Справочник по композиционным материалам

Свойства волокон

Арамидные волокна обладают уникальными свойствами. Среди всех органических волокон они имеют самые высокие значения прочности и модуля упругости. Арамидные волокна устойчивы к пламени и высокотемпературным воздействиям, а также к ор­ганическим растворителям, нефтепродуктам и различным мине­ральным маслам. Они не. столь хрупки как стеклянные и углерод­ные волокна. Наконец, арамидные волокна могут быть перерабо­таны на обычном текстильно-технологическом оборудовании.

Промышленные волокна кевлар-29 и кевлар-49 непрозрачны. Нить линейной плотностью 13,5 текс имеет диаметр одиночного (моно) волокна 11,9 мкм [8]. У волокна кевлар-49 коэффициент преломления варьирует от 2,0 до 1,6 в зависимости от того, изме­рялся ли он вдоль или поперек волокон. Воздействие на волокно кевлар-49 электронами сравнительно высокой энергии не изменяет его свойств. Тепловые, механические и химические свойства во­локон кевлар изучены достаточно хорошо (табл. 12.6) [6, 8, 9]. Для волокон кевлар-49 наблюдается сильная зависимость механи­ческих характеристик волокон при растяжении от базы измерений. В табл. 12.7 [8] сведены данные по влиянию масштабного эффекта.

12.2.5.1. Тепловые свойства

Тепловые свойства волокон кевлар представлены в табл. 12.8. На рис. 12.10 приведен график зависимости механических свойств кевлара-49 от температуры [8]. Рис. 12.11 [8] иллюстрирует за­висимость теплопроводности волокон как функцию температуры. Следовательно, при увеличении температуры предел прочности на растяжение волокна падает, а теплопроводность его возра­стает.

'12.2.5.2. Химические свойства

Кевлар-49 — это очень стабильное в химическом отношении волокно. Оно весьма устойчиво к действию различных химика­лий, в том числе и сильных кислот. В табл. 12.9 [8, 10] приведены

Прн 21 °С и влажности 65 %.

При 22 °С н влажности 55 %.

Изгиб по шпильке диаметром 76,2 мкм при 368 МПа.

Первичная и вторичная ползучесть. Б Нить по нити (нить по металлу).

3420 (13,9) 2740 (19,0) 3500 (12,1) 2940 (10,8) 4,3 (15,5)

(19,3) 4,00 (12,5)

Примечание. Св — коэффициент вариации.

12.8. Теплофизические свойства пряжи и ровницы кевлар-49

Зиачеиие

Температура длительного пребывания на воздухе без изменении 160 свойств, С

Температура разложения, °С 500 Предел прочности при растяжении, МПа:

TOC o "1-3" h z прн комнатной температуре через 16 мес НС 2

При 50 °С на воздухе через 2 мес НС

При 100 °С на воздухе 3170

При 200 °С на воздухе 2720 Модуль упругости, ГПа:

При комнатной температуре через 16 мес НС

При 50 °С на воздухе через 2 мес НС

При 100 °С на воздухе 113,8

При 200 °С на воздухе 110,3

Усадка, %/К 4-Ю"4 Коэффициент линейного расширения в диапазоне 0—100 °С, 10"в К"1:

Продольный —2

Радиальный +59

Теплоемкость при комнатной температуре, Дж/(г• °С) 1,42 Теплопроводность при комнатной температуре1, Дж/(см-К)-.

Поперек волокна 411,0

Вдоль волокна 481,6

Теплота разложения, кДж/г 34,8

1 Здесь р = 190 кг/м3.

I НС — не снижается первоначальное значение.

12.9. Устойчивость волокон кевлар-29 и кевлар-49 к действию различных химикалий

Характеристики химической стабильности волокон кевлар. Дан­ные по воздействию на волокно кевлар ультрафиолетового из­лучения приведены в табл. 12.10 [8, 101.

12.2.5.3. Механические свойства

Механические свойства волокна кевлар существенно отли­чаются от аналогичных свойств обычных органических волокон. Волокна кевлар имеют очень большой модуль упругости и высо­кую прочность при малой деформации при разрыве. Кривые за­висимости напряжение — деформация при испытании по стан-

12 П/р Дж. Любииа 353 12.10. Устойчивость волокон и пряжи кевлар-29 и кевлар-49 к ультрафиолетовому излучению

Дарту ASTM D-2343-67 оказыва­ются практически линейными вплоть до разрушения. Продольные меха­нические свойства кевлара-49 уни­кальны даже по сравнению с нео­рганическими армирующими волок­нами (рис. 12.12) [8]. В работе [61 проанализированы результаты ис­следований механических свойств волокна кевлар. Сведения из этой работы изложены ниже.

Свойства при растяжении. Диа­граммы зависимости напряжение — деформация сухих волокон кевлар-29 и кевлар-49 при различных темпера­турах и соответствующие значения разрывных напряжений приведены на рис. 12.13 [6]. При увеличении скорости нагружения с 0,167 до 8000 %/с прочность сухого во­локна снижается в среднем на 14 %, однако характер разрушения остается неизменным. Как следует из приведенных графиков, влияние температуры на продольные прочностные характеристики

Невелико.

Механические свойства мокрой пряжи кевлар-29 и кевлар-49 (после выдерживания в воде в те­чение 5 мин с последующим ис­пытанием в воде) при температуре 21 °С практически стабильны. Однако если для волокна кев­лар-29 при температуре 21 °С та­кие изменения просто отсутст­вуют, то для волокон кевлар-49 эти изменения весьма малы, но все же конечны. Потеря механиче­ских свойств пряжи кевлар-49 в воде при 88 °С почти вдвое пре­восходит аналогичные потери при 93 °С на воздухе (табл. 12.11). На рис. 12.14 представлены диа­граммы зависимости нагрузка — деформация для пряжи кевлар-49 в зависимости от крутки. Влия­ние крутки на прочностные свой­ства арамидных волокон оказы­вается существенно большим, не­жели для любых традиционных текстильных волокон. В работе 12* 355
а-. 1 54; 2 — 21; 3 — 93; 4 — 204; 5 — 316 "С; б: 1 — 77; 2 54; 3 — 21; 4 —

188; 5 — 299; S — 399 °С; в; 1------------------ 54; 2 — 21; 3 — 93; 4 — 204; 5 — 316; 6 — 427 °С;

Г; / — 77; г — 21; 3----------------- 54; 4 — 188; б — 299; 6 — 399 °С

A) S)

Рис. 12.14. Типичные диаграммы зависимости напряжение а—удлинение е крученой пряжи с различными числами круток:

А — кевлар-29; 1 — 0; 2 — 1,4; 3 — 3,2; 4 ~ 5,5; см"1; б — кевлар-49; / — 0; 2 — 2,6; 3 — 5,4; 4 — 8,8 см""1

[6] показано, что большое падение прочности в зависимости от крутки для пряжи кевлар не может быть объяснено только влия­нием геометрических факторов. По всей видимости, это явление обусловлено суммарным эффектом геометрии текстильной струк­туры и повреждений волокна, возникающих при крутке.

На малых скоростях нагружения (~10 %/мин) волокно кев­лар-29 может хорошо выдерживать многоцикловые нагрузки при достаточно больших деформациях, если его поверхность не испы­тывает трения 16].

На рис. 12.15 приведено «время жизни» (долговечность) во­локна кевлар-29 толщиной 44,4 текс при многоцикловых испыта­ниях при 21 и 204 °С. Испытуемые волокна выдерживали весьма ограниченное число циклов до разрушения N в результате исти­рания о стальную поверхность.

Устойчивость к изгибу. После приложения изгибающей на­грузки в течение короткого времени при 21 °С волокно возвра­щается в исходное состояние сразу же после снятия нагрузки. При увеличении времени приложения нагрузки, а также при по­вышении температуры испытания восстановление замедляется (рис. 12.16, 12.17). Волокна кевлар могут быть подвергнуты термо­фиксации. Результаты изучения влияния термофиксационных