Классификация гибридных композиционных материалов

Всоответствии с типом распределения компонентов ГКМ обычно подразделяют следующим образом: однородные, харак­теризующиеся равномерным распределением каждого армиру­ющего компонента по всему объему материала; материалы с линейной неоднородностью, в которых волокна одного вида (или обоих видов) объединяются в жгуты, равномерно распре­деленные по объему материала; композиты с плоскостной не­однородностью, когда волокна каждого вида образуют чере­дующиеся слои; макронеоднородные композиты, в которых разнородные волокна образуют зоны, соизмеримые с характер­ным размером изделия.

Однородные полиармированные материалы получают двумя способами: совместной намоткой мононитей двух видов, на­пример, углеродных и стекловолокон; использованием ком­плексных нитей, в которых равномерно распределены волокна различных видов. При таком взаимном расположении волокон остаточные напряжения КМ сводятся к минимуму и улучша­ются условия перераспределения напряжений в процессе на-гружения материала, однако технология получения таких КМ сложна, в частности получение первичной нити или жгута из различных волокон не всегда возможно, так как технологичес­кие процессы изготовления волокон могут принципиально раз­личаться, а собрать готовые разнородные волокна в жгут до­статочно трудно.

Для формирования линейно неоднородного полиармиро-ванного КМ используют совместную намотку жгутов различ­ных типов или жгутов из моноволокон, а также многокомпо­нентного наполнителя — тканей, матов или шпона. Последний способ, несомненно, более технологичен, однако и в этом случае возникают затруднения, связанные с текстильной пере­работкой хрупких высокомодульных волокон.

Наиболее технологичными являются композиты с плос­костной и макронеоднородностью, получаемые выкладкой однородных слоев согласно заданной схеме армирования. К недостаткам таких материалов относится наличие в них тер­мических напряжений, возникающих в процессе формования КМ или при изменении температуры его эксплуатации. Эти

 

 

напряжения необходимо учитывать при выборе состава, схемы армирования и технологии изготовления деталей.

Следует отметить, что принцип полиармирования помимо возможности регулирования физико-механических свойств композитов позволяет заметно улучшить их технологические свойства. Так, применение СВ в качестве оплеточных в ком­плексной нити препятствует вытеканию связующего при фор­мировании и способствует уменьшению пористости конечного

продукта.

К наиболее изученному типу ГКМ относятся полиармиро­ванные. Одновременно с накоплением экспериментальных данных об упругомеханических свойствах КМ предпринима­лись попытки теоретически оценить основные характеристики материалов и разработать модели их механического поведения (деформирования и разрушения).

Характеристиками структуры ГКМ обычно считают направ­ление и взаимное расположение разнородных армирующих волокон (тип и схема армирования), объемное содержание волокон и относительное содержание одного из армирующих компонентов в другом.

Диаграмма растяжения моноармированньгх КМ с высоко­прочными высокомодульными волокнами практически линей­на вплоть до разрушения. Лишь для органопластиков наблю­дается заметное отклонение от линейности при напряжениях, составляющих более 0,6 от предельных. Для ГКМ, в которых совмещены волокна с различным предельным удлинением, вид диаграммы зависит от соотношения компонентов. При возрас­тании доли низкомодульных волокон на диаграммах появляется излом при деформации, примерно соответствующей предель­ной для высокомодульных волокон. Далее на кривых может появиться провал, площадка "псевдотекучести" или последо­вать плавное повышение нагрузки с меньшим эффективным модулем упругости, примерно равным модулю упругости КМ с соответствующим содержанием низкомодульных волокон.

На кривых зависимости прочности и предельной деформа­ции КМ от относительного содержания низкомодульных воло­кон можно выделить два участка: на первом предельное удли­нение гибридного КМ примерно равно предельному удлине­нию высоко модульных волокон, а прочность ГКМ меньше

8-243

 

прочности моноармированного КМ с высокомодульными во­локнами; на втором участке предельное удлинение КМ резко возрастает до значений, близких к предельному удлинению моноармированного КМ с низкомодульными волокнами, а прочность начинает линейно возрастать, приближаясь к проч­ности КМ с низкомодульными волокнами.

ГКМ могут быть более надежными, чем моноармирован-ные. Так, для углестеклопластика с увеличением доли стеклян­ных волокон относительная деформация (прогиб) при ударном растяжении или изгибе возрастает в 3,5 раза, в несколько раз увеличивается время до разрушения, максимальная нагрузка сохраняется на прежнем уровне, а при некоторых схемах ар­мирования даже возрастает.

Еще одной характеристикой надежности КМ является вяз­кость разрушения (трещиностойкость), которая часто опреде­ляется коэффициентом интенсивности напряжений, характе­ризующим степень возрастания напряжений при приближении к дефектной области в материале, например, к вершине тре­щины.

Используя принцип полиармирования, длительную проч­ность и ползучесть КМ можно регулировать либо введением более высокомодульного армирующего компонента, либо улуч­шением сопротивления ползучести матрицы армированием ее дисперсными частицами. При этом следует помнить, что их содержание должно быть таким, чтобы предельные деформации матрицы, превышающие предельную деформацию волокон, со­хранялись на требуемом уровне.

Основным достоинством волокнистых конструкционных КМ является возможность их работы без снижения несущей способности при значительном количестве накопленных под­тверждений, другими словами, — повышенное сопротивление развитию разрушающих трещин. Вопрос о том, как проявляется это свойство в полиармированных КМ, давно привлекает вни­мание исследователей. Установлено, что одной из особеннос­тей таких КМ является наличие гибридного или синергетичес-кого эффекта. Результаты экспериментов подтверждают пред­ставления о множественном дроблении высокомодульных во­локон в процессе нагружения гибридных КМ.

 

Возможность варьирования свойств гибридных КМ в до­статочно широком интервале путем изменения комбинаций армирующих волокон и их соотношения делает эти материалы • весьма перспективными для использования в различных облас­тях промышленности. Такие гибридные композиты более де­шевы и обладают рядом преимуществ по сравнению с тради­ционными КМ. Например, гибридный материал, содержащий 20 % углеродных волокон и 80 % стеклянного волокна, обла­дает прочностью, равной 75 % от прочности КМ, армирован­ного только углеродными волокнами, а его стоимость состав­ляет 30 % от стоимости обычного углепластика.

Ключевые вопросы

1. Какие главные свойства композитов по сравнению с
традиционными материалами определяют их применение в сле­
дующих конструкциях:

а) корпус ракетного двигателя твердого топлива;

б) корпус панели солнечной батареи;

в) удилище;

г) нефтяной трубопровод;

д) горные лыжи;

е) тазобедренный протез;

ж) ферменный отсек;

з) корпус катамарана;

и) корпус планера самолета?

2. Дайте определение и физический смысл понятий "удель­ная прочность" и "удельная жесткость". Почему эти характе­ристики являются наиболее важными при разработке конструк­ций из композитов?

3. Укажите основные недостатки КМ. Какие пути исполь­зуют конструкторы и технологи для преодоления этих недо­статков?

 

4. В чем заключаются основные различия между углерод­ными волокнами, полученными из пека, и ПАН-волокнами?

5. Какие типы матрицы и армирующего наполнителя можно предложить для трубопровода из композита, работающего в криогенной топливной системе самолета и почему?

 

 

 

 

6. В чем состоят основные достоинства термопластичных связующих, используемых в качестве матрицы корпуса топлив­ного бака, изготовленного из КМ?

7. По каким критериям выбирают материал для изготовле­ния бронежилетов?

8. Приведите примеры использования вакуума в производ­стве заготовок и полуфабрикатов ПКМ и металлокомпозитов.

2. ТЕХНОЛОЩЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

КОНСТРУКЦИИ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В копилку знаний

Прочитав эту главу, читатель узнает:

• об основных этапах создания конструкций из композитов и роли технологии в этом процессе;

• сущность технологических процессов изготовления кон­струкций из ПКМ;

• преимущества и недостатки каждого технологического процесса и их предельные возможности;

• о способах выбора технологических процессов для изго­товления конструкций из ТКМ.

2.1 Понятие о конструкторско-технологическом

решении

Расширение класса конструкционных материалов и совер­шенствование их свойств является результатом технического прогресса. Материалы, появление которых, как правило, опре­деляется необходимостью повышения эффективности разраба­тываемых конструкций, в свою очередь, открывают возмож­ности для реализации принципиально новых конструкторских решений и технологических процессов. Такая взаимообуслов­ленность процессов развития материалов, конструкций и тех­нологий отчетливо проявляется в настоящее время в связи с разработкой и применением КМ.

117

2.1. Понятие о конструкторско-технологическом решении

Для эффективной реализации КМ в конструкциях требуется решение комплекса задач, которые связаны с конструировани­ем изделия, выбором материалов, определением рациональной структуры материала, соответствующей механическим, тепло­вым, химическим и другим воздействиям, с учетом существу­ющих технологических ограничений.

Использование композитов предоставляет разработчику возможность широкого выбора исходных компонентов мате­риала, структурных схем материалов в конструкции, техноло­гических способов формообразования, геометрии и формы конструкции.

В начале 80-х годов был сформулирован основной принцип создания изделий из КМ, согласно которому вопросы выбора материалов, проектирования конструкции и разработки техно­логического процесса следует рассматривать как три стороны единой проблемы и не решать их изолированно один от дру­гого. Такой подход потребовал на всех этапах создания изделия более тесного взаимодействия подразделений расчетчиков, конструкторов, материаловедов и технологов. Таким образом, в процесс проектирования оказалось втянуто большое число специалистов различного профиля и квалификации, а сам про­цесс проектирования превратился в сложную иерархическую систему, работа которой основана на постоянном взаимодей­ствии между специалистами различных подразделений.

В таких условиях обеспечить ускорение процесса проекти­рования при одновременном улучшении его качества и сниже­нии стоимости можно лишь на основе коренной перестройки самого процесса проектирования.

Процесс проектирования, согласно традиционной схеме, содержит этапы конструирования, проектирования и разработ­ки технологии, а также взаимную увязку конструкторско-тех-нологических решений, направленную в основном на поиск подходящей технологии и в меньшей степени на изменение конструкции.

Отличительной особенностью проектирования конструк­ций с применением КМ, как отмечалось выше, является тот факт, что на этапе производства одновременно создаются и сам материал, и конструкция. При этом этапы выбора матери­алов, конструирования, проектирования и разработки техноло­гии изготовления стали различными аспектами единого про-

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

цесса принятия решений. Отказ от этого принципа приводит, как показывает анализ, к тому, что создание новых конструк­ций затягивается, опытные образцы не удовлетворяют требо­ваниям, непрерывно в конструкцию и технологию требуется вносить изменения, многие из которых можно было учесть еще на ранних стадиях проектирования, если бы имелась возмож­ность просмотреть и оценить все альтернативные варианты изделий. Практически вся последующая деятельность специа­листов после принятия проектного решения направлена на анализ новых решений, что приводит к потере времени и удорожанию изделий. Подобная ситуация не является виной конструктора. Это результат принципиального несоответствия традиционных методов проектирования и сложности современ­ных конструкций.

Конструирование изделий из КМ начинают с анализа его формы, назначения и действующих на него внешних и внут­ренних воздействий. В зависимости от этого выбирают кон-структорско-технологическое решение. В общем случае КТР представляет собой совокупность конструкционных элементов проектируемого объекта, изготавливаемого из определенных материалов или собираемого из определенных компонентов (деталей, агрегатов и т.п.) и конкретных технологических про­цессов или операций, обеспечивающих реализацию заданных требований, которые предъявляются к данному объекту (рис. 2.1). Например, применительно к конструкциям ракетно-космической техники выбор КТР для каждого агрегата опре­деляется следующими факторами:

формой изделия — тела вращения, тела сложной формы, включая поверхности двойной кривизны, цилиндрические отсеки малого и большого удлинения, балочные конструкции и др.;

видом и характером внешнего воздействия — открытый космос, внутренние объемы обитаемых отсеков, интенсивность общего силового внешнего нагружения, аэродинамический на­грев, температурно-влажностный режим окружающей среды;

видом и характером внутреннего воздействия - характер приложения местных сосредоточенных сил и влияние вырезов в силовой оболочке, необходимая степень герметичности, до­пустимый уровень газовыделений, температурно-эрозионное

 

118

119

2.1. Понятие о конструкторско-технологическом решении

воздействие, требования, предъявляемые к термостатированию, распределению внутренних сил.

Рис.2.1. Структурная схема конструкторско-технологического реше

Форма изделия в основном определяет схему укладки ар­мирующего материала в конструкции и габаритные размеры технологического оборудования, применяемого при изготовле­нии изделий (размер оправок, полимеризационных печей, станков для механической обработки и др.).

Специфичность внешнего воздействия проявляется в пер­вую очередь для агрегатов, используемых в открытом космосе — это воздействие всей его физической среды, вызванной усло­виями полета космического аппарата и действующими при

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

этом знакопеременными температурными полями, если агрегат не подвергается термостатированию и не закрыт экранно-ва-куумной термоизоляций (ЭВТИ). Если агрегат термостатиру-ется и закрыт ЭВТИ,то в этом случае применение полимерных композитов в конструкции агрегата не будет эффективным, поскольку полимерные материалы плохо проводят теплоту, и для перераспределения теплоты внутри агрегата необходимо будет внутреннюю часть агрегата обклеивать алюминиевым листом толщиной не менее 0,8...1 мм. В обитаемых отсеках также ограниченно применяют полимерные материалы. Затруд­нено использование ПКМ и для агрегатов, в которых необхо­димо поддерживать внутреннее давление. При этом следует принимать специальные меры, связанные с герметизацией самой структуры материала или внесением в конструкцию внутреннего герметизирующего слоя, что вызывает дополни­тельные трудности.

---

Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 1487; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!