Справочник по композиционным материалам

Гибридные материалы на основе У В

Гибридными называют материалы, в которых используются слои из двух и более типов волокон, повышающие те или иные свойства материала. Так, включение в углепластик стекловолокон повышает жесткость материала. Делается это и с целью пони­жения цены (включение стекловолокон удешевляет углепластик), и для увеличения жесткости формируемой структуры. Обычно стараются использовать чисто углеволокнистые материалы. Од­нако для расширения областей применения вводят другие волокна и тем самым снижают цену КВМ.

Число всевозможных сочетаний материалов и свойств получен­ных гибридов, конечно, больше, чем изложено здесь. В связи с этим будут описаны основные типы и основные свойства гибрид­ных материалов, а также наиболее рациональные пути их исполь­зования. Для более детального ознакомления с этим аспектом проблемы отошлем читателя к обзорам по гибридным компози­там [372—376].

Существуют пять основных типов гибридных композитов.

1. Усредненный — волокна в таком КВМ смешиваются по всей массе композита. Отсутствуют участки макроконцентраций какого-либо волокна.

2. Внутрислоевой — волокна в каждом слое КВМ регулярно чередуются. К этому типу могут быть отнесены и армирующие гибридные ткани. Слои могут «размываться» между собой.

3. Межслоевой — каждый слой композита состоит из одного вида волокна (например, углепластиковая труба с наружными слоями стекловолокна).

4. Отдельные усилительные элементы (связки, ребра жест­кости).

5. Так называемые супергибриды, т. е. слои композитов с ор­ганической матрицей и с металлической матрицей и листы метал­лической фольги, уложенные в определенной последовательности [372].

Наиболее часто встречаются внутри - и межслоевые типы гиб­ридных материалов. УВ-гибридные КВМ производят по обычной технологии, комбинируя углеволокнистые структуры с борными, стекловолоконными, арамидными или металлическими сложными структурами. При получении внутри - и межслоевого гибридного материала используются те же виды связующего, что и в обычных процессах получения углепластиков. Чемис и Ларк [372] в об­зоре технологии получения гибридных КВМ осветили вопросы анализа, проектирования, применения и производства таких ком­позитов. Они рассмотрели влияние гибридизации не только на продольные механические свойства и ударную вязкость, но и на эффекты, связанные с термическим расширением, влагопоглоще - нием и с остаточными деформациями. Чтобы избежать коробления материала, рекомендуется симметричное относительно нейтраль­ной оси расположение слоев с разными термодеформационными свойствами [373]. В обзоре [372] была показана применимость обычных методов определения напряжений и расчетов структур, а также технологических приемов при производстве, как и для обычных КВМ.

Существуют три основные причины, приводящие к необходи­мости гибридизировать углепластики:

1) включение других волокон, превосходящих УВ по каким-то ■ параметрам, помогает ликвидировать недостатки, свойственные углепластикам;

2) включение углеродных волокон в композиты из других материалов для использования преимуществ УВ;

3) снижение цены полученного материала.

Первая категория материалов включает КВМ, к которым предъ­являются большие требования к ударопрочности. Повышение ударной вязкости достигается обычно методом включения других высокопрочных волокон, обладающих большей работой разруше­ния, нежели УВ. Альтернативой является гибридизация с высоко­прочными волокнами с высокими адгезионными свойствами [373]. Типичные значения ударной вязкости гибридных композитов при­ведены в табл. 11.15 [377]. Гельфинштейн [378] в своем обзоре дал описание свойств и поведения большого числа гибридных композитов.

Низкая прочность при сжатии — основной недостаток КВМ из кевлара — может быть ликвидирован при гибридизации этого
материала с УВ [376, 379]. По­следнее является примером созда­ния второй категории материа­лов. По данным фирмы «Файбе - райт» (табл. 11.16) [379], опти­мальным оказывается соотношение Кевлар и УВ 50 : 50. Еще большее влияние гибридизация оказывает на модуль упругости при сжатии - этот параметр почти удваивается при введении всего 5 % УВ в КВМ с массовой долей стекловолокна 50 %. Гибридизация углепласти­ков борными волокнами исполь­зуется при создании ответственных конструкций, подвергаю­щихся сжатию (горизонтальные стабилизаторы в самоле­тах, переборки крыльев, обтекатели и т. п.). Как показано в табл. 11.17, при создании гибридного КВМ с соотношением УВ и борного волокна 50 : 50, сохраняется около 90 % модуля уп­ругости и прочности при сжатии относительно чистого боро - пластика.

Физико-механические свойства гибридных материалов хорошо освещены в современной литературе [372—376, 379—383]. За­висимость модуля упругости и прочности гибридных композитов от содержания УВ приведена на рис. 11.62 [375], 11.63 [383] и в табл. 11.16.

На рис. 11.62 показана зависимость модуля упругости «вну­трисловного» гибридного материала на основе угле-стекловолок-

Рис. 11.63. Влияние содержания УВ VyB на предел прочности ов и модуль упругости Е при растяжении КВМ вдоль волокон

Рис. 11.64. Зависимость модуля Ея (1) и предела прочности аа (2) при изгибе гибридного СВ—УВ КВМ от содержания УВ

11.15. Ударная вязкость гибридных композиционных материалов с эпоксидной матрицей

TOC o "1-3" h z 100 (УВ) 1495

75 (УВ), 25 (кевлар) 1815

50 (УВ), 50 (кевлар) 2349

100 (кевлар) 2562 100 (УВ) 75 (УВ), 25 (СВ) 50 (УВ), 50 (СВ) 100 (СВ)

11.16. Свойства однонаправленных КВМ на основе волокон торнел-300, кевлар-49 и гибридных композитов с номинальной объемной долей волокна 60 %

1 Метод короткой балки.

Рис. 11.65. Сравнение пределов мПа

ВЫНОСЛИВОСТИ Or КВЭЗИНЗОТРОП - '

Ных (гибридных КВМ системы УВ—С-стекловолокно — нарм - ко-5208):

1 — стеклопластик; 2 —' углепла­стик; 3 — 5 — гибридные компози - 200 ты с соотношениями УВ—СВ соот­ветственно 1 ; 1, 2:1, 3:1; N — inn число циклов напряжений до раз­рушения

103 10* 10S 10 s N

И лучшими усталостными харак­теристиками. Для усталостных свойств не играет роли после­довательность слоев в гибрид­ном материале. По мнению Хофера [385], усталостные свойства гибридов зависят только от типа применяемого волокна и выкладки. Так, межслоевые гибридные матери­алы обладают лучшими уста­лостными свойствами, нежели внутрислоевые. Другие техни­ческие свойства, включая сдвиг при кручении (см. рис. 11.66) [383] и коэффициент Пуассона, подробно рассмотрены в рабо­тах [373, 381 ]. Целью получения гибридного композиционного

II*

1 — метод «короткой балки»; 2 — 5 ~ кру­чение; 6, 7 соответственно продольное и траисверсальное кручение

323

Материала может служить также улучшение электрических, термических или фрикционных свойств углепластиков. Так, вве­дение небольшой добавки УВ в асбестофенольные подшипники, увеличивает их износостойкость на 25 ... 60 % [369]. Тонкий слой УВ, включенный в пресс-материал для деталей машин, де­лает их электропроводными, и, следовательно, исключаются радиопомехи, возникающие при работе механических устройств. С помощью этого метода можно избавиться и от статического элек­тричества [369].