения части материала выкладывают следу-
ющие слои. Чтобы между первой и второй частями ламината сформировались
химические связи, первую часть отверждают не полностью, что обличает диф-
фузию смолы и стирола из следующего слоя.

Некоторые смолы содержат воск, который при отверждении выходит на
поверхность. Его вводят в смолу для защиты от кислорода воздуха. Однако он
Ухудшает связь отвержденной и неотвержденпой частей композита. Если смола
имеет воск, поверхность отвержденной части шлифуют перед выкладкой еле-

122

дующих слоев. Шлифовку применяют, если первый слой ламината быз

жден при повышенной температуре, более чем 24 ч назад или на поверхн**^
имеется избыток смолы. Для увеличения жесткости композит усиливаю
таллическими или деревянными вставками. После отверждения деталь изи^'
кают из пресс-формы,

обрезают и красят.

рис- **

корпу«

Ручной валик

Рис. 4.1. Ручная выкладка

Смол

НАПЫЛЕНИЕ

a=SF"-sxz: н*

контроля РУЧН0Й "кадкой. Его Р МЭТеРиал ВВОДИТСЯ в пресс-форм)
................................«—«»

тельны более дт-формы. НапрОтив>Идля°хМоДЛИН"Ь'МИ’ ос°бенно'в углах и Уг*
ной 3—7 см ТехИННЫе ВОлокна- Во многих °ШИХ Меха»ических свойств
волокон и матпип°Л°ГИЮ Напыления иллюст^^4 0^ О11ТИМги1ьны волокна Ш111'
^трины материал прикатьХЮтРИС‘
оликом для улучшения пропив11

р‘,нтцро
1Ь1Л0 "с
Ф°Рмы

_ - Ж 1
6j\v\ хост

при кок
тителън
Смолу отверждают, как при ручной в П'Н"~'1'"1>М 123

czz::

куда напылили второй слой, смолу окраш^ю^' Ч*°бы было We видТо^

4.4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПРЕСС-ФОРМ

Пресс-форма определяет ^^^Х^ности" Чтобы ее можно
рантировать точность ее размеров и быть достаточно прочной, ресс

было использовать многократно, она до композитов. Выбор материала

формы делают из металлов (рис. • матрицы, давления формования,

зависит от износа, температуры отвер ия с деталью, стоимости и т. ~

близости коэффициентов тепловою рас о используюг вакуумформован
При послойной выкладке и напылении > л)ОрМы из композитов пред
при комнатной температуре, и поэтому i

тительнее. 4 4 Пресс-формы делают с п°м° _

Схему процесса иллюстрирует ри • ограммным управление .

мастер-модели, вытачиваемой на ста ню остъ мастер-модели шли_

чательную отделку проводят вручную. смолы размер получаемой

Необходимо учитывать, что в результат У * велИчина усадки завиС^т ть
формы будет меньше размера Maciep-м ОТверждения. Что ы о е

смолы, объемной доли волокон и темпер
ГУю

1ОТ

Печ

Г П(

Опора пресс-формы

Ручная выкладка композита

Опора мастер-модели

Поверхность пресс-формы,
подготовленная к выкладке детали

ц*»Ру>

Г,йда 4. Технология пройда нолохниепиях композит

л, ,и. ня мастер-модель наносят покрытие, которое
извлечение пресс форм , впивают антиадгезивом.

фуют до требуемых размеров и покрывают

Рис. 4.3. Пресс-форма из листового металла

Режущее устройство
Мастер-модель

Рис. 4.4. Изготовление пресс формы:

а изготовление мастер-модели; б — ручная выкладка пресс-формы на мастер
в — законченная пресс-форма

йь) о0'1-
оо^е
ПлРЮТ ПРЙ
д ПРеСС

сЛУ*бь‘Н
болыиих

Жест'
мошыо а
ром масТ
влечения
фуют. И1

подГОТОВ
мы, пос;
вали вое
наносят
ряют не<
водства,
Дета
пресс-ф<
пресс-ф
форме п
или вод1
Формы.
п°следн

Про
Детали.
Ре Плени

При
Г,°слеэ
К* Пов<
напыля

Пресс-форму выкладывают на мастео-мо i?n«

к м iviavicp модель. Процесс начинают с нанесе-

ния наружного полимерного слоя После orppnwnpuun

п после отверждения на него выкладывают

смесь волокон и смолы. Матрицу отверждают и наносят следующие слои, что-
бы полу 1ить тре уемую толщину и щелия. В пресс-формах используют высоко-
прочные эпоксидные матрицы, которые для увеличения срока службы отверж-
дают при повышенной температуре.

Пресс-форму извлекают из мастер-модели, и после обработки поверхности
она готова к использованию. Поверхность покрывают эпоксидной смолой, от-
верждают и обрабатывают. Некоторые производители для увеличения срока
службы напыляют никелевое покрытие, что экономически оправдано лишь при
больших объемах производства.

Жесткость обеспечивается толщиной пресс-формы. Ее увеличивают с по-
мощью арматуры и опор. Существует метод создания пресс-форм, при кото-
ром мастер-модель вводят в жидкость, которую затем отверждают. После из-
влечения мастер-модели образуется пресс-форма, поверхность которой шли-
фуют. Иногда для этого используют легкоплавкие металлы.

4.4.1. Извлечение деталей

Поверхность пресс-формы покрывают антиадгезивом. Правильная
подготовка поверхности особенно важна при первом использовании пресс-фор-
мы, после ремонта и шлифования. В качестве антиадгезива раньше использо-
вали воск. Позднее появились кремнийорганические антиадгезивы, которые
наносят на пресс-форму и термообрабатывают. Нанесение антиадгезива повто-
ряют несколько раз. Сначала антиадгезив наносят после каждого цикла произ-
водства, но впоследствии его можно наносить менее часто.

Детали сложной геометрии плохо извлекаются из пресс-формы. Поэтому
пресс-форму крепят на основании, а изделие поднимают с помощью таля. Между
пресс-формой и деталью вставляют также деревянные клинья. Иногда в пресс-
форме предусматривают отдушины, в которые под давлением нагнетают воздух
или воду. Иногда изделие охлаждают, чтобы оно сократилось и отстало от пресс-
формы. Постукивание резиновым молотком по клиньям нужно использовать в
последнюю очередь.

Проблемой напыления является невозможность точно контролировать вес
Детали. Но деталь можно взвесить после извлечения из пресс-формы и принять
решение об увеличении или уменьшении веса.

При прои зводстве ст еклопласт и ковых ванн сначала напыляют наружный слой.
После этою пресс-форму крепят цепью к тали и перемещают в печь, где отвержда-
ют поверхностный слой. Затем ее перемещают к следующему рабочему месту и
напыляют слой волокон и матрицы. Потом пресс-форму снова перемещают в дру-
гую печь. Процедура повторяется несколько раз. В последней печи деталь отверж-
дают полностью и перемещают в место, где ее извлекают из пресс-формы и откуда
°на поступает для окончательной отделки. Пресс-форму осматривают и возвраща-
ют для следующего цикла производства. Эта система аналогична сборочной линии.
4 5 ФОРМОВАНИЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ КОМПОЗИТОВ
В ОТКРЫТЫХ ПРЕСС-ФОРМАХ

«Мокрую» ручную послойную выкладку и напыление иногда ис,
пользуют и для изготовления высокопрочных композитов, например углеПЛас.
тиков на основе эпоксидной матрицы, но чаше используют препреги на основе
однонаправленных слоев волокон или ткани.

Слои препрегов вручную укладывают в пресс-форму (см. рис. 4.4). Рулон
разматывают и режут в соответствии с геометрией детали. Матрицы в препре-
гах недоотверждены и клейкие. Препреги на основе термопластичной матрицы
лишены клейкости, и термопласт размягчают нагретым утюжком. При отверж-
дении материал вакуумируют и прессуют, что позволяет уменьшить концент-
рацию пор и увеличить содержание волокон.

4.5.1.

Ручная послойная выкладка препрегов

Препреги выкладывают в помещении с регулируемом температурой
и влажностью. Температуру помещения поддерживают в интервале 22—25 °C,
а воздух фильтруют. Помещение может иметь вход с промежуточной комна-
той, обеспечивающей чистоту. Рабочие должны носить специальные халаты,
шапочки и чехлы для обуви.

Проблемой может быть попадание кремнийорганики, что приводит к сни-
жению адгезии соседних слоев композита. Кремнийорганические антиадгези-
вы могут находиться в воздухе в виде аэрозоля, который попадает в систему
кондиционирования, а из нее — на поверхность композита. Расслоения могут
появиться через несколько лет после изготовления. Поэтому желательно ис-
пользовать антиадгезивы, не содержащие кремнийорганики. Если ее использо-
а ь все же приходится, предпочтительнее неаэрозольные антиадгезивы.

Препреги хранят в холодильниках в герметичных полиэтиленовых мешках,
защищающих их от влаги. После извлечения из холодильника мешок должен
оставаться закрытым до достижения комнатной температуры. При работе нуж-
но использовать чистые хлопчатобумажные перчатки. Выкладка препрегов мо-
жет быть как ручной, так и автоматизированной.

ри выкладке препрегов от рулона отрезают требуемое количество матери-
звращают его в защитный пакет, который герметизируют и отправляю

Д льник. Препре! помещают на специальный стол, где его режут вру4'
лезвиями ПРИ Руч,,ой Резке используют ножи со сменным”

ступательным"1 ЮН С,1ОЛЬЗУЮТ и гильотины, а также резаки с возврагно-по-
вои установкой'1^еНИеМ ЛеЗВИЯ’ некотоРые из которых снабжены ультразвук^
эффективность оезанТРа3кУК ЧЛСТОТОИ неск°лько десятков килогерц усилив”6'

раничивают двумя сантиметрами. "P” УльтРазвУковой реЗК
I

ye мой iCMnepanpi
ттервале 22-25!
межуточной Kmi
*

пениальные хадт

Ч ГО Приводит КV
ц чес кис антиалд

попадает в сус

Резку острыми штампами используют в текстильной промышленности де-
сятилетиями. Штамп делается из высокопрочной заточенной стальной ленты,
которой придают форму детали. Преимущества метода состоят в легкости вы-
резания многослойных материалов, низкой силе пробития, возможности авто-
матизации резки и укладки.

Для резки композитов все шире используют лазерную и водоструйную резку.
Их преимуществом являются высокая скорость и точность. Недостаток — высо-
кая пена оборудования. Лазерная резка неотвержденных композитов может опа-
лить кромку материала, и в некоторых случаях это может быть проблемой. При
водоструйной резке в материал может попасть вода, из-за чего препреги так
режут нечасто.

Препреги укладывают в защитных хлопковых перчатках. Чтобы облегчить
выкладку, на периметре пресс-формы размещают координатную сетку, облег-
чающую ориентацию слоя в нужном направлении. Термопластичные препреги
при укладке нагревают утюжком. Если пресс-форма имеет большую кривизну,
слои препрега надрезают. Гибкости добиваются использованием тонкой ткани.
Слои не должны иметь складок и между ними не должно быть промежутков.

Конечную подрезку слоев и удаление лишнего материала осуществляют до от-
верждения, пока материал еще мягкий и его можно резать ножницами. После от-
верждения для этого требуются специальные отрезные круги или алмазные резаки.

4.5.2. Автоматизированная послойная выкладка

Процесс начинается с установки рулона препрега на шпиндель.
Как правило, в автоматах используют узкие препреги шириной 5—10 см. Если
кривизна детали слишком большая, укладочную машину использовать нельзя.
Автоматические укладочные машины дороги, но работают быстро и точно.
Они эффективно выкладывают панели с малой кривизной. Примером является
хвост самолета. Укладочная головка машины принимает и режет рулон. Ком-
пьютер определяет путь укладки. Головка прижимает переднюю кромку пре-
npeia к поверхности пресс-формы. Затем она начинает движение, прижимая
препрег к пресс-форме и удаляя бумажную подложку. В конце головка отреза-
ет препрег под нужным углом, поднимается и перемешается в нужную точку,
чтобы начать укладку следующей полосы. Эта процедура повторяется, пока не
уложен весь материал. Машины используют и термопластичные препреги. Пе-
ред укладкой головка нагревает его. Термопласт размягчается, что позволяет
зафиксировать ленту.

ВАКУУМФОРМОВАНИЕ

Характеристики композита могут быть улучшены вакуумирован»
ем летали при отверждении термопластичной матрицы. При большом количе
С1ве елоев вакуумирование проводят после укладки каждых четырех шести
слоев препрега. Затем вакуумный лист снимают и продолжают выкладку. р
отверждении вакуумирование удаляет остатки растворителя, воду и воздух р
давлением атмосферного столба при вакуумировании излишек смолы вытек^
и поглощается волокнистым фильтром.

Процесс вакуумформования (рис. 4.5) начинают с подготовки пресс-фОр
и нанесения на нее антиадгезива, после чего выкладывают слои препрега и рс
мешают антиадгезионной пленку, облегчающую снятие вакуумной системы пос-
ле отверждения. Как правило, пленка имеет отверстия, через которые вытекает
излишек смолы. Она представляет собой перфорированную тефлоновую пленю
или стеклоткань, покрытую тефлоном. Затем на антиадгезионную пленку укла.
дывают волокнистый фильтр, впитывающий избыток смолы. Обычно это по ц.
эфирный войлок или стекловолокнистые маты. Важно, чтобы фильтр не уплат-
нялся под давлением. На него укладывают дыхательный слой, позволяющий уда-
лять газы и служащий буфером между складками вакуумного листа и поверхностью
детали. Дыхательный слой должен быть легкопроницаемым для воздуха и не
должен сминаться при вакуумировании и нагревании. Часто дыхательный слои
представляет собой стекловолокнистыи или полиэфирный войлок, а также вату
Поглощающий материал может служить одновременно и дыхательным слоем,
но в этом случае должно контролироваться количество поглощаемой смолы.

Вакуумирующий лист

Дыхательный слой

Прессующая пластина
из тефлона

Поверхностное покрытие

Пресс-форма

Г ерметизирующая
каучуковая лента

Рис. 4.5. Схематическое изображение вакуумной системы

На дыхательный слой укладывают вакуумный лист. На всасывающем тр
бопроводе имеют ся клапан и ловушка, предотвращающая попадание смо bI
насос. Вакуумный лист гермитизируют по периметру при помощи двухсторо*
ней липкои ленты. Герметик должен выдерживать температуру отверждения
Сверху и снизу формуемой детали размещают термопары и датчики давления
Их ввод герметизируют. В качестве вакуумного листа используют нейлон,
при отверждении выше 200 °C - полиимидную пленку каптон. ИспользУ^
также тяжелые многоразовые кремнийорганические или резиновые вакУ>?
руюшие листы. Затем включают вакуумный насос, и на прессуемую деталь н
чинает давить атмосферный столб.
'Пи,иек / и Ч/

См<?г|

)Дг°тов,
от слои

ПресЧ
1акуУмной₽сер₽е^
через
;ую ^флон^ч.
1ед1°ннукЛ>
,олы- Обыч^ •
чтобы Фильтр?
‘ЛОЙ’ позно^Ч
^олис-гаиповеХ'
‘СМЫМ для воздух'
Часто дыхательны?.

При вакуумировании не должно быть утечек воздуха. Они появляются в
герметике из-за его недостаточной термостойкости. Разрыв вакуумного листа
часто обнаруживают только после отверждения детали. Поэтому нужно ис-
пользовать качественные листы. Они не должны образовывать перемычек в

выемках детали. Нейлоновая пленка гигро-
скопична и поглощает влагу из воздуха. При
влажности ниже 2 % нейлон становится
хрупким и склонен к разрыву. В узких вы-
емках вакуумный лист может образовать
перемычку, и низ выемки не пропрессовы-
вается. Для предотвращения этого исполь-
зуют прессующие вкладыши, как показано
на рис. 4.6. Вкладыши делают из эластич-
ного материала, выдерживающего темпера-
туру отверждения.

1ЫЙ войлок, атак*?
о и дыхательным^
> поглощаемой m

Вакуумирующим «с
Дыхательный стой

Прессующая плас*
из тефлона
Поверхностное глН

Уплотнитель

Вкладыш

Рис. 4.6. Вакуум-
ный мешок с вкла-
дышем

Складка
вакуумного листа

Углепластик

Поверхн°и
АнтикорР0
фольга

Многие проблемы решает напыление вакуумного листа. Такой лист авто-
матически соответствует форме и обеспечивает пропрессовку всей детали. На-
пыляемые вакуумные листы имеют значительное удлинение при разрыве, вы-
держивают температуру отверждения и при формовании не рвутся.

4.6.1.

Отверждение

орма

После вакуумирования деталь отверждают. Температура и время
отверждения определяются типом смолы и отвердителя. В высокопрочных ком-
позитах обычно используют эпоксидные смолы.

Пористость материала должна быть невысокой. Как показано в гл. 8, проч-
ность композита при сдвиге г описывается формулой

Т = то (| - 1,6л/д),
где го — прочность при отсутствии пор; Р — объемная доля пор. Это означа-
ет> что при пористости 1 об. % прочность материала при сдвиге снижается
На 16%, Поэтому пористость высокопрочных композитов не должна превы-
шать 0,5-1 об. %. Пористость снижают вакуумированием детали при отверж-
ении. Прессующее давление при вакуумформовании не может превышать од-
н°й атмосферы. Если этого недостаточно, используют автоклав.
4.7. ОТВЕРЖДЕНИЕ В АВТОКЛАВЕ

Для снижения пористости материал прессуют в автоклаве. Автоклав
представляет собой жесткий сосуд, в который помешают формуемое изделие и в
котором создается давление газа до 6 атм. В остальном метод похож на вакуум,
формование. Для отверждения матрицы автоклав нагревают. В него часто вводят
вакуумный шланг для откачки газов из формуемого композита, и суммарное
давление может быть в 7 раз выше, чем при вакуумформовании. Поскольку даже
в среднем по размеру автоклаве одновременно могут отверждаться сразу не-
сколько небольших деталей, затраты на работу и отверждение детали обычно
невысоки. Автоклав обычно имеет систему управления температурой и давлени-
ем. Его часто наполняют азотом, чтобы исключить окисление пресс-формы и
детали. В автоклаве несколько деталей конструкции могут соотверждаться, обра-
зуя единую структуру. При работе с автоклавом нужно бояться его разгерметиза-
ции и возможного взрыва, особенно при большом размере автоклава. В некото-
рых странах для использования автоклава требуется лицензия.

В автоклаве формование обычно проводят с помощью металлических или
композитных пресс-форм, выдерживающих высокое давление и температуру.
Жесткость пресс-форм из композита увеличивают за счет внешних ребер жес-
ткости. Для высокопрочных композитов пресс-формы делают из углепласти-
ков, металла или керамики.

Композит отверждают при температуре 160—180 °C. Режим отверждения
зависит от типа матрицы и размера пресс-формы, а скорость нагрева может
изменяться в широких пределах. Термические характеристики пресс-форм оп-
ределяют величину остаточных внутренних напряжений в изделии. При произ-
водстве ответственных деталей самолетов пресс-формы делают из инвара с
низким коэффициентом теплового расширения.

Если печь или автоклав не используются, это значительно снижает произ-
водственные затраты. Пресс-формы с внутренним нагревателем делают из ме-
талла, а нагревательные элементы располагаются в их стенках.

4.8. МЕТОДЫ НЕАВТОКЛАВНОГО ОТВЕРЖДЕНИЯ

При изготовлении теннисных ракеток заготовку помещают в пресс-
форму, не рассчитанную на большое давление. Пресс-форма определяет вне-
шнюю поверхность детали. Прессующее давление в случае теннисной ракетки
обеспечивается внутренней камерой, в которую нагнетается воздух. Давление в
камере прижимает препреги к внутренней поверхности пресс-формы. После
отверждения камеру обычно извлекают, но иногда ее и оставляют в детали-
Детали делают также выкладкой препрегов на нейлоновую камеру, в к01°
рую затем накачивают воздух. Камеры делают из нейлоновой пленки, как и
вакуумные листы. Ее разрезают в соответствии с формой детали и склеиваю1
по краям. С помощью нейлоновой камеры изготавливали детали сложной трсх
ВПОХо* н>
В нег0 * Ч

13ита, ?СЧ
Иц. пПг СумЧ
Рждатьс^
:ние S
'"’ШЛ

то'*Р*»тЛ
СЯ его разгериГ|,
автоклава. BHt
ИЯ.

мерной геометрии, которые иным способом придется делать из двух половин
После ручной выкладки вставляют камеру, пресс-форму закрывают, накачива-
ют воздух и отверждают композит.

Прессующее давление может создаваться также кремнииорганическим кау-
чуком. расширяющимся при нагревании. Препреги выкладывают на кремнии-
органическое основание и переносят в пресс-форму. При нагревании каучук
расширяется и сжимает слои препрега.

4.9. ПРЕССОВАНИЕ

1 металлических ।
ение и темпера-
внешних ребер л.
лают из углетшп

Самым распространенным методом производства композитов явля-
ется прессование в закрытых пресс-формах. В пресс-форму с двумя соответству-
ющими частями помещают волокна и неотвержденную смолу (рис. 4.7 и 4.8).
Пресс-форму закрывают и прикладывают давление, чтобы материал заполнил
всю форму (см. рис. 4.8). Материал нагревают под давлением и отверждают.

Режим отверг
рость нагрева
гики пресс-Ф п
изделии. Приг’г
делают из ин-

Рис. 4.7. Прессование препрега на основе непрерывных волокон

ЛЬНО С
ателем

депаК^

>нка^-

ЖДЕНИЯ

ме^8
КУ п°

лПМа ./ЩО*1*.

г*

ер\ i>

Для создания высокого прессующего давления требуется мощный пресс.
Такие прессы широко используют в автомобильной промышленности и маши-
ностроении, когда требуются большие партии небольших или средних по раз-
меру деталей. Воспроизводимость формы и свойств деталей при прессовании
лучше, чем в дру1их методах производства композитов. Давление снижает по-
Г ость детали. Обычно требуется небольшая отделка изделия. Для прессова-
ния не требуется высокая квалификация рабочих.

Пресс-форма состоит из тяжелой металлической основы с направляющими
стержнями. Направляющие определяют движение одной из половин формы
вверх-вниз с помощью двигателя Другая половина пресс-формы закреп гена
№ основании. Прессы массивны и работаю! в течение десяги гегий. Их мощ-
ность характеризуют развиваемой силой. Она зависит от п ющади п гунжера
пРесса и давления в гидравлической системе.

Максимальное расстояние между половинами пресс-формы называю! рас-
крытием. ДдЯ простоты загрузки материала в пресс-форму желательно боль-
Шое Раскрьние. Однако для повышения производительности процесса пред-

ОХ

*1И
..Глава 4 Технология производства волокнистых композитов

почтительно небольшое раскрытие. Чтобы ускорить закрывание пресс-фор^
ее иногда проводят в два этапа. На первом пресс-форма закрывается быстро, а

на втором медленнее.

Рис. 4.8. Прессование ком-
позита, армированного ко-
роткими волокнами

Давление прессования весьма высокое (5—50 МПа)
и поэтому пресс-формы делают из инструментальной
стали. Из-за абразивности композита поверхность
пресс-форм покрывают хромом, что облегчает выемку
детали. В основании пресс-формы имеются нагрева-
тельные элементы. Детали извлекают с помощью вы-
талкивателей, расположенных на перемещаемой плас-
тине. Чтобы выталкиватели не повредили деталь, их
диаметр не должен быть слишком малым.

Если две половины пресс-формы хорошо подогна-
ны, смола между ними не протекает. Избыток материа-
ла не может вытечь, а его недостаток приводит к обра-
зованию каверн. Поэтому объем загружаемого материа-
ла должен точно дозироваться. Некоторые пресс-формы

допускают вытекание небольшого излишка материала.
В этом случае содержание наполнителя не может быть
большим, поскольку он может скопиться между поло-
винами пресс-формы и препятствовать их закрытию

Прессование не позволяет получать детали слож-
ной геометрии. Детали не должны иметь узких ребер
жесткости, глубоких выемок и т. д. Острых углов из-
бегают, так как они являются концентраторами на-
пряжения и не заполняются волокнами.

Необходимость высокого давления увеличивает сто-
имость изделия из-за высокой стоимости больших прес-
сов. Несмотря на ограничения, прессование все шире
используется для производства как крупных, так и не-
больших деталей. В автомобильной промышленности

прессованием производят решетчатые панели, корпуса фар, крыши, детали низа.

двери, капоты, подкрылки и т. д. Им производят даже кабины грузовиков.

Автомобильные детали получают и штамповкой в формах с соответствую
щей геометрией поверхностей. Это обусловлено возможностью выполнения
жестких требовании к размерам деталей. В других отраслях промышленности
штамповкой производят панели баскетбольных щитов, корпуса снегоходов,
к ж хи мо оров, обтекатели мотоциклов, корпуса электроприборов, камера
холодильников, панели отделки зданий, мебель, корпуса небольших тракторе
и т. д. В аэрокосмической индустрии ею делают внутренние панели само1еТ°в’
сопла ракетных двигателей, носовые обтекатели, детали крыльев и корпУс°н
самолетов. Из композита на основе эпоксидной матрицы делали детали оФи^
ных ксероксов, работающие при температуре 200’С и обязательно выдер*11'
ющие размеры с допуском ±0,15 мм. Они заменили нержавеющую сталь.
!1Ре

133

с°к°е (5

Прессование компаундов

“нструм2ч
Ита по^
° °блегча„ РхЧ

1 иЫеюТс Ч,
1ЮТ с
еРемещае, Ч.
>ВРеДИл”
малым. ь

ОК ПРИВОДИТКо6-;
гружаемого мате,
оторые пресс-фо-и
излишка матеря,
ителя не может ft
опиться между по
ювать их закрыта
элучать детали с
1Ы иметь узких
д. Острых ут
<ониентратор"‘*и
окнами
,епия
„мостя»’*-
прессой'*,,
® К|,У" МЫ>
..nil ПРоМЫ ли НГ

”₽°.

л Г
»Л

Как описано в предыдущей главе, листовые и объемные формо-
вочные компаунды представляют собой смесь полиэфирной смолы, стеклян-
ных волокон, наполнителей и инициатора. Объемные формовочные компаун-
ды (ОФК) представляют собой пастообразную смесь рубленых стекловолокон,
инициированной смолы и наполнителя. Компаунды обоих типов содержат все
необходимые компоненты. Инициатор представляет собой термоактивируемую
перекись.

При прессовании требуемое количество ОФК вводят в пресс-форму и зак-
рывают ее. Материал заполняет пресс-форму. Обычно закрытие пресс-формы
приводит к равномерному распределению материала. Если вязкость смеси слиш-
ком низка, стекловолокна не текут вместе со смолой. При прессовании вяз-
кость смолы первоначально падает из-за повышения температуры. Когда начи-
нается отверждение, вязкость увеличивается. Формование возможно только в
пределах «технологического окна» вязкости, и оно должно завершиться до от-
верждения детали.

Для улучшения механических характеристик композита желательно повы-
шенное содержание стекловолокон, что приводит к возрастанию вязкости и
затрудняет течение компаунда. К ее повышению приводит также увеличение
длины волокон, введение наполнителей и увеличение молекулярной массы тер-
мопласта. Напротив, стирол снижает вязкость.

Плоские композитные пластины делают из листового формовочного ком-
паунда (ЛФК), отрезая от рулона нужное количество материала и снимая несу-
щую пленку. Размер отрезанного листа обычно соответствует площади пресс-
формы. Поэтому в пресс-форме компаунд перемещается несильно Так как
заготовка покрывает почти всю площадь формы, проблема текучести материа-
ла отсутствует.

Технологические условия прессования ЛФК и ОФК почти одинаковые.
Типичная температура отверждения равна 135—170°C, давление 3,5—35 МПа,
время отверждения 1 — 10 мин. Для ускорения производства компаунд непо-
средственно перед переносом в пресс-форму подогревают.

Иногда компаунд нагревают сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением, как
суп в микроволновой печи Обычно температуру повышают приблизи ельно до
50 С. После этого материал отверждают приблизительно за 30 с По ныи цикл
производства можно сократить, если быстро закрывать форму и вакуумировать
компотит. Детали из пресс-формы извлекают с помощью выталкивателей

Для повышения прочности в компаундах используют эпоксидные смолы.
Методы производства композитов из компаундов на основе полиэфирной и
эпоксидной смол сходны, но различны температура отверждения и усадка.

Ти Материалы хорошо работают в коррозионных средах. Содержание стек-
ловолокон в компаундах приходится ограничивать, особенно при литье под
Давлением. Если требуется высокое содержание волокон, используют волок-
нистые заготовки.

4.9.2. Прессование заготовок

Из сухого волокнистого материала делается аготовка, геометрия кото-
рой бли зка в летали. Заготовку помещают в форму и равномерно поливают смолой
Форму закрывают, что вы зывает пропитку и уплотнение заготовки. Затем дета.1ь
отверждают, нагревая пресс-форму. и извлекают с помощью выталкивателей.

При использовании заготовок содержание волокон может быть намного
выше, чем в случае компаундов. Это обеспечивает более высокие механичес-
кие характеристики. Кроме того, меньшая масса смолы позволяет ускорить
нагревание и отверждение материала. Волокна в заготовке почти не перемени-
ются, и заготовку можно делать из непрерывных волокон.

Поскольку смола вводится отдельно от волокон, выбор матриц шире, чем в
случае компаундов. В частности, на основе эпоксидных смол делают высоко-
прочные композиты. Заготовки можно пропитывать и фенольной смолой, одна-
ко при ее отверждении нужно удалять воду. Это делают неболь jhm раскрытием
формы, чтобы пар выходил через щель между половинами разогретой формы

4.9.3. Прессование препрегов

При прессовании препрегов используют формы с соответствую-
щей геометрией поверхности. Препреги, как правило, выкладывают вручную.
Ориентация волокон определяется при выкладке слоев, но при закрытии фор-
мы слои могут немного смещаться. Этим методом в основном делают высоко-
прочные композиты. Однородность материала при использовании препрегов
значительно выше, чем в случае волокнистых заготовок и формовочных ком-
паундов. Между слоями препрега можно размещать армирующие вставки. Из
препрегов прессуют небольшие детали, а крупные детали легче делать в откры-
тых формах с отверждением в автоклаве.

4.10. ИНЖЕКЦИЯ ТЕРМОРЕАКТИВНОЙ СМОЛЫ

В методе инжекции смолы в пресс-форму помещают волокнистую
заготовку. Форму закрывают и вводят в нее термореактивную смолу. После про-
питки волокон смолу отверждают и извлекают деталь, как показано на рис. 4.9-
Преимуществами инжекции термореактивной смолы являются небольшие

допуски и воспроизводимость размеров деталей, высокое качество поверхнос-
ти, низкое выделение газов и невысокие требования к квалификации рабочих
Время производственного цикла обычно составляет 5—10 мин, но для крупных
деталей вроде корпусов железнодорожных вагонов и яхт оно может достигать 8 ч.
В деталь можно вставлять арматуру.

Достоинствами инжекции термореактивной смолы являются возможность
использования непрерывных волокон и отсутствие их смещения в пресс-фоР'
KOMrlolHronyR^eK'W,° СМ°ЛЬ1 ИСП0;||'Эют для производства высокопрочны'
компошгов. Возможность использования дешевого сырья и высокая скорой
Вакуум/удаление воздуха

Форма

Механические

наР

рис 4.9. Метод ин-
жекции матричной
смолы

4.10. Инжекция термореактивнои с.и о 1Ы

производства по и од пог применять этот метод и для изготовления композитов
широкого потребления.

(Мо*ет бЬ|">‘

Иь1с°кие м

Ке ПОЧТИ не т

>н. НепереМ[

ор МатРИц щ
‘ см<* ДелаютР ; "
Н^ьн°й смолой J
‘^большим раскри:
ИИ разогретой фор..

Волокнистая заготовка

Смола Резервуар со смолой

характеристики композитов широкого потребления при ин-

|)ОрМЫ С СООТВсП.
выкладывают вп>
* • »

, но при закрытии;
новном делают ь
пользовании пре

>к и формовочных!
)Мируюшие встав!«
,1И легче делать в «ь

помешают
.. ю сМ°Л^‘
. .Сказан1’

„оло-
n°vK.

жекции термореактивной смолы выше, чем у изделий, полученных прессовани-
ем ОФК и ЛФК. Поэтому производство композитов методом инжекции термо-
реактивной смолы непрерывно растет. Стоимость материала при этом методе
немного дороже, чем при прессовании ОФК и ЛФК, из-за трудности введения
наполнителей (частицы имеют тенденцию к вымыванию при пропитке). Самая
важная задача при использовании этого метода состоит в правильной разработке
пресс-формы, обеспечивающей качественную и быструю пропитку заготовки.
В связи с этим разрабатывается численное моделирование процесса пропитки.

Существуют различные варианты метода инжекции смолы. Они делятся
на инжекцию под давлением (пневмоинжекцию) и вакуумную инжекцию
(см. рис. 4.9). Инжекция термореактивнои смолы является развитием традици-
онного литья реактопластов под давлением. Термореактивную смолу под дав-
лением вводят в инжекционную камеру, где для снижения вязкости ее нагрева-
ют. После этого плунжер вводит смолу через систему литниковых каналов в
одну или несколько полостей пресс-формы. В форме смола пропитывает заго-
товку, отверждается, и деталь извлекают. При инжекции используют традици-
онные полиэфирные, эпоксидные и сложные винилэфирные смолы.

Типичная величина давления при инжекции термореактивной смолы равна
2 атм, но она может достигать и 7 атм. Пресс-форма должна выдерживать это
давление. Поэтому формы для инжекции смолы под давлением делают из алю-
миния или из стали. Достоинством инжекции смолы явпяется возможность
использования плотных заготовок. Объемная доля волокон в этом случае мо-

ли

кгзалиФ иноДлЯ *(
10 М,1Н’ етД^*
ономо*ет

Я В-

Жет Достигать 70 %, а пористость материала быть ниже 1 об. °с

Заготовка не должна деформироваться под давлением Если при вакуумной
инжекции зажимы формы могут быть весьма простыми, как на бытовой скоро-
ВаРке, то инжекция под давлением требует мошною крепежа, смыкающего
Части пресс-формы. При инжекции под давлением пресс-форму иногда просто
иставлякп в пресс.

Инжекция смолы под давлением позволяет получить хорошее качество но-
|1еРхнос1и, но волокна не должны перемешаться в форме. Эшм методом де ia-
101 Детали сложной фор

ютях детали должна проверяться. В деталях сложной формы смо ia может
ахвагь,вать воздух, коюрый нужно удалять из пресс-формы.

мы. Однородность содержания волокон в различных
4.10.1. Вакуумная инжекция термореактивной смолы

Вакуумная инжекция термореактивной смолы отличается тем, чтд
величина давления не превышает 1 атм. Воздух откачивают в точках, которые
смола заполняет в последнюю очередь. Вакуумирование может производиться в
нескольких точках, и каждая из них может герметизироваться после прихода смо-
лы. В некоторых случаях вакуумирование проводя дновременно с приложением
давления, но такие методы принято относить к инжекции смолы под давлением.

Обычно пресс-формы для инжекции смолы делают из металла. При ваку-
умной инжекции их делают и из композиционных материалов. Для улучшения
качества поверхности композит покрывают слоем никеля. Для уменьшения
деформации пресс-форму поддерживают снизу в нескольких местах. Удаление
воздуха является проблемой всех методов инжекции смолы.

Для плотного закрытия половин пресс-формы по их периметру имеется
несколько фиксаторов. Если давление высокое, пресс-форму размещают в прессе
или автоклаве. Это гарантирует, что она останется закрытой при инжекции
смолы, но укладка заготовки или слоев волокон становится менее удобной.
Преимущество пресса и автоклава состоит в том, что нагревательные элементы
могут находиться в пластинах пресса.

Часто одной половиной пресс-формы является металл или композит, а
другой — вакуумный лист. Это позволяет снизить стоимость форм, но каче-
ство поверхности, образуемой вакуумным листом, не столь высокое, как при
использовании металла.

При вакуумной инжекции смолы используют также тонкие композитные
пресс-формы, жесткость которых повышают с помощью ребер жесткости. По-
верхность детали может быть отделана, но ее качество ниже, чем при инжек-
ции смолы под давлением. Кроме того, менее точно выдерживаются размеры
детали. Этим методом делают детали велосипедов, теннисные ракетки, корпуса
снегоходов и катеров и т. д.

4.10.2. Термокомпрессионное формование

В этом методе давление создает материал с сильным тепловым рас-
ширением. Обычно это слой каучука или толстая алюминиевая пластина, ко-
торую помещают в пресс-форму вместе с заготовкой. На заготовку льют смолу
и форму нагревают, что вызывает расширение каучука, который создает давле-
ние, приводящее к пропитке волокон. Этим методом получают композиты
содержанием волокон до 75 об. %.

4.10.3. Метод матричной пленки

Некоторые полимеры настолько вязкие, что не текут через волок
нистыи материал даже под давлением. Поэтому был разработан метод, в кото-
ром на пресс-форму укладывают полимерную пленку, на нее кладут волокннс‘
4.10. Инжекция термореактивнои смолы

°тлцЧав
С)Т В , ТсИ г

и Точ л Теи
W Про^’
-я после *4
иеНно с Чо?
Молы ПОд^Ч,
3 Металла п^.
адов-

и' Дл* у24
К My ж У^НЬ|

I Их местах. yj'
пы. д<

х перИметру
у Размещают в

ЛЫТОЙ при ИНЖ!
1тится менее у^
эенательные эж

галл или комг •
мость форм, НО К.
оль высокое, юс

тонкие композг-’
ребер жесткосп
ниже, чем при и
держиваются р»
сные ракетки-

ильнь>мт зсТиь
ЩНИева , 1Ь1°Т
азагот^Ч^ .
которых

тую заготовку, еще слой пленки и прикладывают давление (рис. 4.10). При
нагревании полимер плавится и постепенно пропитывает заготовку по ее тол-
щине. Этим методом делают даже секции крыла самолета. Вариант этого мето-
да состоит в укладке нескольких слоев матричной пленки между слоями воло-
кон. В этом случае смола течет на меньшее расстояние, чем в стандартном
методе матричной пленки. Заготовка должна быть плоской, и детали сложной
формы таким способом делать не удается.

Рис. 4.10. Метод матричной пленки

Между заготовкой и пресс-формой при инжекции смолы не должно быть
зазоров, где может скапливаться смола. Кроме того, заготовка должна легко
пропитываться смолой без перемещения или деформирования. Заготовка мо-
жет быть почти плоской. Хоккейные клюшки делают и ручной выкладкой, но
инжекция термореактивной смолы является более экономичным и надежным
способом производства. Заготовка обеспечивает ориентацию волокон в нуж-
ном направлении. Иногда для фиксации слоев ее прострачивают.

Для инжекции смолы используют самые разные смолы. Некоторые из них
удобнее из-за простоты регулирования вязкости и скорости отверждения. Как
правило, используют ненасыщенные полиэфирные, сложные винилэфирные и
эпоксидные смолы. Важнейшим технологическим параметром является вяз-
кость течения смолы. Нормальный диапазон вязкости — от 50 до 1000 сП.

Важное значение имеет допустимое время хранения смолы. Оно должно
быть достаточно большим, но отверждение при этом не должно быть с к \
Длительным. Время хранения зависит от температуры, давления, вязкости и
типа отвердителя.

Иногда смолу отверждают ультрафиолетовым (УФ) светом. Ультрафиолет
Увеличивает температуру и уменьшает вязкость смолы при сохранении време
ни хранения. В этом случае толщина детали ограничена глубиной проникнове-
ния УФ в материал. Другие виды излучения, например микроволновое излуче-
ние, в материал проникают лучше и не менее эффективны.

При инжекции смолы нужно принимать во внимание с !едуюшие моменты.

РУпные детали требуют большого времени пропитки во юкон Заготовка дол
Жна легко 1,1/пг» । 1/ггтппй не должно быть больших пус от,

легко укладываться в форму, в которой нс дил*
где может скапливаться смола. Нужно несколько точек инжекции. Нежела.
тельно большое количество линий сварки, в которых встречаются фронты те-
чения смолы и где может снижаться прочность. Из пресс-формы должен уда.
ляться воздух. Необходимо контролировать степень заполнения формы.

этого можно использовать датчики расхода. Иногда создают уменьшенный про-
тотип детали, позволяющий построить модель течения. Деталь должна легко
извлекаться из пресс-формы. Пресс-форма должна оставаться герметичной при
инжекции и отверждении смолы.

4.10.4. Центробежное литье

Центробежное литье труб и корпусов резервуаров применяют час-
то, хотя и менее широко, чем намотку. Волокна и смолу вводят на внутреннюю
поверхность вращающейся оправки, и центробежная сила прижимает их к стенке
центрифуги. Сначала делают структурные слои композита, а затем — антикор-
розионный слой. Волокна в детали ориентированы случайно. При центробеж-
ном литье легко вводить наполнители. Например, песок, который увеличивает
вес и снижает стоимость изделия. Однако песок может рубить волокна, что
приводит к потере прочности.

4.11. НАМОТКА

Намотка является одним из наиболее важных методов производ-
ства волокнистых композитов. Принцип намотки иллюстрирует рис. 4.II. Ка-
тушки с нитями установлены на шпулярнике. Нити сматывают с нескольких
шпуль и проходят через «гребенку», в которой они собираются в плоскую лен-
ту (это называют трощением). Количество нитей в ленте определяет ее шири-
ну Затем волокна проходят через ванну с жидкой смолой, смешанной с ини-
циатором или отвердителем. Потом они проходят через отжим, удаляют^
избыток смолы, и через подвижный укладчик, определяющий место волокон
на оправке.

Волокна вручную пропускают через систему, их конец фиксируют на оп-
равке, вращение которой приводит к вытягиванию волокон. Скорость движе
ния укадчика синхронизована со скоростью вращения оправки, в результате
чего волокна образуют с ее осью определенный угол.

Имеется два типа наматываемых слоев, называемых спиральными и коль
цевыми (рис. 4.12). Кольцевые слои перпендикулярны к оси оправки, Пни11
добны обручам на бочках. Спиральные слои наматываются под другими >|Д
ми. Волокна в них идут от одного конца оправки к другому и назад. По завеР
шении цикла лента укладывается виток к витку, как показано на рис
Поэтому создается сплошной слой, полностью покрывающий поверхность Д
тали. Спиральные слои обеспечивают осевую прочность детали. Спираль*
4 11. Мачотка

d\ - 139

слои могут идти под углом 0 от одного конца оправки к другому Такие слои
называют полярными. Спиральные и кольцевые слои наматывают последова-
тельно дрУг на ДРУга- Иногда наматывают спиральный слой под одним углом,
а следующий, также спиральный, — под другим углом.

арОВ ПрименяюТ1
чоДят на BHyw‘
1рижимаетихКск
а, а затем - ант№,
1ЙНО. При центров
который уветич?
рубить волокна,

Рис. 4.11. Намоточная машина

ых методов Пре •

:трирУет рис.

с неск*

атывают
раются в

плоек?10

е опреДеляете С|

>е3 ОТЖИМ- > .

Рис. 4.12. Кольцевые и спиральные слои

Спиральные слои

ней

оправКИ’

кспир^>.°;

гоМУДно

После намотки деталь отверждают. Отверждение может провозиться как
пРи комнатной, так и при повышенной температуре в печи или в автоклаве в
зависимости от размера детали и тина смолы При отверждении деталь враща-
Ют’ чтобы смола не стекала вниз. В противном случае ее вешают вертикально,
Ч1°бы смола распределялась равномерно по периметру.

После отверждения смолы оправку удаляют. Если деталь имеет открытый
к°нец, оправку вынимают через него. Для этою требуется механи icckcl \
Р°йство, создающее большую силу. Пожарные емкости намлывают на Mei m

ИческУЮ оправку, которую оставляют внутри. Оправка при намо!ке йен

ТУ ж Функцию, что и пресс-форма при ручной послойной выкладке

Л И’

Использование оправки возможно в случае изделий круглого или гючти
круглого сечения. При производстве более сложных деталей раскладчик совер.
шает сложное движение, перемещаясь вертикально, горизонтально, вращаясь
и т. д. При этом деталь обязательно должна иметь ось вращения. Намоткой
делают трубы, корпуса твердотопливных ракет, химические емкости, кисло,
родные сосуды для пожарников, альпинистов и аквалангистов, трансмиссион-
ные валы, ролики, маховики, клюшки для гольфа, велосипедные рамы, весла,
мачты серфингов и яхт, уличные фонари, с^юзеляжи и крылья самолетов, ро.
торные валы и лопасти вертолетов.

Намотка — один из наименее дорогих процессов производства компози-
тов. В ней часто используют дешевые волокна и смолу. Стоимость оборудова-
ния также невысока, поскольку оправки дешевле пресс-форм. Намоточные

трУбИ

ПР
ОбЫчН
нь*сМ
НУЮ Вя
кИ в0711
3,5 Пс

станки дорогие, но производительные, и их вклад в стоимость деталей неве-
лик. Возможна одновременная намотка нескольких изделий. Требования к
квалификации рабочих невысоки, и намоточный станок обслуживается од-
ним рабочим.

Очень эффективным процессом является автоматизированная намотка.
Скорость укладки волокон на оправку зависит от сложности детали и точности
угла укладки. Скорость производства простых деталей типа труб составляет
100—1000 кг/ч. Сложные изделия аэрокосмического назначения наматывают
со скоростью 5—100 кг/ч. Производительность ручной выкладки примерное
10 раз ниже, и поэтому стоимость изделий при намотке в 2—4 раза ниже, чем
при ручной выкладке. Однако ручная послойная выкладка позволяет делать
детали более сложной формы.

При медленной намотке пористость материала невысока и равна приблизи-
тельно 3 об. %. При крупносерийном производстве она может достигать 10%.
а в наиболее ответственных изделиях — быть ниже 1 %. Пористость снижают,
увеличивая силу натяжения волокон и снижая вязкость смолы. При слишком
низкой вязкости смола стекает с детали.

При намотке можно использовать любые волокна. Наиболее часто исполь-
зуют стеклянные, углеродные, арамидные и сверхвысокомолекулярные поли-
этиленовые волокна. При намотке волокна вытягивают со шпуль, они про40'
дят через пропиточную систему и укладываются на оправку в виде плоской
ленты. Эта лента состоит из нескольких жгутов (каждый из которых может
состоять из десятков нитей, в свою очередь состоящих из сотен волокон). Эт°т
метод обеспечивает быструю намотку изделия. Ширина ленты определяет^
количеством тростимых нитей. Сложность детали и необходимость точной ори*
ентации волокон может ограничить ширину ленты.

Иногда при намотке непрерывных волокон на оправку вручную уклады1111'
ют или напыляют рубленые стеклянные волокна. Это обеспечивает высокУ10
скорость процесса, но пропитка волокон затруднена и высока пористость к<>м'

Рис.

Вре
му что
может >
ни, а вг

ствие в
По-1Иэф
С«ДНОЙ
бо;

3°ВаНиг
СлУчае х
30ВанИе
ЩатьСя

Тп
п°’ Но
> »
н,
СРУГЛ0Г« Ил

1 Ра<^а>

<>НТ«ЬИ„ "X
’а^ния’"р<
1ие 'МК«,ИХ

-гон,

,елные Ра;ы>
ь-я са -Ч

п03ита. Дополнительное напыление применяют для производства недорогих
труб и сосудов давления с невысокими характеристиками.

При намотке можно использовать почти любые термореактивные смолы.
Обычно это непредельные полиэфирные, сложные винилэфирные и эпоксид-
ные смолы. Для намотки разработаны специальные смолы, имеющие оптималь-
ную вязкость, время гелеобразования и реакционную способность. Для пропит-
ки волокон их вязкость сравнительно низка - от 3 до 20 П. При вязкости ниже
3,5 П смола стекает с детали, что может привести к появлению пор (рис. 4.13).

1 Hd Компо„
,о“мость обору?

-Форм. Намоток
мость деталей Неве.

1елий. Требования,
к обслуживается ц.

шрованная намога

:ти детали и точной

Норы Пресс-форма

Связующее
с низкой вязкостью

Волокна

Краевой
уплотнитель

Рис. 4.13. Вытекание смолы при формовании

типа труб состав.^
тачения наматываг
$ыкладки примерно
в 2—4 раза ниже. ** I
1Дка позволяет др-

эка и Р‘1вна ПрИб?

Может

пори при
смолы- HP11

Время гелеобразования смолы должно быть сравнительно большим, пото-
му что намотка может быть длительной. Кроме того, одной загрузки смолы
может хватить для намотки нескольких деталей, что может потребовать време-
ни, а вязкость смолы за это время не должна сильно возрасти.

Если нагретая смола находится в открытой ванне, человек испытывает дей-
ствие выделяемых паров. Эта проблема особенно остра при использовании
полиэфирной композиции, в состав которой входит стирол. Но и в случае эпок-
сидной смолы при пренебрежении мерами защиты это может вызвать голов-
ную боль или аллергическую реакцию.

Один из методов увеличения времени гелеобразования состоит в исполь
Овании отвердителя, активируемого при повышенной температуре. В этом
Унае деталь нагревается в печи или автоклаве. Для больших деталей исполь
^°Вание печи невозможно, особенно если при отверждении она должна вра-
ться. В этом случае деталь нагревают мощными лампами, обеспечивая од

Юность нагрева.

тпл^еЛаТельно’ чт°бы для предотвращения стекания смола отверждалась
п ’ Но 310 противоречит необходимости большого времени гелео раю1
ьани°МУ Вь,б°Р времени отверждения является компромиссом, ри
С «™,.« » «„же могу. .»»« ПР'»™ У»-

Несколькими способами:
1) использованием тонких лент, что увеличива т ц ну волокон в расчете щ
килограмм;

2) уменьшением вязкости смолы, что ограничено возможностью стекания

3) пропусканием волокон через вальцы или отжимающее устройство, коц.
тролирующее количество наносимой смо 1ы,

4) последовательным пропусканием волокон через две ванны,

5) уменьшением скорости намотки.

Проблему пропитки часто решают последним способом, но это уменьшает
производительность процесса.

4.11.1. Намотка препрегом

Чтобы избежать использования жилкой термореактивной смолы
намотку осуществляют лентой препрега. В этом случае процессы пропитки и
намотки разделены. Преимущество препрегов состоит в возможности увеличе-
ния скорости намотки. Основными недостатками препрегов являются высокая
цена и необходимость уплотнения материала. Между слоями препрега имеется
воздух, который нужно удалять. Уплотнение должно происходить на началь-
ной стадии отверждения, пока низка вязкость смолы.

Материалы на основе реактопластов, особенно углепластики, имеют невы-
сокую ударную прочность. Поэтому приходится использовать термопластич-
ные смолы. При намотке жидкие термопласты применяют нечасто, поскольк\
ими трудно качественно пропитать волокна. В случае термопластичных матриц
при намотке используют препреги. Термопластичные препреги нелипкие, и
перед укладкой на оправку их нагревают мощными тепловыми лампами или
лазером. Перед укладкой ленты локально нагревают и нижележащий материал.

Проблема уплотнения в случае термопластичных препрегов серьезнее, чем
в случае реактопластов, потому что термопласты более вязкие. Если после ук-
ладки материал хорошо уплотнен, дополнительное нагревание, увеличиваю-
tee стоимость изделия, не требуется. Однако нагревание детали может потре-
боваться для получения требуемой степени кристалличности термопласта.

Добавки при намотке используют нечасто. Однако иногда используют ве-
щества, изменяющие вязкость и препятствующие стеканию смолы. Использу-
ют также пигменты. В некоторые изделия, например в недорогие трубы, я
увеличения жесткости при намотке вводят песок. Однако характеристики ма-
териала ухудшаются.

4.11.2.

Оправки

пагпныи п«п^п1ОК,,а HdMdIb,Ba,OT на оправку. Как правило, она имеет
Zm по ели РаВКа ДОЛЖНа б”ПЪ ,,рочной 11 Как и в случае пресс-

1тал^олжна И ёМСР°'‘ °ПРа”КИ опРсделя'°™ требованиями к деталям. Ес”1
ч”::етХоХгзмеры’требуется “ °бработка опрл|,к1"
’Мо*н

УС

5ом>ноэтО1

° УМ*Ч..

^«реактивной №
"Ронессы пропип
ВО 1МОЖН0СТИ уве.

>егон являются выс,.
оям и препрега и^х
| рои сходить на на\ц

пластики, имеютнень
1ьзовать термогии'
нют нечасто, поско.
•рмопластичных

препреги нелипкие
лиловыми ламп
шжележашийматс!"
репрегов серьезнее. '

„ичКие Если по-
вязкие с и

агревание, . ,,

.не детали м°*
,,..лгти терм°п

ИНО1Л1^

,.„ю смолы'

:ТЦК

Если деталь имеет открытый конец, оправка может извлекаться через него
цилиндрические оправки должны иметь гладкую полированную поверхность.’
Часто для снятия детали с одного конца они немного сужены. Если концы
детали закрыты, оправка снимается сложнее. Например, она может склады-
ваться подобно зонту, после чего ее вынимают из детали. Складывающиеся
оправки используют, если невозможно использовать более простые оправки

Оправки часто делают из песка, скрепляемого водорастворимым связую-
щим типа поливинилового спирта. После отверждения детали оправку раство-
ряют. Используют и плавящиеся оправки. Температура плавления должна быть
выше температуры отверждения матрицы. Плавкие оправки делают из термо-
пластичных полимеров и легкоплавких металлов. Растворимые и легкоплавкие
оправки используют для изготовления деталей сложной формы, которые не-
возможно снять с оправки.

Иногда оправки делают из хрупкого материала, который после отверждения
разбивают. Такие оправки раньше использовали для намотки корпусов ракетных
двигателей, но теперь от этого отказались из-за повреждения композита. В некото-
рых случаях после отверждения оправку оставляют в детали. Например, в автомо-
бильных баллонах для природного газа. Аналогичные баллоны с воздухом использу-
ют аквалангисты и пожарники. Оправку оставляют и внутри самолетных емкостей
для отходов. Металл придает материалу прочность и обеспечивает стойкость.

В последнее время оправки начали делать из термоусадочного полиэтилена
(с памятью формы). В этом случае отливают оправку с диаметром, при кото-
ром она может быть извлечена через отверстие наматываемого сосуда. Затем ее
нагревают и расширяют до нужного размера. Потом охлаждают, форма оправ-
ки фиксируется, и на нее производят намотку. После отверждения матрицы
температуру увеличивают еще больше, чтобы оправка сжалась до начального
размера, и ее можно было извлечь из детали. Эта процедура может быть повто-
рена много раз на одной оправке. Необходимо учитывать, что диаметр поли-
мерной оправки уменьшается под натяжением нитей. Сжатие компенсируют
внутренним давлением, величину которого в процессе намотки постепенно
Увеличивают. Оправка может провисать под действием силы тяжести, особен-
Но если она тонкая и длинная.

Тепловое расширение детали и оправки должно быть совместимым. При
НагРевании оправка не должна сильно расширяться. Один из методов решения
проблемы теплового расширения состоит в нанесении на оправку высокоэлас-
ичного материала. При расширении оправки он сжимается, что предохраняет
H3d;ib от чРезмерного растяжения. Можно делать оправки и из материала с
°льшим коэффициенгом геплового расширения.

Намоточные станки

самые
^еТали

Схема намоточного станка показана на рис. 4.11. Станки ’
Разные размеры, зависящие от длины шпинде зя Длина наматы
можег достигать 30 м, а в специальных случаях и больше.
Станки имеют несколько осей вращения. В частности, раскладчик может
двигаться перпендикулярно плоскости оправки, что облегчает намотку дета.
лей переменной толщины и обеспечивает укладку ленты на и кривленную
поверхность вблизи закрытого торца сосуда давления. Кроме того, расклад,
чик может вращаться вокруг своей оси, что облегчает укладку ленты на по-
верхность сосуда давления. Сложные намоточные станки имеют до четырех
осей вращения.

Одновременное использование нескольких оправок практически не приво-
дит к удорожанию станка. Для этого нужны лишь дополнительные шпиндели
на которых крепится оправка. Если диаметр детали не слишком большой, шпин-
дель можно разместить на имеющейся станине. Количество шпинделей огра-
ничено только размером помещения и мощностью двигателя. Существуют трид-
цатишпиндельные станки.

Специальным типом станка является полярная намоточная машина. Оправ-
ку в ней устанавливают вертикально, и вокруг нее вращается укладчик, нама-
тывающий волокна. Полярные станки просты, потому что укладчик движется в
одном направлении. Такие станки быстрее стандартных горизонтальных ма-
шин. Тем не менее их используют нечасто, поскольку они не позволяют нама-
тывать детали сложной формы. Полярные машины не могут делать изделия,
форма которых значительно отличается от сферической. Натяжение нитей кон-
тролируют натяжные устройства, использующие тормозные системы. Их мон-
тируют на шпулярник или регулятор. Они регистрируют изменение натяжения
жгута и корректируют силу трения.

Регулятор связывает скорость и вращение каретки со скоростью вращения
оправки. Современные регуляторы допускают ручное перемещение сенсора по
поверхности оправки. После этого регулятор выравнивает путь укладки и пока-
зывает его на мониторе. Затем он вычисляет сглаженный путь намотки, даю-
щий полный слой без промежутка между соседними витками ленты.

Разработан станок, делающий непрерывные трубы. Намотку осуществляют
с одного конца, причем угол намотки составляет почти 90 с осью трубы. Ци-
линдрическая оправка пропущена через кольцо, которое вращается и наматы-
ает волокна на оправку. Трубу непрерывно снимают с оправки и отверждают.

Прочность таких труб невысока, но вполне достаточна для систем водоснабже-
ния с невысоким давлением

При намотке на искривленную поверхность кольцевые слои не должны
скользить. Их наматывают, медленно перемещая раскладчик, который за один
оборот изделия должен сместиться ровно на ширину ленты, чтобы не было
промежутков между соседними витками. Спиральные слои наматывать слож-
нее. Один цикл включает движение ленты от одного конца детали до другого
и назад. Лента должна укладываться плотно, виток к витку без промежутка
между ними Для определения пути намотки в программу станка вводят угол
намотки, диаметр детали, длину детали, ширину ленты, диаметр вала, на ко-
тором крепится деталь, частоту вращения оправки и скорость перемещения
раскладчика. Для создания ровного слоя цикл намотки должен иметь четное
Р<1сКЛаг.

'ает

>ме того S

*ен?аЧ

ИМе1От До ?а"».

ЧИСЛО ВИТКОВ. Вычислением получают несколько значений углов и скоростей
Из нИх выбирают угол, дающии геодезически» путь, при кУотором ^ью
вОлокна не проскальзывают по оправке. Примерами геодезической намотки
являются кольцевые слои на цилиндре и большой круг на сфере. На практике
трение ленты допускает отклонение угла намотки от геодезического пути на
несколько градусов.

п₽ч

iM боЛьц?оПйИХ
0 шпинделе’й """•
• СУЩеСт^^.

На детали с открытым концом отсутствует полюсная деталь, вокруг кото-
рой производится намотка. Поэтому отсутствует точка крепления, в которой
изменяется направление ленты. Один из методов закрепления волокон состоит
во введении небольших стержней вблизи полюса детали. Когда раскладчик
достигает полюса, лента зацепяется за один из стержней.

1ая мащина. Оправ.
СЯ Укладчик, на>,
кладчик движется,
оризонтальных №
не позволяют нам.,
гут делать изделия,
тяжение нитей кон-
е системы. Их мон-
менение натяжспг

Основной недостаток намотки состоит в ограничении формы деталей. Де-
таль должна быть сферической или вытянутой и должна иметь ось вращения.
Для изготовления более сложных изделий намоточный станок неоднократно
модифицировали, в результате чего появился новый технологический метод,
называемый машинной укладкой волокон.

коростью врашеда
иешение сенсора г
1уть укладки и пок*
путь намотки, а**

- --осушХ^

потку

4.12. МАШИННАЯ УКЛАДКА ВОЛОКОН

Этот метод устранил многие ограничения на форму детали, свой-
ственные намотке. Укладочные станки имеют до девяти осей вращения, в то
время как намоточные — только три или четыре. Если расположение оправки
и каретки сходно с намоточной машиной, то сама каретка и особенно уклад-
чик намного сложнее. Машинной укладкой делают детали с вогнутой и даже
волнистой поверхностью.

Укладочный станок имеет сложный регулятор и высокоточный укладчик и
каретку. Он примерно в десять раз дороже намоточной машины. Кроме того,
производительность машинной укладки обычно составляет только 10 кг/ч, что
значительно ниже, чем намотки. При машинной укладке используются только
препреги. Количество действующих укладочных машин пока невысоко. Ма-
шинной укладкой производят детали космической техники с необычной фор-
м°и. Потребность в деталях сложной формы увеличивается, а стоимость стан-
ков будет снижаться. В будущем она может стать одним из ключевых методов
производства композитов.

°- ПУЛТРУЗИЯ

Пултрузия — метод непрерывного производства деталей п^ст<^^
зий°СеЧения- При пултрузии волокна вытягиваются через отверстие. У-и
экстп°Х0Жа На ЭКСТРУЗИЮ, но материал не продавливают через голо“^’ ме_
тОпп УЗИи’ а Вь,тягивают. Пултрузия является специфически комп
°ДОМ- Из-за высокой стоимости оборудования и возможности получать толь-
ко изделия постоянного поперечного сечения пултрузию используют менее
широко, чем другие процессы производства композитов.

Схема процесса пултрузии показана на рис. 4.14. Процесс начинается с
вытягивания непрерывных нитей со шпуль и собирания их в пучок, пропуска,
емый через ванну с жидкой смолой. Волокна пропитываются смолой и уплот-
няются в пултрузионнои головке, где приобретают требуемое сечение. Избы-
ток смолы из головки возвращается в ванну. Если нужно, в пучок добавляют
рубленые волокна или даже куски ткани, армирующие материал в перпендику-
лярном направлении. Стержни часто покрывают вуалью. Пропитанные волок-
на входят в нагретую пултрузионную головку, где они отверждаются.

Рис. 4.14. Схема процесса получения про
филей методом пултрузии

Рис. 4.15. Сравнение стоимости
деталей при различных техноло-
гических методах производства
композитов

выкладка препрегов уклад*

Пултрузия — непрерывный процесс с низкой долей отходов. Поэтом
стоимость одной детали ниже, а производительность выше, чем в ДрУгиХ
процессах производства композитов (рис. 4.15). Ее использование быстро
расширяется. Стержни постоянного сечения, которые раньше делали из
металла, теперь вытесняются композитами. Выпускается целый ряд пултрУ-
зионных машин.

Использование жгутов, состоящих из большого количества параллельны*
нитей, позволяет снизить количество шпуль. При пултрузии используют стек-
лянные, арамидные и углеродные волокна. Ориентация волокон в этом метод6
контролируется менее точно, чем при ручной послойной выкладке. Высоко-
прочные углеродные и арамидные волокна при пултрузии не используют.
геСС НаЧИи
‘ ПУЧ°К, П> с
я С^ОЙР?Ч.
Эе СечецИе УгЧ
* ПУЧОК ппК ^$Ц.
'Иал в перПеаВЛ!1Н1»
,ОПитаннь,ев^
'«Даются. *

>цесса
трузии

ПОлучения про.

при пултрузии волокна ориентированы преимущественно вдоль оси степж-
ня, но часть из них может иметь другую ориентацию. Поперечные волокна
(обычно пучки рубленых волокон или куски ткани) вводят сбоку. Их вводят в
пучок перед ванной со смолой или сразу после нее (пучок имеет избыток смо-
лы). Если поперечное армирование производят тканью, ее режут на полоски
небольшой ширины.

При пултрузии используют низковязкие быстро отверждающиеся смо-
лы. Как правило, это полиэфирные смолы, сильно усаживающиеся при от-
верждении. Усадка уменьшает трение материала в пултрузионной головке.
Сильная усадка обусловена большой концентрацией поперечных сшивок по
двойным С С-связям. Используют и эпоксидные смолы, но они усажива-
ются меньше и требуют большей силы вытягивания, и материал может зас-
тревать в головке. Чтобы уменьшить трение, пултрузионную головку покры-
вают тефлоном.

Для быстрой пропитки вязкость смолы должна быть достаточно низкой.
Это особенно актуально для тонких деталей, которые быстро отверждаются
и имеют высокую скорость пултрузии. Вязкость снижают за счет использо-
вания смолы с невысокой молекулярной массой. В этом случае увеличива-
ется концентрация сшивок и возрастает усадка, но матрица становится бо-
лее хрупкой.

Смола должна иметь относительно большое время гелеобразования, и по-
этому используют термоактивируемые инициаторы. В случае толстых деталей
одновременно используют несколько инициаторов, что позволяет снизить вре-
мя отверждения. Например, при использовании трех инициаторов один из них
начинает отверждение при сравнительно низкой температуре, что фиксирует
геометрию стержня и позволяет избежать закипания стирола. Тепловыделение
включает второй инициатор, обеспечивающий продолжение отверждения. Тре-
тий инициатор завершает процесс. Выбор инициаторов зависит от реакцион-
ной способности смолы, ее состава, формы стержня, температуры и скорости
пултрузии.

Проблемы, связанные с открытой пропиточной ванной, отсутствуют при
Н)к к ши смолы. Инжектор расположен прямо перед пултрузионной олов
о И’ закрытая камера, что устраняет испарение стирола и смолы (особенно
ЛаСНы остатки мономеров, используемых для синтеза фенольный смолы). Смола
Чт*- бь,ть смешана с инициаторами непосредственно перед впрыскиванием,
предотвращает слишком быстрое отверждение.

Мя проблемой Инжекции смолы является качественная пропитка во. окон Вре
СмоГ"ИТКИ нев~, и качество пропитки может быть не очень \ор< шг
сЖат/ ИнжектиРУют непосредственно перед пултрузионной головкой, и волоки
Пия J В ПОпеРечн°м направлении, что также затрудняет пропитку. Для улучше

Ропитки непосредственно перед инжекцией CMOiy иногда нагревают
к°н "УЛТРУ^онной головке волокна уплотняются. Скорость протяжки
НесКол?*На обеспечивать отверждение. Обычно пултрузнойная го овм

Ко НагРеваемых зон, в которых тщательно контролируется
Полые стержни делают с помощью цилиндрических вставок в головку. Задняя
часть головки имеет вставку, вокруг которой сходятся волокна. Типичная ско-
рость пултрузии для деталей толщиной 0,1 8 см составляют 0,6 1,2 м/миц,
Скорость пултрузии определяется скоростью отверждения смолы, а диаметр
получаемых стержней может достигать 5 м.

Пултрузионные головки делают из инструментальной стали, и они могут
быть дорогими. Длину головки стремятся уменьшить, даже если отверждение
оказывается неполным. Доотверждают стержни в печи, но для этого они долж-
ны быть достаточно твердыми. Иногда стержень доотверждают в специальном
устройстве, немного изменяющем его форму. Этим способом производят стер-
жни непостоянного поперечного сечения.

Иногда отверждение ускоряют, нагревая материал сверхвысокочастотным
(СВЧ) излучением. Для этого часть пултрузионной головки, через которую вводят
СВЧ-сигнал, делают из керамики. СВЧ можно использовать вместе с обычным
нагреванием.

Используют два способа вытягивания отвержденных стержней. При первом
стержень вытягивают двумя непрерывными лентами, напоминающими гусени-
цы трактора, сжимающими стержень. Ленты имеют выемку, соответствующую
форме вытягиваемого стержня. В этом случае легко регулируется скорость вы-
тягивания стержня. Непрерывность движения лент обеспечивает постоянную
тягу. Другая система вытягивания стержня состоит из двух устройств, которые
поочередно зажимают и тянут сформованный композит. Когда одно устрой-
ство зажимает и вытягивает стержень, другое возвращается в исходное положе-
ние, чтобы быть готовым к зажиманию, когда первое достигнет конечной точ-
ки вытягивания. Композит в этой системе движется непрерывно. Форма зажи-
мов соответствует форме детали.

Пултрузией получают непрерывные стержни, которые перед упаковкой раз-
резают. Резак перемещается вместе со стержнем. В результате отрез осуществля-
ется строго перпендикулярно оси стержня. Пила установлена на скользящем
столе. Когда точка отреза проходит через датчик, активизируется зажим на стои-
ке пилы, и она начинает двигаться вместе со стержнем. Пила включается, а
после разрезания зажим ослабляется, и пила возвращается в исходную точку.
Композиты абразивны, и поэтому используют алмазные или карбидные резаки

При пултрузии детали могут иметь самую различную форму. Например*
форму стержня, трубы, короба, Г-образных уголков, U-образных балок, плос-
ких полос и двутавровых балок. Их размеры могут меняться очень широко
Например, U-образные балки могут иметь ширину от 5 до 25 см.

Детали стандартной формы производят в больших объемах. Пултрузию ис-
пользуют для изютовления деталей дверей грузовиков, боковин железнодо
рожных вагонов, половых перекрытий самолетов, автомобильных пластинча-
тых рессор, ступенек лестниц и коробов электропроводки. Объем деталей, и
готавливаемых этим методом, быстро увеличивается. Пултрузией изготавливав
лестницы подъемников, устанавливаемых на грузовиках для доступа к линиям
электропитания Это обусловлено их низкой стоимостью и безопасностыс*
Композитные лестницы легче алюминиевых. Кроме того, стеклопластик не
проводит электроток, поэтому работа безопасна. По этой же причине из стек-
лопластика делают переносные лестницы. Пултрузией делают даже болты
резкой резьбы на цилиндрические стержни.

на-

414< ПРОИЗВОДСТВО композитов
НА ОСНОВЕ ТЕРМОПЛАСТОВ

1еРхвыСОКочасто

чеРез которую

'ТНЫм

ввод?

ать вместе с обычн

1Ы||

тержней. При первое
оминающими гусени-
1ку, соответствующую
тируется скоростьви
печивает постоянна
ух устройств, которые
г. Когда одно устрой-
ся в исходное полом-
стигнет конечной т(1
рерывно. Форма за»*

Технология формования композитов на основе термопластичных мат-
риц зависит от длины волокон. В случае коротких волокон применяют традици-
онные технологические методы формования неармированных термопластов. Если
волокна более длинные, то при некотором изменении технологии материал также
может быть получен, как композит на основе термореактивной матрицы. Разрабо-
таны и уникальные методы формования высокопрочных термопластов.

Преимущества композитов на основе термопластичных матриц состоят в
том, что они примерно на 25 % дешевле композитов с термореактивной матри-
цей из-за уменьшения времени формования, в возможности устранения де-
фектов повторным формованием, в низкой горючести и высокой химической
стойкости термостойких термопластов. Недостатками являются сложность про-
питки волокон и высокая температура формования.

Пропитать волокна термопластом гораздо сложнее, чем низкомолекуляр-
ной термореактивной смолой. Для облегчения пропитки увеличивают темпера-
туру, но она ограничена температурой деструкции полимера и нагревания обычно

перед упаковкой
отрез осушеств.
овлена на сК°Л

>тате

м. Пила

„ли >

> до

,бъемах-

’мо 0^"
1КИ' «ей изГ
лтРУзИ пСтуПа

недостаточно. Вязкость снижают растворителем, но его нужно удалять из ком-
позита. Кроме того, термостойкие термопласты плохо растворяются, и требу-
ются дорогие и часто ядовитые растворители.

В случае коротких волокон (длиной 0,1 — 1 мм) композит получают, вводя
волокна в экструдер в конечной части пластикационного цилиндра, где поли-
мер уже расплавлен (рис. 4.16). Из смеси волокон и расплава полимера получа-
ют гранулы длиной 3—5 мм. Их используют как сырье для формования деталей
из неармированных термопластов. В зависимости от формы головки волокна
могут ориентироваться или оставаться случайно направленными.

Если нужны более длинные волокна, пучок непрерывных волокон пропус
кают через ванну с расплавом термопласта. После охлаждения пучок рубят на
ГранУлы длиной примерно 5 мм. При использовании таких волокон может по-
адобиться модификация оборудования, например увеличение диаметра лит
лить’ Н° °б0рУД0иание и технология остаются тем же, что и при традиционном
термопластов под давлением.

нтересный метод проии 1ки состоит в использовании ги риднои 1каш ,
^Щей из стеклянных и термопластичных нитей. Волокна одного типа образую

°Ву’ а лругого — уток. При нагревании термопластичные волокна ал‘*

нУю ^ТЫ|1‘1К)Г аРмиРУютие волокна Этот метод позволяет использоват

У1° технологию получения тканей, волокнистых заготовок, вязаных изделии
других волокнистых материалов. Текстильная технология весьма развита и позво-
ляет получать ткани и волокнистые заготовки весьма сложной формы.

Рис. 4.16. Рисунок одношнекового экструдера (я) и ориентация волокон в термопластич-
ных композитах при экструзии {б — со стандартной головкой; в — с расширя-
ющейся головкой):

бункер с полимером; 2 шнек; 3 — цилиндр; 4 — полость для циркуляции воды.
5— нагреватель; 6— подача волокон; 7— головка

4.14.1. Формование композитов,
армированных короткими волокнами

4.14.1.1. Экструзия

Термопласты смешивают с короткими волокнами в экструдеРе‘
Стержни различной геометрии формуют в экструзионной головке, через кото-
рую выходит расплав полимера и стекловолокон (рис 4 16 а) Экструзионная
головка может иметь круглую форму, но может быть широкой и плоской-
^РМь,

С помошью внутренней вставки делают трубы. При течении расплава волокна
ориентируются преимущественно в направлении течения. В этом же направчё-
н„и в экструзионной головке ориентируются и полимеры. Степень ориентации
увеличивается при увеличении длины и уменьшении толщины канала головки.
Головки специальной формы позволяют ориентировать волокна в перпендику-
лярном направлении или получать случайную ориентацию волокон.

4.14.2. Литье под давлением

олокон в тер.

эловкой; в

пля ЧИРК>
ОСТЬ ДлЯ

^‘L

„ э‘£'Р, |

е,
-

Литье под давлением термопластов используют очень широко, по-
тому что оно легко автоматизируется и процесс может быть очень производи-
тельным. Короткие волокна позволяют существенно увеличить прочность и
жесткость полимера. Характеристики могут быть легко увеличены втрое по
сравнению с неармированным полимером. Содержание волокон может дости-
гать 30 вес. °о, а для некоторых полимеров и 50 вес. %.

В типичной литьевой машине гранулы полимера подаются из бункера Вра-
щающийся червяк продвигает материал вперед в зону нагревания экструдера.
Полимер плавится благодаря совместному действию нагревателя и перехода
механической работы шнека в тепло. Стекловолокна вводят в зоне, где завер-
шено плавление термопласта. В некоторый момент червяк перестает вращаться
и совершает поступательное движение. Это вводит расплавленный материал
через литниковые каналы в форму. Обратный клапан в конце пластикационно-
го цилиндра предотвращает обратное течение пластиката. В самых простых
формах полимер в литниковых каналах твердеет вместе с деталью. Материал
отрывается от детали при извлечении из формы. Некоторые формы имеют го-
рячие литниковые каналы, материал в которых не твердеет. Форму открывают
после охлаждения, и деталь извлекают с помощью выталкивателей.

Литьевая форма может иметь одну или несколько различных полостей, по-
зволяет одновременно отливать различные детали. В литьевых формах могут
иметься вставки, что позволяет создавать решетчатые и полые детали. Литье-
вь,е Машины характеризуют объемом впрыска и давлением замыкания формы.
°бъем впрыска равен объему детали и литниковых каналов. Типичное значе-
Ние объема впрыска равно 30—400 г.

Волокна замедляют течение расплава, особенно если они ориентиру клея
итниках. Поэтому литники должны быть шире, чем в литьевых машинах ы
Армированных полимеров. Это касается и ширины стенок, ре кр жесткое
И ДрУ'их тонких сечений деталей. Если сечение узкое, волокна могут перс-

Ь? его- ^та проблема возникает и в углах деталей.

Ьсли желательно, чтобы волокна были случайно ориентирован нь.ми w всем
THovMe ДеТ°и’ каналы течения должны бьпь широкими. оло^1 ‘ я низкая.

ются, если температура пластиката высокая, а скор°СТЬГ' и м форМе
ВстРеча^'еМЬ1 М°ГуТ |,О,,1ИК||УТЬ’ если ,,меется НеСК°п^оскосаи встречи пото-
ков 1Ся [|°токи материала из разных лишиков. Гр,|Ицх потоков на

°8 На‘ьшаЮт линиями сварки (рис. 4.17). Волокна из соседних по.оков

линии сварки должны взаимно смешаться. В противном случае граница пото-
ков оказывается неармированной и имеет пониженную прочность. Для облег-
чения смешения волокон поднимают температуру и увеличивают время теме-
ния пластиката. Проблемы ориентации волокон, затрудненного течения и сварКи
соседних потоков могут потребовать модификации оборудования или измене-
ния температуры и давления литья. Увеличение температуры удлиняет цикл
формования.

Рис. 4.17. Линия сварки в полости формы. Стрел-
ками показаны линии течения расплава

4.14.3. Формование в открытых формах

Проблема пропитки волокон фактически исключает применение
«мокрых» методов формования композитов на основе термопластичных мат-
риц. Поэтому используют препреги. Из них делают как веши широкого по-
требления (например, из стеклопластика с полипропиленовой матрицей), так
и высокопрочные композиты типа углепластика с полиимидной матрицей.

Производят гибридные ткани, состоящие из армирующих и термоплас-
тичных волокон. Гибридная ткань содержит и матрицу, и армирующие во-
локна. Поэтому ее можно использовать при ручной выкладке. Ткани не склон-
ны к взаимному сдвигу и нет необходимости скреплять их тепловой пушкой.
Их недостатком является необходимость длительного прогрева для плавления
полимерных волокон и значительного давления для пропитки армирующих
волокон. Препреги с термопластичной матрицей имеют неограниченный срок
хранения.

Мешки для хранения термопластичных препрегов похожи на мешки для тер-
мореактивных препрегов, но должны выдерживать более высокую температуру,
поскольку препреги перед использованием часто подогревают. Обычно их дела-
ют из полиимидной пленки Каптон, выдерживающей температуру 370°C, или из
алюминиевой фольги. Гермитизирующая пленка, волокнистый фильтр и дыха-
тельный слой также должны быть теплостойкими.

Термостойкие термопласты плавятся при температуре 260—370 °C, в то время
как температура отверждения эпоксидных смол обычно составляет 120—160 С.
Форма и фитинги автоклава должны выдерживать высокую температуру. Пресс"
формы на основе термореактивных смол при столь высоких температурах Ра'
ботать не могут. Помимо высоких температур формования, проблемой являет-
ся и различие коэффициентов теплового расширения композита и формы. Ос-
ложнения вызывают и высокие давления формования, обусловленные высокой
вязкостью термопластичной матрицы.
I
'Го '"'"и,**’ Ч I
п

т Ину

Прости форм
чения Расплава *

лючает применен :
) мол ластичных мт-
вещи широкого"!
о вой матрицей), >
идной матрицей. I
юших и термогй*
и армирую^ ’

Хке. Ткани несм'
[Х тепловой путь

гревадл

армпР’ „
нннйС'

Особенность станков для выкладки термопластичных препрегов состоит в
наличии нагревателя на укладчике. Непосредственно перед укладкой часть ленты
препрега нагревают, и она становится липкой.

Инжекцию жидкой термопластичной смолы используют очень редко. Без
экструдера значительный объем полимера расплавить сложно. Но даже при
высоких температурах вязкость термопластов слишком высока для качествен-
ной пропитки волокон. Кроме того, давление инжекции термопласта в волок-
нистый материал должно быть высоким, что приводит к смещению волокон.
Чтобы смола при инжекции оставалась жидкой, форму нужно нагревать, что
также может быть проблемой.

Мокрую намотку не используют. Это связано с тем, что при пропускании
волокон через пропиточную ванну сохранение термопласта в расплавленном
состоянии является проблемой. Кроме того, термопласт имеет высокую вязкость
и волокна пропитываются плохо. Поэтому при намотке используют препреги.

Препреги изготавливают протягиванием нитей через расплав термопласта
и через систему роликов, создающих сдвиговую деформацию. Иногда препреги
дополнительно покрывают порошком термопласта, хотя после этого он может
частично осыпаться.

Ленту препрега используют в стандартном намоточном станке, модифици-
рованном для обеспечения высокой температуры и повышенного давления в
точке контакта с оправкой. При нагревании препрег размягчается, что обеспе-
чивает связь с соседними слоями. Намотанные слои препрега могут подогре-
ваться, чтобы они оставались липкими при намотке следующего слоя. Исполь-
зуют несколько методов нагревания. Область, на которую укладывают препрег,
греют мощными лампами. Саму ленту нагревают светом лазера, фокусируемым
перед точкой укладки.

Уплотнение термопластичных препрегов после намотки может быть про-
блемой. Для этого часто используют автоклавное формование.

)ПИТКИ

еограниче

ки на ме

темпер3 -1
ысоку^т

-зч * * 7°

1ЮТ-

;ратурУ тР

ч«|4.4. Пултрузия

Проблема пропитки волокон присуща и пултрузии. Однако она не

СТОль серьезна, как при намотке, потому что термопласт и волокна проходят

ЧеРез пултрузионную головку, где они дополнительно нагреваются и уплотняют-
СЯ‘ Скорость пултрузии невысока, и волокна успевают хорошо пропитаться. Сдви-
Вое ПеРемещение материала в пултрузионной головке улучшает пропитку воло
а°Н ТеРМопластом. Температура в разных зонах головки может быть различной.
саНг^°Т0Р0М сечении головки деталь для придания жесткости может охлаждать
хлаждение может осуществляться быстро, и полное время нахождения ма
ер^а в головке может быть меньше, чем в случае термореактивнои смолы.
дИт ИТельна« выдержка расплава термопласта в нагретой ванне может при во
иить к его деструкции. Один из методов решения этой проблемы состоит в
Секции термопласта перед пултрузионной головкой. Затем композит прохо-
ПИТ ^Рез головку, где он нагревается и уплотняется. На выходе из головки
материал охлаждается. Нагревание инжектируемого термопласта может быТ1>
осуществлено небольшим экструдером. При пултрузии можно получать изд^.
лия стандартной формы (пруты, трубы, I-образные балки и т. д.), а потом не-
много изменять их форму. Пултрузию термопластичных композитов и с пользу,
ют очень широко.

4.14.5. Прессование

При прессовании термопласт обычно плавят вне формы. Волокна
могут быть предварительно смешаны с расплавом термопласта или представ-
лять собой заготовку, в которую инжектируют термопласт. В обоих случаях
введение термопласта является проблемой.

4.14.6. Специфические методы формования
термопластичных композитов

Прессование термопластичных композитов показано на рис. 4.18.
Процесс начинается с выкладки препрегов согласно схеме укладки. Они могут
фиксироваться, но часто это не нужно. Для повышения эффективности про-
цесса сначала делают заготовки, которые помещают на полки, откуда они авто-
матически подаются на конвейерную ленту и в печь. Заготовки нагревают, что-
бы термопласт размягчился, но не плавился.

Горячую заготовку укладывают в двухстороннюю форму с соответствующи-
ми половинами. Температура формы обычно ниже температуры размягчения
препрегов. Форму закрывают и материал прессуют. Термопластичные препреги
немного растягиваются и принимают контур формы. Поскольку волокна спо-
собны лишь к небольшому растяжению, этим методом можно делать не слиш-
ком сложные детали. Этим способом прессуют и препреги на основе рубленых
волокон. В форме волокна расходятся, и материал несколько удлиняется.

В холодной форме деталь быстро охлаждается и твердеет. Время нахожде-
ния заготовки в форме может составлять лишь несколько секунд, а весь цикл
производства обычно составляет от двух до десяти минут, что значительно мень-
ше времени формования реактопластов. Чтобы обеспечить воспроизводимость
размеров детали, устанавливают стопор, ограничивающий движение половин
пресс-формы. Прессующее давление обычно невысокое.

Иногда используют одну металлическую и одну гибкую части формы. Гиб
кая часть пресс-формы может соответствовать металлической части. Для тоН
ких панелей, когда деформации невелики, гибкая часть формы не обязательно
точно соответствует ее металлической половине. Комбинация жесткой и гиб
кой частей формы обеспечивает хорошее уплотнение композита. Давление со
здается гибким материалом или гидравликой. Используют и две гибкие части
пресс-формы.
4I.

*ят Вне

Мопласта Ч

>пласт. в Преаств
об°их в'

ИЯ

в показано на рис. 4.]
кеме укладки. Онимо^
<ия эффективности пго-
I полки, откуда они авк
аготовки нагревают, ч~

)орму с соответствуют-

емпературы размят

рмопластичные препр^
Поскольку волокна с
1 можно делать не с
реги на основе Р>
колько У^иНЯеТнах0)кГ
вердеет. Время-;

секунД» омеьь'
О значите,-11
„ воспРо^°>
й ДвИ*еН г#
части Ф°С

дько

>чить

ЭШИИ

,ое.

|бку!°

ть

<бинаИ,1Я

и Дре

давление в процессе формования может изменяться. Если материал не пол-
ностью заполняет металлическую пресс-форму, давление может быть увеличе-
о Это особенно важно для деталей сложной геометрии. Если процесс упра -
Яется только давлением, термопласт может выдавливаться из препрега

Рис. 4.18. Прессование пластин предварительно нагретого термопластичного композита

Даже если используют холодную пресс-форму, она нагревается от горяче-
го композита. В случае высоких температур формования это может быть про-
блемой. Поэтому для теплоизоляции пресс-формы могут иметь слой каучука,
авление зависит от толщины прессуемой пластины и типа матрицы. Для
Дастин углепластика толщиной 6 мм типичное давление равно 0,7 1,7 МПа.

кие пресс-формы меньше стоят и меньше повреждают волокна, чем ме-
т<и1лические.

Термопластичные композиты допускают двухстадийное формование. На-

ПластинУ можно сделать пултрузией, затем нагреть и согнуть под тре-
илижМ УГЛОМ- А™ этого обычно используют зажимающее приспособление
лен и РМУ’ гарантиРУ*°Щую нужный угол изгиба. Изгиб может быть осушеств-
Дотек/ ГТесс'Ф°Рме, имеющей вид угла. Пластину можно июгнуть, нагрев ее
Часть еРаТуры Размягчения термопласта. Нагревать нужно только изгибаемую
пРимеДеТаЛИ НагРев может быть осуществлен направленным источником,

Р линейным нагревательным элементом (как в тостере), лазером
мощной лампой. Это важно, если имеются фитинги или другие детали из
термостойких материалов.

Одна из проблем термоизгиба пластин состоит в нарушении ориентир
волокон в области изгиба. Изгиб может создать зону с избытком матриц^
может привести к разрушению волокон или нарушению ориентации волокон
Эти проблемы частично решаются медленным изгибом и использованием вы-
сокого давления. Термоизгибом изготавливают авиационные N-образные по-
ловые и стенные панели.

кр’
а
до
,iei
ях

4.14.7. Последовательное формование

Крупные детали изготавливают из термопластичных композитов
последовательным формованием не всей детали, а ее частей, что позволяет
уменьшить размер оборудования. Прессуют часть панели, затем пресс-форму
перемещают на соседнюю область, которую также нагревают и прессуют Де-
таль формуют за несколько операций. Между формуемыми областями должны
иметься переходные зоны, уменьшающие искривление материала на границе
прессуемой области.

4.14.7.1. Двухстадий ное формование

При двухстадийном формовании детали придают требуемую фор-
му в холодном виде. Затем ее нагревают и выдерживают в течение значительно-
го времени (до 20 ч) при температуре несколько ниже температуры плавления.
Это приводит к деформации матрицы. Температура формования зависит от
полимера, причем часто ее приходится выдерживать в узком диапазоне. Если
температура слишком низкая, материал не прессуется. Если она излишне вы-
сокая, ухудшается качество поверхности и ламинат может расслоиться.

4.14.7.2. Прока тка

Длинные детали можно формовать, пропуская горячую термоплас-
тичную заготовку через ряд роликов, постепенно изменяющих ее форму. Из-
менение формы каждым набором роликов небольшое, но полное изменение
формы детали может быть весьма значительным

4.15. РЕМОНТ КОМПОЗИТОВ

Обнаружение дефектов и ремонт композитов является весьма не
простой задачей. Снижение прочности вследствие появления дефектов
представлять угрозу. Часто решение чинить деталь основывается не на очевиЛ
ном повреждении, а на предположении, что мог появиться незаметный снарУ
жи внутренний дефект. Он может быть крупным и серьезно снижать работо-
способность детали.

ЖИ
зи
pa-
pal

ИЗ!
ре.
ра.
де1
цы
во.
ЗВ(
вр<
уд;
ЗИ'
pai
ни
ум
пр
то
ма

Ис
Нь

Ра
Уд
Уч
По
Да

Ьо
Уд
Ко
I

ПЛаст^ных te

'e ЧасМ чщ

;Р^ЮТ и пре.
мы ми областям

1ие материала

, придают требуй:
ют в течение
1е темпер.*г ги
м формования
ь В узком диз
гся Если 01,1,1
•*" .г,.

11-Ю

|й гор*14 .

,пчск я ,хе;
.йяК'И1И

к М н° Г’0’1'*

4.15. Ремонт композитов —J

4.15.1. Повреждение при ударе

Из композиционных материалов делают как небольшие, так и очень
крупные детали. Длина корпуса ракетного двигателя может превышать 10 м,
адлина лопасти ветряного двигателя — превышать 30 м. Делают яхты длиной
до 20 м. Дефекты могут появиться уже на стадии производства. После изготов-
ления изделие перемещают по цеху, перевозят и разгружают На всех операци-
ях высока вероятность появления дефектов.

Внутренние расслоения и отверстия снижают прочность композита похо-
жим образом. Поэтому отверстие адекватно моделирует повреждение компо-
зита при ударе. На сжатие испытывают образцы с отверстием стандартного
размера (обычно диаметром 6 мм). Образцы с отверстием испытывают и на
растяжение.

Один из способов оценки чувствительности материала к удару является
измерение размера образовавшегося дефекта. Размер дефекта может быть оп-
ределен ультразвуковым методом. В композите с термопластичной матрицей
размер повреждения меньше, чем в случае эпоксидной матрицы. Глубина ин-
дентации также характеризует стойкость к удару. В случае эпоксидной матри-
цы она больше, чем в случае термопластичной матрицы.

Основным фактором, влияющим на степень повреждения, является тип
волокон. Например, использование органопластика вместо углепластика по-
зволяет существенно уменьшить размер повреждения при ударе. Размер по-
вреждения зависит и от формы волокон. Композиты на основе ткани после
удара имеют более высокую остаточную прочность при растяжении, чем компо-
зиты на основе однонаправленных слоев. Причина состоит в том, что однонап-
равленный материал сильнее растрескивается, а в ткани точки переплетения
нитей останавливают трещину. Волокна в этих точках изогнуты, что приводит к
уменьшению прочности. Таким образом, если важнее прочность материала,
предпочтительнее однонаправленные препреги. Если важнее ударная прочность,
то ткань. Поперечное прострачивание слоев материала подавляет расслоение
материала при ударе.

Другой метод снижения повреждаемости материала при ударе состоит в
использовании гибридов на основе волокон разного типа. Например, стеклян-
ные волокна смешивают с углеродными. Стеклянные волокна останавливают
распространение трещин и снижают размер дефекта. Это позволяет повысить
ударные свойства и уменьшить стоимость материала. Модификация смо ы ка-
учуком снижает повреждаемость композита при ударе. Такие смолы имеют
повышенную деформацию при разрыве. Термопластичные полимеры повреж-
даются еще меньше.

Иногда менее хрупкие волокна, например арамидные, размещают на по-
верхности пластины, где наиболее вероятен удар. Стеклянные или углеродные
волокна размещают в середине пластины. Такая структура повышает защиту от
Удара. Так делают легкие переносные пешеходные мостики. Повышенную стой-
кость к удару гибридных композитов используют в бронежилетах, в которых

157
для максимальной баллистической зашиты слои арамидных волокон череду^
со слоями СВМПЭ-волокон. Это проявляется и в случаях, когда в соседНи
слоях используют различные матрицы или даже углеродные волокна различно,
го типа, например высокомодульные и высокопрочные. Чем больше различу
ются слои, тем сильнее эффект.

При ударе небольшие образцы повреждаются сильнее, чем крупномасш.
табные изделия. Как следствие, прочность при разрыве небольших образц0в
после удара снижается гораздо сильнее. Причина такого поведения состоит в
том, что в больших деталях энергия удара распределяется на более крупную
область, уменьшая повреждение вблизи точки удара. Это гарантирует, что ха-
рактеристики крупных изделий снижаются меньше, чем небольших лаборатор-
ных образцов. Например, размер повреждения уменьшается при увеличении
толщины стенки сосуда давления. Это объясняется тем, что толстые стенки
меньше прогибаются и, как следствие, меньше повреждаются. В частности,
тонкостенные сосуды на стальной оправке при ударе повреждаются меньше
чем без нее.

Стойкость к удару зависит от способа укладки слоев. Энергия удара легко
передается к соседнему слою многослойного ламината, если направления во-
локон в слоях совпадают. В этом случае повреждение оказывается более серь-
езным. Для снижения повреждаемости направления укладки смежных слоев
При ударе растрескивание композита со схемой
укладки слоев [90/0/90/0] ниже, чем со схемой
[90/90/0/0] или [90/0/0/90].

В трубе или сосуде давления, находящемся
под внутренним давлением Р, осевое напряже-
ние (рис. 4.19) равно:

должны быть различными.

Рис. 4.19. Напряжения в стенке
трубы, находящейся под внут-
ренним напряжением

Радиальное напряжение

(4.1)

где R — радиус трубы; t — ее толщина.

в стенке вдвое выше:

Таким образом, напряжение в кольцевых слоях вдвое выше. Как следствие,
поврежд ние внешних кольцевых слоев опаснее, чем спиральных. Поэтому ПРИ
проектировании кольцевые слои обязательно закрывают спиральными.

Если корпус сосуда давления, трубы или ракеты делается из изотропного
металла, толщина корпуса должна быть такой, чтобы выдерживать радиальное
напряжение. При этом прочность в осевом направлении оказывается завышен
ной. Использование волокнистых композитов позволяет дополнительно сии
зить вес корпуса сосуда давления путем оптимизации прочности в осевом и
радиальном направлениях. Это является дополнительным преимуществом ком-
позитов по сравнению с металлами.
М бол?Ч5

иа Сад,,'X.I
_аРантиРУе ₽УЧ
)оЛЫцИх ’Ч14
ся "р« 2*»
что «22
“™-в **
Реждаются мень.

В случае дорогих или критически важных изделий используют удаляемые
защитные оболочки. Вес космических аппаратов снижен до минимума. Поэто-
му запас прочности невелик, и при транспортировке и хранении используют
защитную оболочку. Перед пуском ее удаляют. Защитные оболочки делают из
металла или композита. Иногда защита может использоваться повторно.

В сосудах давления иногда используют внешнюю защиту критически важ-
ных областей. Например, переходных зон, где кончаются кольцевые и начина-
ются спиральные слои намотки. Иногда защитный слой приклеивают к компо-
зиту в наиболее опасных местах. При этом увеличивается вес изделия.

Энергия удара ле»
ли направлениям
ывается более сер
дки смежных с.-
эм позита со схем
дже, чем со ext

4.15.2. Оценка поврежденное™

Оценка степени поврежденное™ начинается с визуального осмот-
ра Для этого поврежденная область должна быть доступна для осмотра. Про-
блемой являются скрытые повреждения, которые могут быть внешне незамет-
ными (рис. 4.20). При ударе может растрескаться матрица под поверхностью
слоя Повреждение часто имеет форму конуса, расширяющегося от точки уда-
ра, и у задней поверхности ламината может наблюдаться обширное расслаива-
ние. Если может быть осмотрена только одна поверхность, предполагают, что
противоположная сторона повреждена сильнее, чем со стороны удара

ения, находяше
р, осевое напр°‘

Точка удара

Рис. 4.20. Внутреннее растрескивание слоистого композита

толшина-

ха* cJlC а
аль*

>етс" Л

Визуальный осмотр необходим для решения вопроса о ремонте, он должен
Делаться с нескольких углов зрения. Сначала повреждение осматривают под
прямым углом. При этом измеряют глубину повреждения. Затем повреждение
осматривается под другими углами, обращая внимание на нарушение г адкос-
11 поверхности и появление небольших трешин.

Осмотр сопровождают простукиванием, обращая внимание на изменение
’Вука- как при простукивании железнодорожных колес. Испытание основано

Различном звучании дефектных и неповрежденных областей. штается, т
Вук изменяется только вблизи дефектов. Простукивание обнаруживает изме-
Не"ие тона. Затем отступают на 1-2 см, простукивают снова и делают флома-

Р°м метку, указывающую границу дефекта. Простукивание повторяют, пока

flp6
не выявляется весь контур дефекта. Применимость простукивания ограНИч
толщиной детали. Оно хорошо работает, если деталь тонкая, а дефект нахОдит
ся близко к поверхности. В случае деталей сложной геометрии, когда Мате
звучит различно в разных местах, этот метод работает хуже.

Метод простукивания весьма хорош, но ограничен небольшими областям
где подозревается наличие повреждения. Если должна быть осмотрена боДь.
шая область, простукивание становится утомительным и часто проводится г0.
ролях. При простукивании важен опыт рабочего. Для простукивания можно
использовать пятирублевую монету. После визуального осмотра и простукивд.
ния применяют инструментальные методы неразрушаюшего контроля.

4.15.3. Технология ремонта

В 1960-е годы изделия из композитов имели большие коэффици.
енты запаса прочности. Это было связано с недостатком опы а использования
новых материалов. Таким образом, безопасность была высокой. Достоинством
материалов со сверхзапасом прочности является малая чувстви ельность к де-
фектам. Сегодня коэффициенты запаса меньше. Структура ламинатов и ориен-
тация слоев оптимизированы, а их вес уменьшился. Поэтому важен ремонт.
Имеется два основных типа ремонта: внешняя накладка и замена поврежден
ной области.

4.15.3.1. Внешняя накладка

Внешняя накладка устанавливается на поврежденную область
(рис. 4.21), что увеличивает толщину детали. Этот метод аналогичен установке
заплаты. Он увеличивает вес изделия.

Поврежденная

пластина

Рис. 4.21. Ремонт при помощи

Внешняя
накладка

Усиливающая
накладка

Вставка

внешней накладки (я) и вставки (б)

k\\W\\\\\\53

1И большие к»
м опыта испод!
ВЫСОКОЙ. Дости,
I чувствительность,
гура ламинатов и
Поэтому важен р
,ка и замена повд

повреждений
год аналогичен г

/ / 1 Л Монт ко\пк инн > 1*

Накладка может быть приклеена или ирикреп юна болями 1олаые .ими
наты ремонтируют, покрывая ............... ма.ериа/i слоем о.верл киною

композита или ме1алла. ( оедипепие осуп1ес1вляк>| (минами по высверленным
и усиленным отверстиям. Внимание должно улеляп.ся л тне ник та н и ра ше-
ру болтов, числу их рядов и расстоянию тк> края пластины При ремонте yi те-
пластика необходимо учи!ыва(ь 11О!ен11иальну|о коррозию

4.15 3.2, Ремонт с е поврежденной области

В лом случае удаляю! поврежденный материал, а в обра зов няпу-
юся выемку вводят вставку и при помощи накладок и болтов соединяю! с
поврежденной пластиной (рис. 4.21, t7). 1акой ремош приводи! к ослаб юнию
изделия. Если этого допустить нельзя, в выемку вводя! неотверж юнный мате-
риал и отверждают. При осмотре границу дефекта отмечают маркером, и по-
врежденный материал удаляют фрезерованием или вырезанием. Для вырезания
используют дисковую пилу. Резаки с возвратно-поступательным пзижением
лезвия типа ножовки использоваться не должны, поскольку они инициирую!
продольное растрескивание композита. Хорошие пилы имею! высокую ско-
рость резака, небольшое давление на материал и пи жую скорость резания.
Удаляемая область должна иметь вид овала или окружности, чю снижает кон-
центрацию напряжения. Следует избегат ь острых углов, и вырезы юлжны иметь
значительный радиус закругления. Для углепластиков хороши алмазные реза-
ки. Они дороги, но служат долго.

После удаления поврежденной области в образовавшуюся выемку вводят
заменяющий материал. В идеальном случае он полностью соответствует ориги>-
нальной структуре, не превышая ее по прочности, жесткости и весу. В npoiив-
ном случае появится концентрация напряжения, снижающая прочное»ь сосед-
них областей. Вводимый композит будет нести ту же нагрузку, только если
ремонтный материал соответствует слоям первоначальной структуры Направ-
ление вводимых слоев должно соонзстст вовагь направлению opni инальныч слоев.
Поэтому сначала нужно определить направление ориент тип слоев ремонти-
руемого композита.

Имеются и дру!ие требования, например хорошая ашезия ремонтируемого
и заменяющего материала, гладкость детали после ремонта, качсс! венный вне-
шний вид и т. д. Однако наибольшее значение имеет cooibctcibhc по прочно-
сти, жесткости и весу заменяющего и opni ппаиьною Maicpiiajia.

Ремонтируемая структура должна передавать naipy зку в во ш.мому материа-
лу» Это достигается, если имеется толыпая область, в которой заменяющий
материал адгезионно связан с неповрежденной структурой Лучший способ
Ремонта состоит в создании острою клинообразного скоса па iранние между
Ремонтируемой и неповрежденной облаетыо, как показано на рис 4.22.

Ремонтные слои

Поврежденная "“^3=————.....

ис- 4-22. Ремонт скосом пластина —
Скос часто получают шлифованием. Иногда вместо скоса делают ступенча-
тую послойную выемку материала. В углах ступеней имеется концентрация
напряжения. Кроме того, при создании ступенчатой выемки часто страдают
неповрежденные слои.

В судостроении используют скосы с отношением длины к толщине от 7: ]
до 14' 1 В сильно нагруженных композитах используют более высокие отно-
шения- от 20 • 1 до 60: I. Чем меньше угол скоса, тем больше область связи и
тем лучше передастся нагрузка от оригинальной структуры к заменяющим сло-
ям. Как следствие, возрастает объем удаляемого материала.

Прочность отремонтированном пластины немного ниже, чем оригиналь-
ной, потому что часть волокон при ремонте оказывается перерезанной. Чтобы
полностью вернуть прочность исходного материала, добавляют дополнитель-
ные слои, как при ремонте накладкой. Это увеличивает вес и толщину детали.

Жесткость пластины при изгибе пропорциональна кубу толщины. Отремон-
тированная деталь, в которую добавили дополнительные слои, будет жестче ори-
гинала. Это ведет к концентрации напряжения вблизи ремонтной вставки, что
ослабляет структуру. Например, винт вертолета испытывает сильный изгиб
В этом случае чрезмерная жесткость ремонтной вставки вызывает концентра-
цию напряжения по ее периметру, что может привести к разрушению винта

Так как склейка слоев передает напряжения, ремонтный клей должен
быть высокопрочным. Важны как тип клея, так и подготовка поверхности.
При ремонте часто используют эпоксидные смолы. Полиэфирные смолы ис-
пользовать не следует. Эпоксидные смолы прочны, но не терпят загрязнения

поверхности, так что критическое значение имеет тщательная подготовка по-
верхности. Ухудшение склейки из-за плохой подготовки поверхности обнару-
живается через некоторое время, особенно если композит испытывает дей-
ствие воды. При плохой подготовке поверхности прочность склейки снижа-
ется быстрее.

Подготовка поверхности композита при ремонте является непростым делом.
Главное при получении скоса все должно быть очень чистым. Для удаления
пыли не следует использовать сжатый воздух. При этом должны использоваться
чистые растворители и чистые одноразовые тряпки. После создания скоса по-
верхность можно трогать только чистыми перчатками. Перед нанесением клея
поверхнос1ь до 1жна быть совершенно сухой. Если возникает перерыв между
этапами ремонта, очищенную поверхность защищают слоем бумаги.

I он г со ют из ряда операции. Сначала обеспечивают доступ к ремой-
шруемой детали, желательно с обеих сторон. Затем очищают и высушивают
поверхность и осторожно удаляю! поверхностный полимерный слой и краску
Д 1я сня1ия краски нельзя использовать химические средства Простукивают и
маркируют поврежденную область. Удаляют поврежденный материал. Если
пластина толстая и композит поврежден не на всю толщину, удаляют только
поврежденную часть. Загем тщагельно получают скос сошлифовыванием мате-
риала от края дефект. Выемку должен производить высококвалифицирован-
ныи рабочий, причем неспешно.
ГсЯ к,?СГуп

КИ

о,
»ч, * ч

' заме,«С-

итолДиОП°ЛНиЧ
г°лщи^ы oWit
щины.отре1,,

*> бУДет жестче ( .
битной вставки.
,ет сильный изгиб
ы зывает концентр
зрушению винта,
тныи клей дотж
товка поверхнс;
эфирные смолы н.

терпят загрязда
ьная подготовка
оверхности обн-
Ит испытывает
,сть склейки они-

После создания скошенной выемки на чистой пленке наносят «контурную
карту» всех удаленных слоев скоса. Определяют направления каждого ремон-
тируемого слоя. Вырезают заменяющие слои из тою же материала, что и ори-
гинальная структура. Если эго невозможно, нужно найти близкую замену. Дтя
тяжело нагруженных элементозз с малым запасом прочности нужно испотьзо-
ваТьтолько первоначальный материал или ею близкий аналог. На совершенно
чистую поверхность скоса наносят тонкий слой адгезива (эпоксидной смолы).
Укладывают самый нижний (самый малый) слой. Если отверстие сквозное,
требуется поддержка с обратной стороны. Если доступа с задней стороны нет,
то создается не круглое, а овальное О1верстие, облегчающее поддержку заменя-
ющего материала. Слои выкладываю! последовательно. Размер ремонтных слоев
постепенно возрастает. Ориентация слоев должна соответствовать начальной
структуре. После укладки верхнею слоя накладывают дополнительные ремон-
тные слои размером приблизительно на 15 мм больше, чем оригинальный вер-
хний слой. Ориентация дополнительных слоев должна соответствовать внеш-
нему слою ремонтируемой пластины. Можно добавить удаляемый тонкий слои
стеклоткани, предотвращающий прилипание.

После этого приступают к отверждению ремонтной вставки. Сначала накла-
дывают вакуумный лист. Если заменяется больше 4—5 слоев, слои уплотняют
вакуумированием. Если требуется высокая температура, используют печь. Если
это невозможно, используют высокотемпературные лампы или тепловые пушки.
Температуру контролируют при помощи термопар. Некоторые эпоксидные смо-
лы отверждаются при комнатной температуре. После отверждения ремонтное
оборудование убирают и осматривают материал на наличие расслоений и не-
проклеев. Внешний слой очищают и шлифуют, стараясь не повредить волокна
(если это не расходный слой стеклоткани). Наконец, материал красят и покры-
вают внешним полимерным слоем. Правильный ремонт нетруден, но отнимает
много времени и требует высокой квалификации рабочего. Даже особо важные
несущие детали можно ремонтировать с уверенностью, что ремонт будет выпол-
нен правильно. В гражданской авиации это делают уже много лет.

При ремонте должен быть отвержден и адгезив, и ремонтный материал.
Ремонтный материал должен отверждаться в таком же цикле отверждения, как
и Ремонтируемый композит. Проблемой является ремонт крупных дешлеи,
которые не помещаются в автоклав. Для этого разработаны портативные систе-
Мы’ отверждающие только восстанавливаемую область. Они имеют вакуумный
лист многократно!о использования. Лист герметизируют и вакуумирую!, нос ie
Чег° производят нагрев.

ОБОЗНАЧЕНИЕ СХЕМЫ УКЛАДКИ СЛОЕВ

Порядок слоев начинается с внешней стороны ируктуры о,н
0 поверхности пресс-формы) по направлению внутрь нее сь
а $°лее длинной стороне ищелия прямоуюлыюи !еомсгрии, напри
Глава 4. Технология производства волокнистых композитов

Рис. 4.23. Обозначение направления волокон

Ч
Ч
Ч

(рис
бу(|
vr,i°

в На
РоВг

при;
npai
Плез
Равт

jeH1

0е-*

—45е

ние +45° направлено по часовой стрелке от 0 к 90 , как показано на рис. 4.23
Это правило указывает направление нитеи в однонаправленных слоях или ни-
тей основы ткани относительно оси, параллельной направлению основной на-
грузки на деталь (0°).

Схема укладки слоев помещается в квадратные скобки [ ]
Описание начинается с первого укладываемого слоя, т. е. с по-
верхности пресс-формы. Каждый слои отделяется наклонной
чертой. Слои противоположной ориентации (плюс/минус угол)
могут обозначаться как [±30] = [4-30/—30] и [30] = [-30/+30].
Кроме того, одинаковые смежные слои могут обозначаться под-

строчным индексом [0/0/90/90/90] = |О2/9О3]. Для обозначения упаковки, снимет-

ричной относительно середины ламината, используют подстрочный индекс «s»,
который ставится после квадратных скобок [0/0/90/90/0 0] [(С/^Сф. Симмет-

рия с нечетным количеством слоев обозначается как [0/0/90 0 0] = [02/90 Для

обозначения того, что показаны все слои, после квадратных скобок ставится
подстрочный индекс «Т»: [0/—30/90/30/—45]т. Если используются и однонап-
равленные слои и ткань, а основа ткани ориентирована под углом +45° к на-
правлению 0° однонаправленного слоя, это обозначается как [0/+45F/0]. Если
знак направления основы ткани с осью 0° не имеет значения: [0/±45F/90]s. Если
знак направления основы ткани имеет существенное значение, [0/+45F/-45
Если основа параллельна +45°, то можно использовать обозначение 45F, а если
основа параллельна —45°, то —45F. В табл. 4.1 приводится пример последова-
тельности слоев композита.

Таблица 4.1. Пример укладки слоев

Слой Обозначение
45 ткань (стеклоткань) 0 (ткань из углеродных нитей) 0 однонаправленный (углеродные волокна) 0 однонаправленный (углеродные волокна) 90 однонаправленный (углеродные волокна) +45 однонаправленный (углеродные волокна) —45 однонаправленный (углеродные волокна) +45 ткань (углеродные волокна) +45 ткань (углеродные волокна) -45 однонаправленный (углеродные волокна) +45 однонаправленный (углеродные волокна) 90 однонаправленный (углеродные волокна) 0 однонаправленный (углеродные волокна) 0 однонаправленный (углеродные волокна) 0 (ткань из углеродных волокон) 45 стеклоткань |45 FR./(OF/O2/9O/+45/+45 F)cl,

Н Кп^РатцЬ1е
>И!аемо'о слоя /"
>И °1Деля^я

3°1 и |30) = |.j
и молутобовдчли
начении упаковки, о
)Т подстрочный ИЮ:
90/0/0] - |ОлО].С

Последовательность упаковки слоев влияет на поведение композита под
нагрузкой. Свойства ламината определяются симметрией слоев относительно
средней плоскости и балансом всех слоев, расположенных под углом к направ-
лению 0°. Ламинат называют симметричным, если направления слоев зеркально
симметричны относительно центральной плоскости. В симметричном ламинате
(рис. 4.24) его растяжение или сжатие в плоскости ламината не приводит к изги-
бу (короблению). В случае асимметричной укладки слоев, расположенных под
углом, может появляться изгиб.

на дратных скобок с
1 используются и f
онана вод углом -
1ИСтся как|О/+45Р,
11 41V । V ' 4 Г Г

значения |0/
• ллачение-!0 „ ..f,

пл

Рис. 4.24. Симметричная укладка слоистого материала

У сбалансированного ламината на каждый слой с отрицательным углом
приходится слой с положительным углом. Это определение не включает на-
правления 0° и 90°. Согласно данному определению, ткань полотняного пере-
плетения, ориентированная в направлении 45 , является сбалансированной при
равном количестве нитей в направлениях основы и \ гка. Следует заметить, что
ткани с другими переплетениями нитей могут иметь небольшие различия свопегв
в направлениях утка и основы, так что сами по себе они не являются сбаланси-
рованными. У сбалансированных слоистых материалов отсутствует связь плос-
костной осевой деформации и плоскостной деформации сдвига. Однако до не
обеспечивает сбалансированности в отношении из!иба.

В ламинате слои, расположенные под углом, должны нахо шться на о шна
Ковом расстоянии от центральной плоскости заминала. Это обусловлено тем,
что жесткость пластины зависит от расположения слоя относигельно плоско-
сти симметрии. Вообще говоря, атому условию удовлетворяют только с юн
полотняной ткани, ориентированные под углом 45°, о шако и в них количество
слоев в направлении основы/утка может быть различным
4.17. УСТАЛОСТЬ

К усталостным повреждениям композитов относятся продольное
растрескивание матрицы (рис. 4.25), отслоение волокон от матрицы (адгезион-
ное разрушение) и разрывы волокон. Катастрофическое разрушение обычно
происходит после определенного количества циклов нагружения, зависящего
от амплитуды нагружения. В науке о металлах различают низкоцикловую и
высокоцикловую усталость. Если материал разрушился при количестве циклов
менее 104: говорят, что разрушение произошло вследствие низкоцикловой уста-
лости. При низкоцикловои усталости в металле достигается предел текучести,
и поэтому трещина растет достаточно быстро. В условиях низкоцикловой уста-
лости находится медная проволока, когда ее ломают путем нескольких циклов
перегибания.

Рис. 4.25. Внутрислоевое растрескивание композитов

При высокоцикловой усталости предел текучести материала не достигав
ся, и материал выдерживает согни тысяч циклов нагружения. Особенность во-
локнистых композитов заключается в том, что они эксплуатируются только в
условиях высокоцикловой усталости, поскольку волокна пластичности не пр°'
являют, а допустимые деформации не могут превышать деформацию разруб*
ния волокон. Поэтому предел текучести в матрице не достигается, и трешинЫ
появляются только в слоях, ориентированных под углом к оси нагрузки. П°"
скольку основную на1рузку несут продольные слои, растрескивание попереч-
ных слоев катастрофическим не является, если оно не ведет к расслоению
материала.

При лабораторных испытаниях сложные циклы нагружения, свойственные
реальным условиям работы изделии, в лабораторных исследованиях заменяю
упрощенными циклами, например синусоидальными. В экспериментах изМе'
4 17 Усталость

'Я ОТ „

Кое

яагРу. W

"ТА ч'

Лот... ^О.Пьъ, Ч

Рв

лСя

-и5КОЦиКЛ0%ц
гтигается предл^...
\овиях ншошж.
\т путем несколшйи

ряют количество ЦИКЛОВ, приводящих к П-, ,п

лов Nf при разрушении от амплитуды Хенени«ИЮ’ За,,исимость количества цик-
диаграммои (рис. 4.26). На 5-Л-диа. w напРя*ения Ла называют S-N-
грамме значения напряжений обозна-
чаются индексами в виде заглавных
букв. Например, амплитуда напряже-
ний, приводящая к разрушению пос-
ле циклов, обозначается как а На
5—/V-диаграмме количество разруша-
ющих циклов всегда имеет логариф-
мический вид (1g /V).

Рис. 4.26. Характерная S— TV-кривая

усталость

TH v

* л

эксплуап^.
окна п ластичности -
гать деформацию Р >
шлется, и тре

•'•wjKl

|С д°и леи 11 е«°.
ГЛ°М £СкИ»зЯ^

еЯ<</

Стали и волокнистым композитам свойственно существование предела
усталостной прочности, ниже которого материал не разрушается. На таких
S—/V-кривая при больших количествах циклов Nрасполагается почти горизон-
тально, и имеется некоторое количество циклов NЕ, при котором достигается
предел усталостной прочности. Образец, выдержавший NE циклов, в дальней-
шем уже не разрушится. В зависимости от материала NE имеет значение в
пределах от 2 • 106 до 2 107. Напряжение, соответствующее NE на 5—/V-кривой,
называется пределом усталостной прочности а . При более низких нагрузках
эти материалы могут служить сколь угодно долго.

Однако у алюминия и некоторых других материалов горизонтальная часть
/V-диаграммы отсутствует. Таким образом, у этих материалов истинный пре-
дел усталостной прочности отсутствует. Поэтому самолеты с несущими алю-
миниевыми деталями регулярно проверяют на наличие трещин. Для обеспече-
ния надежности детали часто используется количество циклов, равное 10х, что
в десять раз больше, чем его обычное значение для материалов, обладающих
истинным пределом усталости.

Снижение прочности в результате усталости обусловлено постепенным рос-
том трещин. В пластичных металлах и полимерах зарождение трещины опреде-
ляется накопленной пластической деформацией (обычно на поверхности образ-
на). Усталостные свойства полимеров сильно зависят от частоты нагружения
ели частота достаточно высока, полимер может разрушиться из-за теп та, выде-
ющегося при деформировании. При низких частотах полимеры разрушается
“бедствие образования и роста трещин. При более высоких частотах возникает

Рмическая ус талое 1ь вследствие разотрева, и предел усталое in снижается.

Редел усталости волокнистых композитов обычно выше, чем у чистой
а1Рипы. Это иллюстрирует рис. 4.27, на котором изображены 5—/V-кривыс

й**’
и волокнами полисульфона. др.

” “ б““а”
предела уст не тоЛЬко из

оА, МПа

Р с 4.27. Сравнение S—N-кривых поли-
И]ьфона и полисульфона, армированного
стеклянными и углеродными волокнами

...... 40 % углеродных волокон

101__।_i_d__।_i_d__।__i_jJ_।_i_d—i—ljJ—jl

10° 101 102 103 104 105

j_xJ—i—i_d—i—

106 10z /Vf

Поскольку волокнистые композиты обычно разрушаются вследствие посте-
пенного накопления повреждений и последующего расслоения, их жесткое
снижается по мере увеличения количества циклов. Отметим, что значительн е
уменьшение жесткости обычно наблюдается лишь перед самым разрушением

Сравнение усталостных свойств композитов и металлов показывает, что
композиты меньше теряют свою прочность. Боропластики имеют более выс -
кие усталостные характеристики, чем стеклопластики. Такое поведение объяс
няется меньшей деформацией боропластика и, соответственно, меньшей ск
ростью роста усталостных трещин в матрице.

Форма волокон также влияет на появление усталостных трещин в матри е
Степень растрескивания снижается при уменьшении угла между направление
волокон и осью нагружения. Материалы на основе однонаправленных слоев име*0
более высокую усталостную стойкость, чем на основе ткани. При случайн
ориешации волокон усталостные трещины растут гораздо быстрее. Это объя
няется несколькими причинами, в том числе низким содержанием волокон

Уровня? п°ЧНЬ,е напряже.»

НЬ1Х СЛОЯХ Ц CZ Могу г Пп Я й К°МПОзит

°^™яные этиЯ1?ЯТЬСЯ » ^елЬнпХЛабЛЮДаЮТСЯ на двух стру*

Тем"еРат ':"ря*енИя НО)(? 'ужения пОи '°??°e ” В несколькихсм&

УРЫ ^Плу °^камт яприводят к короблению компов
к°мпозиТа, а т^е”пь< температуры отвержден11(1 «

Из~за РАЗЛИЧИЙ КТР-ВОЛОКОН 11
С >Н()нич -структуры

матрииы. Влагопоглощение может принес!и
тельно, к остаточным напряжениям.

к набуханию смолы и, следона

Остаточные температурные напряжения во «пикаю, и.-.а различии КГ Р
композита в продольном и поперечном направлении, а .акже ра .ни.ш Л / меж-
ду температурами отверждения и эксплуатации. Гипичиые значения КI Р не-
которых композитов приведены в табл. 4.2. Гели композит не обладает сим-
метрией в средней плоскости, то при охлаждении до комнатой температуры
он может коробиться. Это особенно свойственно тонким слоистым компо.и-
там, состоящим менее чем из 12 слоев.

Таблица 4.2. КТР некоторых композитов с эпоксидной матрицей

Тип Боропластик Углепластик Стеклопластик Органопластик
Волокно Борное Углеродное Е-с текло Кенлар-49
Продольный КТР х10-6 6,08 -0,31 8,60 -4,0
Поперечный КТР х!06 30,3 27,2 22,1 79,0

я вследствие посте-

1С1П1Я, ИХ МСТкиЛ
м, что значите.»
мым разрешением,
юн показывает.4
'имеют более J

Хотя симметричные панели имеют плоскую форму, остаточные напряжения
в них имеются, но они сбалансированны. Если слоистый композит 0/90/90/0
разрезать вдоль средней плоскости, то две полученные панели уже не будут
симметричными и искривятся. Аналогично, при разрезании вдоль срединной
плоскости композита 0/0/90/90 мы получим две отдельные симметричные па-
нели, которые в силу этого останутся плоскими. Температурные напряжения
нужно учитывать во время ремонтных работ.

419. СЭНДВИЧ-СТРУКТУРЫ

межДУ насП>*
кпеннь1 сП>^
к ПРИ С" 0>qv
е 9” .«

6Ы^><

Типичная сэндвич-структура изображена на рис. 4.28. Она сосю-
ит из двух лицевых пластин и сердцевины. Лицевые пластины (верх и низ
структуры) — это традиционные слоистые композиты. Сэндвич структуры
сильно отличаются от традиционных слоистых композитов. Увели ieиная тол
Шина сердцевины резко повышает жесткость и прочность при илите. ели
в°локнистый ламинат толщиной / разрезать по цен1ральной плоское!и и между
Двумя образовавшимися пластинами вставить легкую сердцевину толщин
То при почти том же весе прочность при ииибе возрастет в , раз

кость - в 7 раз. г 1>ж

На этом же принципе основано действие двутавровых мл о к

«ижняя пластины двутавровой балки соответствуют лицевым. слоям сэндв -
стРУ*туры, а ребро - ее сердцевине. Поскольку основную i ’

цевые композиты, сердцевина не обязательно должна быть столь
прочной.
Боковой
профиль

Слой материала
со структурой
армирования 0/90

Рис. 4.28. Сотовая сэндвич-структура

Сотовые структуры

Фольга кантон
толщиной 0,025 мм

Слой
углепластика

4.19.1. Сердцевина

В качестве сердцевины используют древесину бальзы, пенопласты
и сотовые структуры. Каждый тип материала имеет различные свойства, и каж-
дому из них присущи определенные преимущества и недостатки. Сердцевина
влияет на прочность сэндвич-структуры. Очевидно, сердцевина должна выдер-
живать силы, действующие по толщине (перпендикулярно плоскости сэндвич-
структуры). Поэтому сердцевина должна иметь высокую прочность и жест-
кость в этом направлении.

В некоторых случаях большое значение имеет стойкость к удару сэндвич-
структур. Наивысшую стойкость к удару имеют сердцевины с повышенной Де
формацией при разрыве. Это свойство присуще металлическим сотовым струк
турам. При повреждении сердцевины ее ремонтируют, вводя в нее вставку из
сердцевинного материала и восстанавливая поверхностный слой композита.

4.19.2. Производство сэндвич-структур

При производстве сэндвич-структур сердцевину склеивают с лине
выми пластинами. Клей наносят на лицевые слои и на сердцевину. Он должеН
иметь достаточную прочность для передачи нагрузки. Лучше всего для этого
подходят вязкие клеи, способные к некоторому удлинению, благодаря чемУ
удается избежать возникновения трещин.

Клей должен иметь достаточную толщину, чтобы обеспечить сцепление
всей поверхности, но при этом его толщина не должна быть чрезмерной.

сердцевина (бальза, пенопласт, соты или прошитые материалы) впитывает
жидкости, следует избегать чрезмерной диффузии смолы в сердцевину. Если
небольшое количество клея просачивается в ячейки за счет капиллярною эф-
фекта, это обеспечивает хорошее склеивание с поверхностными пластинами.
Однако если затекание смолы внутрь сердцевины слишком сильное, эго может
ослабить склейку. В этом случае необходимо увеличить количество смолы или
принять меры по предотвращению ее впитывания. Некоторые сердцевины имеют
подложку в виде тонкого мата, хорошо связанного с поверхностью сердцевины
и препятствующего чрезмерному просачиванию смолы.

После склейки сердцевины и лицевых пластин обычно герметизируют бо-
ковые кромки сэндвич-структур. Это осуществляют различными способами.
Один из них — использование в качестве герметика густую смолу, которую
иногда армируют измельченными волокнами. Другой способ заключается в гер-
метизации краев с помощью материала бальзы, полимера, металла или кера-
мики соответствующей формы.

28. Сотовая она™*

4.20. СОЕДИНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИТА

Методы соединения композитов друг с другом и с другими матери-
алами постоянно развиваются. Два основных способа соединения композитов —
механическое с помощью заклепок и болтов и методы типа сварки, диффузи-
онной сварки, склеивания.

4.20.1.

Механическое соединение

Соединения композитов с другими композитами и с металлами
могут иметь различную конфигурацию. Наиболее типичные представлены на
рис. 4.29. Механическое соединение обеспечивается заклепками, болтами и
винтами, проходящими сквозь отверстия в обеих деталях. Самым простым яв-
ляется соединение внахлест, однако оно асимметрично, что приводит к появ-
лению сдвиговых напряжений. Эти напряжения могут привести к разрушению
крепежного элемента и даже к изменению реакции композита на iiaipyiKH.
Соединение уступом, а тем более двойной нахлест уменьшаю! тенденцию к
сдвигу. Их недостаток состоит в необходимости дополни тельною Maiepnajia.
Если требуется выравнивание краев двух слоистых композитов, го простейшим
Способом является соединение встык с накладкой. Аналогичный меюд приме-
няют для ремонта композитов.

Выбор материала крепежных деталей очень важен, особенно при соедине-
нии углепластиков Вследствие электропроводности углеродных волокон кре-
пежные детали (из алюминия и с кадмиевым покрытием) могут элекгрокорроди-
р°нать. Эту проблему можно частично решить использованием никелевых, гига-
новых или композитных крепежных элементов или и юлянией крепежных дезалеи
От Углепластика с помощью внешнего слоя стеклопластика или герметика.
Рис. 4.29. Виды механических
соединений

Соединение внахлест

Соединение двойной нахлест

Соединение встык с накладкой

Способ соединения и форма крепежной детали не должны повреждать компо-
зит. Например, чрезмерное затягивание крепежного элемента может вызвать смя-
тие слоев. Для его предотвращения головная и хвостовая части крепежной детали
(гайки, заклепки и т. д.) должны иметь достаточно большой диаметр, чтобы сила
распределялась по большой площади. Крепежные детали с небольшой головной и
хвостовой частью склонны к выдергиванию. Чтобы предотвратить чрезмерное за-
тягивание, используют гаечный ключ с ограничением крутящего момента.

композитов

Рис. 4.30. Типы разрушен,,,, при механическом соединении

обеспечить

Отверстие под крепежную деталь обычно сверлят так, чтобы
посадку с натягом. При больших диаметрах отверстия при сверлении удаляеТ'
ся много материала. Кроме того, вблизи отверстия имеется концентрат01
напряжении, и пластина может разрушиться (рис. 4.30). Сдвиговое разрУ11,е'

4.20. Соединение деталей из композита 173

ние (рис. 4.30, 6) наиболее вероятно в случае когпя i/прп

г v.nrw пияметп я спрпиио.. г у е’ к°™ крепежная деталь имеет
небольшой диаметр, а соединение работает на сдвиг. Кроме того пои малом
диаметре крепежной детали она сама может разрушиться Разрушение скором
(рис. 4.30, г) вызывается поперечным растяжением

Несмотря на недостатки механических соединений, их продолжают широ-
ко использовать, поскольку они имеют ряд достоинств. Например, они прак-
тически не ползут, состояние механических соединений просто контролиро-
вать; механические соединения почти не нуждаются в поверхностной подго-
товке; площадь поверхностей соединяемых материалов не имеет большого
значения. Механические соединения нечувствительны к температуре, влаге и
другим воздействиям окружающей среды (за исключением коррозии в местах
соприкосновения металла и углепластика) и подходят для соединения различ-
ных материалов (например, композита и металла).

4.20.2. Склеивание

жны повреждать»
ента может
части крепеж
юй диаметр.
е небольшой
и вр^тить чрет*^
^яшею моме^

Наиболее распространенным методом соединения композицион-
ных материалов является их склеивание с последующим отверждением клея.
Эффективность склеивания зависит от многих факторов. В частности, от мето-
да подготовки поверхности и характеристик склеиваемых материалов, от гео-
метрии соединяемых деталей и конструкции соединения, от состава клея, от
метода нанесения клея, от особенностей обрабатывающих инструментов и фик-
сирующих приспособлений и от процесса отверждения.

При склеивании важнейшую роль играет подготовка поверхностей. Она
влияет на долговечность соединения. Поверхность композита должна быть сво-
бодна от жира и другой грязи. В частности, следует тщательно удалить антиад-
гезив, облегчающий выемку изделия из пресс-формы и частично остающийся
на композитах.

Процесс очистки поверхности состоит в ее обезжиривании, протирке ра-
створителем, промывке водой или раствором щелочи (если необходимо уда-
лить остатки растворителя), пескоструйной обработке или обработке абразив-
ным кругом, вновь протирке растворителем, промывкой деионизированной
водой (если это необходимо для удаления растворителя) и высушивании в печи
(после промывки).

Пескоструйная обработка или обработка шкуркой усиливает неровность по-
верхности, повышая ее способность к склеиванию. Альтернативой пескоструи-
№й обработки является нанесение на поверхность детали слоя, который при
Последующем отслаивании приводит к образованию шероховатой поверхности.

Если матрицей является полиэфирная или сложная винилэфирная смол
с^дует убедиться, что в процессе отверждения удалось добиться полного отвер-
^ния внешнего слоя матрицы. Кислород и поверхностное испарение поли-
эфира тормозят его отверждение. Внешний слой у многих И после
эФирной или винилэфирнои смолой остается недоотвержденным даже после
свершения формования Признаком этого служит легкое размягчение внешне
поверхности композита. Недоотверждение может улучшить склеивание слове,
тых композитов. Это происходит, поскольку молекулы клея способны мигриро.
вать в поверхностный слои, что равнозначно соотверждению двух композитов.

Многие полиэфирные и винилэфирные композиции содержат парафин (воск)
или другое вещество, образующее внешний слой на поверхности материала.
Этот слой препятствует доступу кислорода и удерживает стирол, что приводит
к полному отверждению поверхностного слоя композита. Однако парафин пре-
пятствует склеиванию. Таким образом, подготовка поверхности обязательно
включает в себя удаление этих слоев (путем пескоструйной обработки). Если
композит имеет внешнее полимерное покрытие, его также нужно полностью
удалить.

При соединении композита с металлом поверхность последнего должна
быть тщательно подготовлена. Необходимо обрабатывать все металлы, образу-
ющие поверхностные окислы. Подготовка алюминия состоит в обработке фос-
форной кислотой и последующем грунтовании. Титан анодируют или обраба-
тывают фторид-фосфатом.

Соединение внахлест

Рис. 4.31. Клеевые соединения

Соединение двойной нахлест

Соединение встык с одной накладкой

Соединение встык с двумя накладками

Скос

Ступенчатое соединение

метрично, а встык с двумя накладками —
дополнительного материала.

Склеиваемым поверхностям
иногда требуется придать определен-
ную конфигурацию. Соединяемые
поверхности должны соответство-
вать друг другу по форме и степени
гладкости (за исключением легкой
шероховатости после пескоструйной
или абразивной обработки).

На рис. 4.31 схематически изоб-
ражены типичные клеевые соеди-
нения. Некоторые из них напоми-
нают механические соединения, но
не требуют отверстии и крепежных
деталей. Наиболее простое — с0'
единение внахлест — асимметрич-
но, и поэтому не слишком надеж-
но. Двойное соединение внахлест
позволяет избежать асимметрии,
однако требует больше материала
Точно так же соединение встык с
одной накладкой просто, но асим
симметрично, но тяжелее и треб}еТ

и Рол М?Ч.
>Дн*коп>Ч
эхности 5N-

е иу‘"»

' П°СЛеднего

ВСе Мет^ы,5
Оит в обработке}
оди руют или обр1

4.20. Соединение деталей из композита —‘\г 175

Особое значение имеют склеивание скосом и ступенчатое соединение Эти
два типа соединений широко используются в несущих конструкциях и при
ремонтных работах. У скоса и ступенчатого соединения площадь сопряженных
поверхностей должна быть как можно больше, а сами поверхности должны
быть плотно подогнаны друг к другу. Это способствует улучшению связи и
качественному переносу сил.

Склеивание особенно эффективно, если клей диффундирует в обе склеи-
ваемые детали. Клей может представлять собой матрицу склеиваемых мате-
риалов. Например, для соединения двух деталей из слоистого композита, от-
верждаемых одновременно. Процесс одновременного отверждения слоистых
композитов называется соотверждением. Соотверждение во многих случаях
оказывается самым прочным методом создания связи между слоистыми мате-
риалами.

4.20.2. 1.

Состав клеев

ые соединения

‘мым поверхн v

гся придать опр®'

гу по *«₽« ,»

' -с^-'

п пойе".,

|ОИ

CV-

• клееь пс’
1ЧНЬ,е ^нихна'
т°Рые ЙсОе< х’

/>ПСТИ гтОе j
ДВеР „ Пр° ,М^
|)бодее ^с^-'
кЛсоеД>’<>^.
’ а-гь

• абе>Ь Р '*

|3 60П

ЛеТ ПцН

} С°С^ 0&°' ti

й Л*0

Клеи используют в жидком и пастообразном виде, а также в виде
твердых неотвержденных пленок. Во всех случаях клей проходит через жид-
кое состояние. Для смачивания его прижимают к поверхности. Твердение
может быть следствием охлаждения расплава, поперечного сшивания или по-
лимеризации клея. Клеи на основе каучука густеют вследствие испарения
растворителя.

Разработан широкий ряд клеев. Выбор клея определяется его способнос-
тью образовывать связь со склеиваемой поверхностью, прочностью, стоимос-
тью, простотой применения и стойкостью к действию окружающей среды. При
работе с композитами чаще всего используют клеи, способные выдерживать
механические напряжения, высокую температуру, влагу и растворители. В боль-
шинстве случаев клей представляет собой одно- или двухкомпонентную ;рмо-
реактивную систему. Важнейшие группы клеев представляют собой эпоксиды,
полиуретаны, акриловые смолы, цианакрилаты, кремнийорганические соеди-
нения, фенольные и различные термостойкие полимеры. Наиболее часто ис-
пользуют конструкционные клеи на основе эпоксидной смолы и отвердителя.
П°ме смешивания эпоксидная смола быстро твердеет Полиуретановые клеи
Из'за высокого удлинения имеют более высокую вязкость разрушения, чем
п°ксиды. Их недостатком является меньшая прочность.

Модифицированные акриловые смолы отверждают пу |ем с 10

°и полимеризации. Они отличаются от стандартных акриловых смол тем, по
в ПИХ добавляют каучук или другие модификаторы Обычно первый компонент
наносят на одну склеиваемую поверхность, а второй на другую ри прижи
^иии поверхностей компоненты взаимодействуют. Такие клеи применяюздл

Пеивания многих материалов, даже если на их поверхности 11МсЮ

S* или они недостаточно очищены. Время отверждения этих иолим ров до-
см °Ч"° велико, а ударная прочность выше, чем у стандартных акриловых

Их можно эксплуатировать при умеренных температур
Цианакрилаты представляют собой однокомпонентные системы, отверг
ние которых происходит в присутствии влаги, например атмосферной. Такие
адгезивы обеспечивают хорошее склеивание с большинством материалов, вклю-
чая кожу. Это позволяет использовать цианакрилаты для наложения швов при
хирургических операциях, но представляет собой опасность травмирования.
Цианакрилаты довольно прочны и хрупки, а их стоимость сравнительно высока.

Анаэробики представляют собой однокомпонентные системы, отверждае-
мые путем свободнорадикальной полимеризации. Реакция полимеризации ин-
гибируется кислородом, и возможна только при удалении из системы кислоро-
да. Воздух вытесняется, когда поверхности прижимают друг к другу. Таким
образом, соединение частей инициирует быстропротекаюшую реакцию. Анаэ-
робикам присущи умеренные ударная вязкость и прочность.

Кремнийорганические клеи, называемые в средствах массовой информа-
ции силиконами, выпускают в виде одно- или двухкомпонентных систем. От-
верждение однокомпонентных систем происходит при контакте с атмосфер-
ной влагой. Отверждение производят при комнатной или при повышенной
температуре. Такие клеи обеспечивают хорошую склейку в диапазоне темпера-
тур от —60 до 250 °C, но у некоторых композиций она может доходить до 370 ’С.
Кремнийорганические клеи имеют высокую вязкость разрушения и гибкость, а
также стойки к действию растворителей и влаги.

Фенольные смолы — это дешевые термореактивные смолы, поставляемые
в одно- или двухкомпонентном виде. Они довольно прочны, но хрупки Фе-
нольные смолы имеют темную окраску, что ограничивает сферу их примене-
ния. Их используют при изготовлении фанеры.

Клей наносят на подготовленную поверхность. Однокомпонентные клеи
хранят при низкой температуре. После нагрева однокомпонентного или сме-
шения двухкомпонентного клея его наносят на склеиваемые поверхности.
Он должен покрывать соединяемые поверхности. Толщина клея должна быть
оптимальной, и обычно она составляет 0,1—0,2 мм. Слой клея не должен
быть чересчур толстым, поскольку это может инициировать разрушение всей
структуры.

После нанесения клея соединяемые детали фиксируют с помощью струе-
цины, сжимают для удаления излишков клея и остатков воздуха и отверждают.
Отверждение высокопрочных композитов чаще всего осуществляют в автокла-
ве. Исполыуют также печи, прессы и зажимы (для отверждения при комнат-
ной температуре). При соединении материалов с различными коэффициента
ми теплового расширения отверждение часто проводят при низкой темиерату
ре вплоть до гелеобразования, после чего температуру повышают.

Преимущества клеевого соединения но сравнению с механическим соеди
нением состоят в более низкой концентрации напряжений, выигрыша в весе,
гладкой внешней поверхности в местах соединении, более низкой стоимости
соединений, устойчивое! и к циклическим нагрузкам, отсутствии смятия в ме-
стах соединений.

4.2®

вер*1
нагР’
нагР1
>е С
фузи
ном <
НИИ i

4.21

его п
рассл
резан
отлич

сам т

проце

О<

пом в

кая из

Шью г

Дирку
СЯ изм
И Т. д.
Росте

От
в Ззвц(
Ние П|
°собеь

К0 ПУТ

п бь'
Ум *'11
I

4.21. КОНЕЧНАЯ ОБРАБОТКА

4.21. Конечная обработка

4.20.3. Другие методы соединения

(Liu , К1йте,,РЧ

4сност. *4

’СтЬ W

""" Из.

ают "кг J?».:

1р" котт..,,
011 или при ПОВЫВ,;
;ику в диапазоне те.

может доходить;

> разрушения ип‘

Термопластичные композиты можно сваривать. Перед сваркой по-
верхности очишают растворителем, промывают водой или моющим средством,
нагревают до начала плавления и прижимают друг к другу. Помимо теплового
нагревания, используют нагревание с помощью ультразвука или трения, а так-
же СВЧ-нагревание. Если слоистый композит нагрет и происходит взаимодиф-
фузия матрицы соединяемых слоев, то отпадает необходимость в дополнитель-
ном сваривающем полимере. Сваривающий полимер используют при соедине-
нии армированных пластиков.

ные смолы, пост

> прочны, но хру
чнвает сферу их п.*

Однокомпонен’
окомпонен^
клеивае^,
o.niU,1Ha К' еЯ не

ИИрОеаТЬР

После формования композита нередко возникает необходимость в
его правке, поверхностной обработке и сборке. В этих процессах возможно
расслоение или повреждение в местах сверления. Оборудование и методики
резания, сверления и машинной обработки композитов имеют существенные
отличия от обработки металлов, древесины и пластиков. Абразивная природа и
сам тип армирующих волокон обусловливают необходимость модификации
процессов обработки.

Особенности машинной обработки в значительной степени диктуются ти-
пом волокон, хотя небольшие изменения может вносить и чересчур легкоплав-
кая или деструктирующая матрица. Композиты можно резать и править с помо-
щью металлообрабатывающих шлифовальных, токарных и фрезерных с ганков,
циркулярных пил и различных абразивных инструментов. При этом приходит-
ся изменять скорость вращения и подачу материала, параметры режу ей кромк
и т. д. В большинстве случаев скорость вращения резака увеличивают, а ско-
рость подачи материала уменьшают по сравнению с металлами.

Оптимальная скорость подачи и резания может существенно варьироват с
в зависимости от системы «смола/волокно» и от толщины материала. Во избежа-
ние прилипания частиц матрицы к режущему инструменту и перщрева детали,
особенно при обработке термопластичных композитов, может во шикнуть по-
требность в охлаждении или смазке с помощью фторуглеродной смазочнс
охлаждающей жидкости. При перегреве композита с термореактивной х р
ней повреждения носят необратимый характер и moi ут быть исправлень
ко путем удаления соответствующей части ма1ериала.

Композиты рекомендуется обрабатывать инструментом с алмаш р

видной режущей кромкой. При машинной обработке фиксирующие-
ства Должны обеспечивать опору для тыльной стороны о рапагьпьс1^ cbneie-
чтобы предотвратить ее расслаивание или отрыв задней споро и .

Ровании сначала следует обработать оба конца, а затем центральную часть. )то
Уменьшает вероятность отламывания кончика.

При пескоструйной обработке используют окись алюминия или SiC. Распили-
ванне производят высокопрочным режущим инструментом. Хорошие результаты
дает ленточная пила с режущей кромкой, частично покрытой алмазной крошкой
При резании для отсасывания частиц материала и пыли ледует использовать
вакуумную систему, что позволяет продлить срок службы инструмента.

Важную роль в авиастроении и изготовлении печатных схем играет сверле-
ние композитов. Если использовать сверла особой конфигурации, при этом
может применяться обычное оборудование для сверления металлов. Сверло
должно иметь большой угол резания, однако не настолько большой, чтобы
режущая кромка быстро тупилась (угол резания это угол между передней
гранью инструмента и нормалью к поверхности детали). При большом угле
резания сверло легко входит в материал и он не греется в результате работы сиз
трения. Получающиеся мелкие стружки не должны спекаться (что указывает
на слишком большую скорость подачи материала или давление). Для облегче-
ния подъема сверла при удалении стружки рекомендуется использовать сверла
с высокими углами наклона и широкими стружечными канавками

Для глубокого сверления армированных пластиков рекомендуется перио-
дически выводить сверло. Сверло подается в отверстие на заранее определен-
ную глубину, после чего выводится для очистки от стружки и охлаждения.
Последовательные ввод и вывод сверла продолжаются вплоть до окончания
сверления. При сверлении глубоких отверстий смазки и охлаждающие жидко-
сти не применяют, поскольку они приводят к слипанию стружки и затрудняют
ее удаление. Другая проблема связана с многократным сверлением отверстий,
что характерно для производства печатных схем. Сверло нагревается. У зату-
пившегося сверла тепло не успевает рассеяться, в результате чего стружка пла-
вится и прилипает к сверлу, приводя к расширению отверстия.

4.21.1. Водоструйная резка

Водоструйная резка все шире применяется к композитам. В этом
методе тонкая струя воды через сопло диаметром примерно 0,25 мм направля-
ется под большим давлением на разрезаемую деталь. Для повышения режушеи
способности в воду добавляют абразив, вводимый в струю уже за соплом.

Водоструйное резание может применяться к любой части детали. Если воз-
никает Iеобходимость в повторении конфигурации детали, с помощью компь-
ютера удается получить высокую точность резки. Для водоструйного метода
хара ерна меньшая режущая сила, чем у большинства механических методов,
и ц юм он требует только надлежащей фиксации детали с помощью зажи
мов. Водоструйная резка не создает зоны нагрева вблизи разреза и позволяет
о рабатывать одно место в течение некоюрого времени, не вызывая расшир
ния разреза.

Водос!рунное резание шумное, и персонал должен применять средства за-
щиты слуха. Подаваемая вода должна проходить тщательную фильтрацию на
соответствующем оборудовании. При этом нужно периодически контрол и ро-

•ц->.

£S>:
тЛо Ль

""V.., Ч
СЧ|И| П>
к, ' ЦРН

. . L1‘ ем

^ЯИСПь,..,,
ыми канипкаци.
ИКОЬ рекомендуем •-
<тис на Ааранеео^о>
от стружки .. •
КПСЯ ВПЛОТЬ JO IV

КН И V* '
НИЮ '*

ним и НС?

t Р о ' •

< , ,ьтак чего *

Л11 u

1рим‘р пеХ/

1 • л

' л л

л. ч

‘ -

-«1^

(Г

к> <i * Л

О* Г

Список литературы -J

вать износ сопла. Если слоистый композит имеет пустоты, не исключено про-
никновение воды между волокнами и слоями (особенно при чрезмерно высо-
ком давлении струи).

Скорость резания, изменяющаяся в зависимости от толщины заготовки и
типа материала, обычно составляет от 20 м/мин для деталей толщиной 3 мм до
1,5 м/мин для деталей толщиной 25 мм. Это несколько выше скоростей реза-
ния мягких металлов (алюминия, латуни и т. д.) и в 3—4 раза выше скоростей
резания твердых металлов (стали и т. д.). Качество разреза (чистота обработки,
шероховатость) зависит от твердости и прочности волокон. Например, шеро-
ховатость разреза боропластиков намного выше, чем органопластиков.

4.21.2. Лазерная резка

Несмотря на некоторые ограничения, лазерную резку все шире ис-
пользуют для обработки композитов. Лазерный луч выжигает или плавит мате-
риал. Поскольку при этом отсутствуют механические усилия, лазер обеспечи-
вает наилучший результат для материалов с невысокой прочностью. Лазерная
резка может быть начата в любой точке заготовки. Она позволяет делать разре-
зы сложной конфигурации. Лучом лазера можно сверлить микроскопические
отверстия, которые невозможно получить механически. Поэтому лазеры ши-
роко используют в производстве интегральных печатных схем.

Тепловые эффекты лазерного резания ограничивают его применение. Ос-
новной недостаток заключается в появлении расплавленного или обугленного
края разреза. Эта проблема усугубляется высокой теплопроводностью углерод-
ных волокон. Лазерное резание ограничено деталями толщиной не более 8 мм,
так как при большей толщине сложно удалять остающиеся внутри разреза отходы
материала. Скорость резания в зависимости от мощности лазера, толщины и
типа материала составляет от 0,5 до 3 м/мин. Мощные лазерные установки гро-
моздки и требуют тщательной настройки зеркал и фокусирующих устройств.
Поэтому принято перемещать заготовку относительно рабочей головки лазера,
а не наоборот.

Список литературы

1- Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные материалы.

Пб.: Издательство НОТ, 2009.

2-Михайлин Ю.А. Специальные полимерные композиционные материалы. -
СПб.: НОТ, 2009.

3 - Strong А В. Fundamentals of Composite Manufacturing Materials, Metrhods and
Applications. SME, 2008.

4 Баженов С.Л., Берлин /М, Кульков А.А., Ошмян В Г Полимерные композиционны
материалы. Прочность и технология. — Долгопрудный. Д « нтеллект», .

5 - Мзттьюз Ф., Ролингз Р. Композитные материалы. Механика и технология. — М.:
Техносфера, 2004.

6 Каргин В.А., Слонимский Г.Л. Краткие очерки по физико-химии полимеров.
2-е изд. - м., 1967.
7 Буров А. К. Техническая физика. Т. 15, выл. 5, 1945.

Буров А. К., Андреевская ГД. Синтетические волокнистые^анизотропные матери,
алы и их техническое применение. - М.: Изд-во АН СССР, 1956.

9. Головкин Г.С. Предельное армирование органоволокнитов // Пласт, массы. № 6,
1981. - С. 39-41.

10. Вагнер Л. Легкие баллистические материалы / Под ред. А. Бхатнагара. — м.

Техносфера, 2011.

II Kelly A Strong Solids. Clarendon Press, Oxford, 1973.

12. Ashby ME On the Engineering Properties of Materials / Acta Metall. 37, 1989. -

P. 1273.

13. Чамис К Микромеханические теории прочности. В кн.: Разрушение и усталость/
Под ред. Л. Браутман. — М.: Мир, 1978. — С. 106.

14. Тарнопольский Ю.М. и СкудраА.М. Конструкционная прочность и деформатив-
ность стеклопластиков. — Рига: Зинатне, 1966. С. 260.

15. Mathews EL., Rawlings R.D. Composite materials: Engineering and science. Woodhead
Publishing Limited, Cambridge, England, 1999.

16. Нильсен Л.Е. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. -
М.: Химия, 1978.
ГЛАВА

РАЗРУШЕНИЕ

5.1. ЧТО ТАКОЕ РАЗРУШЕНИЕ?

Этот вопрос на первый взгляд может показаться странным, по-
скольку ответ кажется очевидным. Разрушение — это процесс образования но-
вой поверхности, в результате чего тело делится на две или несколько частей.
И механизм этого процесса может быть совсем непростым. Одной из основных
целей данной книги является изложение современного понимания процесса
разрушения. В частности, разрушения композиционных материалов.

Явление разрушения влияло на жизнь людей с самых истоков человеческо-
го существования. Доисторический человек использовал разрушение для при-
дания формы каменным орудиям труда; он ощущал на себе его последствия и
в случае перелома конечностей. Добыча камня, придание ему формы и подгон-
ка камней в строительных сооружениях зависят от умения управлять хрупким
разрушением. И в наши дни многие процессы в промышленности и строитель-

стве, например обработка материалов, связаны с разрушением.

Однако в настоящей книге рассматриваются в основном нежелательные про-

явления внезапного катастрофического разрушения конструкционных материа-
лов. История техники изобилует множеством подобных примеров. Начало раз-
вития этой науки относится к XVI в., когда проводил свои опыты Леонардо да
Винчи. Уже в XVIII в. была создана система представлений, которая вполне

успешно используется инженерами и конструкторами до настоящего времени.
Согласно ей, стержень постоянного сечения способен выдерживать предельную
нагрузку, пропорциональную площади его поперечного сечения 5 (рис 5.1).

(5.1)

где * — коэффициент пропорци-

ональности между предельно до-
пустимои силой и площадью се- |
чения. ।

Этот коэффициент является I —

константой материала, называемой
пределом прочности или просто
прочностью. Считается, что проч-

'о

А/

Рис. 5.1- Деформация стержня

$
182

-Ал Глава 5- РазрУшемие

ность стержня не зависит от его толщины и ширины. Прочность материала пРи
растяжении сжатии и сдвиге обычно различна. Этот подход довольно xopO1JJO
описывает поведение пластичных материалов, например металлов и полиме-
ров. Для хрупких материалов он работает хуже.

Рис. 5.2. Пластина с эллиптическим вырезом

В XX в. представления о процессе раз-
рушения материалов существенно изме-
нились. Переворот в науке о разрушении
начался с работах Колосова, Гриффитса.
Орована и Ирвина. Колосов в 1909 г. ре-
шил задачу теории упругости о распреде-
лении механических напряжений водно-

осно растягиваемой упругой пластине с эллиптическим вырезом (рис. 5.2) [1].
Он показал, что вблизи выреза имеется концентрация напряжения, которая
может привести к серьезному снижению прочности. Гриффитс построил тео-
рию хрупкого разрушения, основанную на понятии энергии, необходимой для
образования новой поверхности при распространении трещины [2], [3]. Орован
и Ирвин учли, что работа пластической деформации (рис. 5.3) также вносит
вклад в энергию образования новой поверхности [4]—[7]. В результате появи-
лось понятие вязкости разрушения, т. е. энергии образования единицы новой
поверхности. Наряду с модулем упругости, прочностью и деформацией при
разрыве вязкость разрушения является одним из основных параметров, харак-
теризующих разрушение. Эту величину не следует путать с энергией диссоци-
ации (разрыва) связей и, соответственно, термодинамическим понятием по-
верхностной энергии из-за оровановского вклада энергии пластической дс_
формации материала. Работы Орована и Ирвина завершили построение основ
современной науки о разрушении.

Толчком к систематическому изучению разрушения стали катастрофы су-
дов типа «Либерти» и танкеров Т-2 сварной конструкции в США во время
Второй мировой войны. Большое внимание привлек случай с танкером, кото-
рый завершил ходовые испытания и в январе 1943 г. вернулся на верфь. В без-
ветренную холодную погоду при температуре воздуха -3,3 °C и температуре
поды +4,4 С лот корабль вдруг разломился надвое. Корабль сложился как
перочинный нож, и ею нос и корма погрузились в речное дно. Вследствие
самопроизвольного разрушения США во время войны потеряли больше с»**
чем было потоплено немецкими подводными лодками.

Процесс разрыва атомных связей является химической реакцией, а точнее,
обратной химической реакцией Представления о механизмах разрушения и к+
5.1. Что такое разрушение' 183

мических реакции развивались похоже. Для иллюстрации рассмотрим реакцию
образования воды из газообразного кислорода и водорода (гремучей смеси):

2Н2 + О2 -> 2Н2О.

нР,1^Х°сП^.
рот«наУкс>г

Кол^>'
эиина. Копп ’

'Ч“К|“ lllrW»«h’?
КИм вырезом (рис. 5.21
'Зция напряжения, кот?-,
и. Гриффитс построит
i энергии, необходим,
ли трещины |2],|3].Ор
ИИ (рис. 5.3) также иг

|7]. В результатег <
6ра»Юн»> и-*;’'
ос™» “
„„иных »•₽>«'

Рис. 5.3. Пластическая деформация материала вблизи плоскости разрушения (а) и фото-
графия кончика трещины в полиарилате в поляризованном свете (б)

"еР X1*/

.труьц|,И т^ер Р

РспУчаи

к с ,.псЯн /л

ааЗ 3’зб’1Ь X,

1 Кор

» РХ X
..Л/

- состоит в столкновении двух молекул

Простейший механизм этой реакц np_VJlbTaTe чего образуется две мо-
водорода и одной молекулы кислорода, в овения тре\ молекул мала,

лекулы воды. Но вероятность одновременного

реакция быстрее идет по другому,
а энергия активации велика, и поэтомуванием химических радикалов [8].
более сложному пути, связанному с меньшею энергию активации.

Несмотря на свою сложность, этот путь имеет

Первым это понял Н.Н. Семенов. .овой поверхности изменялись ана-

Представления о механизме образования ХИМИЧеских реакций. П росте и -
логично изменению представлений о меХсИ^ ых СВЯзей. Это первое, что прихо-
шии механизм состоит в прямом разрыве ат гся новая поверхность. И еше

Дит в голову, если попытаться ответить, как о разрушение как прямой pai-
не так давно большинство ученых представлял имеет большую энергию

рыв атомных связей |9|, | Ю|. Однако ЭГОТ цесс, СОСтояший из сотен, а ишида
активации, и гораздо быстрее идет дрУ|ОИ J1_ агомов (рис. 5.4).

и тысяч последовательных сдвиговых

"TJier концентрация напряжения атом-

На пересечении микрополос возш п1}пыва связей снижается, еперь

ныесвяш напрягаются, а энергия аКТИВсШИ ении понимают как распростри
аслед ia Орованом и Ирвином процесс р<

и
нение трешины, в кончике которой происходит пластическое течение. Некото-
рые под разрушением понимают даже пластическое течение, предшествующее
образованию новой поверхности.

Рис. 5.4. Сдвиговое перемещение атомов в дислокации сопровождается разрывом и обра-
зованием новых атомных связей

К счастью, этот процесс является очень энергоемким. Каждый элементар-
ный сдвиг атомов потребляет значительное количество энергии. В результате на
разрыв одной атомной связи тратится не 1—2 эВ энергии, а в 100—1000 раз
больше. Если бы это было не так, все материалы были бы столь же хрупкими,
как оконное стекло. Иными словами, разрыв связей является не механизмом, а
результатом долгого процесса, состоящего из большого количества элементар-
ных актов с меньшей энергией активации. Суммарное поглощение энергии
множества этих актов оказывается очень большим, а энергия активации одного
элементарного акта не слишком высокой. Описание механизма разрушения на
атомном уровне целью данной книги не является, и механизмы разрушения
будут рассматриваться на макро- и макроуровне.

5.2. МЕХАНИЗМЫ РАЗРУШЕНИЯ

Вначале будут описаны механизмы разрушения полимеров и, очень
кратко, металлов, а затем перейдем к описанию разрушения композиционных
материалов. Поведение материала называют пластичным или хрупким в зависи-
мости от величины деформации, при которой происходит разрушение. Пластич-
ность материала означает, что он способен к значительной необратимой (плас-
тической) деформации. Крайний случай пластичного разрушения состоит в об-
разовании сужения, в котором площадь поперечного сечения постепенно сходит
на нет (рис. 5.5) [11]. Другая крайность — когда образец разрушается хрупко
вдоль поверхности, перпендикулярной направлению растяжения, и деформация
разрушения мала (рис. 5.6, б).

В полимерах и наполненных композитах наблюдается целый ряд механиз-
мов деформационного поведения (рис. 5.7):

1) хрупкое;

2) квазихрупкое с разрывом при формировании шейки;

3) разрушение при распространении шейки;

4) пластичное с устойчивым распространением шейки;

5) однородное пластическое деформирование;

6) течение в локализованных микрозонах типа крэйзов;

7) пластичное поведение с образованием сужения [12].
рь,воми%.

1 Элек’ентар.

°'1000 раз
<е ХРУПКИМИ,
ех^низмом,а
ia элементар-
щине энергии
нации одного
азрушения на
>1 разрушения

Рис. 5.6. Типичные механизмы разрушения
металлов:

а — образование шейки, сечение которой посте-
пенно сужается до нуля; б — хрупкий разрыв в
плоскости, перпендикулярной оси растяжения
н _ разрушение вследствие сдвига

Хрупкое поведение

Пластичное поведение

мер°ви'очне:ьх
мпОЗИиИ0Хи-
... u.w в завис*
rjiac"1^

ение' v , паС-
Рат<>
Я С°СТ°* схй»*1
геПеИН< xpvn*°
'"О”"

Хрупкое Квазихрупкое

6 °

й в

дИ М

Неустойчивое
распространение
шейки

Ис* 5.7. Механизмы разрушения наполненных
п°лимеров
5.2.1. Хрупкое разрушение

Хрупкое разрушение характеризуется малой деформацией при раз.
рыве, которая, как правило, не превышает I—3 %, а диаграмма зависимости
растягивающего напряжения от деформации является линейной вплоть до раз-
рушения, как на прямой / на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Диаграмма напряжения:
сг— деформация г хрупкого (прямая /) и
пластичного (2) материалов; 3 — разруше-
ние в процессе формирования шеики

5.2.2. Пластическое разрушение

Существует несколько механизмов пластического поведения мате-
риалов. Однородное пластическое деформирование имеет две стадии (кривая 2на
рис. 5.8). На первой стадии (в области I) деформирование является линейно-
упругим. Вторая характеризуется нелинейной связью напряжения и деформа-
ции (в области II), а также необратимостью деформирования. После снятия
нагрузки остается значительная необратимая деформация, называемая также пла-
стической. Типичное значение деформации при разрыве таких материалов до-
стигает многих десятков и сотен процентов, что примерно на один-два деся-
тичных порядков выше, чем у хрупких материалов.

В полимерах при растяжении обычно образуется шейка, в которой умень-
шено сечение образца за счет интенсивного пластического течения материала-
В полимерах из-за деформационного упрочнения толщина образца в шейке не
уменьшается до нуля, как на рис. 5.5, а стабилизируется (рис. 5.9), в результате
чего вдоль образца начинает распространяться шейка. При этом длина шейки
увеличивается, адлина неориентированной части образца уменьшается. В шейке
деформация достигает нескольких сотен, а иногда и тысяч процентов, а в нео-
риентированной части образна соегавляет лишь несколько процентов.

При образовании шейки на диаграмме растяжения напряжение—деформ*1'
ция достигается максимум (точка А на рис. 5.10). Обра зование шеики происхо
дит на ниспадающей части диаграммы между точками А и В на рис. 5.Ю- На
эгои стадии деформирования толщина образца постепенно уменьшается Пр°*
цесс распространения иногда называют второй стадией деформирования (об-
ласть II между точками В и С на рис. 5.10).

Рис. 5.9. Оптическая фотография шей-
ки в пленке п ол и этил енте ре фталата

‘.Н. 1иаграмма нвг.?»»
формация

1ЧКП10(2) Ми’ф,...11« J-|LT
прочеса W ‘ •

5 мм

Рис. 5.10. Диаграмма напряже-
ние-деформация полимера, де-
формирующегося путем распро-
странения шейки:

а — верхний предел текучести; ad —
нижний предел текучести; <т* — пре-

Деформация

дел прочности

При распространении шеики пластическое деформирование окализуе' ся
в переходной зоне между шейкой и неориентированной частью образца. В тон-
ких пленках переходная зона состоит из двух частей. В первой изменяется
толщина пленки. На рис. 5.9 эта юна представляет собой яркую полосу. Ее
Длина близка к толщине пленки. Увеличенное изображение этой зоны пред-
Пилено на рис. 5.11. Вторая юна показана на рис. 5.9. В ней происходит
Изменение ширины, а ее длина близка к ширине образца. В тонких пленках
она гораздо длиннее первой зоны. Отметим, что на рис. 5.11 видны линии
пластического течения полимера.

ПРи Распространении шеики на.рузка остается постоянной. После распро-
странения шейки вдоль образца течение становится одноро зным. Этот процесс
атьпзаюттакже третьей стадией деформирования (облаезь III между точками С

на рис. 5.10). На стадии однородного деформирования напряжение посге-
нно увеличивается вследствие ориентационного упрочнения полимера
Неориентированная часть

а б

Рис. 5.11. Изменение толщины в переходной зоне между шейкой и неориентирован-
ной частью образца ПЭТФ (а) и схематическое изображение переходной
зоны (б)

В металлах (при приближении к температуре плавления) и полимерах при
растяжении часто наблюдается разрушение, обусловленное ростом и слиянием
пор. Разрушение начинается с образования пор в центре шейки, где макси-
мально гидростатическое растяжение. По мере деформирования внутренние
поры растут и в конце концов сливаются из-за уменьшения толщины прослоек
материала между ними (рис. 5.12). При вязком разрушении поры образуются
вблизи включении, поскольку либо граница раздела частиц и матрицы, либо
сами включения являются слабыми местами. На рис. 5.13 изображена поверх-
ность разрушения, образованная слиянием пор [13]. Во многих порах видны
частицы. При увеличении концентрации частиц расстояние между порами со-
кращается, что облегчает их слияние и понижает вязкость материала.

Рис. 5.12. Схема разрушения путем роста и слияния пор
Помимо хрупкого и пластичного поведения, между ними имеется переход.
Переход характеризуется двумя механизмами разрушения. Первым переход-
ным механизмом является разрушение при распространении шейки, что на ди-
аграмме растяжения соответствует области между точками В и Сна рис. 5.10.
g этом случае образец может разорваться случайно в самом начале распростра-
нения шейки при деформации около 10 ~
через весь образец при деформации не-
сколько сотен процентов. Величина де-

формации при разрыве в этом случае
характеризуется широким разбросом.
Макроскопически поведение материала
является пластическим.

ЙОДНОЙ

ч) и полимерах при
ростом и слиянием
шейки, где макси-

ювания внутренние
толщины прослоек

1И поры образуются
ш и матрицы, либо
изображена поверх-
1ногих порах видны
,е между порами со-
, материала.

Рис. 5.13. Рябь на поверхности разрушения фер-
ритной стали. В некоторых ямках видны части-
цы включения. Остальные включения оказались
на противоположной стороне разрушения

% или после ее распространения почти

4Н1 20KV

5.2.3. Квазихрупкое разрушение

Разрушение при формировании шеики также является переходным от
пластичного к хрупкому, однако в этом случае макроскопически поведение явля-
ется уже хрупким. Своеобразие этого механизма состоит в том, что на макроуров-
не материал является хрупким, а локально деформирование в области формирую-
щейся шейки пластическое. Поэтому такое поведение часто называют квазихруп-
ким Поскольку почти везде, за исключением формирующейся шейки, материал
остается пластически недеформированным, макроскопически поведение явля-
ется хрупким. В этом случае на диаграмме нагружения достигае с максимум,
после чего материал разрывается, как на кривой 3 на рис. 5.8.

5-^4. Крэйзы

Круизы, или трещины серебра, в полимерах представляют собой тре
противоположные берега которых связаны очень тонкими ориентиро-
нными волокнами толщиной порядка 10 нм, как показано на рис. 5.14 [1 |.
''Ространство между волокнами заполнено порами. Поры формируются и уд-
няются в направлении удлинения. На рис. 5.15 показано изображение крэи
* В просвечивающем электронном микроскопе [15|. Верхняя часть рисунка
^трирует распространение крэйза через образец. В процессе увеличения
2₽ины крэйза диаметр волокон не изменяется, а их длина растет за счет
Те*ания полимера из объема в волокнистую часть.
Рис. 5.14. Схематическое изображение крэй-
за. Пространство между волокнами заполне
но порами

По мере раскрытия крэйза часть воло-
кон разрывается, и он превращается в тре-
щину, которая инициирует разрушение по-
лимера. Полимеры, в которых наблюдается
появление крэйзов, как правило, ведут себя
хрупко. Примером такого поведения явля-
ется полистирол. Однако хрупкими такие
полимеры являются лишь на макроуров-
не, а на микроуровне происходит интен-
сивное пластическое перетекание полимера
в объем волокнистой части.

В наполненных полимерах также мо-
гут образовываться крэйзоподобные зоны,
ориентированные перпендикулярно на-

Рис. 5.15. Крэйз в полистироле. Изобра-
жение получено при помощи просвечива
ющего электронного микроскопа

правлению вытяжки |16|. Они вызываются отслоением частиц (рис. 5.17) [17] и
растяжением полимера в пространстве между соседними частицами. В резуль-
тате, деформация материала очень неоднородна. В крэизоподобных зонах ; е
формация полимера между отслоенными частицами очень высокая, близкая к
разрывной, а между ними полимер ос гае гея в упругой области. В крэйзообраз-
ных зонах прослойки полимера могут разрываться, что инициирует разруШС'
ние материала.

В полимерах и наполненных композитах механизм разрушения изменяется
при изменении концентрации частиц 118] или температуры. Для примера рас
смотрим наполненный композит на основе полиэтилен терефталата [17]- При
н б льшои доле частиц в композите, как и в исходной матрице, распространяв
ся шейка. Увеличение о* ьемной доли частиц инициирует разрушение при Р‘^*
пространении шейки (рис. 5 18), затем инициируется разрушение при формнР0'
вании шеики и, наконец, хрупкое разрушение. Те же переходы наблюдав
при уменьшении температуры.
16 Микрофотография крэйзообразных
РИС ПЭВП, наполненном частицами СаСО

_Л- 191

5.3. Механические характеристики

Рис. 5.17. Отслоение частиц СаСО3 от полиэти-
лентерефталата при растяжении

Рис. 5.18. Изменение механизма разрушения по-
лиэтилентерефталата, наполненного частицами
СаСО3. При содержании частиц 2,4 об. % в ком-
позите распространяется шейка (левый образец).
Увеличение степени наполнения до 14 об. %
риводит к разрушению при распространении
шейки

5-3- МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

По определению, механическое напряжение равно огношению приложен-
ной силы к сечению образца (см. рис. 5.1).

г ..гниое сечение образца, напряже-

ели приложенную силу F делят на нам. ее сеченне, которое при

н<иЬ1вак>| инженерным. Если же деляг * истинным

Удлинении „г ..«ппяжепие нагываю! истинный.

1ении образца уменьшается, напряжен ,

Аналогично, инженерная деформация опрс теля ’

'О
где М - удлинение образца; Ао - его начальная длина (см. рис. 5.1). Истин
ную деформацию определяют, интегрируя приращение деформации сЦ = di/£
от начальной длины Ао до конечной L.

(5.4)

При малых удлинениях инженерные и истинные деформации практически
равны. Ниже, если это специально не оговаривается, используются инженер-
ные напряжения и деформации.

Механические свойства упругих материалов характеризуют пределом проч-
ности (напряжением при разрыве), деформацией при разрыве и модулем упру-
гости. Пластичные материалы дополнительно характеризуют также пределом
текучести. Если в материале распространяется шейка, различают верхний пре-
дел текучести (иногда его называют просто пределом текучести) и нижний пре-
дел текучести (или напряжение вытяжки). Верхний предел текучести равен мак-
симальному напряжению в точке А на рис. 5.10, а нижний предел текучести -
напряжение при распространении шейки на участке ВС. Иногда верхний предел
текучести называют пределом вынужденной эластичности, что подчеркивает об-
ратимый характер деформирования полимера выше температуры стеклования.

5.3.1. Виды разрушения

Имеется три различных способа нагружения, различающиеся ха-
рактером смещения берегов трещины. Обозначим их I, II и III, как показано
на рис. 5.19. При нагружении вида I плоскость разрушения перпендикулярна
приложенной силе. Такое разрушение типично для хрупких материалов. Разру-
шение вида II возникает под действием сдвига, когда трещина распространяется
в направлении сдвига. Примером служит пробивание отверстия. Разрушение вида
III также сдвиговое, но трещина в этом случае распространяется перпендику-
лярно направлению сдвига. Примером такого разрушения служит разрезание
бумаги ножницами.

Вид ill
>и Пв
l(j |b|Vlr.

пРе>п

|rAV

ш лаг,т *P>HMFi,
'ЧССТИ)ИНИА,

1 текучести Р4ВД<
1И npt адтепчкп.

Иногда верхний^
. 410 подчеркиfaf <
юратуры CICk'1 ОШ

ТЕОРИЯ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ
ГРИФФИТСА—ОРОВАНА

5.4.1- Теоретическая прочность

Первые теоретические оценки прочности материала были выполне-
ны Я.И. Френкелем в 1926 г. [19]. Полученные оценки прочности в сотни раз
расходились с реальными значениями предела текучести металлов, что иниции-
ровало исследование пластического течения и привело к открытию дислокаций.

При отсутствии внешних сил расстояние между соседними атомами в кри-
сталле определяется равенством сил межатомного притяжения и отталкивания.
Силы отталкивания появляются при малых расстояниях между атомами вслед-
ствие отталкивания заполненных электронных оболочек. Силы притяжения
возникают в результате поляризации электронных оболочек атомов при боль-
ших расстояниях.

Предположим, что атомы уложены в узлах кубической решетки с размером а,
как показано на рис. 5.20. Типичный потенциал взаимодействия двух атомов U
приведен на рис. 5.21. Сила взаимодействия между двумя атомами, связанная с
потенциалом соотношением

. dU
приведена на рис. 5.22. Притяжение атомов возрастает по мере их удаления,
достигает максимума, а затем снижается до нуля. Для оценки максимальной
силы, необходимой для разделения атомов, потенциал взаимодействия будем
описывать периодической функцией:

U = - — cos
2

2л Lx

(5.5)

где а — расстояние между соседними атомами в решетке; UQ — энергия, необ-
ходимая для их разделения (энергия диссоциации, см. рис. 5.21); Lx = х ~ а —
смешение атомов из положения равновесия. Дифференцируя потенциал (5.5)
по Ах, сила взаимодействия опишется формулой

Для кубической решетки размером а количество атомов на единицу площа-
ди равно 1/<72, и растягивающее напряжение выразится соотношением

лУ0 sin Улкх/а

с?

(5.7)

По определению, теоретический предел прочности при растяжении <т* равен
максимальному напряжению, необходимому для разделения атомов. Макси-
мум напряжения достигается, когда в уравнении (5.7) sin (2л^х/а) = 1, и теоре-
тический предел прочности опишется формулой

* =
а'

(5.8)

При Ах 1 разложение в ряд дает

СП

sin

r27rAx

v а

2 л Lx

и соотношение (5.7) приобретает вид:

ст =

(5.9)

Модуль упругости материала определяется соотношением а= Ее Учиты-
вая, что деформация е = Дх/а, получаем

4*4
я3

(5 10)

?еРгИя

0ТеНЦИал

Для оценки величины (/0 будем считать, что связь химическая атомов в
материале является ионной. Предполагая, что заряд атомов равен заряду элек-
трона в, энергия связи будет равна кулоновскому потенциалу связи двух ионов
и Ц) = и получаем оценку величины модуля упругости:

г 4л-2е2

£ = ——• (511)

Так, на рис. 5.23 показано, что в согласии с формулой (5.11) модуль упруго-
сти щелочных металлов обратно пропорционален четвертой степени размера
атомной решетки: Е~ 1/tz4 [20].

i взаимодействия
мам и, связанная с

тношением с =

единииуп^'
дцение*1

(5.7)

> равеИ

дтоМ°.В'иИ^

(0)

Рис. 5.23. Зависимость модуля упругости щелочных металлов от межатомного

Сравнив соотношения (5.8) и (5.11), получаем
Сти и модуля упругости материала:

расстояния

связь теоретической прочно-

(5.12)

2я

Согласно формуле (5.12),

Перейдем к анализу полученных результат _ Q 1/5 модуля упругости
е°ретическии предел прочности составляет пр взаимодействия атомов
атеРиала. Расчеты с более реальным потенци
приводят к аналогичным результатам. В этом случае, однако, теоретический
предел прочности равен примерно 3,74 % величины модуля упругости, а мак-
симальная прочность достигается при деформации 11 %. Это означает, что при
удлинении на И % материал должен либо разрушиться, либо начать пластичес-
ки деформироваться.

Согласно формуле (5.8), высокую теоретическую прочность имеют вещества с
высокой энергией химической связи и малым размером атомов. Очевидно, такие
характеристики имеют химические элементы с малым атомным номером, распо-
лагающиеся в верхней части таблицы Менделеева, — углерод, бор, литий и т. д.

Таблица 5.1. Сравнение теоретической и реальной прочности волокон
и некоторых потенциально высокопрочных материалах

Материалы М одул ь уп ругости, ГПа Теоретическая прочность, ГПа Реальная прочность, ГПа
Окись алюминия (А12О3) 300 11 2
А12О3 (корунд) 382 14 0,3
Углеродные:
высокопрочные 260 10 6
высокомодульные 400 15 3,5
графит 1005 38 —
Е-стекло 90 3,4 3,5
S-стекло 76 2,8 2,5
SiO2 94 3,5 3,5
Полиэтиленовые 172 6,4 3,8
Карбид кремния 406 15 4
Борные 345 13 3,5
Арамидные СВМ 120 4,5 4,5 _
Арамидные Русар 150 5,5 6
Г рафи г 1005 38 3,5
Алмаз 1000 38

Величины теоретической прочности некоторых волокон, а также графита и
алмаза приведены в табл. 5.1. Реальная прочность стеклянных, кварцевых и
арамидных волокон близка к соответствующим значениям теоретической проч-
ности, что подтверждает справедливость приведенных оценок теоретической
прочности. Высокопрочные углеродные и полиэтиленовые волокна имеют при-
5.5. Концентрация напряжений

КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ

400

300

200

100

max

И Ь

где сг0 — внешнее напряжение; с

так что

атеРиалах

Х2, ММ

* I4%

и ’%,

(7п,о22, МПа

500

4»

мерно двукратный потенциал повышения прочности. Еще больший потенциал
имеют высокомодульные борные и графитовые волокна. Однако обычно ре-
альная прочность материала на 1 —2 десятичных порядков ниже теоретическо-
го предела. Эта разница объясняется присутствием дефектов, приводящих к
значительному снижению прочности образцов, которые на первый взгляд пред-
ставляются идеальными.

При наличии дефекта нагрузка распределяется в материале нерав-
номерно. В упругой пластине вблизи эллиптического выреза возникает кон-
центрация напряжения [1]. При приближении к вершине эллипса напряжения
возрастают (рис. 5.24).

-1

-2

а22, МПа
1500

400

-J 300

- 200

- 100

J_________►

2 х„ мм

Рис. 5.24. Распределение растягивающего напряжения
вблизи острого эллиптического выреза

Напряжение максимально в вершине эллипса, где растягивающее напря
жение <7 достигает величины:
illdX

I ь Г

— большая и малая полуоси эллипса.

v LHlVU-JllLV Г1С11 J L/ZiyiSV* 1 э

Множитель (I + 2c/b) называют коэффициентом концентрации напряжения Ра-
диус кривизны р в вершине эллипса определяется уравнением
Подставляя уравнение (5.14) в (5.13), получаем

(5.15)

Трещину можно представить как эллиптический вырез с очень большим от-
ношением с/b. В этом случае единицей в уравнении (5.15) можно пренебречь, и
максимальное напряжение вблизи вершины выреза выразится формулой

^max — (5.16)

Различие между теоретическим и фактическим значениями прочности можно
объяснить уравнением (5.16). Разрушение происходит, когда сгтах достигает те-
оретической прочности ст*. Напряжение <т0 при этом может быть значительно
ниже теоретического значения. Для острой трещины предельно достижимая
кривизна кончика трещины оценивается величиной межатомного расстояния а.
Например, при длине трещины 0,1 мм коэффициент концентрации равен при-
мерно 1000. Соответственно прочность изделия с таким дефектом должна быть
примерно в 1000 раз ниже теоретического значения.

Рис. 5.25. Координатная система

При растяжении напряженное со-
стояние вокруг острой трещины в бес-
конечной упругой полуплоскости опи-
сывается формулами Вестергарда [21]:

(5.17а)

(5.176)

(5.17в)

где 0\\ г — координаты точки в системе координат, начало которой совпадает
с вершиной трещины (рис. 5.25); а- приложенное напряжение.
5.5. Концентрация напряжений

’%>

_ пах ^тигаетц.
ЭЫть значите-^.
ЛЬНо достиг
ЮГО расстояние
грации равен па-
ктом должна бг

система

5.5.1. Теория Гриффитса

Гриффитс предположил, что трещина начинает расти, если умень-
шается полная энергия системы, равная сумме энергии образования новой
поверхности и энергии упругой деформации материала. Энергия образования
новой поверхности равна:

Ц=Г™, (5.18)

где w — ширина образца, с полудлина трещины; у — энергия образования
единицы новой поверхности.

При растяжении в упругом теле запасается энергия, плотность которой равна
(Г/1.Е. Появление трещины приводит к уменьшению этой энергии. Трещина
приводит к образованию полости, и поэтому область порядка длины трещины
разгружается. Снижение энергии упругого деформирования оценивается вели-
чиной 2с2сг2уг/Е, где 4с2w — объем разгруженной области материала. При появ-
лении трещины образуется полость и упругая энергия уменьшается, несмотря
на возрастание напряжения вблизи кончика трещины. Полное изменение энер-
гии равно сумме поверхностной энергии и энергии упругого деформирования:

п 2 2

г г О’ W /С |О\

и = yew--------. (5.19)

На рис. 5.26 демонстрируется изменение полной энергии Uот длины трещи-
ны 2с. Энергия сначала возрастает, а затем начинает снижаться. При критичес-
кой длине трещины 2с0 ее рост ведет к снижению общей энергии и трещина
становится энергетически неустойчивой.

Рис. 5.26. Влияние длины треши-
Ны на изменение полной энергии.
При увеличении длины трещины
^неРгия упругой деформации тела
(кривая 7) уменьшается, а поверх-
ностная энергия (2) возрастает.

Рн длине 2с0 дальнейший рост
тРещины приводит к уменьшению
о6Щеи энергии (J)

Пусть фиксирована длина трещины и изменяется напряжение. Общая энер
Гия Уменьшается, если

6U .
200

Глава 5. Разрушение

Дифференцируя уравнение (5.19), критерий энергетической неустойчивости сво-
дится к неравенству

4ссг2

и критическое напряжение роста трещины равно

Более аккуратное нахождение энергии упругой деформации путем интегрирова-
ния распределения упругой энергии по всему объему пластины с вырезом дает.

(5 20)

Это уравнение называют критерием Гриффитса. Если удовлетворяется кри-
терий (5.20), трещина длиной более 2с самопроизвольно растет.

Величину ^Гриффитс считал равной энергии разрыва химической связи,
т. е. энергии диссоциации атомов. Типичное значение энергии диссоциации
лежит в интервале 2—20 Дж/м2. Для стекла Гриффитс получил удовлетвори-
тельное количественное согласие теории и эксперимента. Для металлов и по-
лимеров ситуация была несколько иной. Качественно формула (5.20) подтвер-
ждалась и для них. При увеличении длины надреза прочность убывала пропор-
ционально с“1/2, но была на 1—2 десятичных порядка выше теоретических
значений. Это указывало на то, что вязкость разрушения на несколько деся-
тичных порядков выше энергии разрыва атомных связей.

5.5.2. Теория Орована

Для объяснения несогласия теории и эксперимента Орован пред-
положил, что при образовании новой поверхности энергия расходуется как на
разрыв атомных связей, так и на пластическую деформацию материала в кон-
чике растущей трещины. При приближении к вершине трещины (г-> 0) напря-
жения стремятся к бесконечности, как показано на рис. 5.24. Разумеется, на-
пряжения бесконечно возрастать не могут. Когда напряжение достигает преде-
ла текучести материала, начинается пластическое течение, ограничивающее
напряжение в кончике трещины величиной предела текучести о*.

Орован предположил, что при разрушении на поверхности образуется тон
кии слой пластически деформированного материала (см. рис. 5.3) и энергия
образования новой поверхности (вязкость разрушения) равна сумме энергии
разрыва атомных связей у и работы пластической деформации материала Ар в
кончике трещины:

G< - Y + Л'

(5 21)
Величину G называют вязкостью разрушения, причем в пластичных мате-
риалах Ар» У- Учитывая (5.21), критерий Гриффитса приобретает вид:

* —

EG
__(

ПС

Удовлетвори^
1 растет.

1ва химической
энергии дисст
получил ужгн’

1. Для ЫСШЮШ
орм^ла (5.20)
кость \ОЫ|,а
а «м тмр*’’*’
ия на

рис. 5.27. Типичные значения вязкости разруше-
ния различных материалов

Вязкость разрушения (7к характеризует
степень хрупкости материала: чем она ниже,
тем более хрупким является материал. Ти-
пичные значения вязкости разрушения раз-
личных материалов приведены в табл. 5.2
и на рис. 5.27. Они изменяются весьма силь-
но и лежат в диапазоне от 7 до нескольких
тысяч Дж/м2. Наиболее хрупкими исполь-
зуемыми на практике материалами явля-
ются стекла и керамики. Все керамики от-
носительно хрупкие, но их вязкость разру-
шения различается весьма существенно.
Если меньше 15 Дж/м2, при обращении
с керамикой нужна особая осторожность.
При падении на пол она разбивается. Это

Энергия разрушения, Дж/м?

Металлы

Алюминий

Полисульфоны

Эпоксиды, модифицированные
эластомерами

Полиметилметакрилат

Немодифицированные эпоксиды,
полиэфиры и полиамиды

Неорганические стекла

серьезно ограничивает использование хрупких материалов в условиях растяже-
ния. Керамики, (71с которых превышает 60 Дж/м2, не слишком хрупкие. На-
пример, стабилизированную двуокись циркония используют в режущих инет

рументах для обработки металлов.

Таблица 5.2. Вязкость разрушения некоторых керамик

Материал Gr Мак’риал —А—
А12О3 (монокристалл) 13 SiC (горячего прессования) 20-80
А12О3 (поликристалл) 40-65 TiC 18-74
Муллит (без пор) 15-60 Плавленый кварц 7
ZrO2(кубическая) 53-76 Натриевое стекло 9 60
2гО2 (частично стабилилированная) 53-1320 Стеклообра шые керамики
MgO 7-20

Вязкость разрушения термореактивных “стаа порядок выше

термопластичных полимеров и металл
Это означает, что для большинства материалов энергией разрыва атомны
связей можно пренебречь и основной вклад в вязкость разрушения вносит
энергия пластической деформации. Исключением являются самые хрупкие
материалы, в которых материал пластически не деформируется даже вблизи
поверхности разрушения, — это алмаз и слюда при разрушении вдоль слоев и
отчасти стекла. В конструкционных материалах разрушению предшествует пла-
стическое деформирование в некоторой области вблизи поверхности трещины.
Эта область имеет микро-, а в некоторых материалах даже и мезоразмеры.

Помимо вязкости разрушения, трещиностоикость материала характеризуют
коэффициентом интенсивности напряжения, определяемым соотношением [6], [7]:

к1е = у[Ёр. (5.23)

Еще один способ характеризации трещиностоикости основан на изучении
поведения кончика трещины в материале с надрезом. При небольших удли-
нениях образца трещина затупляется и ее кончик имеет закругленный вид
(рис. 5.28, а). Растяжение приводит к постепенному раскрытию трещины, и в
некоторый момент геометрия кончика изменяется. Из закругленного он пре-
вращается в клинообразный, и начинается рост трещины (рис. 5.28, б). При
дальнейшем растяжении увеличивается размер клина, а его угол остается неиз-
менным. Трещиностойкость характеризуют также критическим значением рас-
крытия <У, при котором начинается распространение трещины [22], [23].

а б

Рис. 5.28. Развитие трещины в полиэтилене высокой плотности и схема ее роста:

а — закругленный кончик трещины; б — клинообразный. Направление растяжения гори
зонтальное. Стрелки указывают увеличение деформации. Увеличение 60х

,’'”4. S>

” «скован на U
Яри небЛ.

еет Округленней'
кРытию трещИНН1

закругленного

I. К)

СИЙ-

ны (рис 5.28, fi. Hi
ею угол остается не/
ческим значением;-

(

Вязкость разрушения равна работе пластической деформации в кончике
трешины. Для идеального жесткопластичного материала эта работа равна про-
изведению предела текучести на раскрытие трещины;

5.5.3. Методы измерения вязкости разрушения

Первые оценки вязкости разрушения Gc были проведены Гриффит-
сом для стекла [2], [3]. Вязкость разрушения он определял из нагрузки, при кото-
рой начинается распространение трещины в образце с надрезом (5.22). Недостат-
ком этого метода при испытании полимеров и металлов является опасность затуп-
ления трещины и необходимость ее заострения перед испытанием. Этот метод
используют до сих пор, если требуется определить вязкость разрушения тонких
пленок, когда невозможно применить описываемый далее метод податливости.

5.5.3.1. Метод податливости

Изгиб упругой балки для определения энергии межслоевого разру-
шения слюды впервые использовал Обреимов [24]. Гилман усовершенствовал
этот метод и использовал его для определения вязкости разрушения различных
кристаллов [25]. Он разработал метод двухконсольной балки (рис. 5.29). В этом
случае небольшое продвижение трещины приводит к уменьшению растягива-
ющей силы, и трещина останавливается. Как следствие, распространение тре-
щины является устойчивым, и для возобновления ее роста необходимо продол-
жать движение нагружающего захвата. Испытание одного образца позволяет
получить несколько значений вязкости разрушения. При этом также отсут-

ствует опасность затупления

кончика трещины.

EIw ’

!*Ис* Метод двухконсольной
алии. е~ угол изгиба балки

При слабом изгибе упругих консолей равной толщины вязкость разруше-
Ния определяется по формуле [25|—[27|:

1
где / = wh}/\2 - момент инерции сечения консоли; w и Л — ее ширина и
толщина; L — длина трещины; Е — модуль упругости материала, Fc сила при
распространении трещины.

Испытания проводят циклическим нагружением и разгрузкой двухконсоль-
ного образца. На рис. 5.30 приведена типичная диаграмма циклического нагру-
жения стеклопластика в координатах сила F прогиб И. Отношение расстоя-
ния между концами балки Н к растягивающей силе F называют подагтиилвостью С
(С= Н/F). Наклон зависимости силы от смещения на рис. 5.30 равен 1/С При
увеличении длины трещины податливость увеличивается. Податливость двух-
консольной балки С равна 126]:

2£3

ЗЕГ

(5.26)

Рис. 5.30. Типичная диаграмма циклического на-
гружения стеклопластика. Кривая сила F— прогиб
консолей Н при межслоевом разрушении стекло-
пластика. Цифрами отмечены точки, в которых оп-
ределялась податливость образца

Прогиб консолей, мм

120

Подставив уравнение (5.26) в (5.25), получаем

(5.27)

При испытаниях двухконсольной балки экспериментально измеряют силу
при начале распространения трещины F, длину трещины L и податливость
образца. Для определения длины трещины перед очередным циклом нагруже-
ния на боковой поверхности образца маркером отмечают соответствующее ио-
ложение кончика трещины. Если левую часть уравнения (5.27), 3£/С/2в\ отло-
жить в зависимости от длины трещины I (рис. 5.31), получим’прямую линию,
идущую через начало координат. Наклон этой прямой равен вязкости разруб
ния материала (7к_.

РИс- S 3 *'’4

I диаграмма циклически
стика Кривая сила F-pv
гжслоевом разрушении г
отмечены точки, в кете-' •
востъ образца

Длина трещины L, мм

Рис. 5.31. Зависимость параметра З/7/ С/2и> от длины трещины L. Наклон прямой равен
вязкости разрушения Glc

5.5.3.2. Сильный изгиб консолей

Описанный ранее метод измерения
межслоевой вязкости разрушения примени ,
если консоли изгибаются слабо. Однако ин
да требуется определить вязкость разрушен
тонких пластин композита, когда изги являет
ся достаточно сильным. Решим задачу опред
ления вязкости разрушения для случая предельн
сильного изгиба консолей, когда Угол
достигает 90°, как показано на рис. 5.
Пусть в процессе растяжения длина трещин
увеличилась на 6L. Длина каждой консоли воз
росла на 8L, и суммарное смещение концов о -
разца равно 28L. Произведенная механическа
работа равна 2Fc8L. Эта работа расходуется
образование новой поверхности:

2F8L = C,X8S, (528)

гДе 8S~ wSL — увеличение площади греши

^ис* 5.32. Предельно сильный изгиб консолей
Сила при распространении трещины
Отсюда получаем [28]:

(5-29)

В случае предельно сильного изгиба консолей вязкость разрушения опре
деляется проще, чем при слабом изгибе. Для этого требуется измерить лишь
разрушающую силу и ширину образца. В общем случае вязкость разрушения
Gy„ можно измерить с помощью «метода углов» (см. рис. 5.29) [29], [30]:

2^.

sin 0,

(5.30)

Рис. 5.33. Несимметричный изгиб при различ-
ной толщине консолей. 0, и 02 — углы изгиба
консолей

где О — угол изгиба консоли. В этом
случае необходимо измерять угол
например, фотографируя образец в
процессе распространения трещины.
При предельно сильном изгибе угол
0 = 90°, sin 0 = 1 и уравнение (5.30)
сводится к (5.29). При различной
толщине консолей изгиб несиммет-
ричен (рис. 5.33) и вязкость разру-
шения определяют по формуле [30]:

(sin 0, + sin 6^>)
w

(5.31)

где 0{ и 02 — углы изгиба консолей.

Для оценки степени хрупкости
материала часто применяютударные
испытания. Наиболее распростра-
ненным является испытание по Шар-

пи. В этом случае брусок с V-образным надрезом разрушают ударом маятник
Энергию, поглощенную при разрушении, измеряют путем определения высо
ты подъема маятника после испытания. На рис. 5.34 показана схема испыт
[31]. Поперечное сечение стандартного образца равно 10 х 10 мм. На нем
ется V-образный надрез глубиной 2 мм с радиусом кривизны 0,25 мм. ^ая
имеет стандартную массу и длину. Иногда используют бруски с вырезом в Ф
ме буквы U или в виде замочной скважины, а также бруски меньшего pa3N

Одно из преимуществ испытаний по Шарли состоит в возможности и
рения вязкости в широком диапазоне температур. Образец можно нагреть
охладить до желаемой температуры, затем перенести его на испытатель
машину и быстро испытать, так что изменением температуры можно У

пренебречь.

Во многих материалах в сравнительно узком интервале температур 311
тельно изменяются поглощение энергии и внешний вид разрушенных о
цов. Эта температура соответствует изменению механизма разрушения и
5'^9) bl ч

5.5. Концентрация напряжений """*у
называют температурой хрупкости. При температурах ниже температуры пере-
хода разрушение является хрупким, и при ударе поглощается мало энергии.
Выше температуры перехода разрушение является вязким и поглощается мно-
го энергии. Типичные результаты испытания стали показаны на рис. 5.35 [32].
Отметим, что уменьшение температуры приводит к уменьшению энергии раз-
рушения более чем в десять раз.

Иба внесли И
'ЛИМо измерять?'14
,тог^руяо^;
Р0СТ^ния^

•о сильном изгибе

= 1 и уравнение (>
5.29). При ран™
солей изгиб несимг-
5.33) и вязкость р.:
еляют по форму::1

Рис. 5.34. Схема машины для испытаний
по Шарпи и испытываемый образец. Ма-
ятник бьет по образцу. Высота подъема
маятника после разрушения характеризу-
ет величину поглощенной энергии

Конечное положение

Фиксатор образца

Шкала

Указатель

Рис. 5.35. Переход от вязкого к хруп-
кому разрушению при испытаниях по
Шарпи образца с Г-образным надре-
зом, изготовленного из низкоуглеро-
дистой низколегированной стали после
горячей прокатки

Начальное положение

Груз
Такой же переход при изменении температуры типичен и для полимер^
Повышение скорости нагружения действует аналотчно снижению темпера^’
ры. Поэтому при высоких скоростях удара наблюдается переход к хрупК0Му
поведению.

5.5.4. Плосконапряженное состояние
и плоская деформация

При деформировании упругого материала наблюдается эффект
Пуассона, состоящий в поперечном сокращении материала при его растяже-
нии (см. рис. 5.1). Величина деформации поперечного сокращения пропорци-
ональна растягивающей деформации:

(5-32)
где е — деформация в направлении действия силы; Еу — поперечная деформа-
ция ;V— коэффициент Пуассона, характеризующий величину поперечного со-
кращения. Знак «-» означает, что при растяжении материал сокращается в
поперечном направлении, а при сжатии — расширяется.

При наличии концентратора напряжения окружающий материал может
препятствовать поперечному сокращению (при растяжении) и появляются по-
перечные растягивающие напряжения. Такое поведение характерно для тол-
стых пластин. В очень толстых пластинах, где поперечное сокращение полно-
стью стеснено, напряженное состояние называют плоской деформацией. В этом
случае деформация материала по толщине пластины подавлена и с = 0. На-
против, в тонких пластинах материал легко сокращается по толщине, и на-
пряженное состояние называют плосконапряженным. В этом случае напряже-
ния с по оси z равны нулю. Ответ на вопрос, при какой толщине пластины ее
можно считать «толстой» или «тонкой», зависит от соотношения между раз-
мером зоны пластичности и толщиной пластины. Этот вопрос будет обсуж-
даться далее.

На рис. 5.36 иллюстрируется течение пластины при плосконапряженном
состоянии. Течение происходит по полосам сдвига, ориентированным позу
лом 45 к боковым плоскостям пластины. По этой причине ширина зоны пла-
стичности равна толщине пластины. При наличии трещины в ее кончике обра-
зуется зона текучести, вытянутая в направлении плоскости трещины, как пока
зано на рис. 5.36 [33, 34|.

Так, рис. 5.37 иллюстрирует форму зоны пластичности в кончике тре
шины. Внутренняя часть толстой пластины, в которой соседние области
материала пр пят вуют боковому сокращению находится в условиях п ес
кой деформации (гг 0). Разрушение здесь соответствует виду !• Напре
тив, вблизи боковых поверхностей, где преобладает плосконапряженное
стояние (<т = 0), разрушение соответствует виду Н. Поглощение энергии на
единицу площади здесь выше из-за большего объема пластически деф°РмИ
руемого материала.
Рис 5.36. Течение материала в кончике тре-
щины при плосконапряженном состоянии.
Течение происходит по полосам сдвига, ори-
ентированным под углом 45° к боковым плос-
костям пластины, и ширина зоны пластичнос-

ти близка к толщине пластины

Направление

’ " ПопеРечная ;v -
Личину поперечь
материал сокраиц-

1СЯ.

кающий материи wx
[Жении) и появляются-

ение характерное

СЧН< 'С СилР*‘^сг е
hKvU 4

Зона

Рис. 5.37. Форма зоны пластичности и сдвиговые кромки, образующиеся у боковых по
верхностей разрушения толстых пластин

. по1.<влснаиг.-
«лтСЯ ПО Т0,Ш|*|К'
1аеП'Я ,• 1V4* ь»"”'
. Вэтом1> ,
*>«

5.5.5. Размер зоны пластичности

Размер зоны пластичности характеризуют радиусом гр, который на
основании уравнения (5.176) при 0=0 описывается формулой [33):

(5.33)

Согласно (5.33), при увеличении приложенного напряжения размер зоны
пластичности возрастает пропорционально квадрату приложенного напряжения,
равнение размера и формы зон пластичности в условиях плоской де
^ации (г = о) и плосконапряженного состояния (<тг - 0) показаны

ПРи Разрушающем напряжении радиус зоны пластичности г, для плосконапря-
*енного состояния описывается формулой:

= 0) показаны на рис. 5.38.

EG±
Т.па}

(5.34)
мации радиус

0,2

-0,1

Плосконапряженное
состояние

Рис. 5.38. Зоны пластичности при плоскона-пря-
женном и плоскодеформированном состояни-
ях [II] Величины даны в единицах (EGjo у
Кривая для плоской деформации быта рассчи-
тана при и= 0,3. Радиусы зон при птосконап-
ряженном и плоскодеформированном состоя-
ниях рассчитывали при (EGJc? )2/(2я) = 0,159
и (EG}/o )2/(6я) = 0,053 соответственно

зоны пластичности гр

210 —Глава ?азРУшение

При увеличении предела текучести материала размер зоны пластичности

убывает пропорционально а~. Как следствие, чем прочнее материал, тем мень-
ше размер зоны пластичности и тем выше его хрупкость. Для плоской дефор.
равен [11]:

Плоская

деформация

EG,..

6 лег

0,1 --

-0,2

шения близка к величине G., ,

Нс’

ПЛ

Рис. 5.3*
шины О'

Размер зоны пластичности в усло-
виях плосконапряженного состояния в
три раза выше, чем в случае плоской
деформации. На поверхности пластины
компонента напряжения ст., перпенди-
кулярная плоскости образца, равна
нулю, что соответствует плосконапря-
женному состоянию, а вязкость разру-
превышающеи Ск,. При удалении от боковой

поверхности напряженное состояние приближается к плоской деформации
Плоскодеформационное состояние преобладает, если толщина пластины пре-
вышает гр для плосконапряженного состояния. Соответственно пластину мож-
но считать «толстой», если ее толщина t намного выше г , и тонкой, если t« гр.

На рис. 5.39 демонстрируется зависимость вязкости разрушения пластины
от ее толщины. Зависимость имеет максимум. В толстых пластинах Gc умень-
ша тся с толщиной, поскольку снижается доля поверхности разрушения, соот-
вегсзвуюшая разрушению вида II. Если толщина пластины меньше удвоенного
значения г, для плосконапряженного состояния, вся поверхность соответствует
разрушению по виду II. В этом случае разрушение происходит с образованием
поперечной шейки (рис. 5 40).

Пластическое течение инициируется в плоскостях сдвига, ориентирован-
ных под углом 45° к оси растяжения. Поскольку tg 45° = 1, толщина зоны
текучести w в плоскости пластины (см. рис. 5.3) равна толщине пластины А и
при распространении грешины объем пластически деформированной облас-
ти равен /2£, где L — длина трещины (см. рис. 5.36). Площадь поверхности

На
зоны п
14 В:
^РСДщ

КОН'
Н°СТИ |
кончИк

Ил
Рого С(

' Хи
5.5. Концентрация напряжений —/ 211

разрушения составляет //, и работа пластической деформации на единицу
плошади пропорциональна голшине пластины /. Следовательно, вязкость раз-
рушения тонких пластин пропорциональна /. Это объясняет, почему очень
тонкие пленки являются удивительно хрупкими и рвутся при низких напря-
жениях.

ич

Рис. 5.39. Зависимость вязкости разрушения G от тол-
щины образца t

11 ’ к

2* «>« Й>
* 11 I

Рис. 5.40. Разрушение пластины
путем обра ювания локальной шей-
ки в кончике трещины

) ЧШЫ IllOWvr.

КОНИ п ря же и него сои
выше, чем в v

На рис. 5.41 приведена зависимость вязкости разрушения (7 от толщины
зоны пластичности в кончике трещины для тонких образцов полиарилата [33],
[34]. Вязкость разрушения Gc пропорциональна ширине зоны пластичности.
Предположим, что распространение трешины происходит при достижении в
ее кончике разрушающей деформации f*. Начальная ширина зоны пластич-
ности равна толщине пленки / (см. рис. 5.36), поэтому удлинение материала в
кончике растущей трешины равно Пусть длина трещины увеличилась на <5L.
Для идеального жесткопластичного материала, диаграмма растяжения кото-
рого соответствует рис. 5.42, при пластическом деформировании производи гея
механическая работа, равная произведению растягивающей силы (сг/07.) на уд-
линение £*/:

(5А — crsf*t2iSL. (5.36)

Площадь разрушения равна /<5/, и работа пластической деформации в рае-
чете на единицу плошади трещины равна

G ~ a (5.37)

< т

Деформацию материала при разрушении можно выразить чере удлнне
Ние при разрыве Л (f* = Л - 1), и формулу (5.3') можно записать в виде.

Gc = а>(Л ~ 1)Z (5’38)

I *
Критерий Гриффитса и соотношение (5.37) представляют собой фунда^

ixpri I ri 1 1 <л

~ Л . ’У *ДаМецт

современной теории разрушения, называемой линеинои механикой разрущеь

'Шя

Рис. 5.41. Зависимость вязкости разрушения поли-
арилата Gc от ширины зоны пластичности w в кончи-
ке трещины

Рис. 5.42. Диаграмма растя-
жения идеального жесткопла-
стичного материала

Уравнение (5.37) позволяет оценить толщину пластически деформирован-

ной зоны вблизи плоскости разрушения. Например, для эпоксидной смолы

типичное значение вязкости разрушения G равно 400 Дж/м2, а предел теку-
чести ст. = 80 МПа. Считая А ~ 2, размер пластически деформированной зоны
h0(A — 1)£* оценивается в 5 мкм. Таким образом, толщина пластически дефор-
мированной зоны в эпоксидной смоле имеет микронный масштаб.

5.5.6. Температура и скорость нагружения

Поскольку размер зоны пластической деформации обратно про-
порционален квадрату предела текучести ст2 (5.34), увеличение приводит к
уменьшению размера зоны пластичности и снижению вязкости разрушения
материала. Предел текучести возрастает при понижении температуры и увели-
чении скорости нагружения, что объясняет переход от пластического к хрупко-
му поведению материала при понижении температуры (см. рис. 5.35).

5.6. ВЯЗКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ

ВОЛОКНИСТОГО КОМПОЗИТА

При продольном растрескивании однонаправленного волокнистого
композита разрушаются матрица и граница раздела между волокном и матр*1
цей. Высокая вязкость межслоевого разрушения предотвращает интенсивное р
стрескивание, например при ударе. Очевидный метод повышения вязкости PJJ
ис. 5.42. Диагращ
*ения идеального ж-,
стичного материи

isl.

(} Таким образом, вязкость разрушс-

,). Уве

пластически деф ™ ‘
мер, для эпоксиднй о
Ю 400 Дж/м! а Г1^'
ски деформир°

даш»н»

.ровный »"*

,мИ <*
,теФ°Рм3 , <г <
И Дс^ _.,айИ^ .

ИЧ гТИР'

руШения композита состоит в использовании матриц с высокой вязкостью раз-
рушения^ Для этого в эпоксидные смолы вводят частицы каучука размером
порядка 0,1 мкм. F р

На рис. 5.43 приведена корреляция между вязкостью межслоевого разруше-
ния углепластика и вязкостью разрушения эпоксидной матрицы G |35| При
небольшой вязкости разрушения эпоксидной матрицы G, вязкость межслоево-
го разрушения композита близка к ней. При дальнейшем увеличении G. вели-
чина вязкости разрушения композита растет слабо [35], {36]. Это связано с тем,
что вязкость разрушения эпоксидной матрицы увеличивают путем введения в
нее частиц каучука размером 0,1 0,2 мкм. При этом снижается предел текуче-
сти матрицы и, как следствие, увеличивается размер пластически деформиро-
ванной зоны (5.34) в кончике трещины.

' < п|р

01 <сМ'

Рис. 5.43. Корреляция между вязкостью межслоевого разрушения углепластика и вязкос-
тью разрушения эпоксидной матрицы GXc. Все матрицы, кроме отмеченной знач-
ком «+», — эпоксидные

У
Z

В композите размер пластической зоны ограничен расстоянием

СеДними волокнами (рис. 5.44). Как следствие, толщина юны пластического
Течения меньше, чем в чистой матрице, и вязкость разрушен и Daгруше

Меньше вязкости разрушения матрицы Gu„ Таким образом, вязкость ра.ру
214

К • 5 Pciipvu,eHUC

J V Г'ав‘ ' , o, 1Мером юны пластичности в матрице, а рк

определяется не с

и”я К0М'Гмё^ волокнами. расстоянии межслоевую вязкость р<0.

стоянием между мсжволоконноь г испольэования матриц с новы-

ПР" °'ом'отита удается уравнение (5.37)). Примером являют,

решения комн разрыве Г . >н которых намного выше,

шейным УДЛИнением^Рр^1Ы деформания при £

следствие, при таком же рас-

“ «""iS >“«лое»у» ьлзкоеть

X"” * п«X ;“Хе» на

- — -

" реш“”

5.7. ПОПЕРЕЧНОЕ РАЗРУШЕНИЕ

При распространении трещины вдоль волокон вязкость разруше-
ния определяется матрицей, и поэтому она сравнительно низка. Напротив, при
поперечном разрушении трещина вынуждена пересекать волокна, и на это тра-
тится гораздо больше энергии. Это хорошо знает любой, кто пытался колоть
дрова. Вдоль волокон они колятся довольно легко, а рубить их поперек ствола
очень тяжело. Теперь мы рассмотрим диссипацию энергии при распростране-
нии трещины поперек волокон.

Рис. 5.45. Отслоение и извлечение вою-
кон из матрицы:

а — схематический рисунок; о — поверхность
разрушения стеклокерамики, армированной
волокнами SiC
На рис. 5.45 показана поверхность разрушения стеклокерамики, арми-
рованной волокнами SiC, при растяжении вдоль оси волокон [37]. На по-
верхности разрушения видны волокна, торчащие из плоскости разрушения.
Это свидетельствует об их отслоении и вытаскивании из матрицы, как пока-
зано на рис. 5.46. Оценим вязкость разрушения при распространении тре-
щины поперек волокнам. В этом случае имеется три основных канала дис-
сипации энергии:

1) энергия упругой деформации волокон;

2) энергия отслоения волокон от матрицы;

3) работа сил трения при вытаскивании
позита.

разорванных волокон из ком-

Матрица

Волокно

Сила

* волокон мвд.г
сравнительно винт Нин
IitpcCCL ’bh. ч-.

э 1к>ет любой. юс

Рис. 5.46. Диаграмма сила—смещение при
извлечении волокна из матрицы:

а — схема эксперимента; б — кривая сила—сме-
шение. Энергия отслоения равна плошали треу-
гольника ОАВ, а энергия извлечения волокна —
площади фигуры OBCD

*>.7.1. Энергия упругой деформации волокна

Энергия упруюй деформации волокна равна произведению плот-
ности упругой деформации на нагружаемый объем. Будем считать, что волокно
нагружается на неэффективной длине 3{}:

И7, =

(5.39)

ГДе ~ плотность энергии деформации волокна, г диаметр, проч-

ность волокна.
216

—г,,ава 5 Разрушение

5.7.2. Отслоение волокон

Отслоение волокон (см. рис. 5.45, а) приводит к созданию новой
поверхности. Будем считать, что волокно разрушается на расстоянии, равном
неэффективной длине волокна Jo, которая будет подробно рассмотрена в гл. 6.
Длину отслоения волокна будем считать равнс и £0, и тогда площадь образован-
ной поверхности 5 будет равна произведению периметра волокна на длину
отслоения

S = 2лг Jo. (5.40)

Энергия отслоения равна произведению энергии образования единицы но-
вой поверхности, т. е. вязкости межслоевого разрушения, на ее площадь:

W2 = Gc27ir6Q. (5.41)

5.7.3.

Извлечение волокон

Вычислим механическую работу И7, производимую силами трения
при извлечении волокна. Сила трения может быть достаточно высокой, поскольку
после разрыва волокно сбрасывает с себя нагрузку, и из-за пуассоновского утол-
щения оно защемляется матрицей. Работа сил трения при извлечении волокна
равна площади фигуры под кривой ВС. При оценке работы сил трения предпо-
ложим, что в процессе извлечения волокна сдвиговое напряжение не изменяет-
ся. Если длина извлечения волокна равна неэффективной длине, растягивающее
напряжение в нем равно пределу его прочности. Поэтому производимая работа
равна произведению силы трения 2яту£отна неэффективную длину:

И7 = 2лг^т. (5.42)

J J v

Сумма сдвиговых сил 2лту^ог равна нагрузке в волокне при его разрыве, и
величину И7 можно записать в виде:

^3 = .

(5.43)

Оценим вклад каждого из трех слагаемых в рассеиваемую энергию. Отно-
шение WJW2 оцениваем, используя уравнения (5.38) и (5.40):

И7,
Ж

4G £

Для углеродных волокон типичные значения модуля Юнга Е = 260 ГПа, проч-
ности су = 4 ГПа, радиуса rf = 4 мкм. Считая G = 400 Дж/м2, И7./^ ~
Аналогично оцениваем отношение И7/И7: с

1^, _ 2Е,
^2

(5.44)

Подставляя приведенные выше значения модуля упругости и прочности от-
ношение И/ оценивается как 130. Таким обрагом, основной вклад в анергию
разрушения композита вносит работа сил зрения при извлечении волокон и) мат-
рицы. Это довольно неожиданный вывод. Экспериментальная шаграмма извлече-
ния одиночного волокна из керамической матрицы приведена на рис. 5.46. Она
подтверждает, что вытаскивание волокна является весьма энергоемким про-
цессом, поскольку энергия отслоения равна площади треугольника ОАВ, а энер-
гия извлечения волокна — площади фигуры OBCD.

Оценим работу сил трения при вытаскивании волокон W вносящую основ-
ной вклад в суммарную энергию разрушения композита. Для расчета вязкости
разрушения умножим энергию извлечения одного волокна на козичество воло-
кон, приходящихся на единицу площади поверхности. С учетом (5.42) получаем

(5.45)

Для углеродных волокон вязкость разрушения при распространении тре-
щины поперек волокон (<7±) при 60 об. % оценивается как 2 106 Дж/м2.
Это огромная величина, которая примерно в I04 раз выше вязкости разруше-
ния матрицы при продольном растрескивании композита.

5.7.4. Адгезионное разрушение

Стойкость материала к разрушению описывают двумя взаимно-до-
полняющими характеристиками: пределом прочности и вязкостью разруше-
ния, характеризующей степень его хрупкости. Точно так же адгезионная связь
двух материалов характеризуется адгезионной прочностью и вязкостью адгези-
онного разрушения. Рассмотрим растяжение двух адгезионно-связанных мате-
риалов перпендикулярно границе раздела, как показано на рис. 5.47.

Рис. 5.47. Адгезионное (клее-
в°е) соединение двух материа-
лов, Растягиваемых перпенди-
кулярно границе раздела

Материал 1

Слой клея

Материал 2

и,. nimuMii пазпушения: когезионное по

На микроуровне возможны четыре варианта р i у

м зтргчи . 1 »п, z э и i/о ге ? и о н н ос г г о с л ого клея (а д ге г и -

сериалу | когезионное по материалу 1 и когез

ву) н ипг. Пппчпость равна минимальному значе-

у' и адгезионное по границе раздела. Про гносг г
нию из четырех величин: прочности материалов 1 и 2, прочности клея и„₽,
нести границы раздела. Как правило, поверхность раздела слабее свЯзЫвае
материалов, и разрушение является адгезионным Бывают и исключения н4
пример, при трансверс «льном растяжении органопластиков на основе во1ок ,
СВМ трещина обычно проходит через волокна, поскольку их поперечная про,
ность ниже адгезионной прочности волокноэпоксилная матрица.

Адгезионную прочность а, определяют как прочность связи двух матери^,
при распространении трещины по границе раздела (рис. 5.48):

(5«,

Рис. 5.48. Схематическое изображение зоны пластичности в матрице при распростране-
нии трещины по границе раздела волокона и матрицы

| F Рис. 5.49. Определение адгезионной прочности мето
дом вытаскивания волокна

Слой
матрицы

Волокно

На практике адгезионную про
ность чаще измеряют путем гы
кивания волокна из полимерий
склепки (рис. 5.49). Этим мего.т*>
определяют сдвиговую прочное
Он был разработан Бур°выМ
Андреевской [38| и широк*'
пользовался Горбагкиной |3 R

определения прочности адгезионной свя зи различных волокон с полимер
матрицами. На английском языке этот метод называют «pull out». £-г0 не
статком является концентрация напряжения на тройной границе гзол°кН
матрицей и воздухом (в точке А) [40|, приводящая к зависимости адгезионн
прочности от толщины склеики [39).

Даже в весьма хрупких материалах типа эпоксидных смол ра •Р>Ч*еИ”^
микроуровне сопровождается пластическим течением в кончике Tpeui,,HtJ
течения может быть настолько тонкой, что ее существование обычно неочевид-
но. Например, в эпоксидной смоле толщина этой зоны оценивается нескольки-
ми микронами. Тем не менее размер зоны пластичности примерно на пять деся-
тичных порядков превышает размер атомов. На образование этой зоны тратится
энергия, и адгезионную связь помимо прочности в духе современной теории
разрушения характеризуют также вязкостью адгезионного разрушения [40].

Пластическое течение появляется и при разрушении границы раздела. Даже
если трещина растет по транице раздела волокно—матрица, в полимерной матри-
це неизбежно развивается пластическое течение из-за концентрации напряжения
вблизи кончика трещины. Область течения располагается в менее прочной матри-
це (см. рис. 5.4S). Размер зоны текучести определяется вязкостью адгезионного
разрушения и его можно оценить при помощи формулы (5.35). Как правило, разру-
шение является адгезионным лишь на макроуровне. На микроуровне трещина
может распространяться как по границе раздела, так и частично по матрице.

iHUbl

5.7.5. Слой адгезива

На практике приходится склеивать два материала с помощью слоя
адгезива (клея), как показано на рис. 5.47. В этом случае качество склейки
можно оценить растяжением перпендикулярно границе раздела. Как правило,
прочность адгезива ниже прочности склеиваемых материалов, и трещина прохо-
дит по адгезиву и границе раздела. На микроуровне возможны три варианта
разрушения: когезионное по адгезиву, адгезионное и смешанное, как показа-
но на рис. 5.50. В случае склеивания жестких материалов, например пластин
алюминия, качество склейки часто измеряют методом двухконсольной балки
(см. рис. 5.29).

Рис. 5.50. Микромехани тмы распространения трещины: по адгезиву (а), адгезионной гра-
нице (б) и смешанное по границе раздета и адгезиву (в)

В случае склеивания тонких и гибких пленочных материалов изгиб мо
*ет быть достаточно сильным, и метод испытания сводится к так называе-
м°му Лраздиру, иллюстрируемому рис. 5.51. Преимуществом этого метода яв-
Ляется простота испытаний. В этом случае сила распространения трещины с
постоянна, причем она характеризует не адгезионную прочность, а вязкость
Ра'РУшения адгезива или границы раздела.
220

Глава 5. Разрушение

Если слой адгезива тонкий и его диаграмму растяжения можно описать
моделью жесткопластичного тела (см. рис. 5.18), вязкость разрушения опреде.
ляется по формуле (5.37):

Gk. = a^h0,

Где А _ толщина слоя адгезива. Критическая сила пропорциональна толщине
адгезива.

Рис. 5.52. Диаграмма растяжения
каучукообразного материала

Рис. 5.51. Метод |

Г-раздира * F

Если адгезив является пластич-
ным или каучукоподобным и его ди-
аграмма растяжения является криво-
линейной и не описывается моделью
жесткопластичного материала, анали

энергетического баланса показывает, что вязкость разрушения равна:

G\c

(5.47)

где Ло — толщина адгезива; w0 — плотность механической работы, равная
площади заштрихованной области под кривой деформирования на рис. 5.5-
Заметим, что критическая сила раздира пропорциональна толщине слоя адге
зива, поэтому для хорошей склейки двух материалов толщина каучукоподоб
ного адгезива не должна быть излишне малой.

Список литературы

1. Колосов ГВ. Об одном приложении теории функций комплексного переменного
к плоской задаче математической теории упругости. — Юрьев: Типография Мат*
тисена, 1909. — 187 с.

2. Griffith A.A. Phil. Trans. Roy. Soc. London. Ser. A. Vol. 221 1920. — P. 163.

3. Griffith A.A. Theory of rupture. In: Proceedings of the 1-th intern, conf, on apP,,e
mechanics. Delft, Holland, 1924. — P. 55.
5-52. Диаграмма рас^.,,
•'кообр зногоматериа*

ire мн явдяется
.учукоподобными^-

ЛЯ*енИЯ

не

„.дается
0ПИС
л1П матери1'1

С к

Список литературы Л \ -

4 Qrowan Е. Rep. Prog. Phys. Vol. 12, 1949. - p. 185-232

$ Orowan E. Welding Res. Suppl., 1955. v. 20. - P 1575 '

6 Irwin G.R. Fracturing of Metals. ASM. Cleveland ' 1949 _ p 147

’ "" Pl,>,”k Z S- V' <• Springer-

Verlag, 1958. — r. 551.

8. Семенов H.H. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной спо-
собности. — М.. Изд-во Академии наук СССР, 1958. — С. 686

9. Бартенев ЕМ, Зуев Ю.С. Прочность и разрушение высокоэластических матери-
алов. - М., 1964.

10. Регель В.Е, Слуцкер АЛ Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности
твердых тел. - М., 1974.

11. Hosford W.E. Mechanical behaviour of materials. Cambridge university press, Cambridge
2005. - P. 342.

12. Bazhenov S. Fillers: their effect on the failure modes of plastics. In: Plastics Additives /
Ed. G.Pritchard. Chapmen and Hall, London, 1998. — P. 252.

13. Hosford W.E, Caddell R.M. Metal Forming: Mechanics and Metallurgy. Second ed.
Prentice-Hall, 1993.

14. Волынский А.Л., Бакеев Н.Ф. Структурная самоорганизация аморфных полиме-
ров. — М.: Физматлит, 2005. — 232 с.

15. Behan R., Sevis М. and Hull D. Phil. Mag. Vol. 24, 1971.

16. Тополкараев В.А., Горбунова H.B., Дубникова И.Л., Парамзина Т.В., Дьячков-
ский Ф.С. Высокомолек. соед. А. Т. 32, № 10, 1990. — С. 2210.

17. Bazhenov S., LiJ.X., Hiltner A. and Baer E. J. Appl. Polym. Sci. V. 52, № 2, 1994. — P. 243.

18. Точин B.A., Щупак E.H., Туманов B.B., Кулачинская О.Б., Гай М.И. Механика
композит, материалов. № 4, 1984. — С. 635.

19. Frenkel J.I.Z. Phys. Vol. 37, 1926. - Р. 572.

20. Brunsch К. Carbon fibres and their composites / Ed. E. Fitzer. Springer-Verlag, Berlin-
Tokyo, 1985. - P. 207.

21. Westergaard H.M. Trans. ASME // J. Appl. Meeh. V. 6. № 2, 1939. — P. 49.

22. Леонов М.Я., Панасюк B.B. Развиток найдр1бн1ших тр!шин в твердому тип* //
Прикладная механика. Т. 5. № 4, 1959. — С. 391.

23. Леонов М.Я. Элементы теории хрупкого разрушения // ПМТФ. Ке 3, 1961. —
С. 85-92.

221

;>“й’ь

24. Obreimoff J.W. Proc, of the Royal Soc. of London. V. A127, 1930. P. 290.

25. Gilman J.J. J. Appl. Physics. V. 31, 1960. — P. 2208.

26. Партон B.3., Морозов E.M. Механика упругопластического разрушения. — М.:
Наука, 1985. - 504 с.

27. Ландау Л Л, Лифшиц Е.М. Теория упругости. - М.: Наука, Главная редакция
физико-математической литературы, 1965.

28. Bazhenov S.L. Composites. V. 22, 1991. - Р. 275.

29. Williams J.G. J. Composite Materials. V. 21, 1987. — Р^ЗЗО. ,

1n ” _________, , А., Баер Э. BMC. Cep. A. T. 36 1994 - C. 466

Hayden H.W., Moffatt W.G., Wulff J. Structure and Properties of Materials. Vol. 3.

Mechanical Behavior, Wiley, 1965. p ,7

Vanderbeck R. W., Gensamer M. Welding J. Res. Suppl., l^U.

Dugdale D.S. Meeh. J. and Phys. Solids. V. 8, I960. - P. 1W.

!*WuhA.A., Маневич ЛИ., Гринева H.C., Алекеаиян Г.Г, Сафонов Г.П. ДАН ССС .

'Х;«иро»™« и разруш»"'“*“XpCS”?c”“oX

МеРных пленок. Диес. к. ф.-м. н. - М.: ИХФ АН СССР, 1983. С. 150.

Баженов С.Л., Селитпш К., Хилтнер

•’L HavHen ы и/ и/г. 1

32.

33.

34.

Г. fti
222 -J\ г Глава 5- ?азРУшение

v . matrix systems and their influence for carbon fibre

36. Stenzenberger H.D. Thermose nd Their Composites / Ed. by E. Fitzer. Springer,
reinforcement. In: Carbon Fibres^and

Verlag, Berlin-Tokyo, ц СТОЙКОсть отвержденных полимерных ком-

37. Бабаевский П.Г., Кулик С./. Р — 334 с

позиций. - м.: Химия, 1 • materials: Engineering and science. Woodhead

38. Mathews F.L., Rawlings Я. Л ComP^^ 1999.

Publishing Limited, Cambnoge * ’ волокнистые аниютропные матери-

39. ГУРов AR’Андреевская Г.Д-СттеУЧ^с^ Изд-во АН СССР, 1956.

алы и их техническое при ппОЧН0СТЬ в системах полимер-волокно. Дисс.

40. Горбаткина Ю.А. Адгезионная про^сть^ сс(,р с

на соискание степени д-ра те*н- *ф № 3 1982. - С. 140.

41. Маневич Л.И., Павленко А.В. ЖИМ 1ч>. -пг

Л'
н
н

п<

ГД
нг

Ле
ВОЛОКНИСТЫЕ композиты

Далее макроскопические упругие характеристики композита будут
определяться на основе некоторой модели микроструктуры материала, исходя
аз свойств волокон и матрицы. Такой микроанализ позволяет выявить основ-
ные факторы, определяющие характеристики композиционного материала.

6.1. ПРОДОЛЬНЫЙ МОДУЛЬ УПРУГОСТИ

Сначала найдем продольный и поперечный модули упругости во-
локнистого композита. Рассмотрим однонаправленный материал, нагружен-
ный вдоль оси волокон, как показано на рис. 6.1. В случае идеальной адгезион-
ной связи волокон и матрицы они деформируются совместно:

Волокна и матрица несут нагрузку,
порциональную их площади:

Pf = °fSr

Рт = crS,
/и /и /и’

где 5 — площадь поперечного сечения;

Спряжение.

Аналогично, для композита имеем:

Рис. 6.1. Однонаправленный компо-
зит, нагруженный параллельно во

р = р + о

‘ rf Гт'

локнам

Из Уравнения (6.2) получаем

су Sc = afSf + amSm.

(6.3)

Оросительная доля площади поперечного сечения

волокон в однонаправ-

Ленном

композите равна их объемной доле:
и уравнение (6.3) можно записать в виде.

ас ~~ Vf + (6 4)

Деформация упругих волокон и матрицы описывается законом Гука:

= Есес, = Efrp ат = ЕтЕт.

Подставив эти выражения в уравнение (6.4), получаем

EfefVf+ EmEmVm.

Используя (6.1), продольный модуль упругости композита опишется урав-
нением

Ес = EfVf+ EmVm.

(6.5)

Это уравнение является частным случаем правила смеси.

В волокнистых композитах в качестве матрицы наиболее часто используют
эпоксидные смолы Типичное значение модуля упругости эпоксидной матри-
цы составляет примерно 4 ГПа, что примерно в 30—50 раз ниже модуля упру-
гости волокон (от 90 ГПа в случае стеклянных волокон до 260 ГПа для углерод-
ных волокон). Поэтому вторым слагаемым в уравнении (6.5) можно пренеб-
речь, и оно упрощается:

(6.6)

Рис. 6.2. Зависимость модуля упругос-
ти Ес органопластика СВМ/ЭДТ-10 от
объемной доли Vf волокон:

О — растяжение

На рис. 6.2 приведена зави-
симость модуля упругости орга-
нопластика от объемной доли
волокон [1]. Модули упругости
композита при растяжении и сжа-

тии совпадают. В согласии с урав-
нением (6.6) модуль упругости пропорционален доле волокон Vj вплоть до очень
высоких степеней наполнения. Наклон прямой на рис. 6.2 соответствует моду-
лю упругости органических волокон Ef= 115 ГПа.

6.2. ПОПЕРЕЧНЫЙ МОДУЛЬ УПРУГОСТИ

Для определения модуля упругости композита в поперечном направ"
лении рассмотрим простейшую модель, состоящую из плоских упругих слоев
матрицы и волокон и изображенную на рис. 6.3. При отсутствии пор длины
•2. Поперечный модуль упругости

элементов, соответствующих волокнам и матоипе

Силы, приложенные к волокнам и матоипе пЯ ’ РЗВНЫ ИХ объемным Долям,
удлинение композита 6с равно сумме удлинений™ ВНеШНеЙ силе‘ ПопеРечное

матрицы 6т и волокон

или

с т

откуда получаем

•‘’6оЛе.и
ееч*йицс„

' ТИЗпл

Mln "Kc,r ми
30 PW Ниде,, ,

Ж До2б0ГПадл*

Учитывая, что

имеем

Рис. 6.3. Простейшая модель слоис-
того композита. Слои волокон чере-
дуются со слоями матрицы

(6.7)

Шиапюспми»»^
и»„оп^(В‘- •-
ж .л.и KlN*®*

и получаем

Учитывая, что сус = су = ат, получаем

(6.8)

Из соотношения (6.8) определяем поперечный модуль упругости композита:

/1 т

(6.9)

Для большинства волокон, кроме органических, Е^± Ет и уравнение (6.9)
Упрощается:

Е Ет
___ т _ т
ri ~ v„ 1 - vf'

(6.10)

4
г** уЛ
УШ

Обычно полагают, что поперечный модуль упругости EfL волокон равен
Р°Дольному модулю Ef\ однако это справедливо лишь для изотропных воло-

кон. Аналогичное предположение часто используют и для анизотропных угле-
родных волокон - из-за трудности, а иногда и невозможности эксперимен-
тального измерения поперечного модуля.

В отличие от продольного модуля, поперечный модуль композита Е опре-
деляется в основном жесткостью матрицы Ет и ее объемной долей. Отметим
что увеличение модуля упругости волокон в два раза приводит к удвоению
продольного модуля композита, однако поперечный модуль при этом возрас-
тает лишь на 2 %. В случае органических волокон их поперечный модуль срав-
ним с модулем полимерной матрицы [2], и следует использовать не (6 10), а
более общую формулу (6.9).

Рис. 6.4. Упаковка волокон в узлах квадратной (а) и гексагональной решеток (б)

Более точное выражение поперечного модуля упругости композита для
моделей квадратной и гексагональной упаковки волокон (рис. 6.4) можно най-
ти в [3].

6.3. МОДУЛЬ СДВИГА

Модуль сдвига Gc однонаправленного композита «в плоскости»
волокон может быть вычислен при помощи модели, использованной для опре-
деления поперечного модуля (см. рис. 6.3). В этом случае сдвиговое напряже-
ние в слоях волокон равно сдвиговому напряжению в матрице. Анализ, анало-
гичный приведенному выше, дает:

(6.11)

Формула (6.11) аналогична (6.8), и величина Gc определяется в основном
модулем сдвига матрицы Gm. Если модуль сдвига матрицы намного выше моду-
ля волокон, первым слагаемым в правой части (6.11) можно пренебречь, в
результате чего получаем
3(У

6.4. Влияние температуры

?.ч

, ."Ри

Ь|Йь

сдвига волокон обычно оценипяшт л

М°АУ лГжиииента Пуассона „ „BaiOT из продольного модуля упруго-
сти коэффициента Пуассона vp предполагая, что волокна изотропны По-
скольку коэффициент Пуассона измерить также весьма трудно, величину vr
считают равной некоторому характерному значению 0,3-0,35. Для органичес-7
кИх волокон такие оценки применять нельзя, и модуль сдвига органических

олокон измеряли методом круче-
ния Он сравним с модулем поли-

юй решеток (6)

)сти композитами
зис. 6.4) можно най-

Рис. 6.5. Зависимость модуля упругости
углепластика при сдвиге Gc от объемной
доли волокон И,

мерной матрицы.

На рис. 6.5 приведена зависи-
мость модуля сдвига углепластика от
объемной доли волокон [4].

Более точно модуль сдвига описывается формулой [3]:

тжл

где Gf — модуль сдвига волокон.

Если Gf^> Gm, это формула упрощается:

(6.14)

LH°

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

н X

тик it Рис- 6-6 приведены зависимости модуля сдвига t о м

сдпи 1 (кривая О и углепластика [6] (2) от температуры испытан™_ •
ЛоВаГа Композитов линейно снижается до 65 °C, а в области те_^п темпептгуре
ния матрицы Т скорость снижения резко усиливается. При ^мпературе
Хига °°’С МаТ^а находится в высокоэластическом состоянии, и модуль
остается практически неизменным.
КОЭФФИЦИЕНТ ПУАССОНА

ИЛИ

г = г

т т

Рис. 6.6. Зависимость модуля сдвига Gc органопластика СВМ/ЭДТ-10 (кривая 7) и угле-
пластика УКН-5000/ЭДТ-10 (2) от температуры испытания Т

т т т т т т’

Продольные деформации волокон и матрицы равны следова-

тельно:

80 120

Температура Т, С

160

Глава 6. Волокнистые композиты

ПРОМ

(1оЛе1

При

О
п<
и

*р ппочноо

, .ания пр'-
ПОСКО

Эффект Пуассона состоит в поперечном сокращении материала
при его растяжении и расширении при сжатии (см. рис. 5.1). Коэффициент
Пуассона I/. связывает продольное удлинение материала с его сокращением в
поперечном направлении (5.34). Модель, использованную для вычисления по-
перечного модуля упругости (см. рис. 6.3), можно применить для определения
продольного коэффициента Пуассона. Однако нагрузка теперь приложена па-
раллельно волокнам. Компоненты поперечной деформации получаем из осе-
вой деформации и коэффициентов Пуассона волокон и матрицы. Вывод ана-
логичен выводу ЕсГ Поперечное сокращение волокон 3^ матрицы Зт и компо-
зита 3 равно соответственно:

(6.15)

(6.16)

’ т
mtc

(6.18)

Основным па
' - является прочн
, .вита нес кои

Вторым по зна
• позита, являете
•U граница рац
-пряжения. Выч1
втягивающих на
равна при€
'?ВеСТИ к ПРТ
матг

ОТ

\ X н 44 F
6.6. Прочность -J 229
учитывая, что

If t

4 f <

получаем

v^vfVf+^m- (6.19)

Таким образом, продольный коэффициент Пуассона композита описыва-
етСя правилом смеси.

JKPMBa8

|щении материи
.1). Коэффициент
го сокращением в
1Я вычислениям
ь для опред^
;рь приложен^
по^ем;1.

, вывод2
rp>lUbl'
грин Л"

6.6. ПРОЧНОСТЬ

6.6.1. Поперечное растяжение

При описании разрушения начнем с поперечного растяжения и
сдвига, которые потребуются при рассмотрении более сложного разру11ieния
при растяжении и сжатии вдоль волокон. Простой и надежной формулы для
описания прочности при поперечном растяжении армированных пластиков не
существует, поскольку она зависит от многих факторов, включая свойства во-
локон, матрицы и границы раздела, концентрации пор и внутренних напряже-
ний. Основным параметром, определяющим поперечную прочность компози-
та, является прочность матрицы. В отличие от поперечного модуля, прочность
композита несколько ниже прочности матрицы.

Вторым по значению фактором, от которого зависит поперечная прочность
композита, является адгезия между волокнами и матрицей. Если матрица упру-
гая, а граница раздела не разрушается, вблизи волокон имеется концентрация
напряжения. Вычисление полей напряжения показывает, что концентрация
растягивающих напряжений максимальна в полюсе волокна, а ее величина при
^/=0,5 равна приблизительно 2,0. Очевидно, концентрация напряжения долж-
на привести к примерно двукратному снижению прочности композита на ос-
нове упругой матрицы по сравнению с исходной матрицей. Необходимо отме-
тить, что вблизи трещин концентрация напряжения может привести к более
сильному снижению прочности материала.

При низкой поперечной прочности композит легко растрескивается, и по-
этому на разработку пластичных матриц, позволяющих снизить концентрацию
Напряжения, тратились значительные усилия. В принципе существует две воз-
можности снижения концентрации напряжения при поперечном растяжении,
композитах с полимерной матрицей это достигается введением в нее частиц
КаУчука. Вторая возможность снижения концентрации напряжения состоит в
внесении на волокна мягкого покрытия. При не очень высокой адгезии во-

Кна отслаиваются и перед разрушением их можно моделировать цилиндри-
^скими отверстиями. Если матрица пластичная, концентрацией напряжения

ИЗи отверстий можно пренебречь.

В однонаправленных материалах поперечные трещины обычно зарождаю
ся преимущественно в областях наиболее плотной упаковки волокон. Как прГ
вило, они растут по границе раздела матрица/волокно. Перед магистральной
трещиной часто появляются микротрещины на поверхности волокон в облас
тях максимальных радиальных растягивающих напряжений в матрице.

Органопластики на основе арамидных волокон при поперечном растяжении
ведут себя весьма необычно, поскольку в них наблюдается расщепление воло-
кон, имеющих сильно ориентированную анизотропную структуру. Изредка так

разрушаются и композиты на основе анизотропных углеродных волокон

6.6.2. Пластичная матрица

6,6,2,1. Регулярная решетка волокон

Для описания поперечной прочности однонаправленного слоя при
плохой адгезии между волокнами и матрицей используем модель композита, в
которой цилиндрические волокна образуют регулярную квадратную решетку,
как показано на рис. 6.4, а. Предположим, что в результате отслоения волокон
образуются цилиндрические поры и трещина проходит через плоскость, мак-
симально ослабленную порами (показана линией на рис. 6.4, а). В случае пла-
стичной матрицы концентрацией напряжения можно пренебречь, и растягива-
ющая сила равна произведению напряжения в матрице на площадь ее попе-
речного сечения

а = cj S .
с т т

(6.20)

Суммарное сечение пор в плоскости А равна nd, где d — диаметр ил —
количество волокон в расчете на единицу площади сечения А. Площадь матри-
цы в этой плоскости равна:

5=1 — nd.
т

(6-21)

!•

22)

flOJlJ

л;18нен11е (6'2(

ypJD*1

да <7,- ПрОЧНО1

и уравнение (6.2

Выразим сечение матрицы 5 в плос-
кости АА через объемную долю воло-
кон. Для этого рассмотрим ячейку пе-
риодичности, представляющую собой
квадрат размером b (рис. 6.7). На еди-
ницу длины в плоскости АА приходит-
ся п = {/Ь волокон, и уравнение (6.21)
приобретает вид:

сл>

Пре

5=1- d/b.

(6.22)

Рис. 6.7. Квадратная решетка цилиндрических
волокон:

Ь ребро ячейки периодичности; d — диаметр волокна

Ф°1

” При

ене'

% ъ

Ч. Лч
5ЧпЧ>
. коц» Ч
X <
°м Раст
^Ппр.’Чи,,

геЧение одного волокна равно nd2/4

композита равен

6.6. Прочность

231

Фу. и

ч.

ленн°госЛоя„р1(
ель композита, в
ратную решетку,
слоения волокон
> плоскость, мак-
fl). В случае пла-
речь, и растягива-
плошадь ее попе-

’ и их общий объем в единице объема

Nnd2

где /V- количество волокон, приходящихся на единицу площади сечения по-
перечного направлению волокон (плоскость на рис. 6.7). Количество волокон
N на единицу площади равно 1 /Ь2 и V; = ^/4^, откуда пол

Из (6.22) получаем

и уравнение (6.20) приобретает вид [7]:

(6 23)

(6 24)

где ит — прочность ненаполненной матрицы. Величина

(6.20)

_ диаметр и"'
j Плошадь матРи‘

(6.20

Д = 1,13
V л

и уравнение (6.20) можно записать в виде

ст,. = О - 1’13 Т^Т)-

матриц
тОиМ Я соб°

(Р‘ кН пр е (6 2"

’•6.2.2. Случайно распределенные волокна

Предположим, что
Нии 0Ни отслаиваются от волокон,

ПоР будем считать равной объемной доле

волокна расположены случайно и при растяже-
приводя к образованию пор. Концентрацию
’ : волокон К. Рассмотрим образец пря-

м°Угольной формы с поперечным сечением 5 и длиной L Р р1|_

^по3ита при объемной доРле пор к „на неизвестной величин и ма.ер „
"РазруШается по слабейшеМу сечению А-А (рис. 6 8>' ся и прой-

"аилем изменение прочности. Предположим, что тРешиНЛ ° Н1Ж не более
йотЧлРез добавленную пору В, если ее центр^^ина г/^мала и разруше-
ние ерхнос™ A-А. Предположим также, it т {1О ТОму же сече-

нию Л-Т*'13 С добавленным количеством пор^ в поперхноС1Ь

отклонением в сторону поры В. Р
разрешения затем возвращается в сечение А—А, образуя таким образом повер
хность разрушения А А (рис. 6.8, б).

Рис. 6.8. Модель случайно расположенных цилиндрических пор:
АА — плоскость разрушения

Вероятность случайного попадания поры В в слой толщиной 2Л равна
„ 2Л

Добавленная доля пор dVp соответствует их объему d£l = SLdVp. Количе-
ство добавленных пор

4dSi SLAdVp

7ld2 7rd2

где d — диаметр волокна. В рассматриваемый слой попадут не все поры, а их
доля, равная общему количеству пор, умноженному на вероятность Р попада-
ния в этот слой:

dN = PdN0

7Ш~ '

Таким образом, по сравнению с сечением А—А поверхность разрушения А'—А
уменьшится на величину

dS = dN = ~—dV .
nd p

Следовг гельно, при до давлении dVp пор разрушающая сила F снизится на ве-
личину dp равную произведению разрушающего напряжения в матрице на
сечение добавленных пор, попавших в слой толщиной 2Л, т. е. dF =

Уменьшение прочности do^ находим делением dFна площадыполимерной мзт-
пццЫ в сечении А А Долю пор в рассматриваемом сечении считаем равной их
среднему значению Ло(1 И), где 50 — площадь начального сечения образца:

da = -

2h dVp

nd 1 -V

(6.25)

Для оценки величины h учтем, что в пластичных материалах поля деформа-
ций вблизи пор взаимодействуют и взаимно перекрываются, если дефекты ори-
ентированы под углом со не более 45 по отношению к поверхности разруше-
ния. Поэтому будем считать, что предельный угол со отклонения поверхности
разрушения равен 45 и толщина слоя h примерно равна половине расстояния
между волокнами Ь, умноженного на sin со:

, bsmco b>/2
h « -----=----.

2 4

Расстояние между волокнами определим из размера и объемной доли пор:

_ nd2

Суметом (6.25) имеем

dac =

1-^

(6.26)

После замены х = Ур2 и разделения переменных получаем дифференциальное
уравнение

интегрирование которого дает:

1псгг

(6.27)

где С — постоянная интегрирования, которую определяем из начального уело
ВИЯ а = стт При х = 0 Возвращаясь к исходной переменной получаем

(6.28)

Разложение формулы (6.28) в ряд при малых степенях

наполнения (Р^« 1)дает:

(6.29)
IH = 1,60, и полученная формула отличается от выражения (6.24), выведение
го в рамках модели регулярной упаковки волокон, лишь величиной коэфф.

=о’™(| -'>6 7^)-

(6.30)

В соответствии с формулой (6.30) всего лишь 1 и 4 % пор приводят к сниже-
нию трансверсальной прочности композита на 16 и 32% соответственно. Та-
ким образом, даже небольшое содержание пор приводит к резкому снижению
прочности композита при поперечном растяжении.

6.7. ВНУТРИСЛОЕВОЙ СДВИГ

Прочность однонаправленного композита при сдвиге зависит от
направления приложения силы. Сдвиговая нагрузка может быть приложена
перпендикулярно и параллельно волокнам, как показано на рис. 6.9. В первом
случае прочность при сдвиге заметно выше, поскольку при этом разрушаются
волокна. Во втором случае, называемом продоль-

ным сдвигом, при нагружении разрушаются мат-
рица и граница раздела. Свойства композита в
этом случае гораздо ниже, и такая нагрузка осо-
бенно опасна, поскольку она приводит к про-
дольному растрескиванию композита. Поэтому
рассмотрим его более подробно.

Рис. 6.9. Сдвиг композита перпендикулярно (а) и парал-
лельно (б) волокнам

Влияние пор на прочность композита при продольном сдвиге г в моделях
регулярной решетки и случайно расположенных пор описывается формулами,
аналогичными формулам (6.24) и (6.30):

(6.31)

г,. = r„,(i-1,67^).

(6.32)

На рис. 6.10 приведены зависимости относительной прочности при сдвиге
rt/ro стеклопластика (кривая 7) [7] и углепластика (кривая 2) [6] от концентра-
ции пор. В координатах tc/tq - зависимость описывается прямой линией,
наклон которой близок к 1,6, что соответствует уравнению (6.32). Отметим, что

Рис. 6.Ю. Зависни

ОТ KOpI

При

6.7. Внутрисловной сдвиг 235

формула (6.32) справедлива лишь при малых степенях наполнения, когда вы-
полняется отличие от модели регулярной упаковки волокон, уравне-

ние (6-32) достаточно хорошо описывает и наклон прямой линии в координа-
тах прочность - JVP.

Р ПРИЙ "
'““’%’* Ч!

у c4t

Jc*ew11ICI
• 6“Ч С

ри этом разрушаются
называемом продоль-
нии разрушаются мат-
Свойства композитав
и такая нагрузка осо-
она приводит к про-
) композита. Пол
робно.

Рис. 6.10. Зависимость прочности при сдвиге тс/т0 стеклопластика и углепластика (кривая 7)
от корня квадратного из концентрации пор г0 — прочность композита в
при И -> 0. Прямая 2 соответствует формуле (6.31)

ле

(СХ'

Рис- 6.11. Зависимость прочности органопластика при сдвиге г, от объемной доли воло-
кон Vf

На рис. 6.11 приведена зависимость прочности органопластика при сдвиге т
^бьемной доли волокон К Прочность немного возрастает при увеличении Vf
От 40 До 70 об. %, после чего наблюдается снижение прочности, которое стано-

НДИ^

вится весьма значительным при ^>85 об. %. Снижение прочности при сдвИге
отражает несовершенство технологии изготовления композита и снижение ад
гезии в области очень высоких степеней наполнения ^->85 об. %.

6.8. ПРОДОЛЬНОЕ РАСТЯЖЕНИЕ

Прочность волокнистого композита максимальна при нагружении
вдоль оси волокон. Поэтому если нагрузка является одноосной, волокна стара-
ются ориентировать вдоль нее, и вопрос о соответствующем разрушении осо-
бенно важен С момента появления современных волокнистых композитов
прошло немногим более шестидесяти лет, и основы науки об их разрушении в
течение прошедшего времени изменились довольно сильно. Развитие этой на-
уки можно подразделить на два этапа. Ступенью, суммировавшей результаты
первого этапа, можно считать обзор Розена [8], [9], опубликованный в середи-
не 60-х гг. XX в. и получивший широкую известность. Его суть сводится к
тому, что при растяжении композиты разрушаются вследствие разрушения во-
локон, а при сжатии — вследствие потери устойчивости волокон.

Однако оказалось, что разрушение волокнистых композитов сложнее и суще-
ствует целый спектр конкурирующих механизмов разрушения как при продоль-
ном растяжении, так и при продольном сжатии. Эти механизмы обусловлены
широким различием свойств волокон и матриц, а также вариацией адгезии на
границе волокна и матрицы. В этом состоит основное отличие разрушения ком-
позитов от гомогенных материалов, например металлов и полимеров. Прежде чем
перейти к анализу различных механизмов разрушения композитов, рассмотрим
разрушение при ориентации волокон под некоторым углом к оси нагрузки.

6.8.1. Растяжение под углом к оси волокон

Представим однонаправленный слой в виде параллельно уложен-
ных непрерывных волокон (см. рис. 6.1), имеющих идеальную адгезионную
связь с матрицей. При растяжении композита под углом к оси волокон помимо
продольных растягивающих напряжений появляются компоненты поперечных
растягивающих и сдвиговых напряжений. Как следствие, имеется три конкури-
рующих механизма разрушения [10]:

1) разрушение под действием продольного растяжения;

2) поперечного растяжения;

3) сдвига.

Эти механизмы обусловлены осевым разрушением волокон (1), попереч-
ным (2) и сдвиговым (3) разрушением матрицы и границы раздела соответ-
ственно. Сдвиговые и поперечные напряжения появляются как при растяже-
нии, так и при сжатии композита, но ниже для определенности будет рассмот-
рено растяжение. Типичные значения прочности армированных пластиков при
этих способах нагружения приведены в табл. 6.1.
№

НИсТЫх

Таблица 6.1. Типичные значения прочности однонаправленных композитов
на в< рной матрицы (Vf = 0,5, прочность приведена
в МПа)

Материал Продольное растяжение Продольное сжатие Поперечное растяжение Поперечное ежа гис Сдвиг
Стекло— полиэфир 1200-1700 600-900 20-25 90-120 45-60
Углерод— эпоксид 1700-2100 1200-1400 35-40 130-190 60-75
Арамид- эпоксид 1400-2100 240-290 20-30 110-140 40-60

УТЬ СВОДИТСЯ к
ГВИе разрушения во-
ОЛОКОН.

^тов сложнее и суие-

Прочность однонаправленного композита при растяжении под углом к во-
локнам можно определить с помощью критерия максимального напряжения. Кри-
терий максимального напряжения обобщает схему Иоффе—Давиденкова, предло-
женную для анализа хрупкопластичного перехода в стали. Согласно ему, мате-
риал разрушается, если хотя бы одна из трех компонент напряжения (продольного
растягивающего, поперечного растягивающего или сдвигового) превышает соот-
ветствующее значение предела прочности однонаправленного композита. Этот
критерий выполняется, если справедливо хотя бы одно неравенство:

Iия как при продсль-
анизмы обустее-и

шриаимей дай на
чме разрушения кй-
пнмеров. IWrl
1ПО1ИТОВ. Р1*'
к ОСИ наП’У3**

осив° попер'*^
п£,н^1Р1,ь

где ст, ст и т — прочности при продольном, поперечном растяжении и сдвиге
соответственно.

Для анализа этих неравенств необходимо определить напряжения в глав-
ных осях (когда одна из осей координат направлена вдоль волокон) при растя-
жении материала под углом к волокнам, как показано на рис. 6.I2, а. Разложим
внешнюю силу ^на две компоненты, параллельно и перпендикулярно оси слоя
(рис. 6.12, б):

F^ = Feos /9;

F± = Fsin 0.

Продольное растягивающее напряжение находим, деля компоненту силы
на площадь сечения образца в направлении, перпендикулярном оси во окон,
$ = S0/cos 0:

ав = ст cos2 0, (6.34)

II Л

где — приложенное внешнее напряжение.

Компоненту трансверсального растягивающего напряжения находим, деля
Илу на площадь образца в перпендикулярном направлении S — 50/sin 0.

а± = <\sin2 0. (6.35)

Сдвиговое напряжение находим, деля силу F^ на площадь плоскости сдвига
Vsin 0:

г = ст sin 0cos 0. (6 36)

х
---------------------- «имеется
уравнения (6.34)—(6.36),

1) продольное разрушение

cos2 О ’

2) поперечное разрушение

(6.38)

(6.39)

Волокна

Глава 6. Волокнистые композиты

' 1 л ПР1

Определим напряжение стх. при котором произойдет разрушение. Име
три возможных механизма разрушения. Используя ;--------

получаем:

с_____

sin 0 cos 0

sin2 в'

3) сдвиговое разрушение

Рис.

6.12. Растяжение однонаправленного

ма расчета (б) озита под углом в к оси волокон (о); схе-

Очевидно, композит разрушится ппи

критических значений предела прочности ( °С™Жении минимального из трех
ного критического напряжения предполаг 4’ И КритеРий максималь-
механизма разрушения, и композит паз™... ЧТ° существУет три независимых
.. х аеТСЯ ПРИ Д°СТИЖеНИИ хотя бы одно-
’ Влиянием дополнительного сдвиго-

го критического напряжения (сг^, <т.± и

вого и поперечного растягивающего напряжения на критическое напряжение
продольного разрушения в этом критерии пренебрегают.

сД’лимостьразр

- ’от угла 6

МОЖНО I

Зависимости величины критических значений а., и а от угла 6 между
осью слоя И угла приложения нагрузки для всех трех механизмов разрушения
представлены на рис. .13. При малых значениях угла 0 разрушение обусловлено
продольным разрушением волокон.
Поперечное разрушение, обусловлен-
ное разрывом матрицы и границы раз-
дела, характерно для больших углов
$ близких к 90°. Сдвиговое разруше-
ние характерно для промежуточных
значений угла 0.

Рассмотрим критический угол 0*,
при котором происходит переход от
продольного к сдвиговому разруше-
нию. Приравняв уравнения (6.37) и
(6.39), получаем

(6.40)

Рис. 6.13. Зависимость разрушающего напря-

Угол 0, град

жения ст от угла в

При малых 0 можно считать tg 0 ~ 0\

0* = -^-

(6.41)

Оценим значение угла 0* при переходе от продольного к сдвиговому разру-
шению. При тс = 40 МПа и oj = 2,4 ГПа критический угол 0* равен 1,0°. Таким
образом, переход к сдвиговому разрушению происходит при очень малом угле
Ме*ДУ осью волокон и осью приложенной силы. Даже небольшая неидеаль-
ность укладки волокон может инициировать сдвиговое продольное растрески-
Вание и разрушение композита.

Это важный результат, определяющий специфику поведения волокнис-
композитов вследствие их предельно высокой степени анизотропии и
дичающее их поведение от традиционных материалов. Отношение oj|/Tt
аРактеризует степень анизотропии материала. Чем она выше, тем легче
сслаивается композит и тем строже условия на предельно допустимый
л Разориентацци волокон относительно оси приложения нагрузки. Заме-
что отношение gJt близко к отношению прочности волокон к проч-

Ност” матрицы. " ‘
Мы подошли к обсуждению важнейших особенностей поведения армиро,
ванных пластиков, связанных с их предельно высокой анизотропией. Из-за
предельно высокой анизотропии однонаправленного композита он легко рас-
трескивается [11], [12]. Вследствие этого значения прочности волокнистых ком-
позитов сильно зависят от методики испытания. Причем при сжатии это про-
является еще сильнее, чем при растяжении. Например, для стеклопластика
изготавливаемого по одной технологии, различные методики испытания дают
значения прочности при сжатии, различающиеся более чем втрое [7], [11]? [12]
Причина этого при растяжении и сжатии одна и та же — растрескивание под
действием сдвиговых напряжений. Казалось бы, нужно разработать «наилуч-
шую» методику испытания, стандартизировать ее и использовать в лаборато-
рии при разработке материала. Именно так и делают при испытаниях метал-
лических сплавов и полимеров. В случае армированных пластиков проблема
гораздо серьезнее в связи с предельно высокой анизотропией и наличием кон-
курирующих механизмов разрушения. Прочность волокнистого композита зна-
чительно выше, если подавлено растрескивание и образцы нагружаются строго
вдоль оси волокон.

С предельно высокой анизотропией связана и проблема реализации высо-
кой прочности композита в изготавливаемых из него изделиях. Если мы раз-
работали, например, новую марку стали, прочность которой вдвое выше имею-
щейся стали, то ее использование в некоторой детали должно увеличить проч-
ность детали вдвое. Ситуация с волокнистыми композитами иная. В этом случае
использование нового материала с вдвое более высокой прочностью совершен-
но не обязательно приведет к увеличению прочности детали.

Связано это с тем, что для получения высокой прочности детали мы дол-
жны подавить или как минимум задержать начало растрескивания. Для этого
необходимо выполнить два условия. Во-первых, нужно обеспечить строгую
технологическую укладку волокон вдоль оси образца при его изготовлении.
Во-вторых, мы должны нагрузить деталь строго вдоль волокон. В лаборато-
рии при испытаниях небольших модельных образцов обе эти задачи реша-
ются. Но не факт, что это возможно для реального изделия. Обеспечить
ориентацию волокон строго вдоль оси действия нагрузки нелегко, а иногда
и невозможно.

Целью конструктора является увеличение прочности и надежности работы
детали. Поэтому при разработке материала механизм его разрушения в лабора-
тории должен соответствовать механизму разрушения изделия. Вследствие это-
го методика испытания образцов в лаборатории должна, возможно, давать не
самые высокие значения прочности, но обеспечивать соответствие механизма
разрушения разрабатываемого композита и изготавливаемой из нее детали.
Обычно этим механизмом является растрескивание композита. При этом как
конструктор, так и разработчик материала должны понимать специфику пове-
дения композиционных материалов, обусловленную их предельно высокой ани-
зотропией. При этом появляются проблемы соёдинения деталей из композита,
заделки концов и кромок и т. д.

прочность Mi
С00ТНО1

Начало
разрушения
%

6.9.

Осени рас тн

«ени

241

4N>>

ОСЕВОЕ РАСТЯЖЕНИЕ

> na. MQl

JРаЧЬЧ
|пЛьз°ватЬв К
₽АИсп<х>
x Пластик^ ’* чЧ
°ПИей и нали?4
*тог» <'с

>лема реализации 8lro.
изделиях. Если мы раз-
орой вдвое выше имею-
должно увеличить проч-
гами иная. В этом сш
д Прочностью совершен-

Рассмотрим разрушение гипотетического идеального композита (см
рис. 6.D под действием продольного растягивающего напряжения, предполагая,
чТО сдвиговые и поперечные напряжения отсутствуют. Будем считать, что нагруз-
ка направлена строго вдоль оси волокон. При не слишком большой приложенной
нагрузке деформация волокон и матрицы описывается законом Гука и напряже-
ние в композите описывается уравнением (6.4). При постепенном увеличении
напряжения первой может разрушиться или матрица, или волокна Это зависит от
соотношения деформации разрыва матрицы гт и деформации разрыва волокон е,.

6.9.1.

£,> £т
г т

В этом случае первой растрескивается матрица, как показано на рис. 6.I4.
Такое поведение типично для композитов с хрупкой керамической матрицей и
композитов, армированных пластичными металлическими волокнами. В зави-
симости от содержания волокон имеется две возможности. При малых содер-
жаниях волокон растрескивание матрицы инициирует катастрофическое раз-
рушение композита. Предполагая, что волокна и матрица ведут себя упруго
вплоть до разрушения, прочность композита получаем из уравнения (6.4):

ст = Vfaf + сг И , (6.4»)

с j J т т 1

детали.

ючности детали м^;
стРесКИВаНГип*'(
«н0 ^ИЗГОТОИ’*'
а ПР» ег0 * в 3aW'-
ль »»»»*„<:'
-

где ат — прочность матрицы; &f — напряжение в волокнах при растрескива-
нии матрицы. Соотношение (6.42) выглядит аналогично правилу смеси:

;ти^.

гО РаЗР V
е

I и

b Пг

кс

.14 г’ -ib^ Л b

Композит разрушается

в результате разрушения матрицы

Множественное разрушение матрицы
до разрушения композита

(6.43)

€f>Em\ низкое Vf

lf >1т; высокое Vf

С* $’14. Два механизма разрушения композита на основе матрицы с низкой деформл
имей при разрыве. Механизмы разрушения различны при малых и больших
содержаниях волокон. Волокна изображены серым цветом

Глава 6. Волокнистые композиты

Отличие уравнений (6.42) и (6.43) состоит в том, что величина df меньше
предела прочности волокон су

В отличие от малого содержания волокон, при значительном содержании
волокон они продолжают нести нагрузку и после растрескивания матрицы.
В этом случае прочность композита равна:

(6.44)

На рис. 6.15 приведена зависимость деформации при разрыве композита е
от объемной доли волокон Vf. При малых содержаниях волокон (в области I)
растрескивание матрицы инициирует их разрыв и разрушение композита про-
исходит при деформации разрыва матрицы Ет (см. рис. 6.14, а). При значитель-
ном содержании волокон (в области II) деформация разрыва композита равна
деформации разрыва волокон Ef. Критическую точку перехода от разрушения
вследствие растрескивания матрицы к разрушению от разрыва волокон нахо-
дим, приравняв уравнения (6.42) и (6.44):

V', =

Эт°т

• 1ВаМеха
г.

^даслособь
> ПРИ
«омпрочн

Ч)
ф
со

ГП
гл

а
х
гг

ГП

О
е
ф

. I — Разрыв матрицы

II — Разрыв волокон

Объемная доля волокон Vf

Прочность волокон, как правило,

Рис. 6.15. Зависимость деформации при разру-
шении композита от объемной доли волокон
В области I разрушение композита инициирует-
ся растрескиванием матрицы, а в области II —
разрывом волокон

У и V} мало. Например, при су — 4 ГПа, а
'f оценивается как примерно 5 об. %.

значительно выше прочности матрицы

= 2 ГПа и <т = 0,1 ГПа
т

На рис. 6.16 приведена зависимость критических напряжений, соответству-
юших разрушению вследствие растрескивания матрицы (прямая /) и разруше-
ния волокон (2), от объемной доли волокон Реальная прочность показана
ломаной сплошной линией АВС. Для сравнения показана прямая 5, соответ-
ствующая правилу смеси (6.43). Прочность композита несколько ниже той,
какой она должна быть при выполнении правила смеси. Объясняется это тем,
что при низких степенях наполнения Vf при разрушении недогружены волок-
на, а при высоких степенях наполнения разрушена матрица.
, зависимость критичес-
РИС напряжения растрескивания
“Хрипы (прямая /) и разрыва
Хлокон (2) от объемной доли
волокон У,, 3- правило смеси,
в области I композит разруша-
тся сра3У после растрескивания
матрицы, а в области II -после
Ла7пыва волокон

243

'• При 31,13 про-
К°М1,ози?„>
№ ОТ рач ^ВНа
ва во„ РУШе1,и"
ВОЛок«н нах„.

(1ри Л.0

6.9.2.

Осевое растяжение

Объемная доля волокон Vf

Где на рис. области I и II?

Этот случай соответствует стекло-, угле- и органопластикам на ос-
нове полимерных матриц, разрушающая деформация которых превышает разру-
шающую деформацию матрицы. В зависимости от содержания волокон также
имеется два механизма разрушения (рис. 6.17). При малом содержании волокон
матрица способна нести нагрузку и после их разрыва, а разрушение композита
происходит при деформации разрыва матрицы Ет, как показано на рис. 6.18.
При этом прочность композита описывается формулой:

(6.46)

т т

Форма“Ии^'*/'
мной Л°- "ццииру*

цЦЫ’а ’

Рцо А 1*7 п /-.li/лпр м ITDHUbl С ВЫСОКОЙ ДбфорМЛ

• 7- Два механизма разрушения композита на о ( малых и больших

Дией при разрыве. Механизмы разруш ния р< ом

содержаниях волокон. Волокна изображены серым

Начало
разрушения

Катастрофическое
разрушение
F
* и с т
си

П
ГО

| — Разрыв матрицы

Рис. 6.18. Зависимость деформации при разру
шении композита от объемной доли волокон
В области I разрушение композита иниции-
руется растрескиванием матрицы, а в области
II — разрывом волокон

II — Разрыв волокон

V1 Объемная доля волокон Vf

Напротив, при значительном содер-
жании волокон (в области II) деформа-
ция разрыва композита равна деформа-
ции разрыва волокон а его прочность
определится формулой:

ас = Vf°f

(6.47)

где _ напряжение в матрице при разрушении волокон, которое несколько
ниже прочности матрицы. Если деформация разрыва волокон не слишком мала,
для пластичных матриц величина дт близка к прочности матрицы ат, и (6.47)
сводится к правилу смеси (6.43). В случае армированных пластиков прочность
полимерных матриц мала по сравнению с прочностью волокон, и ее вкладом в
прочность композита в формулах (6.43) и (6.47) можно пренебречь:

= Vfaf.

(6.48)

Критическая точка перехода от разрушения вследствие растрескивания мат-
рицы к разрушению вследствие разрыва волокон равна:

(6.49)

Изменение механизма разрушения происходит при очень низкой объемной
доле волокон. Например, при ат = 80 МПа, ат = 70 МПа и 4 ГПа кри-
тическая степень наполнения равна всего лишь 0,25 об. %. Иными словами, в
волокнистых композитах при степенях наполнения около 60 об. % можно ис-
пользовать соотношение (6.47) и правило смеси (6.43).

Эффективным способом повышения жесткости и прочности композита
является увеличение объемной доли волокон за счет снижения доли матрицы.
При использовании стеклянных и углеродных волокон поднять долю волокон
выше 65—70 об. % обычно не удается. Особенностью полимерных волокон яв-
ляется то, что их поперечное сечение может быть деформировано путем прес-
сования при повышенной температуре, что позволило получить композиты,
содержащие до 98 об. % волокон (см. рис. 1.6) [13].

На рис. 6.19 приведена зависимость прочности при растяжении <7. органо-
пластика на основе волокон СВМ от объемной доли волокон ^.[1]. Проч-
ность имеет максимум в области Vf~ 85 об. %. Для сравнения показана прямая 2,
соответствующая правилу смеси (6.43). При содержании волокон 40—70% проч-

Рнс. 6.19. Зависимое
объемной .
/ - эксперг

М.20. Пички на диаг
“Ния органопластика
Явленные продоль
^композита. Соде

аДиаГп

КЧеи..Рам

я
He

ность неплохо описывается ппаны 6'9°сееое P^m:nKC„uc _п

ходит вследствие исчерпания п Л°м СМеси и пяя», V

хом содержании волокон прочност^ (Ра,рыва ХкТ К°Мпо^ проис-

вила СМеСИ- композита снижаем ПрИ более «ь/со-

Я> Гоняясь от пра.

бла^\
1и<Ы
Н fp а ег° п>
Лой; rp°4H<x1L

I, которое неси®
он не слишком мш
матрицы о„л^А1)

окон, и ее вкладом е

Рис. 6.19. Зависимость прочности органопластика СВМ/ЭДТ-10 при растяжении ст от
объемной доли волокон Vf:
1 — эксперимент; 2 — правило смеси

растрескивания ма?

WltlUlflflh Ж'П ! * .J f iiw w т т?

лйоб^'

Па и °! ,
X’

При растяжении композитов с
высокими степенями содержания
волокон наблюдалось растрескива

Рис. 6.20. Пички на диаграмме деформи-
рования органопластика СВМ/ЭДТ-10,
обусловленные продольным растрески-
ванием композита. Содержание волокон
77 об. %

ние композита вдоль направления
волокон. На диаграмме деформиро
вания напряжение—деформация ра
стрескивание приводило к появле
нию пичков (рис. 6.20). Разрушение

композита инициировалось продольным

-----------------компотит сти. Таким образом, ме-
Растрескиванием, приводящим к снижени полокон, матрицы и величины
Ханизм разрушения зависит не только от типа в‘ енном наиболее типичном
аДгезии, но и от степени наполнения. О опр шЬ в пределах некоторо-
анизме разрушения композита можно говор

г° Интервала степеней армирования.

и , fir

Л .4*
Разрушение однонаправленного композита при растяжении вдоль волокон
может быть следствием разрушения (исчерпания несущей способности) волокон,
продольного растрескивания, расслоения, а так-

же размотки. Размотка впервые наблюдалась
Кайсом при испытании ракетного стеклопла-
стикового двигателя, сделанного методом на-
мотки [14], [15]. Разрушение начиналось у тре-
щины или царапины, вблизи которой наблю-
далось отслоение и последующая размотка
полоски композита, как показано на рис. 6.21.

Рис. 6.21. Схема размотки:

7 _ исходная трещина; 2 — отслаивающаяся полоска

6.10. РАСТРЕСКИВАНИЕ

Нежелательным, но часто встречающимся механизмом разруше-
ния является продольное растрескивание матрицы, о котором говорилось выше.
При растяжении сначала происходит продольное растрескивание композита,
которое инициирует разрушение волокон. Причины растрескивания состоят в
разориентации волокон, слабой адгезии между волокнами и матрицей, порис-
тости композита.

Из-за неидеальной укладки волокон продольная трещина (АС) проходит не
строго вдоль них, но и перерезает часть из них (рис. 6.22). Образованная повер-
хность играет роль дефекта. Группы перерезанных волокон могут отслоиться, в
результате чего появляется вторичная продольная трещина (3 на рис. 6.22, б) и
появляются новые перерезанные волокна. Как следствие, происходит лавино-
образное «рассыпание» материала на мелкие фрагменты. Растрескивание ком-
позита начинается тем раньше, чем ниже сдвиговая прочность композита. До-
полнительной причиной снижения прочности вследствие растрескивания яв-
ляется непостоянство сечения образованных расслоенных частей материала.
Например, напряжение в сечении CD на рис. 6.22, а выше, чем в сечении АВ.

На рис. 6.23 схематически показано влияние доли волокон на прочность
композита при растяжении. При малой доле волокон в области I разрушение
композита происходит вследствие исчерпания прочности волокон и прочность
описывается правилом смеси. При повышении доли волокон в области II на-
чинается продольное растрескивание, которое становится все более интенсив-
ным при возрастании доли волокон, и прочность композита снижается. Поло-
жение максимума прочности в композите определяется типом волокон и мат-
6.10. Растрескивание у
рИцы, а также технологией изготовления. Например, в стеклопластике совер-
шенствование технологии с течением времени приводило к сдвигу максимума
в область более высоких К/И подъему прочности [ 16]-[18]. Максимум прочно-
сти органопластика на основе волокон СВМ наблюдается при содержании во-
локон 8$ 0$* %’ а в слУчае волокон терлон — при Vf~ 55—60 об. %.

чаивающаяся полоска

Рис. 6.22. Образец с продольной трещиной (7) (а) и механизм «рассыпания» композита
на мелкие фрагменты (б):

7 — волокна; 2— исходная продольная трещина; 3 — вторичная продольная трещина

механизмом разруше-
пом говорилось’*
ескивание композита.

„йниясос*1

трескиван1

4И и матри^11'

Xй «аХ.

। оХоЕ

.ЛГ\Т° X
°И(/наХ>
L Х.,гКИ< Г

ИС-6.23. Влияние содержания
волокон Vf на механизм разру-
шения композита при растяже-
Ии В области I разрушение
инициируется дроблением воло-
°н, а в области II — продоль-
ным Растрескиванием

У’

< - Z-'

И менение механизма разрушения слоя при увеличении локон

Ния объясняется двумя факторами: технологической РазориеНТаШ7,п“7
ниемн ИХ неидеадьной Укладки ПРИ !°Lkoh Результатом обоих факто-
нагрузки не строго вдоль оси укладки вол ,1Пплкон и осью

Р°в является наличие угла между направлением ориента l

гРУжения. Как следствие, композит растрескивается.

волокон. Результатом обоих факто-
Влияние угла между силой и осью волокон на характер разрушения удобно
иллюстрировать методом, являющимся развитием схемы Иоффе— Давиденкова
Имеются два механизма разрушения композита, обусловленные исчерпанием
несущей способности волокон и продольным растрескиванием. Эти механизмы
характеризуются соответствующими критическими значениями. Механизм раз-
рушения определяется соотношением между ними. Разрушение происходит при
достижении наименьшего критического напряжения.

Для анализа изменения механизма разрушения при увеличении содержа-
ния волокон ^рассмотрим критические напряжения продольного растрески-
вания и разрушения вследствие исчерпания несущей способности волокон [19].
Напряжение разрушения вследствие исчерпания несущей способности воло-
кон описывается правилом смеси (6.43). Появляющиеся сдвиговые напряже-
ния описываются уравнением (6.36), где величина ст. равна растягивающему
напряжению в композите. Растрескивание матрицы происходит при достиже-
нии предела прочности композита при сдвиге те На основании (6.36) крити-
ческое напряжение ах при сдвиговом разрушении определится уравнением:

sin 0 cos 6

(6.50)

л частичных"

BGW3C Чр>

„аиск <
'м.'1>ор<че (л

Объемная доля волокон Vf, об. %

ие волокон

Рис. 6.24. Зависимость критического на-
пряжения исчерпания несущей способно-
сти волокон (прямая 7) и напряжения ра-
стрескивания (2—4) от объемной доли во-

локон PJ-для угла 6= 0,5° (2); Г (3) и 2° (4)

На рис. 6.24 приведены рассчитанное по правилу смеси критическое на-
пряжение исчерпания несущей способности волокон СВМ (прямая 7) и крити-
ческое напряжение растрескивания (кривые 2—4) в зависимости от объемной
доли волокон Vf при различных значениях угла 0. Критическое напряжение
растрескивания определяли на основании экспериментальной зависимости
прочности органопластика при сдвиге т от Vf, приведенной на рис. 6.11. При
небольших ^напряжение растрескивания выше напряжения исчерпания несу-
щей способности волокон. Следовательно, разрушение композита происходит
вследствие разрушения волокон. При некоторой критической степени напол-
нения напряжение растрескивания становится ниже прочности волокон и раз-
рушение композита инициируется растрескиванием. Так, рис. 6.25 показывает,
Го Ра( >
вЫе
:Тяги atlP’Xe.

ИваЧем
При Пл щемУ
, / /OcW

то критическое содержание волокон при переходе
Дается при увеличении угла разориентации волокон

6.10. Растрескивание

к растрескиванию умень-

№внением:

рис. 6.25. Влияние угла разориента-
ции волокон 0 на критическое со-
держание волокон Vj при переходе
от разрушения вследствие потери
несущей способности волокон к ра-
стрескиванию

6.10.1. Исчерпание несущей способности волокон

В случае, когда подавлены все нежелательные механизмы разру-
шения, прочность композита лимитируется прочностью волокон. Этот меха-
низм разрушения определяет максимально возможную прочность однонаправ-
ленного волокнистого композита.

Прочность пластичных волокон, например металлических, определена впол-
не однозначно. В случае хрупких стеклянных, углеродных и даже органических
волокон задача несколько сложнее. Специфика хрупких волокон заключается
в значительном разбросе (дисперсии) их прочности, иллюстрируемом рис. 6.26.

^ис’ ^«26. Распределение прочности базальтовых волокон тр х мар I I

чес^

ь КРИТИ
несуш^р
к"Ь<.

Прочность не является универсальной характеристикой и доста
^изменяется от волокна к волокну. Первыми разрушаются наименее.прочные
^тнЫе „олокна п растяжеНии постепенно происходит увеличени коли
Чества разрыва волокон причем каждое из них может разорваться несколько раз
[8], [9] Накопление разрывов происходит до тех пор, пока, наконец, в некот
рый момент не происходит катастрофическое разрушение композита. На °
структурных уровней этот механизм разрушения состоит в постепенном накоп
лении микроразрывов волокон, приводящих к разрушению на макроуровне

На рис. 6.27 в двойных логарифмических координатах приведена зависимость
прочности нити (пучка) органических волокон СВМ (/) и полученного из этой нити
композита (2) от длины образцов L [21]. Прочность композита (2) слабо зависит от
длины испытания. В двойных логарифмических координатах прочность нити опи
сывается прямой линией (/). Снижение прочности волокон при увеличении их
длины объясняется разбросом их прочности. Чем длиннее волокно, тем больше
вероятность появления опасного дефекта и тем ниже прочность волокон.

Длина образца L, мм

Рис. 6.27. Зависимость прочности при растяжении нити органических волокон СВМ (пря-
мая /) и полученного из нее композита (2) от длины образцов L (19). Нить
СВМ состоит из 300 непрерывных волокон

С этим эффектом связан любопытный исторический казус. В 1950-х гг.
было обнаружено, что прочность стеклопластика на 30—50 % выше прочности
волокон, из которых делали композит [16]. Этот эффект ошибочно объяснили
возрастанием прочности волокон в материале благодаря залечиванию матри-
цей дефектов типа микротрещин. Появление теории Розена показало, что эф-
фект возрастания прочности кажущийся и обусловлен испытанием нитей слиш-
ком большой длины. Вопрос о длине испытываемых волокон был решен Розе-
ном, согласно которому прочность волокон в композите равна прочности пучка
невзаимодействующих волокон на удвоенной неэффективной длине 2J [8], [9]-
На рис. 6.27 величина 28 соответствует точке пересечения прямых 1 и 2 и
оценивается как 0,1 мм. В случае органических волокон СВМ теория Розена
предсказывает прочность композиционного материала с точностью до 10 %
[22], [23]. Для волокон другого типа прочность может быть на 30—50 % ниже
теоретического значения, и это связано с растрескиванием и другими конкур^"
рующими механизмами разрушения [1].
Ьь.

6./7. Теория Розена

251

ТЕОРИЯ РОЗЕНА

4 * ;ч:ч
)к°н ><;<
,ее OXeN

•Хн ч

При анализе механического

влиянием концов волокон мы пренебрегал??™" ВОЛОкн”с™х композитов
MOiyr дробиться, и наличие их концов необходимо "P” Мнении волокна
модульный материал с одиночным отрезком Rn УЧИТЫВать- Рассмотрим низко
[24]. Влиянием соседних волокон и соселм Э В еГ0 объеме (р£с 6 28 ?
локна пренебрежем. Предположим, что внешняя?3"015 РассматР"ваемого во-
на. Если волокно имеет адгезионную связь "РИЛ0*ена ^Ль волок-

с матрицей будет деформироваться и волокно л? ’ "РИ рас™*ении вместе
различна из-за разницы в жесткости, особенно *°РМация матРицы и волокна
его деформация намного меньше, чем в матрице ТЧИКОВ ВОЛОкна> ™е
различия осевых деформаций на границе ра??а В Р^ьтате

пряжения, действующие вдоль оси волокна . П?ЯВЛЯЮТСЯ Сл«иговые на-
достаточно большую длину, оно постепенно на^жХ^ В°Л°КН° мо*ет ™еть
разрушенных волокнах. ° нагРУжается до напряжений в не-

г Г 1 1 Матрица 1 1
Золокно

Растяжение

100

1000

.ническихво.*?;
Д1ины*“°и

Нагрузка отсутствует

.„1ибочН° ,1Й <

Рис. 6.28. Деформация матрицы вблизи кончиков волокна.

« — непрерывное волокно; б — отрезок волокна после его дробления

i.’t*1

g результате раз-

В кончике разорванного в0Л°Ка"рИХы₽^ nOBep*H^‘UXBWOW» матРи‘
личия деформаций волокна и постепенно нагрУ точки разрыва уве-
сдвиговые напряжения, которые е прИ удалении ,. ктивной длиной

не растягивающее напряжение в волоки^ назь1ваеМОм неэфФ
личивается, и на некотором рвсст
Л

волокна 6, напряжение приближается к напряжению в неразрушенном волок-
не. Иными словами, на расстоянии неэффективной длины £ волокно «забывает»
об обрыве.

В зависимости от длины волокна имеются три возможных случая, соответ-
ствующие:

(я) L < 2<5,

(б) L = 26,

(в) L > 26.

На рис. 6.29 схематически показано распределение растягивающего напря-
жения вблизи точки разрыва при разной длине волокна.

> 1 обр^ „
Хй расТ*
<<

(а)

L < 26.

В этом случае напряжение в волокне не
достигает предела прочности. Напряжение в
коротком волокне ниже напряжения в непре-
рывных волокнах.

(б) L = 26.

В этом случае напряжение достигает

прочности волокна в его середине.

(в) L > 26.

Рис. 6.29. Распределение растягивающего напряже-
ния в коротком волокне:

а - L < 2d; б - L = 2d; в - L > 2d'(Сох, 1952)

НеэФ

Упруг<

Для о
гейшей одномер!
четрицы и волок
™п жена вдоль
□ев разрушился
ж слоях прене(

Сдви

Максимальное напряжение, равное напряжению в непрерывных волок-
нах, достигается в центральной области волокна. В композитах на основе
непрерывных волокон реализуется именно этот случай. Среднее напряжение в
коротком волокне близко к напряжению в непрерывном волокне, если длина
волокна значительно превышает критическую длину.

Розен моделировал реальное распределение напряжения в волокне распре-
делением, изображенным на рис. 6.30. Он предположил, что на расстоянии
менее 6 от точки обрыва волокно нагрузки не несет, а при удалении на неэф-
фективную длину нагрузка становится равной как в неразорванном волок-
не. Если провести некоторое сечение перпендикулярно направлению укладки
волокон, разрушенное волокно можно считать ненагруженным, если разрыв
находится на расстоянии менее 6 от этой плоскости. Если же это расстояние
превышает 6, волокно можно считать неразорванным. Таким образом, проч-

М* ?0ТриМ

”4»

ть композита равна прочности пучка невзаимодействующих параллельных
волокон длиной • о теории озена, зависимости прочности нити и
композита совпадают при длине образцов L = 23. Экстраполируя прямые на
рис. 6-27 в область малых длин, для волокон СВМ получаем 23 = 0,1 мм.

Щег°напр>.

Пр>ЯЖение в волок„е це
юности. Напряжение,
же напряжения в непре-

L = 2&

рис. 6.30. Модель Розена. Распределе-
ние напряжения по длине волокна. На
расстоянии менее неэффективной дли-
ны £от точки обрыва нагрузка в во-
локне считается нулевой, а при х > 6
от точки обрыва растягивающая сила
считается равной нагрузке в неразор-
ванном волокне <jf

Координата х вдоль волокна

Неэффективная длина волокна

напряжение достигает
его середине.

Упругая матрица

Для определения неэффективной длины волокна вернемся к про-
стейшей одномерной модели композита, состоящей из плоских упругих слоев
матрицы и волокон и изображенной на рис. 6.3. Пусть растягивающая сила
приложена вдоль слоев и деформация равна г0. Пусть один из армирующих
слоев разрушился. Влиянием концентрации напряжения в соседних армирую-
щих слоях пренебрежем.

не РаС
е:

1952)

И-

воМ

рО-П0

<еИ Н

У<"

Сдвиговой анализ

Сдвиговой анализ не слишком точен, но позволяет оценить величину не
эффективной длины волокон. Предполагается, что армирующие слои несут
-- Ристягивающую нагрузку, а матрица перераспределяет напряжения между
ими за счет сдвиговых напряжений.

Усмотрим силы, действующие на некоторый элемент арматуры, выдел

*ь,и черным цветом на рис. 6.31. На него действует две растягивающие силы и
РечиРеДеЛеннь1е по поверхности сдвиговые силы со стороны матрицы. >
ЖецЛЬТ^е разРЫва слоя элемент сместился на величину и из нача^^”

- Т°гда сдвиговая деформация матрицы равна u/h, где т

Ды, и сдвиговые напряжения равны:

•* d
г X
>»

X’

где q

МоДУль сдвига матрицы.

В НеПР dfa* *” eHl,et
в
В условиях равновесия сумма сил, действующих на часть АВ арматуры, рав-
на нулю Поэтому на расстоянии х от точки обрыва растягивающая сила равна
сумме сдвиговых сил, действующих на поверхности АВ армирующего слоя:

/у (x) = 2jr(^)wt/^,
о

(6.52)

где коэффициент 2 учитывает две боковые поверхности армирующего слоя'
iv — его ширина; т— сдвиговые напряжения на расстоянии £от точки разрыва.

Рис. 6.31. Силы, действующие на волокно. На элемент волокна действуют две растягива-
ющие силы су (х) и су (х 4- Jx), а также сдвиговые силы со стороны матрицы

Напряжение в разрушенном слое находим делением этой силы на площадь
сечения мН'.

(6.53)

где Н толщина армирующего слоя. Смещение рассматриваемого элемента из
исходного положения равно:

и(х) = ]edf = Jd£, (6.54)

X X f

где Ё — е0 — е изменение деформации растяжения рассматриваемого эле-
мента в результате обрыва слоя.

После дифференцирования уравнения (6.53) по верхнему пределу интегри-
рования и двойного дифференцирования уравнения (6.54) с учетом соотноше-
ния (6.51) получаем

d2u 2G

dx2 ~ EHh U'

(6.55)
где

6.1 /. Теория Розена

Затухающее на бесконечности решение (6.55) имеет вид

« - uoexp(~ar),

-1\- 255

(6 56)

(6 57)

Константу и0 определяем интегрированием уравнения (6.53) с учетом соот-
ношения (6.51). Граничные условия состоят в равенстве напряжения на беско-
нечности невозмущенному значению crQ, с учетом чего получаем

бто(1 - е'™). (6.58)

Напряжение в арматуре экспоненциально приближается к напряжению в
неразрушенном слое. Неэффективную длину Розен определил как расстояние,
на котором напряжение в волокне достигает 90 % начального значения. Из
условия а = 0,9 а0 получаем 8 = 1п(10)/а:

J = 2,ЗЯ

(6.59)

Аналогично, для волокон цилиндрической формы и упругой матрицы не-
эффективная длина описывается следующим выражением:

на действуют две растягива
'Иты со стороны натри-»

„дайда-»1'*’

J = 2,3Z>

(6 60)

где D — диаметр волокна. Сдвиговые напряжения в матрице определяем из
условия равновесия

Я dcrf
Т ” 2 dx

Используя уравнение (6.58) и учитывая, что

имеем

(6.61)

Ппя 3 РИС 6.32 приведено схематическое распределение растягивающих на-
В волокне’ а также касательных напряжений на границе волокна и
°и матрицы, соответствующие уравнениям (6.58) и (6.61).

Сдвиговое напряжение
на границе раздела

Рис. 6.32. Схематическое распределение растя
гивающих напряжений в волокне, а также ка
сательных напряжений на границе волокна
матрицы

XX,о”‘‘

•’р-

^ь,е

/мшенный тем
ч применять нел
# решение этой

Координата х/Н

Ет-
йшовое нап
предел ее те!
ТПП напряжение

Рис. 6.33. Распределение касательных напояжеммй оо

степенях армирования 0 7 и 0 1 (а) РХе ВОЛОКна и матРицы ПРИ

ев с модулем упругости Е = 70 ГПа и ПР°В°ДИЛИ для армирующих сло-
ствует хаоактепиг™ J? f (о) И пР°чностью = 4 ГПа, что соответ-

ной 10 mL; 6 - анГХХХВД- СЛ°Я " С™ РМ'
400 ГПа Р Л ение лля аРматуры с модулем упругости
На рис. 6.33, а приведено распределение касательных напряжении на Гра-
нине волокна и матрицы при степенях армирования 0,7 и 0,1. Для сравнения
на рисунке приведено ипичное значение предела текучести эпоксидной мат-
рицы при сдвиге (40 МПа). Отметим, что длина области высоких сдвиговых
напряжений во много раз превышает толщину армирующего слоя. Вблизи кон-
чика волокна сдвиговые напряжения в несколько раз превышают предел теку-
чести матрицы, особенно при высоких степенях наполнения.

На рис. 6.33, б приведено аналогичное распределение для арматуры с моду-
лем упругости 400 ГПа, что соответствует высокомодульным углеродным и бор-
ным волокнам. Отметим, что в этом случае при степени наполнения 10 об. °Ь
предел текучести матрицы достигается лишь вблизи кончика волокна Это означа-
ет что при пониженных степенях наполнения нагрузка от волокон к матрице
передается в основном упругими сдвиговыми силами. Напротив, в случае вы-
соких степеней наполнения необходимо учитывать пластичность матрицы.

6.11.2. Малые степени армирования

ъ-куч+кти матрицы

Согласно уравнениям (6.59) и (6.60), при малых степенях наполне-
ния неэффективная длина неограниченно возрастает. Это неверный результат,
обусловленный тем, что сдвиговой анализ при очень малых степенях наполне-
ния применять нельзя. В случае малых степеней армирования более аккурат-
ное решение этой задачи имеет вид [25]:

8 = 20/7

(6.62)

где Е и Ет — модуль упругости матрицы и армирующих слоев.

Сдвиговое напряжение в матрице вблизи точки разрыва на рис. 6.33 превы-
шает предел ее текучести. Оценим минимальную степень наполнения, при ко-
торой напряжение в матрице достигает предела текучести:

2Efr2
°}Gm

(6.63)

Для полимерных матриц отношение предела текучести при сдвиге г к мо-
дулю сдвига Gm равно примерно 1/20. При Е^ — 140 ГП<1 и = 4 Па крити-
4 кая степень армирования на основании (6.63) оценивается как 3 об. %.
Если степень армирования превышает 3 об. %, в матрице развивается пласти-
ческое течение.

Пластичная матрица

Определим неэффективную длину в предположении, что матри-
является жесткопластичнои и ее диаграмма деформирования описывает-
я Рис. 5.42. Величину сдвигового напряжения в матрице (см. рис. 6.31) будем
считать равной пределу текучести при сдвиге Сумма сил, приложенных к ар-
матуре, равна нулю, и растягивающая сила в армирующем слое равна сумме
сдвиговых сил на его поверхности:

F=2twx, (6.64)

где F — растягивающая сила в армирующем слое; т — предел текучести матри-
цы при сдвиге; х — расстояние от точки разрыва.

Учитывая, что предел текучести матрицы при сдвиге равен половине преде-
ла текучести при растяжении (г = ст /2), получаем

СГХ

(6.65)

В случае пластичной матрицы при удалении от точки обрыва А растягиваю-
щее напряжение в армирующем слое возрастает пропорционально расстоянию
до этой точки, как показано на рис. 6.29, в. Напряжение достигает прочности
при растяжении с^на расстоянии 3, определяемой на основании (6.65):

яг

* 4<оГаН'
4°' nd О?

ir‘

(6.66)

Для волокон цилиндрической формы неэффективная длина описывается
аналогичным соотношением [26]:

Распределение Be
снижается нес кот

Л1Х волокон д;

(6.67)

Для цилиндрического волокна неэффективная длина вдвое меньше, чем
для плоских слоев арматуры. Неэффективная длина пропорциональна диамет-
ру волокна. Коэффициент пропорциональности является безразмерным пара-
метром, характеризующим степень анизотропии композита. Для волокон диа-
метром 10 мкм по порядку величины он равен примерно 25.

Экспериментальное значение 23для органических волокон СВМ на рис. 6.27
равно примерно 0,1 мм. На основании уравнения (6.67) величина 23оценива-
ется, как 0,6 мм. Согласие эксперимента и теории не идеальное, но вполне
удовлетворительное. Это свидетельствует, что разрушение органопластика про-
исходит вследствие прогрессирующего дробления волокон. Соответственно, при
армировании полимеров короткими волокнами их длина должна превышать
0,5 мм.

втягивающая с
^«волоком, ра1
^нных ВОЛО

6.11.4. Прочность пучка волокон

Испытание большого количества волокон некоторой длины дает
распределение, изображенное на рис. 6.26 [20]. При увеличении длины волок-
на возрастает вероятность появления дефекта и, как следствие, уменьшается
средняя прочность. При изменении длины образцов распределение прочности
смешается. Прочность хрупких волокон принято описывать распределением
Вейбулла [27]-

р(сг) = Laftap 1 ехр(-£^бТ/?), (6.68)

"«нм,?'»»»..

где - плотность вероятности разрушения, т. е. вероятность разрушения в
интервале напряжении от <тдо <т + da; аи ft — константы; L — длина волокна;

растягивающее напряжение. Константа сгявляется размерной. Константа/?
характеризует ширину распределения. Чем больше Д тем уже распределение
(рис. 6.34). В случае ft = <*> все во-
локна имеют одинаковую проч-
ность. Этот коэффициент лежит в
пределах от 4 (для стеклянных во-
локон) до 20 для органических во-
локон.

ая длина описывается

Рис. 6.34. Вейбулловское распределение
плотности вероятности разрушения воло-
кон при значениях /?= 4, 12 и 20

Распределение Вейбулла несимметрично, и в области высоких напряжений
оно снижается несколько быстрее (см. рис. 6.34). При напряжении ст доля раз-
рушенных волокон длиной L определяется интегралом:

р = p(£)d£ = 1 - ехр(-бг£сг^). (6.69)

Растягивающая сила в пучке, состоящем из большого количества парал-
лельных волокон, равна произведению напряжения в одном волокне ст на долю
неразрушенных волокон (1— Р):

ар = сгехр(— cif£cr/?). (6.70)

Ва рис. 6.35 приведена зависимость растягивающей силы в пучке ар от напря-
*ения в волокнах а. При небольших а, когда выполняется неравенство «£</« 1,
РазРУщенных волокон мало и а ~ а. Кривая имеет максимум. Предел прочно-
и пучка соответствует максимуму зависимости бг;(<т). В максимуме da^/do — 0.

(1 — aftLa^) ехр(— aLa^) - 0, (6.71)

ОгкУДа имеем а} = (aftL)~W Подставив эго значение а в уравнение (6.70),
лУчаем предел прочности пучка ст*:

а = (eaftLY^ (6-72)

гДе е Р

основание натурального логарифма.
260

Прочность композита равна прочности пучка на удвоенной неэффективной
длине волокна'.

Рис. 6.35. Нагрузка в пучке парал-
лельных волокон сг в зависимости
от напряжения в волокнах ст

6.11.5. Средняя прочность волокон

(6.73)

4 „nnvnH ОТ

Найдем среднюю прочность волокон:

-«Г41,12

(6.74)

Подставив уравнение (6.68) в (6.74) и произведя замену переменных х= Larf,
средняя прочность волокон выразится формулой

В зависимости от
всех случаях мож
«лишь перш

(а } = (<z£) 1//? Jх'/ре Xdx.
о

(6.75)

ОО

Интеграл Jx[,pe~xdx представляет собой гамма-функцию от аргумента Г(1 + 1//?):
о

iC=0,5772 - П(
* Изапис,

(6.76)

Логарифмированием получаем

In = -

In а

In L

+ In

(6.77)

Согласно уравнениям (6.72) и (6.77), зависимости средней прочности воло-
кон и прочности пучка от длины испытания L в координатах 1п<т— In £ должны
описываться прямыми линиями с наклоном — \/р. Экспериментальная зависи-
-J\r 261

мость прочности пучка органических волокон от их длины представлена ранее
на рис. 6.27.

Зависимости средней прочности одиночных волокон и прочности пучка в
логарифмических координатах описываются параллельными прямыми, как
показано на рис. 6.36. Хрупки волокна, имеющие большой разброс прочнос-
ти, описываются малыми значениями величины Р(3—5). При /3=4 прочность
пучка составляет лишь 60 % средней прочности волокон. При увеличении /3
прочности волокон и пучка сближаются. Для арамидных волокон типичное
значение р равно 12 и прочность пучка составляет 78 % средней прочности.
При стремлении /? к бесконечнос-
ти прочности всех волокон сбли-
жаются и прочность пучка стано-
вится равной средней прочности
волокон.

*35-Нагрузка впуч
волокон^ за^
J ряжения в волокнах а

Рис. 6.36. Зависимость средней проч-
ности одиночных волокон и пучка па-
раллельных волокон от длины образ-
цов при р = 4 и 12

В зависимости от типа волокон коэффициент рлежит в интервале от 4 до 20.
Во всех случаях можно считать \/Р<^ 1. Раскладывая гамма-функцию в ряд и
оставляя лишь первый член разложения, получаем

где С 0,5772 — постоянная Эйлера [28]. Средняя прочность волокон в урав-
нении (6.76) записывается в виде

(а) = U<4) • <6'78>

Прочность композита равна прочности пучка на удвоенной неэффектив-
ен длине волокна 18. Типичное значение диаметра волокон равно примерно
мкм. При прочности волокон и матрицы су — 4 ГПа и ат 80 МПа соответ-
Твенно 28для волокон диаметром 10 мкм оценивается как =0,5 мм. Испыты-
нити на столь малой длине очень сложно или даже невозможно. Поэтому
Сразим прочность композита через среднюю прочность одиночных волокон.
РиРавняв уравнения (6.72) и (6.77), находим длину Lf, на которой средняя
Р°чность волокон равна прочности пучка длиной 28 [29].

Lf=2Pel-h8^3p8.

Распространенное мнение, что прочность композита равна прочности во
локон длиной 28, по меныпей мере неточно. Более точное утверждение состо-
ит в том, что прочность композита равна прочности пучка волокон длиной 28
или средней прочности волокон длиной 3/М При типичном значении р— 6—20
уравнение (6.79) дает L = 18—60£, что составляет примерно 500 диаметров
волокна. При 28 ~ 0,5 мм это соответствует 5—15 мм. Экспериментально проч-
ность волокон обычно измеряют на базе 10 мм, поэтому такое испытание хоро-
шо моделирует прочность композита.

Неточным является также утверждение, что при растяжении композита во-
локна дробятся на отрезки, равные удвоенной неэффективной длине волокон.
На отрезки длиной 28волокна дробятся при очень малом содержании в компо-
зите, когда их объемная доля меньше критического значения Kzl, определяемо-
го уравнением (6.49). В частности, так дробится одиночное волокно в блоке
матрицы. Напротив, при содержании волокон порядка 60 об. % они должны
дробиться на отрезки длиной 20—60^. Реально, с учетом продольного растрес-
кивания. концентрации напряжения и других негативных эффектов волокно
дробится на еще более длинные отрезки. Об этом свидетельствует измерение
количества разрывов волокон методом акустической эмиссии [30].

6.12. РАЗМОТКА

Кайе обнаружил механизм разрушения, состоявший в отслаивании
и распрямлении тонкой полоски композита, как показано на рис. 6.21 [14],
[15]. Отслаивание начиналось около царапин. Корпуса ракет изготавливались
путем непрерывной последовательной намотки поперечных и продольных сло-

Рис. 6.37. Размотка кольце-
вого образца органопласти-
ка на основе крученой орга-
нической нити армос

ев, и поэтому процесс отслаивания и раскручива-
ния, начавшись, приводил к выходу из строя всей
намотки и полному разрушению корпуса.

На рис. 6.37 приведена фотография разрушенно-
го кольцевого образца на основе крученой нити ар-
мос [1]. Размотка начиналась у одного из двух кон-
цов нити или после ее обрыва у боковой поверхнос-
ти кольца. После размотки кольца из него можно
было извлечь практически бездефектные нити, во-
локна в которой склеены эпоксидной матрицей. Дли-
на этих нитей достигала нескольких метров.

Каис рассмотрел поле напряжений вблизи кон-
чика трещины отслоения (см. рис. 6.21) и заметил,
что при увеличении длины отслоения поле напря-
жений в системе координат, связанной с кончиком
трещины, не изменяется. Поле напряжений при этом
просто смещается вдоль полоски на расстояние, рав-
ное увеличению длины отслоения.
Для определения критического напряжения
нИе полной энергии системы при увеличении
упругой деформации, освобождаемая при
полоски, превышает энергию, расходу-
емую на образование новой поверхнос-

5>.
"г?‘.
?°*окнОв>
>• % они ’

волокно
ствУет измерение

ти разрушения, отслоение полоски энер-
гетически выгодно. Так, на рис. 6.38
поясняется вывод критерия размотки.
Предположим, что длина отслоения
увеличилась на 3L. Если длина отслое-
ния намного превышает толщину от-
слаивающейся полоски, высвобождае-
мая упругая энергия равна произведе-
нию плотности упругой энергии су1/2Е
на приращение объема отслаивающей-
ся полоски hw8L\

6-12. Размотка 263

отслоения рассмотрим измене-
длины отслоения. Если энергия
увеличении длины отслаивающейся

Рис. 6.38. Иллюстрация к выводу критерия
размотки полоски

8U = ——hw
2ЕС

(6.80)

ий в отслаивании
на рис. 6.21[14]<
г изготавливались
продольных*
я и раскрУ41”8’
ия F' и 8се»
)Ду ИЗС^8
opnycLiu^
1фи«ра’%аР-

цог° ИпВеРхЯ
> i >
, »,и>'
*>• >

где Ес — продольный модуль упругости композита; а — растягивающее напря-
жение; h и w — толщина и ширина отслаивающейся полоски (см. рис. 6.38).

Если ширина полоски w намного превышает ее толщину А, площадью
боковых поверхностей можно пренебречь, а площадь образуемой поверхно-
сти 3S можно считать равной w8E Тогда энергия отслоения равна Gc<5S = G w<5L.
Отметим, что разрушение в этом случае практически соответствует моде II, и 6
близко к (71к — вязкости разрушения при сдвиговом разрушении по моде II.
Полное изменение энергии равно:

«УРИ = - —+
2ЕС

(6.81)

Отслоение полоски энергетически выгодно, если 8W/8L < 0, откуда опре
Деляется критическое напряжение сг:

(6.82)

1 Z ✓
'"i^Z
6 ' V
<< <2^

Если су < Gполоска не отслаивается. Она начина о аиват i к
втягивающее напряжение су достигает порогового значения суе аким о ра

При Спряжении, определяемом соотношением (6.82), исходная^трещи ria
уворачивает на 90’ и начинает расти вдоль волокон. Согласно (6.82), крг т -
(6 «т°е напРЯЖение снижается при увеличении глубины трещины .

оТс82) ^алогично критерию Гриффитса (5.14). Различие состоит в том, чго пр
л°снии разрушение является сдвиговым по моде 1

J
Растягивающее напряжение можно увеличивать лишь до значения, равн
пределу прочности композита. По этой причине напряжение а не может пре
вышать продольную прочность композита. Таким образом, имеется конкурен
ция двух процессов — роста трещины 1) поперек и 2) вдоль волокон. Отслое
ние полоски возможно лишь при выполнении неравенства:

h > 2GUc 2 • (6.83)

где а — продольная прочность композита.

Согласно (6 83), неглубокие царапины не приводят к отслоению. Увеличе-
ние глубины трещины снижает критическое напряжение отслоения, и при не-
которой глубине начинает выполняться соотношение (6.83). Для углепластика

рцс-

1ЯтИчеС

>пол

с эпоксидной матрицей типичные значения энергии расслоения СПс, модуля
упругости Е и прочности ст равны примерно 1 кДж/м2, 150 ГПа и 2 ГПа соот-
ветственно. В этом случае уравнение (6.83) приобретает вид h > 75 мкм, что
лишь в десять раз превышает типичное значение диаметра волокон. Это озна-
чает, что в волокнистых композитах даже относительно неглубокие царапины
поворачивают на 90 и отслаиваются.

Локальное отслоение имеет два последствия. С одной стороны, оно умень-
шает концентрацию напряжения в кончике трещины, что снижает опасность

Отсл°е*

При п°с

я этот про1
;1кнапРиУВ^

дефектов [31], уменьшает опасность хрупкого разрушения и увеличивает проч-
ность. Это является причиной высокой прочности — основного достоинства
волокнистых композитов. С другой стороны, оно может инициировать макро-
скопическое растрескивание, что является серьезным недостатком волокнис-
тых композитов. Как следствие, вязкость продольного разрушения GIk и адге-
зионная прочность должны быть оптимальными.

где d — диаметр вол
Энергетическим

Рис. 6.39. Фотография разру-
шенного кольцевого образца
органопластика СВМ/ЭДТ -10
при Г = 87 об

В кольцевых образцах органопластика при степени
наполнения Vf = 85—90 об. % наблюдался вариант
размотки, состоявший в образовании винтовой тре-
щины, ориентированной под малым углом (пример-
но 0,1°) к направлению укладки нитей (рис. 6.39) [1].
В результате разрушенное кольцо имеет вид спирали.
Разрушение композита инициировалось появлением
продольной трещины, которая в результате своего рас-
пространения вышла на край кольца, как схематичес-
ки показано на рис. 6.40. После этого происходила
размотка кольца и сформировалась винтовая трещи-
на. Ориентация трещины под небольшим углом к
оси кольца объясняется тем, что нити при намотке
укладывались в виде спирали с шагом 1 мм на один
оборот кольца, а размотка осуществлялась вдоль на-
правления укладки. Классическая размотка начина-
ется у некоторого дефекта [14]. В данном случае сам
дефект появлялся в процессе нагружения.

Растягивающее

На Тогда критер
' X

8 Ч

Доения g

^СОот.

мкм,^

ГР3 ВОЛОКОН. Эго

ЙЩ.

неглубокие пара»

'Й стороны, оно умень-
что снижает опасность

ия и увеличивает проч-

основного достоинства

Г инициировать *

волоки®'

недостать

разрушениям

Рис. 6.40. Схематический рисунок, иллюстрирующий инициацию размотки продольным
растрескиванием колец:

1 - появление продольной трещины; 2 - выход трещины на край кольца; 3 - отслаиваю-
щаяся полоска

6.12.1. Отслоение разрушенного волокна

При постепенном нагружении разрушенного волокна оно может
отслоиться. Этот процесс анализируется аналогично размотке. Изменение энер-
гии волокна при увеличении длины отслоения записывается аналогично (6.81):

8W = -——nd~8c^G,.7id8c,
%Ef ,k

(6.84)

где d — диаметр волокна.

Энергетический критерий отслоения 8W/8c < 0 дает:

8Е.67,

(6.85)

Растягивающее напряжение не может превысить предел прочности волок-
на су. Тогда критерий (6.85) можно переписать в виде:

d’ = 8<7И,.Д, (6-86)

а/

где d' — критический диаметр волокна, ниже которого оно не отслаивается.
Напротив, если толщина волокна превышает критическое значение, оно мо-
Жет отслоиться. Это ограничивает применение толстых волокон, поскольку
веется опасность отслоения по всей длине после разрыва волокна в какой-
либо точке. Для волокнистых пластиков на основе эпоксидной матрицы ти-
пичные значения вязкости продольного разрушения и прочность волокна равны
Ч = 1000 Дж/м2 и сг = 4 ГПа. Для стеклянных, органических и углеродных
иолокон £\ = 9о 120 и 260 ГПа соответственно. На основании (6.86) получаем
d' = 60 и 130 мкм. Поскольку полученные значения сравнимы с типичным
266

значением диаметра волокон 10 мкм, адгезия волокон и матрицы Должна быть
достаточно высокой, причем в случае стеклянных волокон эта проблема ост
рее, чем в случае углеродных волокон. Отметим, что отслоение накладыв
ограничение на диаметр волокон и использование излишне толстых волокон
нежелательно.

6.12.2. Растрескивание вблизи отверстия

При растяжении или сжатии волокнистого композита вблизи отвер-
стия появляются «усы», ориентированные вдоль волокон (рис. 6.41) вследствие
локального растрескивания композита [31], |32]. Аналогичное растрескивание
происходит и в кончике трещин (рис. 6.42). Продольное растрескивание затуп-

Рис. 6.41. Продольные «усы»,
появившиеся вблизи отвер-
стия при растяжении

ляет трещину и приводит к снижению концентра-
ции напряжения в ее кончике. В результате компо-
зиционные материалы нечувствительны к форме
концентратора напряжения. Например, зависимос-
ти прочности композита от длины трещины L и ди-
аметра отверстия D совпадают, если D= L [33], [34].

Направление
распространения
трещины

Рис. 6.42. Затупление трещины у поверхности
волокон

На рис. 6.43 приведена зависимость средней длины «усов» £, появляющих-
ся вблизи цилиндрического отверстия, от приложенного напряжения а для
композитов на основе различных волокон [35]. Усы появлялись при некотором
критическом напряжении сг0, зависящем от типа волокон, после чего происхо-
дил их рост при увеличении нагрузки. В органопластиках рост «усов» был ус-
тойчивым, а в композитах на основе хрупких стеклянных и углеродных воло-
кон на кривых наблюдаются пички, отражающие отчасти неустойчивый харак-
тер роста. Критическое напряжение появления «усов» выводится аналогично
критерию (6.82). Нужно лишь учесть, что образуется не одна, а две поверхнос-
ти разрушения:

(6.87)

где D — диаметр отверстия
'с.

•Ое

РесХ Ч

*ению Ко %-
реШтате>

РИМеР’ заВИсИМ0с.
ы Whhh [ и и.

Рис. 6.43. Связь приложенного растягивающего напряжения и средней длины «усов» L
появляющихся в близи отверстия диаметром 3 мм. Степень наполнения
60-6п5т%, ОР-но—тики СВМ/ЭДТ-10 (кривая /), армос/ЭДТ-10 (5),
терлон/ЭДТ-10 (4), стеклопластик Е-стекло/ЭДТ-10 (2) и углепластик
УКН-5000/ЭДТ-10 (5) углепластик

Направление
распространения
грещины

«Усы» растут, если напряжение превышает пороговое значение <т. Согласно
(6.87), критическое напряжение <т снижается при увеличении диаметра отвер-
стия. Энергетический анализ предсказывает устойчивый рост «усов» при по-
стоянием напряжении а. Реально же напряжение распространения трещин воз-
растает с их длиной.

Уравнение (6.87) можно переписать в виде, позволяющем определять вяз-
кость расслоения GIk, исходя из напряжения роста продольных трещин ст:

я .• • t f / V I И

, У поверх

. (6.88)

На рис. 6.44 приведена рассчитанная с помощью уравнения (6 88) зависи-
мость вязкости продольного растрескивания <7Ik от длины расслоения L. Вяз-
кость продольного растрескивания очень велика и возрастает при увеличении
ДЛИны «Усов», достигая 4—12 кДж/м2. Возрастание GIk объясняется наличием
^окон-стрингеров, связывающих противоположные берега трещины рассло-
и (Рис. 6.45) [36]. Энергия тратится не только на разрушение матрицы, но и

Разрушение стрингеров. Их количество увеличивается при увеличении дли-

Усов», что и приводит к возрастанию CIk. Начиная с некоторой длины
с протяженность зоны, в которой противоположные берега трещины

Д”Нены стрингерами, остается постоянной, и (71к. перестает возрастать,
чип, ДпРяжение растрескивания зависит от длины трещины расслоения, но вели-
к d Gii(- при фиксированной длине усов позволяет сравнить стойкость композитов
киняиД0ЛЬН0Му растрескиванию. Вязкость разрушения при продольном растрес-
оогй ИИ ВОзрастает в ряду: органопластик терлон/ЭДТ-10 — Е-стекло/ЭД
Ринопластик армос/ЭДТ-10 - органопластик СВМ/ЭДТ-10 - углепластик
УКН-5000/ЭДТ-10. Стойкость углепластика к растрескиванию столь же высо-
ка, как и органопластика на основе волокон СВМ. По причине высокой стой-
кости к растрескиванию прочность при растяжении двух последних компози-
тов довольно хорошо описывается теорией Розена.

к1

Рис. 6.44. Зависимость вязкости продольного растрескивания GIk от длины усов L.
СВМ/ЭДТ-10 (кривая 7), Е-стекло/ЭДТ-10 (2), армос/ЭДТ-10 (3), терлон/
ЭДТ-10 (4) и УКН-5000/ЭДТ-10 (5)

.р*

Рис. 6.45. Волокна-стрингеры, соединяющие противоположные
берега трещины в продольных слоях композита

•U К0ЭФ<
‘ ПРОЧ!

Сравне!
крушении вследст
.™гь степень испс

Сдвиговое растрескивание вблизи концентратора
напряжения (мода II разрушения) имеет некоторые от-
личия по сравнению с растрескиванием под действием
растягивающих трансверсальных напряжений (мода I).
Во-первых, эти различия состоят в более высоких зна-
чениях 6[1с по сравнению с 6к, что типично и для го-
могенных металлов и полимеров. Кроме того, (7|к. воз-
растает при увеличении длины трещины (см. рис. 6.44).
При трансверсальном растяжении кончик трещины, начиная с некоторой
длины трещины, остается самоподобным из-за обрыва волокон при расхожде-
нии берегов трещины, и вязкость разрушения (7к стремится к некоторому пре-
делу. Напротив, при сдвиговом разрушении (моде II) зона, в которой имеются
стрингеры, постоянно увеличивается с ростом «усов». Как следствие, растет и
вязкость разрушения (7|к. Дополнительной причиной различия может быть тре-
ние берегов трещины при сдвиговом разрушении.

ИЙмииент
а». Снижен;
ЫрвЮ
Ыпт.ц V\o<
4^Жмежэд но.

Xw' Пр

к и 1

Си

11>М г Н 1,1
lc<?

6,3

И» рис. 6.46 прп.едеп, 3,Л
от объемной доли органически* > Сть Иязкости ь, V

,.„а пр» ,«»»»»„„„ и Как рмрушенн, с,

Легчен» продал»», "™»«. пр» по„ыш™“*тьР«Руше„„,

„и —™ пр» высокм ” ««аппе. „р„„Х ” ““«“««P пода

" ->«»» (с„ ; „р„Ч11о_

269

100

Рис. 6.46. Зависимость вязкости
межслоевого разрушения Gllc от
объемной доли ^органических
волокон СВМ (/) и терлон (2)

—I___________I____________L_

40 60 80

Объемная доля волокон Vf, об. %

100

C||f от длины усов L.
ос/ЭДТ-10 (3), терлон/

6.13. КОЭФФИЦИЕНТ РЕАЛИЗАЦИИ
ПРОЧНОСТИ ВОЛОКОН

противоположные

,-го т“, »>'» Ч*
еХ", ‘

Сравнение реальной и теоретической прочности композита при
Разрушении вследствие исчерпания прочности волокон позволяет охарактери-
зовать степень использования прочности волокон в материале:

afc = Ксгр

(6.89)

«, _ „Р„

чески^^ Гй

волокон. Снижение коэффииие' разМоткой,1и1ИИ от свойств матричь
быть обусловлено растрескиван ’ комПозита зави неявно характерна.
Фектов и т. д. Поскольку "РочН°Хй, коэффициент * ”ельзОваНИя в сочета-
адгезии между волокнами и матр и матрины Д,я

качество адгезии и степень приго пИента К ДЛЯ р^зли lHb

нии с описываемыми волокнами. знацения кО3^\кОН терлон в K0JlbU^^.‘

В табл. 6.2 приведены типичньпрОчности воЛ<оИ составляет •
композитов. Коэффициент реали < каКдля волок°* к0 при практичес
образцах равен лишь 60 %, вТ0 “Р® и герлон блИЗК’'т иа основе волокон к

своим свойствам волокна оЧность комнои

одинаковой прочности волокон пр

л°н примерно на 25—30 % ниже [
Таблица 6.2. Механические характеристики органопластиков

Композит Прочность волокон, ГПа К, МПа Трансверсальная прочность, МПа сГк> кДж/м2
а 6
СВМ, 65 % 3,8 3,35 0,89 36 5,8
СВМ, микропластик 3,8 3,7 0,97 —
СВМ, 85% 3,8 2,6 0,68 1,9
СВМ, 95% 3,8 2,2 0,58 и '
Терлон, 60%, 4,1 2,45 0,60 12 2,1
микропластик 4,1 2,8 0,68
Армос, 60 %, микропластик 4,2 4,2 3,75 4,25 0,90 1,01 23 3,4

а — прочность волокон на базе испытания 10 мм;

б — прочность волокон в композите;

* — при инициации «усов» (L = 0).

Разрушение композита на основе волокон терлон зачастую начинается с
растрескивания, сопровождаемого появлением зубцов на диаграмме а— е, как
на рис. 6.20. Максимальное напряжение близко к напряжению появления
первой продольной трещины, и прочность композита определяется напряже-
нием растрескивания. В результате реализация прочности этих волокон в ком-
позите заметно ниже 100 %. Низкая реализация прочности волокон терлон
объясняется преждевременным растрескиванием композита в процессе рас-
тяжения.

Как описано ранее, локальное растрескивание композита вблизи дефектов
благотворно влияет на прочность композита, снижая концентрацию напряже-
ния (см. рис. 6.41) [31], [38]. В то же время для получения высокой прочности
композита нужна хорошая адгезия между волокнами и матрицей [39], предотв-
ращающая преждевременное растрескивание композита. Если продольное мик-
рорастрескивание является излишне интенсивным, оно инициирует макрорас-
трескивание и приводит к снижению прочности. Это означает, что адгезия
должна быть оптимальной. Реально для большинства волокнистых композитов
желательна максимально высокая адгезия, и исключением являются лишь уг-
лепластики, склонные к хрупкому разрушению при ударе.

6.14. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

На рис. 6.47 приведена температурная зависимость прочности уг-
лепластиков на основе эпоксидной матрицы ЭДТ-10 (/) и двух теплостойких
матриц роливсан [4]. Повышение температуры приводит к монотонному сни-

Влияние температуры

-У271

хеНию прочности волокон и органопластика. Прочность комп

снижается при температуре стеклования матрицы Г (|?0’Г апТ* СИЛЬ“°
для роливлана КО и 330 °C для роливсана ТО) Увеличен ЭДТ’10, 240 С

Хит к уменьшению предела текучести матрицы и, температуры при-

неэффективной длины волокон и снижению

рис. 6.47. Зависимость прочности угле-
пластика на основе эпоксидной матрицы
ЭДТ-Ю (кривая /), роливлан КО (кри-
вая 2) и роливсан ТО (5) от температуры
испытания Т

как следствие, увеличению

прочности композита.

ок, МПа

-I-----------1___________।

130 230 330 Т, С

бастую начинается с
1 диаграмме а-f. как
Iряжению появления

феделяется напряже-

4 ЭТИХ ВОЛОКОН 6 кс“'
ости волокон*'

иита в

теФеК'эВ
йита X
,Х>

,й

,Х --

' пи

Рис. 6.48. Зависимость прочности
органопластика терлон/ЭДТ-10
(кривые 1 и 2) и арамидной нити
терлон (5) от температуры испыта-
ния Т:

/ — кольцевые образцы ( V} = 65 об. %);
2— нить, склеенная эпоксидной смо-
лой (микропласгик); 3 — нить терлон

,ции*

ЧТ°

,м

Температурная зависимость прочности композита терлон/ЭДТ-10 имеет
УЩественно иной характер (кривые / и 2 на рис. 6.48). В этом случае при
сличении температуры прочность композита возрастает, несмотря на сни

*ение прочности волокон (кривая 3). Вблизи Тк матрицы прочность имеет
аксимум (кривая 2), и ее снижение наблюдается лишь выше Г,. Повышение
Точности композита с ростом температуры объясняется подавлением рас-

^аксимум (кривая 2)

прочности композита с ростом температуры объясняется подавлением рас-
Рескивания при повышенных температурах испытания. Напротив, для угле-
п асти*а растрескиванне не столь опасно и прочность при увели 1ении тем
атУРы снижается.
272

Список литературы

1. Puchkov L.V., Bazhenov S.L. J. Composite Materials. V. 26, 1992. — P. 1402.

2. DeTeresa J., Alien S.R., Farris R.J. and Porter R.S. J. Material Science. V. 19, 1934

P. 57.

3. Ван Фо Фы Г.А. Теория армированных материалов. — Киев: Наук. Думка, 197]
230 с.

4. Юдин В.Е. Вязкоупругость полимерной матрицы и разрушение теплостойких
волокнистых композитов. Дисс. на соискание ученой степени д. ф.-м н _
СПб.: ИВС, 2000. - 331 с.

5. Bazhenov S.L., Kozey V.V. and Berlin A.A. J. Material Science. V. 24, 1989. — P. 4509

6. Bazhenov S.L., Kozey V.V. J. Material Science. V. 26, 1991. — P. 6764.

7. Пучков Л.В., Баженов С.Л., Асланян A.A., Куперман A.M., Горбаткина Ю.А Бел-
лин A.A.., Зеленский Э.С. ДАН СССР. Т. 30, 1985. — 794 с.

8. Rosen B.W. Fiber composite materials. ASM, Metals Park. Ohio, 1965. — 37 c.

9. Розен Б.У., Дау Н.Ф. Механика разрушения волокнистых композитов. В кн •
Разрушение. Т. 7, ч. 1. — М.: Мир, 1967. — С. 300.

10. Mathews F.L., Rawlings R.D. Composite materials: Engineering and science. Woodhead
Publishing Limited, Cambridge, England, 1999.

И. Михайлов А.М. Ж.П.М.Т.Ф. № 5, 1967. - 128 c.

12. Качанов Л.М. Механика полимеров. № 2, 1974. — 370 с.

13. Головкин Г.С. Пласт, массы. №6, 1981. — С. 39.

14. Kies J.A. Naval Res. Lab. Washington, Rep., № 5736, 1962.

15. Кортен X.T. Механика разрушения композитов. В кн.: Разрушение. Т. 7, ч. 1. —
М.: Мир, 1967. - 367 с.

16. Андреевская Г.Д. Высокопрочные ориентированные стеклопластики. — М.: Нау-
ка, 1966.

17. Альперин В.И. и др. В кн.: Конструкционные стеклопластики. — М.: Химия,
1979. - 125 с.

18. Кузьмин В.Н., Андреев А.С., Добровольская И.П., Лелинков О.С., Марихин В.А.,
Мясникова Л. П., Николаев Г. И., Перепелкин К.Е. Механика композит, материа-
лов. № 4, 1985. - С. 736.

19. Баженов С.Л. Механизмы разрушения армированных пластиков при сжатии и
растяжении. Дисс. на соискание степени д. ф.-м. н. — М.: ИХФ РАН, 1996. —
С. 379.

20. Отчет по гранту МНТЦ А-1269, 2008. Руководитель А.М. Куперман.

21. Баженов С.Л., Куперман А.М., Пучков Л.В., Зеленский Э.С., Берлин А.А., Харчен-
ко Е.Ф., Кульков А.А. Механика композит, материалов, 1984. — С. 1011.

22. Прут Э.В., Компанией, Л.В., Потапов В.В., Ениколопян Н.С. Механика композит,
материалов, 1983. — С. 1103.

23. Компанией, Л.В., Потапов ВВ., Григорян Г. А., Куперман А.М., Пучков Л.В., Зелен-
ский Э.С., Берлин А.А., Прут Э.В., Ениколопян Н.С. Механика композит, матери-
алов, 1983. - С. 387.

24 Сох Н L., Brit. J. J. AppL Phys. V. 3. — Р 72.

25. Volinskii A.L., Bazhenov S., Lebedeva O.V., Ozerin A.N., Bakeev N.F. J. AppL Polymer
Science. V. 72, 1999. — P. 1267.

26. Kelly A. Strong Solids. Clarendon Press, Oxford, 1973.

27. Weibull V.A. J. AppL Meeh. V. 18, № 3, 1951. — p. 293.

28. Дваит Г.Б. Табтицы интегралов и другие математические (Ьоомулы — М.’. Нау-
ка, 1973. - 228 с.
39. Баженов С.Л., Берлин А.А., Куперл1а„ А .

1989. — 27 с. Зе аенскцц Э С. Хи к

Biryer S., Moshonov A., Kenig S. . ’’ еские волокна,

31. Кулиев В.Д., Работное Ю.Н Чепо» pos,tcs- V. 20, 1989 — р i ?z .

32. Tan S.C. J. Composite Materials V^T нм Л™ AH CCCP MTT |97x

33. Uau С. Хан X. Анализ разрушения к ’ ~ 556 ’ МП' 'Ж ~ С

позиционных материалов. / Поп „„„ "п°зитов. В кн.: Hevnn,,.

я, Л.™™ М. Р«с,рСеК|1„а„^ ?'”““»<«- - М : Мир “’г к,'ш

„„„ paJP>„„„c .„„риХ’Хх' те

35. Bazhenov S.L. Composites Science and T h 1ЛИН<* M Мир’

36. Hine P.J., BreW В., Duckett R.A., Ward l u ^ V'.58, 1998. - p 83

V. 35, 1989. - P. 31. ’ Ward , M- Composites Science ЯпИ т к

37. Кузьмин В.Н., Андреев А. С. Лоапп . d Тес,1по|о8У

Мясникова Л. П., Николаев Г И Рпв0ЛЬС1<ая И.П., Лелин ков ОС и

». К 4, ,9Я5. •- с. 7з“” Г“- П’^-~ КЕ. Мела„„: р»:

38. CookJ., Gordon J.E. Proc. Roy. Soc. V. A282 1964 — p 508

39 Горбаткина Ю.А. Адгезионная прочность в’ системах полимер-волокно Дисс
на соискание степени д-ра техн. наук. - М.: ИХФАН СССР 1983 - 472

□рушение. Т. Ш-

опластики. - М.: Нау

астики. - М-; Х1,м

Рв О.С, Марихин №..
ка композит, материа-
Ьстиков при сжатии и
И.: ИХФРАН.1М '
РАЗРУШЕНИЕ

ПРИ ПРОДОЛЬНОМ СЖАТИИ

Представления о разрушении волокнистых композитов при сжа-
тии вдоль волокон изменились в последние десятилетия довольно сильно.
В 1960—1970 гг. считалось, что разрушение обусловлено потерей устойчивости
волокон. Позднее выяснилось, что, как и при растяжении, при сжатии суще-
ствует целый спектр конкурирующих механизмов разрушения, обусловленных
широким различием свойств волокон и матриц, а также адгезии между волок-
нами и матрицей. Более того, потеря устойчивости волокон является не основ-

ным механизмом разрушения

армированных пластиков.

Рис. 7.1. Эилеровская потеря ус-
тойчивости стержня при сжатии

При сжатии разрушение композита может
происходить вследствие потери устойчивости
волокон, исчерпания несущей способности (разру-
шения) волокон, продольного растрескивания и
расслоения. Все эти механизмы, кроме первого,
характерны и для растяжения. Некоторые из них
встречаются чаше других. При сжатии наиболее
типичными механизмами являются растрески-
вание и исчерпание несущей способности воло-
кон. Вопрос о механизме разрушения конкрет-
ного композиционного материала далеко не
прост. Тем более, что он может зависеть от
свойств и типа матрицы, марки волокон, каче-
ства их поверхностной обработки, доли воло-
кон и даже способа испытания образцов.

Помимо описанных механизмов разрушения,
может наблюдаться эйлеровская потеря устой-
чивости образцов, т. е. их изгиб под действием
сжимающей силы (рис. 7.1). Этот механизм ха-
рактерен и для стержней из изотропных материа-

лов. В данной книге он описан его предельно
кратко. Критическое напряжение потери устойчивости стержня прямоугольного
сечения с шарнирно закрепленными концами описывается формулой [1|'
Ч|' К'Ь

111 >,

Ч, ,
ч,
Itou. '•'

, *4 /4
14k a.

II н

*n«fc '’Ч

' р’шс* мнцпг,

' К1 ние

1 w

ПрМвийММ ЩМН)

Ш МОлНГАЬ. p>.’fv
p v -.ли *’$ HtuW113

...Mu

' ' v-'1 • пк

JH л

ом

fjtp.

10Н“

nT ’

Jfl“F «fl

.4 ' V."

<р

. -Д

* v

I ‘ » 1'1 ч’

Wr Л1

J1 X

l‘.

где £t " продольный модуль упругости композита; / и / -

год щи на и liина

сТержня ------

Потеря устойчивости характерна для длинных „ |о

нительно низким отношением ///.. По этой причине 1!Ысокие ° *'

нь- в арХИТе,КнТниях 7 -ОС5Т51ОГП Г бОЛЬШ°о сп и

типичных значениях Е - 55 ГПа и а = 2 ГПа потеря устойчивости может
произойти, если отношение Е/т превышает 4,75. При меньшем отношении ///
Jhперовская потеря устойчивости не происходит и стержень разрушается по
одному и3 перечисленных выше механизмов.

7ПОТЕРЯ УСТОЙЧИВОСТИ волокон

Дау и Грунтфест [2|, а также Рабинович [3|, [4] первыми рассмотре-
ли разрушение композита вследствие потери устойчивости волокон. В этом слу-
чае прочность композита лимитируется недостаточной жесткостью матрицы. По-
теря устойчивости волокон исследовалась весьма подробно [5J—[7]. В отличие
от эйлеровской потери устойчивости потеря устойчивости волокон является
микромеханизмом, а не макромеханизмом разрушения.

Рис. 7.2. Потеря устойчивости тонкого слоя
платины на мягкой каучуковой подложке.
Покрытие растянуто в направлении, показан-
ном стреткои, и сжато в перпендикулярном
направлении

На рис. 7.2 продемонстрирована потеря устойчивости тонкою слоя плати
ны, нанесенного на мягкую каучуковую подложку. Покрытие моделирует
яедение жестких волокон в более мягкой полимерной ма рине. При сжатии на
начально ровной поверхности покрытия возникает регулярная волна < а
стяжение приводит к растрескиванию покрытия (которое све! iee потложк
сжатие в перпендикулярном направлении — к регулярному изт у pL "1Н
°Риентированы строго перпендикулярно направлению сжатия.

обусловлено микроизгибом покрытия вследствие потери уси .ЮМиру
^ствием сжимающей силы. Длина волны Л определяется свойствами армиру
юШего покрытия и подложки:
где h — толщина покрытия; Efv\ Ет — модули упругости покрытия и подложки
соответственно.

Потеря устойчивости является критическим явлением. При напряжениях
ниже критического покрытие остается плоским, а при достижении критичес-
кого напряжения теряет устойчивость одновременно по всей поверхности |8|.
При наличии не одного, а нескольких армирующих слоев или волокон они
взаимодействуют и потеря устойчивости является коллективной.

Описаны четыре гипотетические формы совместной потери устойчивости
волокон, показанные на рис. 7.3 [9J. В случае жестких волокон формы, изобра-
женные на рис. 7.3, в и г, при которых изменяется сечение волокон, наблю-
даться не могут. Анализ показывает, что критическое напряжение сдвиговой
моды потери устойчивости, показанной на рис. 7.3 а, ниже, чем моды, изобра-
женной на рис. 7.3, б [5|. Свое название эта форма потери устойчивости полу-
чила в связи с тем, что матрица при потере устойчивости оказывается в услови-
ях сдвига

Рис. 7.3. Формы совместной потери устойчивости волокон (заштрихованы). Реально в
волокнистых композитах наблюдается лишь форма а

Для сдвиговой формы потери устойчивости волокон критическое напряже-
ние о равно модулю сдвига композита G [11]:

(7.3)

Эта формула замечательна тем, что в ее левой и правой частях имеется
лишь по одному параметру, и более простую формулу написать просто невоз-
можно

Для модели композита, состоящей из чередующихся плоских слоев во-
локон и матрицы, модуль сдвига (см. рис. 6.3) описывается соотношением
(6.14). Соответственно прочность композита при потере устойчивости волокон
равна [5J:
Согласно уравнению (7.4) при типичной для однонаправленною слоя сте-
гни наполнения Vf- 60 об. 0 критическое напряжение потери устойчивости
волокон в 2,5 раза выше модуля сдвига матрицы.

Модули упругости изотропного материала при растяжении £ и сдвиге свя-
заны формулой 111:

= 2<Л>Л + и), (7 5)

где v — коэффициент Пуассона, типичное значение которою для полимеров
равно 0,3-0,35. Сравнение формул (7.4) и (7.5) показывает, что при Vf= 60 об. 'о
напряжение потери устойчивости волокон близко к модулю упругости матри-
цы при растяжении ~ Ет. Это означает, что потеря устойчивости волокон
лимитируется жесткостью матрицы.

По Розену, при малых степенях наполнения волокон ^реализуется форма
потери устойчивости, показанная на рис. 7.3, б [5]. Дэйл и Баер проверили этот

вывод экспериментально путем изменения расстояния между двумя волокнами
в объеме матрицы [10]. При малых расстояниях между волокнами они наблю-
дали совместную сдвиговую форму потери устойчивости в согласии с вывода-
ми Розена, а при увеличении расстояния между волокнами, что соответствует
уменьшению Ур потеря устойчивости перестала быть коллективной и волокна
изгибались независимо. Форма совместной потери устойчивости, показанная
на рис. 7.3, б, не наблюдалась. Это противоречит выводу, сделанному Розеном
на основании сдвигового анализа [5]. Более аккуратный теоретический анализ
показывает, что вывод Розена ошибочен и обусловлен неправомерным исполь-
зованием сдвигового анализа при малых степенях наполнения. Критическое
напряжение сдвиговой моды потери устойчивости ниже, чем для моды, изоб-
раженной на рис. 7.3, б при всех степенях наполнения.

В течение долгого времени потеря устойчивости волокон считалась основ-
ным и даже единственным механизмом разрушения. Однако она характерна
лишь для композитов на основе каучукоподобных матриц с низкой жесткос-
тью. Наблюдается она и при температурах выше температуры стеклования мат-
рицы Г, когда резко снижается ее жесткость. Отметим, что при таких темпера-
турах армированные пластики эксплуатироваться не должны.

Если исключить описанные случаи, реальная прочность композите при

сжатии значительно ниже их модуля сдвига. К примеру, типичное значение
модуля сдвига однонаправленного стеклопластика с эпоксидной матрицей ле-
*ИТ в пределах 5-7 ГПа, модуль сдвига углепластика равен 4-5 ГПа, а модуль
вига органопластиков на основе арамидных волокон составляет 1,4 2 ГПа
|12ь ИЗ] Реальная прочность этих композитов при сжатии в несколько раз
ниже соответствующих значений модуля сдвига. Например, прочность стекло-
частика в зависимости от типа матрицы, величины адгезии и метода испыта-
ли варьируется в пределах 0,5-2 ГПа, что в 3-10 раз ниже модуля сдвига.
Принтерное значение прочности углепластика при сжатии равно 1,4-1,6 ГПа,
Что примерно втрое ниже его модуля сдвига. Аналогично, прочность органо-
пластиков на основе арамидных волокон (0,25—0,3 ГПа) в 5—7 раз ниже моду-
ля сдвига композита. Столь большое различие прочности при сжатии и модуля
сдвига л их композитов объясняется тем, что их разрушение не связано с поте-
рей устойчивости волокон. Разрушение этих композитов является следствием
исчерпания несущей способности волокон или продольного растрескивания.

Продольное растрескивание композита 114| —120| совершенно аналогично
растрескиванию при растяжении. Прочность композита в этом случае лимити-
руется прочностью матрицы и границы раздела. Разрушение инициируется
появлением продольных трещин в матрице и на границе волокон, после чего
отщепленные части материала изгибаются по направлению к поверхности об-
разца, как показано схематически на рис. 7.4. Растрескивание типично для
стекло- и углепластиков.

Рис. 7.4. Растрескивание волокнистого композита:

/ — исходная трешина; 2 — изгиб отслоенной части материала по направлению к поверх-
ности

Растрескивание особенно опасно, если продольные трещины появляются
при изготовлении или эксплуатации композита, например в результате удара
[21] Методы рентгеноскопии и акустической дефектоскопии показали, что
исходная трещина сначала растет вдоль волокон, а затем происходит изгиб
отслоившейся части [22], [23]. Под нагрузкой трещина может появляться и в
бс ^дефектном материале. Отметим, что при сжатии растрескивание еще опас-
нее, чем при растяжении. Это связано с тем, что при наличии небольшого угла
между осью волокон и направлением приложения силы этот угол при растяже-
нии уменьшается, а при сжатии возрастает.

Третий механизм разрушения обусловлен исчерпанием несущей способности
волокон |. 4|, 125] (рис. 7.5, а). Он инициируется разрушением волокон под
действием сжимающей силы. Как и при растяжении, прочность композита в
этом случае шмизируется прочностью волокон. Этот механизм типичен для
композитов на основе органических и высокомодульных углеродных волокон.
Отметим, что прочность волокон при сжатии может существенно отличаться
от прочности при растяжении.

Д' 11 • Д । 1 I

MMmIiI
I I I I I

Рис. 7.5. Модель разрушения композита
вследствие потери несущей способное
ти волокон (а) и появление полос сдви-
га под действием сжатия в волокнах кев-
лар-49 (6):

7 — волокна: 2 — полосы сдвига в волокнах;
3 — микрополоса сдвига

7.2. ИСЧЕРПАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ВОЛОКОН

Существенным недостатком органических волокон является их не-
высокая прочность при сжатии. В случае арамидных волокон СВМ, кевлар-49,
терлон, армос и русар она в 7—10 раз ниже, чем при растяжении. Поэтому
органопластики имеют относительно невысокую прочность при сжатии. На
Рис. 7.6, а приведена фотография образца органопластика после испытания на
сжатие [25]. Разрушение приводит к появлению полосы сдвига, так называемо-
го кинка, увеличенное изображение которого приведено на рис. 7.6, б. Кинк
аналогичен дислокационной полосе сдвига в металлах. Угол между осью воло-
ки и плоскостью полосы сдвига равен 39—42 . Так, рис. 7.7 схемати тески
иллюстрирует механизм формирования кинка.

На рис. 7.8 приведена диаграмма напряжение деформация органоплас
тика при сжатии. Такая диаграмма характерна для пластичных материалов.
а ней наблюдается максимум, после чего напряжение иракти тески постоян

На этой стадии деформирования происходит уширение полосы сдвт
конец, напряжение снижается.

инк образуется достаточно быстро, и проследи 1ь ею развитие и и ж
ТИИ удается. Гораздо проще наблюдать процесс развития разрушения при
изгибе, когда разрушение инициируется течением материала на сжимаемой
поверхности и постепенно развивается по направлению к центру образца. На
рис. 7.9, а приведена фотография сжимаемой поверхности органопластика
после испытания на изгиб [26]. Наблюдается большое количество пересекаю-
щихся полос сдвига, которые практически перпендикулярны друг другу. Это
связано с тем, что полосы сдвига ориентированы под углом примерно 45 к
оси сжатия. В процессе сжатия полосы сдвига постепенно уширяются и обра-
зуются кинки (см. рис. 7.9, 0.

Рис. 7.6. Фотография цилиндрического образца органопла-
стика диаметром 9 мм после испытания на сжатие (а) и изоб-
ражение полосы сдвига (кинка) в растровом электронном
микроскопе (6)

Рис 7.9. Фотографу
а - начало
процесса ра

Рис. 7.7. Иодель образования кинка в ор1анопчастике:

исходный машриал; б и в — развитие полос сдвига; г — формирование кинка;
уширение кинка

5 300

X
X

5 200

и
} Ar

а —

300

200

100

8,0

П5

та

5 160

стика на основе волокон СВМ
К-50 об. %:

тече-

изгиба:

развитие

ЧеРнанце

6,0

рис. 7.8. Диаграмма зависимо-

сти сжимающего напряжения
от деформации для органопла-

АВ - упругим участок: CD —

ние при постоянной нагрузке

lw MkV

"с- 7.9. Фотографии

₽Ис- 7.10.

НесУЩеи

е 240

cno^6HOcmu

ВОЛОКОН

начал сжимаем°й поверхнос
процесса раГпи°ЦеССа образов“™

РазрУШения компо

ГИ композита после
'ания полос

сдвига на сжимаемой

поверхности- б —

Объемна

Зависимость

я доля волокон Vr, об. %

кон V КА рочности органопластика при сжатии
f Матрица ЭДТ-10. Волокна

стс от объемной доли воло-
СВМ (+), терлон (О) и армос (0)
На рис. 7.10 приведена зависимость прочности при сжатии органопласти-
кой на основе различных арамидных волокон от объемной доли волокон V
[25]. При одинаковой степени наполнения прочности композитов практически
совпадают, несмотря на различие прочности при растяжении. Прочность опи-
сывается правилом смеси (6.43).

W /И’

(7.6)

где (гт — 70 МПа — прочность эпоксидной матрицы и crf — 400 МПа — проч-
ность волокон. В отличие от растяжения, прочности матрицы и органических
волокон при сжатии сравнимы, и полому вторым слагаемым в формуле (6.43)
пренебречь нельзя.

Рис. 7.11. Методы измерения
прочности арамидных воло-
кон при сжатии:

а — метод петли, / — область
максимальных напряжении. С> —
изгиб упругой балки с прикле-
енным волокном; 2 — полосы
сдвига в волокне

Измерение прочности волокон при сжатии является довольно сложной за-
дачей вследствие их малого диаметра и изгиба под действием сжимающей силы
(см. формулу (7.1)). Поэтому прочность волокон измеряют непрямыми метода-
ми. Метод петли (рис. 7.11, а) основан на том, что при изгибе половина сече-
ния волокна сжата [62], [77]. При упругом поведении волокна отношение дли-
ны петли к ее ширине постоянно и равно 1,34. Например, так ведут себя стек-
лянные волокна (рис. 7.12, а). Если волокно начинает деформироваться неупруго,
это отношение увеличивается. Пример такого поведения волокна приведен на
рис. 7.12, б. Прочность волокна при сжатии считают равным максимальному
напряжению на его сжимаемой поверхности, при котором отношение длины к
ширине петли начинает изменяться [27|. Прочность вычисляли по формуле

где d — диаметр волокна; L — критический размер петли в точке, в которой
отношение длины к ширине петли начинает отклоняться от 1,34. Измерение
этим методом прочности арамидных волокон кевлар-49 и СВМ при сжатии
дало значение 700—900 МПа [27|, |28|.

Второй метод состоит в изгибе упругой балки с приклеенным к сжимаемой
поверхности волокном (см. рис. 7.11, б). Прочность волокна определяют из
модуля упругости и деформации, при которой в нем появляются полосы сдвига,
аналогичные показанным на рис. 7.5, б. Этим методом для волокна кевлар-49
прочность оцени in в 700 МПа |29|.
L, мм

1,43

1,0

0,5

L, мм

°’°0,5

0,0

пп?,рами*^

гфи (-Аатми:

метод петли; / _

^имальных паприжсни.!, f-
нб упрмой бачки с ерики
ним волокном; 2 - ппхчы

>ига в волокне

довольно сложной за-
щем сжимаю!» сим |
от непрямым1’Mel№
и зпгбе половина сече-

,., отношеН”е 1

" «’“‘J
.’Р-т‘ ,тьсяип®’
0Рм,,р при^

I к';::'"'-".

Т-800 методом петти

‘"Ж ...

7.11. Ис— —» " ’“Р°”"Ь1Х ” ” ”” натяну„„ .„«К.

Еше „д„„ «™д

по нему со скоростью звука ке склейки в волокне цю р0|. Если

момент прихода ударной волнь растягиваюшему нал в волокне

ющие напряжения, равные исхо оедела прочности npV ..тодом прочность
«.».пр«жеви= рис.7.S.« •’г

полосе. сдвига, мпа.

волокна кевлар-49 была оценена (6.43). .1П^игься на повыше-

полученным на основании правитi позволяет на _ арамидных

Значение прочности волокон 400 MFU чго про жос _пшерньр

ние прочности органопластика, т кОМцозиге. Сижез
волокон уже полностью реализован. февышаюшеи 11(11
несколько раз Ж у пОвышени

1Яется Реаль,,ЫМ;боТкИ приннипиальн
1 ишь путем ра»Р^чета1|ИИ с „олокнак

веских волокон и их использования сжа1ии. „„.тио..____

имеющих более высокую прочность совпа.тает с Н‘ 1О1111а. Эго сира

Если направление укладки полО* растрескивание р110бретают форм'
НИИ растягивающей силы, инициируется Р^ 1(ОЛОК1)а пр.

Иелливо и для сжатия. Например, при

’ “I
новых органи-
другого типа,

Поэтому

матриц с прочностью, в
смол, также не представ
ганопластика возможно
похожую на циклоиду. В результате они укладываются под некоторым углом к
оси нити. На кривой 7 рис. 7.13 приведена зависимость прочности органопла-
стика от кратности крутки нити N [31]. Прочность композита не изменяется
N~ 120 круток/м нити, а затем постепенно снижается. При сжатии органопла-
стик нечувствителен к крутке нити вплоть до весьма значительных значений
угла в. Это является следствием того, что разрушение органопластика не связа-
но с его растрескиванием. Напротив, прочность стеклопластика (кривая 2) в
результате крутки нити снижается весьма сильно. Это обусловлено разрушени-

ем стеклопластика вследствие продольного растрескивания.

Рис. 7.14. Зависимость угла 0
между волокнами и осью нити
СВМ (/) и стеклонити (2) от
кратности крутки /V

На рис. 7.14 приведена зависимость угла 0 разориентации от кратности
крутки для нити органических СВМ (прямая 7) [31] и стеклянных (2) волокон
[32]. Угол разориентации пропорционален степени крутки нити:

0= kN,

(7.8)

где к — коэффициент пропорциональности; к = 0,06 и 0,14 (град • м)/крут. для
нити СВМ и нити Е-стекла соответственно.

1ГИ1И 1ШiAIiHL М
При ^= 120 круток/м, когда начинается

снижение прочности органоплас -
и осью нити достигает 7—8° При
влияет на прочность при сжатии

тика

на рис. 7.13, угол между осью волокон

еныиих углах разориентация волокон не
На рис. 7.15 приведена зависимость

прочности органопластика при сжатии
от объемной доли пор И. В отличие

от угле- и стеклопластика, поры прак-
тически не влияют на прочность ком-
позита при сжатии.

Рис. 7.15. Зависимость прочности при сжа-
тии сг органопластика СВМ/ЭДТ-10 от кон-
центрации пор V

7.2.1. Разрушение органопластика
при повышенной температуре

На рис. 7.16 приведена зависимость прочности органопластика при
сжатии (т от температуры испытания Т [25]. В области 70—100 °C (температура
стеклования матрицы Т ) наблюдается резкое снижение прочности, которое
прекращается при 100 °C.

Рис. 7.16. Зависимость прочности при сжатии ^органопластика СВМ/ЭДТ-10 от темпе-
ратуры испытания Т. 50 об. %

пластика при повышении тем-

Изменение механизма разрушения органог тические напряжения ис-
Пературы будем анализировать, рассматривая Ости волокон. Разруше-
ЧеРпания несущей способности и потери их у
ние происходит при достижении наименьшего критического напряжения. Тем-
пературная зависимость критических напряжений приведена на рис. 7.17. Кри-
тическое напряжение потери устойчивости волокон равно модулю сдвига ком-
позита |см. уравнение (7.3)]. Оно приведено на кривой /. Критическое напряже-
ние резко снижается при температуре стеклования матрицы Т^~ 80 С, когда
падает ее модуль упругости и она переходит в высокоэластическое (каучуко-
подобное) состояние. Снижением критического напряжения исчерпания не-
сущей способности волокон в этом диапазоне температуры можно пренеб-
речь (прямая 2).

При низких температурах (<80 °C) критическое напряжение исчерпания
несущей способности волокон (2) ниже напряжения потери устойчивости во-
локон (7). При температуре стеклования матрицы напряжение потери устойчи-
вости волокон резко снижается, и при Т> 90 °C оно становится ниже линии 2.
Как следствие, механизм разрушения органопластика изменяется. Экспери-
ментальная прочность композита (кривая 3) и при низких, и при высоких тем-
пературах близка к минимальному критическому напряжению.

На рис. 7.18 изображен образец, разрушившийся при повышенной темпе-
ратуре вследствие потери устойчивости волокон. Полоса разрушения практи-
чески перпендикулярна оси волокон. Изгиб волокон в полосе разрушения ил-
люстрирует рис. 7.18, б. Ориентация полосы разрушения перпендикулярно во-
локнам является отличительной чертой разрушения композитов, разрушившихся
вследствие потери устойчивости волокон. Примером может служить стекло-
пластик на основе низкомодульной каучукообразной матрицы, разрушение
которого при изгибе произошло вследствие потери устойчивости волокон вблизи
сжимаемой поверхности.

На рис. 7.19 схематически проиллюстрирована модель разрушения компози-
та при потере устойчивости волокон. Потеря устойчивости приводит к слабому
синусоидальному изгибу волокон (/). Затем происходит случайное увеличение
амплитуды изгиба в одной из точек (2). Напряжение при этом несколько снижа-
ется, и в оставшейся части образца волокна распрямляются. Как следствие, раз-
вивается одиночная полоса разрушения, в которой сначала увеличивается амп
литуда изгиба, а затем происходит уширение полосы за счет смятия волокон.

Рис. 7.18. Зона разрушения цилиндрического образца органопластика СВМ/ЭДТ-10,
разрушившегося при Т= 120 °C вследствие потери устойчивости волокон (а);
б — изгиб волокон в зоне разрушения

Рис. 7.19. Модель разрушения вследствие потери 2- увели-

/ — слабый синусоидальный изшо волокон вс. иЗЛОМ ВОЛОкон в местах изгиба и рас-
чение амплитуды изгиба в некоюрой то 1ке, .
прямление волокон в оставшейся части о р

в между плоскостью полосы раз-

На рис. 7.20 приведена зависимость уг при увеличении

РУшения и осью образца от температуры неИзменным и равным

температуры от 20 ДО 65"С угол достается практически
примерно 50°, а в области температуры стеклова
растает, и плоскость разрушения становится перпендикулярной оси волокон.
Изменение угла ориентации полосы разрушения обусловлено изменением ме-
ханизма разрушения при температуре стеклования матрицы. Изменение меха-
низма разрушения сопровождается изменением не только угла изгиба волокон
в полосе разрушения, но и симметрии изгиба относительно плоскости разру-
шения (сравните рис. 7.7 и 7.19).

Рис. 7.20. Зависимость угла О
между полосой разрушения
органопластика СВМ/ЭДТ-10
и осью волокон от темпера-
туры испытания Т

Сравнение рис. 7.2 и 7.18 показывает, что характер потери устойчивости
наполнителя зависит от степени наполнения. При очень малых степенях напол-
нения арматура теряет устойчивость на всей поверхности образца (см. рис. 7.2),
а при значительных степенях наполнения потеря устойчивости волокон лока-
лизована в узкой зоне разрушения. Во всей остальной области волокна остают-
ся прямыми.

Рис. 7.21. Зависимость проч-
ности при сжатии <т органо-
пластика СВМ/ЭДТ-10 от
скорости нагружения V при
комнатной температуре

На рис. 7.21 приведена зависимость прочности органопластика при сжа-
тии от скорости нагружения V. При увеличении скорости сжатия проч-
ность несколько увеличивается. Изменение прочности описывается прямой
линией в координатах о; - In V. Отметим, что это изменение не слишком
лрактер потери устойчивости
1 очень малых степенях напс?-

\стойчиности волокон лом-
ион области волокна остают-

V w Л .1ft. о »

межэд полосой раодшеш
органопластика СШТО
и ОСЬЮ ВОЛОКОН ОТ TtW
т\ры испытания Т

•3. Разрушение стек юп метика

значительно, и при увеличении скор

ется лишь на 5 %. Увеличение скпп^™ Сжагия в Ю ра) flnn„L,
водят к росту прочности в соответст,™ С*аГИЯ И сии*ение темп^ УВСЛИЧИва’
ной суперпозиции [33]. ии с "Ринципом лемпеп ера1>ры г|ри'

J см,|еР‘1тУРно-времен-

РАЗРУШЕНИЕ СТЕКЛОПЛАСТИКА

Модуль сдвига однонаправленного стеклопластик и

сидной матрицы лежит в пределах 5—7 ГПа 151 I HI п d основе ->пок-
напряжение соответствует деформации композита околов "e“OnJ,dc™Kd JT0
кой деформации полимерные (например эпоксилнмр» ПрИ СТО1Ь высо’
и, как ™„„е, ™пр»же„„’\Х™ “

5—7. , 2,5-3 ГП. (5|, Реальна» прочнее" ""“°™

/ о 1 г\ KJiviшастика на основе tonvuy

волокон (диаметром 8-Ю мкм) в зависимости от методики испытания варьиру-
ется в широких пределах: от 0,5 до 2 ГПа. Если прочность равна 0 5-1 ГПа она
сильно ниже напряжения потери устойчивости волокон. Это является след-
ствием интенсивного продольного растрескивания композита. Разрушенные
образцы в этом случае сильно расщеплены вдоль волокон. Напротив если проч-
ность равна примерно 2 ГПа, она близка к критическому напряжению потери
устойчивости волокон.

= юоо

о
О
X

о 500

2500 г

ЛЗ
С

s 2000
t>u
х
| 1500

60 80 ЮО

Прочность при сдвиге rt, МПа

Рис. 7.22. Корреляция между прочностью стеклопластика при сжатии ас и при сдвиге г
.. гчрг использования раличных связующих
О — прочность при сдвше варьировалась за с ппочнооь m ем

О v изменялась аиезионная прочноыь пу.см

— варьировалась кон ценiраним пор, X
нанесения различных аппретов на новерхнос ь во юьна

Рис. 7.22 приведена корреляция между прочностью стеклоплашика при
г 118|, |34|. Прочность при сдвиге варьиро-
, изменения концептрации пор

иалр/6 Г< И ПР°ЧНОСТЬЮ ПРИ сжатии ст
путем применения различных связующих

ДГезионной прочности границы волокно—матрица. Во всех случаях проч-
ность при сжатии а изменялась практически прямо пропорционально измене-
нию прочности при сдвиге г:

= Лг, (7.9)

где А - 24 — константа.

Пропорциональность между прочностью при сжатии ст и сдвиге г обуслов-
лена растрескиванием композита, которое можно объяснить неидеальной ори-
ентацией волокон вдоль оси сжатия. Уложить волокна строго параллельно друг
другу невозможно, и в композите они имеют небольшую технологическую ра-
зориентацию, как показано на рис. 7.4. Как следствие, появляются сдвиговые
напряжения, определяемые формулой (6.36). Стойкость композита к растрес-
киванию характеризуется сдвиговой прочностью, и прочность при сжатии
пропорциональна г. Считая угол разориентации волокон 0постоянным, а рассло-
ение сдвиговым, величина А соответствует отношению gxJtc Из величины А = 24
по уравнению (6.41) оцениваем угол разориентации волокон 0~ 2,4°.

В соответствии с рис. 7.22 высокой прочности стеклопластика при сжатии
можно добиться путем повышения прочности при сдвиге. Для этого необходи-
мы высокопрочная матрица и хорошая адгезия между волокнами и матрицей.
На рис. 7.23 приведена корреляция между прочностью <7. стеклопластика при
сжатии и модулем упругости матрицы Ет [18]. Прочность возрастает при уве-
личении Ет, Это объясняется тем, что композиты на основе полимеров с высо-
ким модулем упругости имеют повышенную сдвиговую прочность, что затруд-
няет продольное растрескивание.

Рис. 7.23. Корреляция меж-
ду прочностью стеклоплас-
тика при сжатии <т и моду-
лем упругости эпоксидной
матрицы Ет. Варьировался
тип матрицы

На рис. 7.24 приведена зависимость прочности стеклопластика при сжатии
от объемной доли пор в координатах прочность <т(. - JjF. Зависимость опи-
сывается прямой линией, и прочность может быть описана уравнением [18]:

<т,. = <т0(|-1,87й;),

(7.10)

где V — объемная доля пор.

Illi ЛМКК1

„ ч>

Лх.5?

’М
о
ta\i{

хс>.
"% к4V
0СТь nPlt >
Чцм Ч
1 ч5>

А. Л

IV ВОЧокнамГ^*-
п *НаМИи*Ж

' ^^ЮШапивпр,
1ЧТь «врастаетпри»
1 <ноне полимер всвыю-
) ю прочность, что затр -

Поры приводят к существенному снижению прочности при сжатии В со-
ответствии с рис. 7.24 и уравнением (7.10) ш^ишь I и 4% пор приводят к
снижению прочности при сжатии на 18 и 36% соответственно. Столь сильное
снижение прочности обусловлено продольным растрескиванием стеклопласти-
ка. Напротив, органопластик, разрушающийся вследствие исчерпания несущей
способности волокон, к влиянию пор практически нечувствителен. Столь раз-
ное поведение композитов обусловлено отличием их механизмов разрушения.

Рис. 7.24. Зависимость прочности композита Е-стекло/ЭДТ-10 при сжатии о от корня
квадратного из объемной доли пор Волокна диаметром 8 мкм

Ранее (см. рис. 6.10) показано, что зависимость прочности при сдвиге г от
концентрации пор V при небольших V описывается формулой (6.32), анало-
гичной (7.10) [18]:

С = С,(1

(7.11)

Уравнения (7.10) и (7.11) практически совпадают, что обусловлено про-
порциональностью между прочностью при сжатии и при сдвиге. Различие в
коэффициентах перед корнем (1,6 и 1,8) лежит в пределах погре нос и экс
перимента. *•

*•0.1. Крутка нити

Зависимость прочности стеклопластика при сжатии от кратности
кРУтки нити /V приведена ранее на кривой 2 рис. 7.13. Крутка нити приводит к
Резкому снижению прочности стеклопластика. Это обусловлено тем, ito в ре
3Ультате крутки волокна укладываются под некоторым углом 6 к оси нити, и
Разориентация волокон снижает напряжение растрескивания композита |см.
Равнение (6.39)]. Зависимость угла между осью волокон в и осью стеклони и
кратности крутки N приведена на прямой 2 рис. 7.14.

На рис. 7.25 приведена зависимость прочности стеклопластика от диаметра
волокон. Прочность возрастает при увеличении диаметра стекловолокон [35],
[36]. Этот эффект можно объяснить лучшей укладкой более толстых волокон,
что затрудняет растрескивание композита.

Рис. 7.25. Зависимость прочности стеклопластика при сжатии ст от диаметра волокон

7.3.2. Потеря устойчивости стеклянных волокон

Типичным механизмом разрушения стеклопластика является про-
дольное растрескивание. Тем не менее иногда его удается подавить и реализо-
вать разрушение вследствие потери устойчивости волокон. Например, путем
использования волокон повышенного диаметра, ориентации волокон парал-
лельно друг другу и методики испытания, позволяющей нагрузить материал
строго вдоль волокон (рис. 7.26). При этом прочность композита при сжатии
достигает примерно 2 ГПа, что близко к теоретическому пределу напряжения
потери устойчивости волокон (=2,5 ГПа).

Увеличение диаметра стеклянных волокон и изменение методики испыта-
ния приводит к возрастанию прочности стеклопластика до 2—2,5 ГПа и изме-
нению механизма разрушения. Повышение прочности композита можно объяс-
нить повышенной жесткостью волокон, вследствие чего толстые волокна укла-
дываются лучше, чем тонкие. В результате снижается компонента сдвигового
напряжения [уравнение (6.36)] и подавляется растрескивание.

Увеличение диаметра волокон приводит не только к повышению прочнос-
ти, но и изменению внешнего вида разрушенных образцов. Образцы сильно
расщеплены, но имеют выраженную плоскость разрушения, направленную пер-
пендикулярно оси волокон, как показано на рис. 7.27. Наличие единой плос-
кости разрушения является следствием потери устойчивости волокон, волна
которой распространялась перпендикулярно волокнам (см. рис. 7.19). Излом
% ч

',к 1 >

** г '

волокон в местах изгиба сопровождается ппстпм

ви ростом микротрешин вдоть волокон

и стеклопластик расщепляется на мелкие dinarmputu r

14 «vjikmc qjparменты. В этом случае, однако,

растрескивание является не причиной, а следствием разрушения

ЧКМ

Г»1 сжатии * эт д^четра воккэ

Рис. 7.26. Методика испытания, по-
зволяющая избежать перекос цилин-
дрических образцов стеклопластика и
подавить растрескивание образцов:
/ — направляющие; 2 — образен

Рис. 7.27. Внешний вид образцов, раз-
рушившихся вследствие потери устой-
чивости волокон

,ных волокон

‘l'k „, т,В|ТЬ Ир"

., г.- х# -

пХ"

У VI\ Л

-L?’

, lH' ,.il

J’1' ,ir
п.Г

" XX

•X ..iW х

1 X Л.-Р

• > • У

>• ‘Z л

а’

,э .ЛгА

< .Л1 У/,»*

>• / //

•V i*/ J .’’

Рис. 7.28. Зависимость
прочности при сжатии
ст стеклопластика, ар
мированного во. юкнами
диаметром 130 мкм, от
объемной доли пор

На рис. 7.28 приведена зависимость прочности при сжатии- сге^оптастика
на основе волокон диаметром 130 мкм от объемной доли пор
потере устойчивости волокон поры влияют на прочноегь при с*а™ 1 ’

Тельно менее сильно, чем при растрескивании (см. рис^
Расслоения, зависимость описывается линейной функниег
На рис. 7.29 приведена корреляция между прочностью при сжатии а и сдви-
ге г стеклопластика, армированного волокнами диаметром 130 мкм [24], [34].
В этом случае характер зависимости иной, чем в случае тонких волокон, когда
разрушение инициируется продольным растрескиванием. Прочность при сжа-
тии зависит от прочности при сдвиге гораздо менее сильно, и пропорциональ-
ность между сг и rt отсутствует. Это обусловлено различием механизмов разру-
шения. В случае потери устойчивости волокон прочность при сжатии слабо
зависит от сдвиговой прочности, характеризующей стойкость композита к ра-
стрескиванию.

Рис. 7.29. Корреляция между прочностью при сжатии ет и сдвиге г. стеклопластика на
основе волокон диаметром 130 мкм

Отметим сильную зависимость абсолютных значений прочности стекло-
пластика при сжатии от методики испытания. Для стеклопластика, изготавли-
ваемого по одной технологии, различные методики испытания могут дать зна-
чения прочности, различающиеся более чем втрое [24]. Прочность при сжатии
значительно выше, если образцы нагружаются строго вдоль оси волокон, как
на рис. 7.26. Чтобы подавить продольное растрескивание и достичь прочности
композита 2—2,5 ГПа, угол между осью нагружения и осью волокон не должен
превышать Г. На практике обеспечить столь идеальное нагружение композита
вдоль оси волокон сложно, и поэтому проблема повышения прочности при
сжатии, как правило, решается увеличением сдвиговой прочности.

7.4. РАЗРУШЕНИЕ УГЛЕПЛАСТИКА

При разрушении углепластика при сжатии практически всегда по-
является кинк, как в органопластике (см. рис. 7.7) [37]. При очень плохой
адгезии между волокнами и матрицей и при испытаниях, стимулирующих ра-
стрескивание образца, углепластик может расщепляться. Однако такое поведе-

’ И h *ь п %

ч J% J ч
Ч? X Ч.

КР^

7.4. Разрушение углепластика —* у" 29$
ние нетипично и рассматриваться не будет. Существует мнение, что кинк по-
является вследствие потери устойчивости углеродных волокон. Однако оно про-
тиворечит экспериментальным данным. Согласно [19], кинк может являться
следствием или исчерпания прочности волокон, или начала растрескивания,
но не потери устойчивости.

Связи появления кинка в углепластике с потерей устойчивости волокон
противоречат два факта. Прежде всего, это существенная разница между прочно-
стью при сжатии (1,4—1,6 ГПа) и модулем сдвига углепластика 4—5 ГПа [12|, [ 13|.
Кроме того, при потере устойчивости волокон полоса разрушения всегда ори-
ентирована перпендикулярно волокнам. В углепластике же угол изгиба воло-
кон в кинке составляет 50—65°.

7.4.1. Высокопрочные углеродные волокна

7.4.1.1. Влияние отверстия

J
120

Рассмотрим разрушение образцов углепластика с концентратором
напряжения в виде круглого отверстия, когда механизм разрушения вполне
очевиден. Разрушение начинается с появления в полюсах отверстия четырех
продольных «усов» (рис. 7.30, а), длина которых постепенно возрастает Ката-
строфическое разрушение состоит в появлении кинка в кончике «усов», как
показано на рис. 7.30, бив [19]. В образцах с концентратором напряжения
появление кинка является следствием продольного растрескивания композита.

сдвиге г стеклопласта w

Рис. 7.30. Рост продольных «усов» вблизи
отверстия в углепластике (я); б и в — схе-
матический вид разрушенных образцов

На рис. 7.31 показан кинк в углепластике. Его отличие от кинка в органо-
пластике (см. рис. 7.7) состоит в изломе волокон. В процессе сжатия полоса
Разрушения утолщается за счет увеличения количества изломов (б). Инициа-
ция кинка кончиком продольной трещины может быть объяснена из и ом во-
локон вблизи кончика трещины, как показано схематически на рис. 7.32. Пос-
ле Разрушения нескольких изогнутых волокон в кончике продольной трещины
начинается неустойчивый рост кинка из-за эффекта «домино», коша разруше
ние одного волокна стимулирует разрушение соседеи. При растяжении в лит
кончика трещины волокна изогнуты из-за неодноосности напряженною со-
ст°яния. Дополнительной причиной образования кинка являются неидеальная
Укладка волокон и изгиб волокон, соединяющих противоположные бере.а ipe-
^ины расслоения, как показано на рис. 7.32.
Рис. 7.31. Схематическое изображения кин-
ка в углепластике

Рис. 7.32. Модель инициации
кинка кончиком продольной
трещины:

Рис. 7.33. Зависимость относительной прочности углепластика сг /сг0
от диаметра отверстия D Степень наполнения 40 (х) и 60 об % (О)

На рис. 7.33 приведена зависимость относительной прочности углепласти-
ка сс от диаметра отверстия [19]. Эта зависимость описывается единой кри-
вой при двух степенях наполнения. Прочность снижается при увеличении ди-
аметра отверстия. Отметим, что в традиционных изотропных материалах проч-
ность от диаметра отверстия не зависит, поскольку от D не зависит коэффициент
концентрации напряжения. Снижение прочности в композите объясняется тем,
что увеличение диаметра отверстия приводит к снижению напряжения появле-
ния «усов», которые инициируют образование кинка. Это напряжение описы-
вается формулой (6.87).

На рис. 7.34 сравниваются экспериментальная (кривая 7) и вычисленная на
основании формулы (6.87) теоретическая зависимость прочности углепластика
я от диаметра отверстия D. Отметим, что теория достаточно точно предсказы-
вает прочность при сжатии на основании данных, полученных путем растяже-
ния: модуля упругости Ес и вязкости разрушения при продольном растрескива-
нии (7Ik_, а также диаметра отверстия.

Рис. 7.34. Сравнение экспериментальной (кривая /) и теоретической (2) зависимостей проч-
ности углепластика ст от диаметра отверстия D. Степень наполнения 60 об. %.
Теоретическую прочность вычисляли по формуле (6.87) при Ес — 144 ГПа и
= 2 кДж/м2

На рис. 7.35 приведена корреляция между прочностью образцов углеплас-
тика без концентратора напряжения при сжатии ст и прочностью при сдвиге г
П9]. Как и в случае стеклопластика на основе «тонких волокон», прочность
Углепластика ст пропорциональна прочности при сдвиге г. вне зависимости от
способа вариации последней (7.9). В случае углепластика константа А 14,5.
На основании уравнения (6.41) из А = 14,5 угол разориентации волокон ^оце-
нивается как 4°.

Прямая пропорциональность между ст. и г свидетельствует, что разруше
Ние композита инициируется продольным растрескиванием, как и пр
чин п .„„пгтк ппи сдвиге можно повысить путем

ни концентратора напряжения. Прочность при д
Глава 7 Разрушение при продольном сжатии

использования жестких и прочных матриц, а также качественной поверхност-
ной обработкой волокон.

Рис. 7.35. Корреляция между прочностью углепластика при сжатии ст. и при сдвиге г.
Прочность варьировалась путем использования различных матриц, волокон и
поверхностной обработки волокон. О — М40/ЭКТ; 4----------УКН5000/ЭДТ-10;

* - УКН5000/ЭХД; △ - Т800/ЭКТ; х - УКН5000/ЭКТ, поверхностно не-
обработанные волокна; 0 — УКН5000/ЭДТ-10, поверхностно необработанные
волокна

Рис. 7.36. Зависимость прочности углепластика УКН5000/ЭДТ-10 при сжатии ет от объем-
ной доли высокопрочных волокон И

На рис. 7.36 приведена зависимость прочности углепластика при сжатии
бт. от доли волокон [ 19]. Прочность композита пропорциональна доле воло-
кон V'

Ч = ^0- (7-12)

где и (70 — прочности композита и «эффективная прочность волокон» соот-
ветственно.

7.41,2. Влияние пор

На рис. 7.37 показана зависимость ппоч

тии от объемной доли пор в координатах cr L ости Углепластика при сжа-
соответствии с уравнением (7.10) [19]. Наки р’ 0Писанная прямой линией в

аналогичному коэффициенту для стеклопластика" п°Й '’65, ЧТ° 6лизко к
прочность углепластика и стеклопластика на °РЫ Одинаково влияют на
ловлено наличием пропорциональности В0Л0К0н- Это обУс-

сжатии и сдвиге, которая описывается уравнением (7 10)^ ПР°ЧН0СТЬЮ при

Рис. 7.37. Зависимость прочности углепластика УКН5000/ЭДТ-10 при сжатии ст от корня
квадратного из объемной доли пор . Степень наполнения И = 60 об %

Таким образом, закономерности разрушения углепластиков на основе вы-
сокопрочных волокон и стеклопластика очень похожи. А именно, значения
прочности при сжатии пропорциональны прочности при сдвиге, сильно зави-
сят от пористости и значительно ниже модуля сдвига композита. Это обуслов-
лено единством механизма разрушения углепластика и стеклопластика (рас-
слоением).

7*4.1.3, Разрушение при повышенной температуре

На рис. 7.38 приведена температурная зависимость прочности при
сжатии углепластика. Углепластик при увеличении температуры [ 19] ведет себя
аналогично органопластику. При увеличении температуры от 20 до 90 С проч-
ность снижается постепенно, а в области температуры стеклования матрицы
происходит падение прочности. Как и в органопластике, в области температу-
ры стеклования матрицы Т происходит переход от разрушения вследствие ра-
стРескивания (с образованием кинка) к разрушению вследствие потери устой-
чивости волокон.
Рис. 7.38. Зависимость прочности углепластика УКН5000/ЭДТ-10 при сжатии от темпе-
ратуры испытания Т. Степень наполнения 46 об. %

Рис. 7.39. Зависимость угла О между полосой разрушения и осью углеродных волокон от
температуры испытания Т

При испытании образцов выше температуры стеклования матрицы полоса
разрушения перпендикулярна оси волокон, как в органопластике. В области
температуры стеклования матрицы Г изменяются механизм разрушения и,
соответственно, угол ориентации зоны разрушения. Выше Т, зона разрушения
становится перпендикулярной волокнам, как показано на рис. 7.39.

Список литературы

1 Ландау /.//., Лифшиц ЕМ. Теория упругости. — М.: Наука, Главная редакция
физико-математической литературы, 1965.

Список литературы

2. Dow N.F., Gruntfest T.S. General Electric Co. Space Science I ь .

389, I960. P science Laboratory,

TJS R60SD

3. Рабинович АЛ. Труды МФТИ. Вып. 7. - М.: Оборонно 1961

4. Рабинович А.Л. Введение в механику армиоованн>.у

1965 __ 482 с. Р аннь х полимеров. — М.: Наука,

5. Rosen B W Fiber composite materials. ASM. Metals Park. Ohio 1965 - P 37

6. ГузьА.Н. Прикладная механика. T. 5. № 2, 1969 С 236

7. Чамис К. Микромеханические теории прочности.’ В кн.’: Разрушение и усталость /
Подред. Л. Браутмана. — М.: Мир, 1978. — С. 106 РУ У С

8. Волынский А.Л Баженов С.Л., Лебедева О.В.,'Яминский И В Озеоин А Н Ба-
кеев Н.Ф. ВМС. Сер. А. Т. 39, 1997. - С. 1805. Р ’

9. Гузь А Н., Бабич И. Устойчивость волокнистых материалов. В кн.: Механика
материалов. — Киев: Наукова Думка, 1982. — С. 120.

10. Dale ИКС, Baer Е. J. Material Science. V. 9, 1974. — Р. 369.

11. Тарнопольский Ю.М., Скудра А.М. Конструкционная прочность и деформатив-
ность стеклопластиков. — Рига: Зинатне, 1966. — С. 260.

12. Brunsch К. Experiences in FRG in aerospace application. In- Carbon fibres and their
composites / Ed. E. Fitzer. Springer-Verlag, Berlin—Tokyo, 1985. — P. 207

13. Лебедева О.В. Деформирование и разрушение органо- и стеклопластиков с пе-
рекрестными схемами армирования. Дисс. на соиск. степени канд техн. наук.
—М.: ИХФАН СССР, 1988. - 158 с.

14. Портнов Г.Г. Механика полимеров. № 3, 1967. — С. 553.

15. Михайлов А.М. Журнал прикладной механики и техн, физики. № 5, 1967. —
С. 128.

16. Weaver С. ИК, Williams J.G. J. Material Science. V. 10, 1975. — Р. 1323.

17. Полилов А.Н., Работное Ю.Н. Механика композит, материалов. № 3, 1983. —
С. 548.

18. Пучков Л.В., Баженов С.Л., Асланян А.А., Куперман А.М., Горбаткина Ю.А., Бер-
лин А.А., Зеленский Э.С. ДАН СССР. Т. 284. № 2, 1985. - С. 349.

19. Bazhenov S.L., Kozey V.V. J. Material Science. V. 26, 1991. - P. 6764.

20. Перов Ю.Ю. Механика композитн. материалов. № 3, 1991. — С. 468.

21. Spearing S.M., Beaumont P.W.R., Kortchot M.T. Composites. V. 23, 1992. P. 305.

22. Davidson B.D. J. Composite Materials. V. 25, 1991. — P. 1351.

23. Choi H.Y., Downs R.J., Chang F.-K. J. Composite Materials. V. 25, 1991 - P. 992.

M. Асланян А.А., Баженов С.Л., Горенберг А.Я., Куперман A.M., Берлин A. A., Зелен-
ский Э.С. ДАН СССР. T. 291. № 5, 1986. - С. 1113.

25. Bazhenov S.L., Kozey V. V., Bertin A.A. J. Material Science. V. 24, 1989. P. 4509.

26. Bazhenov S. Composites. V. 26, 1995. — P. 757.

27. Greenwood J.H., Rose P.G. J. Material Science. V. 9, 1974. - P. 1*9 м1тпи11

28. Горенберг А.Я. Исследование деформации и разрушения писс н . сс/

волокон и композитов электронно-микроскопическими ме

иск. степени к. ф.-м. н. — М.: ИХФ РАН, 2008 — с- v _

29. DeTeresa J., Allen S.R., Farris R.J., Porter R.S. J. Matenal Soence. V. 19, 1984.

P. 57.

J Allen S.R. J. Material Science. V. 22, 1987. Харченк0 Еф„ Кульков A.A.

• Вловега В.М.У Баженов С.Л., Берлин А.А., Пру

ДАН СССР. Т. 284, 1985. — С. 613. _и|НИь1Х пластиков при сжатии и

2- Баженов С.Л. Механизмы разрушения армир < __ м.: ИХФ РАН, 1996 —

Растяжении. Дисс. на соискание степени д-р<1 Ф-

С. 379.
33. Ферри Дж. Вязкоупругие свойства полимеров. — М., 1963.

34. Bazhenov S.L., Kuperman А.М., Zelensky E.S., Berlin A .A. Composites Science and
Technology. V. 45, 1992. — P. 201.

35. Рогинский С.Л., Канович М.З., Колтунов М.А. Высокопрочные стеклопласти-
ки. — М.: Химия, 1979. — 143 с.

36. Зеленский Э.С. Высокопрочные и высокомодульные армированные пластики //
Успехи химии. Т. 53, вып. 2, 1984. — С. 290.

37. Hancox N.L. J. Material Science. V. 10, 1975. — Р. 234.

38. Curtis Р.Т., Gates J., Molyneux C.G. Composites. V. 22, 1991. — P. 363.
I

bin. И.

ГЛАВА

РАЗРУШЕНИЕ

8 ДИСПЕРСНО-НАПОЛНЕННЫХ
КОМПОЗИТОВ

Дисперсно наполненные композиты состоят из непрерывной фазы
называемой матрицей, и частиц наполнителя. В развитии дисперсно-напол-
ненных полимерных композитов можно выделить три этапа. Первый начался в
конце 1950-х гг. Он был связан с разработкой твердого ракетного топлива,
которое примерно на 80 % состояло из жестких частиц горючего, склеенных
эластичной каучуковой матрицей. Тогда же появились первые исследования
разрушения наполненных композитов. Второй этап начался в 1970-х гг., когда
начали разрабатывать композиты на основе термопластичных матриц и жест-
ких неорганических частиц. Отметим, что разрушение композитов второго типа
существенно отличается от разрушения композитов с каучукоподобнои матри-
цей. На третьем этапе развития, который начался в конце 1980-х гг., появились
нанокомпозиты. Нанокомпозиты в этой книге рассматриваться не будут, но
закономерности, типичные для наполненных композитов на основе микрочас-
тиц, в значительной степени применимы и к ним.

Главной целью введения жестких неорганических частиц в термоплас-
тичные полимеры обычно является увеличение модуля упругости материа-
ла. Однако это не единственная цель. Иногда это делают для утучшения
термостойкости, электропроводности, магнитных свойств, снижения износа
при трении, снижения горючести и т. д. Первоначально одной из целей

наполнения полимеров было затрат

удается нечасто 111.

V композитов является их хрупкость и.
Основным недостатком наполненных ко удлиНения по сравнению

как следствие, сильнейшее снижение р* oj) и t основных задач до сих i
с ненаполненным полимером |2|. сохраняюших пластичночь вг^'

является создание полимерных композ ’ казалось, что эту аадачУ
ДО значительных степеней наполнения Вна композитов^

СЯ решить путем совершенствования‘ альные причины, по котос

зднее выяснилось, что имеются приз шекце наполненных к“ чается<

сделать это невозможно. Поскольку амИ суШ(.Сгвенно

«нпчГТМЧНЫМИ
каучукоподобными и термопласта
они будут описаны раздельно.
В термопластичных полимерах при растяжении, как правило, образуется
шейка (см. рис. 5.5). Вызванное частицами хрупкое, а точнее, квазихрупкое
разрушение связано с локализацией пластического течения при образовании
шейки. Локальная деформация в области образующейся шеики до тигает со-
тен процентов (рис. 8.1), что может превысить деформацию при разрыве мате-
риала. Как следствие, композит разрушается. Легко показать, чтс макроскопи-
ческая (средняя) деформация образца равна:

(8.1)

где Lq и £j — начальная длина образца и шейки; и — деформация матери-
ала в пластически неформированной области и в шейке соответс' венно. Если
длина шейки намного меньше длины образца £0, f = г0. Большая часть об-
разца при этом остается пластически недеформированной, а композит на мак-
роуровне является хрупким. Причиной охрупчивания является достижение раз-
рывной деформации в области образующейся шейки. Переход к квазихрупко-
му разрушению сопровождается снижением деформации разрыва примерно в
100 раз по сравнению с ненаполненнои матрицей.

Рис. 8.1. Схематический рисунок, иллюстрирующий высокую
деформацию полимера в шейке:

Lo и L\ — длина образца и шейки; f, и f0 - деформация материала в
шейке и остальной части образца соответственно

На первый взгляд ситуация выглядит парадоксальной. А именно, в области
разрушения происходит интенсивное пластическое течение материала, но сам
материал при этом является хрупким, а точнее квазихрупким. Этот парадокс
разрешается, если обратиться к концепции масштабных уровней разрушения.
Композит является хрупким на макроуровне, но на мезоуровне (т. е. локально)
в области разрушения он ведет себя пластично.

Композиты на основе матриц с однородным течением и деформирующихся
с образованием шейки ведут себя различно. В полимерах, деформирующихся
без образования шейки, например каучуке, политетрафторэтилене (ПТФЭ) или
сверхвысокомолекулярном полизгилене (СВМПЭ) при увеличении содержа-
ния частиц деформация при разрыве снижается постепенно, но материал оста-
ется пластичным и о раняет способность к большим удлинениям. Совершен-
но иначе ведут себя наполненные композиты на основе полимеров, в которых
распространяется шейка, например ПЭВП, ПП, ПВХ, ПЭТФ |3], [4]. В таких
полимерах при небольшом содержании наполнителя происходит некоторое сни~
Продел прочности —j\

жение деформации при разрыве но п V

вании шейки. Образец вблизи плос^остХ^436 разруш^ся при фор”
тическои деформации, но остальная часть о5 ИЯ Сужен вследствие плас-
вана и на макроуровне материал являетсяк^Г ПЛасТиче«” недеформиро-
ние степени наполнения может инициированРУПКИМ- ^ьнеишее увезиче-
описания переходов в механизмах ДеформХ "Т""0 ХРУПКИИ разРыв.
определяющих их условия, рассмотрим влияние Д " °Пределения параметров,
прочности, предел текучести и нижний npeae?tCJeneHH напол”ения на предел
зита. Этот подход был предложен в работе |5J УЧеСТИ наполненного компо-

8.1. ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ

На рис. 8.2 показано влияние объемной доли частиц на проч-
ность различных полимеров, наполненных жесткими неорганическими час-
тицами [4]. Относительная прочность сравнительно нечувствительна к типу
полимера и силы адгезии с частицами и зависит только от объемной доли
частиц. Это обусловлено тем, что даже при хорошей адгезии прочность гра-
ницы раздела несколько ниже прочности матрицы. Поэтому в процессе рас-
тяжения частицы наполнителя отслаиваются от матрицы вне зависимости от
уровня адгезии.

гг !сг в зависимости от объем-
Рис. 8.2. Относительная прочность наполненного п

ной доли частиц Vf: ПТФЭ + - ПЭ ГФ ОСОР частицы

- прочность ^наполненного ''““^'’.истнпыдиаме.рт.м I мкм; X - П )ВП/АКОН)„
диаметром 8 мкм |5|; □ - ПЭВП/АИОН),,

частицы диаметром 25 мкм |2|
8.1.1. Модель регулярной упаковки частиц

Для описания прочности Смит предложил модель композита [6], в
которой частицы наполнителя сферической формы расположены в узлах регу-
лярной кубической решетки (рис. 8.3). Он предположил, что в процессе растя-
жения все частицы отслаиваются, образуются поры и трещина проходит через
плоскость, максимально ослабленную порами (плоскость АА на рис. 8.3). Пре-
небрегая концентрацией напряжения, растягивающая сила равна произведе-
нию напряжения в матрице ат на ее сечение Sm в этой плоскости:

(8.2)

Рис. 8.3. Регулярная решетка сферических частиц диаметром d

Площадь частиц в плоскости АА на единицу площади равна пла2, где а —
радиус и п — количество частиц. Площадь матрицы в плоскости АА равна:

5=1- пла2.
т

(8.3)

Выразим сечение матрицы Sm в плоскости разрушения через объемную долю
частиц. Для этого рассмотрим ячейку периодичности, представляющую собой
куб размером Ь. Количество частиц, приходящихся на 1 м2 плоскости разруше-
ния, равно п = \/Ь\ и уравнение (8.3) приобретает вид:

Sm = 1 -

(8.4)

Объем одной частицы равен 4ла3/3, и их суммарный объем в композите
объемом 1 м3 равен

г, =
где N— количество частиц в 1 м
частиц. Количество частиц /у в
откуда получаем

композита. Этот объем равен объемной доле
единице объема равно 1 /7>3 и V = 4тга3/ЗЬ\

а
b

(8.5)

Отсюда

Величина

и уравнение (8.2) приобретает вид:

ас=стт(\ - 1,21 И2/3),

(8 6)

где ат — прочность ненаполненной матрицы; У^ — объемная доля частиц.

Рис. 8.4. Регулярная решетка жестких
кубических частиц, разделенных про-
слойками матрицы толщиной /

Для частиц кубической формы
(рис. 8.4) Нильсен получил ана-
логичное выражение |7), |8|:

(8 7)

где/?= 1 Формулы (8.6) и (8.7) различаю!

ся лишь значением коэффициента Д

и ПОЭТОМУ его называют «фактором формы»,
что связано с формой частиц, и по у уменьшению прочности Напри-
Согласно (8.6), наполнитель приводит является приблизительно

мер, при Vf = 40 об. % уменьшение р

трехкратным.
8.1.2. Модель композита
со случайно распределенными частицами

В рамках модели случайно распределенных частиц (рис. 8.5) для
прочности композита была выведена следующая формула [9]:

= ^0

1-И1/3

л/1 + И1/3 + Г^

(8.8)

Рис. 8.5. Модель случайно расположенных отслоенных сферических частиц:
АА — плоскость разрушения

Раскладывая эту формулу в ряд по степеням И^!3, при малых степенях на-
полнения (И^3 <г 1), получаем

=^,(1-1,5И/2/3).

(8.9)

Эта формула соответствует (8.7) при /?= 1,5.

На рис. 8.6 приведены зависимости ст от соответствующие формулам (8.6),
( 8) и (8.9) [9]. Здесь же приведены экспериментальные данные для композита на
основе СВМПЭ. Выражение (8.8) хорошо описывает поведение прочности ком-
позита во всем интервале степеней наполнения. Кривая /, отвечающая формуле
(8.6), близка вплоть до степени наполнения 30 об. %. Заметное расхождение име-
ется только при повышенных степенях наполнения. В рамках данной модели ко-
эффициент р — 1,21 является не фактором формы, а всего лишь подгоночным
параметром, хорошо описывающим эксперимент при не очень высоких степенях
наполнения Й^(<30 об. %).
Рис. 8.6. Зависимость прочности компози
та СВМПЭ/Al при растяжении а от объем
ной доли наполнителя Vf. Точки - экспе-
риментальные данные; кривые I, 2 и 3
вычислены по формулам (8.7), (8.5) и (8 8)
соответственно '

8.1.3. Крупные частицы

На рис. 8.7 представлена зависимость деформации при разрыве
композита на основе ПЭВП от размера жестких неорганических частиц [10].
Зависимость имеет максимум при диаметре частиц около 10 мкм. Как умень-
шение, так и увеличение размера частиц по сравнению с оптимальным диамет-
ром приводит к снижению деформации при разрыве. Уменьшение деформации
при разрыве при увеличении размера частиц обусловлено тем, что крупные
частицы являются дефектами, инициирующими преждевременное разрушение
материала. Слишком мелкие частицы плохо отслаиваются от матрицы, что так-
же способствует хрупкому разрушению.

Рис. 8.7. Зависимость деформа-
ции при растяжении композита
на основе ПЭВП ог размера же-
стких неорганических частиц
Частины резины вследствие своей эластичности не отслаиваются от матри-
цы и способны нести нагрузку до очень высоких деформаций. Прочность ком-
нозита описывается формулой, обобщающей (8.7) и учитывающей нагрузку в
частицах [ 111:

= <^0 -^/3) + 6TA2/3-

(8.10)

Здесь гг — прочность частиц; гге|Т — «эффективная» прочность матрицы. В слу-
чае крупных частиц величина <7сП равна не прочности матрицы ггт, а ее ниж-
нему пределу текучести. Так, рис. 8.8 демонстрирует, что зависимость проч-
ности гг композита ПЭВП/резина от концентрации частиц описывается фор-
мулой (8.10).

Рис. 8.8. Зависимость прочности ст ПЭВП от объемной доли частиц резины Иу 2

Рис. 8.9. Поры в деформированном ПЭВП, содержащем частицы резины (изображение
получено с помощью pacipoaoio электронного микроскопа)'
а «ромбовидная» пора; б— овальная пора
ые поры пред-

На рис. 8.9 приведено и зоб раже ние обп пня п^оп /

d с: н АСНИС образца ПЭВП/резина после разру-

Шения В композите наблюдаются два типа пор: крупные «ромбовидные-
(рис. 8.9, а) и мелкие овальные (рис. 8.9, б) |12]. Ромбовидные поры пред-
ставляют собой растущие микротрещины. Прорастание ромбовидной трещи-
ны через материал «разрезает» его и приводит к разрушению. Поры обоих
видов появляются в результате отслоения частиц от матрицы. Ромбовидные

трещины появляются лишь вблизи крупных частиц, а овальные поры — око-
ло мелких.

Мелкие частицы

Крупные частицы

Рис. 8.10. Механизм образования пор вблизи частиц малого (а), среднего (п) и большого
(в) размеров

На рис. 8.10 схематически показано образование пор. Вблизи мелких час
тиц (а) появляются овальные поры, которые при растяжении удлиняются, но
остаются овальными до разрушения. Вблизи крупных частиц («) формируются
ромбовидные поры. В промежуточном случае (0 овальная пора перерождается
в ромбовидную в процессе растяжения. Использование с и пком кр х ic
тиц нежелательно, поскольку они инициируют появление ром овидных пор и

преждевременное разрушение композита.

Поведение поры напоминает поведению кончика трещины в материале с
надрезом. При небольших удлинениях образца трещина затупляется и ее кон
рис. 5.28). Растяжение приводит к постелен-

чик имеет закругленный вил (см. .

.lz> момент геометрия ее кончика пзме-

ному раскрытию трешины, и в некоторый м
„ясгся Кончик из закругленного превращается в клинообразный, и начинает-
"в рост трещины (см. рис. 5.28, б). При дальнейшем растяжении увеличивается

размер клина, а его угол остается неизменным. няинн ,ется когпа РР

При растяжении образна с надрезом рост трещи Аналогич-

раскрытие достигает критического значения (см. рис.

но, овальная пора трансформируется в ромбовидную когда ее раскрытие до-
стигает значения критического раскрытия трещины <У. Рассмотр м РУ- об-
разовавшуюся при удлинении сферической частицы диаметром D. Ее длина
равна L = AD (рис. 8.11), а удлинение - разнице между длиной и начальным

яании
образ<

Н
разме
ных I
критг

размером:

(Л - 1)0,

(8.11)

где Л — степень вытяжки полимерной матрицы.

Рис. 8.11. Модель поры:

L — длина поры; D — диаметр частицы

Преобразование овальной поры в ромбовидную происходит при выполне-
нии равенства и ромбовидные поры появляются вблизи частиц крити-
ческого размера О*:

Р
лент!

(8.12)

При увеличении степени вытяжки Л величина О* уменьшается. Из выраже-
ния (8 12) можно определить степень вытяжки, при которой образуются ром-
бовидные поры:

8.2.

(8.13)

Соотношение (8.13) определяет удлинение, при котором овальная пора пе-
рерождается в микротрещину и начинается разрушение. Это удлинение обрат-
но пропорционально размеру частиц. Если удлинение меньше естественной
степени удлинения матрицы в шейке Я,, разрушение происходит при формиро-

ФорР

вании шейки, и композит на макроуровне
образом, критический размер частиц равен:

оказывается квазихрупким. Таким

(8 14)

На рис. 8.12 показано, что формула (8.14) хорошо описывает критический
размер частиц, вблизи которых образуются ромбовидные поры. В наполнен-
них композитах желательно использовать ччгтипиг

пользовать частицы, размер которых меньше
критической величины D . к

Рис. 8.12. Корреляция между расчетными и экспериментальными значениями критичес-
кого диаметра частиц D*

Используя соотношение (5.24), формулу (8.14) можно записать в эквива-
лентном виде:

(8.15)

8.2. ДЕФОРМАЦИЯ ПРИ РАЗРЫВЕ

Как описано ранее, поведение композита зависит от того, появля-
ется ли при растяжении в матрице шейка или нет. Если в матрице шейка не
образуется, композиты на ее основе остаются пластичными вплоть до очень
Высоких степеней наполнения. Напротив, если шейка образуе ся, композиты
легко охрупчиваются. Поэтому поведение композитов на основе матриц, де-
формирующихся однородно и с распространением шейки, будет рассмотрено
отдельно.
8.2.1. Однородно деформирующиеся матрицы

Примером однородно деформирующейся матрицы является кау-
чук. В инженерных пластиках, как правило, распространяется шейка. Исклю-
чением являются политетрафторэтилен (ПТФЭ), полиимид и сверхвысокомо-
лекулярный полиэтилен (СВМПЭ) [4], |9|. Эти полимеры имеют очень высо-
кую молекулярную массу и значительное деформационное упрочнение, в
результате чего шейка в них при растяжении не образуется.

На рис 8.13 демонстрируется зависимость относительной деформации при
разрыве г /г0 композитов на основе матриц СВМПЭ (/) и ПТФЭ (2) от объем-
ной толи частиц Композиты остаются пластичными вплоть до очень высо-
ких степеней наполнения. Охрупчивание СВМПЭ происходит лишь при степе-
ни наполнения 62 об. %, когда материал является дефектным, с множеством
пор Снижение деформации при разрыве композита по сравнению с ненапол-
ненной матрицей является умеренным. Например, при 0,2 деформация ес
снижается на 20—30%. При этой степени наполнения деформация при разру-
шении композита на основе матрицы СВМПЭ составляет 220%.

Рис. 8.13. Зависимость относительной деформации при разрушении ес/е$ наполненных

) II1Ф ) бъемнои доли частиц И. Матрицы деформируются без
образования шеики

Д|я авали за влияния наполнителя на деформацию при разрыве композита
Нильсен упрошил модель Смита и рассмотрел частицы кубической формы, рас-
ж 1ы в iei ре регулярной кубической решетки (см. рис. 8.4). Он рассмот-
ри случаи слабой и хорошей адгезии между частицами и матрицей и предполо-
жил, что при слабой адгезии в процессе растяжения все частицы отслоились от
ма.рины, а «случае хорошей адгезии они не отслаиваются вплоть до разрушения.

1ШПШ№М0ВН1
В последнем случае материал в сечениях, содержащих частицы, пластически не
деформируется и текут только слои матрицы между рядами частиц. В случае пла-
стичнои матрицы концентрацией напряжения можно пренебречь и учитывать лишь
уменьшение сечения матрицы вследствие появления пор. Относительная длина
этих слоев описывается формулой, аналогичной (8.4), a/h = И/3, и разрушающее
удлинение при хорошей адгезии дается уравнением [7]:

(8.16)

где ет — деформация разрушения матрицы.

Для случая плохой адгезии частиц было получено следующее выражение,
описывающее разрушающее удлинение композита |3]:

(8.17)

8.2.2. Матрицы, деформирующиеся
путем распространения шейки

Если при растяжении в матрице образуется шейка, зависимость де-
формации при разрыве имеет вид ступеньки (рис. 8.14). Умеренное снижение
деформации при разрыве при низком содержании наполнителя сменяется рез-
ким падением при некоторой критической концентрации наполнителя. Величи-
на уменьшения деформации приблизительно стократная, что намного выше умень-
шения прочности. Снижение деформации при разрыве вызвано переходом от
пластичного к хрупкому, а точнее, квазихрупкому разрушению (см. рис. 5.18).

Рис 8 14 Зависимость относительной деформации при ра .рушении е/% наполненных
Рис. 8.14. ^виси^ п )ТФ (2) пэвп (J) и пп (4) от объемной доли частиц И,. Матрицы
деформируются с образованием шейки

>1'1 '

Критическая степень наполнения при этом переходе зависит от свойств
матрицы. Чтобы определить параметры матрицы и наполнителя, определяю-
щие критическую степень наполнения, рассмотрим влияние наполнителя на
нижний и верхний пределы текучести композита. В процессе растяжения при
образовании шейки пластическое течение матрицы становится неоднородным
и локализуется в узкой переходной зоне между шейкой и недеформированной
частью образца (см. рис. 8.1).

Локальная деформация в формирующейся шейке может достигать сотен
процентов. Если в ней деформация достигает деформации при разрыве, мате-
риал разрушается, хотя везде, за исключением зоны формирующейся шейки,
он остается пластически недсформированным. Макроскопическая (средняя)
деформация при разрыве оказывается небольшой, и композит является хруп-
ким, хотя на мезоуровне в области образования шейки он ведет себя пластич-
но. Для количественного анализа условий перехода к хрупкому разрушению
рассмотрим влияние наполнителя на верхний и нижний пределы текучести.

8.3.

ВЕРХНИЙ ПРЕДЕЛ ТЕКУЧЕСТИ

циан**
ней ГР

где &'

Эт
не пр<

На рис. 8.15 показано влияние содержания частиц на верхний пре-
дел текучести композита [4]. В зависимости от адгезии между полимером и
частицами предел текучести лежит в пределах заштрихованной области («вил-
ки»). Верхняя граница области — константа, равная пределу текучести нена-
полненной матрицы. Предел текучести композита равен пределу текучести
матричного полимера, если при инициации течения частицы адгезионно свя-
заны с матрицей.

нижн
Как i
межд:

со

0,0
о

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

с;
Ф

Э|

Ь
X

и
ф

Объемная доля частиц Vf, об. %

Рис. 8.15. Влияние концентрации частиц Р^-на относительную величину верхнего предела
текучести наполненных полимеров о /о

Снижение адгезии приводит к отслаиванию частиц и уменьшению предела
текучести. Если адгезия настолько слабая, что все частицы отслоились до ини*

и ча
Ненг
пРи

li. •' ' I' ' • . 7 >
циации пластического течения пприап

ней границей вилки Fr™ г, ’ РД текУчес™ композита описывается ниж-
неи границей вилки. Если отслаиваются не все частицы предел текучести ле-
жит внутри этой области [141: ’ р дел текучести ле

~= 1-1,21аГ75

(8.18)

где а — доля отслоившихся частиц. Если все
ла (8.18) приобретает вид [15]:

частицы отслоены и а— 1, форму-

(8.19)

и ут

Эта формула аналогична (8.6), но описывает предел текучести композита, а
не прочность.

8.4. НИЖНИЙ ПРЕДЕЛ ТЕКУЧЕСТИ

На рис. 8.16 показано влияние объемной доли наполнителя Vf на
нижний предел текучести (напряжение вытяжки) сг наполненных полимеров.
Как и верхний предел текучести, нижний предел также зависит от адгезии
между полимером и частицами.

Рис 8 16 Влияние объемной доли наполнителя И, на относительную величину нижнего
’ ’ ‘ предела текучести (напряжение вытяжки) наполненных полимеров

Вепхняя граница области соответствует хорошей адгезии между матрицей
и частицами наполнителя. Она равна нижнему пределу текучести ненапол-
ненной матрицы. Нижняя граница вилки соответствует плохой адгезии, когда
при инициации пластического течения все частицы отслоены от матрицы.
Эта граница описывается прямой линией, наклон которой равен -1,25 Если
частицы отслоены не полностью, нижнии предел текучести описывается урав-
нением

^- = 1 -1,25arz,
& dm

(8.20)

где adm — нижнии предел текучести ненаполненной матрицы; а доля отсло-
енных частиц. Если адгезия хорошая и частицы не отслоены, а — 0 и формула
(8 20) приобретает вид:

<7,= ^. (8-2|>

Если все частицы отслоены, а— 1 и (8.20) приобретает вид [3, 16]:

°d

&dm

= 1-1,2517,

(8 22)

В отличие от прочности и предела текучести, нижний предел текучести
(8.20) при увеличении степени наполнения снижается линейно. Влияние
наполнителя на верхний и нижний пределы текучести функционально различ-
но. Это объясняется тем, что разрушение и пластическое течение инициируют-
ся в слабейшем сечении, а при распространении шейки напряжение усредня-
ется и нижний предел текучести описывается линейной функцией. Различное
влияние наполнителя на прочность и нижний предел текучести композита при-
водит к изменению механизма его деформационного поведения.

8.4.1. Переходы механизмов разрушения

Механизм разрушения зависит от свойств матрицы, содержания
частиц и адгезии между полимером и частицами. Малое содержание наполни-
теля, как правило, не изменяет механизм разрушения полимерной матрицы.
Увеличение содержания наполнителя может инициировать изменение меха-
низма разрушения от распространения шейки к хрупкому разрушению.

8.4.2. Переход к хрупкому разрушению

Метод анализа перехода к хрупкому разрушению разработан в ра-
боте [5] и развит в [3], |4]. По сути этот подход является развитием схемы
Иоффе—Давиденкова (критерия максимального напряжения). Рассматриваются
три конкурирующих процесса: разрушение, распространение шейки и однород-
ное пластическое течение. Каждый из этих процессов описывается формальным
параметром, зависящим от содержания частиц. Разрушение характеризуется проч-
ностью композита, распространение шейки — нижним пределом текучести, а
однородное течение — верхним пределом текучести. Механизм деформирова-
ния наполненного композита определяется минимальным из трех перечислен-
S.4. Нижний предел текучести
ных параметров. Если прочность ниже остальн

текучести, разрушение хрупкое. Если верхи “ Х ВерХНего и нижнего пределов
сти и нижнего предела текучести, пластш е ’еДеЛ текУчес™ ниже прочно-
родным. Если нижний предел текучести ни»Г ТСЧение является макроодно-
текучести, распространяется шейка. прочности и верхнего предела

Если матрица деформируется путем пяти™

У распространения шеики пои низких
степенях наполнения последний не измени шеики, при низких

„ пяспоостоаняется шей™ п Изменяет механизм деформации полимера
и распространяется шейка. При увеличении степени наполнения прочность
снижается быстрее п„ж„еГО „редела текучее™. Котла прочное™
cpa.HHB.eic. е нижним пределом текучести, происходит переход к хрупком,
разрушению. Критерием перехода является равенство прочности и нижнего
предела текучести композита [3J:

8.4.2.1. Хорошая адгезия

Важным параметром, определяющим механическое поведение ком-
позита, является качество адгезии между частицами и полимером. В частности,
она влияет на условия перехода композита к хрупкому разрушению. При хоро-
шей адгезии между матрицей и частицами до начала пластического течения
композита частицы не отслаиваются и нижний предел текучести композита
равен нижнему пределу текучести матрицы (8.21). Это соответствует верхней
границе вилки на рис. 8.15. Критерий перехода к хрупкому разрушению (8.23)
имеет вид <7с = c?dm. Описывая прочность и нижний предел текучести композита
соотношениями (8.6) и (8.23), критическая степень наполнения V* определит-
ся формулой [3]:

(8-24)

где сут и о, — прочность и нижний предел текучести матрицы.

Критическая степень наполнения Vf (8.24) определяется отношением проч
ности матрицы к ее нижнему пределу текучести R <гт (rdm, характеризующим
степень деформационного упрочнения. Если матрица не упрочняется,
Увеличение степени упрочнения соответствует возрастанию

Так, на рис. 8.17 демонстрируется зависимость критического содержания
наполнителя И, при которой происходит переход к хрупкому
отношения сг /ст. [3]. Результаты расчета по формуле .

vhhm м i J ^„^пимритальным данным для различных

ной линией. Точки соответствуют экспериментальн VWPnMuPHMV1 д r

И возрастает при увеличении к в
матриц. Критическая степень наполнения vf в р

/пп¥\ V меньше 3 оо. /о и при этом се не

случае матрицы поливинилхлорида (11 о ) / Т1Л1..,Ми ^v4vw Fenn по

„,.,,14 мчтпипы частицами каучука, гели по-
удается повысить путем пластификации Р
лимер не имеет деформационного упрочнения, даже малое количество напол-
нителя приводит к потере пластичности. Критическая объемная доля для ПП и
ПЭТФ лежит в интервале 10—20 об. %. Типичное критическое содержание на-
полнителя для ПЭВП лежит в интервале 20—25 об. %.

Рис. 8.17. Зависимость критического содержания наполнителя V} при переходе к хрупко-
му разрушению от степени упрочнения матрицы R = <Ут/о1т

Значение Vf пропорционально (/? — 1)3/2. Как следствие, при невысоком
деформационном упрочнении, когда R близко к 1, охрупчивание происходит
при очень малых содержаниях наполнителя V*f. Например, для R = 1,2 крити-
ческая степень наполнения V*f равна всего лишь 7 об. %. Поскольку степень
деформационного упрочнения полимера возрастает при увеличении молеку-
лярного веса полимера, в качестве матрицы желательно использовать полиме-
ры с высоким молекулярным весом. К сожалению, такие полимеры имеют
высокую вязкость течения и их трудно или даже невозможно перемешать с
жесткими частицами. Требование высоких механических характеристик ком-
позита вступает в противоречие с технологическими требованиями, наклады-
ваемыми на вязкость полимера.

Концентрационная зависимость деформации при разрыве композита имеет
вид ступеньки (см. рис. 8.14). При небольших степенях наполнения композиты
ведут себя аналогично композитам на основе однородно деформирующихся
матриц и материал ведет себя пластично. Деформация при разрыве композита
определяется деформацией матрицы при разрыве. При более высоких степенях
наполнения ситуация изменяется. Деформация композита при разрыве опре-
деляется уже не столько деформацией разрыва матрицы, сколько степенью ее
деформационного упрочнения. Если степень упрочнения высока, то высока и
разрушающая деформация композита. Если степень упрочнения мала, то ком-
позит ведет себя хрупко и разрушающая деформация композита мала, несмот-
ря на высокое удлинение матрицы при разрыве.
S.4.2.2. Слабая адгезия

. m ™ УХУДШ'Н"' “»» —м» « м„-

р„"«« "Р"™"т""""««« Х.Р.КТСРИСТИК »л»к,жегы> ком-
позитов. Поэтому распространено мнение что m гтпш.

г- ’ 4,0 Для получения высоких хапак-

теристик композита необходимо добиваться максимально возможной адгезии
Такое понимание совершенно справедливо для волокнистых композитов, и оно
переносится на наполненные композиты. Однако наполненные композиты ве-
дут себя принципиально иначе, и улучшение адгезии может инициировать хруп-
кое разрушение.

Если адгезия между полимером и наполнителем слабая, частицы позно-
стью отслаиваются до начала пластического течения, и зависимость верхне-
го и нижнего пределов текучести описывается нижними границами вилок
на рис. 8.15 и 8.16. В зависимости от степени деформационного упрочнения
полимерной матрицы может наблюдаться переход как к хрупкому разруше-
нию, так и к однородному пластическому течению [17]. Переход к однородно-
му деформированию желателен, поскольку при этом удается избежать хрупко-
го поведения композита.

При плохой адгезии поведение композита зависит от того, ниже или выше
прочность полимера по сравнению с его верхним пределом текучести. В пер-
вом случае увеличение содержания наполнителя инициирует хрупкое разруше-
ние композита. Ситуация изменяется, если прочность матрицы выше ее верх-
него предела текучести. В этом случае увеличение содержания наполнителя
инициирует переход от распространения шейки к однородному пластическому
деформированию.

8.4.2.2.1. ат < сгу. ПЕРЕХОД К ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЮ

При «плохой» адгезии перед разрушением все частицы отслоены и
коэффициент а в уравнениях (8.18) и (8.20) равен единице [18]. Как следствие,
зависимости предела прочности и верхнего предела текуч
полнения описываются одинаковой функцией. Если прочность матрицы ниже
предела текучести (слабое деформационное упрочнение), прочность остает
ся ниже предела текучести при всех степенях наполнения, как
рис. 8.18. Поэтому для определения механизма деформирования
сравнивать прочность (кривая 2) и нижнии предел 1еку ксти шм

предел текучести ниже прочности, распространяется шейка. пр н

ио г-i I ...hy степенях наполнения прочность на

чае разрушение хрупкое. При небольших слеп

.... . л л спгтгнетствхет рас проел ранению

Рис. 8.18 выше нижнего предела текучести, кПмиопгп спаи-

шейки. При критической концентрации частиц f про н с pacnpocTpa-
нивается с нижним пределом текучести и происходит с

нения шейки к квазихрупкому разрушению. переходе. Гели

Оценим критическую концентрацию нап , ес1И композита описывает-
все частицы отслоены (4|, [81, нижнии пр д
ся формуле)! (8.22). Критическую степень наполнения при переходе к хрупко-
му разрушению определяем из критерия (8.23) совместным решением уравне-
нии (8.6) и (8.22) [18]:

- 2 cos

(8.25)

где/? = 1,21;

= arccos 1 -

27(Я- 1)
2^3Я3

R = а/а ' о" — прочность
т' ат т *

и а/т — нижний предел текучести матрицы

Рис. 8.18. Концентрационные зависимости относительной прочности (кривая 2), верхне-
го (7) и нижнего (3) пределов текучести композита. Нижний предел текучести
матрицы равен единице Прочность ниже верхнего предела текучести

На рис. 8.19 показано влияние степени деформационного упрочнения R на
критическую степень наполнения при переходе к хрупкому разрушению. Как и
в случае хорошей адгезии, критическое содержание наполнителя определяется
способностью матричного полимера к ориентационному упрочнению. При от-
сутствии адгезии (кривая /) критическая степень наполнения выше, чем при
хорошей адгезии (2). Тем не менее полимеры с низким деформационным уп-
рочнением (сус < (гv) охрупчиваются независимо ог качества адгезии. Примера-
ми являются ПВХ и ПЭТФ
8.4. Нижний предел текучести

Рис. 8.19. Зависимость критического содержания наполнителя V} при переходе к хрупко-
му разрушению от степени упрочнения матрицы R = <3mladm

8.4.2.2.2. сгт > <гу. ПЕРЕХОД К ОДНОРОДНОМУ ПЛАСТИЧЕСКОМУ ТЕЧЕНИЮ

На рис. 8.20 приведены концентрационные зависимости прочнос-
ти, верхнего и нижнего пределов текучести композита. Если прочность матри-
цы выше ее предела текучести (ат > а), прочность композита при всех степе-
нях наполнения выше предела текучести. Поэтому для определения механизма
деформирования нужно сравнить нижний и верхний пределы текучести. Если
нижний предел текучести меньше верхнего предела текучести, распространя-
ется шейка. В противном случае развивается однородное течение композита.
Отметим, что рассматриваются формальные параметры, и реально нижний
предел текучести, конечно, не может быть выше верхнего предела текучести.
При небольших степенях наполнения нижний предел текучести на рис. 8.20
ниже верхнего предела текучести и распространяется шейка, как в ненапол-
ненной матрице. При достижении критической концентрации частиц нижний
и верхний пределы текучести сравниваются. Как следствие, инициируется час-
тично-пластичный переход от распространения шейки к однородному пласти-
ческому течению. В этом случае удается избежать охрупчивания композита.
Отметим, что течение однородно лишь на макроуровне, а на микроуровне оно
может быть неоднородным.

Оценим критическую концентрацию наполнителя при переходе к макроод-
нородному деформированию. Критерием перехода является равенство верхне-
го и нижнего пределов текучести композита:

(8.26)
Рис. 8.20. Концентрационные зависимости относительной прочности (кривая 2), верхне-
го (/) и нижнего (5) пределов текучести композита от объемной доли частиц
напознитетя. Нижний предел текучести матрицы равен единице. Прочность
матрицы выше ее верхнего предела текучести

В случае отслоенных частиц нижний и верхний пределы текучести описы-
ваются уравнениями (8.19) и (8.21), откуда имеем

^(1-^И/3) = С7Л(1-И/).

(8.27)

Решение этого уравнения [18] имеет вид:

где

1 - 2 cos

(8.28)

а = arccos I -

/?, = —
& dm

0 = 1,21 cr)m — верхний и adm — нижний пределы текучести матрицы.

Критическая концентрация наполнителя при пластично-пластичном пере-
\о ie определяется ветичиной отношения верхнего и нижнего пределов текуче-
сти матрицы Rv На рис. 8.21 приведены экспериментальная и теоретическая
завис имо и V от отношения /?(. Увеличение Rx приводит к возрастанию кри-
тической концентрации наполнителя при пластично-пластичном переходе
При этом расширяется концентрационная область наполнения, в которой в
композите развивается ц йка. На >людается качественное согласие расчетных
и жспериментальных значений
^вем
‘'•'’^ДЧИЧаС...
npGWA-t

Рис. 8.21. Влияние отношения R{ = avmladni на критическую степень наполнения У” при
пластично-пластичном переходе от распространения шейки к однородному пла-
стическому течению

Л. tfiiWir

Отношение R{ характеризует высоту зуба текучести. Если высота зуба теку-
чести невелика, R{ незначительно превышает единицу. Этому соответствуют
матрицы, деформирующиеся с диффузной невыраженной шейкой. Увеличение
высоты зуба текучести приводит к увеличению Rv Следовательно, если шейка
выражена слабо, переход происходит при сравнительно невысокой концентра-
ции частиц. Иными словами, чем ниже высота зуба текучести, тем раньше
происходит переход к однородному пластическому течению. Таким образом,
для избежания охрупчивания и сохранения пластичных свойств наполненных
композитов в качестве матриц желательно использовать полимеры, удовлетво-
ряющие двум условиям: прочность матрицы должна превышать верхний пре-
дел текучести (сгт > а ), а зуб текучести должен быть невысоким. Описанное
поведение наблюдается в ПП, наполненном частицами А1(ОН)3 и стеклосфера-
ми [17], где повышение концентрации наполнителя приводило к размыванию
и последующему вырождению пика текучести.

Следует отметить, что в наполненных композитах важное значение приоб-
ретают параметры, которым в ненаполненных полимерах большого внимания
не уделяют: например, нижний предел текучести, отношение прочности к ниж-
нему пределу текучести и даже высота зуба текучести.

Список литературы

1 Mathews F.L., Rawlings R D. Composite materials: Engineering and science. Woodhead
Publishing Limited, Cambridge, England, 1999.

2. Точен B.A., Щупак E.H., Туманов В. В. Механика композит, материалов. № 4,
1984. — С. 635.
3 Bazhenov S.L., Li J.X., Hiltner A., Baer Е. J. AppL Polym. Sci. V. 52. № 2, 1994. —

4. ^Bazhenov S.L. Fillers: their effect on the failure modes of plastics. // Plastics Additives.
London, Chapmen and Hall, 1998. — P. 252.

5. Берлин А.А., Тополкараев B.A., Баженов С.Л. Сб. науч^р Физические аспекты
прогнозирования разрушения и деформирования. Л.. Ф1И, Уб

6. Smith T.L. Trans. Soc. Reology. V. 3, 1959. — P- ИЗ.

7. Nielsen L.E. J. Appl. Polym. Sci. V. 10, 1966. — P. 97.

8. Нильсен Л.Е. Механические свойства полимеров и полимерных композиции. —
М.: Химия, 1978.

9. Баженов С.Л.. Гринев В. Г. Кудинова О. И.. Новокшонова Л.А. Высокомолекуляр-
ные соединения. п ..

10 Топочкараев В.А., Товмасян Ю.М., Дубникова И.Л., Петросян А.И., Мешкова И.Н.,
Бераин Ал.Ач., Гомза Ю.П.. Шиме В.В. Механика композит, материалов. № 4,
1987. - С. 616. „

11. Баженов С. Л.. Гончарук Г.П., Кнунянц М.И., Авинкин В.С., Серенко О.А. Высоко-
молек. соед. А. Т. 44, № 4, 2002. — С. 637.

12. Баженов С.Л.. Серенко О.А.. Дубникова И.Л., Берлин А.А. Докл. РАН. Т. 393, № 3,

13. Леонов М.Я. Элементы теории хрупкого разрушения. ПМТФ. № 3, 1961. — С. 85.

14. Тополкараев В.А., Горбунова Н.В., Дубникова И.Л.. Парамзина Т.В., Дьячков-
ский Ф.С. Высокомолек. соед. А. Т. 32, № 10, 1990. — С. 2210.

15. Nicolais L.. Narkis М. Polym. Eng. Sci. V. 11, № 3, 1971. — P. 194.

16. Баженов С.Л.. Гончарук ГП.. Ошмян В.Г. Серенко О.А. Высокомолек. соед. Б.
Т. 48, № 3, 2006. — С. 545.

17. Дубникова И.Л., Тополкараев В.А.. Парамзина Т.В.. Горохова Е.В.. Дьячков-
ский Ф.С. Высокомолек. соед. А. Т. 32, № 4, 1990. — С. 841.

18. Bazhenov S. Polymer Engineering and Science. V. 35, 1995. — P. 813.