Применение композитных материалов
Исследование вселенной и развитие аэрокосмической отрасли вывело на совершенно иной качественный уровень требования к конструкционным материалам, которые отличаются парадоксальной жесткостью: малый вес при высоких показателях механической и циклической прочности; жесткость, надежность, устойчивость к агрессивным средам и сложным эксплуатационным условиям. Таким требованиям не отвечает ни один природный материал, поэтому его пришлось придумать: этим характеристикам в полной мере отвечает совершенно новый класс конструкционных композиционных материалов, для которых и они были созданы (аэрокосмическая техника и самолетостроение).
Принцип создания композитов
Так, отдельные элементы конструкции летательного аппарата, совершающего взлет и посадку на обычной взлетной полосе, выполняя выход за пределы атмосферы, нагреваются до температуры ≤1800 °С. Эти разнообразные – температурные, сжимающие и растягивающие, радиационные–нагрузки способен выдержать только специально изобретенный материал – композит, объединяющий различные материалы, что равноценно созданию нового сырья со специфическими свойствами. Композитные материалы весьма дорогостоящи, но их доля в гражданском секторе растет, и кроме основных заказчиков (космонавтики, авиации, реактивной техники, кораблестроения) сегодня они нашли применение в автопроме, химическом машиностроении, в медицине и спорте, для производства трубопроводов и емкостей для агрессивных веществ.
Еще на заре эры композитов был сформулирован принцип: под конкретные задачи подбираются компоненты, проектируются конструкции, разрабатываются обеспечивающие их получение технологические процессы.
Самыми многообещающими на сегодняшний день можно считать композиты, состоящие из двух или более компонентов, обеспечивающих заданные свойства и структуру. Композитными материалами называют сложносоставный материал, в сплошной фазе которого (матрица/связующее) рассредоточен другой – один или несколько наполнителей. Наиболее распространены в настоящее время ПКМ – композиционные материалы на основе полимерной матрицы (связующего). Полимерным связующим называют полимер с добавками (растворителями, стабилизаторами, пластификаторами). Популярность ПКМ вызвана простотой технологии обработки, широким типовым и видовым многообразием свойств полимеров, стабильными связующими качествами. Наполнители придают дополнительную жесткость и прочность материалу, формируя армирующий каркас композитной детали. Так, например, высокой износостойкостью обладают ПКМ, армированные волокнами из углерода, с легкостью заменяя металлические сплавы. Но и сложные композитные материалы подвержены возникновению сколов, трещин и структурных дефектов.
Основными проблемами производства конструкционных деталей из ПКМ являются возникновение концентраторов напряжений (сверление технологических отверстий, коррозия, газовые пустоты; ошибки проектирования, технологические дефекты формовки), снижающих их прочность.
При производстве электропроводящих полимерных композитов матрицей выступает спиртовой раствор идитола, придающий ей нужные свойства и высокую прочность за счет формирования на границе раздела фаз матрица/наполнитель особый пограничный слой, влияющий на характер возникающих напряжений и параметры деформации материала. В результате хемо/сорбции идитол в граничном слое приобретает жесткость вследствие потери сегментарной подвижности макромолекул.
Как правило, материал каркаса (в сравнении с матричным) более прочен, увеличивая модуль упругости композита и способствуя повышению формоустойчивости деталей. Любой наполнитель порождает в полимерных матрицах фазовую гетерогенность, причем структурная неоднородность может сохраниться – вне зависимости от степени наполнения. А вот появление неструктурированных агломератов наполнителя в матрице приводит к падению прочности композита.
Для безопасного повышения объемной доли наполнителя применяют специальный гранулометрический (плотный) состав, который составляет для композитов:
- двусоставного – до 0,868;
- трехфракционного – 0,907;
- четырехфракционного – 0,95 объемных долей.
Прочностные характеристики переполненных систем
Прочностные характеристики таких переполненных систем зависят от состава, пластичных свойств и модификаций полимерной матрицы, а также от характеристик пограничного слоя. Исследование закономерностей стадий разрушения полимерных композитов позволило выделить два основных механизма:
- разрушение вследствие потери устойчивости волокна на упругом основании;
- расслоение материала от воздействия трансверсальных и сдвиговых напряжений.
Под воздействием сжимающей нагрузки критическими являются структурные дефекты, снижающие прочность композита и расслаивающие дисперсно наполненные системы. Материал матрицы, создающий пограничный слой при каждом элементе наполнителя повышает прочность наполненных полимеров. Для таких систем концентраторами разрушений становятся микродефекты, а прочность композита зависит от состояния граничного слоя: развитие трещин даже при повышении сжимающей нагрузки будет остановлено частицами наполнителя на границе раздела фаз, замедляя процесс разрушения. С другой стороны, большой объем наполнителя увеличивает хрупкость матрицы: в предельно наполненных композитных системах идут два конкурирующих процесса, а результирующая прочность композита определяется преобладающим из них.
Спрессованные голые волокна арматуры под сжимающей нагрузкой рушатся уже при 6,5 МПа. Добавление идитолового лака в 15 раз увеличивает прочность образца за счет формирования пограничного слоя.
Факторы, влияющие на прочность композита
Огромную роль для высоконаполненных системах играет вязкость матрицы: от нее зависит состояние пограничного слоя. Малая вязкость связующего и смачиваемость им поверхности наполнителя облегчают процесс затекания в поры. Но и этот процесс неоднозначен: связующее, затекшее в поры, изымается из граничного слоя, становясь концентраторами напряжений, снижая механическую прочность. Неспособность связующего вытеснить воздух и высокая растворимость в нем воздуха приводят к формированию пустот.
Существенное повышение устойчивости к образованию трещин КМ осуществляется посредством модифицирования матриц, в том числе введением разнородных термопластичных включений оптимального размера в термореактивную матрицу, фазы которых, равномерно распределятся в объеме реактопласта, физически и химически взаимодействуя между собой. Демпферы эластичных прослоек усиливают релаксацию полимеров, гася остаточное напряжение на границе раздела фаз. Так, для получения пластичного стекла применяют растворяющиеся в спирте/ацетоне (или их смеси) идитол с полиуретановый каучуком, образующие истинный молекулярный раствор. Такое небъющееся стекло разрушается по особым законам. Во-первых, разрушению под воздействием высоких нагрузок предшествуют значительные локальные деформации с образованием микротрещин и формированием сегментарной подвижности на их вершинах, число которых растет.
Первая стадия состоит в образовании и накоплении микротрещин «серебра», внутри которых полимер расслаивается с формированием микротяжей, формируя чередующиеся области микропустот с ориентированным полимером.
На этой стадии наличие микротрещин практически не влияет на прочность и модуль упругости композита (трещина стабильна, ее створки сомкнуты), а сохранение прочности обусловлено процессом релаксации, уменьшающим концентрацию напряжений. Продолжение воздействия нагрузки приводит к разрушению по трем сценариям: прорастает магистральная трещина; разрушается неориентированный материал; под действием нагрузки рушатся предельно растянутые микротяжи в трещинах «серебра». Добавление эластичных присадок в сырье при производстве хрупкого стекла увеличивает релаксационный диапазон материала, повышая его прочность.
Применение полимеров (например, гранул ПВХ) в качестве каркаса композитов может привести к формированию особого смешанного слоя по границе раздела фаз вследствие взаимного проникновения фрагментов молекул матрицы и наполнителя. Этот слой отличается рядом особенностей: в одном случае макромолекулы взаимно компенсируют поверхностную энергию, снижая силу химического и электрического взаимодействия компонентов. Однако, в отдельных случаях на границе раздела фаз фрагменты макромолекул арматуры и матрицы образуют химическую связь, повышая прочность КМ.
По данным практических исследований, под воздействием сжимающей нагрузки гранулы ПВХ снижают предел прочности композита более, чем на 30%. Другими словами, межфазный слой представляет собой диффузионное затекание раствора ПВХ в межмолекулярное пространство макромолекул матрицы, что ослабляет взаимодействие наполнителя и матрицы, приводя к падению прочности композита.
Расчеты прочности наполнителей
Развитость удельной поверхности границы раздела фаз во многом определяется показателем взаимной смачиваемости макромолекул наполнителя и матрицы. При этом специфика процесса смачивания зависит как от величины нескомпенсированной поверхностной энергии на границе раздела фаз, так и от рельефа частиц наполнителя.
Принимая, что компоненты полимерной системы не являются пористыми, результирующую площадь поверхности наполнителя (с учетом массовой доли) рассчитывают по формуле:
Значения коэффициентов для расчётов при разных типах наполнителя.
| Компонент | ρнасып, г/см3 | ρтеор, г/см3 | dw, г | dэкв, см |
|---|---|---|---|---|
| Хлорид | 0,9459 | 2,25 | 0,474 | 0,02 |
| Карбонат | 0,5614 | 3,65 | 0,158 | 0,005 |
| Магний | 0,4051 | 1,74 | 0,21 | 0,03 |
| ПАМ | 0,7755 | 2,15 | 0,084 | 0,03 |
| ПВХ | 0,5392 | 1,4 | 0,074 | 0,02 |
| Ke | Sуд, см2 | hслоя, см |
|---|---|---|
| 2,5 | 0,76 | 0,05 |
| 4 | 1,22 | 0,031 |
| 18 | 5,5 | 0,006 |
| 30 | 9,17 | 0,004 |
Итоговые значения расчетов:
Иначе говоря, в соответствии с расчетными данными, самым развитым пограничным слоем располагают шарообразные частицы.
В композите, где связующим выступает идитол, а наполнителем – частицы неправильной формы, толщина пограничного слоя составит 0,031 см. Особенности действующих физико-химических сил на границе раздела фаз задают характер сцепки макромолекул матрицы и наполнителя, и, соответственно, определяют прочность композита.
По форме металлические алюмоматричные (АМ) частицы с магнием являются чешуйками и пластинами. Толщина граничного слоя для таких наполнителей – 0,004 ÷ 0,006 см, прочность которого определяется под воздействием сжимающей нагрузки, определяемой по ГОСТ 25.602-80.
Для композита, состоящего из смеси идитола (7 %) с каучуком (40 % раствор в ацетоне) выявлена следующая зависимость.
Наивысшее значение прочности композита характерно для диапазона содержания каучука 28÷60 %, причем содержание связующего без ухудшения прочностных параметров можно уменьшить до 5 %, более того, такая доля связующего в композиции 50:50 (идитол/СКУ) предельное напряжение сжатия превышает прочность стандарта, достигая 217 МПа.
Характеризуя параметры разрушения образцов с разным составом (идитол/каучук и их смеси) образцов под сжимающей нагрузкой, можно констатировать, что в чистом виде растрескивание матрицы происходит по генеральному принципу, разваливая образец на куски. Введение каучука меняет характер деформирования: вырубленный керн деформируется в бочонок, все больше выгибаясь без разрушения пропорционально его содержанию.
Очевидно, что тип деструктивных изменений задает исходная плотность образца: разрушение начинается с самой рыхлой его части, содержащей наибольшее количество концентраторов напряжений. Для формирования наиболее гомогенных по плотности образцов применяют двустороннее формование.
Таким образом можно сказать, что на прочностные свойства композитных материалов влияет множество факторов, которые требуют изучения.
Для проведения испытаний композитных материалов понадобится ряд сертифицированных приборов и оборудования: прессы МИП, универсальные испытательные машины МИМ, инденторы и многие другие виды оборудования, которые мы можем Вам предложить.