Испытания композитных материалов на растяжение. Часть 1

Разнообразие современных строительных и конструкционных материалов позволяет решить ряд технологических и строительных задач, облегчая удельный вес материалов и конструкций, при этом не уменьшая их надежности. Исключительная роль при этом отводится современным полимерным матрицам, на основе которых создаются композиционные материалы (КМ/ композиты).

Композитами называют сложносоставной монолитный материал (матрица + каркас), сформированный из разнородных компонентов с выраженной границей раздела компонентов.

Чаще всего в изделиях, подвергающихся высоким нагрузкам до последнего времени использовались композиты на базе термореактивных связующих (отверждение смол с образованием твердых или эластичных полимеров). В последнее время активно развивается производство КМ также и на основе термопластичных матриц.

Композиты формируются из двух фаз:

  • отдельные волокна (наполнитель; арматура);
  • монолит (связующее, матрица) – материал в пространстве между арматурой.

Компоненты композиционных материалов

Каркас суммирует базовые внешние нагрузки, определяя ключевые прочностные характеристики композита. Матрица объединяет отдельные элементы каркаса, суммируя все взаимодействия (за счет собственной ригидности и сцепления фаз матрица – каркас). От свойств матрицы зависят технологические характеристики композита (показатель формообразования и технологические режимы эксплуатации), в меньшей степени влияя на прочностные свойства.

Термин "каркас" весьма условен и под ним подразумевают не только прочные материалы, но и газовые экструсомы в объеме матрицы, что гарантирует тепло- и звукоизоляционные свойства композита.

Композитами не являются растворы и смеси, т.к. не имеют границ раздела фаз и не являются монолитом. Классифицируются КМ в зависимости от базовой структуры и природы материалов, а материаловедческое дифференцирование базируется на природе матрицы и наполнителя:

Матрица Арматура Тип КМ
минералы органика металлы керамика
полимерная ПР ПО ПМ ПК ПКМ
металлическая МР МО ММ МК МКМ
керамическая КР КО КМ КК ККМ
другие материалы ДР - - - -

Композиты по классам подразделяются по типу матрицы:

  • Полимерные (ПКМ);
  • Металлические (МКМ);
  • Керамические (ККМ).

В технике наиболее популярны ПКМ на полимерных смолах. Аббревиатурой ПР обозначают полимерную матрицу с минеральной арматурой (асбест, базальт, графит, стекло). Класс ПО охватывает полимерные композиты + органический наполнители, каркасом при этом выступают арамиды (ароматические полиамиды). Кроме того, при производстве композитов, не используемых в качестве конструкционных, каркасом может стать бумага, чешуйки из разного рода органики, древесная стружка (ДСП), нить из хлопка (ДВП) и др.

Класс ПМ состоит из полимерной матрицы с металлической арматурой (чаще всего волокон бора, реже – других (Al) металлов). Представители класса КМ на полимерной матрице называют по типу каркаса: органопласт, углепласт, боропласт, стеклопласт и т.п.

Другой род малотоннажных композитов – на металлической матрице (на базе алюминия и магния; сталей и никелевых сплавов). Наиболее востребованы в настоящее время композиты из алюминиевой матрицы с угольными волокнами (МР), а вот с органическим наполнителем (группа МО) материалов не производят. Род ММ композитов (металл + металл) представлен бороалюминием (алюминиевая матрицей + борное волокно). Род композитов МК (с керамическим наполнителем) почти не применяется в промышленности.

Еще один класс КМ – на основе керамической матрицы. Керметы – класс композитов с керамической матрицей и металлическим порошком в качестве каркаса. Композиционные материалы классов КР, КО, КК в настоящее время находятся на исследовательской стадии.

Композиты с матрицей и наполнителем, которые не входят во все описанные классы и роды (не полимеры, не металлы, не керамика) называются индивидуально: УУКМ (углерод-углеродная), при этом каркас состоит из прочных углеродных нитей и/или стержней, в отличие от более хрупкой углеродной матрицы.

Классификация композитных материалов по конструкционному признаку

Компоненты композиционных материалов

Композиты с дискретной арматурой (наполненные пластмассы) подразделяются на две подгруппы: газонаполненные и с каркасом из твердых частиц (чешуйки, микросферы, рубленые волокна, порошки).

Успешно себя зарекомендовали пустотелые стеклянные микросферы (Ø = 0,05 - 0,2 мм).

Композиты с экструсомами в качестве арматуры (пено-) называют по материалу матрицы: пенорезины, пенопласты, пенокерамика, пенометаллы. В случае объединения пузырьков в агломераты, в названии композита появляется приставка "поро" (порокерамика).

Композиты с волокнистым каркасом могут быть однонаправленными; неткаными; слоистыми ткаными; волокнистыми объемными. Однонаправленный каркас может состоять из:

  • первичных нитей;
  • скрученных нитей;
  • прядей комплексного ровинга;
  • вытянутых плоских поверхностей из соединенных в поперечном направлении лент-нитей;
  • круглых в сечении жгутов из переплетенных нитей.

Композиты из матрицы с тканевыми слоями каркаса отличается типом плетения и толщиной нитей армирующего наполнителя. Отдельным вариантом композитов являются материалы с архитектурными решениями построения объемного каркаса из переплетенных стержней или нитей (из 3÷11 штук). Существуют композиты с хаотическим каркасом из склеенного/ спутанного/ прошитого ворсового нетканого материала (штапельных волокон).

Композиты с листовой арматурой (СИАЛ и АЛОР) представляют собой пропитанную связующим органо- или стеклоткань, перемежающуюся тонкими листами металла, послойно соединенных между собой. Аббревиатура сформирована составом материала (кремний Si + алюминий; алюминий + органопласт), СИАЛ является композитом из алюминиевых листов (толщиной 0,25 - 0,6 мм), перемежающихся слоями стеклопластика толщиной 0,2 - 0,4 мм. Первый АЛОР состоял из перемежающихся листов алюминиевого сплава толщиной 0,1 - 0,3 мм с каркасом из арамидных волокон Kevlar-49. Композиты из полимерных смол, перемежающихся бумажными слоями, называются гетинаксами. Тонкие листы древесного шпона, уложенные разнонаправленно и скрепленные связующим, называются фанерой.

Технология изготовления продукции из композитов задается арматурой и типом ее укладки:

  • дисперсионно-наполненные композиты прессуют (литьевые машины, пресс-камеры);
  • волокнистые композиты наносят на формирующие оправки;
  • листовые композиты – штампуют, режут и др.

Для изготовления летательных аппаратов чаще всего применяют композиционные материалы на основе полимеров с тканым каркасом или другими типами однонаправленных волокон. При этом монолит собирается из нескольких видов полимерных смол с добавками.

Полимерные матрицы делятся на:

  • термопластичные (без изменений переходящие из вязкотекучего в твердое состояние и обратно);
  • термореактивные (безвозвратно отвердевающих при нагреве), которые характеризуются высокой механической прочностью и теплостойкостью.

Наиболее популярные термореактивные смолы:

  • эпоксидные;
  • фенолоформальдегидные;
  • полиамидные;
  • полиэфирные;
  • кремнийорганические.

По релевантности на эпоксидные смолы приходится ≈80%, на фенолформальдегидные ≈10%. На все остальные приходятся оставшиеся 10%.

Эпоксидные смолы

Связующее ЛМИ-6 – отличный герметик, обладает отменной адгезией, но не выдерживает высоких температур (рабочий диапазон ограничен 90±5°С) и имеет следующий состав:

  • эпоксидная смола ЭД-20 -100 весовых частей (в.ч.),
  • триэтаноламин (отвердитель) – 11 в.ч.,
  • тиокол НВ (жидкий) – 23 в.ч.,
  • толуол – 90 в.ч.,
  • спирт-ректификат – 90 в.ч.

Связующее ЭФБ-3:

  • Эпоксидная смола ЭД-20 – 67 в.ч.,
  • Бакелитовый лак ЛБС-1 – 60 в.ч.,
  • Клей БФ-4 – 3 в.ч.,
  • Спирт (спиртоацетоновая смесь) – до требуемой вязкости.

Связующее «ЭР-130»:

  • Эпоксидная смола ЭД-20 –34,6 в.ч.,
  • Бакелитовый лак ЛБС-1 – 30 в.ч.,
  • Дициандиамид – 1 в.ч.,
  • Спиртотолуоловая смесь (1:1) – 35 в.ч.

Связующие ЭФБ-3 и ЭР-130 характеризуются хорошей теплостойкостью и могут длительно работать при 155±5°С.

Связующему ЭДТ-10 присущи отличные прочностные характеристики, и состоит оно из:

  • Эпоксидной смолы ЭД-16-100 в.ч.,
  • Эпоксидной смолы ДЭГ-1 – 10 в.ч.,
  • Триэтаноламинотитаната – 1 в.ч.

Все эти марки эпоксидных связующих могут с высокой степенью надежности применяться для производства несущих элементов конструкций.

Стеклопластики на базе полиэфирных смол недороги и технологичны; отвердевают при комнатной температуре; характеризуются отличной термостабильностью (≤200°С) и высокой механической прочностью (δB ~ 300 МПа). Минусом стеклопластиков является выделение токсичных летучих продуктов, в т.ч. паров стирола, которые негативно влияют на структуру материала. Более предпочтительны поэтому связующие на основе МА-3, не выделяющей летучие пары.

Наиболее термоустойчивыми композитами, безусловно, является кремнийорганические стеклопластики, компаундированные пропитками А-5, Ц-5, ВН-30, В-58. Данные композиты характеризуются невысокой прочностью, плохими герметичностью и адгезией к каркасу из стекла, но отличной теплостойкостью (400÷500°С – длительно, 2000÷2500°С – краткосрочно). По этой причине кремнийорганические стеклопластики могут использоваться для теплозащиты, и для изготовления деталей, не подвергающихся значительным сосредоточенным нагрузкам.

Свойства Типы связующего
эпоксидные фенольные полиамидные полиэфирные кремнийорганические
Модуль упругости при изгибе, ГПа
Прочность, МПа: при растяжении
при сжатии при изгибе Твердость по
Бринелю, НВ Ударная вязкость,
кДж/м2 Теплостойкость по
Мартенсу, 0С
2,5...3,3 40...110 130...150 100...120 90...340 11...20 127...160 1,4...4,3 40...70 100...120 70...110 2,5...10 140...180 3.2...5,0 50...140 60...320- 180...280- 247...327 1,9...3,8 40...80 80...140 30...110 100...250 3...11 45...72 4,2...4,5 40...70 60...100-- 2,5...3,5 247...277
Каталог товаров
Навигатор
Мы перезвоним вам в ближайшее время

Режим работы с понедельника по пятницу, с 10:00 до 20:00