ГЛАВА 1

ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ И МАТЕРИАЛАХ, АРМИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ

Композиционные материалы нельзя назвать совершенно новыми: они уже широко используются в промышленности. Хотя области применения композиционных материалов и металлов аналогичны, первые открывают более широкие возможности. На их основе изготовляются самые различные изделия — начиная от жестяных консервных банок и кончая котлами для атомных реакторов из нержавеющей стали. Композиционные материалы, если даже говорить только о пластмассах, армированных волокнами, используются еще шире: от изготовления бытовых ванн до космических кораблей "Спейс шаттл”. Прежде чем перейти к рассмотрению наиболее прогрессивных материалов, какими являются армированные углеродными волокнами пластмассы (углепластики), сопоставим композиционные материалы с другими материалами, а затем уже подробнее остановимся на углепластиках.

Место композиционных материалов среди других материалов

Когда человек стал сознательно подходить к окружающей действительности, вещество в его понимании стало превращаться в материал. Это наиболее простое объяснение понятия ,^мaтepиaл^^. Материалы развивались одновременно с человеческой цивилизацией начиная с середины каменного века (около 10 000 лет назад). С этого периода до наших дней человек применял всевозможные материалы — от камня до пластмасс. Историю развития материалов можно условно подразделить на пять периодов [1—3] (рис. 1.1).

В первом периоде для изготовления необходимых человеку предметов использовались лишь природные материалы. Поэтому камень в орудиях оставался камнем, а дерево — деревом. Как в этом первом периоде, так и сейчас природные материалы используются человеком, но, конечно, следует учитывать прогресс технологии их обработки.

Во втором периоде стали получать материалы на основе извлеченных из природных веществ нужных компонентов. Наиболее древний из таких материалов 一 глиняная керамика. Японские глиняные изделия с узелковым письмом появились на начальном периоде истории керамики (около 9000 лет назад). Типичными представителями материалов второго периода являются и металлы: бронза (приблизительно 2000 лет до нашей эры) и железо (приблизительно 1000 лет до нашей эры). Лишь в 1850-х годах Бессемер изобрел метод производства стали с помощью вращающегося конвертера, что позволило превратить ее в основной про-

Года 夕 европейском летаис^ис^ении

-50000ЮОО 2000

ПерВый периодПерВый периодВторой периодВторой периодГлинаГлинаОбожженная глинаОбожженная глинаБронза ЖелезоБронза ЖелезоАлюминий ТитанАлюминий Титанкамрнь 〃 дерево

ПерВый период

ПерВый период

Второй период

Второй период

Глина

Глина

Обожженная глина

Обожженная глина

Бронза Железо

Бронза Железо

Алюминий Титан

Алюминий Титан

Третий периодТретий периодЧетвертый периодЧетвертый периодПятый периодПятый период々“Z7PZ7〃”C- Т^рмольнь^ кие материаль、^ смолы I

Третий период

Третий период

Четвертый период

Четвертый период

Пятый период

Пятый период

матвриакн ^^авмассе

„ Сознаглельные" | материалы i

Рис. 7. 7. Исторические периоды развития материалов.

мышленный конструкционный материал. В XX веке к материалам, относящимся ко второму периоду, присоединились алюминий и магний, а после второй мировой войны — титан и другие-легкие металлы, которые широко используются в настоящее время. Недавно появились различные типы высококачественных керамик, далеко превосходящих по свойствам глиняную керамику.

В третьем периоде были созданы синтетические материалы. В 1907 г. англичанин Бакеланд разработал метод промышленного производства фенольных смол типа Bakelite - первых синтетических материалов. После второй мировой войны вместе с развитием нефтехимии стали интенсивно разрабатываться самые различные синтетические материалы: смолы, каучуки и волокна.

В отличие от материалов первых трех периодов, которые различаются самим своим типом, материалы четвертого и пятого периодов дифференцируются уже в зависимости от их характеристик. На рис. 1.2 по трем осям координат отложены свойство материала Р, его место среди других материалов L и время воздействия окружающей среды Те (внешние воздействия в масштабе времени). Материалы первых трех периодов характеризуются тем, что их свойства Р не зависят от £ м 厶，т. е.

Р= const =Ра (1.1)

尸=〃£)尸=〃£)На рис. 1.2 плоскость 尸=〃 =const проходит через некоторую точку 二 на оси 尸 и параллельна плоскости L - Те，Подразделяя материалы по их свойствам, получим зависимость от величины L:

尸=〃£)

尸=〃£)

(1.2)

Конкретный пример регулирования свойств материалов приведен на рис. 1.3. Материалы четвертого периода, в том числе композиционные материалы, легко дифференцировать по их свойствам. Создание различных композиций имеет давнюю историю, и они широко применялись еще до нашей эры. Однако современные методы армирования материалов волокнами впервые стали использоваться в промышленности в 1940-х годах для получения стеклопластиков на основе ненасыщенных полиэфирных смол. Поэтому хронологически не совсем корректно относить композиционные материалы к четвертому периоду. Как показано на рис. 1.2, материалам четвертого периода соответствует формула (1.2) и их можно расположить вдоль цилиндрической поверхности P-L, параллельной оси 7^.

Рис. 1. 3. Пример регулирования свойств материалов.

Л — стрелки показывают направление армирования. Б — включения для увеличения твердости. В — в центральной части прочность по оси х в два раза выше, чем по оси у.

У материалов пятого периода свойства Р зависят также и от 7^: 尸=/(£, Те)(1.3)

Это означает, что свойства таких материалов можно варьировать, адаптируя их к внешним воздействиям. Поэтому Симамура назвал их "созна- тельными^ материалами. Как показано на рис. 1.2, материалы пятого периода формируют поверхность P—L—T^ В настоящее время еще не существует (согласно предложенному определению) "сознательных" материалов, но их прообразом могут, по-видимому, служить сплавы, сохраняющие память о своей исходной форме. Однако не будет ошибкой отнести к ''сознательном" и композиционные материалы.

Типы композиционных материалов

Определение композиционных материалов

Корректное определение. Композиционными называют такие материалы, которые состоят из двух и более материалов или двух и более фаз и обладают лучшими характеристиками, чем простые однородные материалы.

Упрощенное определение. Композиционными называют материалы, свойства которых можно проектировать заранее.

Составные и структурированные^ ^ материалы

В соответствии с определением, данным в разд. 1.2.1, различают составные композиционные материалы и структурированные композиционные материалы, сложная структура которых образуется в процессе фазовых превращений. Рассматриваемые ниже композиционные материалы, армированные углеродными волокнами, полностью относятся к составным 2) композиционным материалам.

Типы композиционных материалов

Классификация композиционных материалов. В табл. 1.1 дана классификация композиционных материалов. Наряду с непрерывными волокнами используются дисперсные наполнители, которые могут представлять собой очень короткие волокна, чешуйки, порошки и другие частицы. Физико-механические свойства композиционных материалов прежде всего определяются типом и свойствами наполнителя, распреде-

Автор имеет в виду, по всей вероятности, так называемые молекулярные полимерные композиты и металлокомпозиты, в которых благодаря регулированию условий кристаллизации удается осуществить рост части кристаллов в заданном направлении. - Прим. ред.

2)В дальнейшем изложении название ''составные5' мы опускаем. - Прим. ред.

-qcesdalew anmotAdnmnl ，dowewdo 上

q 工工 и

■ Horace фзх 'хфхеосгагохо Idauonu 二qi ，ои匚 фзтох ，匚и1eИ匚0u • ^Sxs52cra qlo匚 a-qH ，工 emodndao」 o 上 la。a-qH ，工 BmodMwde '-J00ra5-Horace S5-TOIV-Ocom sssv-oursc ，二eiaw a-qH ，工 BmodMwda

工 oiag опф§^

e上nweda上 ■occrafc_2 snfal。 ao 工工 esodnwde 二 q ，№ ипе 工上 oo HWHfoahnwedaf a-q 工工 asodnwda

зелхафнгаг и 上。ahnnneLaw ,аид 二 qeLaw S5-TOXV-Ccom S5- фх^офтхесганфзфх a-qHHBBOdMwda

iquesda丄e内 аияээьииие1а|/\|

-qlnanda-Law -qHolag /amAdu BHSmad -qoowlaei/匚 BHUOamadu'q-ша 芝号 exnweda* /

-ql/esda-LE芝 asxoahsHe-ldo фз^офузхгаиаофх фз^офухселнфгф! ФЗ^ОФТЗС§НФ5- ra^saHTOS /х^сосл!

SHYleHsg 芝 е хи и тонхфхосго^ x-qHUOXOS BUSI 10 SFOO5-sosms m ① ol/esdale 芝 x-qHHOSTlsEOU 芝？ анпемифизем* V」Е^гшди

Керамика АрмированныеАрмированныеАрмироАрмированШинныйкерамическимикерамическимиванныйные волоккорд, словолокнами меволокнами керастеклян-нами лласт-истоеталлы и сверхмика, керамичесНЬ1МИмассь!.стеклотвердые сплавыкие шлифовал ьныебетоншлифовалькруги, фарфорные кругиКерамика АрмированныеАрмированныеАрмироАрмированШинныйкерамическимикерамическимиванныйные волоккорд, словолокнами меволокнами керастеклян-нами лласт-истоеталлы и сверхмика, керамичесНЬ1МИмассь!.стеклотвердые сплавыкие шлифовал ьныебетоншлифовалькруги, фарфорные кругина основена основе匚 endaiew asY°ahsHe」doa 工aY0ah匚匚 eiawaH匚 endaiew asY°ahsHe」doa 工aY0ah匚匚 eiawaHЦементы бетоныЦементы бетоныАсбобетоны, асбоцементныеАсбобетоны, асбоцементныеПолимербетоныПолимербетоныЛатексные клеиЛатексные клеипл итыпл итыДругие Самосмазывающие- материа- ся металлыДругие Самосмазывающие- материа- ся металлыАсбоцементные ПЛ ИТ ыАсбоцементные ПЛ ИТ ылылыПолимеры, наполненные гипсом, фрикционные материалыПолимеры, наполненные гипсом, фрикционные материалыРезины, наполненные сажейРезины, наполненные сажейДревесинаДревесина-q 匚endale2^sv*o^ysxEao-q 匚endale2^sv*o^ysxEaoГипсовые пл иты, древесноцементные плитыГипсовые пл иты, древесноцементные плитыДеворатив ные плиты, древесные пластики, наполненные пластДеворатив ные плиты, древесные пластики, наполненные пластмассымассыПласт- СамосмазывающиесяПласт- Самосмазывающиесямассы металлы, алюминиймассы металлы, алюминийполиэтиленовыеполиэтиленовыелистылистыДекораМногослойтивныеные пленки,плиты.трехслойныедревесплиты, синтеныетическаяДекораМногослойтивныеные пленки,плиты.трехслойныедревесплиты, синтеныетическаяпластики кожапластики кожаРезиныРезиныСополимеры акрилонитрила, бутадиена и стирола, сополимеры акриловой кислоты, акрилонитрила и стиролаСополимеры акрилонитрила, бутадиена и стирола, сополимеры акриловой кислоты, акрилонитрила и стиролаДругие материалыДругие материалыАрмирован- Шинный ные волокна- корд.Армирован- Шинный ные волокна- корд.КожаКожа

Керамика Армированные

Армированные

Армиро

Армирован

Шинный

керамическими

керамическими

ванный

ные волок

корд, сло

волокнами ме

волокнами кера

стеклян-

нами лласт-

истое

таллы и сверх

мика, керамичес

НЬ1МИ

массь!.

стекло

твердые сплавы

кие шлифовал ьные

бетон

шлифоваль

круги, фарфор

ные круги

Керамика Армированные

Армированные

Армиро

Армирован

Шинный

керамическими

керамическими

ванный

ные волок

корд, сло

волокнами ме

волокнами кера

стеклян-

нами лласт-

истое

таллы и сверх

мика, керамичес

НЬ1МИ

массь!.

стекло

твердые сплавы

кие шлифовал ьные

бетон

шлифоваль

круги, фарфор

ные круги

на основе

на основе

匚 endaiew asY°ahsHe」doa 工aY0ah匚匚 eiawaH

匚 endaiew asY°ahsHe」doa 工aY0ah匚匚 eiawaH

Цементы бетоны

Цементы бетоны

Асбобетоны, асбоцементные

Асбобетоны, асбоцементные

Полимербетоны

Полимербетоны

Латексные клеи

Латексные клеи

пл иты

пл иты

Другие Самосмазывающие- материа- ся металлы

Другие Самосмазывающие- материа- ся металлы

Асбоцементные ПЛ ИТ ы

Асбоцементные ПЛ ИТ ы

лы

лы

Полимеры, наполненные гипсом, фрикционные материалы

Полимеры, наполненные гипсом, фрикционные материалы

Резины, наполненные сажей

Резины, наполненные сажей

Древесина

Древесина

-q 匚endale2^sv*o^ysxEao

-q 匚endale2^sv*o^ysxEao

Гипсовые пл иты, древесноцементные плиты

Гипсовые пл иты, древесноцементные плиты

Деворатив ные плиты, древесные пластики, наполненные пласт

Деворатив ные плиты, древесные пластики, наполненные пласт

массы

массы

Пласт- Самосмазывающиеся

Пласт- Самосмазывающиеся

массы металлы, алюминий

массы металлы, алюминий

полиэтиленовые

полиэтиленовые

листы

листы

Декора

Многослой

тивные

ные пленки,

плиты.

трехслойные

древес

плиты, синте

ные

тическая

Декора

Многослой

тивные

ные пленки,

плиты.

трехслойные

древес

плиты, синте

ные

тическая

пластики кожа

пластики кожа

Резины

Резины

Сополимеры акрилонитрила, бутадиена и стирола, сополимеры акриловой кислоты, акрилонитрила и стирола

Сополимеры акрилонитрила, бутадиена и стирола, сополимеры акриловой кислоты, акрилонитрила и стирола

Другие материалы

Другие материалы

Армирован- Шинный ные волокна- корд.

Армирован- Шинный ные волокна- корд.

Кожа

Кожа

Продолжение табл. ЛЛ

Напол-\ Матрица МеталлическиеНеметаллические неорганическиеОрганические материалы

нитель \материалыматериалы

КерамикаЦементы, Древесина Пластмассы РезинаДругие

бетоныматериалы

термореактивных смол, дисперсно-наполненные пластмассы

ми пластмас- армирован-сы, пеноплас- ные покры-

тытытия

ты

ты

ленного в полимерной, металлической или другой матрице, и характером его распределения. 1)

Классификация композиционных материалов по свойствам наполнителей. В зависимости от свойств матрицы и наполнителя композиционные материалы подразделяются на различные группы. В их число входят конструкционные материалы, армированные волокнами. Настоящая книга почти целиком посвящена композиционным материалам, армиро-. ванным углеродными волокнами.

Классификация по типу наполнителя. Наполнители по их типу и форме можно условно классифицировать следующим образом: 1) порошкообразные наполнители, сплошные и полые микросферы и т. д.; 2) короткие (рубленые) волокна, нитевидные усы, элементарные волокна, волокнистые армирующие материалы; 3) объемные ткани; 4) газообразные наполнители для пенопластов и т. д.

Углеродными композитами можно назвать композиционные материалы, наполнитель для которых 一 углеродные частицы или волокна. Данная книга посвящена композиционным материалам, армированным углеродными волокнами; эти материалы лишь один из типов углеродных композитов. Наполнитель в виде волокон служит эффективным средством упрочнения материалов и поэтому называется армирующим наполнителем.

Особенности композиционных материалов, армированных углеродными волокнами

Классификация композиционных материалов, армированных волокнами

Терминология. Термин ^волокнистые композиционные матермалм” означает, что для упрочнения материала используются волокна. Поэтому их называют также композиционными материалами^ армированными волокнами. Свойства различных типов армирующих волокон перечислены в табл. 1.2. Как видно из таблицы все армирующие волокна обладают высокой прочностью; диаметр волокон обычно составляет 5 — 100 мкм. Сами волокна не используются для изготовления конструкций, изделий и т. д. Лишь соединяя их между собой с помощью полимерной, металлической или другой матрицы, можно получать композиционные материалы и изготавливать из них листы, трубы и другие изделия. Эти материалы и представляют собой волокнистые композиционные материалы, или армированные материалы. Для получения армированных углерод-

D В данном разделе автор не упоминает о разнообразных полимер-полимерных композициях и других композициоииых материалах. - Прим. ред.

2

OOL I 09OS I OSLCOL?

ZE

ZL I (

09: OL*g 〜

09 6・z 86L 06L， gL 09 L Le OOL 0Z OOL 96・L 08 gL OLL?e 09 〜 q:6

8? 9ZL oo 寸 e e* I &L I 8Z I 6Z 0596 066 0596 SkZ

SHHShOUOS'quB1-。 oe* na壮oloode*

SMHShOU 03。寸 dm ■WIBdclJquoB 0S& gwuvyAaM ow? 女工l匚工l?s

ESEULJQEd ей工 03寸2 ircbzm0口?310，3

(eН

，工0口09 Ф55c^§5 096L d^oozm^ аоо-ФЕ>

(EHNOUOS siHhodu 06寸6 -0工0工巴 BodsEA

96L 0寸62-0 导a

?8 9寸：E 8S I 0902

®rcsxio-^ 口直"工

&d ей «^^жгсьзш 3方工

*rcsxsBC« BMQNO ,d3du3H

2工2s 90L

•dlsweMU'/山

£й

E2。/」& q1。0Н10口匚

0。注 BE eol пинзиввии SHQOL л^^ьл&свн —AduA quABO

ELI2-b

MHHSMCnlQBd 工。MOUOS BslQBOSeModLJ ndu qlQOHhod 匚 юооосо и cas&HAS

工0工OLIOS

Продолжение табл. 1.2.

Тип волокон

Материал и способ производства волокон

Прочность при растяжении ст # МПа

Модуль упругости 103 ГПа

"Гемлература Плотность

"Р, 103 м

Е/Р, 106 м

Диаметр, мкм

Е, плавления

р, г/см3

Бериллий, волочение

Титан, волочение

1270

1670

245

137

1280

1800

4,5

70

40

14

3

100 - 250

С вольфра мовым сердечником диаметром около 13 мкм

Бор, химическое осаждение в газовой фазе

3330

392

2300

2.6

130

15

100 - 150

Бор с покрытием из карбиде кремния, химическое осаждение в газовой фазе

3040

392

2690

2,7

115

15

100 - 150

Карбид кремния, химическое осаждение в газовой фазе

2650

392

2690

3.5

80

11

100

Волокна Borsic,

2350

392

2450

2,7

90

15

70 - 100

химическое осаждение в газовой фазе

Углеродные эпе-

1960

147

3650

1.9

105

8

70

ментарные волокна, химическое осаждение в газовой фазе

С сердечником из углерода

Бор, химическое осаждение в газовой фазе

2350

—

2300

2,2

110

—

110

Нитевидные

А12°3

20600

421

2040

3,96

530

11

2-10

усы

ВеО

12 700

343

2570

2.85

457

12

10-30

В4c

13 700

480

2450

2,52

555

19

SiC

20 600

480

2690

3,18

660

15

1-3

Si3N4

13 700

377

1900

3,18

440

12

С

19 600

700

3650

1,66

1200

43

Сг

8820

245

1890

7,20

125

3,5

Си

2940

123

1080

8*92

34

1.4

Fe

12700

196

1540

7,83

166

2.6

Ni.

3820

216

1455

8,98

434

2,5

аВолокна марки "Никалон" (фирма "Нихон кабон")- ^ Производство фирмы Du Pont.® Пучок из 10 000 элементарных волокон.\

1^ Значение прочности волокон KEVLAR-49 представл яется заниженным (см” например, табло 8。1) — При м. ред.

ными волокнами термопластов (разд. 3.1.2) чаще всего используются не непрерывные, а короткие (рубленые) углеродные волокна. При этом тоже происходит упрочнение материалов волокнами, хотя короткие волокна располагаются в объеме (или в слоях) материала, как правило, хаотично.

Классификация композиционных материалов, армированных ео；/ок・ ками. Композиционные материалы, армированные волокнами, D можно классифицировать, как показано на рис. 1.4. Не все обозначения, приведенные на рисунке, являются общепринятыми. Например, часто используют вместо CFRTS обозначение CFRP , и буква Р соответствует всем пластмассам, а не только термореактивным смолам. Первоначально обозначение CFRP соответствовало армированным пластмассам на основе термореактивного связующего. В настоящее время в качестве связующего по-прежнему чаще используются термореактивные смолы. Поэтому в большинстве случаев обозначения С FRP и CFRTS сщпают идентичными. В настоящей книге мы будем стремиться пользоваться наиболее корректными обозначениями.

Классификация 〃〃 типу волоконОбщая классификацияКлассификация 〃〃 типу волоконОбщая классификацияклассификация

Классификация 〃〃 типу волокон

Общая классификация

Классификация 〃〃 типу волокон

Общая классификация

〃〃 типу матрицы

Промежуточная Детальнаяклассификация плассисрикаци я

CFPPCFPPCFRMCFRMCFRTS•CFRTPCFRTS•CFRTPCF/EP “ тВ.CF/EP “ тВ.CF/AI и m3.CF/AI и m3.

CFPP

CFPP

CFRM

CFRM

CFRTS

•CFRTP

CFRTS

•CFRTP

CF/EP “ тВ.

CF/EP “ тВ.

CF/AI и m3.

CF/AI и m3.

Рис. 1. 4. Классификация композиционных материалов, армированных волокнами.

FRCM — композиционные материалы, армированные волокнами; GFRCM — композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами; CFRCM — композиционные материалы, армированные углеродными волокнами; BFRCM — композиционные материалы, армированные борными волокнами; AFRCM — композиционные материалы, армированные арамидными волокнами; CFRP —. углепластики; CFRTS — термореактивные смолы, армированные углеродными волокнами; CFRTP - термопласты, армированные углеродными волокнами； CF/ ЕР — эпоксидные углепластики； CF/AI — композиционные материалы на основе алюминия и углеродных волокон.

1)В отечественной литературе чаще пользуются термином "армированные пластики", реже 一 ,,волокнитьГ,. - Прим. ред.

Теперь рассмотрим обозначения TS и ТР в форме, доступной для технологов нехимического профиля. Пластмассы делятся на термореактивные смолы (TS) и термопластичные смолы (ТР). Если провести реакцию отверждения и затем нагреть термореактивную смолу, то она не будет плавиться и размягчаться. Напротив, термопластичные смолы, переведенные путем нагрева в жидкое состояние, при последующем охлаждении обратимо переходят в твердое состояние. Из термореактивных смол, используемых в качестве связующих для армированных пластмасс, применяют главным образом эпоксидные смолы и в некоторых случаях ненасыщенные полиэфирные смолы. Существует много термопластичных смол (разд. 3.1.2). В качестве матриц дляCFRM можно использовать различные металлы, но в настоящее время чаще всего применяют алюминий и магний. Наиболее распространенный тип металлоком- позитов — материалы с алюминиевой матрицей.

Характеристики материалов

Характеристики композиционных материалов, армированных во- локнами. В табл. 1.2 приведены свойства различных типов армирующих волокон. На рис. 1.5 сопоставляются удельная прочность (отношение

Удельная прочность при растяжении $/р、Л7км14 12 10 8 5 4 2 0Удельная прочность при растяжении $/р、Л7км14 12 10 8 5 4 2 0сдельный модуль упругости

Удельная прочность при растяжении $/р、Л7км

14 12 10 8 5 4 2 0

Удельная прочность при растяжении $/р、Л7км

14 12 10 8 5 4 2 0

О 2 4 6 8 10 1216 18

~~—I~I~I~Г—г

Z5 匸二 Мартенситная сталь /Найлон, армированный 立 О К»??? углеродными волоннами

勿*

а"丿丿丿丿"丿〃 хзПоисидный

£2 li^^^^^ стемлоп/юстим

а , v)〃〉))o))). /Эпоксидный

2,4

л в vwwwwww^noxcudHa^ ,“口

*ирмир.оилопнами XEVLAR

73 〃”〃WWW^WZW勿 /Зпокмон尹 см叫 армированная ВыСО^о- _прочными углеродными

g п и〃〃〃〃/〃〃/〃〃, ^ол^нама

'^Эпоксидная смола, ар- 夕4勿〃 миробанка* бь!со^омо- / оволокнами/

”①С/А1

50

16

/「/〃〃////〃/〃 入_

£ 0 弘力В/Д1._ -

' углеродистая

3 匚二 сталь

=12夕

^Высокопрочный алю- минирвый сп4&81 Z 夕

尸〃с. J. 5. Удельная прочность и удельный модуль упругости различных однонаправленных армированных материалов [2].

Табпица 1.3. Свойства однонаправленных армированных пластиков на основе эпоксидной матрицы

Характеристика3

Стеклопластики п

Угле- Пластмассы(

пластики

армированные арамидными волокнами

Плотность, г/см3

2,07

1,52

1,38

Прочность при растяжении вдоль волокон, МПа

1080

1670.

1370

Прочность при растяжении поперек волокон, МПа

34,3

41.2

27,5

Модуль упругости при растяжении вдоль волокон, ГПа

39,2

130,0

75*5

Модуль у叩у「ости при растяжении поперек волокон, ГПа

8,9

6,2

5,5

Прочность 叩и сжатии вдоль волокон, МПа

590

1100

275

Прочность при сжатии поперек волокон, МПа

137

137

137

Прочность лри внутрислоевом сдвиге, МПа

62

62

44

Прочность лри межслоевом сдвиге, МПа

78

98

69

Модуль сдвига, ГПа

3,4

4,8

2.1

Коэффициент Пуассона

0,30

0,25

0,34

Характеристики материалов зависят от типа армирующих волокон и типа полимерной матрицы, а также от технологии формования материала.

В таблице 叩ивеАенм характеристики одного и того же материала, !) Речь, по-видимому, идет о стеклопластиках из стекла Ео — Прим. ред.

прочности при растяжении % к удельному весу р) и удельная жесткость (отношение продольного модуля упругости Е к удельному весу р) различных однонаправленных материалов на их основе [2] . На рисунке подчеркнуты названия и обозначения однонаправленных армированных материалов с высокими удельными характеристиками.

Если взять за основу армирование в одном направлении и комбинировать его с армированием в других направлениях, то можно получать многослойные материалы с заранее заданными свойствами. Физические

свойства получаемого материала можно варьировать также путем изменения содержания армирующих волокон. У армированных волокнами однонаправленных материалов прочность и модуль упругости в направлении, перпендикулярном волокнам, меньше их величин в направлении, параллельном волокнам. При расчете металлических материалов в качестве критерия разрушения используют напряжения в направлении, которое может отличаться от направления армирования. Для углепластиков модуль упругости полимерной матрицы мал, и при сжимающей нагрузке разрушение происходит вследствие изгиба, волокон. Поэтому, как следует из данных, приведенных в табл. 1.3, прочность при сжатии однонаправленных армированных материалов гораздо ниже их прочности при растяжении^).

Пластмассы и материалы, армированные волокнами. В зависимости от типа армирующего материала, армированные волокнами пластмассы и металлы имеют различные свойства. Достоинства и недостатки таких материалов перечислены в табл. 1.4 [2].

Композиционные материалы, армированные углеродными волокнами. Армированные углеродными волокнами композиционные материалы в зависимости от типа матрицы делятся на армированные пластмассы и армированные металлы. Рассмотрим их особенности на примере широко применяемых на практике углепластиков. Как следует из данных, приведенных в табл. 1.1, среди всех армирующих волокон только арамидные волокна имеют плотность, меньшую плотности углеродных волокон. Но высокопрочные углеродные волокна прочнее арамидных, а высокомодульные углеродные волокна имеют модуль упругости, близкий к модулю упругости борных волокон. Поэтому именно углеродные волокна нашли широкое применение в конструкциях, которые должны иметь ограниченный вес. Среди всех армированных пластмасс углепластики обладают наиболее высокими стойкостью к усталостным испытаниям и долговечностью. Углепластики хорошо проводят электрический ток и могут использоваться для изготовления плоских нагревательных панелей. Углепластики плохо пропускают рентгеновские лучи. Они име- ют очень низкий коэффициент линейного расширения и оказываются наиболее подходящими материалами для конструирования космических аппаратов, подвергающихся значительным перепадам температур между солнечной и теневой сторонами. В то же время они хрупки м обладают низкой ударной прочностью. Поэтому во многих случаях предпочти-

D Прочность этих материалов и характер их разрушения при сжатии зависят от многих факторов, например диаметра волокон, условий приготовления и испытания образцов и г. п. - Прим. ред.

Табпица 7.4, Достоинства и недостатки пластмасс и металлоа, армированных волокнами [21

Пластмассы, армированные

Металлы, армированные

аолокнамиаолокнами

аолокнами

аолокнами

волокнами

лтниххоьоост-лтниххоьоост-HX-LP-LOOU①工HX-LP-LOOU①工

лтниххоьоост-

лтниххоьоост-

HX-LP-LOOU①工

HX-LP-LOOU①工

1。Хороший внешний вид

2・ Возможность формования при комнатной температуре

Высокая химическая и коррозионная стойкость

4。Хорошие изолирующие свойства

5。Возможность склеивания

6。Прозрачность для электромагнитных волн

Прозрачность для види мого света

Возможность одностадийного формования изделия

Легко возникают дефекты на поверхности

2。Недостаточная теплостойкость

Недостаточно высокая усталостная прочность

4< Недостаточно высокая прочность л ри межслоевом сдвиге

Продолжительный цикл формования

> Хорошая поверхность и твердость

2“ Возможность экструзии, вытяжки и других методов переработки

Высокая атмосферостой- кость

Высокие электро- и теплопроводность

Возможность Диффузионной сварки

6。Высокая прочность л ри межслоевом сдвиге

7。Высокая прочность в поперечном на叩авлении

Высокая теплостойкость

1> Высокие температура и давление формования

2。Трудность формования

3» Невозможность примененияобычных методов сварки

Требуются дополнительные расчеты мест соединения

Затруднено регулирование реакций на поверхности раздела волокио-металл

тельнее использовать их в гибридных композиционных материалах вместе со стеклянными, арамидными и другими волокнами. Углепластики могут разрушаться при ударе молнии. Поэтому необходимо принимать соответствующие контрмеры. Стеклопластики прозрачны для видимого света, а углепластики имеют черный цвет и непрозрачны.

Углеродные волокна — дорогостоящий материал (в 1983 г. стоимость высокопрочных углеродных волокон составляла около 1500 иен/кг).

Промышленное производство углеродных волокон впервые было осуществлено с использованием высокотемпературной обработки вискозы. В Японии проф. Синдо (автором гл. 2) был разработан метод производства углеродных волокон из полиакрилонитрила. Этот метод в настоящее время является основным. В последнее время разработан промышленный метод получения пековых углеродных волокон. Работы по улучшению характеристик углеродных волокон и на основе полиакрилонитрила, и на основе пеков продолжаются, в том числе в направлении совершенствования технологии их производства. Характеристики углеродных волокон неуклонно улучшаются, в то время как свойства других армирующих материалов остаются на постоянном уровне.О

При армировании металлов углеродные волокна подвергаются взаимодействию с расплавленными металлами. Поэтому, как отмечается в гл. 7, на них необходимо наносить слой TiB методом химического осаждения в газовой фазе. Однако проблему защиты углеродных волокон нельзя считать окончательно решенной. '

Наиболее распространенным типом армированных волокнами пластмасс являются стеклопластики. В 1940-х годах впервые началось промышленное производство стеклопластиков на основе ненасыщенных полиэфирных смол, армированных стеклянными волокнами. Много позже, в 1959 г., фирмой UCC (США) был разработан метод получения высокопрочных углеродных волокон путем высокотемпературной обработки вискозы, а в 1965 г. — метод получения высокомодульных углеродных волокон. Это в известной мере стимулировало работы проф. Синдо, направленные на создание метода получения углеродных волокон из полиакрилонитрила (1959 г.). Впоследствии этот процесс был модернизирован Королевским авиационным научно-исследовательским институтом (Великобритания), и в 1965—1966 годах был освоен промышленный выпуск углеродных волокон фирмами Cortoulds (Великобритания) и Hercules (США), а также японских высокомодульных и высокопрочных волокон (фирма 'Торз"). За несколько лет до этого фирмой UCC (США) был разработан метод промышленного производства высокомодульных углеродных волокон из нефтяных пеков..

Таким образом, годом рождения углепластиков можно считать 1965 г. За истекший период достигнут высокий уровень качества угле-

1)С этим трудно согласиться, так как такая же тенденция наблюдается, например, для арамидных волокон. 一 Прим. ред.

пластиков. Материалы на основе металлов, армированных углеродными волокнами, пока еще находятся в стадии разработки. Но вслед за разработкой новых углеродных волокон и новых углепластиков значительное развитие получат и армированные углеродными волокнами металлы.

Тем не менее композиционные материалы на основе углеродных волокон все еще являются сравнительно новыми материалами. При их применении на практике необходимо проявлять гибкость. При этом необходимо также иметь в виду, что углеродные волокна постоянно совершенствуются.

Литература

D 島村昭治：日本機械学会論文集，435 （1982^11）, 1367.

2）島村昭治（編）：未来在拓《先端材料，工業調査会（1982）

3）島村昭治：複合材料G4士玄J産業図書（1982）.

ПОЛУЧЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН И ИХ СВОЙСТВА

Армированные пластмассы представляют собой полимерную матрицу, упрочненную волокнами. Свойства армированных пластмасс определяются прежде всего характеристиками армирующих волокон, в том числе углеродных. Техника получения волокнообразного углерода путем прокаливания хлопчатобумажной нити известна еще со времени изобретения лампы накаливания. В Японии был разработан метод получения углеродных волокон путем высокотемпературной обработки волокон из полиакрилонитрила. Эту разработку стимулировала перспектива улучшения свойств пластмасс путем армирования их углеродными волокнами; в результате были созданы современные промышленные материалы с улучшенными свойствами и структурой. Важным направлением материаловедения является также сочетание углеродных волокон с металлической матрицей.

Типы углеродных волокон

Углеродные волокна можно получать из многих полимерных волокон [1] . В этой главе мы рассмотрим вопросы получения и свойства выпускаемых в промышленном масштабе волокон, в частности высококачественных углеродных волокон. В зависимости от режима термообработки углеродные волокна подразделяются на карбонизованные и графитизированные. Вследствие различия их кристаллического состояния первые называют карбоновыми или углеродными, а вторые 一 гра- фитовыми.^) По физическим характеристикам они подразделяются на высококачественные и низкокачественные (низкосортные) углеродные волокна. К высококачественным волокнам относятся: 1) высокопрочные углеродные (I) и высокомодульные графитовые (II) волокна, углеродные волокна с повышенной прочностью и удлинением (III) [на основе полиакрилонитрила (ПАН) ] ; 2) высокомодульные графитовые волокна (IV) [на основе жидкокристаллических (мезофазных) пеков]. К низкосортным волокнам или волокнам общего назначения относятся: 1) низкографитизированные углеродные (V) и графитовые (VI) волокна и материалы (на основе ПАН); 2) низкографитизированные углеродные (VII) и графитовые (VIII) волокна и материалы (на основе обыч-

1)Некоторые авторы называют оба типа волокон одним термином "углеродные волокна"; этим термином мы будем пользоваться в дальнейшем изложении.- Прим. ред.

Габпица 2.1. Типы углеродных волокон

Режим термообработки; крис- таппичес-

КарбонизацияГ рафитизация

(800 - 1500 ℃);(2000 - 3000 °C);

углеродграфит

кое состояние

Основа для получения волокон

Полиакрилонитрильное волокно

I. Высокопрочные3 IL Высокомодупьныеа

1IL Волокна с высоким удлинением3

У Низкографитизи- VI. Низкографитизирован- рованные волокнаные волокна и мате-

и материалы^риалы

Жидкокристаллический

IV. Высокомодупьные3

пек

Обычные пекив

VIIj VIII. Низкографитизированные волокна и материалы

а Высококачественные углеродные волокна.

Низкографитизированные волокна с пониженными прочностью и модулем упругости.

вИзотропные волокна.

ных пеков) (табл. 2.1). Для массового производства весьма перспективными являются углеродные волокна на основе пеков, причем волокна на основе обычных пеков являются низкосортными и изотропными, а на основе жидкокристаллических пеков - высококачественными и анизотропными.

Между углеродными волокнами из ПАН и из пеков имеются существенные различия в структуре и механических свойствах, и поэтому ниже будет специально указываться, на какой основе полнены волокна. Следует отметить также, что среди высококачественных углеродных волокон (высокопрочных и высокомодульных) существуют различные типы волокон, отличающиеся по прочности и модулю упругости; фирмы-изготовители присваивают таким волокнам разные марки (табл. 2.2). Высококачественные волокна могут изготавливаться в виде нитей или

На основе ПАН

"Торэи

Hercules (США)

"Тохо бэсурон "

UCC (США)

"Нихон кабон"

п Асахи нихон к а-

Celanese (США)

бон файба"

HITOCO (США)

"Мицубиси рэён"

Great Lakes

Carbon (США)

"Сумитомо кагаку',а

Stackpole Carbon

Fibers (США)

На основе

"Курэха кагаку"

Courtaulds

обычных пеков

(Великобритания) Serofim (Франция) Sigri (ФРГ)

На основе жидкокристаллических пеков

UCC (США)

Тип углеродных Японские Фирмы

Зарубежные фирмы

а Планируется выпуск углеродных волокон.

жгутов, состоящих из 1000, 3000,6000, 10 000 и большего числа элементарных непрерывных волокон. Кроме того, выпускаются ткани из этих волокон, а также жгуты, состоящие из еще большего числа элементарных волокон. При использовании углеродных волокон для армирования пластмасс проводят обработку их поверхности с целью улучшения взаимодействия волокон и матрицы. С этой же целью, а также для улучшения технологических свойств нитей и жгутов и эксплуатационных характеристик углепластиков поверхность волокон подвергается шлихтованию или аппретированию. Для армирования термопластичных матриц используют рубленые волокна размером от нескольких миллиметров до 1—2 см」)Углеродные волокна на основе обычных пеков представляют собой пучки из множества элементарных волокон длиной до 20-30 см и диаметром от долей микрометра до нескольких микрометров или образуют хлопкообразный мат с хаотичным расположением волокон.

1)В последнее время появилось довольно много термопластичных материалов, армированных непрерывными углеродными волокнами. - Прим. ред.

В зависимости от типа сырья для производства углеродных волокон, режимов и условий их термообработки они имеют различные прочность, модуль упругости и другие характеристики. С учетом значительного многообразия различающихся по свойствам углеродных волокон в работе [2] предложено обозначать буквами UXYV соответственно режим термообработки, тип исходного сырья, прочность и модуль упругости углеродных волокон. Буква U (вместо U может стоять С или G) обозначает степень графитизации (в соответствии с режимом термообработки), причем значок С соответствует углеродным волокнам, a G - графитовым. Буква X характеризует прочность при растяжении (в мегапаскалях), которая подразделяется на 1500 единиц. БукваУ характеризует модуль упругости при растяжении ( в гигапаскалях), который подразделяется на 150 единиц, а V характеризует тип исходного сырья для получения углеродных волокон: индекс R соответствует вискозе, А — полиакрилонитрилу, Р — пеку.

Производство углеродных волокон

Углеродные волокна получают из волокон полиакрилонитрила, жидкокристаллических пеков и обычных пеков.1)В произ в одств енном процессе превде всего изготавливаются исходные волокна, которые затем нагревают в воздушной среде до температуры 200 一 300 °C. Этот процесс для волокон из ПАН называют предвзрительной обработкой или обработкой для придания огнестойкости, а для пековых волокон — обработкой для придания неплавкоети. В ходе такого процесса происходит частичное окисление углеродных волокон. Затем окисленные волокна подвергаются высокотемпературному прогреву. Процесс прогрева в зависимости от режима может привести к карбонизации или графитизации волокон. На заключительной стадии процесса осуществляют обработку поверхности карбонизованных или графитизированных волокон, после чего поверхность подвергают аппретированию или шлихтованию (рис. 2.1).

Окисление в воздушной среде придает волокнам огнестойкость за счет частичного дегидрирования или окисления, межмолекулярного сшивания и других процессов. При этом повышается стойкость волокон к плавлению при прогревании и сдерживается чрезмерное удаление атомов углерода. В процессе карбонизации по мере роста температуры происходит газификация и удаление всех атомов органического полимера, за исключением атомов углерода. Образовавшиеся углеродные волокна

1)Автор в данном контексте опустил использование в качестве исходного сырья вискозных волокон. - Прим. ред.

/ Аппретирован ие ) [〃々〃 шлихтование /

а

/ Аппретирование \ \цли зихЕоВаниб

рис. 2. /. Стадии производства углеродных волокон иа основе ПАН (а), жидкокристаллических ⑹ и обычных (в) пеков.

состоят из фрагментов полициклических ароматических молекул, имеющих плоскую шестиугольную сотовую структуру. В процессе графитизации накапливаются ароматические фрагменты. При этом повышаются модуль упругости и электропроводность волокон.

Углеродные волокна на основе полиакрилонитрила

На стадии предварительной обработки волокна ПАН прогревают при температуре 200 — 300 °C в воздушной среде (после этого они становятся черными). Затем проводят карбонизацию этих волокон в среде азо-

та при температуре 1000 一 1500 °C. Оптимальная температура прогрева для получения углеродных волокон с высокими прочностью и удлинением составляет, по-видимому, 1200 - 1400 °C. Выс ок ом од ульны е углеродные волокна получают при более высокой температуре — около 2500 °C. В процессе предварительной обработки (рис. 2.2) волокна ПАН окисляются и приобретают лестничную структуру [3] . Лестничная структура возникает в результате внутримолекулярной конденсации в процессе карбонизации; при этом образуется полициклическое ароматическое химическое соединение. По мере повышения температуры увеличивается и доля циклических структур. В волокнах, прошедших все стадии температурной обработки, молекулы или ароматические фрагменты расположены таким образом, что главные оси молекул или циклических структур параллельны оси волокон [4] . В процессе прогрева создается натяжение волокон, так что степень их ориентации не снижается. Наиболее важно поддерживать натяжение волокон на стадаи их предварительной обработки. На рис. 2.3 показано, что по мере увели-

Н

2 、

НС:

ус ， нс—с

I

Н

С

* ВозОушная среда (тем- он перитури、』&( 200也叫 I

/〜N丿

Карбони-

Продукт конденсации ароматических молекул

зация

ои

I I

/Can，C0

н

Леет,ницнаяструктура

Рис. 2. 2. Схема превращения молекул ПАН в молекулы с лестничной структурой и конденсированные ароматические молекулы в процессе предварительной обработки и карбонизации.

180180160160-20 一加 少 勿Изменение длины, %-20 一加 少 勿Изменение длины, %77eu-UEJO-QHA qq-QWeu-UEJO-QHA qq-QW

180

180

160

160

-20 一加 少 勿

Изменение длины, %

-20 一加 少 勿

Изменение длины, %

7

7

eu-UEJO-QHA qq-QW

eu-UEJO-QHA qq-QW

Рис. 2. 3. Зависимость модуля упругости волокон от изменения их длины [5 ].

1 — углеродные волокна после прогрева при температуре 1200 С; 2 — предварительно обработанные волокна.

чения степени натяжения волокон ПАН при указанной предварительной обработке возрастает их модуль упругости и соответственно увеличивается модуль упругости углеродных волокон [5].

Обычно исходные волокна ПАН содержат несколько процентов привитых мономеров. В зависимости от их содержания изменяется характер термического разложения волокон ПАН. Наличие примесей приводит к замедлению образования лестничной структуры на стадии предварительной обработки волокон или к уменьшению скорости образования сшитой молекулярной структуры. Поэтому огнестойкость углеродных волокон зависит от содержания привитых мономеров в исходных волокнах ПАН. Разумеется, необходимо выбрать подходящие условия предварительной обработки для каждого типа волокон ПАН. Это связано с определенными трудностями, так как термическая обработка влияет на прочность при растяжении и другие характеристики углеродных волокон. Поэтому фирмы-изготовители углеродных волокон используют в каждом отдельном случае соответствующие волокна ПАН.

Рассмотрим влияние условий получения углеродных волокон на их механические свойства. Модуль упругости углеродных волокон возрастает с увеличением температуры прогрева (рис. 2.4) [6] . Прочность при растяжении возрастает с ростом температуры прогрева на стадии карбонизации и снижается на стадии графитизации (рис. 2.5) [6] . Улучшение свойств в процессе карбонизации связывают с ростом ароматических фрагментов, из которых состоят углеродные волокна, с процессом взаимного сшивания этих фрагментов, повышением степени ориентации, усложнением текстуры волокон и другими факторами. Снижение прочности в процессе дальнейшего повышения температуры происходит вследствие порообразования, связанного с выделением газов при реакции неор-

дООдОО200100200100400 SOO 120016002000 %勿 2600Температура прогр&Ва, ℃400 SOO 120016002000 %勿 2600Температура прогр&Ва, ℃Рис. 2. 4. Зависимость модуля упругости при растяжении углеродных волокон на основе ПАН от температуры прогрева [6].Рис. 2. 4. Зависимость модуля упругости при растяжении углеродных волокон на основе ПАН от температуры прогрева [6].еи」Jdu тиао2AdиА q'倉三еи」Jdu тиао2AdиА q'倉三Рис. 2. 5. Зависимость прочности при растяжении углеродных волокон на основе ПАН от температуры прогрева (дов ерительныЙ интервал рассчитан с вероятностью 95%) [6].Рис. 2. 5. Зависимость прочности при растяжении углеродных волокон на основе ПАН от температуры прогрева (дов ерительныЙ интервал рассчитан с вероятностью 95%) [6].

дОО

дОО

200

100

200

100

400 SOO 120016002000 %勿 2600

Температура прогр&Ва, ℃

400 SOO 120016002000 %勿 2600

Температура прогр&Ва, ℃

Рис. 2. 4. Зависимость модуля упругости при растяжении углеродных волокон на основе ПАН от температуры прогрева [6].

Рис. 2. 4. Зависимость модуля упругости при растяжении углеродных волокон на основе ПАН от температуры прогрева [6].

еи」

Jdu тиао2AdиА q'倉三

еи」

Jdu тиао2AdиА q'倉三

Рис. 2. 5. Зависимость прочности при растяжении углеродных волокон на основе ПАН от температуры прогрева (дов ерительныЙ интервал рассчитан с вероятностью 95%) [6].

Рис. 2. 5. Зависимость прочности при растяжении углеродных волокон на основе ПАН от температуры прогрева (дов ерительныЙ интервал рассчитан с вероятностью 95%) [6].

ганических примесных частиц с углеродом. На рис. 2.6 приведены зависимости прочности при растяжении от температуры прогрева для углеродных волокон, полученных из обычных волокон ПАН, в сравнении с углеродными волокнами на основе волокон ПАН, полученных прядением в особо чистых условиях из прядильного раствора, из которого специальным фильтрованием удалены примесные частицы [7] . Как следует из данных, приведенных на рис. 2.6, примесные частицы сильно влияют на прочность при растяжении углеродных волокон.О Используя волокна ПАН, внутри которых не содержится примесных частиц и поверхность которых не загрязнена, можно увеличить прочность углеродных волокон. Таким образом, прочность при растяжении углеродных волокон в значительной мере определяется наличием дефектов, и поэтому на всех этапах их производства (получения исходных волокон ПАН, термообработки, поверхностной обработки и т. д.) следует предотвращать возможность образования неорганических примесных включений, появление и развитие пор и других дефектов.

1)Этот эффект проявляется в процессе карбонизации, т. е. при прогреве до 1500°<.- Прим. ред.

Температура 门роарвб口：弋Температура 门роарвб口：弋

Температура 门роарвб口：弋

Температура 门роарвб口：弋

Рис. 2.6. Влияние температуры прогрева на прочность при растяжении углеродных волокон на основе волокон ПАН, полученных при различных условиях прядения из расплава [7].

丿一прядение из профильтрованного прядильного раствора в особо чистом помещении； 2 — прядение из нефильтрованного прядильного раствора в особо чистом помещении; 3— прядение из профильтрованного прядильного раствора в обычной воздушной ср еде; 4 — прядение из нефильтрованного прядильного раствора в обычной воздушной среде.

Углеродные волокна на основе жидкокристаллических пеков

Углеродные волокна на основе жидкокристаллических пеков получают из нефтяных пеков. Если выдерживать такие пеки в течение длительного времени при температуре 350 — 400 °C, то происходит реакция конденсации полициклических ароматических молекул, из которых состоят пеки, увеличивается их молекулярная масса и последующее объединение молекул приводит к образованию сферолитов. При дальнейшем прогреве происходит увеличение молекулярной массы, рост сферолитов и формируется непрерывная жидкокристаллическая фаза. Жидкие кристаллы обычно нерастворимы в хинолине и пиридине, но можно получить и жидкие кристаллы, растворимые в хинолине. Волокна на основе жидкокристаллических пеков, содержащих 55—65% жидких кристаллов, характеризуются пластическим течением [8] . Прядение осуществляют при температуре расплава 350 - 400 °C. Если волокна на основе жидкокристаллических пеков нагревать сначала в воздушной среде при температуре 200 — 350 °C и затем в инертной атмосфере, то образуются углеродные волокна с высокоориентированной структурой (рис. 2.1, б) Температура прогрева углеродных волокон марки THORNEL Р-55 составляет около 2000 °C. Волокна с более высоким модулем упругости получают при еще больших температурах. Производству жидкокристаллических пеков для углеродных волокон с использованием в качестве сырья нефти и каменного угля посвящено значительное количество научных работ. В частности, обращают на себя внимание процессы с использованием стадии гидрирования. Например, волокна можно получать, проводя гидрирование каменноугольных пеков и нафталовой смо- лы в присутствии тетрагидрохинолина при температуре 380 - 500 °C, Удаляя при этом фильтрованием и центрифугированием твердые приме-

си и регенерируя тетрагидрохинолин. Затем, повышая температуру, проводят сгущение пеков [9] . Кроме того, известен метод гидрирования нефтяных пеков с использованием гидрированных ароматических углеводородов [10].

Когда на поперечном срезе углеродных волокон на основе жидкокристаллических пеков наблюдается некоторое изменение ориентации поверхности, состоящей из сетки ароматических фрагментов, она принимает вид классической радиальной структуры с расходящимися от центра лучами; в процессе термообработки происходит частичное разрушение волокон в направлении прядения, что отмечается появлением клина на поперечном сечении волокна. Этот процесс влияет на механические характеристики углеродных волокон, и поэтому им необходимо управлять [11] . Например, можно варьировать температуру прядения в зависимости от типа пеков [9] . Волокна на основе жидкокристаллических пеков весьма хрупки и требуют осторожного обращения. Поэтому для производства из них непрерывных углеродных волокон требуется специальная технология.

Изменение прочности волокон при повышении температуры прогрева происходит аналогично тому, как это имеет место для углеродных волокон на основе ПАН, но максимум прочности наблюдается при более высоких температурах [12] . Прочность при растяжении волокон из пека, так же как и волокон на основе ПАН, сильно зависит от наличия дефектов [12] . Поэтому необходимо эффективно препятствовать их образованию. При прядении волокон иэ жидкокристаллических пеков легко происходит склеивание волокон между собой [11]. Для предотвращения этого процесса необходимо использовать специ- альную технику.

Углеродные волокна на основе обычных пеков

Пековые волокна получают также прядением из расплава нефтяных пеков, но при иных условиях. Температуру прядения выбира- ют в зависимости от температуры их размягчения. При температуре плавления пеков 200 °C прядение осуществляют при температуре около 250 °C [13] . В процессе прядения эа счет центробежных сил из сопла формуют короткие пековые волокна длиной 20— 30 см. Для придания неплавкости пековым волокнам их выдерживают в воздушной среде при температуре 200 - 350 °C, причем нагревание начинают при температуре меньшей, чем температура размягчения, а затем постепенно повышают температуру. Обработанные таким образом волокна прогревают затем в инертной атмосфере при температуре приблизи* тельно 1000 или 2000 °C. Отметим, что пековые волокна также можно получать из каменноугольных пеков.

Обработка поверхности углеродных волокон

Обработка поверхности волокон, используемых для армирования пластмасс. Чтобы армированные углеродными волокнами пластмассы, т. е. углепластики, обладали высокими механическими характеристиками, необходимо обеспечить прочность адгезионной связи между углеродными волокнами и полимерной матрицей, достаточную для передачи напряжения от волокна к волокну. Однако поверхность углеродных волокон, образовавшихся в процессе карбонизации или графитизации, характеризуется слабой адгезией к ней полимерной матрицы. Следовательно, при использовании углеродных волокон для армирования пластмасс необходимо проводить обработку их поверхности с целью повышения адгезии. Обработка поверхности представляет собой обычно слабое окисление поверхности волокон, не снижающее их прочностных характеристик. Окисление осуществляют, например, в жидкости электролитическим методом [14] J)

Адгезия на границе раздела углеродное волокно 一 полимерная матрица определяется следующими факторами: 1) механическими связями вследствие проникновения полимера в шероховатости поверхности волокон; 2) химическими связями между поверхностью углеродных волокон и полимерной матрицей; 3) физическими связями (обусловленными силами Ван-дер-Ваальса). Основными являются факторы 1 и 2. Образование химических связей в системе углеродное волокно — полимерная матрица определяется химически активными функциональными группами на поверхности углеродных волокон. Эти функциональные группы связываются с атомами углерода соседних ароматических фрагментов. По мере увеличения числа таких атомов углерода усиливается химическая связь между углеродным волокном и полимерной матрицей. В реальном случае при обработке поверхности возрастает число кислотных функциональных групп и соответственно повышается прочность углепластика при межслоевом сдвиге (рис. 2.7) [15] . При использовании высокомодульных углеродных волокон адгезия на границе раздела волокно — полимер определяется преимущественно механическими связями вследствие шероховатости поверхности углеродных волокон этого типа [16].

Обработка поверхности волокон, используемых для армирования металлов. Для введения в металлы углеродных и других волокон часто используют метод нанесения на их поверхность расплава металлической матрицы. Однако углеродные волокна плохо смачиваются жидкими

1)Известны и другие методы окисления - например в среде озона,с помощью холодной плазмы и т. п. - Прим. ред.

10080100806060勿 20Концентрация кислотных групп} /о "5 экви валент /г勿 20Концентрация кислотных групп} /о "5 экви валент /гтаи 工，32ng9J wogaolfowaz ndu qEJOHhQduтаи 工，32ng9J wogaolfowaz ndu qEJOHhQdu

100

80

100

80

60

60

勿 20

Концентрация кислотных групп} /о "5 экви валент /г

勿 20

Концентрация кислотных групп} /о "5 экви валент /г

таи 工，32ng9J wogaolfowaz ndu qEJOHhQdu

таи 工，32ng9J wogaolfowaz ndu qEJOHhQdu

Рис. 2. 7. Зависимость прочности при межсловном сдвиге углепластика от концентрации кислотных групп на поверхности углеродных волокон [15].

сплавами на основе А1 и других металлов. Поэтому необходимо улучшать их смачиваемость. Для этой цели служит тонкая пленка ИВ, наносимая на поверхность углеродных волокон методом химического осаждения в газовой фазе [17] . С помощью этого метода на поверхность углеродных волокон наносят тонкую пленку, восстанавливая газовую смесь HCU + ВС% парами Zn при температуре 700 °C. Не допуская контакта с воздухом, полученные волокна сразу же покрывают расплавленным металлом. Таким способом, в частности в США, производят проволоку (нитевидный алюминий).

Для улучшения смачиваемости углеродных волокон расплавленным алюминием разработан способ последовательной обработки поверхности волокон расплавами Na, Sn - 2%Mg и алюминиевых сплавов [18] . При армировании углеродными волокнами сплавов на основе А1 и М g наряду с улучшением смачиваемости волокон необходимо предотвращать снижение их прочности, которое может происходить при контакте с раплав- ленным металлом. Для решения этой задачи требуются дальнейшие исследования, которые могли бы дать практические рекомендации по сохранению прочности углеродных волокон при контакте с расплавами металлов.

Аппретирование, или шлихтование, углеродных волокон

Углеродные волокна весьма хрупки и легко подвергаются повреждениям и разрушению при переработке. Чтобы предотвратить ухудшение свойств, вызванное этим явлением, осуществляют шлихтование нитей и жгутов, стремясь к образованию шлихтующего покрытия на элементарных волокнах (монофиламентах). При этом шлихтующий агент должен находиться в достаточно размягченном состоянии. Шлихтующие составы могут улучшать адгезию полимерной матрицы к углеродным волокнам,

что позволяет использовать такие волокна для армирования пластмасс без дополнительной обработки.^

Свойства углеродных волокон

Характеристики углеродных волокон приведены в табл. 2.3. Они обладают низкой плотностью и высокими прочностью при растяжении и модулем упругости. Следовательно, углеродные волокна имеют высокую прочность и удельный модуль упругости. Наиболее характерной особенностью углеродных волокон является их высокий удельный модуль упругости. Это позволяет с успехом использовать углеродные волокна для армирования материалов конструкционного назначения. Углеродные волокна имеют также низкий коэффициент трения, высокую электропроводность и отрицательный коэффициент термического расширения (вдоль волокон). Они нестойки к окислению в воздушной среде. При

Табаги а 2.3. Характеристики высококачественных углеродных волокон3

Волокна на основе ПАНВолокна на ос-

нове жидкокрис- Высокопроч-С высо-Высокомо-талличвских

ноеким уд-дульноелековб

линениемР-55 Р-ЮО

Диаметр волокна.

7-8

6-7

6—7

10

мкм

Модуль упругости

230 - 240

230 - 250

350 一 450

380690

при растяжении.

ГПа

:роиность при рас

3,0 一 3,5

4,0 - 4

2,0 - 2,5

2,12,4

тяжении, ГПа

Разрывное удлине

33 - 1,4

1,7 — 1,8

0.5- 0,6

ние, %

Плотность, г/см3

1,74- 1,78

1»74 - 1,78

1,78 — 1,84

2.0

Удельная тепло-

0,17

0,17

емкость, кал/(г- К)

D Известно (см., например, проспекты фирмы Hysol-Grafil), что непосредственно после получения углеродных волокон на их поверхность наносят 0,7-2,0% термопластичного полимера или эпоксидной смолы без отвердителя, что и служит в качестве шлихтующего агента. - Прим. ред.

Продолжение табл. 2,3.

Тил

Волокна на основе ПАН

Волокна на ос-

Харак-

нове жидкокриС'

теристика

Высоко-С высоким Высокомо-

таллических

проиноеудлинени- дульное

пеков

ем

Р-55Р-1СЮ

Коэффициент линейного расширений, 10"6 к-1

-0,7

-1,2

Удельное элект

0,0015 -

0,0008 —

0,0007 5 0,0003

рическое сопро

0,0016

0,001

тивление, Ом • см

аПриведены интервалы характеристик, взятые из каталогов различных фирм-изготовителей. Низкосортные углеродные волокна имеют прочность при растяжении меньше 1 ГПа, а модуль упругости при растяжении меньше 100 ГПа.

^Существует также волокно марки THORNEL Р-75а

контакте с водными растворами кислот и щелочей происходит электро- “ химическое окисление углеродных волокон. Однако, за исключением случая поверхностного окисления, углеродные волокна обладают высокой химической стойкостью к воздействию кислот и щелочей. Кроме того, они имеют очень высокую теплостойкость.

Модуль упругости

Модуль упругости при растяжении вдоль волокон fмодуль Юнга). Модуль упругости при растяжении высококачественных углеродных волокон высокопрочного типа (на основе ПАН) составляет 200 — -250 ГПа, высокомодульного типа (на основе ПАН) 一 около 400 ГПа, а углеродных волокон на основе жидкокристаллических пеков — 400 - 700 ГПа.

Высококачественные углеродные волокна состоят из нескольких слоев ароматических шестиугольных ячеек, атомные плоскости которых ориентированы параллельно оси волокна. При высокой температуре прогрева эти плоскости имеют значительную протяженность и высоко ориентированы. В поперечном сечении углеродных волокон атомные плоскости располагаются в беспорядке, а структура обычно подобна структуре луковицы, т. е. повторяет в объеме структуру наружного

Р〃с. 2. 8. Модель структуры вы со ко- модульных углеродных волокон на основе ПАН [19].

слоя (рис. 2.8) [19] . Для волокон на основе жидкокристаллических пеков характерна радиальная структура. Наружная поверхность любых углеродных волокон всегда образована сетчатыми плоскостями (рис. 2.9).

Модуль упругости при растяжении углеродных волокон можно вычислить [20] , исходя из оценки модуля упругости при растяжении кристаллов графита в направлении атомных плоскостей с учетом степени ориентации атомных плоскостей углеродных волокон, которую определяют методом рентгеноструктурного анализа. 'По мере увеличения степени ориентации атомных плоскостей возрастает соответственно и модуль упругости углеродных волокон. Теоретическое значение модуля упругости при растяжении кристаллов графита в направлении атомных плоскостей составляет 1020 ГПа [21] ,а экспериментально определенный модуль упругости волокна марки THORNEL Р-ЮО равен 690 ГПа, т. е. составляет 68% теоретического значения / При одной и той же температуре прогрева углеродные волокна на основе жидкокристаллических пеков имеют больший модуль упругости при растяжении, чем волокна на основе ПАН.

Модуль упругости при растяжении поперек волокон (модуль жесткости при изгибе). Модуль упругости при растяжении поперек волокон снижается с ростом модуля упругости при растяжении вдоль волокон (рис. 2.10). Для углеродных волокон на основе ПАН он выше, чем для волокон на основе жидкокристаллических пеков. На поперечный модуль упругости также влияет ориентация атомных плоскостей в сечении углеродного волокна [23].

Рис. 2. 9. Микрофотографии поверхности разрушения лри растяжении углеродных волокон, полученные методом растровой электронной микроскопии.

а, 6 — высокопрочные волокна на основе ПАН; 6, 2 — высокомодульные волокна на основе ПАН; 0 — волокна на основе жидкокристаллических пеков.

Рис. 2./0. Модуль упругости при растяжении вдоль и поперек волокон.

7 — волокна на основе ПАН; 2 — волокна на основе жидкокристаллических пеков.

200 М 6DDМодуль ^п^гооти “〃 р口стн- женаи б%ь Золшн, гпа200 М 6DDМодуль ^п^гооти “〃 р口стн- женаи б%ь Золшн, гпа勿勿勿勿然然纟-но七wog工券иои nnHaMHESnd匚 nEsoeAduK qq-QE纟-но七wog工券иои nnHaMHESnd匚 nEsoeAduK qq-QEМодуль упругости при сжатии. Модуль упругости при сжатии высокомодульных углеродных волокон на основе ПАН в направлении, перпендикулярном оси волокон, составляет примерно 6 ГПа [24].

200 М 6DD

Модуль ^п^гооти “〃 р口стн- женаи б%ь Золшн, гпа

200 М 6DD

Модуль ^п^гооти “〃 р口стн- женаи б%ь Золшн, гпа

勿

勿

勿

勿

然

然

纟-но七wog工券иои nnHaMHESnd匚 nEsoeAduK qq-QE

纟-но七wog工券иои nnHaMHESnd匚 nEsoeAduK qq-QE

Прочность

Прочность углеродных волокон при растяжении вдоль их оси. Прочность при растяжении вдоль оси высокопрочных углеродных волокон на Основе ПАН составляет 3,0 — 3,5 ГПа, волокрн с высоким удлинением - 4,5 ГПа и высокомодульных волокон 一 2,0 土 2,5 ГПа. Высокотемпературная обработка волокон второго типа позволяет получить высокомодульные волокна с прочностью при растяжении приблизительно 3 ГПа. Прочность волокон на основе жидкокристаллических пеков обычно равна 2,0 ГПа [22].

Теоретическое значение прочности при растяжении кристаллов графита в направлении атомных плоскостей решетки составляет 180 ГПа [25] . Если исходить из теоретического значения их модуля упругости при растяжении, принимая, что прочность составляет 1/10 величины модуля упругости, то она должна быть равна 100 ГПа. Экспериментальное значение прочности при растяжении нитевидных монокристаллов графита лишь немного превышает 20 ГПа [26] ^Прочность углеродных волокон зависит от условий их производства и микроскопических дефектов и характеризуется определенным законом распределения. Если определять среднюю прочность углеродного волокна, используя распределение

Вейбула, и строить ее зависимость от длины измеряемого образца, то, пренебрегая существованием специфических дефектов, можно более

корректно охарактеризовать прочность углеродного волокна. Измеренная таким образом прочность при растяжении углеродных волокон вы

сокопрочного и высокомодульного типа на основе ПАН на участке длиной 0,1 мм равна 9-10 ГПа [27] . Эта величина составляет 1/20 теоретического значения и 1/2 прочности нитевидных монокристаллов графита. Для углеродных волокон на основе жид к о к ристаллических пеков измеренная аналогичным образом прочность равна 7 ГПа [28] .Шень- шая прочность промышленно производимых углеродных волокон

связана с тем, что они не являются монокристаллами и в их микроскопической структуре имеют место значительные отклонения от регулярности. Свойства углеродных волокон можно значительно улучшить

вплоть до разрушающего удлинения 2% и прочности 5 ГПа и выше [29]. Прочность при растяжении промышленно производимых углеродных

волокон измеряют на образцах пучков волокон, предварительно пропитанных и отвержденных по изложенному ниже мето口у】) Для установ

ления соответствия между прочностью пучка волокон и прочностью отдельного волокна необходимо принимать во внимание характер распределения по значениям прочности. Например, измеряемая таким методом

прочность пучка углеродных волокон высокопрочного типа на основе ПАН, пропитанного эпоксидной смолой, соответствует прочности ^сухо- го5' пучка моноволокон длиной 0,6 мм [30].

МоМь упругости 农〃 растяжении, ГПаМоМь упругости 农〃 растяжении, ГПагаи」nnEbwJ、裁 qEOQHhodu воничпА另旦 3 2гаи」nnEbwJ、裁 qEOQHhodu воничпА另旦 3 20 ® 梦勿抄0 muJOMJ ndu HnfrDNdoBB0 ® 梦勿抄0 muJOMJ ndu HnfrDNdoBBПрочность при сжатии. На рис. 2.11 приведена зависимость между модулем упругости при растяжении и прочностью при сжатии углеродных волокон [31]( Деформацию при разрушении углеродных моново-

МоМь упругости 农〃 растяжении, ГПа

МоМь упругости 农〃 растяжении, ГПа

гаи」nnEbwJ

、裁 qEOQHhodu воничпА另旦 3 2

гаи」nnEbwJ

、裁 qEOQHhodu воничпА另旦 3 2

0 ® 梦勿抄0 muJOMJ ndu HnfrDNdoBB

0 ® 梦勿抄0 muJOMJ ndu HnfrDNdoBB

Рис. 2.11. Модуль упругости при растяжении, а также деформация и прочность при сжатии углеродных волокон [31].

D В СССР такие образцы часто называют микропластиком; в зарубежной литературе пользуются терминами strand или preimpregnated tow. - Прим, ред.

локон определяют, сжимая углепластик вдоль оси волокон. При этом рассчитывают прочность волокон при сжатии, используя значения модуля упругости при растяжении. Зависимость прочности при сжатии углеродных волокон в углепластике от модуля упругости волокон при растяжении носит экстремальный характер. Вначале прочность возрастает, а при дальнейшем росте модуля упругости углеродных волокон их рассчитанная прочность при сжатии снижается.

Электропроводность

При прогреве полимерных волокон происходит их карбонизация, образуются и растут полициклические ароматические фрагменты, и кар- бонизованные волокна фактически становятся полупроводниками. С ростом температуры прогрева резко снижается их электрическое сопротивление. Однако при температуре выше 1000 °C снижение электрического сопротивления замедляется. Примерно до температуры 1600 °C для углеродных волокон на основе жидкокристаллических пеков и на основе ПАН зависимости электрического сопротивления от температуры прогрева совпадают. При дальнейшем увеличении температуры электрическое сопротивление волокон первого типа становится меньше, чем у волокон второго типа (рис. 2.12) [32].

Рис. 2.12, Зависимости удельного электрического сопротивления от температуры прогрева углеродных волокон [32].

Температура прогрева, ℃Температура прогрева, ℃7 — вискозные волокна; 2 — волокна на основе изотропных пеков； 3 — графитизированные вытянутые вискозные волокна； 4 — графитизированные вытянутые волокна на основе пеков; 5 — волокна на основе ПАН; 6 - волокна на основе жидкокристаллических пеков.

Температура прогрева, ℃

Температура прогрева, ℃

Поверхностные свойства

Величины удельной поверхности различных типов углеродных волокон на основе ПАН приведены в табл. 2.4 [33] . Высокопрочные и высокомодульные углеродные волокна с необработанной поверхностью имеют удельную поверхность около 0,5 м2/г, В результате обработки удельная поверхность несколько возрастает- Удельная поверхность производимых в Японии углеродных волокон на основе ПАН характеризуется данными, приведенными в табл. 2.4 [34] . Активную поверхность, которую занимают соседние атомы ароматических фрагментов, определяют по химической адсорбции кислорода. При обработке поверхности она увеличивается. По мере снижения температуры прогрева активная поверхность также увеличивается. Наружный слой углеродных волокон обладает сильными дренажными свойствами. В целом углеродные волокна имеют очень низкую гигроскопичность.

При нагревании углеродных волокон в воздушной среде они окисляются. Обычно с ростом температуры прогрева и возрастанием степени графитизации способность к окислению поверхности волокон снижается.

Таблица 2.4. Характеристики поверхности углеродных волокон на основе ПАН [33]

Тип углеродного волокна9

Удельная поверхность по методу БЭТ, м2/г

Активная поверхность^, м2/г

Доля активной поверхности,%

Н М-и

0^2

0,003

0,4 一 0,7

HM-S

0,60

0,012

1 - 3

НТ-и

0,50

0,012

1,5 一 3

HT-S

0,74

0,063

4-16

А-и

0 f57

0,025

3-5

A-S

1,05

0,088

5-14

а НМ — высокомодупьное волокно; НТ — высокопрочное волокно; А — волокно, температура карбонизации которого ниже, чем у высокопрочного волокна* и — волокно с необработанной поверхностью; S — волокно с обработанной поверхностью»

6 Определена по химической адсорбции кислорода.

Рис. 2./3. Потеря массы углеродными волокнами на основе ПАН в зависимости от времени выдержки в воздушной среде при температуре 316 С.

200 4勿 600Время, ч200 4勿 600Время, ч紡例初幻勿夕6 4 2弘86 4紡例初幻勿夕6 4 2弘86 4На рис. 2.13 приведены кривые потери массы углеродными волокнами высокопрочного и высокомодульного типа на основе ПАН при выдержке в течение 700 ч в воздушной среде при температуре 額о 316 °C. Степень термической обработки поверхности волокон влияет на способность к окислению поверхности, так как прогревание ведет к росту ароматических фрагментов и к изменению степени кристалличности волокон. В работе [35] сообщается об увеличении способности к окислению поверхности волокон вследствие присоединения ионов натрия.

200 4勿 600

Время, ч

200 4勿 600

Время, ч

紡例初幻勿夕6 4 2弘86 4

紡例初幻勿夕6 4 2弘86 4

Экспериментальные методы исследования свойств углеродных волокон

Для измерения прочности и модуля упругости при растяжении, плотности и линейной плотности углеродных волокон используют экспериментальные методы, описанные в японском промышленном стандарте JIS R 7601. Плотность измеряют по методу вытеснения жидкости или по методу определения градиента плотности в капилляре. Прочность и модуль упругости при растяжении измеряют как на образцах отдельных моноволокон, так и на образцах пучков волокон, предварительно пропитанных связующим и отвержденных. Второй способ полезен при испытании на растяжение углеродных волокон, используемых в углепластиках. Этим методом измеряют как прочность, так и модуль упругости при растяжении выпускаемых промышленностью углеродных волокон. Пос-

ле принятия стандарта JIS R 7601 на встрече представителей фирм-изготовителей углеродных волокон были утверждены стандарты на экспериментальные методы определения содержания влаги в углеродных волокнах, адгезионной способности шлихтующего (или аппретирующего) агента, числа круток волокон, величины pH и объемного электрического сопротивления. Были приняты также стандарты на методы измерения плотности, прочности при растяжении и других характеристик текстильных материалов.

При измерении градиента плотности в капилляре используют столбик жидкости, плотность которой линейно зависит от его высоты. Если в этом методе используется смесь этилового спирта с бромоформом, то можно измерять плотность в интервале 0,81-2,89 г/см3. При испытании пучка волокон на растяжение его пропитку полимером (например, эпоксидной смолой) необходимо осуществлять так, чтобы не оставалось пустот между волокнами в пучке. Для этого пропитанный пучок волокон пропускает через валки, стремясь к обеспечению оптимального количества полимера в образце (рис. 2.14) [36].

В экспериментах по растяжению углеродных волокон необходимо выбирать способ закрепления и конструкцию захвата пучка волокон и соответствующий амортизирующий материал, помещаемый между пучком волокон и металлической поверхностью зажимов. Наиболее эффективно для этого использовать три слоя алюминиевой фольги [36] . Однако для статистических испытаний образцов в промышленности использовать такую систему прокладок сложно. Поэтому в качестве прокладки

4 LmJHSmAdQad ndu DtnAd2DH4 LmJHSmAdQad ndu DtnAd2DHРис. 2.14. Прочность пропитанного пучка волокон (микропластика) в зависимости от относительного содержания в нем полимера [36].

4 LmJHSmAdQad ndu DtnAd2DH

4 LmJHSmAdQad ndu DtnAd2DH

между зажимами и пучком углеродных волокон используют вулканизованный каучук, хлопчатобумажные листы, наждачную бумагу и другие материалы. Для захвата образцов следует использовать пневматические зажимы. Определяя модуль упругости по кривой напряжение 一 деформация, необходимо вносить также поправку на деформируемость зажимного устройства.

Литература

1)進藤昭男：高分子学会А夕口、^>术^^厶，77/4,予稿集，p. 41, 1978.高分子学 会東海支部

2)炭素繊維懇話会規格004-1982.炭素繊維懇話会

3)進藤昭男：日本複合材料学会誌，8, 3, p. 79, 1982.日本複合材料学会

4)進藤昭男：大阪工業技術試験所報告，317号，1961.通商産業調査会関西総局

A. Shindo: Proc, of 1st Carbon Fibres Conf., London, paper No. 3,1971. The Plastics Institute

J. W. Johnson: Applied Polymer Symposia, No. 9, p. 229, 1969, John Wiley & Sons, Inc.

W. N. Reynolds, R. Moreton: Philos. Trans. R. Soc. London, A 294, p. 451,1980. The Royal Society.

J. B. Barr, S. Chwastiak, R. Didchenko, I. C. Lewis. R. T. Lewis, L. S. Singer:

Applied Polymer Symposium. 29, p, 161, 1976. John Wiley & Sons, Inc.

9)山田泰弘：炭素材料学会七三十一(1983, 2, 28) T^Л卜，p. 11, 1983.炭素材料 学会

10)特開昭57-168987.日本国特許庁

R. Bacon: Philos. Trans. R. Soc. bond., A 294, p. 437, 1979. THE ROYAL SOCIETY.

J. B. Jones, J. B. Barr. R. Smith: J. Mater. Sci., 15, p. 2455, 1980. Chapman and Hall.

13)大谷杉郎：日本複合材料学会誌，8, 3, p. 86, 1982.日本複合材料学会

14)進藤昭男：工業材料，26, 7, p. 41, 1978.日刊工業新聞社

P. Ehrburger, J. В. Donnet: Philos. Trans. R. Soc. bond., A 294, p. 495, 1980.

THE ROYAL SOCIETY

16)西岡 健，村山和永，松原郁雄：第1回複合材料^丿术i>^厶講演要旨集，I, p.

1975.日本複合材料学全.

M, F. Amateau: J. Compos. Mater., 10, p. 279, 1976. Technomic Publishing Co.,

Inc,

D. М. Goddard: J. Mater. Sci., 13, p. 1841, 1978. Chapman and Hall

R. J. Diefendorf, E. Tokorsky: Polym. Eng. Sci., 15, p. 150, 1975.

R. Perret, W. Ruland: Proc, of 1st Carbon Fibres Conf. London., paper No. 9, 1971. The Plastic Institute.

0. L. Blakslee, D. G. Proctor, E. J. Seldin, G. B. Spence, T. Weng: J. Appl. Phys., 41, 8, p. 3373, 1970. The American Institute of Physics.

L. S. Singer: Fuel, 60, 9, p. 83 9, 1981. Buttlerworths.

Y. Sawada, A. Shindo: Extended Abstract of Int. Symposium on Carbon, Toyohashi, p. 296, 1982.炭素材料学会

S.L. Phoenix, J. Skelton: Textile Research J., p. 934, 1974. Textile Research Institute.

W. S. Williams, D. A. Steffens, R. Bacon: J. Appl. Phys., 41,12, p. 4893,1970. The American Institute of Physics.

R. Bacon: J. Appl. Phys., 31, p. 283,1960. The American Institute of Physics 27)進藤昭男，澤田吉裕：未発表.

S. Chwastiak, J. В. Barr, R. Didchenko: Carbon, 17, p. 49,1979. Pergamon Press

29)芦田恵一：工業材料，31, 2. p. 33, 1983.日刊工業新聞社

30)野口健一，村山和永，松原郁雄：第5回FRP 、1y ：/d<^i>厶前刷，p. 1, 1976.日本 材料学会

H. M. Hawthorne, E. Teghtsoonian: J. Mater. Sci,, 10, p.41, 1975. Chapman and Hall

D. B. Fishbach, K. Komaki: Extended Abstract of 14th Biennial Conf, on Carbon, Pennsylvania, p. 191, 1979. The American Carbon Committee

B. Rand, R. Robinson: Carbon, 15, p. 257, 1977. Pergamon Press.

34)進藤昭男，澤田吉裕：未発表.

H. H. Gibbs, R. C. Wendt, F. C. Wilson: Polymer Engineering and Sci.( 19, 5, p. 342, 1979.

Y. Sawada, A. Shindo: J. Comp. Mater., 15, p. 582, 1981. Technomic Publishing Co., Inc.

ГЛАВА 3

ПОЛУЧЕНИЕ И ПЕРЕРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ АРМИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ

Армированные волокнами материалы на основе полимерных или металлических матриц используются в производстве самых разнообразных изделий. Армированные пластики существенно отличаются по своим свойствам от материалов на основе металлической матрицы. Свойства Материалов, армированных волокнами, сильно зависят от методов их получения и переработки. Поэтому условия получения материалов и изделий должны быть известны специалистам, занимающимся созданием и применением армированных материалов. В данной главе рассмотрены вопросы получения и переработки углепластиков. Свойства изделий из углепластиков определяются типом используемого углеродного волокна, типом полимерной матрицы и методом получения материала. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо выбирать наиболее подходящие условия производства изделий из .углепластиков. После их изготовления иногда бывает необходимо проводить дополнительную обработку (сверление отверстий, внешнюю отделку и тд.). Для изготовления углепластиков требуются не только высококачественные исходные материалы, но и эффективные методы их получения и переработки.

Обоснование выбора полимерной матрицы1

В настоящее время в качестве полимерной матрицы для изготовления углепластиков в основном используют термореактивные смолы (или реактопласты). Среди них следует прежде всего назвать эпоксидные смолы, обладающие хорошей адгезией к углеродным волокнам, высокими деформационно-прочностными характеристиками, теплостойкостью и другими ценными свойствами. Часто используют также ненасыщенные полиэфирные смолы, характеризующиеся хорошими технологическими свойствами и атмосферостойкостью (кроме того, они существенно дешевле эпоксидных смол). Для литьевого формования углепластиков начали применять термопластичные полимеры, которые имеют ряд преимуществ перед реактопластами с точки зрения технологии переработки, обладают большей ударной вязкостью и т.д. Определенный прогресс достигнут в разработке материалов на основе термопластичных полимеров и углеродных волокон в виде препрегов, листов для холодной штамповки и других полуфабрикатов.

“Термин ''полимерная матрица" в более строгом понимании относится к связующему в отвержденном материале; на стадии пропитки армирующего материала и его переработки правильнее говорить "связующее''. - Прим. ред.

Для производства углепластиков методом намотки и получения изделий с однонаправленной структурой существует большой выбор полимерных матриц, которые могут отвечать конкретным требованиям изготовителя. В производстве изделий широко используют препреги, листовые формовочные материалы, таблетированные и другие пропитанные связующим полуфабрикаты. В каждом случае необходимо дифференцированно подходить к выбору полимерной матрицы.

В данном разделе рассмотрены методы выбора связующих, а в разд. 3.2 изложен подход к выбору полуфабрикатов на их основе в соответствии с требованиями к готовым материалам и изделиям.

Термореактивные смолы

Термореактивные смолы для получения препрегов. Препреги получают пропиткой волокон связующим с частичным его отверждением до стадии потери липкости. Термореактивные смолы для изготовления препрегов выбирают, исходя из их тепло- и влагостойкости, деформационно-прочностных свойств, адгезионной способности и других характеристик. Наряду с этим необходимо учитывать жизнеспособность смол, а также способность полуфабрикатов к размягчению и последующему склеиванию слоев между собой. Важно также принимать во внимание скорость удаления растворителя или других газообразных продуктов, что влияет на пористость изделий. Следует учитывать и экономические характеристики процессов формования, отверждения и т. п„ а также обеспечивать безопасность людей, занятых в производстве полуфабрикатов и изделий.

В настоящее время в Японии для производства препрегов на основе углеволокнистых материалов чаще всего используют эпоксидные смолы, имеющие высокую адгезию к поверхности углеродных волокон. Наряду с этим используют ненасыщенные полиэфирные смолы, в основном для изготовления спортивных изделий.1)

Связующие на основе эпоксидных смол в первом приближении можно подразделить по температуре их отверждения. Используемые на практике в настоящее время эпоксидные смолы и отвердители для них перечислены в табл. 3.1 и 3.2 соответственно. Для изготовления спортивных изделий используются также эпоксидные связующие, отверждаемые при сравнительно низкой температуре; обычный режим их отвервдения занимает 1 — 2 ч при температуре около 395 К. Этот тип связующих в основном

D Напомним, что в предисловии приводились данные об объеме производства в Японии углепластиков только на основе полиэфирных смол. - Прим. ред.

Таблица 3.1. Эпоксидные композиции, используемые дпя изготовления препрегов

Тип эпоксиднойсмопыТип эпоксиднойсмопыСтруктурная формула3Структурная формула3На основе эпихлоргидрина и бисфенола АФенопьно-новопачно- го типаБромированная эпоксидная смола на основе эпихлоргидрина и бисфенопа АНа основе эпихлоргидрина и бисфенола АФенопьно-новопачно- го типаБромированная эпоксидная смола на основе эпихлоргидрина и бисфенопа А凡-сн -сн凡-сн -снНа основе N,N,N , N^-тетрагпици- дипаминодифе- нипметанаНа основе N, N, О-тригпицидип- метааминофе- нолаНа основе N,N,N , N^-тетрагпици- дипаминодифе- нипметанаНа основе N, N, О-тригпицидип- метааминофе- нолаCI-L-CH-CHОНCI-L-CH-CHОН

Тип эпоксиднойсмопы

Тип эпоксиднойсмопы

Структурная формула3

Структурная формула3

На основе эпихлоргидрина и бисфенола А

Фенопьно-новопачно- го типа

Бромированная эпоксидная смола на основе эпихлоргидрина и бисфенопа А

На основе эпихлоргидрина и бисфенола А

Фенопьно-новопачно- го типа

Бромированная эпоксидная смола на основе эпихлоргидрина и бисфенопа А

凡-сн -сн

凡-сн -сн

На основе N,N,N , N^-тетрагпици- дипаминодифе- нипметана

На основе N, N, О-тригпицидип- метааминофе- нола

На основе N,N,N , N^-тетрагпици- дипаминодифе- нипметана

На основе N, N, О-тригпицидип- метааминофе- нола

CI-L-CH-CH

ОН

CI-L-CH-CH

ОН

aG — гпицидиповая группа.

содержит эпоксидную смолу на основе эпихлоргидрина и бисфенола А и фенольно-новолачную эпоксидную смолу. Основным компонентом отвердителя является DCMU, а ускорителем отверждения - DICY (табл. 3.2 ). Для снижения горючести в полимерную композицию добавляют галогенсодержащие добавки. Следует иметь в виду, что обычно галогенсодержащие полимеры при горении образуют дым и выделяют токсичные газы. Именно поэтому для изготовления различных элементов интерьера (например, для отделки помещений в самолетах) начали применять фенольные смолы. Для регулирования текучести композиции во время формования в нее добавляют нитрильный каучук с карбоксильными группами (например, Hycar CTBN). Адгезия такой композиции к углеродным волокнам оказывается более высокой.

Габпица 3.2. Отвердители, используемые для связующих на основе эпоксидных смоп, применяемых для получения препрегов

ОтвердительОтвердительСтруктурная формулаСтруктурная формула

Отвердитель

Отвердитель

Структурная формула

Структурная формула

F—iFF—iFNHNH2H2N-C-NH-CN = H2N—C=N —CNNHNH2H2N-C-NH-CN = H2N—C=N —CNI—j CH HN^NC2H5I—j CH HN^NC2H5

F—iF

F—iF

NHNH2

H2N-C-NH-CN = H2N—C=N —CN

NHNH2

H2N-C-NH-CN = H2N—C=N —CN

I—j CH HN^N

C2H5

I—j CH HN^N

C2H5

В^З • эти ламин

Дициандиамид pDICY)

N-дихлорфенил-

N, N'-Амметмпмо- чевина (DCMU)

Имидазол

Диаминодифенил- сульфон (DDS)

Додеципмеркаптан (DDM)

Углепластики на основе эпоксидных смол, отверждаемых при более высоких температурах, обладают повышенной теплостойкостью. Характерный режим их отверждения занимает 2 ч при температуре 450 К. Такие материалы предназначены главным образом для авиастроения. Одним из подобных типов эпоксидных связующих является композиция на основе тетраглицидилдиаминодифенилметана. Изготовители препрегов для улучшения водостойкости и других свойств полимерных композиций модифицируют их другими типами эпоксидных смол с целью придания материалам заданных эксплуатационных характеристик. Используя в качестве отвердителя диаминодифенилсульфон, получают материалы с высокой теплостойкостью и стабильностью свойств при хранении. В псхэтеднее время для углепластиков разрабатываются новые полимерные композиции с высокими деформационно-прочностными свойствами. Так, например, для повышения ударной вязкости совершенствуют базовую эпоксидную смолу и одновременно ведут поиск новых методов модификации существующих композиций.

Связующие на основе ненасыщенных полиэфирных смол имеют сравнительно низкие адгезионные свойства и малые удлинения. Поэтому углепластики на их основе не обладают высокими механическими характеристиками. Однако, как отмечалось выше, они имеют ряд достоинств: короткое время отверждения, хорошую атмосферостойкость и тд. Поэтому углепластики на их основе нашли широкое применение в производстве разнообразных изделий, к которым не предъявляется особо жестких эксплуатационных требований: удилищ, антенн и т.д. Ненасыщенные полиэфирные смолы содержат изофталевую кислоту и обладают высокой или средней реакционной способностью. В качестве сшивающего агента вместо легколетучего стирола с низкой температурой кипения часто используют ди аллилфталат (имеющий более высокую температуру кипения). Варьируя количество добавляемого диаллилфталата, регулируют жизнеспособность препрегов, а также их технологические свойства. В качестве инициаторов отверждения для регулирования срока хранения и условий отверждения обычно используют трег-бутилперокси- бензоат, трег-бутилпероксиоктоат и другие пероксиды.

Связующие для изделий, получаемых методом намотки. Намотку из- делии осуществляют армирующими волокнистыми материалами ', пропитанными связующим. Нанесение связующего на волокна осуществляют, окуная их в раствор (или расплав) связующего. При высокой вязкости связующего трудно обеспечить равномерную пропитку армирующих материалов и регулировать относительное содержание полимерной матрицы в материале. С точки зрения обеспечения стабильности и непрерывности технологического процесса важным фактором является жизнеспособность связующего в пропиточной ванне, которая должна составлять не менее 6—8 ч.^ Однако в связи с разработанными в последнее время методами высокоскоростной намотки волокон, эффективного перемешивания связующих в ванне их жизнеспособность уже не является столь критическим параметром и может ограничиваться 2 - 3 ч.

Сравнительно низкой вязкостью обладают связующие на основе циклоалифатических эпоксидных смол; однако они редко используются для намотки изделий из-за малой водостойкости. Чаще всего для намотки применяют жидкие эпоксидные смолы на основе эпихлоргидрина и бисфенола А, а также эпоксидные смолы фенольно-новолачного типа» хотя углепластики на основе этих эпоксидных смол и не обладают оптимальными механическими свойствами и теплостойкостью. С целью повышения физико-механических характеристик углепластиков были разработаны

^Волокнами, нитями, жгутами, лентами, тканями. - Прим. ре。.

эпоксидные композиция на основе четырехфункциональных теграгли- цидиловых производных лг-ксилилендиамина, содержащие гидантоиновые кольца. Недостатком последних является малая жизнеспособность при хранении и низкая водостойкость; дня них пока еще даже не установлена коммерческая цена. Вязкость связующих можно также регулировать, используя реакционноспособные разбавители^ Необходимо учитывать, что обычно их введение приводит к снижению теплостойкости, а иногда — водостойкости и других свойств армированных пластиков. Сведения о некоторых эпоксидных композициях, их марках и фирмах-изготовителях приведены в табл, 3.3.

Таблица 3.3. Эпоксидные композиции, используемые для получения изделий Методом намотки

Тип эпоксидной смолы

Марка

Фирма-изготовитель

Цикпоапифатическая эпоксидная смола

ERL 4221, ERL 429 9

Ер 171

"Юнион кабайдо нихон" "Юка сиэру"

Эпоксидная смола на основе эпихлоргидрина и бисфенола А

Ер 80 8, Ер 8 27, Ер 8 2 8

Эбифлон 840, Эбифлон 855

ELA ”5, ELA 127.

ELA 128

DER 331g OER 383

"Юка с и эру и

"Дайнихон инки кагаку когё"

"Сумитомо кагаку когё"

"Дау кэмикару дзяпан"

Эпоксидная смола фе- нольно-новопачного типа

Ер 151

DEN 431

Эбифлон 830

"Юка с и эру и

"Дау кэмикару дзяран"

"Дайнихон инки кагаку когё"

N,N,N\N*-TeTpa- глицидип-м-ксипипен- диаминэпоксидная смола, содержащая гидантоиновые кольца

PGA-X

CY 350

"Мицубиси гаси кагаку" "Нихон тиба гайги"

Реакционноспособн ый разбавитель

ELA 301

Эбонитто 028

"Сумитомо кагаку когё'* "Нитто кас эй н

Таблица 3.4. Отвердители и ускорители отверждения для связующих на основе эпоксидных смоп9 используемых для получения армированных пластиков методом намотки

функция соединения

Название

Марка

Вяз- (при 25 °C), сП

Фирма- изготови- тепь

Ангидрид метипнадзи- КОВОЙ кислоты

4-Мети пгексагидро- фтапевый ангидрид

MNA

Рикасиддо

МН 700

138

50-70

пПетро кэмика- РУ"

*'Синнихон рикаи

Отвердитель

Метипгексагидрофта- певый ангидрид

Метиптетрагидрофта- левый ангидрид

Эбифпон В85065

HN 550065

Эбифпон40

В 570

"Дайнихон инки кагаку когё*' "Хитати касэй когё"

"Дайнихон инки кагаку когём

Ускоритель от-

Бензипдиметипамин

Сумикюа

BD

—

"Сумитомо кагаку когё,т

вержде- ния

три с-2,4-6-Диметип- аминометилфеноп 2-Этип-4-метипими- дазол

Сукикюа D

2E4MZ

—

То же

"Сикоку касэй когёп

Отвердители для эпоксидных смол также должны обладать низкой вязкостью и обеспечивать заданную жизнеспособность препрегов. К числу низковязких отвердителей относятся, например, ангидрид метилнадзико- вой кислоты и производные ангидрида гексагидрофталевой кислоты. Используя в качестве отвердителей ангидридь! кислот, необходимо вводить в композицию ускорители отверждения на основе аминов. В табл. 3.4 перечислены типичные отвердители и ускорители отверждения для связующих на основе эпоксидных смол.

В качестве отвердителя используют также смесь 4,4-диаминодифенилме- ?」на и лг-фенилендиамина с соотношением компонентов соответственно 5):40. Высокая вязкость этой смеси требует применения реакционноспособных (активных) разбавителей, и на основе такой композиции не удается получать углепластики со столь же хорошими свойствами, как при

использовании ангидридов кислот. В настоящее время разрабатываются новые рецептуры эпоксидных композиций и отвервдающих агентов, специально предназначенных для метода намотки. Однако пока еще они не дают существенного улучшения свойств углепластиков и изделий из них.

Связующие для получения однонаправленных профильных изделий. Существуют два способа получения однонаправленных профильных изделий из армированных пластиков — "сухо询"и ,,мокрый". При мокром методе формование проводят одновременно с пропиткой полимером армирующих волокон. При сухом — изделия получают путем их формования из препрегов.

В настоящее время для получения профильных изделий из армированных пластиков мокрым методом в качестве армирующих волокон используют главным образом стекловолокна, а применение углеродных волокон пока ограничивается только масштабами опытных производств. В качестве связующего служат в основном ненасыщенные полиэфирные смолы. Для повышения коррозионной стойкости используют поливиниловые эфиры; эпоксидные смолы для этого вида изделий обычно не применяются.

Вязкость ненасыщенных полиэфирных смол для получения изделий этим методом должна составлять 15—30 П. При меньшей вязкости вводятся различные добавки, а если вязкость превышает 15—30 П, то для ее снижения добавляют стирол. Для улучшения отделения готового изделия от металлической формы используют частично конденсированные ненасыщенные полиэфирные смолы. Известны следующие марки таких смол: Поримару 3109 фирмы ''Такэда якухин когёп, 3510 фирмы "Нихон юпика" и другие.

Свойства поливиниловых эфиров, получаемых реакцией присоединения к эпоксидным смолам метакриловой или акриловой кислоты, аналогичны свойствам ненасыщенных полиэфирных смол. В качестве примера можно привести поливиниловый эфир марки DERAKANE 411 фирмы Dow.

Связующие на основе эпоксидных смол обладают хорошей адгезионной способностью и поэтому плохо отделяются от металлической формы. Они имеют хорошую жизнеспособность, но для их отверждения требуется длительное время. Указанные особенности существенно ограничивают их применение в рассматриваемом случае. Недавно американской фирмой ''Шелл'' было разработано новое эпоксидное связующее, предназначенное специально для получения профильных материалов с однонаправленной структурой [1].

Сухой (т. е. с использованием препрегов) метод получения профильных изделий из однонаправленных армированных пластиков разрабатывается в настоящее время в США, однако сведения об этих работах крайне скудны.

Связующие для листовых формовочных материалов. Листовые формовочные материалы (SMC), в которых используются углеродные волокна, находятся еще в стадии разработки; сейчас такие материалы представляют собой главным образом армированные стекловолокнами ненасыщенные полиэфирные смолы. Для их получения в качестве связующих используют также поливиниловые эфиры, обладающие более высокой деформируемостью. В настоящее время изучается возможность применения для этой цели и эпоксидных смол, хотя имеются достаточно обоснованные опасения, что при этом увеличится время отверждения, усложнится процесс пропитки, повысится стоимость материала и т.д.

В настоящее время тип используемой ненасыщенной полиэфирной смолы выбирают с учетом требований к теплостойкости, механическим и другим физическим свойствам материалов, их способности к формованию и т. д. Применяют главным образом высоко- и среднереакционноспособные ненасыщенные полиэфирные смолы, содержащие изофтале- вую кислоту. Увеличение их вязкости достигается путем введения в смолы окиси магния. Основой поливиниловых эфиров, применяемых наряду с полиэфирными смолами, служат продукты присоединения акриловой или метакриловой кислоты к эпоксидной смоле на основе эпихлоргидрина и бисфенола А. Для повышения вязкости этих композиций их модифицируют добавками изоцианатов.

Продолжаются исследования возможности получения листовых формовочных материалов (т. е. препрегов) на основе эпоксидной смолы, отверждаемой при сравнительно низкой (около 400 К) температуре.

3.12 Термопластичные смолы

Термопластичные смолы, используемые для литьевого формования углепластиков^ . По аналогии с термопластами, армированными стекловолокнами, для литьевого формования углепластиков больше всего подходят термопластичные смолы. Наиболее широко для этих целей используют найлон 66. Наряду с этим применяют найлон 6, поликарбонаты, сополимеры акрилонитрила, бутадиена и стирола, полибутилентерефталат, по лиф ениленсульфид и другие термопластичные полимеры. В табл. 3. 5 перечислены некоторые качественные характеристики термопластов, используемых в качестве полимерных матриц для углепластиков. По сравнению с армированными пластиками на основе термореактивных смол наполненные волокнами термопласты содержат меньшее количество

Из текста раздела следует, что речь идет о материалах, наполненных хаотично ориентированными короткими волокнами. - Прим. ред.

Габлица 3.5. Качественные характеристики термопластов, используемых в качестве попимерных матриц для угпеппастиков

Полимер

ДостоинствоНедостаток

Найпон 66

Сбапансированность проч-Из-за впагопогпощения

ности, модуля упругостипроисходит изменение

и ударной прочностиразмеров и физических

свойств изделий

Низкая вязкость и воз-«

можность получения однородных по составу, смесей

Высокие износо- и маспо- стойкость

Найпон 6

Те же достоинства, чтоВлияние влажной среды

и у найпона 66, но бопеебопьше, чем в случае

высокая ударная проч-найпона 66

ность во влажной среде

Ударопрочный найпон

Очень большая ударнаяНизкий модуль упругости

вязкость; при высокой степени смешения ударная вязкость уменьшается

Поликарбонат

1) Высокая ударная вяз-1) Низкие прочность и

кость, которая снижа-модуль упругости

ется при высокой сте-2) Высокая вязкость и

пени смешениясложность образования

однородных смесей

2)Высокая стабильностьз)Низкая стойкость к

размеровдействию растворителей

Попибу- типентере- фтапат

Высокие теплостойкость1)Весьма низкая проч-

и химическая стойкостьность при растяжении и

Высокая стабильностьударная прочность

размеров2)Необходимость выпоп-

Высокая огнестойкостьнения особых требований)

к условиям предваритепь-

ной сушки с учетом разложения под действием влаги

Продолжение табп. 35

ПолимерДостоинствоПолимерДостоинствоНедостатокНедостаток

ПолимерДостоинство

ПолимерДостоинство

Недостаток

Недостаток

ПолиацетальПолиацетальВысокая износостойкостьВысокая износостойкостьСополимер акрипо- нитрипа, бутадиена и стиролаСополимер акрипо- нитрипа, бутадиена и стирола*) Низкая плотность2)Изделия хорошо окрашиваются, склеиваются и т. д.*) Низкая плотность2)Изделия хорошо окрашиваются, склеиваются и т. д.Низкая прочность при растяжении и ударная прочностьПлохая адгезия к углеродным волокнамНизкая прочность при растяжении и ударная прочностьВысокая вязкость и сложность образования однородных смесейНизкая прочность при растяжении и ударная прочностьПлохая адгезия к углеродным волокнамНизкая прочность при растяжении и ударная прочностьВысокая вязкость и сложность образования однородных смесей

Полиацеталь

Полиацеталь

Высокая износостойкость

Высокая износостойкость

Сополимер акрипо- нитрипа, бутадиена и стирола

Сополимер акрипо- нитрипа, бутадиена и стирола

*) Низкая плотность

2)Изделия хорошо окрашиваются, склеиваются и т. д.

*) Низкая плотность

2)Изделия хорошо окрашиваются, склеиваются и т. д.

Низкая прочность при растяжении и ударная прочность

Плохая адгезия к углеродным волокнам

Низкая прочность при растяжении и ударная прочность

Высокая вязкость и сложность образования однородных смесей

Низкая прочность при растяжении и ударная прочность

Плохая адгезия к углеродным волокнам

Низкая прочность при растяжении и ударная прочность

Высокая вязкость и сложность образования однородных смесей

Полифенилен- 1) В ысокий модуль упругости сульфид 2) Высокие теплостойкость и химическая стойкость3)Высокая стабильность размеровПолифенилен- 1) В ысокий модуль упругости сульфид 2) Высокие теплостойкость и химическая стойкость3)Высокая стабильность размеровПоли-Низкие плотность и стойПоли-Низкие плотность и стойпропиленмостьпропиленмостьНизкая прочность при растяжении и ударная прочностьНеобходимость обеспечения высокой температуры метаппической пресс- формыНизкие прочность при растяжении и ударная вяз- костье Ппохая адгезия к углеродным волокнамНизкая прочность при растяжении и ударная прочностьНеобходимость обеспечения высокой температуры метаппической пресс- формыНизкие прочность при растяжении и ударная вяз- костье Ппохая адгезия к углеродным волокнам

Полифенилен- 1) В ысокий модуль упругости сульфид 2) Высокие теплостойкость и химическая стойкость

3)Высокая стабильность размеров

Полифенилен- 1) В ысокий модуль упругости сульфид 2) Высокие теплостойкость и химическая стойкость

3)Высокая стабильность размеров

Поли-Низкие плотность и стой

Поли-Низкие плотность и стой

пропиленмость

пропиленмость

Низкая прочность при растяжении и ударная прочность

Необходимость обеспечения высокой температуры метаппической пресс- формы

Низкие прочность при растяжении и ударная вяз- костье Ппохая адгезия к углеродным волокнам

Низкая прочность при растяжении и ударная прочность

Необходимость обеспечения высокой температуры метаппической пресс- формы

Низкие прочность при растяжении и ударная вяз- костье Ппохая адгезия к углеродным волокнам

волокон, и соответственно вклад полимерной матрицы в конечные свойства материалов возрастает. Поэтому выбор термопластичной матрицы должен быть не менее обоснованным, чем выбор термореактивной полимерной матрицы для армированных пластиков.

Важными характеристиками термопластов являются их плотность, химическая стойкость, тепло- и износостойкость, ударная прочность, влагопоглощение, усадка при формовании, режим формования, реологические свойства и т. д. На свойства наполненных углепластиков оказывают влияние прочность, модуль упругости, электропроводность, коэффициент теплового расширения, теплопроводность, износостойкость и другие свойства углеродных волокон. На рис. 3. 1 для ряда полимеров приведены значения прочности, модуля упругости при изгибе и ударной вязкости (по

прочность при изгибе, /^гМПдпрочность при изгибе, /^гМПдРис. 3. 7. Прочность, модуль упругости при изгибе и ударная вязкость (по Изоду) термопластов, наполненных углеродными волокнами (содержание углеродных волокон 30 масс. %) [2].1 - испытание высушенных образцов; 2 - испытание образцов в среде с 50%- ной влажностью.Рис. 3. 7. Прочность, модуль упругости при изгибе и ударная вязкость (по Изоду) термопластов, наполненных углеродными волокнами (содержание углеродных волокон 30 масс. %) [2].1 - испытание высушенных образцов; 2 - испытание образцов в среде с 50%- ной влажностью.Модуль упругости при изгибе. //7 ГПаМодуль упругости при изгибе. //7 ГПаУдарная Вязкость (по изоду) образцов о надрезом,勿口％/мУдарная Вязкость (по изоду) образцов о надрезом,勿口％/м

прочность при изгибе, /^гМПд

прочность при изгибе, /^гМПд

Рис. 3. 7. Прочность, модуль упругости при изгибе и ударная вязкость (по Изоду) термопластов, наполненных углеродными волокнами (содержание углеродных волокон 30 масс. %) [2].

1 - испытание высушенных образцов; 2 - испытание образцов в среде с 50%- ной влажностью.

Рис. 3. 7. Прочность, модуль упругости при изгибе и ударная вязкость (по Изоду) термопластов, наполненных углеродными волокнами (содержание углеродных волокон 30 масс. %) [2].

1 - испытание высушенных образцов; 2 - испытание образцов в среде с 50%- ной влажностью.

Модуль упругости при изгибе. //7 ГПа

Модуль упругости при изгибе. //7 ГПа

Ударная Вязкость (по изоду) образцов о надрезом,勿口％/м

Ударная Вязкость (по изоду) образцов о надрезом,勿口％/м

Изоду) [2] . Из данных, приведенных на рис. 3. 1, следует, что для пластика на основе найлона 66 существует сбалансированность всех трех механических характеристик при испытании во влажной среде. Максимальный модуль упругости имеет материал на основе полифениленсульфида, но его ударная вязкость низка. Наибольшей ударной вязкостью обладает наполненный углеродными волокнами ударопрочный найлон, но у него очень низкий модуль упругости. Так как механические свойства наполненных волокнами термопластов сильно различаются, необходимо классифицировать их также в соответствии с областями применения. Для иллюстрации на рис. 3. 2 приведены температурные зависимости модуля упругости и прочности при изгибе термопластов, армированных углеродными волокнами [3] ? а на рис. 3. З1^ — триботехнические характеристики армированных термопластов [3] . Из этого рисунка следует, что термоплас ты, армированные углеродными волокнами, обладают лучшими триботехническими свойствами по сравнению с неармированными или содержащими стекловолокна термопластами. Характерно, что армированные пластики

')На рис. 3. 3. величина 尸 一 давление, V - скорость относительного перемещения. 一 Прим. ред.

Температура, КТемпература, К

Температура, К

Температура, К

Рис. 3. 2. Температурная зависимость модуля упругости и прочности при изгибе термопластов, армированных углеродными волокнами (содержание волокон 30 масс.%) [3].

1 — полифениленсульфид, 2 — найлон 66, 3 — полисульфон, 4 — полибутил ентерефталат.

Предельные значения PV, 103^-^/z

Удельная износосто口 一к0еть,沁75兩、

加

Ю

10°

10° Ю

Юг />

неармироЬанный

термопласт30 曲асе. %> стек

"丿丿

АоВОЛОкОН

W"00c % углеродных доломан

1 неирбпробах 泣近

/_「термопласт

V/=，《///—〃八3加асе. % стек- ловолокон

углеродных вОАОКОн

Найлон 66

//"/

Полибутиле нт ере- фталат

Поликарбонат

По1nиокси- метипен

Полисе - ниле»~ сульфид

Рис 3. 3. Триботехнические характеристики армированных термопластов.

на основе найлона 66, полибутилентерефталата, полиацеталя и других кристаллических полимеров имеют хорошие триботехнические характеристики.

Термопластичные смолы, используемые для получения препрегов и листов для холодного штампования. Как и для литьевых термопластов, при получении препрегов и листов для холодного штампования важно, чтобы связующее могло приникать в межволоконное пространство пучков углеродных волокон. С этой точки зрения наиболее подходящими являются полимеры с низкой вязкостью, такие, как найлон, полиэтилен- терефталат, полифениленсульфид и т. д. При высокой вязкости полимеров можно получать армированные пластики "мокрнм” методом, используя соответствующие растворители. Пластики на основе углеродных волокон еще находятся в стадии разработки, а для получения термопластов, армированных стекловолокнами, применяются найлон 6, полипропилен, полиэтилентерефталат, поливинилхлорид и другие полимеры. При использовании углеродных волокон физические свойства полимерной матрицы играют большую роль. В настоящее время изучается возможность использования для получения углепластиков не только найлона, но и полифениленсульфида, полиамидоимвда, полиэфиркетонов и других термостойких полимеров. Как и для материалов, получаемых методом литья, для рассматриваемых материалов наиболее важными характеристиками являются теплостойкость, ударная вязкость, атмосферостойкость, хемостойкость, способность к последующей обработке (склеивание, окраска, металлизация, типографская печать) и другие характеристики.

Обоснование выбора углеродных волокон и наполнителей

С учетом значительного многообразия существующих методов переработки разрабатываются и изготавливаются разнообразные типы материалов для формования. В табл. 3. 6 показана взаимосвязь между исходными материалами и методами получения изделий из углепластиков. Исходные материалы на основе углеродных волокон показаны на рис. 3.4 [4]. Ниже подробнее рассмотрены различные типы и свойства основных исходных материалов, используемых для получения изделий из углепластиков.

Углеродные волокна

В настоящее время производатся различные сорта углеродных волокон, отличающиеся, например, числом волокон (1000 — 30 000) в одном

。受-LogEdmEd sibo s H。-一否。xbh 匚 Bnd3J.Esю В2ЛЬООХХФСЗЗ|С ssso^c^m с«хафь«2 Л

хзпнз-Dg 2Q0

HnHaQMdegEO 9OJOU。

ШО^ХЬОЛССФЕ

sxo^oas^& eQQQ含

roNouog~qHgQC Is* 口°28¥SAQ-O n工UJ0hoQ gooouj

AmM 壮工匚stfen в工工shAU。匚 MweBOJ-sw 工 soueMd°J.ew xsxsxos sic^H

xOH°lfogsq-od I43X£°hq°aH DqDnd !ёот we总cyanN A关sw Jwssss^wm ・gw?sw^

Л/с. 3.4. Фотография различных типов исходных материалов на основе углеродных волокон [4].

'—Нить. Используется для формования прецизионных изделии методом на- мотки* 2 - Ткань в виде узкой ленты. 3 - Гибридные ткани. В продольном направ- лении — нити и3 углеродных волокон, в поперечном - стекловолокна. 4 — Ткань, состоящая только из углеродных волокон. 5 - Мат из хаотически ориентированных коротких волокон. 6 - Тесьма. Используется для получения изделий из углеплас- тиков в форме трубок сложной конфигурации и других изделий неправильной формы. 7 — Премикс из рубленых волокон. 8 — Гранулы наполненных углерод- НЬ1МИ в°локнами найлона, полибутилентерефталата и других термопластов, исполь- зуемых для переработки литьем. 9 - Препрег из параллельно ориентированных углеродных нитей, пропитанных эпоксидным связующим.

пучке1 ^. При небольшом числе волокон пучки имеют гладкую поверхность, хорошо пропитываются связующим, но весьма дороги. Для намот- кк с получения профильных изделий с однонаправленной структурой используют обычно пучки со сравнительно большим количеством элементарных волокон — 6000 и более. Армирующие материалы отличаются типом шлихтующего (аппретирующего) агента, склеенностью элементарных волокон в пучке и другими характеристиками, и поэтому их необходимо классифицировать в зависимости от целевого назначения.

D В нити, жгуте. - Прим. ред.

Однонаправленные препреги

Для формования многослойных изделий из препрегов широко используют метод горячего прессования, получение труб методом намотки, автоклавное формование и др. В настоящее время выпускаются препреги самых различных марок, отличающиеся рецептурой связующего, типом углеродных волокон, содержанием волокон в препреге, его толщиной и размерами и т. д. Например, в зависимости от заданных условий формования изделий можно использовать связующие, отверждающиеся при повышенной или комнатной температуре. Свойства конечного изделия^ как указывалось в разд. 3. 1. 1, в большой степени зависят от теплостойкости, ударной вязкости, водостойкости и многих других свойств матрицы. Различные типы углеродных волокон отличаются друг от друга прежде всего прочностью и модулем упругости.

Обычно содержание волокон в препрегах составляет около 60 об.%, но в некоторых случаях выпускаются препреги, содержащие более 70 об.% волокон. Толщина препрегов определяется числом элементарных волокон в пучке. Для тонких препрегов используют пучки, состоящие из небольшого числа (но не менее 1000) волокон. Различные фирмы-изготовители выпускают препреги шириной 300, 500 и 1000 мм, длиной 5 0 и 100 м, а также препреги других размеров. В зависимости от типа связующего и условий хранения жизнеспособность препрегов может колебаться. В большинстве случаев она составляет от двух недель до трех месяцев1 ^. В табм 3.7 перечислены типы некоторых однонаправленных препрегов, выпускаемых фирмой 'Торз".

\.2.3. Ткани и препреги на их основе

Углеродные волокна имеют высокий модуль упругости и малые удлинения. Поэтому они не выдерживают многократных деформаций и использование их для получения тканых материалов представляет известные трудности. Однако в связи с прогрессом в технологии производства углеродных волокон и в технике ткачества оказалось возможным изготавливать из них и всевозможные тканые материалы [9]. Преимуществом однонаправленных тканей?) является то, что в них практически исключаются перегибы волокон в продольном направлении, волокна хорошо ориен-

идимому, при нормальных условиях, так как в противном случае автор оговорил бы температуру хранения. - Прим. ред.

?)В данном случае тонкие нити (стеклянные или органические), расположенные по утку, служат лишь для технологической связи нитй! или жгутов друг с другом.- Прим. ред.

Табпица 3.7. Типы однонаправленных препрегов производства фирмы "Торэ" [4]

Марка углеродного волокна

Связующее

Температура отверждения, К

Содержание связукь щё「孑， обв %

Толщина, мм

Ширина,, мм

Цпина7 мм

Т 300в

Эпоксидное

403

40

0,05 - 0,25

500,1000

100

Т 300

”6

403

40

0,05 - 0,25

5009 1000

100

М 40г

403

40

0Q7 - 0,15

500, 1000

100

М 40

403

40

0,07 - 0,17

500, 1000

100

Т 300

Полиэфирное

423

40

0,05-0,17

500, 1000

100

М 40

423

40

0,12-0,17

500, 1000

100

т эоо

Эпоксидное

473

42

0,12 - 0925

ЭОО

М 40

*•

473

40

0,07 - 0,15

300

а Выпускаются разновидности препрегов с содержанием связующего 30 - 45 об.%»

Эпоксидная композиция, обладающая повышенной водостойкостью.

в Т 300— углеродное волокно высокопрочного типа, выпускаемое фирмой "Торэ", с прочностью при растяжении 3000 МПа.

「М 40"~угперодное вопокно высокомодульного типа, выпускаемое фирмой "Торэ”，с модулем упругости при растяжении 400 ГПав

тированы, материал получается гладким и приятным на ощупь. Их выпускают и в виде гибридных лент и полотна в сочетании со с те к л ов ол окнис - ты ми нитями [10] . В настоящее время ассортимент тканей весьма разнообразен; они различаются плотностью расположения нитей по ширине, структурой плетения, соотношением числа нитей в продольном (по основе) и поперечном (по утку) направлениях, числом элементарных волокон в пучке и другими характеристиками. В табл. 3. 8 перечислены типы некоторых тканей специального назначения [4] : неизвитая ткань [11], в которой благодаря исключению изгибов углеродных волокон предотвращается повреждение волокон и снижение их прочности; спиральная ткань, в ко-

Табпица 3.8. Ткани на основе угперодных волокон фирмы "Tops'* [4] 1) Ткани на основе поперечных и продольных угперодных вопокон

Используемое в опок-

По ос но-— ве

Т 300-1000

Т 300В

Т 300 - 3000

Т 300 В 6000

но

По утку —

Структура ткани

8-ре- Ткань миз-спад-

наякого

ткань ппе- гпад- тения кого плетения

Ткань 8-респад- миз- кого ная ппете- ткань ния гладкого плетения

«ре* Ткань Ткань миз- гпад- спож- ная кого НОГО ткань ппе- ппе- Еа* тения тения К0Г02/2

плетения

8-ремиз-

ная ткань гладкого плетения

Плотность укпад- ки нитей

По основе

Число нитей на 25 мм ширины

40

22,5

17,5

25

30

12,5

15

15

По ут-

Чис-

ку

по нитей

на

25 мм ширины

40

22方

17方

25

7^

12,5

15

15

Размеры

Ширина

см

100

100

100

100

100

100

100

100

ткани

Длина

м

50

50

50

50

50

50

50

50

Толщина

мм

0,25

0,15

0,14

0.4 Т

0,35

0,27

0,2В

0,45

Масса ткани

г /м2

210

120

90

400

300

200

240

480

Продолжение табл. З.Э.Продолжение табл. З.Э.

Продолжение табл. З.Э.

Продолжение табл. З.Э.

Продолжение табл. 3.8.

2) Ткани на основе продольных угперодных волокон и поперечных стекловолокон

Исполь-

По ос-

—

Т 300 - 1000 тзоов т зоов

т ЗООВ

т зоов

зуемое

нове

30003000

6000

6000

вопокно

По ут-_

ку

—

ЕСЕ 225 1/0

ECG

ЕСЕ

75 1/0

225 1/0

Струк-

—

4-ре-4-ре-4-ре-4-ре-

Ткань

Ткань

тура

мизная мизная мизная миз-

глад-

глад-

ткани

ткань тканьткань ная

кого

кого

「лад- глад-глад- ткань

лле-

лле-

кого когокого глад-

тения

тения

лле- лпе-пле-кого

тения тениятения пле-

тения

Плот-

По ос-

Число

453522,515

12,5

18,8

ность

нове

нитей

уклад-

на

ки ни-

25 мм

тей

ширины

По ут-

Число

303022t533 3

12万

10

ку

нитей

на

25 мм ширины

Размеры

Ширина

см

100

100

100

100

100

100

ткани

Длина

м

50

100

50

100

50

50

50

100

Толщина

мм

0,15

0,13

0,21

0,18

0,27

0,35

Масса ткани

г/м2

145

120

200

150

235

30а

3)Ткани на основе продольных углеродных и стеклянных волокон и поперечных стекпянных волокон

И СП ОЛЬ- По ос-

Угле-

—

Т 300 - 1000

Т 300

т ЗООВ Т 300-3000

зуемое ноее вопбкно

родное волок-

3000

3000

Стекпо- волокно-

-

ЕСЕ 225 1/2

ECG

75 1/2

ECD ЕСЕ 225 1/2

450 1/2

По утку

Стекло

волокно

-

ЕСЕ 225 1/0

ECG ЕСЕ 225 1/0

150 1/2

Структура ткани

^ремиз

ная ткань гладкого плетения

^ремиз

ная ткань гладкого плетения

4-ре- миз-

ная

ткань

гладкого

пле

тения

4-ре- миз-

ная ткань гладкого плетения

Ткань Ткань 「ла屮 гладкого кого пле- плетения тения

Плотность укладки нитей

По основе

Углеродное вопокно

Число нитей на 25 мм ширины

17,725

15

8.8

43

43

Стек- лово- покно

Число нитей

35,4 12,5

30

8,8

22

22

на

25 мм ширины

По ут・ Стек- Чис- 3022,510301010

ку лово- по покно нитей на 25 мм ширины

Продолжение т^п. з°8・

Размеры

Ширинасм 100 100100100530

50505 0100“

Длинам100 1001005050

Масса ткани

Толщинамм 0,13 0,130,26 0,170,400,40

г/м2 140 11029012020а120a

Масса ткани длиной 1 м в граммах.

Рис. 3. 5. Примеры тканей специального назначения.

а — неизвитая ткань [5] ; б — спиральная ткань [б] ; в — ткань с трехосной ориентацией нитей в плоскости ткани [7] ; г — трехмерная ткань с ортогональной объемной ориентацией нитей [в] . 1 — стеклянная нить; 2 — углеродная нить.

торой углеродные волокна расположены по спирали и связаны между со= бой в радиальном направлений; ткани с ориентацией углеродных волокон под углом 0,30 и 60°; трехмерные ткани, в которых углеродные волокна ориентированы также и в направлении толщины ткани, и т. д. Неизвитая ткань уже применяется при изготовлении удилищ и других изделий [9 — 13]. На рис. 3. 5 показаны примеры тканей специального назначения.

Перечисленные выше типы тканей производятся фирмами, выпускающими углеродные волокна. Одни фирмы-изготовители углеродных волокон выпускают и препреги, осуществляя пропитку тканей связующими. Другие- фирмы изготавливают из тканей изделия с одновременным введением в них связующего, используя указанный выше арсенал технологических средств.

Тесьма, или плетеный рукав

Тесьма из углеродных волокон в виде плетеных рукавов характеризуется большей гибкостью по сравнению с тканями на основе углеродных волокон. Из тесьмы можно получать изделия сложной конфигурации с поверхностью неправильной формы и т. д. Кроме того, тесьму в виде рукава можно использовать для армирования внутренней поверхности металлических шлангов, изогнутых трубок и других изделий. Различные типы тесьмы различаются количеством углеродных волокон в нитях, уг* лом ориентации нитей в тесьме, количеством входащих в тесьму нитей и г. д. В табл. 3. 9 перечислены различные типы тесьмы, получаемой методом плетения [4].

Таблица 3.9. Типы тесьмы из углеродных волокон, выпускаемой фирмой "Торэ" [4]

Угол ориентации нитей в тесьме, град.

Масса* г/10 м

Количество вопокон в нитях, шт.

Количество входящих в начало тесьмы нитей, шт.

Ширина участка ткани* дпя которого приведен угол ориен* тации нитей, мм

5

47

10

48

15

49

3000

24

10

20

50

30

52

Продолжение табл. 3.9.

5

94

10

98

15

98

зооо

48

15

20

100

30

103

5

195

10

196

15

201

3000

98

40

20

205

30

209

5

397

10

400

15

420

8000

98

40

20

496

30

434

3.2.5. Маты

Маты представляют собой рулонный материал, состоящий из хаотически расположенных отдельных углеродных волокон, которые пропитаны полиэфирным или другим связующим. В отличие от армированных конструкционных материалов изделия на основе матов, не обладая высокой прочностью, имеют высокую электропроводность и используются в качестве антистатических и поглощающих радиоволны материалов для изготовления, например, полов.

Листовые формовочные материалы

Если все непрерывные волокна ориентированы в определенном направлении и натянуты, то параметры углепластика в этом направлении максимальны. При изготовлении изделий сравнительно простой формы, например плоских листов, труб и других однородных по толщине изделий, можно с успехом реализовать характерные свойства углепластиков. Однако при получении изделий сложной формы возникает ряд затруднений в связи с необходимостью применения методов прессования, литья и т. д. Поэтому в настоящее время уделяется большое внимание совершенствованию технологии производства полуфабрикатов и методов их

Получение и переработка углекомпозитов

Таблица ЗЛО. Механические характеристики листовых формовочных мате- риапов на основе углеродных вопокон и эпоксидной смопы [ 15]

Механические Волокна длиной 12«5 мм Волокна Длиной 25,4 мм

характерис- - тики

Комнатная температура

393 К

422 К

Комнат- 393 К ная температура

422 К

Прочность при растяжении, МПа

173

145

125

241

214

188

Модуль упругости при растяжении» ГПа

58,7

496

42,1

58J

48,3

44.1

Прочность при изгибе, МПа

448

298

23 3

517

407

289

Модуль упругости при из- 「нбе. ГПа

82,0

53,8

42,1

82,0

53,8

43,5

Прочность при сжатии, МПа

207

—

—

241

—

—

Ударная вязкость, кДж/м

0,7

—

—

1.13

—

—

Плотность, г/см3

1,51

—

—

1,51

Твердость по Роквеппу (шкапа М)

110

—

—

110

--

Полимерная матрица

Найлон 66

Полибутилентерефталат

Сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола

Армирующие

Углеродные

Стек-

Без во-

Углеродные

Стек-

Без

Угле-

Стек-

Без

волокна

лянные

локон

лян-

во-

родные

лян-

волокна

ные

локон

ные

Марка материала6

3001

Т 15

3001 Т 30

3001 Т 30

3001

Т 40

CM3001GCM3001N

1401

Т 20

1401

Т 30

1401

G 30

1401

0100

Т 20

100

G 20

Тоё ракку

100

Содержание волокон, масс.%

15

30

30

40

30

0

20

30

30

0

20

20

0

Пготность, г/см3

1,20

[»26

1.27

1f32

1.40

1,14

1,36

1,40

1,52

1,31

1.14

1.23

1,03

Прочность при

1300

1800

2100

2350

1700

800

1050

1650

1400

560

1100

1000

430

растяжении, 105Па

(750}

(1150)

(1340)

(1650)

(1000)

(550)

Предельное у дли-

3.5

3.5

3f5

3.5

5.0

60

4

5

4

300

3

3

17

нение при растяжении, %

(5,8)

(3,9)

(3,9)

(4,0)

(4,5)

(200)

Прочность л ри изгибе, 105 Па

2000

(1000)

2700

(2000)

2900

(2150)

3300

(2640)

2600

(1250)

1300

(650)

1600

2200

2000

900

1400

1450

650

Модуль упруго-

1000

1550

1750

2200

600

300

1000

1400

900

250

1100

630

230

сти при изгибе.

(505

(1100)

(1240) (1540)

(400)

(120)

11

Ю7 Па

Твердость по Роквеллу (шкала R)

Ударная вязкость (по Изоду) с надрезом (для образцов шириной 1#25 см), 10 Дж/м

Теплостойкость (при нагрузке 1,66 МПа), К

Коэффи- В на- циент те- яравлв- ПЛОВОГО НИИ ТВ- расши- чения

118

(102)

3 ⑺

518

1,3

120

(106)

4

(8)

523

0,7

124

(117)

4

(8)

523

0,7

124

(118)

4 ⑺

523

0v6

120

(113)

7

(9)

521

1.5

116

(100)

4 (14)

339

10

118

3

483

1

117

4

488

0,7

121

6

485

L5

116

5

331

10

120

5

373

1

120

7.5

375

1.3

105

18

363

10

Ренин, в по- 1。* /К перечном направлении

10

6

6

6

8

10

10

8

6

10

10

10

10

Коэффициент теплопроводности, Дж /(М • с • К)

0.41

0,520,52 0,70 0,30

0.23

0,47 0,58

0.29

0,16

0,47

0t29

0f22

xz百 odeu」A SHHexdeaos I g 二Q0 5-iE I ■>? • -20ГЗОЭ ? ■ ■!) L I »^»00«s zov-o§ffl L 99 w H LOGS -H2rtyrtso ^ю𠧫 sxdBH BSWMduB-BOUBMdS-LRH xexdRH -£^x^ 6。。营 h.H 翳巽訂 POHHyhhohaoHH^i

gz*o

40 —юо внитпиоа-иинев

-owdo今 sdu «§гао>

:0L E°L°LIOL 9°L g°L OLI 二 OLIOL S°L S°L OLI L OLI L OLI :OLJOL —30du。。83

11

зg

卜

8

°

L。

1

>

Ct

&

Ф z

8 g

5 i

s

激

1

Ф 3 z

二 3

1

a

L H

!

>

纟

О

叵

I

ф z

о

5 *

石i

Б g

§

戸

g -

ст

L

CO 1

9

8 О

О

1

X

v-8 Ng ss击 MUONOdu

переработки. Одно из технологических решений — метод получения и переработки листовых формовочных композиций. В этом случае углеродные нити рубят на отрезки длиной 12,5 — 75 мм, пропитывают связующим на основе ненасыщенной полиэфирной смолы, поливинилового эфира или других веществ, регулируя их вязкость, и из этой композиции изготавливают листы, которые затем можно перерабатывать в изделия различными методами.

Чаще всего в листовых формовочных материалах, как и в стеклопластиках подобного типа, углеродные волокна располагаются хаотично в плоскости листа. Предпринимаются попытки создать листовые формовочные материалы, в которых короткие углеродные волокна в той или иной степени ориентированы в заданном направлении. Обычно листовые формовочные материалы на основе углеродных волокон отличаются от аналогичных стеклопластиков более высоким относительным содержанием волокон. Повышенное содержание наполнителя требует корректирования условий формования материала, особенно в связи с тем, что углеродные волокна имеют (вследствие их малого диаметра) большую суммарную площадь поверхности и перераспределение связующего в объеме материала при формовании изделий затруднено. Поэтому возникает необходимость совершенствования технологии изготовления и переработки листовых формовочных материалов, с тем чтобы повысить совместимость компонентов и монолитность материала в изделиях.

Разработку листовых формовочных материалов на основе углеродных волокон в Японии осуществляют различные фирмы, например фирма "Торз” [14] . Примерный уровень механических характеристик таких материалов на основе эпоксидной матрицы фирмы U5.Polymeric иллюстрируют данные, приведенные в табл. 3.10 [15] . В последнее время разрабатываются: листовые формовочные материалы, которые содержат во внутреннем слое короткие стеклянные волокна, а в поверхностном слое — однонаправленные непрерывные углеродные волокна [16] ; поглощающие радиоволны листовые формовочные материалы на основе стекловолокон с поверхностным слоем на основе матов из углеродных волокон [17] и другие материалы.

Таблетированные полуфабрикаты

Таблетированные полуфабрикаты представляют собой гранулированную смесь термопластичной матрицы и коротких углеродных волокон, предназначенную для литья под давлением, экструзии и других методов переработки наполненных термопластов. Фирмы-изготовители углерод-

Таблица 3.7 2. Характеристики термопластов, наполненных пековыми углеродными ВОПОКнами (фирма Union Carbide Corp.) [ 18]

Полимер

Содержание волокон, масс. %

Характеристика

Ппот- —НОСТЬ, г/см3

Предельное удлинение при растяжении, %

Прочность

при растяже

нии* МПа

Модуль Проч-

Модуль упругости при изгибе, ГПа

Углеродных марки VMD

Стеклянных

упругости при растяжении, ГПа

ность При изгибе, МПа

Кайпон 66

—

1,14

60

76

2.8

110

2,8

15

—

1t22

2,9

87

5,9

159

6,5

30

—

1,30

2,7

109

8,7

175

10,3

40

—

1,40

2.5

121

16,1

201

15,0

Найпон 66”

20

25

—

3,9

125

—

237

11.4

25

20

1.42

33

114

11«8

235

13,2

30

15

1.41

3.5

101

—

214

13,0

Пописупьфон

—

—

1,24

75

70

2,5

106

2,7

15

—

—

2,4

70

4,1

117

3,5

30

—

—

—

92

Л 1.0

127

7,6

40

—

—

—

97

12,4

155

11.7

Поликарбонат

—

—

1,20

100

66

23

93

23

15

—

1.28

3,7"

66

4,7

110

4,3

30

—

1,36

2,1

79

9,2

118

7Q

Попифенипен

—

—

1.34

力6

69

3t8

97

3t8

25

—

1,48

0,64

86

15,9

131

12.4

40

—

1.55

—

97

18,6

167

13,8

Полипропилен

—

—

0t91

150

35

1J

48

L2

15

—

0,98

4,7

32

3,6

39

2,3

30

—

1Q8

2,2

37

6.5

46

4,1

45

—

1,18

45

9,5

56

7.0

')В данном случае материал является гибридной композицией. — Прим. ред.

ных волокон и полимеров выпускают различные марки таких полуфабрикатов, отличающиеся типом полимеров, содержанием углеродных волокон, различными добавками и т. д. Физико-механические характеристики термопластов, армированных углеродными (на основе ПАН) и стеклянными волокнами, приведены в табл. 3.11 [4], а термопластов, армированных пековыми углеродными волокнами, — в табл. 3.12 [18]. Принципы выбора полимерной матрицы были рассмотрены в разд. 3. 1. 2. Содержание углеродных волокон обычно варьируется в диапазоне 10 — 40 масс.%. Для получения хорошей износостойкости и анти- стати^ских свойств используют сравнительно низкую скорость перемешивания, а при литье в металлические формы, когда необходимо получить изделия, обладающие высокими жесткостью и прочностью, используется высокоскоростное перемешивание композиции. На рис. 3. 6 показана зависимость прочности и модуля упругости углепластика от содержания углеродных волокон [2]. Как видно из рисунка, с повышением содержания волокон модуль упругости углепластика возрастает практически линейно. Рост прочности углепластика замедляется, начиная примерно с содержания волокон 40 масс.%. При повышении содержания волокон реологические свойства смесей ухудшаются, что отрицательно влияет на процесс формования. Поэтому относительное содержание волокон 40 масс.% следует рассматривать как максимальное для композиционных материалов этого типа.

На рис. 3. 7 приведена зависимость удельного электрического сопротивления углепластика от содержания в нем углеродных волокон. Как следует из данных, приведенных на рисунке, углеродные волокна по сравнению с частицами газовой сажи значительно эффективнее снижают

Содержание углеродные волокон, масс. %Содержание углеродные волокон, масс. %ТОЕ 0、-'gnecn ndu nEao-duh qiMQOEТОЕ 0、-'gnecn ndu nEao-duh qiMQOEАс. 3. 6. Зависимость прочности и модуля упругости углепластика на основе найлона 66 от содержания волокон.

Содержание углеродные волокон, масс. %

Содержание углеродные волокон, масс. %

ТОЕ 0、-'gnecn ndu nEao-duh qiMQOE

ТОЕ 0、-'gnecn ndu nEao-duh qiMQOE

Рис. 3. 7. Зависимость удельного электрического сопротивления углепластиков на основе найлоиа 66 от содержания наполнителя [2].

электросопротивление материала. Углеродные волокна по сравнению с сажей дают на 5 - 10% больший антистатический эффект. Как следует из рис. 3. 8, при содержании углеродных волокон около 20 масс.% наблюдается сравнительно малое поглощение радаоволн. Для получения углепластиков с высоким коэффициентом поглощения радиоволн следует использовать более 30 масс.% углеродных волокон.

尸〃с. 3. 8. Зависимость коэффициента поглощения радиоволн углепластиков на основе найлона 66 от содержания волокон при частоте 10 МГц для образца толщиной 3 мм [2].

Листовые материалы для холодной штамповки

Листовые материалы, предназначенные для холодной штамповки, представляют собой пропитанные термопластичными смолами маты из коротких волокон или ткани из непрерывных волокон. Такие материалы аналогичны листовым формовочным материалам на основе коротких волокон, пропитанных термореактивной смолой, но обладают преимуществами по технологическим условиям формования, в частности длительность процесса формования меньше. В качестве примера можно привести наполненные стекловолокнами листовые материалы для холодной штамповки марок AZDEL ,STX и т. д. Такой тип материалов на основе углеродных волокон пока находится в стадии разработки фирмами "Торз” [21], UCC [22] и др. С точки зрения технологичности лучше использовать короткие волокна, однако материалы на основе тканей из непрерывных волокон b бла дают лучшими механическими свойствами. В табл. 3. 13 приведены характеристики листовых материалов для холодной штамповки, полученных с использованием 8-ремизной ткани марки # 6341 на основе углеродных волокон ^Торэка'*.

Формование углепластиков

Современные методы получения и переработки армированных пластиков получили развитие и применение в процессе разработки стеклопластиков. Для формования углепластиков используются аналогичные методы или их улучшенные варианты. В последнее время наблюдается тенденция к сочетанию в технологическом процессе нескольких методов переработки, которые ранее применялись по отдельности. Например, нередко метод намотки используют в комбинации с процессом получения однонаправленных профильных материалов】)волокнистого пластика. Рассмотрим несколько типичных методов переработки углепластиков.

Основные методы переработки углепластиков

Методы получения многослойных изделий из препрегов. Такие методы аналогичны формованию стеклопластиков с ручной выкладкой стекловолокнистых полуфабрикатов. Слоистый пластик в этом случае получают ручной выкладкой слоев препрега на основе углеродных волокон, а отверждение проводят методами горячего прессования, автоклавного формования, методом формования на поворотном столе и т. д.

1)ь

К сожалению, автор не поясняет, каким образом осуществилется такая комбинация н какой эффект при этом достигается. - Прим. ред.

Таблица 3.73. Характеристики листовых материалов для холодной штамповки1 на основе ткани из углеродных волокон [21]а

Характеристика

Метод измерения (по AS ТМ)

Единица измвре-- ния

Полимерная матрица

найлон 6

Поли- Г фенилвн- сульфид

1олиами- ДОИМИД

Удельный аес

D792

「/СМ?

1,53

1,58

1,60

Твврдость по Роквеллу

，D785

—

R-123

—

—

Прочность при растяжении

D3039

МПа

687

736

736

Предельное удлинение при растяжении

D3039

%

12

1.2

1,2

Прочность при изгибе

D790

МПа

785

834

785

Модуль упругости при

D790

ГПа

59

61

61

изгибе

Ударная вязкость по Изоду

0256

10 Дж/м

55

45

Теплостойкость (нагрузка 1.86 МПа)

0648

К

496

553

563

Коэффи- В плос- цнвнт твп- кости

Дилатометрия

10-5/К

0.5

левого рас- листа

w“bh"R Пврпвн-

дику- лярно

18

плоское-

ти листа

Огнестойкость

UL-94

—

НВ

v-o

WO

а3а исключением твердости по Роквеллу и коэффициента теплового расширения в направлении толщины листа, все характеристики определяли в направлении ориентации волокон ткани.

Формование препрегов с использованием металлических штампов. Этим методом прессуют уложенные вручную в металлическую форму пакеты однонаправленных или тканевых препрегов на основе углеродных волокон. Формование под давлением среда других методов переработки пластмасс имеет наиболее давнюю историю и широко применяется при переработке термореактивных смол. Для получения изделий из композиционных материалов на основе таких смол и углеродных волокон этот метод используется практически без изменений. Можно отметить его следующие характерные особенности：

В отличие от рассматриваемых далее методов литья изделий из термопластов этот метод из-за отсутствия необходимости перераспределения компонентов в объеме материала не требует высоких давлений при формовании изделий и, следовательно, позволяет использовать сравнительно недорогие металлические формы и оборудование для прес- сования.

Благодаря применению армирующих материалов из непрерывных волокон изделия имеют весьма высокие прочность н жесткость. Кроме того, устраняется возможность нарушения ориентации волокон вследствие перетекания связующего, как это имеет место при переработке листовых формовочных материалов, литье под давлением и использовании некоторых других методов.

Можно получать изделия с высокой точностью размеров.

В качестве полимерных матриц в углепластиках рассматриваемого типа обычно применяются связующие на основе эпоксидных смол, а также ненасыщенных полиэфирных смол, поливиниловых эфиров, полиимиды и другие типы полимеров.

Рассматриваемый метод обладает многими достоинсгвами3 а его недостаток -низкая производительность, обусловленная многостадийность процесса. Укажем последовательность операций для получения изделий из препрегов с использованием металлических штампов:

В зависимости от заданных свойств изделия выбирают схему ориентации волокон и в соответствии с этим делают раскрой препрега (ножницами или ножом) при комнатной температуре.

Нарезанные листы препрега определенной формы складывают в пакет; при прессовании изделий из однонаправленных препрегов для предотвращения нарушения расположения волокон пакет заворачивают в специальную тетроновую ткань.

Приготовленный пакет укладывают в металлическую форму.

При использовании связующих на основе эпоксидных смол пакет прогревают в течение 1—2 мин и лишь после этого начинают прессование. При отклонении от оптимального времени предварительной выдерж-

ки внутри формуемого изделия в процессе прессования возникают поры. Величина давления зависит от формы изделия: для плоских листов оно составляет приблизительно 1 МПа, а для изделий сложной конфигурации -до 5 - 10 МПа. Температура и время термообработки в каждом отдельном случае зависят от типа используемой полимерной системы и поэтому здесь не рассматриваются.

Форму раскрывают, извлекают из нее готовое изделие и отделывают его (зачищают).

После извлечения готового изделия из формы при необходамости можно провести дополнительное отверждение изделия в термокамере.

Автоклавное формование. Препрег или многослойный пакет из препрега на основе углеродных волокон выкладывают на форму, вместе с ней помещают в вакуумный мешок и снижают в нем давление. Метод, при котором отверждение проводят, создавая градиент давления по отношению к атмосферному, называют формованием с помощью вакуумного мешка. Так как нередко избыточное внешнее давление создают с помощью автоклава, то этот метод также называют автоклавным формованием. Первоначально он использовался для склеивания деталей самолетов.

Процесс собственно автоклавного формования состоит из следующих основных этапов: 1) на форму накладывают необходамое число слоев препрега1'^; 2) при повышенных давлении и температуре в автоклаве проводят отверждение; 3) осуществляют отделку (зачистку) отвержденных изделий. Чаще всего при отверждении в автоклаве используют и вакуумный мешок. Рассмотренный метод формования является периодическим; на свойства изделий решающее влияние оказывают технология выкладки препрега на форму, тип и свойства вакуумного мешка и т. д. [23].

Можно отметить следующие характерные особенности метода автоклавного формования: 1) возможность получения изделий равномерной толщины; 2) возможность формования крупногабаритных изделий; 3) высокое качество поверхности изделий; 4) при использовании вакуумного мешка получаются высококачественные изделия с низкой пористостью.

Недостаток метода автоклавного формования заключается в том, что он довольно дорог, требует затрат ручного труда и поэтому малопригоден для массового производства изделий. Тем не менее он весьма эффективен для изготовления изделий из таких высококачественных и легких материалов, как углепластики. Перспектива снижения стоимости процесса (соответственно и изделий) связана с механизацией и авто-

1)Автор опустил в данном случае операцию раскроя препрега. - Прим. ред.

Таблица 3J4. Материалы для изготовления вакуумных мешков и другие материалы, используемые в методе автоклавного формования

Материалы для изготовления вакуумных мешков

Виниловый полимер, натуральный каучук, пленка из лоливинилаце- тата# неопреновый каучук, пленка из поливинилового спирта* целлофан, модифицированный каучук, найлон, сложный полиэфир, уретановый каучук, силиконовый каучук

Специальные материалы

Ткань из джутовых волокон, бумага, войпок* стеклоткань, ткань из полиэфирных волокон

「ермвтизирующив материалы

Хромат цинка, бутилкаучук

матизацией ряда операций, сокращением благодаря этому трудовых затрат и подбором лучших материалов для вакуумных мешков. В табл. 3. 14 указаны материалы, из которых обычно изготавливают вакуумные мешки, а в табл. 3. 15 — различные материалы, используемые для изготовления форм. В настоящее время для метода автоклавного формования используют главным образом найлоновые пленки. Исследуется возможность применения для этого метода термостойких и долговечных мешков из силиконового каучука, которые можно использовать многократно.

На рис. 3. 9 приведена схема автоклавного формования, а на рис. 3. 1. - стандартные условия для этого метода. В частности, важно выбирать температуру и давление с учетом характеристик процесса отверждения, так как эти параметры оказывают значительное влияние на свойства формуемого изделия [25].

свойства формуемого изделия [25].

Надо отметить пожароопасность использования вакуумных мешков в методе автоклавного формования. Некоторые примеры возгорания и взрывов при использовании этого метода приведены в работе [26]. Поэтому необходимо применять инертную газовую среду (напри- мер, азот) и принимать другие меры безопасности при автоклавном формовании.

Стадия производства4исво произ-Материалводственных циклов до замены формыЭкспериментальная1-5Древесина» стеклопластик» гипсСтадия производства4исво произ-Материалводственных циклов до замены формыЭкспериментальная1-5Древесина» стеклопластик» гипсТаблица 3.75. Материалы для изготовления форм (метод автоклавного формования)Таблица 3.75. Материалы для изготовления форм (метод автоклавного формования)Около 50Около 50Небольшие серии образцовНебольшие серии образцовТо жеОколо 250То жеОколо 250ПромышленнаяПромышленнаяБолее 250Более 250Стеклопластик, алюминиевые листы, литые алюминиевые формыАлюминиевые листы9 алюминиевые формы для отливки изделий, стальСтальСтеклопластик, алюминиевые листы, литые алюминиевые формыАлюминиевые листы9 алюминиевые формы для отливки изделий, стальСталь

Стадия производства

4исво произ-Материал

водственных циклов до замены формы

Экспериментальная

1-5Древесина» стеклопластик» гипс

Стадия производства

4исво произ-Материал

водственных циклов до замены формы

Экспериментальная

1-5Древесина» стеклопластик» гипс

Таблица 3.75. Материалы для изготовления форм (метод автоклавного формования)

Таблица 3.75. Материалы для изготовления форм (метод автоклавного формования)

Около 50

Около 50

Небольшие серии образцов

Небольшие серии образцов

То жеОколо 250

То жеОколо 250

Промышленная

Промышленная

Более 250

Более 250

Стеклопластик, алюминиевые листы, литые алюминиевые формы

Алюминиевые листы9 алюминиевые формы для отливки изделий, сталь

Сталь

Стеклопластик, алюминиевые листы, литые алюминиевые формы

Алюминиевые листы9 алюминиевые формы для отливки изделий, сталь

Сталь

Метод намотки трубчатых изделий. Этот метод также называют методом поворотных столов】'.Он используется для формования удилищ, рукояток клюшек для игры в гольф и других изделий в виде трубок. Однонаправленный или тканевый препрег наматывают на цилиндрическую оправку, находящуюся между двумя нагреваемыми столами. Намотку на оправку осуществляют путем относительного смещения столов (рис. 3, 11).

Данный метод по сравнению с расематриваемым ниже методом намотки нитями имеет следующие достоинства:

Оборудование весьма простое и недорогое.

Метод позволяет несложными приемами наматывать из препрегов трубчатые изделия, имеющие конусность; при намотке нитями изготовление таких изделий затруднено.

Благодаря применению препрегов относительное содержание компонентов в изделии весьма стабильно.

1)В том случае, когда трубчатые изделия имеют конусность, перемещение столов осуществляют путем их поворота относительно друг друга. - Прим. ped.

Вакуумный “％/м из найлоноМ ftwwKKu 'Канал для вакуумирования

Жесткая пленка us FFP

\ ^боковое реброГерметизирующая прокладка\ ^боковое реброГерметизирующая прокладка.^ Пакет слоев препрега'Разделительная пленка &FFP JW отведения изделия。力 зркм散wq.^ Пакет слоев препрега'Разделительная пленка &FFP JW отведения изделия。力 зркм散wq

\ ^боковое ребро

Герметизирующая прокладка

\ ^боковое ребро

Герметизирующая прокладка

.^ Пакет слоев препрега

'Разделительная пленка &FFP JW отведения изделия。力 зркм

散wq

.^ Пакет слоев препрега

'Разделительная пленка &FFP JW отведения изделия。力 зркм

散wq

Рис. 3. 9. Схема автоклавного формования.

Производство не связано с использованием жидкого связующего, что улучшает условия труда.

Технологический процесс прост и достаточно производителен.

Недостаток метода в том, что он не позволяет формовать крупногабаритные трубы большого диаметра.

Изготовление трубчатых изделий этим методом с использованием эпоксидных связующих, отверждающихся при температуре около 400 К, и однонаправленных препрегов на основе углеродных волокон включает следующие этапы: 1) препрег на основе углеродных волокон раскраивают на заготовки нужной формы; 2) устанавливают на стол цилиндрическую оправку; 3) помещают препрег на основе углеродных волокон на стол; 4) вставляют препрег в зазор между столом и оправкой и, используя относительное движение столов, наматывают препрег на оправку; 5) намотанный препрег отверждают в термошкафу; 6) на специальной машине извлекают оправку из готовой трубки; 7) осуществляют

JdKEUdauE: ее心0*3考7JdKEUdauE: ее心0*3考7100100505001050010507^℃7^℃Скорость наереба /~30С/минСкорость наереба /~30С/мин120 мин120 минСнятие давления при температуре 60 ℃Снятие давления при температуре 60 ℃Давление внутри автоклаваДавление внутри автоклаваСкорость охлаждения менее2”С/минСкорость охлаждения менее2”С/мин~/Давление 8нут^ в^^умного мешла~/Давление 8нут^ в^^умного мешлавремявремяВремяВремя

JdKEUdauE: ее心0*3考7

JdKEUdauE: ее心0*3考7

100

100

50

50

0

10

5

0

0

10

5

0

7^℃

7^℃

Скорость наереба /~30С/мин

Скорость наереба /~30С/мин

120 мин

120 мин

Снятие давления при температуре 60 ℃

Снятие давления при температуре 60 ℃

Давление внутри автоклава

Давление внутри автоклава

Скорость охлаждения менее

2”С/мин

Скорость охлаждения менее

2”С/мин

~/Давление 8нут^ в^^умного мешла

~/Давление 8нут^ в^^умного мешла

время

время

Время

Время

Рис. 3. 10. Стандартные условия автоклавного формования.

Рис. 3U2 Различные схемы намотки.а — косоугольная (или геликоидальиая) намотка; б — кольцевая (или тангенциальная) намотка; в 一 спирально-продольиая намотка; г - полярная намотка.Рис. 3U2 Различные схемы намотки.а — косоугольная (или геликоидальиая) намотка; б — кольцевая (или тангенциальная) намотка; в 一 спирально-продольиая намотка; г - полярная намотка.

Рис. 3U2 Различные схемы намотки.

а — косоугольная (или геликоидальиая) намотка; б — кольцевая (или тангенциальная) намотка; в 一 спирально-продольиая намотка; г - полярная намотка.

Рис. 3U2 Различные схемы намотки.

а — косоугольная (или геликоидальиая) намотка; б — кольцевая (или тангенциальная) намотка; в 一 спирально-продольиая намотка; г - полярная намотка.

Рис. 3. 11. Метод намотки трубчатых изделий (метод поворотных столов).

окончательную отделку поверхности изделия. Перед отверждением в термошкафу намотанный препрег иногда обматывают на лентообмоточной машине бандажной пленкой.

Метод намотки нит员ми'〉. Среди всевозможных методов формования углепластиков метод намотки позволяет получать изделия с наиболее высокими деформационно-прочностными характеристиками. Методы намотки делятся на так называемые “сухие” и ''мокрые”. В первом случае для намотки используются препреги в виде нитей, жгутов или лент. Во втором — пропитка армирующих материалов связующим ведется непосредственно в процессе намотки; наибольшее распространение получил второй метод.

Как показано на рис. 3.12, при намотке пропитанные связующим армирующие материалы из углеродных волокон наматывают на оправку до определенной толщины, отверждают и затем отделяют изделие от оправки. Наиболее типичными способами намотки являются поперечная и

^Термин "намотка нитями'* (filament winding) охватывает методы намотки на оправку нитей, жгутов и лент, в том числе предварительно пропитанных связующим; мы будем пользоваться общепринятым термином "метод намотки*'. - Прим, ред.

спиральная или их сочетание с другими методами намотки. Для намотки используют машины различных типов: токарного (преимущественно), перекидного и других (рис. 3. 13).

В последнее время разрабатывается оборудование, в котором вместо механических средств управления схемой ориентации волокон используются компьютерные системы. Это позволяет получать трубчатые изделия, имеющие изгибы и неправильную форму, а также изделия со сложной геометрией. Разрабатывается оборудование для намотки с применением гибкой технологии, когда армирующие волокнистые материалы можно укладывать на оправке в любом направлении [27, 28].

Метод намотки из углеволокнистых материалов в целом аналогичен методам намотки изделий из стеклопластиков, которым посвящено значительное количество работ [29] . Метод намотки изделий состоит из следующих основных этапов:

Подготовка исходных материалов: выбор подходящего типа углеродных армирующих материалов (нитей, жгутов) и установка их на шпулярник; выбор связующего с отвердителем и другими компонентами полимерной матрицы и заполнение ими пропиточной ванны.

Подготовка оправки: установка ее на намоточный станок, очистка поверхности оправки от загрязнений, пыли, частиц полимера, оставших-

б

Рис. 3. 13. Различные типы намоточных машин.

« — токариый； 6 — перекидной； в — токарный с рельсовой направляющей; а — планетарный.

ся от намотки предыдущего изделия, и покрытие оправки составом на основе фторполимеров или кремнийсодержащих соединений для улучшения последующего отделения изделия.

Намотка. В зависимости от заданной схемы армирования подбирают соотношение скорости вращения оправки и скорости перемещения траверсы, несущей шпулярник с нитями или жгутами; скорость намотки (движения нитей) обычно составляет 10 - 30 м/мин.

Отверждение. Его осуществляют в термокамере при соответствующей температуре (в случае эпоксидных смол при 395 или 450 К); время отверждения обычно составляет 1 — 2 ч; в процессе отверждения желательно продолжать вращение оправки.

Извлечение оправки из изделия, выполняемое с помощью специальной машины (кабестана).

Окончательная отделка изделия: зачистка и обработка его торцов ит. д.

При использовании метода намотки перед стадией отверждения иногда обматывают изделия тетроновой усадочной пленкой, которая способствует выдавливанию избытка связующего из материала в процессе отверждения изделий, что приводит к повышению относительного содержания волокон и монолитности изделий.

%宓^处^勿 м—於 ^^Т^азз^па opogouuauj%宓^处^勿 м—於 ^^Т^азз^па opogouuaujКак показано на рис. 3.14, при заданной схеме армирования коэффициент теплового расширения углепластика сильно зависит от угла намотки [30] . Поэтому для облегчения снятия изделий с оправки необхо-

%宓^处^勿 м—於 ^^Т^азз^па opogouuauj

%宓^处^勿 м—於 ^^Т^азз^па opogouuauj

ГЗ^спрримрн - 〃 шальныр、^//

-даннь/ру^ /

-/bTpope^ I

'z^Z_^〃6勿

лили15 30 ^5 60 75 90 Угол намотки 4 град.15 30 ^5 60 75 90 Угол намотки 4 град.Рис. 3. 14. Зависимость коэффициента теплового расширения углепластиков от угла намотки.

ли

ли

15 30 ^5 60 75 90 Угол намотки 4 град.

15 30 ^5 60 75 90 Угол намотки 4 град.

димо при расчете схемы армирования (ориентации волокон) в изделиях, получаемых методом намотки, учитывать и этот фактор.

Для намотки изделий из углеродных волокон чаще применяются эпоксидные смолы, тогда как для намотки изделий из стеклопластиков —ненасыщенные полиэфирные смолы. Для получения теплостойких изделий используются полиимидные смолы.

Основные особенности методов намотки:

Возможность максимальной реализации высокой прочности и модуля упругости углеродных волокон и получения углепластиков с хорошими характеристиками.

Возможность автоматизации процесса намотки и, как следствие, получения изделий со стабильными свойствами.

Многообразие схем ориентации волокон при намотке позволяет выбирать оптимальную структуру материала в зависимости от требуемых свойств конечного изделия.

Метод намотки - один из наиболее прогрессивных и эффективных методов получения изделий из углепластиков.

Процесс получения однонаправленных профильных изделий. Основные стадии этого процесса, называемого также методом протяжки (или пултрузии): 1) пропитка связующим пучков волокон; 2) отжим избытка связующего; 3) придание материалу заданного сечения путем протягивания его через фильеру непрерывным или периодическим способом; 4) разрезка профильных изделий на элементы заданной длины. Такой процесс предельно прост, полностью автоматизирован и весьма перспективен для промышленного производства профильных изделий из армированных пластиков. Однако он имеет и недостатки, особенно сказывавшиеся в начальном периоде его разработки и освоения в промышленном производстве:

Скорость процесса зависит от температуры и скорости отверждения связующего и обычно невелика для низкотеплостойких полиэфирных смол.

Трудно обеспечить строгое постоянство сечения изделий по длине, за исключением изделий со сравнительно простой формой сечения — круглой, квадратной, двутавровой и некоторых других.

Необходимо использовать для получения изделий только нити или жгуты.

Основные элементы технологической линии на основе рассматриваемого процесса показаны на рис. 3.15. В последнее время перечисленные выше недостатки процесса получения профильных изделий постепенно устраняются и применение его заметно расширяется [32] , В качестве полимерных матриц используются композиции на основе поливиниловых эфиров и эпоксидных смол. В настоящее время фирмой Goldsworthy

府府ппп夕！=□ С=Эп夕！=□ С=ЭВариант IВариант I

府

府

п

п

п

夕！=□ С=Э

п

夕！=□ С=Э

Вариант I

Вариант I

Нагреваемая фильераНагреваемая фильераПротягивающ 空 устройствоПротягивающ 空 устройствоВабинодер - ванна камера для жатель для пропит^ высопочас- 他 связующим тотнога нагрева

Нагреваемая фильера

Нагреваемая фильера

Протягивающ 空 устройство

Протягивающ 空 устройство

L…IВариант 2

Нагреваемая Терманамера фильера

Рис 3. 15. Основные элементы технологической линии для получения однонаправленных профильных изделий.

Eng. разрабатывается технология формования профильных изделий с применением полисульфона, полиэфирсульфона, пластифицированного полиимида и т. д. Использование таких полимерных матриц позволяет достигать скорости формования круглых стержней диаметром около 5 мм порядка 102 м/мин [33]. Для получения профильных изделий со сложными схемами армирования начали использовать методы протяжки слоистых материалов на основе волокнистых матов или тканей. В настоящее время разрабатываются методы получения трубчатых изделий, сочетающие намотку спирального слоя и протяжку [35, 36]. В качестве примера применения материалов со сложной схемой армиро- ванм% полученных методом протяжки, можно назвать лопасти ветряных двигателей, имеющие сложный профиль поперечного сечения [37]. Фирмой Goldsworthy Eng.в настоящее время разрабатывается оборудова- ние ДОЯ формования полуфабрикатов для листовых автомобильных рессор, имеющих криволинейную поверхность и переменное поперечное сечение.

Инжекционный метод получения изделий из углепластиков. Этот метод известен давно: впервые патенты на него появились около 30 лет назад [38] . Изделия получают, предварительно помещая в форму арми- рующий материал и впрыскивая затем в нее связующее (рис. 3.16). Достоинства метода: 1) сравнительно низкая стоимость пресс-формы, инже- кционных устройств и вспомогательного оборудования; 2) пониженные энергозатраты; 3) возможность автоматизации процесса; 4) экологическая чистота, обусловленная тем, что связующее на всех этапах процесса находится в закрытом от окружающей среды объеме; 5) возможность мелко- и среднесерийного производства крупногабаритных изделий.

Примеры изделий из с те к л опл асти к ов, получаемых инжекционным методом, — маломерные суда, детали кузовов легковых автомобилей,

исходные материалыисходные материалыСмыкание пресс- формы “ впрыск связующегоСмыкание пресс- формы “ впрыск связующегоВведение стеклянных волокон(Верхняя и нижняя части разъемной пресс~(рормы мо- гут быть пред^ратмьнО покрыты слоем связующего}Введение стеклянных волокон(Верхняя и нижняя части разъемной пресс~(рормы мо- гут быть пред^ратмьнО покрыты слоем связующего}Оборудование для Впрыска сЗязующееоОборудование для Впрыска сЗязующееоI Готовое \ изделие |

исходные материалы

исходные материалы

Смыкание пресс- формы “ впрыск связующего

Смыкание пресс- формы “ впрыск связующего

Введение стеклянных волокон

(Верхняя и нижняя части разъемной пресс~(рормы мо- гут быть пред^ратмьнО покрыты слоем связующего}

Введение стеклянных волокон

(Верхняя и нижняя части разъемной пресс~(рормы мо- гут быть пред^ратмьнО покрыты слоем связующего}

Оборудование для Впрыска сЗязующеео

Оборудование для Впрыска сЗязующеео

TZT

Отверждение Завершение при комнатной цама срормо- температуре 4 匆％兄 раскры- закрытой пресс- тие пресс-

{рорме{рорме(рормы и извлечение us *“ готового изделия

{рорме

{рорме

Рис. 3. 16. Схема процесса получения изделий инжекционным методом [39].

1 — верхняя часть разъемной пресс-формы； 2 — нижняя часть разъемной пресс-формы.

крылья вентиляторов, баки для мусора, сантехнические изделия и др. Чаще всего этим методом получают изделия из гибридных пластиков на основе сочетания стекло- и углеродных волокон, реже — из углепластиков.

Обычно в качестве связующих используются композиции на основе ненасыщенных полиэфиров, хотя с успехом могут применяться и эпоксидные смолы, а также другие связующие с достаточно низкой вязкостью и высокой скоростью отверждения.

В качестве питателей инжекционных устройств могут служить резервуары, находящиеся под давлением, или насосы. Как следует из рис. 3. 16, независимо от типа оборудования для инжекции связующее, содержащее отвердитель, смешивается со связующим, содержащим ускоритель отверждения, непосредственно перед операцией впрыска.

Так как давление впрыска сравнительно невелико (порядка 10"1 МПа), то конструкция пресс-форм достаточно проста. Важно выбрать правильное расположение отверстия для впрыска полимера в пресс- форму. В частности, если армирующий материал распределен равномерно в объеме сравнительно простой формы, то отверстие для впрыска помещают почти всегда в центральной части изделия.

Укажем последовательность операций при формовании изделий инжекционным методом с использованием связующих на основе ненасыщенных полиэфирных смол, отверждаемых при комнатной температуре:

Очистка пресс-формы и нанесение тонкого слоя антиадгезионного вещества, облегчающего отделение изделия от формы (смесь кремний- органического воска и поливинилового спирта; неподвижную часть пресс-формы покрывают только кремнийорганическим воском).

Нанесение на поверхность пресс-формы слоя связующего для формования наружного покрытия изделия1 .

Введение в пресс-форму углеродных либо стеклянных волокон или других армирующих материалов, закладных элементов и т. д.

Смыкание пресс-формы с фиксацией ее частей относительно друг друга.

Впрыскивание внутрь сомкнутой пресс-формы связующего под давлением.

Отверждение изделий приблизительно в течение 15 - 30 мин.

Раскрытие пресс-формы.

Отделение изделия от пресс-формы с помощью сжатого воздуха.

Окончательная обработка изделия (обрезка кромок и литника, зачистка и т. д.).

Варианты этого метода рассмотрены на рис. 3. 17. Отметим, что для удаления пузырьков воздуха их формуемого изделия используют вакуумный отсос.

Метод формования на матрице листовых формовочных материалов. Прессование листовых формовочных материалов (SMC) на основе углеродных волокон проводят в основном так же, как прессование аналогичных материалов на основе стекловолокон. Во время прессования необходимо использовать высокое давление. С учетом площади проекции фор-

Метод впрыскаМетод впрыскаРис. 3. 7 7. Варианты получения изделий методом впрыска полимера &0].Л — пуансон сложного профиля из алюминия; 8 — матрица из пластмассы; С - замок; D — отверстие для впрыска; Е — оргстекло. 1, 11 — вакуумный отсос; 2 - резервуар со связующим; 3 — нижняя часть матрицы; 4 — верхняя часть матрицы; 5 — трубка для подачи связующего; 6 — вентиль; 7 — резервуар с запасом связующего； 8 — литниковая трубка; 9 — канал для подачи связующего； 10 — резиновая уплотнительная прокладка; 72 - вакуумный патрубок; 13 — форма, заполненная армированным пластиком.Рис. 3. 7 7. Варианты получения изделий методом впрыска полимера &0].Л — пуансон сложного профиля из алюминия; 8 — матрица из пластмассы; С - замок; D — отверстие для впрыска; Е — оргстекло. 1, 11 — вакуумный отсос; 2 - резервуар со связующим; 3 — нижняя часть матрицы; 4 — верхняя часть матрицы; 5 — трубка для подачи связующего; 6 — вентиль; 7 — резервуар с запасом связующего； 8 — литниковая трубка; 9 — канал для подачи связующего； 10 — резиновая уплотнительная прокладка; 72 - вакуумный патрубок; 13 — форма, заполненная армированным пластиком.Метод инжекционного вакуумного pop艸обанамМетод инжекционного вакуумного pop艸обанам

Метод впрыска

Метод впрыска

Рис. 3. 7 7. Варианты получения изделий методом впрыска полимера &0].

Л — пуансон сложного профиля из алюминия; 8 — матрица из пластмассы; С - замок; D — отверстие для впрыска; Е — оргстекло. 1, 11 — вакуумный отсос; 2 - резервуар со связующим; 3 — нижняя часть матрицы; 4 — верхняя часть матрицы; 5 — трубка для подачи связующего; 6 — вентиль; 7 — резервуар с запасом связующего； 8 — литниковая трубка; 9 — канал для подачи связующего； 10 — резиновая уплотнительная прокладка; 72 - вакуумный патрубок; 13 — форма, заполненная армированным пластиком.

Рис. 3. 7 7. Варианты получения изделий методом впрыска полимера &0].

Л — пуансон сложного профиля из алюминия; 8 — матрица из пластмассы; С - замок; D — отверстие для впрыска; Е — оргстекло. 1, 11 — вакуумный отсос; 2 - резервуар со связующим; 3 — нижняя часть матрицы; 4 — верхняя часть матрицы; 5 — трубка для подачи связующего; 6 — вентиль; 7 — резервуар с запасом связующего； 8 — литниковая трубка; 9 — канал для подачи связующего； 10 — резиновая уплотнительная прокладка; 72 - вакуумный патрубок; 13 — форма, заполненная армированным пластиком.

Метод инжекционного вакуумного pop艸обанам

Метод инжекционного вакуумного pop艸обанам

D То есть декоративного, часто пигментированного внешнего слоя. - Прим, ped.

муемых изделий оно должно составлять для изделий простой формы 3-5 МПа, а сложной - 15 МПа. В соответствии с этими требованиями необходимо конструировать пресс-форму и выбирать прессовое оборудование.

Прессы для листовых формовочных материалов должны удовлетворять следующим условиям:

В зависимости от площади проекции формуемых изделий и их конфигурации необходимо иметь возможность создать давление до 15 -20 МПа.

Требуется достаточная жесткость и высокая точность самого пресса, принимая во внимание объем, в котором создается давление. Необходимо, чтобы прессовое оборудование соответствовало первому разделу японского промышленного стандарта JIS В 6403.

Оператор должен иметь возможность регулировать скорость движения пуансона в интервале от одного до нескольких миллиметров в секунду.

Необходимо учитывать деформации, возникающие в элементах пресса при нагревании.

Металлические формы для переработки листовых формовочных материалов должны удовлетворять следующим требованиям:

Для изготовления форм нельзя использовать чугун, а необходамо применять кованую или легированную сталь. Поверхность форм следует хромировать.

Зазор между двумя половинами формы должен быть минимальным и в среднем по всему периметру формы не превышать 0,05 — 0,2 мм, с тем чтобы сохранялось заданное давление формования. Перемещение пуансона должно составлять 7—20 мм.

Жесткие направляющие втулки должны обеспечивать точность смыкания формы и не допускать нарушения соосности при приложении давления и смятия торцов пресс-формы.

При переработке листовых формовочных материалов в изделия важным этапом является операция загрузки пакета в пресс-форму. Она оказывает большое влияние на прочность и внешний вид изделий. Последовательность основных стадий формования следующая:

Раскрой (разрезка) листового формовочного материала (при серийном производстве используют автоматическую режущую машину).

Пакетирование нарезанного листового формовочного материала в соответствии со схемой его размещения в форме.

Загрузка материала в пресс-форму.

Смыкание верхней и нижней частей пресс-формы.

Повышение давления и температуры (для связующих на основе ненасыщенных полиэфирных смол и поливиниловых эфиров температу- 7 -682

ра составляет обычно 403 — 413 К; для улучшения внешнего вида изделий температура пресс-формы должна быть на 5 — 10 К выше). Время выдержки под давлением определяется конфигурацией изделия (главным образом его толщиной) и составляет несколько минут.

Разъем формы и извлечение из нее изделия.

Окончательная отделка (зачистка) готового изделия.

Метод не исключает возможности появления следующих дефектов: 1) складок или местных утолщений; 2) неравномерности распределения армирующих волокон (при толщине изделия менее 1 мм затрудняется перераспределение связующего в наполненной волокнами композиции, вследствие чего может возникать локальная неоднородность в структуре материала, что приводит к ухудшению внешнего вида изделия); 3) трещин, пор, вздутий и других дефектов. Методы устранения перечисленных дефектов здесь не рассматриваются.

Для повышения прочности и жесткости изделий стремятся применять листовые формовочные материалы с высоким содержанием армирующих волокон. Однако в этом случае ухудшаются реологические свойства композиции, на поверхности изделий могут появиться не защищенные связующим армирующие волокна и возникнуть другие осложнения.

Рецептура листовых формовочных материалов позволяет получать изделия сложной формы за весьма короткий цикл формования (3—5 мин). Поэтому эти материалы и метод их формования получили распространение в промышленном производстве серийных изделий. Прочность и жесткость изделий из листовых формовочных материалов несколько ниже, чем у изделий из других препрегов; для улучшения свойств изделий иногда используют сочетание листовых формовочных материалов и однонаправленных или тканевых препрегов.

Формование с помощью вспененного слоя. Этот метод называется также формованием с отжимом связующего. Процесс формования показан на рис. 3.18. Этот процесс проводят следующим образом:

С двух сторон пенопласта с сообщающимися порами (например, пенополиуретана), пропитанного полимером, укладывают армирующие материалы в виде ткани, мата и т. д.

Пакет помещают в пресс-форму и под давлением выжимают связующее из пенопласта, которое проникает в находящиеся с двух сторон от него слои армирующих материалов.

Повышая температуру, отверждают пакет и ползают изделие, содержащее в центре слой пенопласта.

Процесс имеет следующие достоинства:

Простота технологии, обусловленная использованием волокни-

Рис. 3. 18. Этапы формования с помощью вспененного слоя [42].

стого армирующего материала в сухом виде).

В результате одной операции можно получать легкие трехслойные изделия (в виде сандвича), обладающие высокой жесткостью.

Метод не требует высоких давлений; обычно давление составляет 1 — 1,7 МПа, что снижает затраты на изготовление форм.

Следует отметить, что этот метод применим для получения изделий сравнительно простой формы. Метод разработан сравнительно недавно и для его дальнейшего распространения требуется решить ряд технических задач.

Термокомпрессионный метод формования. Этот метод называют также формованием полимеров в эластичной оснастке, формованием с термическим расширением и т. д., но устоявшегося названия он еще не имеет. Этот метод осваивается в настоящее время для получения изделий из наиболее прогрессивных материалов, какими являются, в частности, углепластики. Пример формования этим методом простых балок двутаврового сечения показан на рис. 3. 19. Свое название метод попучмп благодаря тому, что в качестве материала матрицы используют силиконовый каучук и другие расширяющиеся при нагревании эластомеры, вследствие температурной деформации которых создается давление формования. Давлению вдоль оси балки противостоит опорная пластина; такой метод формования с использованием автоклава может быть рекомендован для получения изделий сложной формы, когда применение обычного вакуумного формования оказывается трудным или неэффективным [44 — 45].

Левая Правая половина посоВина

предлолаеаемьщ размер после отверждения

8акуумнь山 мешок

кием %〃 пературе

Опорная 〃〃ьт7〃”。

Предполагаемое р”〃е оснастни

Слоистый материал

матрица 〃з сил и ко-О^о^чо^е^ьный

н&^ого кауиука 8иЗ 0勿“■/ после

'сборки при комнат -

ной температуре

тем-

4% К

Рис. 3. 19. Термокомпрессионный метод формования [43].

Примером практического применения этого метода может служить изготовление некоторых деталей стратегических бомбардировщиков В-1 из выпускаемого в США материала марки пСайн кабу cyпa^^ [43]. Известно [46] , что в Японии аналогичным методом получают основные элементы конструкций. В качестве эластомеров для изготовления матриц в США используются главным образом кремнийорганические каучуки марки Capcoast фирмы DAPCO. Фирмой Dow Corning выпускаются также силиконовые каучуки марки Silastic. В Японии им соответствует, например, каучук марки SH9556 RTV фирмы "Торз Сирикон5*. Этот каучук имеет коэффициент теплового расширения (13 — 18) х хЮ'5 К"1.

Литье под давлением термопластов, наполненных углеродными волокнами. Метод литья под давлением наряду с экструзией является наиболее распространенным промышленным методом получения изделий из полимерных материалов. Этот метод — одан из самых эффективных для получения изделий сложной формы. На рис. 3. 20 приведена схема установки для литьевого формования. Литьевое формование термопластов, армированных углеродными волокнами, в основном аналогично литью под давлением термопластов, содержащих стекловолокна. При получении изделий из углепластиков методом литья под давлением необходимо иметь в виду следующее:

Промышленностью выпускаются различные марки литьевых термопластов, отличающиеся типом полимера, содержанием волокон, наличием различных добавок и т. д. Поэтому в зависимости от назначения изделий следует выбирать наиболее подходящую марку наполненного термопласта (разд. 3. 1. 2 и 3. 2. 6). На физические свойства изделий влияет степень ориентации волокон, которая, в частности, отражается на величине усадки (рис. 3. 21). Так как различные фирмы-изготовители в своих каталогах приводят значения характеристик для образцов с различной степенью ориентации волокон, то при выборе соответствующей

Рис. 3. 20. Схема установки для литьевого формования [47].

Усадка при формовании ,^

Ненаполненный найлон 66 30% стеклоВо- локон 30% углеродных волокон

20% стекловолокон

0

0,5 W

力

=1

丁期mm

纳mм

名7 мм

4%мм

〃山7 % неровных волонон

Образец 〃з найлона 66 для растяжения СЕакбирту А$ТМ

力

冬力

0,5

Усадна 夕 направлении, перпендикулярном течению

Усадка 8 направлении течения

Рис. 3. 21. Зависимость усадки при формовании от содержания и ориентации волокон

Р]-

4

102030 4Q 50

W^8ec%

Образец 〃з найлона 6£ наполненного стекловолокном^ / виде нвадро^ной пластины размером 80х80^3 мм

марки наполненного термопласта это обстоятельство также необходимо учитывать. В табл. 3. 16 показано влияние ориентации волокон и формы испытуемых образцов на их коэффициент теплового расширения1'.

По сравнению со стекловолокнами углеродные волокна имеют меньший диаметр, высокий модуль упругости и малое удлинение; поэтому в процессе формования они легко ломаются. Необходимо использовать такие типы шнеков, которые не создавали бы при смешении значительного против о давления; большие давления возникают и в литнике, поэтому нежелательно использовать литники малого сечения,с тем чтобы предотвратить разрушение углероднь1х волокон в этой зоне.

При повторной переработке таких материалов длина волокон оказывается меньшей; поэтому интенсивность смешения желательно снижать примерно на 30% по сравнению с первоначальной.

Усадка при формовании зависит от типа полимерной матрицы, содержания и ориентации волокон и других факторов; влияние ориентации волокон на прочность и модуль упругости образцов при изгибе иллюстрирует рис. 3. 22.

Таблица 3.76. Влияние степени ориентации волокон на коэффициент теплового расширения образцов из найлона 66, наполненного углеродными волокнами [2]

Форма испытуемого образца

Коэффициент теплового расширения, ю-^/к

в налрав- в направ-

пении L лении Г

Образец в виде лопатки:

7

80

(216 х 12.7 х 3,18 мм)

Тонкая квадратная пластина: (80 мм х 80 мм х 3*)

11

27

Толствя квадратная пластина: (80 мм х 80 мм х 10«)

32

80

1)К сожалению, автор не дает количественных характеристик степени ориен- ^ции дая образцов, представленных на рис. 3. 21 и 3. 22, а также в табл 3 16 - Прим. ред. .'

Преимущественная

I~~^“/7777tIориентация вдоль

厶оси образца

Образец для растяжения по стандарту ASTM

Участок вдольУчасток, перпендику-

направления течения лирный напраЗ^ению

Прочность при изеибе^ /р2мПаПрочность при изеибе^ /р2мПа

Прочность при изеибе^ /р2мПа

Прочность при изеибе^ /р2мПа

Образец 夕 8uGe квадратной пластины размером 80*80x3 мм

Модуль упругости при изгибе, 10 ГПаМодуль упругости при изгибе, 10 ГПа

Модуль упругости при изгибе, 10 ГПа

Модуль упругости при изгибе, 10 ГПа

Рис. 3.22. Влияние ориентации волокон иа физические свойства образцов из найлона 66, содержащего 30% углеродных волокон [2].

Анизотропия физических свойств термопластов, наполненных углеродными волокнами, аналогична анизотропии свойств термопластов, содержащих стекловолокна. Сочетание стекловолокна со стеклоби- сером, дисперсными наполнителями неорганического и других типов приводит к ухудшению свойств композиционного материала; то же самое наблюдается и при литье под давлением термопластов, наполненных углеродными волокнами. Большое влияние на усадку, приводящую к искажению формы изделия, оказывает расположение литников: хороший эффект достигается при одновременном использовании нескольких литников. На рис. 3. 23 приведены результаты модельного эксперимента, в котором для образцов двух конфигураций изменяли расположение и форму литниковых отверстий и измеряли коэффициент искажения формы.

Термопласты, армированные как углеродными, так и стеклянными волокнами, плохо поддаются сварке; прочность сварного соединения низка; поэтому желательно свести к минимуму размеры сварного шва и располагать литник вблизи зоны возможной сварки и не подвергать сварной шов действию нагрузок.

^^^2Z&& rJ工“；HCDrM Енаптзвеои

0

zv-onw я ^ё^ й

йииияий

Расположение “(рорма литников

4х九《3 7f

t jxjt JxJ*

уууу^0”冏回 И

x# 4*3»10 *交 J x j4 ПленО^ньш лит- 、Пненоинз& лит-

4xJ

加*J' jxj* Пленочный

〃〃厅 толщиной1,51

夕〃〃 толщинсй

киф=4х~х 10°

80

емемк*—80~*"Ок*—80~*"ОNLQWO i—&п0 ймNLQWO i—&п0 йм

ем

ем

к*—80~*"О

к*—80~*"О

NLQWO i—

&п0 йм

NLQWO i—

&п0 йм

霞臂也b b L』忆因

4xjt t《xjt 4xjt 《xj‘ Пленочный Литник4xJтолщиной 1,5 t

Рис 3. 23. Влияние расположения и формы литников на коэффициент искажения формы образцов из наполненного найлона 66 [2].

CM3001N - ненаполненный найлон 66； ЗОО1Т15 - найлон 66, наполненный 15 масс.% углеродных волокон.

Наполненные углеродными волокнами изделия из термопластов по сравнению с ненаполненными имеют менее гладкую поверхность; для улучшения внешнего вида и уменьшения шероховатости поверхности необходимо повышать, насколько это возможно, температуру формы, а также увеличивать скорость процесса, сокращая время впрыска полимерной композиции в форму.

Из-за высокой электропроводности углеродных волокон необходимо по возможности быстрее удалять полимерную композицию из сопла, так как в противном случае это может стать причиной перегорания нагревателя сопла.

Штампование термопластов, армированных углеродными волокнами. В этом случае полуфабрикатом служат листовые термопластичные материалы, наполненные короткими или длинными волокнами. Изделия из них прессуют в металлической форме при температуре ниже точки плавления полимера. Этот метод аналогичен методу прессования листовых формовочных материалов, однако течение материала при переработке листовых наполненных термопластов существенно меньше. Он также близок к методу прессования между металлическими плитами. Метод штампования наполненных термопластов в известной мере сходен и с методом вакуумного формования, а также с другими методами, сочетающими давление и вакуум. Его отличительная особенность — необходимость создания более высоких давлений с использованием разъемной формы, состоящей из позитивной и негативной металлических матриц.

начало технологи ческой линии для производства изделий из листовь/х термопластовВырубна заготовокначало технологи ческой линии для производства изделий из листовь/х термопластовВырубна заготовокКснтейнер 勿7疗 заготовокКснтейнер 勿7疗 заготовокШтампо&аниеШтампо&аниеМеталл и ческа я формаМеталл и ческа я формаГотовое изделие/ Дополнительная обработка, / контроль качества изделийГотовое изделие/ Дополнительная обработка, / контроль качества изделийУпаковка изделийУпаковка изделий守守k守守kпортерпортерПень для предварительно го нагреваПень для предварительно го нагрева7 Маспяный Транспорт ^Оборудование Пресс тепл о но- тер для для вополнитель ситель готовых ной обработки изделий7 Маспяный Транспорт ^Оборудование Пресс тепл о но- тер для для вополнитель ситель готовых ной обработки изделийРис. 3. 24. Схема технологической линии для штампования листовых термопластов, армированных волокнами [48].Рис. 3. 24. Схема технологической линии для штампования листовых термопластов, армированных волокнами [48].

начало технологи ческой линии для производства изделий из листовь/х термопластов

Вырубна заготовок

начало технологи ческой линии для производства изделий из листовь/х термопластов

Вырубна заготовок

Кснтейнер 勿7疗 заготовок

Кснтейнер 勿7疗 заготовок

Штампо&ание

Штампо&ание

Металл и ческа я форма

Металл и ческа я форма

Готовое изделие

/ Дополнительная обработка, / контроль качества изделий

Готовое изделие

/ Дополнительная обработка, / контроль качества изделий

Упаковка изделий

Упаковка изделий

守守k

守守k

портер

портер

Пень для предварительно го нагрева

Пень для предварительно го нагрева

7 Маспяный Транспорт ^Оборудование Пресс тепл о но- тер для для вополнитель ситель готовых ной обработки изделий

7 Маспяный Транспорт ^Оборудование Пресс тепл о но- тер для для вополнитель ситель готовых ной обработки изделий

Рис. 3. 24. Схема технологической линии для штампования листовых термопластов, армированных волокнами [48].

Рис. 3. 24. Схема технологической линии для штампования листовых термопластов, армированных волокнами [48].

Схема технологической линии для производства наполненных термопластов методом штампования приведена на рис. 3. 24. Ниже указываются главные условия штампования, взятые из работы [21].

Нагрев листов осуществляют горячим воздухом или инфракрасным излучением, с тем чтобы, температура поверхности была приблизительно на 20 — 40 К выше, чем температура плавления полимера; для сокращения времени термообработки лучше использовать инфракрасные источники тепла в сочетании с предварительным нагревом.

Температура металлической формы должна быть возможно более высокой, но ниже температуры плавления полимера; при этом хорошо используются реологические свойства и получается гладкая поверхность, но цикл формования увеличивается; для найлона 6 оптимальная температура формы составляет примерно 373 — 423 К.

Давление формования выбирается в зависимости от конфигурации изделия и температуры металлической формы — оптимальное давление 15 一 60 МПа; при формовании материалов, армированных непрерывными волокнами, необходимы еще более высокие давления.

Время охлаждения в закрытой форме зависит от толщины стенок изделий и от температуры металлической формы; обычно оно составляет 10 — 45 с, что несколько меньше, чем в случае переработки листовых формовочных материалов.

Если скорость смыкания формы слишком высока, то при использовании материалов на основе непрерывных волокон это может привести к их разрушению; при слишком медленном смыкании формы вследствие течения полимерной матрицы могут образовываться складки.

Как и при литьевом формовании, необходимо предусматривать отвод газов из формы.

Другие методы формования изделий из композиционных материалов. К ним относятся формование методом RIM центробежное формование, роторное формование и еще ряд методов. Однако в настоящее время в их числе нет методов, которые подходили бы именно для углепластиков.

Некоторые примеры технологий производства изделий из углепластиков

В научных статьях, патентах и других публикациях рассмотрены различные технологические решения, используемые на практике для получения из современных углепластиков спортивных изделий, деталей самолетов и т. д.

Клюшки для игры в гольф1 . При производстве клюшек для игры в гольф в основном применяют метод намотки нитями или метод поворотного стола. Схемы этих двух процессов показаны на рис. 3. 25. Сравнительный анализ этих двух методов приведен в табл. 3. 17. Оба метода в настоящее время совершенствуются и трудно отдать предпочтение какому-нибудь из них с точки зрения качества получаемых изделий.

Клюшки для игры в гольф должны обладать следующими свойствами: быть легкими, иметь достаточную жесткость при кручении и прочность при изгибе и т. д. На эти свойства решающее влияние оказывает ориентация волокон. Обычно для повышения жесткости при кручении угол намотки внутреннего слоя составляет ± (30 一 60°), а для регулирования жесткости при изгибе и получения достаточной прочности на изгиб внешний слой ориентируют под углом от 0 до ±10х к оси трубки. С точки зрения технологии формования клюшек для игры в гольф важно получать материал с низкой пористостью и регулярной структурой расположения волокон.

Удилища. Удилища так же, как и клюшки для игры в гольф, изготовляются из трубок, которые в этом случае должны быть тонкостенными. Волокна располагаются в основном параллельно оси изделия (т. е. под углом 0°). Поэтому для их формования применяется главным

^глеродныр Связующе? р

нити

Пропитка намоточный стиноп

Обмо^^а лентой из целлофана, полиэ(рирной ткани или стеклоткани

Отверждение 夕 термоса - мере илц 夕 автоклаве

Обмотка лентой из целлофана, полиэфирной EKUHU или стеклотканиОбмотка лентой из целлофана, полиэфирной EKUHU или стеклотканиОтЗерждрние 6 термОламррр ини 夕 абтокладеОтЗерждрние 6 термОламррр ини 夕 абтокладеШли(роЗпаШли(роЗпаОкраскаМетод намоткиОкраскаМетод намоткиОкраскаметод поворотногостолаОкраскаметод поворотногостолаШлисровпа

Обмотка лентой из целлофана, полиэфирной EKUHU или стеклоткани

Обмотка лентой из целлофана, полиэфирной EKUHU или стеклоткани

ОтЗерждрние 6 термОламррр ини 夕 абтокладе

ОтЗерждрние 6 термОламррр ини 夕 абтокладе

Шли(роЗпа

Шли(роЗпа

Окраска

Метод намотки

Окраска

Метод намотки

Окраска

метод поворотногостола

Окраска

метод поворотногостола

Рис. 3. 25. Схемы процессов производства клюшек для игры в гольф.

ва углеродных волокон и углепластиков способствовало именно это направление их применения. - Прим. ре0.

МетодМетодТабпниа 3.17. Сравнение двух методов формования клюшек для игры в гопьф

Метод

Метод

НедостаткиНедостаткиОсобенности произ- Достоинства водства

Недостатки

Недостатки

Намотки нитямиНамотки нитямиПосле пропитки связующим пучка из нескольких углеродных волокон его наматывают на вращающуюся цилиндрическую оправку. При этом осу- ществля ют возвратно-поступательное движение оправки.Угол намотки практически постоянен и составляет ±(20 - з0°). Используется схема намотки ''внутренний слой под углом ± (40 — 50°), внешний ~ приблизительно под углом ± 10°* и другие схемы оПосле пропитки связующим пучка из нескольких углеродных волокон его наматывают на вращающуюся цилиндрическую оправку. При этом осу- ществля ют возвратно-поступательное движение оправки.Угол намотки практически постоянен и составляет ±(20 - з0°). Используется схема намотки ''внутренний слой под углом ± (40 — 50°), внешний ~ приблизительно под углом ± 10°* и другие схемы о1. Нить наматывают в натянутом состоянии; поэтому достигается высокая стабильность прочности и жесткости 2. Можно получать изделия с высоким содержанием волокон (до 70 об.%)Легко сделать утолщенный край со стороны меньшего диаметра трубки с достаточной прочностью1. Нить наматывают в натянутом состоянии; поэтому достигается высокая стабильность прочности и жесткости 2. Можно получать изделия с высоким содержанием волокон (до 70 об.%)Легко сделать утолщенный край со стороны меньшего диаметра трубки с достаточной прочностьюВнешняя поверхность изделий получается неровной； поэтому необходимо проводить последующую обработку (шлифование)При пропитке связующим в процессе намотки часто захватываются пузырьки воздухаНамотка под углом 0°, тв е. в направлении оси, затруднена (трудно ре- гулировать натяжение нитей).Внешняя поверхность изделий получается неровной； поэтому необходимо проводить последующую обработку (шлифование)При пропитке связующим в процессе намотки часто захватываются пузырьки воздухаНамотка под углом 0°, тв е. в направлении оси, затруднена (трудно ре- гулировать натяжение нитей).Поворотного столаПоворотного столаВырезают однонаправленный препрег определенного раз- мера и наматывают Два споя: внутренний под углом + (30 — 50°) и внешний — 0°.В частности, для повышения жесткости при кручении (с целью лередвчи крутящего момента) для намотки внутреннего слоя испопьзуют нити из высокомодульных волокон.Вырезают однонаправленный препрег определенного раз- мера и наматывают Два споя: внутренний под углом + (30 — 50°) и внешний — 0°.В частности, для повышения жесткости при кручении (с целью лередвчи крутящего момента) для намотки внутреннего слоя испопьзуют нити из высокомодульных волокон.Использование препрега позволяет получать изделия е гладкой поверхностью, стабильным содержанием и равномерным распределением компонентовЛегко осуществляется формирование споя,в котором волокна ориентированы вдоль оси трубки (намотка под углом 0°)一Использование препрега позволяет получать изделия е гладкой поверхностью, стабильным содержанием и равномерным распределением компонентовЛегко осуществляется формирование споя,в котором волокна ориентированы вдоль оси трубки (намотка под углом 0°)一При плохом качестве препрегв и плохих условиях намотки появляют- ся изгибы волокон и образуются поры между наматываемыми слоямиСодержание волокон лимитируется их содержанием в препрегеТехнология получения тонких и гибких трубок проста, но при этом их прочность и жесткость при кручении несколько ниже, чем при намотке трубок нитямиПри плохом качестве препрегв и плохих условиях намотки появляют- ся изгибы волокон и образуются поры между наматываемыми слоямиСодержание волокон лимитируется их содержанием в препрегеТехнология получения тонких и гибких трубок проста, но при этом их прочность и жесткость при кручении несколько ниже, чем при намотке трубок нитями

Намотки нитями

Намотки нитями

После пропитки связующим пучка из нескольких углеродных волокон его наматывают на вращающуюся цилиндрическую оправку. При этом осу- ществля ют возвратно-поступательное движение оправки.

Угол намотки практически постоянен и составляет ±(20 - з0°). Используется схема намотки ''внутренний слой под углом ± (40 — 50°), внешний ~ приблизительно под углом ± 10°* и другие схемы о

После пропитки связующим пучка из нескольких углеродных волокон его наматывают на вращающуюся цилиндрическую оправку. При этом осу- ществля ют возвратно-поступательное движение оправки.

Угол намотки практически постоянен и составляет ±(20 - з0°). Используется схема намотки ''внутренний слой под углом ± (40 — 50°), внешний ~ приблизительно под углом ± 10°* и другие схемы о

1. Нить наматывают в натянутом состоянии; поэтому достигается высокая стабильность прочности и жесткости 2. Можно получать изделия с высоким содержанием волокон (до 70 об.%)

Легко сделать утолщенный край со стороны меньшего диаметра трубки с достаточной прочностью

1. Нить наматывают в натянутом состоянии; поэтому достигается высокая стабильность прочности и жесткости 2. Можно получать изделия с высоким содержанием волокон (до 70 об.%)

Легко сделать утолщенный край со стороны меньшего диаметра трубки с достаточной прочностью

Внешняя поверхность изделий получается неровной； поэтому необходимо проводить последующую обработку (шлифование)

При пропитке связующим в процессе намотки часто захватываются пузырьки воздуха

Намотка под углом 0°, тв е. в направлении оси, затруднена (трудно ре- гулировать натяжение нитей).

Внешняя поверхность изделий получается неровной； поэтому необходимо проводить последующую обработку (шлифование)

При пропитке связующим в процессе намотки часто захватываются пузырьки воздуха

Намотка под углом 0°, тв е. в направлении оси, затруднена (трудно ре- гулировать натяжение нитей).

Поворотного стола

Поворотного стола

Вырезают однонаправленный препрег определенного раз- мера и наматывают Два споя: внутренний под углом + (30 — 50°) и внешний — 0°.

В частности, для повышения жесткости при кручении (с целью лередвчи крутящего момента) для намотки внутреннего слоя испопьзуют нити из высокомодульных волокон.

Вырезают однонаправленный препрег определенного раз- мера и наматывают Два споя: внутренний под углом + (30 — 50°) и внешний — 0°.

В частности, для повышения жесткости при кручении (с целью лередвчи крутящего момента) для намотки внутреннего слоя испопьзуют нити из высокомодульных волокон.

Использование препрега позволяет получать изделия е гладкой поверхностью, стабильным содержанием и равномерным распределением компонентов

Легко осуществляется формирование споя,в котором волокна ориентированы вдоль оси трубки (намотка под углом 0°)一

Использование препрега позволяет получать изделия е гладкой поверхностью, стабильным содержанием и равномерным распределением компонентов

Легко осуществляется формирование споя,в котором волокна ориентированы вдоль оси трубки (намотка под углом 0°)一

При плохом качестве препрегв и плохих условиях намотки появляют- ся изгибы волокон и образуются поры между наматываемыми слоями

Содержание волокон лимитируется их содержанием в препреге

Технология получения тонких и гибких трубок проста, но при этом их прочность и жесткость при кручении несколько ниже, чем при намотке трубок нитями

При плохом качестве препрегв и плохих условиях намотки появляют- ся изгибы волокон и образуются поры между наматываемыми слоями

Содержание волокон лимитируется их содержанием в препреге

Технология получения тонких и гибких трубок проста, но при этом их прочность и жесткость при кручении несколько ниже, чем при намотке трубок нитями

образом метод поворотного стола [50] . Удилища должны обладать определенными свойствами. Как и клюшки для игры в гольф, они должны быть легкими и, в зависимости от способа рыбной ловли и вида рыбы, иметь необходимые размеры (длину и толщину). Поэтому выпускаются самые разнообразные по размерам удилища [51 — 53] . Для этого используются различные типы волокон (высокомодульные и высокопрочные углеродные волокна, борные волокна, волокна Кевлар и другие); при этом варьируются схемы ориентации и содержание волокон, тип полимерной матрицы и метод формования. Для повышения прочности часто дополнительно ориентируют волокна под углом 90 . Как и при производстве клюшек для игры в гольф, важно обеспечивать регулярность расположения волокон в структуре материала и низкую пористость связующего. Так как удилища представляют собой тонкостенные трубки, то при снятии их с оправки могут возникнуть искривления, и поэтому необходимо совершенствовать условия формования удилищ методом поворотного стола, дополняя его методом обмотки лентами, оптимизировать условия отверждения и т. д. В табл. 3. 18 обобщены различные технологические приемы формования удилищ.

Теннисные ракетки. Для теннисных ракеток не только весовые характеристики материала являются определяющими. Постепенно все большее применение находят теннисные ракетки на основе углеродных волокон, обеспечивающие высокую скорость летящего мяча, а также обладающие хорошими демпфирующими свойствами. Методы их формования несколько сложнее, чем методы изготовления клюшек для игры в гольф и удилищ. Поэтому наряду с известными методами формования умменяют их различные модификации. Примеры методов формования теннисных ракеток приведены в табл. 3. 19. Естественно, что взамен деревянных ракеток изготовляют ракетки со средней плотностью, близкой к плотности древесины. Так как основной каркас ракетки является по- ным или заполненным пенопластом, то его вес не превышает веса рукоятки. Волокна в каркасе ракетки располагаются под углами 0 и 90° к криволинейной оси каркаса, но возможно также ориентирование волокон и под углом ± (20 — 60° ) [54].

Детали самолетов 〃 космических аппаратов. С начала 1970-х годов углепластики все чаще стали применять в авиации в качестве конструкционных материалов для изготовления самолетов. В дальнейшем, в основном под эгидой НАСА, проводилась разработка разнообразных панельных элементов из углепластиков для гражданских самолетов и накапливался соответствующий практический опыт их использования в авиастроении. Разработка самолета типа "Вомнг 767” началась в 1978 г., а в 1982 г. в его конструкции уже использовались детали из углеплас-

Габлица 3.78. Различные технологические приемы формования удилищ

Назначение приема

ПриемНомер япон

ского патента или заявки

Использование гибридных материалов на основе углеродных и стеклянных волокон

Намотка： внутренний спой — стекповопокна^ Патент внешний 一 углеродные волокна№ 50-105488

Нвмотка комбинированной тканью из у「па Патент родных и стеклянных волокон под углом 0°№ 49-91677

к оси изделия

Нвмотка комбинированной тканью: угле-Патент

родные волокна ориентированы вдоль оси№ 50-18281

изделия, стеклянные — под углом 90° к оси

Повышение прочности при изгибе

Спой из углеродных или других волоконПатент

наматывают почти параллельно оси изде-№ 50-151693

ПИЯ

Косоугольная намотка слоя из пучковНапример,

углеродных ипи других вопокон с круп-патент

ным шагом№ 53-86386

Предотвращу ние пористости

На начальной стадии термообработкиЗаявка

трубку обматыввют лентой с малым на-№ 52-27069

тя жен и ем, с тем чтобы дать возможность летучим компонентам и пузырькам воздуха выйти из объема материала, а затем,сипьнее натягивая намотанную ленту, осуществляют окончательное отверждение

После обертывания цеппофаном про-Патент

водят отверждение внутри метаппи-№ 51-96867

ческой формы с низкой температурой ппавпения

Предотвращен ние размотки угпевопокнис- тых материалов

На металлическую оправку наматы-Заявка

вают очень тонкую ткань-сетку из№ 52-43409

однонаправленных углеродных нитей и пролипена

Предотвращение искривления

После намотки на металлическуюНапример,

оправку недоотвержденный попу-патент

фабрикат снимают, помещают на№ 54-81375

усовершенствованную оправку и отверждают

Продолжение габ〃・ 3.78・

Между внешним и внутренним слоями из полипропилена вводит пленку из другого термопласта

Отверждение проводят под действием электронного пучка, вводя в попипропипен специальные добавки

Предотврвще- ние прилипания изделия к оправке при термообработкеПредотврвще- ние прилипания изделия к оправке при термообработкеУлучшение качества поверхностиУлучшение качества поверхностиПри изготовлении изделий большого диаметра металлическую оправку покрывают фторопластом ипи споем другого антиадгезива

Предотврвще- ние прилипания изделия к оправке при термообработке

Предотврвще- ние прилипания изделия к оправке при термообработке

Улучшение качества поверхности

Улучшение качества поверхности

В качестве обмоточной ленты используют тонкую металлическую фольгу и дрв

Патент№ 54-45383Патент№ 54-45383Патент № 53-19381Патент № 53-19381Патент№ 53-98369Патент№ 53-98369Например, заявка № 52-34551Например, заявка № 52-34551Таблица 3.79. Методы формования теннисных ракеток

Патент

№ 54-45383

Патент

№ 54-45383

Патент № 53-19381

Патент № 53-19381

Патент

№ 53-98369

Патент

№ 53-98369

Например, заявка № 52-34551

Например, заявка № 52-34551

Метод Материалы Основные стадии технологического Источник формо- и конструк- процесса вания ция

Прес- Ткань и На стержень из пенопласта наматы- Например, сование пенопласт вают тканевый препрег, изгибают японская

с испопь-(каркас по форме ракетки и9 помещая в фор- заявка

зовани- ем внешнего давления

прямоугольного сече- ния)

му, отверждают при повышенных температуре и давлении

№ 53-40375

Прес

Оплетка

Полую гибкую трубку покрывают

Например,

сова

из угле-

оплеткой, пропитанной связую

японская

ние с

родных

щим; изгибая ве по форме ракет

заяакв

использованием внутреннего давления

волокон (каркас прямоугольного сечения)

ки, помещают в закрытую форму； создавая внутри полой трубки повышенное давление, отверждают при повышенной температуре

№ 51-34771

№

п/л

Метод формования

Материалы Основные стадии технологического Источник и конструк- процесса ция

3

Метод намотки с использованием внешнего давления

Однонаправленный препрег и пенопласт (каркас прямоугольного сечения)

На сердечник из пенопласта или другого пористого матери ала наматывают препрег из непрерывных угперодных волокон, изгибают ло форме ракетки и помещают в форму； при повышенных давлении и температуре в закрытой форме проводят отверждение полимерного связующего

Например, японская заявка № 56-5547

4

Склеивание с частичным армированием

Древесина и

угпе- пластик

Всю конструкцию каркаса ипи некоторые его участки (внутреннюю и внешнюю поверхности), рукоятку и переходную часть деревянной ракетки обклеивают отвержденным углепластиком или препрегом с последующим отверждением

Например, японский патент № 54-16240

5

Инжекционное одностадийное формование

Т ермо- лласт, армированный углеродными волокнами (по- ПЫЙ)

Предварительно изготовляют каркасный стержень из сппава с низкой температурой ппавпе- ния и, помещая его в форму, инжекционным формованием термопластов, содержащих углеродные волокна, получают заготовку. Поспе ох- паждения ее повторно нагревают выше температуры ппавпения сердечника： выппав- ляя металл, попучают попый каркас ракетки [бб]

Например, Reinforced Plastics 1980g V. 24, Ne 12, p. 364 385

6

Инжекционное формование раздепь- ных частей ракетки с поспе- дующим их соединением

Т ермо- пласт, армированный углеродными волокнами (попый)

Проводят инжекционное формование отдельно внутренней и внешней частей каркаса ракетки и затем соединяют эти части так9 чтобы между ними образовалось полое пространство

Например, японская заявка № 52-47366

Продолжение табл. 3.79.

Материалы

Деталь самолета

Снижение массы9 кг

Угпеппастики

Интерцепторы в ком- певой и на концевой частях

Элероны на концевой части крыла Панели закрылков Рули направления Рули высоты

426

Композиционные материалы на основе углеродных волокон и волокон KEVLAR

Панель, олределяю- щая положительную стреловидность крыла

Обтекатели крыльев и фюзеляжа Створка основной опоры шасси Створка передней опоры шасси Панель, определяющая положительную стреловидность стабилизатора

Панепь стабилизатора

Смотровая панель нижней передней кромки крыла

246

Таблица 3.20. Эффективность снижения массы самолета "Боинг 767" вследствие использования композиционт ных материалов

Рис. 3. 26. Автоматическое устройство для раскроя материалов.

8 - 682

Лонжерон, получен- чьш методом 例г- мотки

Нврбюри, полученная мым прессованием 尊〃〃

зированной Вь申паОкиi Элементы жест^оста

Волокон_ у панели обшивки, по“

неразруилающий у ценные методом 〃必勿- контроль *рузии

Н^рйЗрушающий контроль

(рормованием

пря~

Монтаж прыла

Панель обшибли, полученная методом автомат и ~

неразрушан^щий контроль

Рис. 3. 27. Этапы производства крыльев самолета.

неразрушан)-^ Зи" конгроль.

ГотоЗоР ㈢da〃〃a

Табпица 3.27. Методы формования деталей самолета, изготовленных из композиционных материалов

Автоматический метод формования

ДетальПримечание

Выкладка нитей

Обшивка крыла и стаби- Автоклавное лизатора,крышки, панели, формование стенки нервюры, лонжерон (штампование)

Намотка

Канал воздухосборника, обшивка крыла, панель фюзеляжа, приводной вал, стойки

Штампование из листовых термопластов

Нервюры крыла и стабилизатора, консоли, концевые части крьЕьев. крепления стоек

Процесс получения однонаправленных профильных изделий

Нервюрыв элементы жесткости нервюр, подкрепляющие элементы лонжеронов

тиков. В сентябре 1982 г. состоялся первый полет этого самолета. Для изготовления различных панельных элементов самолета использовалось около 1 т углепластиков и других современных композиционных материалов [56] (см. рис. 6. 13 и табл. 3. 20). Авиапромышленностью США сейчас разрабатывается самолет, в котором углепластики будут использованы для изготовления фюзеляжа, крыльев и хвостового оперения, приводных валов и других деталей, за исключением деталей двигателя (рис. 6. 14). Благодаря снижению массы самолета при использовании углепластиков повышается его экономичность и снижается стоимость по сравнению с предыдущими моделями [57].

Вследствие роста потребности в углепластиках для авиастроения интенсивно разрабатываются технологические линии, сочетающие оборудование для автоматической выкладки волокон, автоматические устройства для раскроя полуфабрикатов, высокопроизводительные машины для намотки с повышенными скоростями, автоматические прессы и другое механизированное и автоматизированное оборудование, а также контрольные устройства (рис. 3. 26 и 3. 27) [58, 59]. В табл. 3. 21 указаны различные методы формования важнейших деталей самолетов.

3.4. Дополнительная обработка углепластиков

Изучению вопросов, связанных с дополнительной обработкой углепластиков, посвящено сравнительно мало работ. Они касаются методов механической обработки и соединения пластмасс, армирован- нь1х волокнами. Для механической обработки применяют обычно шйроко известные несколько модернизированные методы обработки металлов. При обработке углепластиков почти всегда используют такие же методы механической обработки, как и для стеклопластиков [60], и крайне редко какие-либо специальные методы [61] . Одна из проблем состоит в том, что для соединения различных деталей из углепластиков нельзя применить такой традиционный для металлических материалов метод, как сварка, а способ болтового соединения требует особого подхода.

Механическая обработка

Если говорить об изделиях из углепластиков сложной конфигурации, то часто после их формования необходима последующая обработка :резание, шлифование, сверление отверстий при болтовом соединении с другими материалами и т. д.

Резание. Как и в случае стеклопластиков, при резании углепластиков необходимо использовать алмазные режущие инструменты или инструменты, изготовленные из сверхтвердых сплавов. Обычная быстрорежущая сталь при обработке армированных пластиков очень быстро изнашивается. При точении или резании углепластиков на токарных станках или фрезеровании следует использовать оборудование для отсоса стружки, пыли и других отходов.

Обработка на токарных станках. При токарной обработке режимы в значительной степени определяются свойствами режущего инструмента. Даже сверхтвердый режущий инструмент из сплава марки Р-10 сильно изнашивается, и срок его службы очень мал. Меньше всего изнашивается алмазный инструмент, полученный методом спекания, и его применение не приводит к образованию ворса на поверхности материала после обработки [62].

При использовании сверхтвердых резцов (К 01, К 10, К 20 и др.) оптимальными являются следующие условия: угол основной заточки резца 0-6°, задний угол заточки резца 8 - 14°, скорость резания 20 - 150 м/мин, глубина резания ОД - 0,5 мм, подача суппорта 0,05 - 0,2 мм/оборот. При использовании алмазных резцов оптимальная скорость резания составляет 100 — 300 м/мин, глубина резания 0,05 — 0,3 мм, подача суппорта 0,02 — 0,1 мм/об. По мере уменьшения скорости подачи суппорта можно стабилизировать процесс резания и получать хорошее качество поверхности обрабатываемого изделия. Увеличение глубины резания приводит к сильному износу режущей кромки резца. При обработке на токарном станке крупногабаритных изделий возникает проблема точности обработки, на которую необходимо обращать внимание.

Фрезерование. Фрезы изготовляют из тех же сверхтвердых сплавов (К 01, К 10, К 20 и др.), угол их заточки 0-5°, задний угол заточки 8 — 12°. Оптимальными являются спиральные фрезы диаметром 100 мм, содержащие восемь режущих кромок. Скорость резания следует выбирать в интервале 50 — 200 мм/мин, подачу фрезы от 0,02 до 0,1 мм, глубину резания 0,2 - 0,5 мм.

Сверление отверстий. При сверлении углепластиков следует обращать внимание на возможность их расслоения, вырывания волокон и т. д. Предпочтительнее использовать в качестве материалов для изготовления сверл износостойкие сверхтвердые сплавы, в частности сплав К 01 [63] . Более износостойкими являются алмазные инструменты. Однако их обычно используют при низкой скорости резания; с учетом достаточно сложной формы сверл в настоящее время для их изготовле-

ния наиболее подходящими остаются сверхтвердые сплавы. Сверление осуществляют при следующих условиях: угол заточки у края сверла 60 — 90°, задний угол заточки 15 — 20°, число оборотов при сверлении 500 — 4000 об/мин, скорость подачи сверла при сверлении углепластиков примерно в 3 раза ниже, чем при сверлении металлов. Для уменьшения износа инструмента и отвода тепла, выделяющегося при сверлении, инструменты обильно охлаждают водой или мыльной пеной. Так как расслоение углепластика чаще всего возникает при входе и выходе сверла из материала, то при сверлении с обеих сторон углепластика желательно помещать листы-прокладки.

Шлифование. Шлифование используется для окончательной обработки поверхности изделий или перед склеиванием деталей из углепластиков. В большинстве случаев, применяя такие же цилиндрические или плоские шлифовальные инструменты, как и при шлифовании металлов, можно получить высококачественную шлифованную поверхность изделий из углепластиков. В качестве жидкости, используемой при шлифовании, применяют 2 — 2,5%-ную водно-парафиновую эмульсию. При длительном шлифовании в охлаждающей жидкости накапливается много порошка углепластика, что приводит к необходимости ее замены. Обычно используют шлифовальные круги с абразивными частицами на основе карборунда или оксида алюминия. Для грубой отделки поверхности используют абразивные частицы № 30 — 60, а для окончательной отделки № 80 — 180. Чаще всего в качестве связки используют термореактивные полимеры. Условия шлифования: линейная скорость при вращении круга 1400 — 2000 м/мин, скорость подачи 10 — 15 м/мин, глубина шлифования при грубой отделке поверхности составляет 0,02 一 0,05 мм, а'рм чистовой отделке — около 0,003 — 0,01 мм. Для чистсжой отделки используют ременные шлифовальные станки, мелкозернистую шкурку и т. д. Для удаления порошка углепластика, образующегося при шлифовании, необходимо использовать отсасывающие устройства.

Отрезка или разрезка. Отрезку (разрезку) углепластиков осуществляют теми же методами, которые применяются для отрезки и шлифования с те к лопл ас тиков. Используя для этого алмазные диски, можно получить хорошее качество поверхности после отрезки. Этим методом можно резать листы углепластиков толщиной до 30 мм. Оптимальная толщина диска 0,5 — 1,0 мм. При большей толщине диска возрастает сопротивление резанию, при меньшей — возникают отказы в работе (поломка или заклинивание диска). При резке образуется порошок углепластика, поэтому для предотвращения его выброса желательно помещать диск в ванну с водой. В качестве примера можо привести условия разрезки листового углепластика толщиной 3 мм:

линейная скорость при вращении диска диаметром 200 мм — 1000 м/мин, скорость подачи 500 мм/мин.

Надо отметить следующие особенности данного метода: 1) направление вращения диска должно обеспечивать разрезку материала сверху вниз; 2) отрезку обычно проводят по прямой линии (отклонение от прямой может привести к поломке диска); 3) можно разрезать трубки из углепластиков, но при некоторых схемах армирования и направлениях действия остаточных напряжений может происходить заклинивание диска.

При толщине углепластика менее 0,5 мм можно использовать для резки обычные ножницы или NT-резец. Для разрезки более толстых листов можно использовать применяемые при резке металлических листов ножовки, станки с ленточной или дисковой пилой и т. д. Однако эти инструменты имеют низкую износостойкость, качество поверхности после разрезки невысокое, и поэтому такие приспособления не очень подходят для резки углепластиков. Разрезку по кривой линии ведут обычно с использованием металлической ножовки, лобзика или дисковой пилы с последующей зачисткой на шлифовальном станке.

Нарезание резьбы. Резьба в материалах из углепластиков получается весьма непрочной. Поэтому в месте резьбового соединения вставляют металлический вкладыш, на котором и нарезают резьбу.

Обработка строганием. В случае углепластиков очень затруднительна.

Штамповка или вырубка. Эта операция возможна при таких же условиях, как и для стеклопластиков. Однако в ходе ее еще чаще возникают краевые дефекты и расслоение материала, и поэтому данный метод не рекомендуется для обработки углепластиков.

Склеивание и соединение

Углепластики обладают ярко выраженной анизотропией: они имеют хорошие свойства и способность передавать нагрузку в плоскости армирования, но, как и все слоистые пластики, характеризуются низкой прочностью при сдвиге или в направлении, перпендикулярном плоскости армирования. При необходимости соединения деталей из углепластиков следует учитывать различные факторы (тип полимера, структуру углепластика, размер и форму изделия) и соответственно выбирать способ соединения. Метод сварки, как правило, неприменим для углепластиков; что касается других методов соединения углепластиков, то пока еще нет единого подхода к решению этой задачи и контролю качества соединений. В настоящее время чаще всего используются клеевое сое-

Получение и переработка углекомпозитов 119 данение с последующей оценкой прочности при сдвиге между склеенными частями и болтовое соединение1 ^, прочность которого зависит главным образом от прочности на сдвиг болтов, заклепок, шурупов и т. д.

Клеевое соединение. Клеевое соединение, как показывают соответствующие расчеты, оказывается часто более эффективным, чем болтовое и другие типы механического соединения. При помощи клеевого соединения можно передавать нагрузку, практически не вызывая значительных концентраций напряжений. Предполагая прямо пропорциональные зависимости допустимой нагрузки от площади поперечного сечения образца и прочности адгезионной связи от площади склейки, при использовании двух типов клеевых соединений — "встык” и ,,внахлест), — отдают предпочтение последнему. Можно выделить следующие типы клеевого соединения внахлест: одностороннее или двустороннее, со скосами, ступенчатое и в косой накладной замок (рис. 3. 28).

Соединение внахлест е скосамиСоединение внахлест е скосамиСтупенчатое соединение внахлестСтупенчатое соединение внахлестСоединение S косой накладной зим/Соединение S косой накладной зим/Одностороннее со единение

Соединение внахлест е скосами

Соединение внахлест е скосами

Ступенчатое соединение внахлест

Ступенчатое соединение внахлест

Соединение S косой накладной зим/

Соединение S косой накладной зим/

Двустороннее соединение Онахсест (раЗно^роуное)

Соединение двух листов двумя накладками (равно - прочный вариант)

Двустороннее соединение внахлест (чераВнопро^ньш вариант)

Рис. 3. 28. Типы клеевых соединений.

1)Ннже автор справедливо включает в число факторов, определяющих прочность болтовых соединений, структуру углепластиков, геометрию соединения и др. - Прим. ред.

При одностороннем соединении внахлест кроме концентраций сдвиговых напряжений происходит изгиб, обусловленный эксцентриситетом, что часто приводит к разрушению.

В случае двустороннего соединения внахлест распределение сдвиговых напряжений сложнее. Прочность такого соединения в отсутствие эксцентриситета и изгибающего момента определяется свойствами клея и поверхности склеиваемого материала.1 Данный метод соединения является эффективным. Однако если толщина склеиваемого материала превышает некоторую величину, то растет неоднородность распределения напряжений, т. е. увеличиваются напряжения сдвига, что приводит к расслоению материала и снижает эффективность двустороннего соединения внахлест. В углепластиках прочность на расслоение внутри материала обычно ниже, чем прочность клеевого соединения, что ведет к разрушению путем расслоения. Поэтому чаще необходимо использовать соединение внахлест со скосами [64].

Клеевое соединение внахлест со скосами с внутренней стороны характеризуется постоянной толщиной склеиваемого материала, и поэтому при данном способе соединения уменьшается вероятность разрушения вследствие расслоения. Тем не менее неоднородность распределения сдвиговых напряжений аналогична случаю двустороннего соединения внахлест, и возможности улучшения такого соединения ограниченны. С точки зрения производства этот способ соединения прост и эффективен.

Более равномерное распределение напряжений достигается при ступенчатом соединении внахлест. Теоретически прочность этого типа клеевого соединения приближается к прочности соединения в косой накладной замок. Существует определенный предел минимальной величины ступеньки; для углепластиков он равен толщине одного слоя пластика. С точки зрения механики, ступенчатое соединение внахлест по сравнению с двусторонним клеевым соединением внахлест более эффективно. Наиболее прочным оказывается соединение в косой накладной замок, являющееся модификацией соединения внахлест со скосами.

Для клеевого соединения используют следующие три типа клеев: термореактивные, термопластичные и эластомерные. Термореактивные клеи представляют собой полимеры с высокой молекулярной массой. После отверждения они обычно обладают высокими прочностью, модулем упругости и химической стойкостью. Поэтому термореактивные клеи часто используются для соединения элементов из углепластиков.

1)И геометрией склейки. - Прим. ред.

+ + + + +

+ + + + + +

I + +

о о I

+0 I

+ о I + 01 I о +

+

+ о X + х х + x х + X X + о X + x X。 + X X

X

X

XX

X。 о о О о X。 X。 о

X。

X。

X。

工гАв工 0匚2匚uahuM当 V BOL 0匚2匚匚ahod-LMH ・6 со^хьохсос .ф ^xsfflscoc 匚onQHPBOUMdYV ・9 qdwA9匚whmbw匚。匚・g -LdMU。qBOUWHWBM匚0匚・寸 BBWdoRXHeBWUMHWB w匚 —Hdo匚XRMHMB dMouo。。6 BMdoux匚мнмв w «ьлн л^всхххш ^msx&E8 -w -Lp-lah匚MHWBHRO 匚-^

ntfodotfoBdUjA 'hMIBWOdV

ибифе

АН01Э>4

1Я1биио

q 丄 фан

ыиневонэо

R1OU3H>4

Btfado ueHtfog

AdXied

-Э1ЛЛ1Э1 ЭИУЕИН

RdXiBdau

■dd丄 эихоэпд

1

о

ОС

эинэоиэхо

X

ехжбэ^пд

эинаиэв口

CD

эиневэсивн

e

X'

о

〔99〕я x± хно х^фё Q^AX xw w w①5 ①-qnhw 匚mpd"ZE BtlMU*J_

Продолжение табл. 3.22.

Основной компонент клея

Форма использования кпея^

Условия склеивания6

Проч- ность соединения

Стойкость

L.

哥

q

12- Неопреновый каучук

SE

Сх

X

С

+

0

0

0

+

+

+ + с

-0

13. Хлоркаучук

SE

Сх

X

С

+

0

+

0+

+

4--

14» Бутилкаучук

SE

Сх

X

С

+

—

0

+

++

+

—

15. Нитрипьный каучук

SE

Сх

X

С

+

0

+

0

0-

—

+0-

16。Силиконовый каучук

Ра

Сх

С)

К X

0

—

++

++

0

0

0 0 с

0 0

17и Фенопьная смопа

FS

Сх

X

X

■ +

—-

—+

+

+

+

+++

+4

18и Карбамидная смола

FS

Сх

X

X

+

—

-0

0

+

+

4-+

+

+4

19. Меламиновая смопа

FS

Сх

X

X

+

-—

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

20. Резорциноформальде-

S

Сх

X

X

++

—

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

гидная смола

21 в Полиэфир- 21.1 о Ненасы- MS

Сх

С

X

+

—

-0

0

0+

сн-

+

+

ная смопащенная

Сх

X

Сх

+

0+

0

—

+

0+

—

+

0

—

—

-0

21.2. Насы

S

щенная

22。Полиуретан

V

Сх

С

X

+

0-

-0

+

0

+

+

0

一

一

23. Эпоксидная смола

РРа П Сх

С

X

+

—

0

—

+0

+

+

+0

+0

一

一

+0

24а Виниловый полимер, мо

FS

X

X

X

+

0

+

0-

+

+

0-

дифицированный фенопь-

ной смопой

25. Неопреновый каучук9 мо- FS

X

X

X

+

—

0

+

+

0

+

+

0

0

дифицированный феноль-

ной смопой

26. Фенопьная смола, модифи- FS

X

X

X

+

0+

сн-

+

0+

+

+

+

+

—

—

цированная нитрипьным

каучуком

27. Попиамид# модифициро-

FS

X

X

X

+

+

-0

+

0

—

+

+

0—

+

ванный эпоксидной смо-

пой

28・ Эпоксидная смола, моди

-F1

Сх

С

X

++

0-

+

+

+

+

+

о

+

—

—

+ %

фицированная фенольной

смолой

29. Полиэфир, модифициро-

V

Сх

С

X

+

—

0

+

+

—

+

0

—

—

0

ванный эпоксидной смо-

пой

30- ПопиамиДо модифициро-

V

Сх

С

X

+

+

сн-

+

0

0

+

+

0+

—

—

—

ванный эпоксидной смо-

ЛОЙ

31. Пописупьфидный каучук,V

Сх

С

X

+

0+

0

+

0

+

+

+

+

—

—

+

модифицированный эпок-

сидной смопой

32。Неорганический кпей

PF1

X

X

X

0

—

++

а Характеристика свойств: ++ очень хорошие; + хорошие; О удовлетворительные; — плохие; — очень плохие.

6 Форма использования клея: S - раствор; F - пленка; Р- порошок; Е - эмульсия; Ра - паста; F1- жидкость； М — мономер4 V — жидкость с регулируемой вязкостью»

в Условия склеивания: С - не является необходимым ипи необходимо в очень малой степени; х — необходимо.

Термопластичные клеи применяются преимущественно для склеивания металлов, пластмасс и других материалов. Они образуют менее прочные клеевые соединения и не обладают достаточной теплостойкостью. Эластомеры широко применяются для модификации других типов клеев, но непосредственно в качестве адгезивов для углепластиков не используются из-за низкой прочности. В табл. 3. 22 приведены различные типы клеев и их свойства [65].

Отметим следующие факторы, которые необходимо учитывать при использовании клеев: 1) внешняя среда (воздействие химически активной среды, влаги, растворителей, масел и т. д.); 2) диапазон рабочих температур; 3) тип и метод обработки склеиваемой поверхности; 4) характер, направление и величина максимальных напряжений в клеевом соединении; 5) площадь склеивания.

Предварительная обработка склеиваемой поверхности оказывает существенное влияние на прочность соединения. Поэтому в зависимости от типа склеиваемой поверхности важно выбирать оптимальный метод ее подготовки к склеиванию (табл. 3. 23) [66].

Болтовое соединение. Прочность болтового соединения зависит от прочности на сдвиг болтов, заклепок, шурупов и других скрепляющих элементов и усилия, действующего на скрепляемые элементы. По сравнению с клеевым соединением болтовое соединение имеет следующие достоинства [67] : 1) значительная стойкость к ползучести при высоких температурах; 2) малый разброс в значениях прочности соединения; 3) высокое сопротивление ударным нагрузкам; 4) простота контроля, возможность сборки, разборки и других операций.

Габлица 3.23. Обработка поверхности парад склеиванием [бб]

Склеиваемые материалы

Способ обработки поверхности

Ацетат целлюлозы 9 ацатобутират целлюлозы, нитроцеллюлоза, пори- метилстирол, поликарбонат9 полистирол, поливинилхлорид, полиме- тилматакрилат# этипцаппюпоза

Склеиваемую поверхность три раза протирают намоченной в метиловом спирта хлопчатобумажной тканью и высушивают до исчезновения спадов растворителя. Затем шлифовальной бумагой или наждачной бумагой № 400 обрабатывают поверхность до исчезновения блеска. Остатки абразива удаляют и поверхности чистой хлопчатобумажной тканью и аща раз протирают поверхность тканью, смоченной § метиловом спирта

Продолжение табл. 3・23.

Склеиваемые материалы

Способ обработки поверхности

Эпоксидная смола9 полиэфирная смола, фенольная смола, карбамидная смола, диаллилфталатная смола, меламиновая смола, полиамид* полиуретан

Склеиваемую повархность три раза протирают хлопчатобумажной тканью, про- питшшой ацетоном, и высушивают до исчезновения запаха растворителя» Затем шлифовальной бумагой или наждачной бумагой № 400 обрабатывают повархность до исчезновения бпаска. Оставшиеся частицы абразива удаляют с поверхности чистой хлопчатобумажной тканью и еще раз протирают поверхность смоченной в ацетона тканью

Полиолефин (полиэтилен низкой и высокой плотности, полипропилен, облученный полиэтилен), хлорированный полиэфир, лолиацаталь

Склеиваемую повархность три раза протирают хлопчатобумажной тканью, смоченной в ацетона, и высушивают до исчезновения запаха растворителя. Затем повархность выдарживают в состава, содержащем 1 ч. двухромовокислого натрия. 30 ч. воды и 10 ч. серной кислоты. Оптимальные условия обработки: полиолефина —на менаа 1 ч при комнатной температура, хлорированного полиэфира —3 мин при тамларатура 71 ±3°С, по- лиацатали — до 10 с при комнатной температура. Посла обработки поверхности

указанным составом аа промывают холодной водой8 и высушивают

Политрифторэтилен, политатра- фторэтилан

Скпаиваамую повархность гри раза протирают хлопчатобумажной тканью, пропитанной ацетоном, и высушивают до исчезновения запаха растворителя. Затем выдерживают деталь в течение 15 мин в раствора натрийнафталина в татрагидрофурана. Из раствора ее вынимают маталличаским захватом, промывают в ацетона и затем в вода. Сушку проводят при температура 30 + 3℃ в тачание 1 ч

аСогласно международному стандарту ISO температура воды должна

быть 23 ±3℃.

Одностороннее соединение

Внахлест

Соединение Внахлест со смещением краа одного из листобСоединение Внахлест со смещением краа одного из листобДвустороннее соединение внахлестДвустороннее соединение внахлестОдностороннее соединение встым с нахлестомОдностороннее соединение встым с нахлестом

Соединение Внахлест со смещением краа одного из листоб

Соединение Внахлест со смещением краа одного из листоб

Двустороннее соединение внахлест

Двустороннее соединение внахлест

Одностороннее соединение встым с нахлестом

Одностороннее соединение встым с нахлестом

Двустороннее соединение встым，нахлестомДвустороннее соединение встым，нахлестом//] ///] /Рис. 3. 30. Типы разрушения болтового соединения [69].а - разрыв при растяжении; 6 - сдвиговое разрушение； в — смятие; г - разрыв при растяжении и скалывание.Рис. 3. 30. Типы разрушения болтового соединения [69].а - разрыв при растяжении; 6 - сдвиговое разрушение； в — смятие; г - разрыв при растяжении и скалывание.

Двустороннее соединение встым，нахлестом

Двустороннее соединение встым，нахлестом

/

/]

/

/

/]

/

Рис. 3. 30. Типы разрушения болтового соединения [69].

а - разрыв при растяжении; 6 - сдвиговое разрушение； в — смятие; г - разрыв при растяжении и скалывание.

Рис. 3. 30. Типы разрушения болтового соединения [69].

а - разрыв при растяжении; 6 - сдвиговое разрушение； в — смятие; г - разрыв при растяжении и скалывание.

Рис. 3 29. Типы болтовых соединений [68].

Недостаток болтового соединения — снижение прочности вследствие концентрации напряжений вблизи просверленных отверстий. Болтовые соединения можно подразделить на соединения внахлест, когда соединяют два (или три) наложенных друг на друга плоских листа, и стыковые соединения, при которых к двум соединяемым листам добавляют накладки (с одной или с двух сторон) (рис. 3. 29). При выборе типа болтового соединения необходимо учитывать возможность возникновения изгибающих моментов под действием растягивающих нагрузок.

При болтовом соединении листов растяжение приводит к возникновению напряжений сжатия в элементе в зоне контакта с внутренней поверхностью отверстия в материале. При этом может происходить сдвиговое разрушение вдоль волокон, разрыв материала в направлении, перпендикулярном направлению растягивающей нагрузки, или расслоение пластика. На рис. 3. 30 показаны типы разрушения болтового соединения.

Рис. 3 " Схема расположения отверстия относительно скрепляемого листа.

Введем обозначения: Г — толщина скрепляемых листов, о%$ — предел прочности скрепляющего элемента при сжатии, т^ — прочность скрепляющего элемента (болта и т. д.) при сдвиге. Тогда внешний диаметр скрепляющего элемента 马 можно определить из формулы %"= =4。方§/ (лтя).Для obs имеем выражение о力$ =「侬』*п, где Ртах~ максимальная растягивающая нагрузка, d — диаметр отверстия, п — число отверстий.

При болтовом соединении углепластиков большое значение имеет геометрия (расположение и диаметр) отверстий в скрепляемом материале. Поэтому при расчетах болтовых соединений надо учитывать ее влияние на прочность соединения. Для того чтобы обеспечить достаточную прочность соединения, необходимо, чтобы отношения l/d и w/d [/ - расстояние от края скрепляемого листа до центра отверстия, w- полуширина листа, d — диаметр отверстия (рис. 3. 31) ] превышали некоторые определенные значения. Кроме того, как показано на рис. 3. 32 и 3. 33, на прочность соединения также влияет угол ориентации армирующих волокон в углепластике.

1000

900

800

700 600 500

Q亥庆 пнзн-38 02s0Eq0g qtuQOHhoauQ亥庆 пнзн-38 02s0Eq0g qtuQOHhoau300300Рис 3.32. Зависимость прочности болтового соединения от отношения W/d [70]. Диаметр болта 6,35 мм, давление сжатия 22 МПа. Угол укладки волокон: кривая 7 - 0 ±4 片;2-0±6(f;^-±4^;4-(f /90° .

Q亥庆 пнзн-38 02s0Eq0g qtuQOHhoau

Q亥庆 пнзн-38 02s0Eq0g qtuQOHhoau

300

300

pusHWHBHnQBOQOQOgoluqog qEJOHhodupusHWHBHnQBOQOQOgoluqog qEJOHhodu1000 900800700600 500做3001000 900800700600 500做3004545Рис. 3. 33* Зависимость прочности болтового соединения от отношения l/d [70]. Диаметр болта 6,35 мм, давление сжатия 22 МПа. Угол укладки волокон: криваяРис. 3. 33* Зависимость прочности болтового соединения от отношения l/d [70]. Диаметр болта 6,35 мм, давление сжатия 22 МПа. Угол укладки волокон: криваяe/de/d夕 1 - 0 ±45°; 2 - 0 ±60°;3- ±45°; 4-0°/90°.夕 1 - 0 ±45°; 2 - 0 ±60°;3- ±45°; 4-0°/90°.Рис. 3.34. Влияние давления сжатия % на прочность болтового соединения а угле пластика со схемой укладки волокон (Г /±4弋 [70]. Диаметр скрепляющего элемента (мм); / - 12,7; 2 - 9,53; 3 - 6,35.Рис. 3.34. Влияние давления сжатия % на прочность болтового соединения а угле пластика со схемой укладки волокон (Г /±4弋 [70]. Диаметр скрепляющего элемента (мм); / - 12,7; 2 - 9,53; 3 - 6,35.

pusHWHBHnQBOQ

OQOgoluqog qEJOHhodu

pusHWHBHnQBOQ

OQOgoluqog qEJOHhodu

1000 900

800

700

600 500

做

300

1000 900

800

700

600 500

做

300

45

45

Рис. 3. 33* Зависимость прочности болтового соединения от отношения l/d [70]. Диаметр болта 6,35 мм, давление сжатия 22 МПа. Угол укладки волокон: кривая

Рис. 3. 33* Зависимость прочности болтового соединения от отношения l/d [70]. Диаметр болта 6,35 мм, давление сжатия 22 МПа. Угол укладки волокон: кривая

e/d

e/d

夕 1 - 0 ±45°; 2 - 0 ±60°;

3- ±45°; 4-0°/90°.

夕 1 - 0 ±45°; 2 - 0 ±60°;

3- ±45°; 4-0°/90°.

Рис. 3.34. Влияние давления сжатия % на прочность болтового соединения а угле пластика со схемой укладки волокон (Г /±4弋 [70]. Диаметр скрепляющего элемента (мм); / - 12,7; 2 - 9,53; 3 - 6,35.

Рис. 3.34. Влияние давления сжатия % на прочность болтового соединения а угле пластика со схемой укладки волокон (Г /±4弋 [70]. Диаметр скрепляющего элемента (мм); / - 12,7; 2 - 9,53; 3 - 6,35.

Путем сжатия вдоль оси болта можно увеличить эффективную прочность болтового соединения. Поэтому желательно, чтобы сила стягивания поверхностей болтовым соединением была выше некоторой величины. На рис. 3. 34 показано влияние давления сжатия на величину о%$ пластика на основе эпоксидной смолы и углеродных волокон со схемой укладки под углом 0°/±45°. Как видно из рисунка, с увеличением давления сжатия величина о%§ сначала сильно (примерно в три раза) возрастает, но затем при давлениях выше 22 МПа она практически не меняется.

Литература

J. A. Kershaw: New Epoxy Resin Systems for Pultrusion, SPI, 38, 6-c, p. 1, 1983.

2)東I/社内^一夕.

LNP社技術資料.

4)東I/力夕口/Л

5)疋占丸I工特公昭57-52221.

ЛЕЛ1Г,特開昭 56-73138.

Barber Colman 社力夕口 /Л

Fiber Materials 社力夕 口；

9)柴田尚幸：炭素繊維^上IX炭素繊維強化複合材料②特性占応用，繊維工学，27, 10, P. p. 38〜45, 1974,日本繊維機械学会.

10)西村 明：7产八：/入卜n ：/4＜€＞、У卜仁^4十马八d 7F、》卜‘複合材О進歩上課題，^ ^入千^夕入，32, 11, p. 52〜60, 1981,工業調査会•

11)西村明：炭素繊維織物忆＜П、"c関西複合材料学会第54回月例研究会，1981.

12)西村 明，松田 滋：炭素繊維織物G設計占口^术^、У卜物性，強化^ ^入千^夕入，

3, p. 96〜101, 1980,強化7/^入千^夕又技術協会。

13)西村 明•他：New Fabric Structures of Carbon Fiber, National SAMPE 28 th, 1983.

土山信夫：The Mechanical Properties of Carbon Fiber SMC, ICCM, p^ 497~50& 1982.

U. S. Polymeric 社資料.

A. S. Wood: Mod. Plast. Intern., 1978.

F. W. Bradish: Conductive SMC/BMC Composites for RFI/EMI Shielding, SPI, 33, 4-A, p. 1—12, 1978.

¥) Union Carbide 社力夕 口，

19)近西邦夫：炭素繊維強化^^入千^夕G技術開発，у^л^У ^л, 31, 7, p.64~69, 1982,工業調査会.

20)園田治朗：7/^入千、尸夕用強化材占■f•G効果，炭素繊維.

21)北中 実•他：東I/又夕：/^一卜儿G特性占応用，工業材料，30, 6, p. 37-41, 1982,日刊工業新聞社.

G. J. Taylor: Stampable Carbon-Fiber-Reinforced Engineering Thermoplastics, SPE MINITEC New York, March 6, 1981.

S. F. Monroe: Handbook of Fiberglass and Advanced Plastics Composites, 14章, p. 306, 1969, Nostrand Reinhold.

A. Lubin, G* Dastin: National SAMPE Tech. Conf., p. 80, 1973.

E. F. Olster: U. S. Nat. Tech., Inform. Serv. A, D., No. 746560, 1971.

Bell Helicopter Co., Technical Data, 1962.

J. R. Kober: SPI, 35, 19-A, 1980.

9-682

J. Sabo: SAMPE, 25, p. 481, 1980.

A. M. Shibley: Handbook of Fiberglass and Advanced Plastic Composites, p. 438, 169, Nostrand Reinhold.

Y. J. Weitsman: Composite Mater., 10, p. 193, 1976.

M. Langley: Carbon fibres in engineering, p. 262, 1973, McGraw-Hill.

Glass Fiber Quarterly, 7, 2, 1976,日東紡(株).

Mod. Plastics, 55, 5, p. 50, 1978.

J. D. Martin: Plastics Eng., 35, 3, p. 53, 1979.

Mod. Plastics Inter., 6, 4, p. 64, 1976.

W. B. Goldsworthy: The Conf, on Advanced Composite Tech., p. 101, 1978.

D. J. Evans: SPI, 34, 9-A, 1979.

F. Ives: SPI, 31, 18-C, 1976.

39)後藤卒士民：強化Г^ К千^夕入，21, 12, 1975.

L. M. Russell: SPI, 32, 6-C, 1977.

41)田部井 清：実践FRP (改訂版)，p. 169,産業資材新聞社.

R. W. Hewitt: SPI, 31, 18-D, 1976.

M・ S. Loyd: SPI, 33, 21-E, 1978.

G. C. Krumweide: SAMPE, 20, p. 57, 1975.

H. M. Deutsch: The Conf, on Advanced Composites Tech., p. 120, 1978.

46)酒谷芳秋：第9回宇宙航空材料、：/：/^^ ^厶予稿集，p. 64, 1979.

47)大阪市工研•他編：：/^入千^夕読本，第4編，р.209, 1980,

48)瀬川浄一郎：FRTP、:/一卜to又夕)匕。＞^‘成形，^入今、小入、29, 7, p. 15~21, 1978,工業調査会.

49)日本複合材料学会編：複合材料在知马事典，Н, P. 139〜141, 1982, 了^不.

50)日本複合材料学会編：複合材料在知马事典，K，P. Ш〜142, 1982, 7^.

51)広瀬治臣：釣D用品仁活用衣:h马複合材料，化学技術誌MOL, 19, 12, p. 43~47, 1981.

52)広瀬治臣：釣用品占複合材料，日本複合材料学会誌，5, 4, p. 125~129, 1979.

53)梅田豊治：釣竿上繊維，繊維占工業，37, 1, p. 57〜59, 1981.

54)日本複合材料学会編：複合材料在知马事典，n, P. 143〜144, 1982, T^^.

Carbon fibre reinforced tennis racket, Reinforced Plastics, 24, 12, p. 384〜385, 1980.

R. H. Hammer: The 3rd I. С. С. M. (Paris), p. 1452, 1980.

Flight International, 4, 1981.

W. B. Scott: Aviation Week & Space Tech., Aug., 2, p. 84, 1982.

D. Brounbill: Mod. Plast. Intern., Mar., p. 30, 1982.

60）竹鼻三雄：FRP生産h技術，p. 195, 1971,0火子、、，夕•工一£x.

L. George: Handbook of Fiberglass and Advanced Plastics Composites, p. 584, 1969.

62）鳴滝則彦：機械技術，30, 13, p. 44, 1982.

63）佐久間敬三：日本機械学会論文集，No. 828-3, p, 81. 1982.

L, J, Hart Smith: 19th SAMPE, p. 722, 1974.

65）芝崎一郎：工業材料，18, 13, p. 2, 1970.

66）宮入裕夫：強化Г^久千y夕久，21, 9, p. 394, 1975.

67）林 毅編：複合材料工学，10章，p.883, 1971,日科技連，

68）金原 勲：FRP G接合法，強化:/^久千^夕久，21, 6, p. 249, 1975.

F. L. Matthews: The 13th Reinforced Plastics Congress, p. 149, 1982.

T. A. Collings: Composites, 8, 1, p. 43, 1977.

ГЛАВА 4

СВОЙСТВА ПЛАСТМАСС,

АРМИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ

Углепластики являются сравнительно новыми материалами. Поэтому в настоящее время весьма затруднительно обобщать их свойства. Это связано не с тем, что накоплено мало данных о характеристиках углепластиков, а с тем, что эти материалы в настоящее время продолжают интенсивно совершенствоваться. Кроме того, как и для композиционных материалов вообще, существует значительное многообразие сочетаний углеродных волокон и полимерных матриц и связанное с этим многообразие свойств углепластиков. В данной главе на основе японской и зарубежной информации сделана попытка обобщить наиболее характерные свойства, отражающие особенности углепластиков.

Статическая прочность

Углепластики применяются во многих конструкциях при создании аэрокосмической техники, всевозможных транспортных средств и т. д. Поэтому нельзя сказать, что данных об их статической прочности, необходимых для расчетов, недостаточно. Но если сравнивать эти новые материалы с металлами, то, конечно, накопленные экспериментальные данные об их статической прочности пока еще ограниченны. Кроме того, еще не полностью стандартизованы экспериментальные методы оценки механических свойств углепластиков.

Особенность углепластиков — значительное разнообразие методов их формирования и способов ориентации волокон. Это также затрудняет их стандартизацию, как и стандартизацию металлокомпозитов. Следует отметить, что различные фирмы-изготовители используют компоненты углепластиков (углеродные волокна и полимерные связующие), значительно отличающиеся по свойствам. Поэтому для выбора требуемого материала и расчета его свойств приходится использовать технические данные различных фирм, а для общей классификации углепластиков необходимо тщательное изучение и сопоставление этих данных.

В этом разделе приведены такие характеристики углепластиков, как прочность при растяжении, сжатии, изгибе и межслоевом сдвиге.

Прочностные характеристики предваритепьно пропитанных лент (препрегов)

Прочностные характеристики углепластиковых препрегов на основе обычной и термостойкой экпоксидных смол при комнатной и повышенной температурах приведены соответственно в табл. 4.1 и 4.2. Кроме то-

Таблица 4.1. Прочностные характеристики слоистого отвержденного углепластика на основе обычной эпоксидной смолы при статическом нагружении [1]

Прочностная Обоз- характеристи- наче- ка ние

Метод испы-

Единица измерения

1а

Пб

тан ия (стандарт ASTM)

23 ℃

82 ℃

23 ℃

82 ℃

1. Нагрузка приложена вдоль волокон

Прочность при растяжении

аи

D-3039

МПа

1700

1695

1785

1755

Модуль упругости при растяжении

Предельное удлинение при растяжении

Прочность при сжатии

Модуль упругости при сжатии

Предельная деформация при сжатии

Прочность при изгибе (4-точечный изгиб)

Модуль упругости при изгибе (4-точечный изгиб)

Прочность при межслоевом сдвиге (метод изгиба короткой балки)

%】

еи

К

Е《

aILS

D-3410

0-790

D-2344

ГПа

%

МПа

ГПа

%

МПа

ГПа

МПа

139

1,2

1845

132

98

140

1卫

1880

78

145

1,2

1221

138

1.1

1975

133

97

147

1卫

1118

133

1,4

1995

78

Продолжение табл. 4.7.

Прочностная характеристика

Обозначение

Метод испытания (стандарт

ASTM)

Единица измере- НИЯ

1а

цб

23 ℃

82 ℃

23 ℃

82 ℃

2. Нагрузка приложена перпендику- пярно ориентации волокон

Прочность при растяжении

ст22

D-3039 МПа

51

51

48

45

Модупь упругости при растяжении

e22

ГПа

10

9

9,8

9,6

Предельное удлинение при растяжении

622

%

0,55

0,81

0,52

0,56

Плотность

Р

D-792

кг/м3

1570

1570

1550

1550

Прочность при внутри- слоевом сдвиге

Модуль упругости при внут рнслоевом сдвиге

%

С]?

D-3518

МПа

ГПа

-

-

72

4,8

71

4.1

Коэффициент v12 Пуассона вдопь волокон

Коэффициент %] линейного расширения вдоль волокон

мм/ мм 0,29

〔О-в кт 一

-

0,3

0,3

0,56

Продолжение табл. 4.7.

ПрочностнаяОбоз-МетодЕдиница1ацб

характерно-наче-испы-измере-

тиканиетанияНИя

(стан-23°С82°С 23℃ 82°С

Дарт ASTM)

Коэффициент 。2210-6 к-1 __+ 35 8

линейного рас-*

ширения перпендикулярно ориентации волокон

Прочность при %D-3039 МПа535500535530

растяжении

Модуль упру

гости приЕ%ГПа515049,750

растяжении

Предепьное удлинение при е%%1,21 »21,21,2

растяжении

а1 — эпоксидная смола марки Rigidite 5213 + 62 об。％ угперодных волокон марки Celion ЗОООо

‘П — эпоксидная смопа марки Rigidite 5213 + 62 об.% углеродных волокон марки Celion 6000>

Габпица 4.2. Прочностные характеристики слоистого отвержденного углепластика на основе термостойкой эпоксидной смолы при статическом нагружении [11

Прочностная характеристика

Обозначение

Метод испытания по стандарту ASTM

Единица измерения

ia

23 ℃

Пб

177℃

23℃ 177°С

1о Нагрузка приложена вдопь волокон

Прочность при растяжении

сти

D-3039

МПа

1645

1635

1655

1585

Прочностная харак- Обоз-

Метод Едини-

1а

П

б

теристиканаче-

испы- ца из-

ние

тания мере-

по стан- ния

23

℃ 177℃

；23℃

177℃

Дарту

AS ТМ

Модуль упругости при растяжении

^и

ГПа

151

143

147

143

Предельное удлинение при растяже-

еп

%

1.1

1J

1₽1

1.1

1,1

НИИ

Прочность при

D-3410

МПа

1470

1525

1515

1240

сжатии

Модуль упругости при сжатии

Е%

ГПа

141

151

152

152

Предельная деформация при сжатии

е И

%

1,7

1.1

1.3

1Q

Прочность при изгибе (4-точечный изгиб)

ст11

D-790

МПа

1570

2010

1750

1935

Модуль упругости при изгибе (4-точечный изгиб)

Е&

ГПа

135

136

Прочность при межслоевом сдвиге (метод изгиба короткой балки)

CTILS

D-2344

МПа

125

79

124

80

2. Нагрузка приложена перпендикулярно ориентации волокон Прочность при

ь22

D-3039

МПа

55

30

61

32

растяжении

Модупь упругости

*22

ГПа

11.2

9

10

9

при растяжении Предельное удлинение при растяжении

%

0,49

0,33

0,8

0,36

Плотность

Р

D-792

кг/м3

1590

1590

1590

1590

Прочность лри внут- рислоевом сдвиге

012

D-3518

МПа

77

58

75

52

^знохосоqHHSUSBd 匚иноняо

Прочностная характеристика

Обоз- наче-

Метод испы-

Единица из-

ia

II6

ние

тания мере- по стан- ния Дарту

ASTM

2用С

177°С 23℃177℃

Модуль упругости при внутрислоевом сдвиге Коэффициент Пуассона вдоль волокон Коэффициент линейного расширения вдоль волокон

Коэффициент линейного расширения перпендикулярно ориентации волокон

С12

V12

а11

а22

ГПа6,24,1

мм/мм0,320,32

Ю^/К—0,4

Ь/к + 27,1-

6,24.1

0,30,29

Прочность при растяжении Модуль упругости при растяжении Предельное удлинение при растяжении

о%

Е

D-3039

МПа

ГПа

%

495

53,1

1,1

445

48

0,9

460

52

160

485

52

1,0

a I — эпоксидная смола марки Rigidite 5208+ 62 об.% углеродных волокон марки Celion 3000.

бц —эпоксидная смола марки Rigidite 5208 + 62 об.% углеродных вопокон Марки Celion 6000.

Габлица 4.3. Среднестатистические значенкя статических механических характеристик слоистых углепластиков3 [1]

Наполнитель

Celion 3000

Celion 6000

П рзност・\^ связующее

ная харак-

Regidite 5213

Rigidite ] 5208

Kigidite

5213

Rigidite

5208

теристика

ХВ

к.в,г

X

к.в。

Л К.В,

X K.B.

Температура испытания, ℃

Растяжение ((f)д: %]

23

1700

Зв8

23

1645

6,4

23

1785 6,7

23

1655 6,2

Ен

139

3,1

151

6,3

145 5,2

147 3,9

4-точечный изгиб(0°)： о“

1845

4,1

1750

4,5

1975 2t2

1750 3,2

%

132

2,4

135

3,5

134 2,3

136 3,4

Сжатие (0°):仃“

-

1470

10,6

1220 8,3

1515 5,3

Е“

—

—

141

6,5

138 8,0

152 5,0

Растяжение (9(f): 02a

51

10,5

55

11,4

48 17

61 7,5

10

4,4

11.2

6,1

9,6 3^

11 3,5

Межслоевой сдвиг (0°): % §

98

3,9

125

5,3

9S7 3,4

124 5,7

Температура испытания, ℃

82

177

82

177

Растяжение (СР): о”

1695

3,6

1635

7,1

1755 5,6

1585 8,1

140

2,0

143

7,9

147 6,6

143 6,8

Растяжение (90°) 02a

51

4,4

30,4

22,1

45 7,5

32 31,6

Е22

9

2,3

9

3,5

9,6 3,4

9 3,5

4-точечный изгиб(0°)；吟

1880

3,4

2010

3,0

1995 3,2

1935 7,1

Межслоевой сдвиг (OP): a ILS

78

4,9

79,3

7,4

76 4,7

11e6 9,1

Рис. 4.1. Зависимость проч

切 紡 0方 仰 启 70н -6 nnHawHEJa ndu qEJOHhoau切 紡 0方 仰 启 70н -6 nnHawHEJa ndu qEJOHhoauО 20О 20力 6080100力 6080100Содержание волокон (доля слоев), ориен- тиро8аннь1х под углом 士处°“ направое - растяжения, %Содержание волокон (доля слоев), ориен- тиро8аннь1х под углом 士处°“ направое - растяжения, %ности при растяжении от схемы ориентации волокон в углепластике [1].

切 紡 0

方 仰 启 7

0н -6 nnHawHEJa ndu qEJOHhoau

切 紡 0

方 仰 启 7

0н -6 nnHawHEJa ndu qEJOHhoau

О 20

О 20

力 6080100

力 6080100

Содержание волокон (доля слоев), ориен- тиро8аннь1х под углом 士处°“ направое - растяжения, %

Содержание волокон (доля слоев), ориен- тиро8аннь1х под углом 士处°“ направое - растяжения, %

Р〃с. 42. Зависимость модуля упругости при растяжении от схемы ориентации волокон в углепластике [1].Р〃с. 42. Зависимость модуля упругости при растяжении от схемы ориентации волокон в углепластике [1].Содержание болопон (доля слоев), ориентирован- ных под углом±^5° к напрадлению растяжная.%Содержание болопон (доля слоев), ориентирован- ных под углом±^5° к напрадлению растяжная.%го, в табл. 4.3 обобщены всевозможные прочностные характеристики, усредненные по результатам испытаний более чем 1000 образцов. Однако, как видно из данных табл. 4.3, коэффициент вариации прочностных характеристик углепластиков при сжатии и растяжении под углом 90 имеет сравнительно большие значения, что свидетельствует о сложности измерения этих характеристик. В табл. 4.1 — 4.3 приведены только характеристики углепластиков на основе эпоксидной смолы марки Rigidite производства фирмы "Сзранвдзу” и углеродных волокон марки Calion производства фирмы ”Тохо бзсурон'". Однако аналогичные характеристики имеют и другие японские и зарубежные углепластики на основе эйоксидных смол и углеродных волокон.

Р〃с. 42. Зависимость модуля упругости при растяжении от схемы ориентации волокон в углепластике [1].

Р〃с. 42. Зависимость модуля упругости при растяжении от схемы ориентации волокон в углепластике [1].

Содержание болопон (доля слоев), ориентирован- ных под углом±^5° к напрадлению растяжная.%

Содержание болопон (доля слоев), ориентирован- ных под углом±^5° к напрадлению растяжная.%

В табл. 4.1 — 4.3 приведены прочностные характеристики углепластиков для однонаправленного и квазиизотропного (0/± 45/90°) слоистых материалов. Свойства углепластиков в зависимости от схемы ориентации волокон можно определить, используя номограммы, приведенные на рис. 4.1 и 4.2. Для этого выбирают кривую, соответствующую содержанию волокон (доле слоев), ориентированных вдоль направления растяжения, а затем для точки с заданным содержанием слоев, располагаемых под углом 土 45° к направлению растяжения (ось абсцисс), определяют прочность при растяжении по оси ординат. На рис. 4.1 приведен пример определения прочности при растяжении углепластика, содержащего 30 об. % волокон в слоях, ориентированных вдоль направления растяжения, и 40 об. % волокон — в слоях, ориентированных под углом 土 45° к этому направлению」)Как видно из рисунка, прочность при растяжении такого углепластика составляет 689 кПа.

Прочностные характеристики тканевого углепластика

В табл. 4.4 приведены статические прочностные характеристики различных тканевых эпоксидных углепластиков, а в табл. 4.5 — характеристики тканевого эпоксидного углепластика при различных температурах. В табл. 4.6 показано различие прочностных характеристик углепластиков, связанное с методом их получения и типом полимерного связующего. Как следует из данных табл. 4.6, для получения углепластика с высокой прочностью необходимо выбрать оптимальную полимерную матрицу, отвечающую используемому методу формования. В табл. 4.7 приведены для сопоставления прочностные и другие характеристики углепластиков на основе термопластичных матриц, и коротких волокон.

Усталостная прочность

Явление усталостного разрушения анизотропного гетерогенного углепластика сложнее, чем в случае металлического материала. В процессе такого разрушения распространение усталостной трещины может происходить в результате: 1) разрушения полимерной матрицы; 2) отслоения на границе раздела волокно — полимерная матрица; 3) разрушения отдельных волокон; 4) расслоения. Все перечисленные варианты разруше-

D Очевидно, что с помощью этих номограмм можно решать и обратную задачу: исходя из заданного значения прочности или модуля упругости углепластика, определять соотношение числа слоев, располагаемых вдоль направления растяжения и под углом ± 45 к этому направлению. - Прим. ред.

ния могут служить причиной снижения усталостной прочности углепластика.

В отличие от металлических материалов при развитии магистральной трещины в углепластиках не образуется зоны пластической деформации; ему предшествует образование зоны с ухудшенными свойствами. Поэтому для анализа явления усталостного разрушения углепластиков нельзя использовать те подходы, которые правомерны для металлических материалов. В общем случае макроскопические явления усталостного разрушения весьма схожи, однако в микромеханизме усталостного разрушения углепластиков и металлических материалов наблюдается значительное различие. Вследствие этого необходимо достаточно внимательно подходить к проведению испытаний на усталость и к анализу полученных данных.

Основные характеристики

При испытании на усталость однонаправленного углепластика в направлении ориентации волокон основная нагрузка приходится на волокна. Поэтому снижение прочности при циклическом нагружении очень мало и кривая S - TvO имеет вид прямой с небольшим наклоном. Однако если направление приложения циклической нагрузки составляет некоторый угол с направлением ориентации волокон, то наблюдается значительное снижение усталостной прочности. Это явление имеет место при усталостном испытании с изгибом в плоскости или двухосном нагружении углепластика. Как следует из данных, приведенных в табл. 4.8, при усталостном испытании однонаправленного углепластика марки Т 300- 934 вдоль волокон с увеличением доли сжимающей нагрузки снижается отношение усталостной прочности к прочности при однократном растяжении.

В работах [4, 5] установлено, что при чистом сжатии усталостная трещина распространяется вследствие продольного изгиба волокон. Такой тип разрушения является характерным для армированных волокнами композиционных материалов. При этом обычно имеет место макроскопическое сдвиговое разрушение полимерной матрицы или отслоение на границе раздела волокно — полимерная матрица.

Влияние условий нагружения на усталостные характеристики слоистых пластиков

Результаты усталостных испытаний углепластиков с различными схемами армирования и в зависимости от условий нагружения (одноосное

1)Величина S - амплитуда колебаний нагрузки, N - число циклов. - Прим. ред.

Таблица 4.4. Статические прочностные характеристики тканевых эпоксидных углепластиков [2]

Типы материалов®

HEXCEL

F3T-272

HEXCEL FIBERITE

F3T-262 HMF-133/34

FIBERITE

HMF-341/34

CELION

W-1133

HERCULES

А-193-Р

HERCULES

А-370-8Н

；THORNEL THORNEL

VCB-20 VCC-45

X叩ак・、 теристи- ка

\

4-ремиз- ная

ткань гладкого плетения

Ткань гладкого плетения

8-ремизная ткань

гладкого плетения

Ткань гладкого плетения

8-ремиз- ная ткань гладкого плетения

Ткань гладкого плетения

8-ремиз- ная ткань гладкого плетения

8-ремизная ткань

гладкого плетения

5-ремиз- ная ткань гладкого плетения

Плотность, кг/м3

1540

1530

1580

1540

1600

1800

1600

1700

Прочность при

535

590

590

620

620

590

620

270

330

растяжении, МПа

М одуль упругости

69

69

72

67

72

69

69

39

96

при растяжении.

ГПа

Прочность при

625

840

885

760

695

370

380

изгибе, МПа

Модуль упругости

67

78

65

76

65

38

90

при изгибе, ГПа

Прочность при сжатии, МПа

Прочность л ри меж- споевом сдвиге.

550

59

585

64

67

一

69

655

65

690

63

330

30

207

22

МПа (метод изгиба короткой банки) Толщина одного отвержденного

0,18

0.16

0,33

0,13

0,30

0,34

0,34

0,47

0»25

слоя, мм Коэффициент линейного расширения, мм/мм/К

—

—

—

—

一

—

—

5 • 10"6

5- 10-6

a THORNEL 一 м叩ка лековых углеродных волокон; основа остальных углеродных волокон 一 полиакрилонитрил.

\Темпера-

\тура ис-

\ пытания, °C

\ Направ-

\ ление ap- Хмирования Характе-\ ристика \

Продо ль- ное

—54

23

Поперечное

82

Продольное

150

Попе- Про- Попе-

Попе- речное

Продольное

реч^ ное

доль- реч-

ное

ное

Прочность при растяжении, МПа

640

640

685

665

685

685

640

640

Модуль упругости при растяжении, ГПа

66

66

66

66

66

66

66

66

Относительное удлинение при разрыве,%

0,9

0,9

0,9

0.9

1.0

1.0

0,9

0,9

Прочность при сжатии, МПа

735

735

685

685

685

685

Модуль упругости при сжатии, ГПа

65

65

65

65

65

65

—

—

Предельная деформация при сжатии, %

1Q

1Q

1.0

1.0

1.0

1.0

—

—

Прочность при изгибе, МПа

765

765

765

745

—

—

—

—

Модуль упругости при изгибев ГПа

59

59

59

58

—

—

—

Прочность при межспое- вом сдвиге, МПа (ме- 78 тод изгиба короткой балки)

78

78

78

69

69

—

—

Таблица 4.5. Статические прочностные характеристики тканевого эпоксидного углепластика3 при различных температурах испытания [з]

а Тканевый эпоксидный углепластик марки IY-2101-3104 фирмы "Тохо бэсурон" (62% углеродных волокон марки "БэсуфайтоW-3104й, ткань гладкого плетения).

10 — 682

CM

<

s

о

ю о

+1

о

6

о

S

о

S

S

S

S

S ф

6 ю

S

S

о g см 6

о К

4 g

Z

g со

о S

о 8

О со

g

a

co co

co

寸

co

CM

寸

g

毋

о s

§

§

о

§ Ю

8

Й о

co у о

法 о

о

й о

6 8 о

со 5

СО о

S

о 6 со

[

[

о

S

о 6

о см

6

о g со

о

S

[

[

со

6

со 号

1

1

8 й

8 5

8 S

О Й 寸

[

[

5 +

尊

о

g

о

Z

5

W О

+1

S

S

S

g 寸

о

g g

s

8 co

毋 о

со 8 о

о

о

2 о

о

to

1 Z

S о

со g о

о

S

g CM

8

S о

S со

号

8 W

g

5

в 匚 2

в 0匚 2 1_

HEBboL SS3X5C80- x3HH0hA匚0匚・<0°0>|И,'0<0匚匚 0匚」А X3HOSOCO HNHJLSHdelNBdBX ФЗХН8Х7ОП-Е фх^офухйно .to.v Bb/W/PB」

•salnuJaH 3sn_x^ AmHo^ommxon-E ихи&виие匚」a ^

Габлица 4.7. Характеристики углепластиков на основе термопластичной матрицы и коротких волокон [2]

Полимерная мат- ^рица

Найлон 66а

Поли- сульфон3

Полиэфир3

Полифенилен сульфид3

Сополимер этилена и тетрафтор- этилена3

Сополимер винилиден- фторида и тетрафтор- этилена3

Поли-

кар- А бонат0

Полипропилен®

Содержание \ углеродных \

волокон.

ристика '

\ масс.%

30

30

30

30

30

20

30

30

Плотность,г/см3

Влагосодержание после вы

1,26

1,32

1,47

1t45

1,73

1.77

1,36

1,06

держки в воде в течение 24 ч,%

0,5

0,15

0.04

0,04

0,6 5

0,03

—

Равновесное влагопог лощение, %

2,4

0.38

0.23

0,10

0.24

моа

—

—

Усадка при формовании, %

1.5-2t5

2-3

1 - 3

1

1,5-2,5

2,5 3*5

2

5

Прочность при растяжении, МПа

241

131

138

186

103

8,47

79,2

37,2

Относительное удлинение,%

3-4

2-3

2-3

2-3

2 — 3

3-4

2.1

2,2

Прочность при изгибе, МПа

350

175

200

235

140

120

120

46

Модуль упругости при изгибе, ГПа

20

14,1

13,8

16t9

11 Л

7.6

7.4

4,1

Прочность при межслоевом сдвиге, МПа

90

48

—

—

48

52

—

—

Ударная вязкость ло Изоду сqq

надрезом, Дж/м

Ударная вязкость по Изоду без

надреза, Дж/м

Теплостойкость под нагрузкой 1,62 МПа, ℃257

Коэффициент линейного расширения, 10"5 • (м/м/К)L89

Теплоп роводность, Вт/ (w К)12,1

Поверхностное электрическое сопротивление. Ом/квадрат3 — 5

596459213-267139160,237,4

213 - 267 213 - 267 26 7-32。534374 — 427272171

1852212602411461 451 20

1,260,91,081.445,42,82,8

9,511,29,09,75,7-一

1—32 — 41—33 — 53 — 5——

а Производство фирмы Liquid Nitrogen Processing Со.

6 Производство фирмы Union Carbide Со.

Таблица 4.8. Отношение усталостной прочности к прочности при однократном растяжении для различных углепластиков [2]

Материал

Содержа- 6, град. УсловияЧастотаг「

ние у г-испытанияприложе-

лерод-ния на-

ных вогрузки,

локон,Г ц

об,%

Т 300-PR13

610R= 0,1300,53

27 ℃

61土 45■— " ■—— "—0j56

6190- и -— " —0,54

Т 500-5208

Т 300-934

60 — 70 0 — ” 一 一 н — 0j56 60-66 —6 一 ” 一 10 0,55 60-66 -6 R = - 0,4 0,38

27 ℃

_ ” _

60-66-6R = — 0,9- ” -0»26

27 ℃

Т 300-PR313

610R = 0,1300,58

127 ℃

AS - 4397

640Я = 0,1- " -0,67

Полиимид

AS-P1790

27 ℃

570— ” 一300*56

Полисульфон

«勿«勿•°匚x^^^ aso^sx'QAEnquEa•°匚x^^^ aso^sx'QAEnquEa3503002502003503002502007勿7勿50500000Число цинАоВ нагружения

«勿

«勿

•°匚x

^^^ aso^sx'QAEnquEa

•°匚x

^^^ aso^sx'QAEnquEa

350

300

250

200

350

300

250

200

7勿

7勿

50

50

0

0

0

0

Рис. 4.3. Усредненные напряжения % (МПа) и усталостная прочность слоистых углепластиков [6]. Схема армирования (О2/ 土 45?) 2； одноосное нагружение; частота нагружения 13 Гц,

7 - стандартный плоский углеиластик; 2 - плоский углепластик после нагревания при температуре 200 С в течение 1000 ч; 3 - испытание с одним круглым отв^>стием в центре； 4 — плоский углепластик после нагревайия при температуре 200 С в течение 1 ч.

растяжение или сжатие, изгиб или кручение) представлены в виде S — № диаграмм. На рис. 4.3 и 4.4 приведены S - Д^диаграммы одноосного усталостного испытания двух различающихся схемой армирования углепластиков. Естественно, что абсолютные значения усталостной прочное-

в匚 zhAd2xpnHDgdl/OKAEnlfu工ав匚 zhAd2xpnHDgdl/OKAEnlfu工а0770 力2 加3 加 105 加£

в匚 zhAd2xpnHDgdl/OKAEnlfu工а

в匚 zhAd2xpnHDgdl/OKAEnlfu工а

Уисло циклоВ нагружения

рис. 4.4. Усредненные напряжения Sm (МПа) и усталостная прочность слоистых углепластиков [6]. Схема армирования (90?/±45?)2； одноосное нагружение; частота нагружения 13 Гц.

7 - стандартный плоский углепластик; 2 — плоский углепластик после выдержки при температуре 120 С в течение 1 000 ч.

707060509030201006050903020100加 W2 7”川彳力" Число циклов нагружения加 W2 7”川彳力" Число циклов нагруженияРис. 4.5. Усредненные напряжения Sm (МПа) и усталостная прочность слоистых углепластиков [6]. Одноосное армирование; нагружение при трехточечном изгибе; частота нагружения 6,6 Гц;Рис. 4.5. Усредненные напряжения Sm (МПа) и усталостная прочность слоистых углепластиков [6]. Одноосное армирование; нагружение при трехточечном изгибе; частота нагружения 6,6 Гц;DnHEgauz-AETnfuEVDnHEgauz-AETnfuEV

70

70

60

50

90

30

20

10

0

60

50

90

30

20

10

0

加 W2 7”川彳力" Число циклов нагружения

加 W2 7”川彳力" Число циклов нагружения

Рис. 4.5. Усредненные напряжения Sm (МПа) и усталостная прочность слоистых углепластиков [6]. Одноосное армирование; нагружение при трехточечном изгибе; частота нагружения 6,6 Гц;

Рис. 4.5. Усредненные напряжения Sm (МПа) и усталостная прочность слоистых углепластиков [6]. Одноосное армирование; нагружение при трехточечном изгибе; частота нагружения 6,6 Гц;

DnHEgauz-AETnfuEV

DnHEgauz-AETnfuEV

Юб статическая прочность присдвиге 102,4 МПа.

ти образцов выше при приложении нагрузки в направлении, совпадающем с направлением ориентации волокон. Однако при сжатии в направлении армирования с ростом сжимающей нагрузки усталостная прочность снижается; более сильная тенденция к снижению усталостной прочности при растяжении, чем при сжатии, наблюдается для образцов, ориентация волокон в которых не совпадает с направлением приложения нагрузки. Следует отметить, что выдерживание углепластика перед испытанием при температуре 120 °C в течение 1000 ч практически не влияет на усталостную прочность.

勿 102 ю3勿夕勿610sУисло цин/roff нагружения勿 102 ю3勿夕勿610sУисло цин/roff нагруженияРис. 46 Усредненные напряжения Sm (МПа) и усталостная прочность слоистых углепластиков [6]. Схема армнро- рования (02)±452)2； нагружение при шеститочечном изгибе; частота нагружения 6,6 Гц; статическая прочность прн сдвиге 65 МПа.Рис. 46 Усредненные напряжения Sm (МПа) и усталостная прочность слоистых углепластиков [6]. Схема армнро- рования (02)±452)2； нагружение при шеститочечном изгибе; частота нагружения 6,6 Гц; статическая прочность прн сдвиге 65 МПа.仞竹紡把切纺勿乃/仞竹紡把切纺勿乃/CUEW史d2aH nnHuga^Q工 o'AEnlf殳 4CUEW史d2aH nnHuga^Q工 o'AEnlf殳 400На рис. 4.5 и 4.6 приведены S - ^диаграммы усталостного испытания при трехточечном изгибе. Как видно из рисунков, при большом числе циклов нагружения снижение усталостной прочности проявляется сильнее у образцов, содержащих волокна, ориентированные под углом 45° к направлению приложения нагрузки, чем в случае, когда направления армирования и приложения нагрузки совпадают. На рис. 4.7 показана S - TV-диаграмма при усталостном испытании на кручение. Величина кру-

勿 102 ю3勿夕勿610s

Уисло цин/roff нагружения

勿 102 ю3勿夕勿610s

Уисло цин/roff нагружения

Рис. 46 Усредненные напряжения Sm (МПа) и усталостная прочность слоистых углепластиков [6]. Схема армнро- рования (02)±452)2； нагружение при шеститочечном изгибе; частота нагружения 6,6 Гц; статическая прочность прн сдвиге 65 МПа.

Рис. 46 Усредненные напряжения Sm (МПа) и усталостная прочность слоистых углепластиков [6]. Схема армнро- рования (02)±452)2； нагружение при шеститочечном изгибе; частота нагружения 6,6 Гц; статическая прочность прн сдвиге 65 МПа.

仞竹紡把切纺勿乃/

仞竹紡把切纺勿乃/

CUEW史d2aH nnHuga^Q工 o'AEnlf殳 4

CUEW史d2aH nnHuga^Q工 o'AEnlf殳 4

0

0

ООW 士口EH8N0W 0-ткЕI4& rnH'galroy-AEnlfuwdW 士口EH8N0W 0-ткЕI4& rnH'galroy-AEnlfuwd/О1102/О1102105 代"105 代"

О

О

W 士口EH8N0W 0-ткЕ

I4& rnH'galroy-AEnlfuwd

W 士口EH8N0W 0-ткЕ

I4& rnH'galroy-AEnlfuwd

/О1102

/О1102

105 代"

105 代"

Уисло циклов нагружения

Рис. 4. 7. Сдвиговая усталостная прочность при кручении однонаправленного углепластика на основе эпоксидной смолы [7]. Образец квадратного сечения 9x9 мм и длиной 150 мм; содержание углеродных волокон 60 об.%; частота нагружения 0,17 Гц.

Кривые соответствуют различному отношению (%) крутящего момента к его значению при статическом разрушении; в скобках приведены значения угловой амплитуды при циклическом кручении.

тящего момента резко снижается при образовании трещин в полимерной матрице (соответствующие точки показаны на рис. 4.7 стрелками).

Таким образом, усталостные характеристики углепластиков существенно зависят от схемы армирования и условий нагружения. Поэтому необходимо не только знать эксплуатационные условия нагружения, но и выбирать методы усталостных испытаний с учетом этих эксплуатационных условий.

\

Предельные механические характеристики

При анализе критического напряжения, когда происходит переход от пластического разрушения к хрупкому, в соответствии с законами линейной механики разрушения используется значение прочности конструкционного материала при хрупком разрушении.

Основы теории расчета

При расчетах конструкций летательных аппаратов применяют метод допустимых напряжений, который позволяет гарантировать работоспособность конструкций. В этом методе главным критерием является значение прочности при хрупком разрушении материала.

Основные понятия линейной механики разрушения обычно применяют к гомогенным изотропным материалам. Корректность применения этой теории к неизотропным гетерогенным материалам (например, ком-

позиционным), состоящим из двух или большего числа компонентов с различающимися физическими свойствами, вызывает сомнения. Для того чтобы разработать новые методы расчета конструкций из композиционных материалов, необходимо проанализировать их характеристики при хрупком разрушении. В многочисленных научных публикациях используют простую модель композиционных материалов, основанную на гипотезе плоских сечений в многослойных пластиках. Этот подход основывается на переходе от неизотропного гетерогенного материала к неизотропному гомогенному материалу и соответствует классической теории разрушения.

4.32 Характеристики хрупкого разрушения

В табл. 4.9 приведены характеристики хрупкого разрушения слоистых углепластиков различных типов. На рис. 4.8 показаны соответствующие образцы с центральным надрезом или с двумя краевыми надрезами. Характеристики хрупкого разрушения вычисляли с помощью

Таблица 4.9. Характеристики хрупкого разрушения слоистых углепластиков (величина К/, выражена в единицах МПа • м%) [llla

Характери-

Пре-

Величина К%

Величина

Среднее

стика

дел

для образцов

К/С для об-

значение

Структу-

проч-

с центральным

разцов с

К1С

ра распо

нос-

надрезом

Двусторон-

ложен ия

ти

ним надре-

армирующих \

при

зом

слоев

рас-

тяже-

Расчет Из мере- Расчет Изме-

Расчет Изме-

НИИ,

ние

рение

рение

МПа

(0/^60/0/±60)5

398

21,6

28,6

37^

32,6

29,8

30,7

(0/±45/90)写

480

26,7

25,3

40,0

35,6

34,7

31,3

(0/±36/±72%

428

21,7

27,5

29,3

33,2

25,4

30,4

(0/±30/+60/90)£

466

25,6

31,0

24,7

33 f 8

25,1

32,9

(°2/±45)§

501

49,6

28,5

51,0

38,9

50,2

33,5

(0〃±45)§

928

47.9

39,7

61,6

64,3

54,6

52,1

(0/叫

585

36,7

25,0

26,5

40,5

32,6

31,3

аВ материалах с различной структурой расположения слоев использован один и тот же тип препрега.

двумя краевыми надрезами,-

следующих формул (£q - коэффициент интенсивности напряжений) Кт=。"石(4・D

с

°- (Ж4/У2Ж?) -1(4.2)

для образцов с центральным надрезом

у= {1,77 + 0,227 (2С/Ж)-0,51(2С/Ж)2+ 2,7 (2С/Ж)3} 7^«3)

для образцов с двумя краевыми надрезами

'14)

У= {1 ? 98 + 0,36 (2С/Ж) - 2,12 (2С/Ж)2 4- 3,42 (2С/Ж)3) -^=一丿

Здесь % — предел прочности при разрушении образца с надрезом; ^ — энергия разрушения образца без надреза; W j — энергия разрушения образца с надрезом; У - поправочный коэффициент, зависящий от толщины образца; С — длина надреза; Со - приведенная длина надреза.

Прочность при ползучести

Углепластики содержат волокна с высоким модулем упругости и обладают близким к 1 отношением предела текучести к прочности при растяжении Д) Поэтому обычно нет необходимости осуществлять деформирование при ползучести, прилагая растягивающую нагрузку вдоль арми* рующих волокон. Например, при нагрузке, составляющей 80% прочнос-

D Вдоль волокон. - Прим. ред.

Таблица 4.70. Результаты испытаний на ползучесть при сжатии [ 1 з]1 ^

\ Харак-

Нагруз-

Отноше

Время

Скорость

\ терис-

ка. МПа

ние при

нагру-

дефор

\ тика

ложен

жения, ч

мирова

Угол\

ной на

ния при

между \

грузки к

ползу

налрав- \

прочнос

чести,

лением \

ти при

Ю-б/ч

действия \

СЖЭТИИе

нагрузки \

%

и волок- \

нами,\

град.\

Деформация при ползучести, W6

089570

102580

4a_6一

910/5345

173一一

109085

2440,23530

2190,31590

Ю19085

12а-2290

89一2220

1970,251180

20090

92--

〔а>_

47a一2500

а Образец разрушился за указанное время.

6 Прочерки соответствуют невозможности измерения данной характеристики.

“Речь идет об одной ал равленном углепластике. — Прим. род.

ти углепластика при растяжении, вероятность разрушения вследствие ползучести после 10s ч меньше 10% [12].

Однако если направление действия нагрузки не совпадает с направлением волокон, то начинают играть роль физико-механические свойства полимерной матрицы. Поэтому для слоистых пластиков с волокнами, ориентированными в различных направлениях, следует оценивать долговременную прочность материала. При сжатии часть нагрузки воспринимается полимерной матрицей и в однонаправленном слоистом пластике,

8HqHaErw0HE08HqHaErw0HE0111120，060% 勿0Время, ч20，060% 勿0Время, ч

8HqHaErw0HE0

8HqHaErw0HE0

11

11

20，060% 勿0

Время, ч

20，060% 勿0

Время, ч

Рис 49. Деформация вследствие ползучести при сжатии однонаправленного углепластика на основе эпоксидной смолы [13] . Препрег углепластика марки AS/3501-6 производства фирмы Hercules. Условия испытания: нагрузка 1025 МПа; направление действия нагрузки совпадает с направлением армирования; температура 20° С.

-a扌а工doa—芯 HGH'i/QE言工EO-a扌а工doa—芯 HGH'i/QE言工EO1717勿

-a扌а工doa—芯 HGH'i/QE言工EO

-a扌а工doa—芯 HGH'i/QE言工EO

17

17

19

18

16 0 10 20 30 ，0 50 6夕 Ювремя, ч

Ри^ 4」0. Деформация вследствие ползучести при сжатии однонаправленного углепластика на основе эпоксидной смолы [13]. Препрег углепластика марки AS/3501-6 производства фирмы Hercules. Условия испытания: нагрузка 190 МПа; температура 20 С; угол между волокнами и направлением действия нагрузки 90 .

поэтому в этом случае также возникает явление ползучести. В табл. 4.10 приведены некоторые характеристики долговременной прочности однонаправленных углепластиков при сжатии. Полученные данные иллюстрируют также диаграммы деформация 一 время, приведенные на рис. 4.9 и 4.10.

Стойкость к воздействию окружающей среды

Так как углепластики содержат полимерную матрицу, то необходимо учитывать изменение их физических свойств под влиянием температуры, влажности, УФ-излучения и других факторов окружающей среды. В частности, до сих пор почти не обращали внимания на влияние

влажности на свойства углепластиков. Однако независимо от состояния препрега и степени отверждения связующего эпоксидные углепластики способны поглощать влагу, что приводит к заметному ухудшению их прочностных свойств.

Эпоксидные смолы

На рис. 4.11 показано, что с увеличением влагопоглощения снижается температура стеклования эпоксидных смол. В связи с этим ухудшаются их теплостойкость и другие характеристики. Количество влаги в отвержденном пластике определяется главным образом относительной влажностью окружающей среды. На рис. 4.12 для двух типов эпоксидных смол приведены зависимости равновесного влагопоглощения от относительной влажности среды. Как видно из рисунка, содержание влаги определяется в основном относительной влажностью среды.

Слоистые пластики

На рис. 4.13 приведенаНа рис. 4.13 приведеназависимость коэффициента диффузии воды^

На рис. 4.13 приведена

На рис. 4.13 приведена

"OEH-oqHaEQ ^^EQ^CZ^"OEH-oqHaEQ ^^EQ^CZ^w 20 30 勿 50 60 70 8, 90 WO 〃/7 120 730w 20 30 勿 50 60 70 8, 90 WO 〃/7 120 730-X \-X \\ 0△\00'\X \ 0△ А\ 0\ 0△\00'\X \ 0△ А\ 0\△ △ в \\△ △ в \Содержание влаги, %Содержание влаги, %Рис. 4. 11. Зависимость температуры стеклования различных эпоксидных смол от содержания влаги.Рис. 4. 11. Зависимость температуры стеклования различных эпоксидных смол от содержания влаги.

"OEH-oqHaEQ ^^EQ^CZ^

"OEH-oqHaEQ ^^EQ^CZ^

w 20 30 勿 50 60 70 8, 90 WO 〃/7 120 730

w 20 30 勿 50 60 70 8, 90 WO 〃/7 120 730

-X \

-X \

\ 0

△\0

0'\

X \ 0

△ А\ 0

\ 0

△\0

0'\

X \ 0

△ А\ 0

\

△ △ в \

\

△ △ в \

Содержание влаги, %

Содержание влаги, %

Рис. 4. 11. Зависимость температуры стеклования различных эпоксидных смол от содержания влаги.

Рис. 4. 11. Зависимость температуры стеклования различных эпоксидных смол от содержания влаги.

D Скорость проникновения воды в углепластик прямо пропорциональна градиенту ее концентрации на границе углепластика; коэффициент пропорциональности называют коэффициентом диффузии.

--пнатонаоиоаоид SOHJSgoHgud--пнатонаоиоаоид SOHJSgoHgud

--пнатонаоиоаоид SOHJSgoHgud

--пнатонаоиоаоид SOHJSgoHgud

Azc. 4.12. Зависимость равновесного в лагопогп ощенил эпоксидных смол от относительной влажности среды [14].

7 — эпоксидная смола марки 5280 производства фирмы NARMC0, температура 25 - 80 С; 2 一 эпоксидная смола марки MY-750 производства 4шрмы Ciba- Geigy, температура 20 — 90 С.

切勿切例勿%紡力^.^ъ-з^&&^ ETS^&&8^切勿切例勿%紡力^.^ъ-з^&&^ ETS^&&8^о 10 20 30 ^0 50 60 70 80 勿 ЮОо 10 20 30 ^0 50 60 70 80 勿 ЮОТемпература^Температура^

切勿切例勿%紡力^.^ъ-з^&&^ ETS^&&8^

切勿切例勿%紡力^.^ъ-з^&&^ ETS^&&8^

о 10 20 30 ^0 50 60 70 80 勿 ЮО

о 10 20 30 ^0 50 60 70 80 勿 ЮО

Температура^

Температура^

Рис. 4/3. Зависимость коэффициента диффузии воды в эпоксидных углепластиках от температуры [14].

1 — эпоксидная смола марки 1031 производства фирмы Shell Chemical Со., углеродные волокна марки Т 300, относительная влажность 80%; 2 — эпоксидная смола марки 1031, углеродные волокна марки Т 300, относительная влажность 33%; 3 — эпоксидная смола марки DER 332 производства фирмы Dow Chemical Со., углеродные волокна марки Т 300, относительная влажность 33% и 80%; 4 — эпоксидная смола марки 5208 производства фирмы NARMCO, углеродные волокна марки Т 300, относительная влажность 33% и 80%.

от температуры для углепластиков на основе трех типов эпоксидных смол и высокопрочных углеродных волокон. Как видно из рисунка, вл аг опогл ощение углепластиков, которое меняется в зависимости от влажности среды для каждого типа эпоксидных смол, существенно различается для разных типов эпоксидных смол. Как показано на рис. 4.14, скорость десорбции воды выше, чем скорость адсорбции, и примерно за половину времени, необходимого для достижения при нагревании равновесного влагопоглощения, происходит практически полная десорбция воды. На рис. 4.15 приведены кривые адсорбции и десорбции для образцов различных размеров. Видно, что с уменьшением размеров образца или увеличением его суммарной внешней поверхности возрастает скорость адсорбции влаги. Таким образом, на влагопоглощение влияет внешняя поверхность испытуемого образца」)

Влияние влажности на механические характеристики слоистых пластиков выражается в изменении прочности на границе раздела волокно —полимерная матрица вследствие проникновения влаги. На рис. 4.16

Рис. 4.14. Адсорбция и десорбция воды в зависимости от времени выдержки во влажной среде эпоксидного углепластика (плоские образцы углепластика размером 151,2 х 151,2 мм; эпоксидная смола марки 5208 производства фирмы NARMCO) [15].1 - десорбция (высушивание при температуре 120 С) ; 2 - адсорбция (относительная влажность 95%, температура 60 С) ; 3 — партия углепластика №344 (009-9,-11) , 4 — партия углепластика № 397 (009-10, -12).Рис. 4.14. Адсорбция и десорбция воды в зависимости от времени выдержки во влажной среде эпоксидного углепластика (плоские образцы углепластика размером 151,2 х 151,2 мм; эпоксидная смола марки 5208 производства фирмы NARMCO) [15].1 - десорбция (высушивание при температуре 120 С) ; 2 - адсорбция (относительная влажность 95%, температура 60 С) ; 3 — партия углепластика №344 (009-9,-11) , 4 — партия углепластика № 397 (009-10, -12).

Рис. 4.14. Адсорбция и десорбция воды в зависимости от времени выдержки во влажной среде эпоксидного углепластика (плоские образцы углепластика размером 151,2 х 151,2 мм; эпоксидная смола марки 5208 производства фирмы NARMCO) [15].

1 - десорбция (высушивание при температуре 120 С) ; 2 - адсорбция (относительная влажность 95%, температура 60 С) ; 3 — партия углепластика №344 (009-9,-11) , 4 — партия углепластика № 397 (009-10, -12).

Рис. 4.14. Адсорбция и десорбция воды в зависимости от времени выдержки во влажной среде эпоксидного углепластика (плоские образцы углепластика размером 151,2 х 151,2 мм; эпоксидная смола марки 5208 производства фирмы NARMCO) [15].

1 - десорбция (высушивание при температуре 120 С) ; 2 - адсорбция (относительная влажность 95%, температура 60 С) ; 3 — партия углепластика №344 (009-9,-11) , 4 — партия углепластика № 397 (009-10, -12).

D Более строго, отношение площади поверхности к объему образца; автор ие обсуждает также анизотропию влагопоглощения, которая играет большую роль.- Прим. ред.

。乞mwg 3nHа善名s。乞mwg 3nHа善名s491625491625Время, сут

。乞mwg 3nHа善名s

。乞mwg 3nHа善名s

491625

491625

Рис. 4.15. Влияние размера испытуемого образца иа адсорбцию и десорбцию воды

2 — десорбция (высушивание при температуре 120 С) ; 2 - адсорбция (относительная влажность 95%, температура 60 С) ; 5 - образцы № 005-2 и 005-4 размером 2 5,2 х 151,2 мм из партии № 4; 4 - образцы №005-6 и 005-8 размером 75,6 х 151,2 мм из той же партии; 5 — образцы № 005-10 и 005-12 размером 151,2 х 151,2 мм.

Me 4.J6. Диаграммы напряжение-деформация для эпоксидного однонаправлеииого углепластика при.растяжеиии перпендикулярно ориеитации волокон марки AS/3501-5 (содержание волокон 63 об.%) при различных влажности и температуре [2].

/ — комнатная температура (к. т), относительная влажность (о. в.) 95%; 2 - к. т.^о. в. 0%； 3 — к. т., о^в. 75%； 4 - 120 ©С, о. в. 0%; 5 - 150 С, о. в. 0%; 6 - 120 ° С, О. в. 75%; 7- 120 ° С, о. в. 95%; 8 - 150 °C. о. в. 95%; 9 - 300 °C, о, в. ?5%1) Увеличение веса при о. в. 75% составляет 1,05%, а при о. в. 95% — 1,60%.

40302010403020102/68 加Деформация, %2/68 加Деформация, %"точка, отвечающая температуре 300 ° С и влажности 75%, вызывает сомнения, так как эпоксидная матрица при этой температуре уже должна быть деструктиро- ваиа. — Прим. ред.

40

30

20

10

40

30

20

10

2/68 加

Деформация, %

2/68 加

Деформация, %

НезащищенныеОбразцы с наклееннымОбразцы，нахлеемнь!м■*образны aV-"汝7P отверждения слоён" — до отВер^сде^ия слое^ ={1)алюминием фоаь叫2}алюминиеЗой {рольги(З)НезащищенныеОбразцы с наклееннымОбразцы，нахлеемнь!м■*образны aV-"汝7P отверждения слоён" — до отВер^сде^ия слое^ ={1)алюминием фоаь叫2}алюминиеЗой {рольги(З)Рис. 4.17. Относительная прочность при изгибе (отношение значений прочности при изгибе при повышенной и комнатной температурах) эпоксидных углепластиков с различным содержанием влаги [2].Условия выдержки во влажной среде： относительная влажность 98% и температура 60 С. Условия испытания на тепловое старение； после выдержки в течение 72 ч при температуре 60 и относительной влажности 98% нагревание при температуре 127 С в течение 2 ч. Прочность при изгибе измерялась при температуре 127 °C.Рис. 4.17. Относительная прочность при изгибе (отношение значений прочности при изгибе при повышенной и комнатной температурах) эпоксидных углепластиков с различным содержанием влаги [2].Условия выдержки во влажной среде： относительная влажность 98% и температура 60 С. Условия испытания на тепловое старение； после выдержки в течение 72 ч при температуре 60 и относительной влажности 98% нагревание при температуре 127 С в течение 2 ч. Прочность при изгибе измерялась при температуре 127 °C.术-agn2Qn ndu qEOHhoduBOHquaEnsoHEO术-agn2Qn ndu qEOHhoduBOHquaEnsoHEO

НезащищенныеОбразцы с наклееннымОбразцы，нахлеемнь!м

■*образны aV-"汝7P отверждения слоён" — до отВер^сде^ия слое^ =

{1)алюминием фоаь叫2}алюминиеЗой {рольги(З)

НезащищенныеОбразцы с наклееннымОбразцы，нахлеемнь!м

■*образны aV-"汝7P отверждения слоён" — до отВер^сде^ия слое^ =

{1)алюминием фоаь叫2}алюминиеЗой {рольги(З)

Рис. 4.17. Относительная прочность при изгибе (отношение значений прочности при изгибе при повышенной и комнатной температурах) эпоксидных углепластиков с различным содержанием влаги [2].

Условия выдержки во влажной среде： относительная влажность 98% и температура 60 С. Условия испытания на тепловое старение； после выдержки в течение 72 ч при температуре 60 и относительной влажности 98% нагревание при температуре 127 С в течение 2 ч. Прочность при изгибе измерялась при температуре 127 °C.

Рис. 4.17. Относительная прочность при изгибе (отношение значений прочности при изгибе при повышенной и комнатной температурах) эпоксидных углепластиков с различным содержанием влаги [2].

Условия выдержки во влажной среде： относительная влажность 98% и температура 60 С. Условия испытания на тепловое старение； после выдержки в течение 72 ч при температуре 60 и относительной влажности 98% нагревание при температуре 127 С в течение 2 ч. Прочность при изгибе измерялась при температуре 127 °C.

术-agn2Qn ndu qEOHhoduBOHquaEnsoHEO

术-agn2Qn ndu qEOHhoduBOHquaEnsoHEO

показаны диаграммы напряжение 一 деформация при растяжении однонаправленных слоистых пластиков перпендикулярно ориентации волокон. Из рисунка видно, что с увеличением влагопоглощения резко снижается прочность углепластиков, причем это снижение более заметно при повышенных температурах испытания. Характеристики хрупкого разрушения с ростом влажности возрастают1 ^ [16] . Усталостная прочность заметно снижается с ростом влажности и температуры [17].

Изделия из углепластиков часто подвергаются совместному влиянию влажности и повышенной температуры, например в условиях, возникающих при полетах сверхзвуковых самолетов, когда повышение температуры происходит вследствие аэродинамического нагрева. На рис. 4.17 и 4.18 приведены данные соответственно для относительной прочности при изгибе и при межслоевом сдвиге после цикла испытаний при повышенных температурах влагосодержащих углепластиков.

')К сожалению, автор не указывает, какие нменно характеристики возрастают.- прим. ред.

JJРис. 4.18. Относительная прочность при межслоевом сдвиге (отношение значений прочности при межслоевом сдвиге при повышенной и комнатной температурах) эпоксидных углепластиков с различным содержанием влаги [2].Условия проведения измерений указаны в подписи к рис. 4.17. Цифрами обозначены о&разцы, условия подготовки которых указаны в надписях на рис. 4.17.Рис. 4.18. Относительная прочность при межслоевом сдвиге (отношение значений прочности при межслоевом сдвиге при повышенной и комнатной температурах) эпоксидных углепластиков с различным содержанием влаги [2].Условия проведения измерений указаны в подписи к рис. 4.17. Цифрами обозначены о&разцы, условия подготовки которых указаны в надписях на рис. 4.17.Nogaouowaw паи qEOOHhodu BBHQUaEnsoHEQNogaouowaw паи qEOOHhodu BBHQUaEnsoHEQ

J

J

Рис. 4.18. Относительная прочность при межслоевом сдвиге (отношение значений прочности при межслоевом сдвиге при повышенной и комнатной температурах) эпоксидных углепластиков с различным содержанием влаги [2].

Условия проведения измерений указаны в подписи к рис. 4.17. Цифрами обозначены о&разцы, условия подготовки которых указаны в надписях на рис. 4.17.

Рис. 4.18. Относительная прочность при межслоевом сдвиге (отношение значений прочности при межслоевом сдвиге при повышенной и комнатной температурах) эпоксидных углепластиков с различным содержанием влаги [2].

Условия проведения измерений указаны в подписи к рис. 4.17. Цифрами обозначены о&разцы, условия подготовки которых указаны в надписях на рис. 4.17.

Nogaouowaw паи qEOOHhodu BBHQUaEnsoHEQ

Nogaouowaw паи qEOOHhodu BBHQUaEnsoHEQ

Если не наносить защитное покрытие на внешнюю поверхность испытуемого образца, то под действием влаги и теплового цикла прочность снижается более чем на 50%. Однако если нанести на углепластик 弋 процессе формования защитное покрытие в виде алюминиевой фольги и провести отверждение, то содержание влаги в углепластике снижается примерно на 1/3 и в результате этого, после испытания при повышенной температуре, величина прочности составляет более 80% значения исходной прочности.

В табл. 4.11 и 4.12 приведены величины прочности и модуля упругости при изгибе и прочности при межслоевом сдвиге слоистых углепластиков после длительного старения на открытом воздухе и при относительной влажности 50%. Как следует из приведенных в таблицах данных, после теплового старения при температуре 127 °C относительная прочность превышает 70%, а после старения при температуре 177 °C она снижается приблизительно до 50%. Высушивание материала после теплового старения приводит к восстановлению практически исходной прочности материала. Содержание влаги в окрашенном и неокрашенном материалах оказалось одинаковым. Это означает, что окраска материала совершенно не предохраняет его от адсорбции воды. Для защиты от влаги можно

И- 632

Таблица 4.11. Изменение прочности и модуля упругости слоистых углепластиков л ри старении (окрашенный материал-) [2]

Метод старенияМетод старенияТемпература испытания, °CТемпература испытания, °CУсловия старенияУсловия старенияСтарение при относительной влажности 50%Старение на открытом воздухе (Fire Island, New York)Вл а ж»Проч-МодульПроч-Влаж-Проч-МодульПроч-ность,ность приупруго-ность приность.ность приупруго-ность при%изгибе.сти примежслое-%.изгибе.сти примежслое-МПаизгибе.вом сдви・МПаизгибе.вом сдви-ГПаref МПаГПаге. МПаСтарение при относительной влажности 50%Старение на открытом воздухе (Fire Island, New York)Вл а ж»Проч-МодульПроч-Влаж-Проч-МодульПроч-ность,ность приупруго-ность приность.ность приупруго-ность при%изгибе.сти примежслое-%.изгибе.сти примежслое-МПаизгибе.вом сдви・МПаизгибе.вом сдви-ГПаref МПаГПаге. МПаaMLOMdam&BXaMLOMdam&BX

Метод старения

Метод старения

Температура испытания, °C

Температура испытания, °C

Условия старения

Условия старения

Старение при относительной влажности 50%

Старение на открытом воздухе (Fire Island, New York)

Вл а ж»

Проч-

Модуль

Проч-

Влаж-

Проч-

Модуль

Проч-

ность,

ность при

упруго-

ность при

ность.

ность при

упруго-

ность при

%

изгибе.

сти при

межслое-

%

.изгибе.

сти при

межслое-

МПа

изгибе.

вом сдви・

МПа

изгибе.

вом сдви-

ГПа

ref МПа

ГПа

ге. МПа

Старение при относительной влажности 50%

Старение на открытом воздухе (Fire Island, New York)

Вл а ж»

Проч-

Модуль

Проч-

Влаж-

Проч-

Модуль

Проч-

ность,

ность при

упруго-

ность при

ность.

ность при

упруго-

ность при

%

изгибе.

сти при

межслое-

%

.изгибе.

сти при

межслое-

МПа

изгибе.

вом сдви・

МПа

изгибе.

вом сдви-

ГПа

ref МПа

ГПа

ге. МПа

aMLOMdam&BX

aMLOMdam&BX

25

До старения

1025

56

67

1025

55

65

После старения в течение 48 ч при отно- ситель>ной влажности 50%

Старение в помещении в

1075

60

60

1075

60

60

течение 2—4 недель После старения в тече-

1045

56

68

1045

55

65

ние 3 мес

Относительная харак-

1085

51

70

1045

55

60

теристика.%

После старения в тече-

105

99

108

99

95

65

ние 12 мес0.89

Относительная харак-

1090

55

65

0,961060

55

60

теристика,%

100+-

99

98

[ОН

100

90/

*'| 、-

После старения в течение 24 мес0,66

1045

54

64

0,94

980

55

59

Относительная характеристика, %

100,

97

95

95

98

85

После высушивания

Чою

56

62

985

55

45

127

До старения

1075

55

54

1075

55

55

После старения в течение 48 ч при относительной влажности 50%

1045

56

47

1045

55

50

45

После старения в течение 12 мес

755

46

—

735

Относительэная характеристика, %

72

64

—

70

65

После старения в течение 24 мес

620

51

37

75

40

35

Относительная характеристика. % После высушивания

76

1050

92

52

76

52

75

990

75

50

75

50

177

До старения

655

55

37

655

55

35

После старения в течение 3 мес

720

51

45

725

50

35

Относительная характеристика, %

90

10О+-

10СИ-

90

100

95

После старения в течение 12 мес

535

43

25

505

45

25

Относительная характеристика, %

67

64

64

65

65

60

После старения в течение 24 мес

370

40

21

455

45

20

Относительная характеристика. %

46

76

54

55

65

60

177После высушивания

70

50

Зв

730

50

40

Относительная характеристика, %

96

97

97

90

100

108

Метод старенияМетод старенияСтарение при относительной влажности 50%Старение при относительной влажности 50%Старение на открытом воздухе (Fire Island, New York)Старение на открытом воздухе (Fire Island, New York)Температура ислыта- Условия ния. С старенияТемпература ислыта- Условия ния. С старенияEXM-LOMdaLXEdEXEXM-LOMdaLXEdEXВлаж>ПрочностьМодульПрочВлажПрочМодульПрочность.при изгибе.упругоностьность,ностьупругоность%МПасти припри%л ри изсти припри межизгибе.межслогибе,изгибе.слоевомГПаевомМПаГПасдвиге.сдвиге,МПаМПаВлаж>ПрочностьМодульПрочВлажПрочМодульПрочность.при изгибе.упругоностьность,ностьупругоность%МПасти припри%л ри изсти припри межизгибе.межслогибе,изгибе.слоевомГПаевомМПаГПасдвиге.сдвиге,МПаМПа

Метод старения

Метод старения

Старение при относительной влажности 50%

Старение при относительной влажности 50%

Старение на открытом воздухе (Fire Island, New York)

Старение на открытом воздухе (Fire Island, New York)

Температура ислыта- Условия ния. С старения

Температура ислыта- Условия ния. С старения

EXM-LOMdaLXEdEX

EXM-LOMdaLXEdEX

Влаж>

Прочность

Модуль

Проч

Влаж

Проч

Модуль

Проч

ность.

при изгибе.

упруго

ность

ность,

ность

упруго

ность

%

МПа

сти при

при

%

л ри из

сти при

при меж

изгибе.

межсло

гибе,

изгибе.

слоевом

ГПа

евом

МПа

ГПа

сдвиге.

сдвиге,

МПа

МПа

Влаж>

Прочность

Модуль

Проч

Влаж

Проч

Модуль

Проч

ность.

при изгибе.

упруго

ность

ность,

ность

упруго

ность

%

МПа

сти при

при

%

л ри из

сти при

при меж

изгибе.

межсло

гибе,

изгибе.

слоевом

ГПа

евом

МПа

ГПа

сдвиге.

сдвиге,

МПа

МПа

Таблица 4.72. Изменение прочности и модуля упругости слоистых углепластиков при старении (окрашенный материал) [2]

Метод старенияМетод старенияСтарение при относительнойвлажности 50%Старение при относительнойвлажности 50%Старение на открытом воздухеСтарение на открытом воздухеТемпература испытания tТемпература испытания tВлажПрочностьМодульПрочВлажПрочмодульПрочность,при изгибе.упругосностьность.ность приупругоность%МПати л рипри%изгибе.сти припри межизгибе.межМПаизгибе.слоевомГПаслоеГПасдвиге.вомМПаВлажПрочностьМодульПрочВлажПрочмодульПрочность,при изгибе.упругосностьность.ность приупругоность%МПати л рипри%изгибе.сти припри межизгибе.межМПаизгибе.слоевомГПаслоеГПасдвиге.вомМПасдвиге, МПасдвиге, МПа(Fire Island, New York)(Fire Island, New York)ф^хьохафь^фафхф^хьохафь^фафхУсловия старенияУсловия старения

Метод старения

Метод старения

Старение при относительнойвлажности 50%

Старение при относительнойвлажности 50%

Старение на открытом воздухе

Старение на открытом воздухе

Температура испытания t

Температура испытания t

Влаж

Прочность

Модуль

Проч

Влаж

Проч

модуль

Проч

ность,

при изгибе.

упругос

ность

ность.

ность при

упруго

ность

%

МПа

ти л ри

при

%

изгибе.

сти при

при меж

изгибе.

меж

МПа

изгибе.

слоевом

ГПа

слое

ГПа

сдвиге.

вом

МПа

Влаж

Прочность

Модуль

Проч

Влаж

Проч

модуль

Проч

ность,

при изгибе.

упругос

ность

ность.

ность при

упруго

ность

%

МПа

ти л ри

при

%

изгибе.

сти при

при меж

изгибе.

меж

МПа

изгибе.

слоевом

ГПа

слое

ГПа

сдвиге.

вом

МПа

сдвиге, МПа

сдвиге, МПа

(Fire Island, New York)

(Fire Island, New York)

ф^хьохафь^фафх

ф^хьохафь^фафх

Условия старения

Условия старения

25

До старения

1059

56

52

1059

56

52

После старения в течение 3 мес

1165

60

51

1008

56

58

Относительная характеристика, %

10СН-

105

99

95

96

10СН-

После старения в течение 24 мес

0.96

1018

58

59

1.21

1097

56

67

Относительная характеристика, %

96

1001-

10СН-

10СН-

10(^

［好

127

До старения

1080

67

—

1060

57

После старения в течение 12 мес

718

49

—

783

51

Относительная характеристика, %

66

65

—

72

89

—

После старения в течение 24 мес

759

52

36

764

53

37

Относительная характеристика, %

70

91

—

72

92

Поспе высушивания

1041

55

44

1058

54

46

177

До старения

906

47

32

906

47

32

Поспе старения в течение 3 мес

759

54

32

766

51

39

Относительная характеристика, %

63

10Ot-

10СН-

64

105

кхь-

После старения в тече- ние 12 мес

566

49

30

523

45

25

177 Относительная ха

рактеристика, %

62

［帆

95

57

96

79

После старения в те

426

43

20

347

42

19

чение 24 мес Относительная характеристика, %

47

91

62

38

66

59

После высушивания Относительная харак

619

53

34

746

54

36

теристика, %

90

j 105

100+

62

100+-

100+

Метод старенияМетод старенияТемпература испытания.Температура испытания.Условия старенияУсловия старенияСтарение при относительной влажности 50%Старение на открытом воздухе (Fire Island, New YorkВгвж-Прочность МодульПрочность Впаж- Прочность Модуль Прочностьность, при изги-упруго-при меж- ность, при изги- упруго- при меж-%бе, МПасти прислоевом %бе9 МПасти при слоевомизгибе,сдвиге,изгибе, сдвиге,ГПаМПаГПаМПаСтарение при относительной влажности 50%Старение на открытом воздухе (Fire Island, New YorkВгвж-Прочность МодульПрочность Впаж- Прочность Модуль Прочностьность, при изги-упруго-при меж- ность, при изги- упруго- при меж-%бе, МПасти прислоевом %бе9 МПасти при слоевомизгибе,сдвиге,изгибе, сдвиге,ГПаМПаГПаМПаaM-LOMdemBdEXaM-LOMdemBdEX

Метод старения

Метод старения

Температура испытания.

Температура испытания.

Условия старения

Условия старения

Старение при относительной влажности 50%

Старение на открытом воздухе (Fire Island, New York

Вгвж-Прочность Модуль

Прочность Впаж- Прочность Модуль Прочность

ность, при изги-упруго-

при меж- ность, при изги- упруго- при меж-

%бе, МПасти при

слоевом %бе9 МПасти при слоевом

изгибе,

сдвиге,изгибе, сдвиге,

ГПа

МПаГПаМПа

Старение при относительной влажности 50%

Старение на открытом воздухе (Fire Island, New York

Вгвж-Прочность Модуль

Прочность Впаж- Прочность Модуль Прочность

ность, при изги-упруго-

при меж- ность, при изги- упруго- при меж-

%бе, МПасти при

слоевом %бе9 МПасти при слоевом

изгибе,

сдвиге,изгибе, сдвиге,

ГПа

МПаГПаМПа

aM-LOMdemBdEX

aM-LOMdemBdEX

Pwc. 4」9. Прочность при изгибе слоистых углепластиков на основе обычной эпоксидной смолы и эпо ксидной смолы нового типа [2].7 ~ препрег марки AS/3501 производства фирмы Hercules без выдержки во влажной среде; 2 — препрег марки AS/HME на основе эпоксидной смолы, модифицированной виниловыми соединениями, без выдержки во влажной среде; 3 - препрег марки AS/HME после выдержки в течение 30 сут при температуре 49 С и относительной влажности 95%; 4 — препрег марки AS/3501 после выдержи;： в течение 30 сут при температуре 49 С и относительной влажности 95%.Pwc. 4」9. Прочность при изгибе слоистых углепластиков на основе обычной эпоксидной смолы и эпо ксидной смолы нового типа [2].7 ~ препрег марки AS/3501 производства фирмы Hercules без выдержки во влажной среде; 2 — препрег марки AS/HME на основе эпоксидной смолы, модифицированной виниловыми соединениями, без выдержки во влажной среде; 3 - препрег марки AS/HME после выдержки в течение 30 сут при температуре 49 С и относительной влажности 95%; 4 — препрег марки AS/3501 после выдержи;： в течение 30 сут при температуре 49 С и относительной влажности 95%.гаи」Er-odn 工 do гтн”--иан у'дз营 ndu ПЕЗО 工 hodu 忑Q"гаи」Er-odn 工 do гтн”--иан у'дз营 ndu ПЕЗО 工 hodu 忑Q"

Pwc. 4」9. Прочность при изгибе слоистых углепластиков на основе обычной эпоксидной смолы и эпо ксидной смолы нового типа [2].

7 ~ препрег марки AS/3501 производства фирмы Hercules без выдержки во влажной среде; 2 — препрег марки AS/HME на основе эпоксидной смолы, модифицированной виниловыми соединениями, без выдержки во влажной среде; 3 - препрег марки AS/HME после выдержки в течение 30 сут при температуре 49 С и относительной влажности 95%; 4 — препрег марки AS/3501 после выдержи;： в течение 30 сут при температуре 49 С и относительной влажности 95%.

Pwc. 4」9. Прочность при изгибе слоистых углепластиков на основе обычной эпоксидной смолы и эпо ксидной смолы нового типа [2].

7 ~ препрег марки AS/3501 производства фирмы Hercules без выдержки во влажной среде; 2 — препрег марки AS/HME на основе эпоксидной смолы, модифицированной виниловыми соединениями, без выдержки во влажной среде; 3 - препрег марки AS/HME после выдержки в течение 30 сут при температуре 49 С и относительной влажности 95%; 4 — препрег марки AS/3501 после выдержи;： в течение 30 сут при температуре 49 С и относительной влажности 95%.

гаи」Er-odn 工 do гтн”--иан у'дз营 ndu ПЕЗО 工 hodu 忑Q"

гаи」Er-odn 工 do гтн”--иан у'дз营 ndu ПЕЗО 工 hodu 忑Q"

рекомендовать покрывать углепластик алюминиевой фольгой с последую^ щим его отверждением [2].

Полимерное .связующее, которое можно использовать при температурах выше 177 °C, сейчас разрабатывается в США [18] . На рис. 4.19 приведены данные о прочности при изгибе при высокой температуре для обычного эпоксидного углепластика и углепластика на основе эпоксидной смолы, модифицированной виниловыми соединениями [2]. Такой углепластик сохраняет свои прочностные свойства и после выдержки во влажной среде.

Суммируя вышесказанное, можно отметить, что прочностные и упругие характеристики слоистых углепластиков заметно ухудшаются под воздействием окружающей среды. Поэтому при расчетах свойств изделий из углепластиков необходимо учитывать условия окружающей среды и соответствующим образом выбирать компоненты углепластика.

Характеристики углепластиков японского производства

Углепластики японского производства с использованием технологии получения углеродных волокон на основе полиакрилонитрила, разработанной доктором Синдо из Промышленной лаборатории Осакского тех-

нологического института, раньше всех начали создавать фирмы "Торз” и ,5Тохо рз©н". До недавнего времени углепластики применялись только для изготовления удилищ, клюшек для игры в гольф, теннисных ракеток и других спортивных изделий. Однако сейчас их применение значительно расширилось: с использованием углепластиков на заводах фирмы "Кавасакн" серийно выпускаются гражданские вертолеты типа ВК-117, на оборонных предприятиях разрабатываются новые учебные самолеты среднего класса; независимо от европейских и американских фирм в Японии разрабатываются новые изделия из углепластиков для авиации. В связи с этим фирмы "Асахи композитто,\ 5,Сумика Хакюридзу" и др. совместно с зарубежными предприятиями ведут подготовку к производству препрегов для углепластиков. В качестве примера, иллюстрирующего уровень физико-механических свойств углепластиков японского производства, в табл. 4.13 — 4.16 приведены статические прочностные характеристики углепластиков, выпускаемых фирмами ,Торэ,* и "Тохо

Таблица 4.13. Прочностные характеристики слоистого углепластика производства фирмы пТорэиа

Характеристика

Матод испытания

Едини- ца из-: мэрэния

Температура испытания, °C

-54

23

82

132

1. Направлэниэ припожения нагрузки 0°

Прочность при растяжении

Модуль упру-

BMS6 8-212

МПа

1370

1620

1570

1520

гости при растяжении Относительное

ГПа

137

147

147

142

удпинениэ

%

1,1

1.1

1.1

Прочность при сжатии Модуль упру-

BMS6 8-212

МПа

1520

1470

1275

1175

гости при сжатии

ГПа

132

132

127

127

Предельная деформация при сжатии

%

1?

1.1

1,0

1,0

Характеристика

Метод

Едини-

Температура испытания t °C

испы-

ца измерения

тания

一 54

23

82

132

Прочность при изгибе

CFO4R20

МПа

1860

1815

1665

1570

Модуль упругости при изгибе

Прочность при

BMS

ГПа

127

127

127

127

межспоевом

МПа

137

118

98

78

сдвиге

2. Направление приложения нагрузки 90°

&212

Прочность при

BMS 6

МПа

50

50

50

45

растяжении Модуль упругости при растяжении

8-212

ГПа

10

10

9

9

Прочность при изгибе

CFO4R20

МПа

118

110

98

88

Модуль упругости при изгибе

№CF(MR2

ГПа

10

10

10

10

а Состав — 35 об.% эпоксидной смопы высокотемпературного (180 ℃) отверждения марки 3601 и 65 об.% углеродных волокон марки нТорэка" Т300.

6 Технические данные фирмы мБоингп.

0 Технические данные фирмы иТорэ*.

Габпица 4.74. Прочностные характеристики тканевых слоистых углепластиков производства фирмы нТорэ,га

— .

Характеристика Метод Еди-Температура испытания, °C

испы- ница

Тания ИЗМе- = 5423711.42i

рения« „-

1° П I II I п Iп

Прочность при BMS0 МПа 540 540 540 540 540 540 5 205201

растяжении8-212л

Характеристика

Метод испытания

Единица — изме-—

Температура испытания, °C

54

II

23

71

132

рения

I6

I

II

I II

I

II

Модуль упругости при рас-

ГПа

65

65

65

65

65

65

64

64

тяжении Относительное удлинение

%

0,8

0,8

0»8

0,8

0,8

0,8

0,7

0,7

Прочность при

BMSB

МПа

640

640

685

685

640

640

590

590

сжатии

8-212

Модуль упругости при сжатии

ГПа

64

64

64

64

64

64

62

62

Предельная деформация при сжатии

%

1Q

1,a

1Q

1,0

1,0

1Q

1.0

1.0

Прочность при изгибе

CF04R2

гМПа

—

—

685

685

—

—

—

—

Модуль упру-

гости при изгибе

ГПа

—

55

56

—

—

—

—

Прочность

BMS в

МПа

69

69

69

69

69

69

59

59

при межспоевом

8-212

сдвиге

а Ткань гладкого плетения марки 7373, углеродные вопокна марки "Торэка** Т 300, эпоксидная смопа высокотемпературного (180 ℃) отверждения марки 3601, содержание волокон 60 об. %.

^Направления приложения нагрузки обозначены римскими цифрами: I — вдоль волокон, П-поперек волокон,

вТехнические данные "Боинг",

「Технические данные фирмы пТорэм.

Характеристика

Метод испытания

Единица измерения

Температура испытания , °C

-54

23

82

180

1. Направление приложения нагрузки о°

Прочность при

BMS6

МПа

1820

1870

1780

1885

растяжении

Модуль упру-

8-212

ГПа

142

141

141

139

гости при растяжении

Относительное

%

удлинение

Прочность при

ASTM

МПа

1570

1470

1370

сжатии

Модуль упругости при ежа-

D-3410

ГПа

132

130

130

тии

Прочность при

ASTM

МПа

1840

1785

1370

изгибе

Модуль упругости при из-

D-790

ГПа

130

128

—

125

гибе

Прочность при

BMS6

МПа

133

129

103

78

межспоевом сдвиге

2. Направление припожения нагрузки gtf5 Прочность при

&212

BMS6

МПа

59

59

растяжении Модуль упругости при рас-

8-212

ГПа

—

Ю

9

тяжении

3. Слоистый пластик со структурой армирования ±45° Прочность при

МПа

170

152

растяжении

Таблица 4.15. Прочностные характеристики слоистого углепластика производства фирмы иТохо бэсурон,，а

Продолжение таб". 4.7 5.

Единица измерения

Температура испытания, °C

Характеристика

Метод испытания

一 54

23

82

180

Модуль упругости при растяжении

ГПа

—

15

12

—

а Углеродные волоса марки "Бэсуфайто'* НТА , эпоксидная смола высокотемпературного (180°С)отверждения марки Q-1101, содержание волокон 64 об%

6 Технические данные фирмы нБоинги.

Габпица 4.16. Прочностные характеристики тканевого слоистого углепластика производства фирмы **Тохо бэсурониа

Характеристика Метод испытания

ЕдиницаТемпература испытания, °C

измере

НИЯ -542382150

Прочность при

BMS0

МПа

837

637 е

186

866

686

686

637

637

растяжении Модуль упругости при

8-212

ГПа

66

66

66

66

66

66

66

66

растяжении Относительное удлине

%

0,9

0,9

0,9

0,9

1,0

1.0

0,9

0,9

ние

Прочность

ASTM

МПа

735

735

686

686

686

686

—

—

при сжатии

Модуль упру

D-3410

ГПа

65

65

65

65

65

65

гости при сжатии

Предельная

%

1,0

1,0

1.0

1.0

1,0

1.0

деформация при сжатии Прочность

ASTM

МПа

784

784

765

745

—

——

—

—

при изгибе

D-790

1б П I II I II I II

-542382150-542382150

-542382150

-542382150

Характеристика Метод Единица испы- измере- тания ния

Температура испытания, °C

Модупь упругости при изгибеПрочность BMS0 при межспое- §・212 вом сдвигеМодупь упругости при изгибеПрочность BMS0 при межспое- §・212 вом сдвиге

Модупь упругости при изгибе

Прочность BMS0 при межспое- §・212 вом сдвиге

Модупь упругости при изгибе

Прочность BMS0 при межспое- §・212 вом сдвиге

ГПа59595958 --

МПа78787878 6969 -

а Ткань гладкого плетения марки W-3104, углеродные волокна марки "Бэсуфайто" S Т-1, эпоксидная смопа высокотемпературного (18(fC) от- верждения марки 16, содержание волокон 62 о6・％・

6 Направления приложения нагрузки обозначены римскими цифрами: I — вдоль волокон, П — поперек волокон.

в Технические данные фирмы "Боинг".

4.7. Прогноз улучшения характеристик углепластиков

В октябре 1981 г. под эгидой Министерства торговли и промышленности Японии разработана программа перспективных фундаментальных научных и технологических исследований, цель которых 一 осуществление технической реформы в течение последующих 8 лет совместными усилиями промышленных предприятий, научных и государственных учреждений. Один из разделов этой программы - работы в области композиционных материалов. Что касается армированных материалов, то здесь работы будут вестись в следующих направлениях: проектирование, материаловедение, технология получения материалов, и их переработки, оценка качества изделий [19] . В области технологии получения и формования материалов и изделий из них, а также оценки их качества значительные усилия будут направлены, в частности, на улучшение свойств углепластиков, и поэтому ожидается значительный прогресс в совершенствовании этих материалов.

Одна из важных задач — улучшение технологичности композиционных материалов и повышение их теплостойкости благодаря созданию и применению новых типов полимерных матриц. Научные исследования предполагается развивать в следующих направлениях: 1) повышение

теплостойкости эпоксидных смол; 2) повышение технологичности по- лиимидных смол; 3) разработка новых высокотеплостойких полимерных связующих.

Для совершенствования технологии формования и обеспечения надежной работоспособности изготавливаемых изделий необходамо также разработать новые высококачественные термореактивные смолы и оптимизировать условия и режимы их отверждения. С этой точки зрения для регулирования степени отверждения полимерных матриц целесообразно использовать эффект изменения их физических свойств в процессе отверждения.

Кроме исследований в рамках системы перспективных научных разработок Министерства торговли и промышленности Японии на различных промышленных предприятиях ведутся научные исследования по повышению физико-механических свойств углеродных волокон, и уже выпускаются в промышленном масштабе нити из углеродных волокон с прочностью при растяжении больше 4500 МПа и относительным удлинением больше 2%. Когда на основе этих исследований будет создана технология, отвечающая задачам производства композиционных материалов, то углепластики займут одно из первых мест среди конструкционных материалов.

Литература

Celanese Со.: Technical Data.

G. Lubin: HANDBOOK OF COMPOSITES, 1982, Van Nostrand Reinhold Co.

3)東邦"一m^(株)技術資料.

S. C. Kunz and P. W. R: Beaumont and ASTMSTP 569 (1975), p. 71〜91.

C. A. Berg and H. Salama: J. of Material, 7 (1972), p, 216〜230.

L. G. Beban: Composites, Oct. 1977. p. 227〜232.

D. C. Phillips and J. M. Scott: Composites. Oct. 1977, p. 233〜236,

J. E. Ashton, J. C. Halpin and P. H. Petit: Primer on Composite Analysis Technomic Publishing Co., Stanford Conn*, 1969.

P. H. Petit and M. E. Waddoups: J. Composite Materials, 3, No. 2, 1969.

J. C. Halpin and J. L. Kardos: Polymer Engng. and Science, 18, July/August 1978.

G. Caprino, j. C. Halpin and L. Nicolais： Composites, Apr. 1980, p. 106, Fig. 2.

T. T. Chiao, С .C. Chiao and R. J. Sherry： Proceedings of the 1977 International Conference on Fracture Mechanics and Technology, Hong Kong, March, 21-25 1977.

М. N. Irion: Composites, April 1981, p.117〜123, Table 2； Fig. 4, Fig. 6.

W. W. Wright: Composites, July 1981.

J. H. Powell and D. J. Zigrang: 8th National SAMPE Tenchnical Conference, Oct. 12-14* 1976, p. 241, Fig. 13.

D. H. Kaelble, P. J. Dynes, L. W. Crane and L. Maus: J. Adhes., 7, 25, 1975.

C. Y. Lundemo and S. Thor: J. Compos. Mater., 11, 276, 1977.

С. E. Browning: 23rd National SAMPE Symposium, 1978, p. 541.

19)(財)次世代金属•複合材料研究開発協会編：第1回次世代産業基盤技術i/^^^Cr厶 --金属•複合材料技術--予稿集，1983.

ГЛАВА 5

РАСЧЕТЫ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАСТМАСС, АРМИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ

Особенностью композиционных материалов является то, что их свойства можно задавать заранее (или проектировать). Если же к ним применять методы расчета обычных металлов, обладающих некоторыми детерминированными свойствами, то основные достоинства композиционных материалов не будут реализованы. При использовании углепластиков преаде всего принимаются во внимание наиболее важные с точки зрения свойств материала характеристики (например, ориентация волокон), а затем уже ведется расчет конструкционных свойств композиционного материала. Так как углепластики отличаются по структуре и механическим характеристикам от металлов, расчеты требуют особого внимания, с тем чтобы исключить возможность неправильного решения. В данной главе рассмотрен широкий круг вопросов — от основ расчета углепластиков и до примеров практического решения некоторых типичных задач.

Основные подходы

Анизотропия и конструкционная прочность

Напряженное состояние тела или элемента конструкции под действием нагрузки в большинстве случаев характеризуется несколькими компонентами напряжений, отличающихся по величине и направлению. Поэтому использование материала, не обладающего выраженной анизотропией механических свойств, не дает возможности эффективно реализовать прочностные свойства материала. Понятие эффективности можно выразить следующей формулой:

Эффективность реализации прочности материала = напряжение внутри тела или элемента конструкции/прочность материала (5.1)

Рассмотрим показанный на рис. 5.1 элемент тела ЛВС/), к которому приложены два отличающихся по величине и направлению растягивающих напряжения о^ и а2 • Если материал сильно нагружен в одном направлении и лишь незначительно в другом, то можно считать, что прочность материала в первом направлении реализуется достаточно эффективно. Иначе говоря, когда нагрузка приложена преимущественно в одном направлении, мы достигаем высокой эффективности реализации прочности материала, согласно формуле (5.1). Так как компоненты нап-

Рис. 5.1. Иллюстрация анизотропии механических свойств.

ряжений внутри тела могут изменяться различным образом, в изотропном материале, механические свойства которого одинаковы во всех направлениях, невозможно достичь эффективности реализации прочности материала, равной единице. Однако если использовать материал с заданной анизотропией механических свойств, отвечающей распределению напряжений, то можно приблизиться к максимальной эффективности реализации прочности материала. Для придания материалу такой анизотропии, при его армировании волокнами можно изменять содержание и направление ориентации волокон. Изменяя прочность армированных волокнами материалов в соответствии с условиями их эксплуатации, можно получать элементы конструкций и изделия, в которых реализация прочности материалов будет оптимальной.

Анизотропия и деформируемость

Если исследовать деформирование твердого тела на макроскопическом уровне, то почти всегда можно выделить три основных типа деформаций: упругую, пластическую и вязкоупругую. Эти типы деформаций можно выразить формулой, отражающей функциональную связь между напряжением и деформацией. В общем виде ее можно записать как

&=/©%Т)(5.2)

где е — тензор деформаций, о — тензор напряжений, t - время, Т — температура. Строго говоря, три независимые переменные уравнения (5.2) могут характеризовать все три типа деформаций. Каждая из этих переменных может описывать как линейную, так и нелинейную деформацию. Поскольку анизотропный характер деформирования возникает в результате сочетания линейных и нелинейных деформаций, ясно, что анизотропия деформируемости материала может быть весьма разнообразной (рис. 5.2).

Причиной анизотропного поведения материала является анизотро- пия его структуры, которая возникает вследствие: 1) начальной анизо-

Рис. 5.2. Анизотропия механического поведения твердого тела.

тропии материала (анизотропия в структуре материала имеется с самого начала деформирования); 2) анизотропии де формирования материала (до начала деформирования структура материала макроскопически изотропна, но при деформировании начинает проявляться анизотропия).

Отметим, что материал, армированный волокнами в определенном направлении, соответствует первому из двух случаев анизотропии.

Понятия анизотропии и изотропности

Представим себе, что из различных участков одного и того же материала вырезаны произвольно ориентированные образцы. Если такие образцы при испытании будут характеризоваться различными деформационно-прочностными свойствами, то материал обладает анизотропией механических свойств. И наоборот, если все образцы при испытании характеризуются одними и теми же свойствами, то такой материал называют изотропным. Другими словами, под изотропностью понимают неизменность механических свойств материала по отношению к параллельному переносу системы координат, ее вращению или зеркальному отображению. Если из блочного материала вырезать образцы только лишь в одном направлении и провести их испытания на растяжение и сжатие, то из различия полученных экспериментальных значений нельзя сделать вывод о том, обладает материал анизотропией механических свойств или он изотропен. Как следует из определения изотропности механических свойств, материал изотропен только при соблюдении указанных выше условий. Все материалы, которые не удовлетворяют условиям изотропности, анизотропны.

Анизотропия упругих свойств

На первом этапе расчета прочности тел или элементов конструкций необходимо проанализировать их деформационно-прочностное поведение. Для этого следует использовать структурное уравнение, описывающее деформационное поведение материала. Использование полного уравнения анизотропного материала затруднительно. Поэтому здесь мы

рассмотрим сравнительно простой случай анизотропии упругой деформации. Кроме того, мы не будем учитывать влияния на упругие свойства

температуры и времени.

Рассмотрим физическое тело в трехмерной системе декартовых координат и введем по девять компонент для тензоров напряжений и де-

формации. Если использовать обобщенный закон Гука, то тензор напряжений о炉 и тензор деформации 哥 связываются между собой через

(5.3)(5.3)тензор четвертого порядка %&,:

(5.3)

(5.3)

^ij — Cijkl^kl

Здесь тензор с^ содержит 81 компоненту. Если учесть равенство сопряженных сдвиговых напряжений и деформаций, то получим по шесть независимых компонент для тензоров напряжений и деформации. Тогда тензор 匕咏1 выражается с помощью 36 компонент. Если учесть существование потенциала упругих сил, то из 36 компонент тензора с* незави- симыми будут только 21 компонента. С их помощью зависимость напряжение -деформация для анизотропного упругого тела можно выразить в матричном виде:

Qi

С12

Cj3

С14

Q5

С16

^22

&2

&3

С24

С25

Q6

£22

033

С13

Q3

Сзз

&4

&5

Сб

£33

(5.4)

匸23

С14

с 24

Сз《

^44

С45

G6

/ 23

T31

К

С25

С35

С45

С55

С56

/31

.汇12 .

©6

С26

Мб

С《6

С56

Сбб-

./21.

В общем случае, т. е. для анизотропных материалов, описываемых уравнением (5.4), симметрия отсутствует. Однако, как показано на рис. 5.3, в однонаправленных армированных материалах и анизотропных материалах, армированных равным количеством волокон в двух взаимно перпендикулярных направлениях, существует симметрия. Например, при повороте квадрата на рис. 5.3, а на 180° вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка, а на рис. 5.3, б — вокруг той же оси на 90 и 180° имеем ту же анизотропию, что и в исходных прямоугольных координатах. При этом число независимых упругих постоянных в этих двух случаях будет равно соответственно 13 и 6. Для изотропного материала имеются только две независимые упругие постоянные. Упругие постоянные армированных волокнами материалов могут существенно изменяться при изменении не только содержания волокон, но и их ориентации. Это означает, что средством регулирования упругих (и прочностных) свойств может служить варьирование содержания и ориентации волокон.

Р〃с. 5.3. Армирование волокнами и анизотропия.〃 —одноосное армирование; б 一 двухосное равнопрочное армирование.Р〃с. 5.3. Армирование волокнами и анизотропия.〃 —одноосное армирование; б 一 двухосное равнопрочное армирование.

Р〃с. 5.3. Армирование волокнами и анизотропия.

〃 —одноосное армирование; б 一 двухосное равнопрочное армирование.

Р〃с. 5.3. Армирование волокнами и анизотропия.

〃 —одноосное армирование; б 一 двухосное равнопрочное армирование.

Деформационное поведение анизотропных материалов значительно отличается от деформационного поведения изотропных материалов. Для простоты рассмотрим плоское напряженное состояние с одноосной схемой армирования (рис. 5.3, а). Обозначив ось координат в направлении армирующих волокон через 1, а ось координат, перпендикулярную к направлению ориентации волокон, через 2, имеем следующую формулу зависимости напряжение — деформация при упругом деформировании:

С11

/2

о ■

£22

=

С12

Q2

0

°22

(5.5)

-Г12-

.0

0

点6 .

-汇12-

Здесь /1, Ci 2 и т. д. - компоненты податливости. Если обозначить через Е —модуль упругости, е — коэффициент Пуассона, G — модуль сдви

га, то можно написать

1>12 —^21瓦11C 66 广521>12 —^21瓦11C 66 广52(5.6)(5.6)

1

>12 —

^21

瓦

1

1

C 66 广

52

1

>12 —

^21

瓦

1

1

C 66 广

52

(5.6)

(5.6)

Теперь компоненты деформации, возникающей под действием одноос

ного напряжения растяжения Oi【,имеют вид

- Ell=Qlbn,e22 =e2。11 , 九2 =0(5.7)

Следовательно, если прикладывать растягивающую нагрузку вдоль армирующих волокон, то плоский материал наряду с деформированием в направлении приложения нагрузки будет сжиматься в перпендикулярном направлении. Материал будет деформироваться аналогично, если прикладывать нагрузку в направлении оси 2 (рис. 5.3, а). Сдвиговые напряжения будут вызывать только сдвиговые деформации. Тогда деформация плоского материала будет такой же, как изотропного материала.

Рассмотрим условия приложения нагрузки вдоль оси х под углом 6 к направлению армирующих волокон (рис. 53, а). Тогда, заменяя в

(5・8)и т. д.(5・8)и т. д.уравнении (5.5) прямоугольные координаты 1 и 2 на произвольные х и у, зависимость напряжение — деформация при упругом деформировании вдоль осейх иу можно записать как

(5・8)

и т. д.

(5・8)

и т. д.

Компоненты схх и т. д. можно выразить через компоненты q〔 уравнения (5.5) и угол вращения прямоугольных координат 3:

%н = С11 cos4 夕 + &2 sin4 夕+ (2c12+c66)sin2 cos2 夕

“ sin4 夕+ 02 cos'夕+ (2c12 + c66)sin2 夕 cos2 夕

%犷=(Сц4-с22 —c66) cos2 6 sin2 夕+ ci2(cos4 ^+sin4 6)

Qs=2(2ch+2c22 —4/2 —Аб"* 6 sin2 ^4-c66(cos4 sin4 6)(工9)

CtS~2(2c11~2c12-~c^)cos3 0 sm0-2(2c22-~2c12~c^')cos0sin3 0

cy«=2(2cii-2ci2-c63)cos <9 sin3 <9-2(2с22-2Г12-с66)cos3 <9 sin <9,

Компоненты деформации при растягивающей нагрузке охх вдоль оси х имеют вид

‘工工="工0工工,буy = e工时后,Txff - Cxs^zT(5.10)

Как видно из рис. 5.4, а, это означает, что под действием растягивающей нагрузки %х возникают сдвиговые деформации. Компоненты деформа-

бб

б

б

&с. 5.4. Испытание одноосно- армированного волокнистого материала под углом к главным осям.

〃 —испытание на растяжение; 6 — испытание на сдвиг.

of, град.of, град.кривые и экспериментальные значения модуля упругости Е*, и коэффициента Пуассона У % углепластика в зависимости откривые и экспериментальные значения модуля упругости Е*, и коэффициента Пуассона У % углепластика в зависимости отРис. 5.5 Расчетные

of, град.

of, град.

кривые и экспериментальные значения модуля упругости Е*, и коэффициента Пуассона У % углепластика в зависимости от

кривые и экспериментальные значения модуля упругости Е*, и коэффициента Пуассона У % углепластика в зависимости от

модуля сдвига G^ угла ориентации а

ции при сдвиговом напряжение %» имеют вид:

6工工=%$汇工y,Eyy = C%Jy ^ 7砌—GsQy (5.H) Как показано на рис. 5.4, 6, это означает, что под действием сдвигового напряжения тХу происходит не только сдвиговое деформирование, но и возникают деформации растяжения или сжатия. Для слоистого пластика с различной анизотропией имеет место аналогичное явление. Для его предотвращения необходимо производить ориентацию слоев пластика симметрично по отношению к центральному слою.

На рис. 5.5 показана зависимость упругих характеристик от угла а (половинного угла между направлениями ориентации слоев) для двухслойного симметричного (слои равной толщины) пластика на основе углеродных волокон и эпоксидной смолы (рис. 5.6) [1].

Приведенные на рис. 5.5 данные получены при испытании на растяжение и кручение трубчатых образцов, изготовленных методом намотки. Как следует из рисунка, упругие свойства материала существенно зависят от направления ориентации волокон. В общем случае упругие свойства многослойного пластика, который состоит из однонаправленных слоев, раположенных различным образом, можно рассчитать, используя теорию слоистых пластиков [2] и зная упругие свойства отдельных слоев пластика. Кривые на рис. 5.5 рассчитаны с использованием данных об упругих свойствах однонаправленного материала, армиро

ванного углеродными волокнами.

Рис. 5.6. Схема двухслойного симметричного слоистого пластика.

184 *Глава 5

Анизотропия прочностных свойств армированных пластиков

Однонаправленны w материал. Если известно распределение напряжений в элементах конструкций, то для расчета их прочности необходимо знать прочность исходного материала. Обычно материал в изделии находится в сложном напряженном состоянии. Поэтому для расчета прочности конструкции необходимо знать не только его прочность при таких простых случаях напряженного состояния, как растяжение или сжатие, но и прочность при сложном напряженном состоянии, которая является функцией компонент напряжений. Для изотропных материалов широко используются, например, критерии Мизеса, критерии Треска и т. д. Для анизотропных материалов, таких, как однонаправленные волокнистые пластики, используют, например, условия Хофмана [3]:

1 11 11 11 1Х2Х2厂 °2 = 1厂 °2 = 1(5.12)(5.12)

1 1

1 1

1 1

1 1

Х2

Х2

厂 °2 = 1

厂 °2 = 1

(5.12)

(5.12)

или условия тензорного многочлена [4]:

内2 丄寸,, / 11. \/ 11 \

Применяют также и другие прочностные критерии. В уравнениях (5.12) и (5.13) величины Oi и о2 — компоненты напряжений соответственно вдоль и поперек ориентации волокон; X】н 司'一соответственно прочность при растяжении и прочность при сжатии вдоль ориентации волокон, а Х2 и Х2 * — те же характеристики в направлении, перпендикулярном к армирующим волокнам; Х6 - сдвиговая прочность на границе волокно —матрица. Величину ^ 2 в уравнении (5.13) определяют экспериментально как результат суперпозиции напряжений Oi и。2 при изменении их величин.

На рис. 5.7 и 5.8 приведены экспериментальные значения прочности однонаправленных эпоксидных пластиков, армированных волокнами Кевлар и углеродными волокнами, в сравнении с кривыми, рассчитанными по уравнениям (5.12) и (5.13). Экспериментальные данные определяли при растяжении трубчатых образцов (полученных методом намотки) вдоль оси образцов, при внутреннем давлении и кручении. Объемное содержание волокон составляло приблизительно 60% [6]. Данные на рис. 5.7 соответствуют сложному напряженному состоянию, полученному путем комбинации напряжения о2, направленного вдоль оси волокон, и сдвигового напряжения т〔 2 • Сложное напряженное состояние (см. рис. 5.8) получается в результате суперпозиции напряжения 。1 вдоль оси образца (параллельно ориентации волокон) и напряжения о?, направленного под углом 90° к армирующим волокнам. Характеристики сложного напряженного состояния, возникающего при комбинации напряжений。2 и ri 2)согласуются с зависимостями (5.12) и (5.13). Для сложного напряженного состояния, обусловленного су-

Расчеты характеристик углекомпозитов

Рис. 5.7. Расчетные кривые и экспериментальные значения прочности материала для сложного напряженного состояния, полученного путем сочетания сдвигового напряжения и напряжения растяжения или сжатия.

Штриховая кривая рассчитана по уравнению (5.13) для эпоксидных пластиков на основе углеродных волокон (светлые кружки — экспериментальные значения); сплошная кривая и черные кружки — то же для эпоксидных пластиков на основе волокон Кевлар.

перпозицией напряжений Oi н 。2, кривые прочности, рассчитанные По уравнениям (5.12) и (5.13), различаются (рис. 5.8). Для пластика, армированного волокнами Кевлар, различие кривых, рассчитанных по этим двум уравнениям, незначительно и обе теоретические кривые согласуются с экспериментальными значениями. Однако для зтлеплас- тика кривая, рассчитанная по уравнению (5.12), недостаточно хорошо согласуется с экспериментальными значениями прочности и в этом случае более эффективен расчет с помощью уравнения (5.13). В табл. 5.1 приведены основные прочностные характеристики угле- и органопластиков, входящие в уравнения (5.12) и (5.13). Схема определения проч-

6*2,мПа

Рис. 58. Расчетные кривые и экспериментальные значения прочности материала при двухосном напряженном состоянии.

Штриховая кривая рассчитана по уравнению (5.13), сплошная — по уравнению (5.12) ; кружки — экспериментальные значения.

Таблица 5.7. Основные прочностные характеристики углепластиков и органопластиков на основе волокон Кевлар

Прочностная характеристика, МПа

Углепластик

Пластик на осноае аолокон Кевлар

1360

1258

809

205

28

19

弓

124

73

63

53

костных характеристик приведена на рис. 5.9. Значение R】2 в уравнении (5.13) определялось экспериментально при 力出 =-10(6 > 0, 。2 < 0) ； для углепластика F12 = 7,47* Ю-6 МПа-2, а для органопластика, армированного волокнами Кевлар, F12 = 2,14-10~б МПа-2.

Косоугольный слоистый пластик. Прочность косоугольно-армированного слоистого пластика так же, как и его упругие характеристики, существенно зависит от схемы ориентации волокон. Прочность однонаправленного слоистого пластика (т. е. при а = 0) можно легко рассчитать, зная прочностные характеристики отдельных слоев пластика. Прочность слоистого пластика, однонаправленные слои которого расположены под углом ± а к направлению приложения нагрузки, можно вычислить следующим образом. Прежде всего вычисляют компоненты напряжений в отдельных слоях пластика. Затем раскладывают их на составляющие в направлениях вдоль и перпендикулярно волокнам, сопоставляют со значениями прочности однонаправленного армированного пластика для соответствующего слоя и рассчитывают прочность слоистого пластика, напряженное состояние которого в целом задано условиями нагружения.

На рис. 5.10 сопоставлены экспериментальные и расчетные значения прочности при растяжении симметричного по толщине двухслойного пластика с различными углами взаимной ориентации слоев (рис. 5.6). Расчет проведен по уравнению (5.12). Материалы и методы их испытаний идентичны тем, которые использовались для получения данных, приве-

ii冒冒Рис. 59. Схема определения прочностных характеристик из уравнений (5.12) и (5.13).Рис. 59. Схема определения прочностных характеристик из уравнений (5.12) и (5.13).

i

i

冒

冒

Рис. 59. Схема определения прочностных характеристик из уравнений (5.12) и (5.13).

Рис. 59. Схема определения прочностных характеристик из уравнений (5.12) и (5.13).

加 您 加加 您 加Рис. 5.10. Зависимость прочности при растяжении от угла ориентации волокон.

加 您 加

加 您 加

Пунктирная кривая рассчитана по уравнению (5.13) для углепластика (светлые кружки — экспериментальные значения); сплошная кривая и черные кружки — то же для пластика, армированного волокнами Кевлар.

денных на рис. 5.7 и 5.8. Пунктирная и сплошная кривые на рис. 5.10 характеризуют прочность каждого однонаправленного слоя с учетом нелинейного характера деформирования. Штрихпунктирная кривая соответствует расчету прочности при растяжении углепластика в предположении линейности деформации. Для пластика, армированного волокнами Кевлар, различие между расчетной кривой и экспериментальными значениями весьма незначительно. При малом угле взаимной ориентации слоев расчетные значения значительно больше измеренных значений.. Прочность при растяжении существенно зависит от угла взаимной ориентации слоев и для углепластика, и для пластика, армированного волокнами Кевлар. Аналогичным методом можно рассчитать зависимость прочности от угла взаимной ориентации слоев дая пластика, находящегося в сложном напряженном состоянии [6].

Оптимальный угол взаимной ориентации волокон

Как указывалось в предыдущем разделе, прочность армированных пластиков зависит от направления ориентации волокон. Следовательно, при заданном напряженном состоянии существует схема ориентации

волокон, при которой достигается максимальная прочность материала. Если выразить в координатах напряжений зависимость прочности от ориентации волокон, то получим поверхность (или кривую), описывающую изменение прочности от угла взаимной ориентации волокон (рис. 5」1). Рассмотрим вектор ОР, связывающий начало координат и точку на поверхности или на кривой прочности. Направление этого . вектора зависит от соотношения всех компонент напряжений при сложном напряженном состоянии. Величина вектора определяется схемой ориентации волокон. Следовательно, при сложном напряженном состоянии слоистого пластика с некоторым углом взаимной ориентации волокон существует такая схема ориентации, при которой вектор ОР принимает максимальное значение в рассмотренных выше прямоугольных координатах. Максимальная величина вектора ОР характеризует оптимальный с точки зрения прочности угол взаимной ориентации волокон.； Для определения этого угла сначала вычисляют значения прочности при различных углах ориентации волокон и затем выбирают такой угол, при котором для данного отношения напряжений вектор ОР принимает максимальное значение. На рис. 5.12 и 5.13 приведены оптимальные углы взаимной ориентации волокон соответственно для двухосного растяжения и сложного напряженного состояния при комбинации сдвигового напряжения с напряжением растяжения или напряжением сжатия [6].号 Прямые линии на рисунке показывают направления, соответствующие * определенному соотношению напряжений; в скобках приведены значе- ния оптимального угла ориентации волокон, соответствующего этому J соотношению напряжений. Обобщающие кривые на рисунках получены ж путем объединения точек, соответствующих максимальной прочности > для каждого из направлений с фиксированным соотношением напря- Д жений.W

Рис. 5.12. Оптимальные направления орнентацнн волокон в углепластике, находящемся в двухосном напряженном состоянии (растяжение).

Рис. 5J3. Оптимальные направления ориентации волокон в углепластике, находящемся в сложном напряженном состоянии (сочетание сдвигового напряжения с напряжениями растяжения и сжатия).Рис. 5J3. Оптимальные направления ориентации волокон в углепластике, находящемся в сложном напряженном состоянии (сочетание сдвигового напряжения с напряжениями растяжения и сжатия).На рис. 5.14 приведены кривые удельной прочности слоистого пластика, имеющего оптимальный угол взаимной ориентации волокон, а также хромоникельмолибденовой стали и алюминиевого сплава, находящихся в двухосном напряженном состоянии. Кривые удельной прочности металлических материалов получены с использованием критерия Мизеса и значений, приведенных в табл. 5.2. Из рисунка видно, что углепластики могут обладать большей удельной прочностью, чем металлические материалы.

Рис. 5J3. Оптимальные направления ориентации волокон в углепластике, находящемся в сложном напряженном состоянии (сочетание сдвигового напряжения с напряжениями растяжения и сжатия).

Рис. 5J3. Оптимальные направления ориентации волокон в углепластике, находящемся в сложном напряженном состоянии (сочетание сдвигового напряжения с напряжениями растяжения и сжатия).

Рис. 5.14. Кривые удельной прочности различных материалов при двухосном напряженном состоянии.丿- углепластик; 2 - хромоникельмолибденовая сталь; 3 - алюминиевый сплав.

Таблица 5.2. Характеристики материалов для сравнения их удельной прочности

Характеристика

Хромоникепьмолибдено- вая сталь

Алюминиевый сплав

Предел текучести,

882

235

МПа

Плотность,г/см3

7,85

2,8

5.2. Примеры решения прикладных задач

5.2.1. Армированные волокнами маховики

Хорошо известно, что армированные пластики можно успешно использовать для изготовления вращающихся с большой угловой скоростью тел. Рассмотрим пример такого применения. На рис. 5.15 показан горизонтально расположенный стержень длиной I и площадью поперечного сечения А, который вращается относительно вертикальной оси, проходящей через его центр, с угловой скоростью з、Центробежную силу df, которая действует на элемент стержня толщиной dr, расположенный на расстоянии г от центра стержня, можно записать в виде df = 二 pAdr • r^/g, где p - плотность стержня, g - ускорение свободного падения. Максимальное напряжение, возникающее в сечении стержня,

Если обозначить допустимое напряжение через %, то допустимая угловая скорость будет равна з。= (8g %/т?)丨"• При одной и той же длине

Рис. 5.15. Вращающийся стержень.

стержня I с ростом величины оа/р будет увеличиваться допустимая угловая скорость 3g. Так как величина %/р соответствует удельной прочности, то по мере ее увеличения будет расги и допустимая угловая скорость. Следовательно, для изготовления изделий, вращающихся с большой скоростью, целесообразно использовать армированные пластики, обладающие высокой удельной прочностью.

Рассмотрим прежде всего случай вращения кольца, изготовленного из изотропного материала с равномерной толщиной. Обозначим внутренний радиус кольца %, внешний - г% (рис. 5.16). Если кольцо вращается вокруг оси, проходящей через его центр О, с угловой скоростью з, то в нем возникают тангенциальные напряжения。口 и радиальные напряжения ог Как показано на рис. 5.17, напряжение о^ возрастает по мере приближения к внутреннему краю кольца и снижается в направлении к внешнему краю. Напряжение и『достигает максимума в центральной точке между внешним и внутренним радиусами и равно нулю на внешнем и внутреннем краях кольца [7] . Напряжение % существенно больше, чем напряжение or С учетом такого распределения напряжений целесообразно применить метод армирования кольца путем укладки волокон с ориентацией в тангенциальном направлении. На практике такое кольцо изготавливают из стеклопластика методом намотки [8]. Однако разрушение изготовленных таким образом колец с однонаправленной структурой происходит при значительно меньшем числе оборо-

Рис 5」6. Вращающееся кольцо постоянной толщины.

Рис. 5.17. Распределение напряжений во вращающемся кольце постоянной толщины.

тов, чем то, которое получается из расчета с использованием в качестве критерия прочности тангенциальных напряжений. В этом случае более важную роль играют меньшие по величине радиальные напряжения, так как они действуют поперек волокон. В этом направлении прочность 」 сте к лоплас тик а значительно ниже, чем в тангенциальном (вдоль вол о- , кон) J)Поэтому армирование дисков волокнами только в тангенциаль- ном направлении не дает требуемого эффекта.|

Для компенсации этого недостатка стремятся повысить прочность вращающихся колец путем введения в них слоев армирующих волокон с различными механическими свойствами [9 — 11] . Основная цель при этом — уменьшить напряжения и снизить деформации в радиальном на- | правлении. Напряжения снижают благодаря использованию во внешней части кольца легких материалов, а для уменьшения деформаций повыша- & ют жесткость внешней части. Это может быть достигнуто, например, пу- * тем армирования внешней части волокнами, обладающими высоким | удельным модулем упругости. В качестве примера изменения типа армирующих волокон в радиальном направлении можно привести кольца, внутреннюю часть которых получают методом намотки стеклянных вол о- | кон, а внешнюю часть - углеродных [9] ; другой пример - формиро вание внутренней части кольца из стеклотекстолита, а внешней - из од- 喝 нонаправленного стекло- или углепластика [10, 11].

На рис. 5.18 показано кольцо постоянной толщины с внутренним радиусом「1, внешним радиусом「з и радиусом г2 окружности, являющейся границей между материалами двух типов. Внутренняя часть коль-

D Следует отметить, что различие величин прочности однонаправпенного стекло- пластика в продольном и поперечном напр ав л ениях с уществ енно выше, чем различие значений UQn о - Прим. ред.

Расчеты характеристик углекомпозитовРасчеты характеристик углекомпозитовРис. 5」8. Кольцо из материала со сложной схемой армирования. / - изотропная часть; 2 - часть, армированная в тангенциальном направлении.

Расчеты характеристик углекомпозитов

Расчеты характеристик углекомпозитов

193193ца (между радиусами г^ и г2) изготовлена из изотропной стеклоткани1^, а внешняя (между радиусами г2 н「з) получена методом намотки из

193

193

однонаправленного стекло- или углепластика. Результаты расчета ра

диальных напряжений при вращении таких колец из материалов со сложной схемой ориентации приведены на рис. 5.19 и 5.20 [11] . Семейства кривых отвечают различным значениям радиуса окружности, являющейся границей между различными по свойствам внутренней и внешней частями. Как следует из данных, приведенных на рис. 5.19, при намотке

Рис. 5.19. Радиальные напряжения % при вращении кольца, внешняя часть которого получена из стеклопластика методом намотки (частота вращения 10 000 об/мин).

Штриховая кривая — радиальные напряжения в части, армированной в тангенциальном направлении стеклянными волокнами； сплошные кривые — радиальные напряжения во внутренней изотропной части.

D Так как автор не приводит данных о структуре стеклоткани и о схеме располо^ жения ее слоев, термин ''изотропная стеклоткань” нельзя считать строгим.- Прим. ред.

Рис 5.20. Радиальные напряжения % при вращении кольца, внешняя часть которого получена из углепластика методом намотки (частота вращения 10 000 об/мин).

Штриховые кривые — радиальные напряжения в части, армированной в тангенциальном направлении углеродными волокнами； сплошные кривые — радиальные напряжения во внутренней изотропной части.

внешней части из стеклопластика радиальные напряжения во внутренней

дасти кольца снижаются мало; вклад такой внешней части в повышение прочности кольца незначителен. На рис. 5.20 видно, что при использова- нии для намотки внешней части углепластика радиальные напряжения в。внутренней части кольца снижаются весьма существенно. При этом радиальные напряжения на границе между внешней и внутренней частями могут изменить знак и стать напряжениями сжатия; внешняя часть в этом случае эффективно сдерживает деформирование внутренней час- ти — так называемый эффект бандажирования. Различие данных, приведенных на рис. 5.19 и 5.20, связано с различием упругих свойств матери- алов，из которых изготовлена внешняя часть кольца. Зависимости предельной частоты вращения двух рассмотренных типов колец в зависимое™ от радиуса г2 окружности, разделяющей внешнюю и внутреннюю части, приведены на рис. 5.21. Тонкие и жирные кривые относятся к кольцам, внешние части которых получены методом намотки соответственно из стекло- и углепластиков. Кривые 2 и 2 показывают зависимать от радиуса г2 предельной частоты вращения до разрушения. Штри- ховая кривая соответствует предельной частоте вращения до разрушения внешней части из стеклопластика, сплошная - предельной частоте вра-

10108 6 4 2 /до& -?§^rwml3dgEOEOh HDHqif-adu8 6 4 2 /до& -?§^rwml3dgEOEOh HDHqif-aduРис. 5.21. Предельная частота вращения, при которой происходит разрушение колец из материалов со сложной схемой армирования.

10

10

8 6 4 2 /до& -?§^rwml3dgEOEOh HDHqif-adu

8 6 4 2 /до& -?§^rwml3dgEOEOh HDHqif-adu

Кривые 7 и ? соответствуют внутренней изотропной части, кривая 2 — внешней части из стеклянных волокон, кривая 4 — внешней части из углеродных волокон. Кривая / относится к случаю внешней〃

части из стеклянных волокон, кривая 3 —30

из углеродных волокон.

130130щения до разрушения внутренней части из стеклотекстолита. Разрушение всего кольца при фиксированном радиусе г2 происходит при меньшей из двух предельных частот вращения. Если увеличивать радиус 力，то предельная частота вращения для внутренней части (кривая 2) будет уменьшаться, а предельная частота вращения для внешней части (кривая 2)— увеличиваться. В точке пересечения этих двух кривых разрушение обе их частей будет происходить одновременно, и при этом значении радиуса г2 достигается максимальная частота вращения кольца. Аналогичный ' вид имеют и кривые 3 н 4 Если сравнить максимальную частоту вращения колец, то она оказывается выше при использовании внешней части из углепластика, т. е. материала с высокими значениями удельных упру

130

130

гих характеристик.

Таким образом, тела вращения, изготовленные из пластиков с высокими значениями удельных упругих и прочностных характеристик, могут с успехом использоваться в конструкциях, работающих при высоких частотах вращения. Поэтому они применяются в качестве маховиков, аккумулирующих механическую энергию. Кинетическая энергия враще-

1)Полной аналогии нет: кривая 4 имеет экстремальный характер. - Прим. ред.

ния тела пропорциональна произведению квадрата его угловой скорости на момент инерции. Из-за низкой удельной прочности металлов и других материалов, обладающих большой удельной массой, невозможно изготовить из них маховики, выдерживающие высокую частоту вращения. Поэтому повышение аккумулируемой энергии достигается путем увеличения момента инерции вращающегося тела. Для этого требуется увеличивать размер маховиков и усложнять технологию аккумулирования энергии. При использовании маховиков из армированных пластиков увеличение запасенной энергии достигается благодаря повышению частоты вращения маховиков. На рис. 5.22 приведены сравнительные данные об удельной энергии вращающихся стержней и колец из армированных пластиков и стальных маховиков. Внешний радиус всех колец 130 мм, а внутренний радиус последовательно возрастает начиная с 30 мм. Стерж-

Рис. 5.22・ Сравнение удельной энергии вращающихся тел./ — гибридный армированный пластик на основе стеклянных и углеродных волокон; 2 — углепластик; 3 — стеклопластик; 4 — равнонапряженный стержень из углепластика; 5 — однородный по сечению стержень из углепластика; 6 — равРис. 5.22・ Сравнение удельной энергии вращающихся тел./ — гибридный армированный пластик на основе стеклянных и углеродных волокон; 2 — углепластик; 3 — стеклопластик; 4 — равнонапряженный стержень из углепластика; 5 — однородный по сечению стержень из углепластика; 6 — равJ*~~h・L-KnH3mDdg GnedaHm HDHqs-J*~~h・L-KnH3mDdg GnedaHm HDHqs-

Рис. 5.22・ Сравнение удельной энергии вращающихся тел.

/ — гибридный армированный пластик на основе стеклянных и углеродных волокон; 2 — углепластик; 3 — стеклопластик; 4 — равнонапряженный стержень из углепластика; 5 — однородный по сечению стержень из углепластика; 6 — рав

Рис. 5.22・ Сравнение удельной энергии вращающихся тел.

/ — гибридный армированный пластик на основе стеклянных и углеродных волокон; 2 — углепластик; 3 — стеклопластик; 4 — равнонапряженный стержень из углепластика; 5 — однородный по сечению стержень из углепластика; 6 — рав

J*~~h・L-KnH3mDdg GnedaHm HDHqs-

J*~~h・L-KnH3mDdg GnedaHm HDHqs-

ной апряженный стержень из стеклопластика; 7 — однородный по сечению стер- жень из стеклопластика; 8 — равнонапряженное стальное кольцо с закругленными краями; 9 - однородное по сечению стальное кольцо с закругленными краями; ‘° — свинцовая электрическая батарея.

ни изготовлены из однонаправленных угле- и стеклопластик ов, а кольца армированы соответствующими волокнами по окружности. На рисунке приведены также данные для колец из гибридного материала, внешняя и внутренняя части которых получены тангенциальной намоткой соответственно угле- и стеклопластиков. Удельная энергия таких колец зависит от радиуса окружности, являющейся границей между внешней и внутренней частями； на рисунке приведены лишь максимальные значения удельной энергии (для оптимального радиуса граничной окружности). Из рисунка видно, что удельная энергия вращения у колец из гибридных армированных палстиков больше, чем у колец, изготовленных из стеклопластиков или углепластиков.

. Шестерни из армированных пластиков

Шестерни из пластмасс обладают способностью к самосмазыванию, имеют высокие химическую стойкость и ударную вязкость, являются низкошумными и т. д. Но по сравнению со стальными шестернями они выдерживают меньшие силовые нагрузки. Вследствие этого пластмассовые шестерни используются главным образом в редукторах различных контрольно-измерительных приборов. Однако если армировать пластмассовые шестерни высокопрочными волокнами, то можно повысить их стойкость к силовым воздействиям. Одной из основных прочностных характеристик шестерен является прочность зубьев при статическом изгибе. Для того чтобы выяснить эффективность армирования волокнами зуба шестерни, к которому приложена изгибающая нагрузка, прежде всего необходимо рассчитать распределение напряжений в изотропном зубе шестерни под действием изгибающей нагрузки. На рис. 5.23 показана модель зуба шестерни (модуль т = 5, число зубьев z = 30, угол приложения нагрузки л = 20°), использованная для расчета распределения напряжений [12] . Как показано на рисунке, в точках F и 尸'пересекаются центральная линия трохоиды, описанной относительно центра закругления зуба, и основная огибающая зуба. Введем систему координат OXY с центром в точке пересечения линии FFf и осевой линии зуба шестерни. Нагрузка Р действует перпендикулярно к поверхности зуба у его края. При анализе напряжений в зубе шестерни предполагают плоское деформированное состояние и используют метод конечных элементов. На рис. 5.24 показано распределение главных напряжений внутри зуба шестерни, изготовленной из неармированной эпоксидной смолы. К краю этого зуба приложена нагрузка 9,8 Н/мм. Видно, что значительные напряжения возникают только вблизи поверхности зуба шестерни. Следовательно, если армировать волокнами поверхностный слой зуба, то можно ожидать повышения его прочности при изгибе.

Рис 5.23. Модель зуба шестерни для расчета распределения напряжений.

На рис. 5.25 и 5.26 показано распределение напряжений в зубьях шестерен, армированных вдоль профиля зубьев соответственно тканью на основе углеродных волокон и стеклотканью [13] . Наряду с тканями из волокон для армирования тела зуба использованы рубленые стеклянные волокна. Матрицей для армированных волокнами шестерен служила эпоксидная смола. Если приложить изгибающую нагрузку к краю зуба шестерни, то внутри него возникают напряжения вдоль армирующего слоя (вдоль волокон) о】,напряжения между армирующими слоями а2 (в перпендикулярном к ориентации волокон направлении) и межслоевое напряжение сдвига ri 2 • На рис. 5.25 и 5.26 показаны соответствую-

Рис. 5.25. Распределение изгибающих напряжений в зубе шестерни, армиров анном тканью на основе углеродных волокон, / - участок, армиров анный тканью на основе углеродных волокон; 2 — тело зуба, армиров анное рублеными стекловолокнами.

Рис. 5.26. Распределение изгибающих напряжений в зубе шестерни, армированном стеклотканью. / - участок, армировэнный стеклотканью; 2 - тело зуба, армированное рублеными стекловолокнами.

щие направления этих компонент напряжения: Xi и х2 - значения прочности при растяжении соответственно вдоль и поперек волокон, X/ и &' 一 прочность при сжатии в тех же направлениях, Хб - прочность при межслоевом сдвиге. Соответствующие компоненты напряжений влияют на прочность зубьев; существенную роль в разрушении зубьев шестерен играют компоненты напряжений, которые увеличиваются вдоль вертикальной оси на рис. 5.25 и 5.26. Из величин, приведенных на рис. 5.25 и 5.26, наибольшими становятся отношения а2/Х2 и ujX* соответственно. Поэтому разрушение зубьев шестерни, изготовленной из ткани на основе углеродных волокон, будет определяться прочностью в направлении, перпендикулярном армирующим слоям, а не прочностью вдоль армирующих волокон, которая не будет сильно сказываться на прочности зубьев. На процесс разрушения зубьев шестерни из стеклоткани будут главным образом влиять напряжения в направлении ориентации волокон. Поэтому в этом случае существенное значение имеет прочность материала вдоль армирующих волокон.

Результаты исследования зависимости прочности при изгибе зубьев шестерен, изготовленных с использованием стеклоткани и ткани на основе углеродных волокон, от толщины армирующего слоя приведены на рис. 5.27. Толщина армирующего слоя Хо представлена на рисунке как безразмерная переменная, поскольку отнесена к полуширине зуба шестерни У。. На рисунке соответствующие индексам стрелки показывают направление компонент напряжений в местах разрушения зубьев.

&с. 5.27. Зависимость прочности зуба при изгибе от толщины армирующего слоя. 1 -армирование стеклотканью; 2，-армирование тканью на основе углеродных волокон.

Например, индекс 5 соответствует разрушению в направлении, перпендикулярном ориентации армирующего слоя. Из рисунка следует, что при армировании тканью на основе углеродных волокон нет существенного повышения прочности, и разрушение происходит вследствие расслоения материала. Если же наружный слой армирован стеклотканью, то с увеличением его относительной толщины наблюдается максимум прочности при изгибе зуба шестерни, а разрушение происходит под действием напряжений, направленных вдоль армирующих волокон. Этим и обусловливается эффект упрочнения зуба.

Из приведенного примера следует, что при армировании материалов волокнами нельзя ограничиваться только рассмотрением их вклада в повышение прочности какого-либо слоя. Прочность материалов, армированных волокнами, оказывается высокой только при нагружении вдоль волокон или под небольшим углом к направлению их ориентации. В других же направлениях прочность армированного материала весьма низка (см., например, рис. 5.10). Если использовать такой материал для изготовления изделий, находящихся в сложном напряженном состоянии, то даже небольшие нагрузки могут привести к разрушению материала, когда они приложены вдоль направления, в котором прочность материала мала. В этом случае прочность армирующих волокон не используется в достаточной степени. При армировании волокнами материалов эффект упрочнения наблюдается только в том случае, когда направление главных напряжений совпадает с направлением ориентации волокон; при нагружении в других направлениях проявляется не эффект упрочнения, а скорее эффект "ослабления” материала волокнами」)

Литература

1)広川達也：炭素繊維強化材料②破壊則仁関扌盲研究，東京工業大学修士論文，p.76, 1978.

Л i. X. (i*,林 毅編：複合材料工学，1。章3節p. 743, 1971,日科技連"

0. Hoffman: The brittle strength of orthotropic materials., J. Composite Materials, 1 2, p. 200, 1967.

s. W. Tsai and E. M. Wu: A general theory of strength for anisotropic materials, J. Composite Materials, 5, 1, p. 58, 1971.

E.M Wu: Mechanics of Comopsite Materials, Vol., 2 Chp. 9, p. 353, 1974, Аса-

1)В таком контексте этот вывод представляется излишне категоричным даже для однонаправленных материалов. - Прим. ред.

202Глава 5

demic Press.

6）高橋 享，池上皓三：繊維強化7P 入千：у夕（D組合过応力下仁^廿;5変形挙動上强 度，日本機械学会論文集，49, 448, p. 1475, 1983,日本機械学会.

7） /г .h Л ff, S.干、■＞工：/ 口（鵜戸口英善，国尾 武訳）：材料力学，6章,42節，

中巻，P. 198, 1962,東京図書.'

8）白鳥英亮，池上皓三，服部敏雄：円周方向繊維強化形回転円板②回転强度，日本機 械学会論文集，43, 371, p. 2473, 1977,日本機機学会.

9）服部敏雄，池上皓三，白鳥英亮：方^入-炭素複合繊維強化形回転円板内回転强度， 日本機械学会論文集，44, 379, p. 845, 1978,日本機械学会.

1°） K. Ikegami, T. Yasunaga, E. Shiratori: Applicability of fiber reinforced discs to flywheel design, Energy Developments in Japan, 1, p. 193, 1978, Rumford Publishing Company.

11）白鳥英亮，池上皓三，石井達也：積層占疋力"士防仁上马繊維强化形回転円板②高速 化仁関扌;5研究，日本機械学会論文集，46, 407, p. 771, 1979,日本機機学会.

12）杉林俊雄，鈴木保之，池上皓三，白鳥英亮：力一术:/繊維强化:/^入千，夕平歯車 ②成形占静的强度，日本機械学会論文集，47, 416, p. 466, 1979,日本機械学会.

13）菊島憲次，池上皓三，白鳥英亮：繊維強化Г^入千少夕平歯車内曲，强度，日本機 械学会論文集，48, 431, p. 1014, 1982,日本機械学会.

ГЛАВА6

ПРИМЕНЕНИЕ УГЛЕПЛАСТИКОВ

Мы знаем, что применение металлов чрезвычайно многообразно - из стали можно сделать и штопор, и корпус военного корабля; из алюминия изготавливают и оберточную фольгу, и самолеты и т. д. Этого нельзя сказать об углепластиках, хотя область их применения простирается от изготовления бытовых предметов и до использования в космических аппаратах. Углепластики обладают комплексом весьма ценных свойств, и поэтому их применение постоянно расширяется. В данной главе сделана попытка обобщить различные направления использования этих перспективных материалов. Однако так как углепластики являются сравнительно новыми материалами, во многих областях их применение еще находится на стадии становления и развития. Поэтому мы ограничимся оценкой ситуации в первой половине 1980-х годов.

Применение углепластиков в аэрокосмической промышленности

Композиционные материалы на основе углеродных волокон наряду с применением их в авиационной технике эффективно используются в конструкциях космических летательных аппаратов. Это обусловлено тем, что они обладают сравнительно низкой плотностью. Их высокая стоимость [1] в этом случае не является сдерживающим фактором, так как масштабы применения углепластиков в рассматриваемой области техники не столь велики (табл. 6.1). Считается, что количество уг・ леродных волокон, используемое в этой области, составляет приблизительно 10% объема их производства. Однако точно оценить эту величину нельзя, так как данная область применения композиционных материалов на основе углеродных волокон почти всегда связана с самыми совершенными технологиями, имеющими оборонное значение и засекреченными.

Искусственные спутники

Прежде всего следует напомнить о первом запуске в 1974 г. военно- воздушными силами США геостационарного метеорологического спутника массой 680 кг, в котором было использовано покрытие из углеплао тика массой 0,5 кг [2].炉 1979 г. был запущен более совершенный геостационарный спутник связи Intelsat V массой 1400 кг. Уже более 58% деталей (> 45% массы спутника) были изготовлены из высококачественных композиционных материалов, главным образом углепластиков. Одни из основных деталей — отражающая антенна диаметром 2,9 м и кар-

Изделия

Индекс цена

Обычные торговые суда

3

Большемерные суда

6

Автомобили

20

Атомные реакторы

40

Реактивные самолеты

180

Космические ракеты

1000

Искусственные спутники

>100000

Таблица 6. 1. Изделия из конструкционных материалов

на основе углеродных волокон и индекс их цена

° Индекс цен представляет собой отношение коммерческой стоимости изделия (в долларах США) к общему весу изделия в килограммах, умноженному на поправочный коэффициент К, где К = 1 для штучных изделий, К = 1,5 для серийного производства, К = 2 лри массовом производстве, К > 2 при крупносерийном массовом производстве.

кас солнечной батареи длиной 17 м. Крупногабаритный каркас солнечной батареи был складным (рис. 6.1) и раскрывался уже на околоземной орбите. В Японии углепластики были использованы, например, при изготовлении параболической антенны геоставдонарного спутника связи CS-2a (рис. 6.2), запущенного в феврале 1983 г. Приведенные примеры свидетельствуют о том, что углепластики - важнейший тип конструкционных материалов для изготовления элементов конструкций искусственных спутников Земли.

В настоящее время проектируются искусственные спутники с корпусом из углепластиков. Например, Национальным управлением США по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) планируется запуск космического спутник a-тел е ск опа. Этот телескоп предполагается изготовить с широким использованием углепластиков. По сравнению с лучшими наземными телескопами четкость изображения космического телескопа будет в 102 раз выше, а разрешающая способность —в 10 раз [5] . В Японии в настоящее время на основе углеплас- тиков разрабатываются каркасы корпусов искусственных спутников Земли, скелетные конструкции солнечных батарей и т. д. [6].

Использование углепластиков в искусственных спутниках обусловлено не только их низкой плотностью, но и еще одной важной причиной.

Каркас, поддерживающий листыКаркас, поддерживающий листыОтражающие листы антенны 〃力〃 листы с дзотоэлементами солнечной батареиОтражающие листы антенны 〃力〃 листы с дзотоэлементами солнечной батареиСкелетная конструкцияСкелетная конструкцияРис. 6.1. Каркас, транспортируемый в космос в сложенном состоянии и используемый в раскрытом состоянии в качестве антенны или солнечной батареи искусств енного спутника [3].а — сложенное состояние; б — частично раскрытое состояние; в — полностью раскрытое состояние; е — детальный вид раскрытого каркаса.Рис. 6.1. Каркас, транспортируемый в космос в сложенном состоянии и используемый в раскрытом состоянии в качестве антенны или солнечной батареи искусств енного спутника [3].а — сложенное состояние; б — частично раскрытое состояние; в — полностью раскрытое состояние; е — детальный вид раскрытого каркаса.Устройство для растры - тия каркаса

Каркас, поддерживающий листы

Каркас, поддерживающий листы

Отражающие листы антенны 〃力〃 листы с дзотоэлементами солнечной батареи

Отражающие листы антенны 〃力〃 листы с дзотоэлементами солнечной батареи

Скелетная конструкция

Скелетная конструкция

Рис. 6.1. Каркас, транспортируемый в космос в сложенном состоянии и используемый в раскрытом состоянии в качестве антенны или солнечной батареи искусств енного спутника [3].

а — сложенное состояние; б — частично раскрытое состояние; в — полностью раскрытое состояние; е — детальный вид раскрытого каркаса.

Рис. 6.1. Каркас, транспортируемый в космос в сложенном состоянии и используемый в раскрытом состоянии в качестве антенны или солнечной батареи искусств енного спутника [3].

а — сложенное состояние; б — частично раскрытое состояние; в — полностью раскрытое состояние; е — детальный вид раскрытого каркаса.

Опорный стерженьОпорный стерженьДело в том, что любая конструкция в космосе, естественно, находится в вакууме. Поэтому сторона конструкции, обращенная к Солнцу, нагревается до температуры〉100 °C, а противоположная сторона охлаждается до температуры ниже —200 °C. В таких условиях нужно учитывать тепловую деформацию материалов. В направлении армирующих волокон 5тлепластики имеют отрицательное значение коэффициента теплового расширения [(-1... —2) • 10~7/К] , и при рациональном проектировании конструкции можно добится того, чтобы коэффициент теплового расширения ее материала был близок к нулю. Высокая разрешающая способность рассмотренного выше космического спутника-телескопа обусловлена главным образом именно этим. Коэффициент теплового расширения материала, из которого изготовлены элементы его конструкции, лежит в интервале ±0,18 • 10~6/К.

Опорный стержень

Опорный стержень

7 W 11 1213 Z^ 15

Рис. 6.2. Спутник связи CS-2a [4].

I — углеродный многослойный материал; 2 — защитный слой; 3 — пленка Каптон-Тэдора; 4 — волокна Кевлар; 5 — экран нижней антенны (полимерная пленка Майлар с напыленным слоем алюминия) ; 6 — изолятор-нагреватель емкости для реактивного топлива; 7 — изолятор-нагреватель двигателей вспомогательной ракетной системы； 8 — изолятор-нагреватель трубопровода вспомогательной ракетной системы; 9 — экран нижней части верхнего двигателя (полимерная пленка Кап тон с напыленным слоем алюминия) ; 10 — нижний тепловой экран (тефлон с напыленным слоем серебра); 11 — противосолнечная защита антенной решетки; 12 — изоляционное покрытие сопла верхнего двигателя; 13 — нагреватель верхнего двигателя; 14 — бериллий; 15 — тепловой экран верхнего двигателя; 16 — покрытие (металл группы алюминия), окрашенное в черный цвет; 17 ~ теплоотвод от приборной панели； 18 — нагреватель батарей; 19 — коническая деталь агрегата двигателя (полимер Майлар с напыленным слоем алюминия) ; 21 — нагреватель агрегата двигателя; 22 — верхний тепловой экран (тефлон с напыленным слоем серебра) ; 23 — изолятор верхней антенны (тефлон с напыленным слоем серебра — полимер Каптон с напыленным слоем алюминия).

При разработке на основе углепластиков конструкций космических аппаратов почти всегда приходится исходить из требований к их жесткости. Поэтому по мере увеличения модуля упругости используемых углеродных волокон становится возможным и дальнейшее снижение массы изделий. Например, >тлеродные волокна марки ^ЦелионСУ -70®v производства фирмы Celanese (США) имеют наибольший модуль упругости среди всех марок углеродных волокон на основе полиакрилонитрила 一 примерно 500 ГПа. Их стоимость очень высока и составляет 1450 дол./кг (около 330 000 иен/кг). Стоимость обычных высокопрочных углеродных волокон с модулем упругости 240 ГПа равна 45-67 дол./кг. И тем не менее волокна ^Целион СУ -70®" широко применяются на практике

Космический корабль ℃пейс шаттлм

В марте 1983 г. в Японии был осуществлен первый эксперимент в космосе. Поэтому понятен интерес японских специалистов к тому, что в космическом корабле "Спейс шаттл" уже используются углепластики, например для изготовления створок багажного отсека и стержня антенны дистанционного управления кораблем. Кроме того, при производстве фюзеляжа, крыльев и других деталей корабля ^Спейс шаттл5,, нагревающихся до высокой температуры во время возвращения на Землю, тоже используются армированные углеродными волокнами композиционные материалы.

Используя космический корабль мСпейс шаттлv, НАСА планирует примерно в 2000 г. закончить строительство космической солнечной электростанции. Предполагается, что в космосе будет сооружена платформа размером 10,4 х 5,2 х 0,5 км; мощность солнечной электростанции составит 9000 МВт. Солнечная энергия будет передаваться на Землю в виде микроволн и затем на специальных наземных подстанциях преобразовываться в электрическую энергию [8] . Такая крупногабаритная платформа проектируется с использованием описанных выше складных конструкций. Детали платформы будут сложенными транспортироваться в космос , где будет проводиться сборка. Рассматриваются следующие два варианта такой транспортировки. Согласно первому из них на Земле будут формовать сплющенные трубы (длина около 2,6 м, диаметр с одного края около 10 см, с другого 一 5 см), сматывать их в рулон, транспортировать на корабле "Спейс шаттл*5 и собирать в космосе [9] . По второму варианту предварительно формуют тонкую ленту из термопласта (например, полиэфирсульфона) и углеродных волокон, наматывают ее на бобину, транспортируют в космос, формуют в космосе с помощью показанной на рис. 6.3 автоматической формовочной машины, а затем осуществляют сборку. Особенности второго метода —использование в качестве полимерных матриц термопластичных смол с введенными в них специальными добавками и последующее соединение частей (с помощью растворителя или под действием давления и температуры) уже в космосе. Второй способ представляется более предпочтительным. Согласно [8] , для изготовления платформы размером 10,4 х 5,2 х 0,5 км предполагается использовать около 1000 т 5т- лепластиков.

Ракеты для вывода искусственных спутников на околоземную орбиту почти всегда используются также и в военных целях. Поэтому, за исключением приведенной выше информации о космическом корабле "Спейс шаттл», данные о космических ракетах в литературе публикуются крайне редко. Однако ясно, что так же, как для искусственных спут-

45 67

Рис. 6.3. Машина для непрерывного формования в космосе композиционных материалов на основе углеродных волокон и полиэфирсульфона производства фирмы 'Трумман" (США) [10].

7 — углеродные волокна; 2 — изготовление армирующей ленты; 3 — покрытие и пропитка полимером; 4 — отверждение; 5 — вальцевание； 6 — контрольное устройство; 7 — намотка бобины; 8 — лента на основе термопласта и углеродных волокон； 9 — готовое формованное изделие.

ников, снижение массы ракет является важнейшей задачей. Именно по этой причине для их изготовления широко используются углепластики. В настоящее время в Японии в стадии разработки находится крупногабаритная трехступенчатая ракета Н-1. В конструкции сопел маршевых ракетных двигателей, а также усовершенствованного орбитального ракетного двигателя АВМ используются углеродные композиционные материалы [11].

Применение углепластиков в самолетостроении

Общеизвестно, что благодаря высокой удельной прочности и удель- ной жесткости композиционные материалы, армированные углеродннми

Таблица 6.2. Механические свойства конструкционных материалов, используемых в самолетостроении

Материал

Плотность, г/см3

Удельная прочность, МПа/(「/с 加)

Удельный модуль упругости, ГПа/(г/см3'

Алюминиевый сплав (7075-Тб)

2,8

167

25

Титановый сплав (Ti 6A-4V)

4.5

206

25

Мартенситная сталь (25№)

8,0

137

26

Японская ель

0.5

137

26

Эпоксидный стеклопластик на

2,0

294

24

основе ткани

Эпоксидный углепластик3

1.6

14701)

83

а Однонаправленный пластик на основе углеродных волокон высокопрочного типа.

волокнами, широко применяются в качестве основных конструкционных материалов в самолетостроении. В табл. 6.2 сопоставлены механические свойства углепластиков и других материалов, используемых в авиационных конструкциях. Как видно из приведенных данных, высокие механические характеристики углеродных волокон позволяют получать высококачественные материалы — углепластики.

Эффективность применения углепластиков в самолетостроении

Схема типичного распределения массы снаряженного самолета приведена на рис. 6.4. Масса самолета без топлива и коммерческой нагрузки примерно в два раза меньше массы снаряженного самолета, в том числе около 30% приходится на различные конструкции планера. Снижение веса этих конструкций благодаря использованию современных материалов позволяет уменьшить габариты двигателя, размеры оперения и т. д. и приводит к снижению расхода горючего. Снижение массы конструкционных материалов всего на 1 кг приводит к снижению общей глассы самолета на 3—7 кг. Использование композиционных материалов в произ-

х)Приведенное значение представляется несколько завышенным, если исходить из значений прочности, указанных, например, в табл. 4.1. — Прим. ред.

водстве самолетов позволяет также снизить их общую стоимость и гибко варьировать условия проектирования.

Как указывалось выше, использование 5тлепластиков благодаря анизотропии их деформационно-прочностных свойств дает возможность создавать материалы с заданным распределением жесткости и прочности. В настоящее время ведется разработка самолетов нового поколения: вертикального взлета, типа "летающее крыло”，с длинными узкими крыльями и других типов. Создание таких самолетов с использованием известных металлических материалов весьма затруднительно, альтернативой может служить применение углепластиков. Преимущество применения пластмасс в авиастроении состоит также в возможности одностадийного формования крупных элементов конструкций. При этом уменьшается количество деталей и сокращаются затраты на сборку, что ведет к снижению стоимости самолетов.

Методы формования деталей самолетов

Различные методы формования углепластиков подробно описаны в гл. 3. Поэтому кратко рассмотрим в данном разделе обычно используемый для изготовления деталей самолетов метод автоклавного формования.

В настоящее время формованные из углепластиков конструкционные материалы для самолетов в основном можно подразделить на следующие группы: 1) двутаврового или Н-образного сечения с неравномерным профилем; 2) плоские. Наружные листы для сандвичевых сотовых и других трехслойных конструкций почти всегда имеют простую форму. Такие элементы конструкций обычно изготавливаются методом автоклавного формования. На рис. 6.5 показано получение сандвичевой конструкции с использованием препрегов и одновременным отверждением и склеиванием компонентов. При изготовлении коробчатых конструкций предварительно сформованные листы обшивки, лонжероны и

Рис. 6.5. Формование автоклавным методом сандвичевых конструкций.

выкладка наружного слоя препрега； 2 — выкладка слоя заполнителя;

3 — выкладка внутреннего слоя препрега; 4 — наложение вакуумного мешка;

5 — введение полуфабриката в автоклав; 6 — отверждение и извлечение изделия из формы.

ребра собирают внутри автоклава и затем склеивают. Используемые при этом клеи так же, как и препреги, строго регламентированы стандартами.

С другой стороны, для изготовления лонжеронов, ребер и других изделий сложной формы с из меняю щимся сечением используют так называемый метод термокомпрессионного формования, который основан на эффекте теплового расширения эластомеров, хорошо отделяющихся затем от поверхности изделия.

Военные самолеты

Для создания военных самолетов, в частности истребителей, требуются материалы с особенно хорошими характеристиками. Уже около 25 лет в Научно-исследовательском институте материаловедения Военно- воздушных сил США разрабатываются углепластики с улучшенными ме-

ханическими свойствами. Такие материалы позволяют значительно снижать массу самолетов-истребителей.

На рис. 6.6 приведены данные, характеризующие отношение реактивной тяги двигателей к массе самолета (Т/М) для ряда американских и советских самолетов одного поколения. Как видно из рисунка, характеристики Т/М у американских истребителей ниже, чем у советских, что обусловливает различие тактико-технических характеристик истребителей. В связи с этим в США особенно активизируется разработка углепластиков для самолетостроения, которые используются наряду с конструкционными материалами на основе борных волокон. Углепластики составляют около 2% массы самолетов F-14 и F-15 и используются вместе с боропластиками для производства верхних плоскостей несущих крыльев, створок люков шасси и аэродинамических тормозов. В самолете F46 из углепластиков изготавливают также горизонтальное хвостовое оперение, вертикальные стабилизаторы, и некоторые детали, которые ранее получали из боропластиков. Первоначально аэродинамический тормоз самолета F-15 изготовляли из металлических материалов. Использование углепластиков в качестве наружного материала Сандвичевой конструкции с заполнением алюминиевыми сотами позволяет снизить массу аэродинамического тормоза с 50,8 до 38,6 кг, т. е. приблизительно на 24%.

В самолете F-18 углепластики составляют уже 10,3% всей массы конструкционных материалов и используются для изготовления горизонтального хвостового оперения, рулей направления, вертикальных стабилизаторов, аэродинамических тормозов, закрылков, верхних плоскостей несущих крыльев и других важнейших деталей (рис. 6.7).

^ц纟纟多/4^ц纟纟多/4s;u—」£w呑工л生汽инхтоахх 6T」nwI匚。!ss;u—」£w呑工л生汽инхтоахх 6T」nwI匚。!sРис. 6.6. Сравнение отношения реактивной тяги двигателей к массе самолета для американских и советских самолетов [12].Рис. 6.6. Сравнение отношения реактивной тяги двигателей к массе самолета для американских и советских самолетов [12].

^ц纟纟多/4

^ц纟纟多/4

s;u—」£w呑工л生汽ин

хтоахх 6T」nw

I匚。

!

s

s;u—」£w呑工л生汽ин

хтоахх 6T」nw

I匚。

!

s

Рис. 6.6. Сравнение отношения реактивной тяги двигателей к массе самолета для американских и советских самолетов [12].

Рис. 6.6. Сравнение отношения реактивной тяги двигателей к массе самолета для американских и советских самолетов [12].

Материалы на основе углепластиков впервые начали применять в самолете F-14, а для самолета F-18 они уже завоевали себе место в качестве одного из наиболее эффективных конструкционных материалов. Для этого пришлось пересмотреть сложившееся ранее мнение, что алю、 миний, титан, высокопрочная сталь и другие металлические материалы являются основными конструкционными материалами для изготовления деталей самолетов. Благодаря уменьшению массы сейчас удается создать новые типы более совершенных истребителей. В самолетеУ AV- 8В около 17% массы приходится на обшивку несущих крыльев, закрылки и вспомогательные крылья, а в новой модификации "AV~8B Харриер” (рис. 6.8, а) из углепластиков изготовлена также панель фюзеляжа и общая масса деталей самолета из углепластиков составляет около 26%. Конструкция основного крыла самолета "AV・8B Харриер” показана на рис. 6.8, б. Лонжерон и ребро такого крыла имеют двутавровое сечение, а стенка лонжерона — синусоидальную форму; это типичный пример конструкции крыла, изготовленного из композиционных материалов. Такая же конструкция использована и в горизонтальном хвостовом оперении бомбардировщика В-1.

В европейских странах также применяют углепластики для облегчения деталей военных самолетов. Из углепластиков изготавливают воздушные тормоза самолета ,,Альфа-джетм (ФРГ) ? концевую часть крыла самолета "Мираж FT” (Франция), элероны, створки люков шасси и рули вертикального хвостового оперения самолета "Мираж 2000" (Франция) .В самолете "Мира* 2000” из комбинации углепластика с боро- пластиком изготовлены рули направления. В самолете "Ягуар” (Великобритания) примерно 15% массы конструкционных материалов составляют углепластики, а в самолете ASX-10 (Франция) — около 16%.

В Японии различные авиационные конструкции на основе углепластиков разрабатываются в основном под эгидой Управления обороны. Проводятся летные испытания самолетов Т-2 (рули направления и створки люков шасси из углепластика), PS-1 (направляющие предкрылки из углепластика) и С-1 (главные интерцепторы и другие детали из угле-

Передняя кромка厶。仑 ~

产Концевая часть

6

Рис. 6.8. Детали из углепластиков самолета AV-8B [14].

а — общий вид; 6 — основное крыло. J — однонаправленный эпоксидный углепластик; 2 — эпоксидный углепластик, армированный волокнами в различных направлениях; 3 — алюминиевый сплав; 4 — титановый сплав; 5 — щелевая дверца закрылка; 6 — неподвижная задняя кромка крыла.

пластиков). Планируется изготовлять из углепластиков горизонтальное и вертикальное хвостовое оперение, закрылки, элероны, аэродинамический тормоз, створки люков шасси и другие детали проектируемого учебного самолета среднего класса марки МТХ.

В табл. 6.3 приведены данные о применении углепластиков в конструкциях военных самолетов. Изменение соотношения массы различных

конструквдонных материалов в производстве ряда реактивных истребителей иллюстрирует рис. 6.9. В течение 20 лет, начиная с самолета F4C и вплоть до самолета F-18A, алюминиевые сплавы играли основную роль, но в будущем предполагается, что ведущие позиции будут занимать углепластики, гибридные армированные пластики на основе сочетания углеродных и стеклянных волокон или сочетания углеродных волокон и волокон Кевлар и другие композиционные материалы.

Табпица 6.3. Применение углепластиков в производстве военных самолетов [15]

Масса используемых углепластиков или их доля от общей массы материаловМасса используемых углепластиков или их доля от общей массы материаловТип самолета Облвсть или перспективы применения углепластиков

Масса используемых углепластиков или их доля от общей массы материалов

Масса используемых углепластиков или их доля от общей массы материалов

F-14

Двухслойные констру кционные матери алы

2%

F-15

Аэродинамический тормоз в средней части фюзеляжа3

2%

F-16

Горизонтальное хвостовое оперение, вертикальные стабилизаторы, аэродинамический тормоз

52,6 кг

F-18

Детали фюзеляжа и основных крыльев (горизонтальное хвостовое оперение» рули на- правпения}обшивка основных крыльев, закрылки)

589,7 кг 10%

YAV-8B

Несущие крылья®

589,7 кг 17%

СН-46

Лопасти несущего винта

13,6 кг

S-3

Интерцепторы

2*7 кг

А-7

Концевая часть крыла

22,7 кг

YF-17

Хвостовое оперение, предкрылки, закрылки

453 ,6 кг

F-111

Обшивка элементов конструкции

9,1 кг

СН-47

Лопасти несущего винта

68,0 кг

HIMAT

Крылья, фюзеляж0

30%

"Я гуар"

Несущие крылья, рули направления1-

10 — 15%

(Великобритания)

Продолжение табл. 6・3・

Т ип самолета

Область перспективы применения углепластиков

Масса используемых углепластиков или их доля от общей массы материалов

ASX1O

(Франция)

"Мираж 2000й (Франция)

п Мираж 4000" (Франция) TKF-90 V/stol

Несущие крылья, вертикальное хвостовое 16% олерение,фюзеляжг

Основное и хвостовое оперение

а Горизонтальное хвостовое оперение, внешнее покрытие кессона и радара изготовлено из боропластика,

° Самолет находится в стадии летных испытаний.

в Разрабатывается совместно ВВС США и НАСА.

「 Проектируется.

Предполагается, что материалы из углепластиков в истребителе нового поколения ADCA (Advanced Designcomposite Aircraft) будут составлять около 69% массы конструкционных материалов, а в беспилотном зкспериментальном самолете НГМАТ(Highly Maneu^ble Aircraft Technology) —около 25% (табл. 6.4).

「, сПерспективные

F-4c F-111A F74A F75A F-16A F-18А гпипы истреби

телей

Рис. 6.9. Изменение соотношения массы различных конструкционных материалов в производстве истребителей [16].

术 ^OS^EQT x-qHHOn UKAdEGHOK s^aT 2504 EHU

Таблица 6.4. Доля (%) различных типов конструкционных материалов в истребителях с высокими тактико-техничвскими данными

Тип самолета Углепла- Алюми-

Титановые сплавы

Сталь

Другие матери алы

стики

ниевые сплавы

F-18

10,3

55 4

8,4

14,1

11,8

AV-8B

26,2

47,8

(26.0)

ADCA

68,5

5,6

8,7

8,0

9,2

HIMAT

25

25

19

9

22

6.2.4. Гражданские самолеты

Применение углепластиков в гражданском авиастроении отличается от их использования в военных самолетах. Исходя из требований безопасности новые материалы для гражданских самолетов до их использования в серийном производстве самолетов обычно проходят различные испытания в течение 50 000 ч. В США такие испытания проводятся различными авиастроительными фирмами совместно с НАСА. Первыми в 1973 г. были испытаны следующие детали из углепластиков: интерцепторы для самолета "Воинг B-737^^ и рули направления самолета DC-10. Интерцепторы самолета 'Ъоинг B-737^^ представляют собой сандвичевую конструкцию с внешним слоем из углепластика и а;поминиевым заполнителем. Благодаря использованию 5тлепластиков достигнуто снижение массы интерцепторов с 6,4 до 5,45 кг, т. е. приблизительно на 15%. В рулях направления самолета DC-10 использована коробчатая конструкция, состоящая из лонжеронов и ребер с внешним слоем из углепластика. При этом достигнуто снижение массы рулей направления примерно на 35% (рис. 6.10).

В 1976 г. НАСА в рамках проекта АСЕЕ (Aircraft Energy Efficiency Program) выдвинуло задачу снижения расхода топлива на 50%. Согласно этому проекту в экспериментальных самолетах композиционные материалы были опробованы как в качестве вспомогательных конструкционных материалов для изготовления рулей набора высоты, рулей направления, вспомогательных крыльев и т. д., так и в качестве основных конструкционных материалов для горизонтального и вертикального хвостового оперения и других деталей самолетов (табл. 6.5). Уже более пяти лет перечисленные детали работают в самолетах, находящихся в эксплуатации. На рис. 6.11 показана конструкция рулей набора высоты

Верхний и нижний

а

Наружный слойНаружный слойребраребра66

Наружный слой

Наружный слой

ребра

ребра

6

6

Рис. 6.10. Первые детали из углепластиков гражданских самолетов, а - интерцепторы самолета В-737; б - рули направления самолета DC-10.

Таблица 65 Эффективность снижения массы деталей самолетов из конструкционных материалов, разработанных по проекту АСЕЕ

Конструкционные Тип самолета материалы

ДетальСнижение

массы,%

Вспомогательные DC-10

L-1011

В-727

В-737

ОсновныеDC-10

Рули направления37

Элероны31

Рули набора высоты 26

Интерцепторы17

Вертикальное хвое- 30 товое оперение

L-1011

В-737

То же25

Горизонтальное хвостовое оперение 29

Рис. 6.11. Рули набора высоты самолета В-727 (проект АСЕЕ) [18]. 1 - ныне действующий вариант; 2 - рули из композиционных материалов.

самолета В-727, а на рис. 6.12 - горизонтального хвостового оперения самолета В-737. Для рулей набора высоты самолета В-727 замена использовавшегося ранее алюминия углепластиками привела к сокращению общего числа деталей примерно в два раза, в том числе на 60% снижено количество ребер и крепежных деталей. Общий вес рулей набора высоты уменьшился на 26%.

Композиционные материалы на основе углепластиков уже проходят испытания в конструкциях гражданских самолетов, и различные авиастроительные фирмы переходят от стадии активного проектирования к применению на практике таких материалов. Например, в самолете "Во- инг 767” (рис. 6.13) использовано около 2 т 5тлепластиков, гибридных материалов на основе углеродных и стеклянных волокон или ^неродных волокон и волокон Кевлар и других гибридных композиционных материалов. Их использование позволило снизить массу самолета приблизительно на 900 кг.

Рис. 6.12. Горизонтальное хвостовое оперение самолета В-737 (проект АСЕЕ) [18].

— верхнее наружное покрытие ;2 — передний лонжерон; 3 — задний лонжерон; 4 — крайнее ребро; 5 - ребро; 6 - нижняя наружная обшивка； 7 — обшивка с элементами двутаврового сечения.

Рис. 6.13. Детали из композиционных материалов самолета ''Боинг 767” [18].

7 — у глепластики; 2 — гибридные композиты на основе углеродных волокон и волокон Кевлар; 3 - армированные пластики; 4 - органопластики на основе волокон Кевлар.

В январе 1981 г. первый успешный полет совершил самолет "Ля фан 2100" производства фирмы мЛя авиа" (рис. 6.14). Все детали фюзеляжа самолета, за исключением обтекателя радиолокационной антенны и воздушного винта, были изготовлены из углепластиков (общая масса около 570 кг). Такое распределение различных материалов в конструкции отвечает идеям создания самолетов следующего поколения.

Рис. 6.14 Детали из композиционных материалов самолета "Ля фан 2100" [19].

J — углепластики; 2 — слоистые углепластики; 3 — органопластики на основе волокон Кевлар; 4 — металлические материалы.

Из углепластиков изготавливают также лопасти несущего винта и другие элементы конструкций вертолетов. Их используют в вертолете марки ВК-117 совместного производства фирм "Кавасаки 口зюкоге" (Япония) и МВБ (ФРГ), в вертолетах SA 365 и "Пума 360" производства фирмы "Синиас” (Франция) и т. д.

На рис. 6.15 представлен прогноз использования конструкционных материалов в гражданском самолетостроении. Область применения углепластиков и других перспективных композиционных материалов в этом случае несколько уже, чем для военных самолетов. Однако наблюдается устойчивая тенденция к замене уже существующих металлических материалов на углепластики.

Применение углепластиков в военной промышленности

В этой отрасли разработка и применение композиционных материалов на основе углеродных волокон в основном направлена на создание военных самолетов. Сведений о применении углепластиков в производстве др5той военной техники очень мало вследствие засекречивания проводимых работ. В табл. 6.6 приведены некоторые примеры возможного использования углепластиков в военных целях.

Использование углепластиков для изготовления спортивных изделий

Применение композиционных материалов на основе 5тлеродных волокон для изготовления спортивных изделий обусловлено снижением их массы благодаря превосходным механическим свойствам угпепласти- ков. Объем высококачественных спортивных изделий из >тлепластиков, выпускаемых в Японии, превышает объем производства изделий из углепластиков, применяемых в аэрокосмической технике и в других отраслях промышленности. Для производства спортивных изделий используется около 70% всех углепластиков. В табл. 6.7 сопоставляется уровень потребности в углепластиках и прогноз ее удовлетворения в Японии и США. В табл. 6.8 перечислены выпускаемые в настоящее время спортивные изделия из углепластиков. В промышленном масштабе из углепластиков изготавливаются удилища, клюшки для игры в гольф и каркасы теннисных ракеток. На рис. 6,16 показана схема процесса формования цилиндрических 】)заготовок для удилищ, клюшек для игры в гольф и других трубчатых изделий.

Отметим, что вес удочек для ловли форели из углепластиков на основе высокопрочных 5тлеродных волокон составляет 400—500 г, а из уг-

D Или конических с малым углом конусности. - Прим. ред.

Год первого полетаГод первого полетаJ 勿-ШППП гШтт пт力"门J 勿-ШППП гШтт пт力"门室24 ^"皿皿]26■27審28 0 2夕室24 ^"皿皿]26■27審28 0 2夕

Год первого полета

Год первого полета

J 勿-ШППП гШтт пт力"门

J 勿-ШППП гШтт пт力"门

室24 ^"皿皿]26■27審28 0 2夕

室24 ^"皿皿]26■27審28 0 2夕

Рис. 6.15. Прогноз использования композиционных материалов в гражданских транспортных самолетах [21].

каркас； 2 — фюзеляж; 3 — хвостовое оперение； 4 — обшивка рулей; 5 — интерцепторы и т. д. ; 6 — верхняя наружная обшивка; 7 — нижняя наружная обшивка; 8 — ребра, лонжероны； 9 — закрылки, направляющая предкрылка; 10 — пассажирский салон； /? — шасси; 12 — герметизирующая разделительная стенка; 13 — покрытие попов； 14 — материал для изготовления полов; 15 — внешнее покрытие, стрингеры; /6 — лонжероны; 7 7 — ребра; 18 — основные ребра; 19 — внешнее покрытие; 20 -— лонжероны, основные ребра; 21 — стрингеры; 22 — полка лонжерона: 23 — армирующий материал; 24 — обычные алюминиевые

7"аблица 6.6。Применение углепластиков в военных целях

Цилиндрические корпуса ракет, снарядов ипи торпед • опорные конструкции радиопокаторов; орудийные стволы； детали временных мостов; пестницы; опоры для палаточных тентов; антенны и их опоры； корпуса радиостанций; различные предметы для личного состава

лепластиков на основе углеродных волокон высокомодульного типа - около 300 г. Удочки из стеклопластиков весят 700—800 г. Благодаря такому снижению веса удочки из углепластиков привлекли внимание многочисленных любителей рыбной ловли. Хорошие демпфирующие характеристики углепластиков в сочетании с их высокой жесткостью позволяют рыболову чувствовать момент взятия форелью наживки.

При проектировании и изготовлении типичных спортивных изделий обычно выбирают следующие направления ориентации углеродных волокон: 1) в удилищах волокна ориентируют в основном вдоль оси изделия и частично в поперечном направлении путем радиальной намотки (углеродных или стеклянных волокон); 2) в клюшках для игры в гольф применяют сочетание ориентации волокон вдоль оси трубки с их ориентацией под углом ± 22,5° к оси; 3) в каркасах теннисных ракеток используют продольно-поперечную ориентацию волокон в сочетании с ориентацией волокон под углом ± 45°.

В спортивном судостроении углепластики все шире используют для изготовления мачт, рангоутов, румпелей и других деталей яхт. Например, мачта яхты марки "Ямаха Y・20 S", изготовленная из алюминия, имеет вес 16 кг, а из углепластика — 9,4 кг, т. е. приблизительно на 41% легче. Уменьшение массы шверта приблизительно на 60 кг позволяет снизить массу яхты примерно на 80 кг (рис. 6.17).

Рассмотрим теперь пример использования углепластиков в производстве гоночных автомобилей. Благодаря введению углепластиков в конструкцию стеклопластикового корпуса гоночного автомобиля типа F-II масса корпуса снижается с 30,8 до 21,5 кг, т. е. приблизительно на 30%. Одновременно понижается центр тяжести автомобиля и возрастает его устойчивость на поворотах (рис. 6.18).

сплавы; 25 — титановые сплавы; 26 — углепластики; 27 — высококачественные алюминиевые сплавы (например, сплав марки 7475) ; 28 — материалы на основе углепластиков; 29 — гибридные композиционные материалы на основе углеродных и стеклянных волокон, а также волокон Кевлар.

Тупица 6.8. Спортивные изделия из угпеппастиков

Форма изделий

Издепия

Год

Область применения3

Япония

США

Потреб-Доля сум-

Потреб-Допя сум-

ность, тмаркой по-

ность, тмаркой

требности,%

потреб-

ности,%

Таблица 6.7. Потребность в углеродных волокнах в Японии и США и прогноз ее удовлетворения1

1978

I

75

68

80

50

II

<1

< 1

70

44

III

35

32

10

6

1979

I

120

79

130

43

II

< 1

< 1

120

40

ш

30

20

50

17

1980

I

175

74

135

30

II

5

2

225

50

III

55

24

90

20

1981

I

240

73

170

27

II

20

6

350

56

III

70

21

110

17

1982

I

280

74

230

31

II

20

5

390

53

III

80

21

120

18

1985

I

420

70

320

14

II

60

10

1600

73

III

120

20

260

13

а) I

—спортивные изделия и предметы быта; II

—авиастроение и аэро-

космическая промышленность; III — другие отрасли промышленности.

ПлоскаяЛыжи, каркас лука, защитный бортик от ветра,

прокладка головки клюшки для игры в гольф» каркас теннисной ракетки

Цилиндрическая У дипище, клюшка для игры в гольф, детапи яхт, (мачта, рангоут, вращающаяся мачта, румпель и т. д.), корпус винд-серфера, каркас теннисной ракетки, каркас ракетки для бадминтона, рукоятка ракетки для бадминтона, рукоятка ракетки для игры в пинг-понг, лыжные палки, бита для игры в бейебол, корпус ппанера, стабилизатор лука, хоккейная клюшка, гребные весла, клюшка для вратарей

СложнаяГоповка кпюшки для игры в гольф, теннисные

струны, корпуса маломерных скоростных судов Спортивные шлюпки, яхты и т.д.)

Раскрой препрега

оправки

Г(((((((((《ГГО

Мет алли qeceua оприВки

Горячийвоздух

намотпа препрега 〃〃 опрабку

Отверждение

Обмотка лентой

1)Спедует учесть, что данный прогноз составлялся, по-видимому, в 1978 г.,и приводимые сведения интересны главным образом пишь тем, что потребность в углепластиках опережает масштабы промышленного производства углеволокнистых материалов и изделий из них; из приведенных в табпице данных следует также, что прогнозируемые темпы роста потребности в углепластиках в авиастроении и аэрокосмической промышпенности США весьма высоки. — Прим. ред.

Отделениеленты

Готовое изделие

(трубка из углепластика)

~^г Р w WZT1 —cf l/\\w w'zn

Горячий

-воздух

Пленка изпалиэтилен-тересрталатас силиконовымпокрытием

Рис. 6. /6. Метод формования заготовок удилищ или клюшек для игры в гольф

15 -682

Рис. 6.17. Яхта с корпусом из углепластика.Рис. 6.17. Яхта с корпусом из углепластика.

Рис. 6.17. Яхта с корпусом из углепластика.

Рис. 6.17. Яхта с корпусом из углепластика.

Рис. 6.18. Гоночный автомобиль с корпусом из углепластика.

Применение углепластиков в медицине

В медицине углепластики используют ввиду их малой плотности и способности пропускать рентгеновские лучи. Например, ведутся поиски путей снижения веса протезов рук и ног, кресел-каталок, тростей, приспособлений для растяжения костей после переломов и т. д. Однако в этой области углепластики еще не применяются в массовом масштабе и изделия из них находятся на стадии разработки. В настоящее время исследуется возможность создания искусственных костей из углеродуглеродных армированных композиционных материалов.

Углепластики незначительно поглощают рентгеновские лучи, обладают высокой жесткостью и поэтому применяются в рентгеновской аппаратуре. В табл. 6.9 приведены коэффициенты поглощения рентгеновских лучей различными элементами. Из таблицы видно, что углерод почти в девять раз меньше поглощает рентгеновские лучи, чем алюминий. Коэффициенты пропускания и рассеяния рентгеновских лучей различными листовыми материалами, ориентированными перпендикулярно направлению рентгеновского излучения, приведены в табл. 6.10. Из таблицы видно, что углепластик по сравнению с алюминием приблизительно в 5 раз меньше поглощает рентгеновские лучи и в 2,5 раза меньше их рассеивает, т. е. является весьма хорошим материалом для рентгеновской аппаратуры. <

Таблица 6.9. Коэффициенты поглощения рентгеновских лучей ц/5 различными элементами [22]

Be (4)

0,30

1,35

С (6)

0,70

5,50

А1 (13)

5,30

48,7

Ti (22)

23,7

204

Fe(26)

38,3

397

Си (29)

49,7

65,0

W (74)

105.4

171

РЬ (82}

141

241

На рис. 6.19 показаны разработанные фирмой "Симменс" (ФРГ), прозрачные для рентгеновских лучей столы, а также схемы структуры листового покрытия, кассет и других изделий из углепластиков. На рис. 6.20 показан прозрачный для рентгеновских лучей стол, который имеет меньшую массу благодаря использованию Сандвичевой конструкции с внешним слоем из углепластика.

Материал3Материал37"аблица 6.10, Коэффициенты пропускания и рассеяния рентгенов- ских лучей различными листовыми материалами, ориентирован- ными перпендикулярно к направлению рентгеновского излучения

Материал3

Материал3

Коэффициент Коэффициентлролускания,_ рассеяния. %

Бакелит (толщина 5 мм) 63

Алюминий (толщина 1 мм) 78 Тканевый углепластик (тол- gg щина 1 мм)

а)Сравниваются материалы такой толщины, которая обеспечивает равенство величин их жесткости при изгибе.

использодавшееся ранее покрытиеиспользодавшееся ранее покрытиеОбшивка 〃з уа〃” пластикаОбшивка 〃з уа〃” пластика6644Толщина алюминиевогослоя, полностью поглощав -щего излучение 〃夕〃 нопря -жении 70 кбТип АОТ45MMТип PUCK 3,2ммТолщина алюминиевогослоя, полностью поглощав -щего излучение 〃夕〃 нопря -жении 70 кбТип АОТ45MMТип PUCK 3,2ммТолщина алюминиевого слоя полностью поглощающего излучение при напряжении 70 к8Тип ЛОТ 0,4мм7цп PUCK 44MMТолщина алюминиевого слоя полностью поглощающего излучение при напряжении 70 к8Тип ЛОТ 0,4мм7цп PUCK 44MM尸〃с. 6.19. Увсличенные изображения сечения листового покрытия стола, прозрачного для рентгеновского излучения [23].

использодавшееся ранее покрытие

использодавшееся ранее покрытие

Обшивка 〃з уа〃” пластика

Обшивка 〃з уа〃” пластика

6

6

4

4

Толщина алюминиевогослоя, полностью поглощав -щего излучение 〃夕〃 нопря -жении 70 кб

Тип АОТ45MM

Тип PUCK 3,2мм

Толщина алюминиевогослоя, полностью поглощав -щего излучение 〃夕〃 нопря -жении 70 кб

Тип АОТ45MM

Тип PUCK 3,2мм

Толщина алюминиевого слоя полностью поглощающего излучение при напряжении 70 к8

Тип ЛОТ 0,4мм

7цп PUCK 44MM

Толщина алюминиевого слоя полностью поглощающего излучение при напряжении 70 к8

Тип ЛОТ 0,4мм

7цп PUCK 44MM

7— лист из алюминиевого сплава; 2 — экранирующий алюминиевый слой; 3 — флуоресцентный экран； 4 一 рентгеновская пленка; 5 - слой углепластика; 6 — экранирующий слой из пластмассы.

Рис. 6.20. Стол для расположения пациента при рентгеноскопии [23].

— фиксированный край;

— листовой углепластик;

— точка приложения веса пациента (до 113 кгс); 4 - точка, в которой углепластик выдерживает наг( узку до 113 кгс.

Применение углепластиков в автомобилестроении

Композиционные материалы на основе углеродных волокон применяются в автомобилестроении несколько в меньшем масштабе, чем в аэрокосмической промышленности. Это связано с высокой стоимостью этих материалов, а также с отставанием в разработке методов массового производства композиционных материалов. Например, стоимость 1 кг конструкции современных автомобилей из традиционных материалов составляет приблизительно 1000 иен. В то же время стоимость углепластиков —от десяти тысяч до нескольких десятков тысяч иен за 1 кг, т. е. в 10 или в несколько десятков раз выше. При использовании углепластиков в аэрокосмической промышленности высокая цена материала не столь существенна из-за высокой стоимости всего изделия, поэтому можно использовать довольно трудоемкий метод автоклавного формования, а в автомобилестроении возможность применения углепластиков лимитируется стоимостью материала и сложностью существующих методов формования.

Тем не менее когда в 1973 г. возник нефтяной кризис, остро встал вопрос экономии энергии. К тому же с ростом парка автомобилей обостряется проблема загрязнения окружающей среды. В связи с этим во всех странах стали интенсивно проводить теоретические и прикладные исследования по уменьшению потребления горючего, количества выхлопных газов и шума автомобилей, повышению их безопасности и т. д. Ес* тественно, что в этих исследованиях приняли участие и фирмы-изготовители углепластиков. Все это привело к ускоренной-разработке углепластиков для применения их в автомобилестроении с целью снижения массы автомобилей.

Например, в США в 1975 г. введены контрольные цифры по расходу горючего для легковых автомобилей в зависимости от года их производства. Для автомобилей выпуска 1978 г. минимальный пробег при использовании 1 л горючего должен составлять 7,6 км, а для автомобилей выпуска 1985 года — 11,6 км/л. Если же характеристики автомобиля не соответствуют этим контрольным цифрам, то на фирму, производящую автомобили, налагается штраф в размере 5 дол. за каждые не достающие до контрольной цифры 0,0042 км/л для каждого автомобиля.

Экономия горючего достигается путем снижения массы автомобиля, а также благодаря повышению эффективности работы двигателя, улучшению аэродинамических характеристик, применению системы турбонаддува и т- д. Для повышения экономичности автомобиля на 0,0042 км/л необходимо снизить его массу приблизительно на 7 кг. Это означает, что для достижения контрольных цифр по расходу горючего только путем снижения массы автомобиля требовалось уменьшить ее за

Таблица 6.11. Соотношение между количеством материалов, используемых в производстве легковых автомобилей в США

Материал

1978 г.

1987 г.

Масса, кг

Доля, %

Масса, кг

Доля, %

Сталь

936,7

59

782,0

80

Чугун

285,8

18

127

10

Алюминий

63,5

4

77,1

8

Пластмассы

79,4

5

113,4

9

Другие материалы

222,3

14

190,5

15

Итого

1587,7

100

1269,9

100

7 лет приблизительно на 660 кг. В табл. 6.11 приведен прогноз по изменению соотношения между количеством различных конструкционных материалов, используемых в производстве легковых автомобилей в США. Предполагается посредством замены деталей из стали и чугуна на детали из углепластиков, стеклопластиков, армированных углеродными или стеклянными волокнами термопластов, и других конструкционных полимерных материалов снизить массу автомобилей за 10 лет приблизительно на 320 кг. Такое снижение массы автомобилей соответствует приблизительно лишь 50% ее величины, необходимой для достижения контрольных цифр по расходу горючего. Поэтому наряду с использованием новых перспективных материалов следует уменьшать размеры автомобилей, увеличивать эффективность использования энергии и осуществлять другие меры по снижению расхода горючего.

В 1977 г. фирма Рорд” сообщила о плане разработки облегченного экспериментального автомобиля, в котором будут использованы в основном углепластики и гибридные армированные пластмассы на основе углеродных и стеклянных волокон. Первый опытный экземпляр такого автомобиля был создан в мае 1979 г. В опытной модели ”①орд LTD” 1979 г. из углепластиков, гибридных и других композитов на основе углеродных и стеклянных волокон были изготовлены кузов, шасси, двери, бампера и другие детали автомобиля (рис. 6.21). Данные о массе различных деталей такого автомобиля приведены в табл. 6.12. В результате использования конструкционных полимерных материалов масса автомобиля снизилась с 1698 до 1137 кг, т. е. приблизительно на 33%, а экономичность повысилась с 7,2 до 9,7 км/л, т. е. на 35%.

Фирмы ,5Дженерал моторе» (США), "Крайслер" (США), ''Мерседес Бенц" (ФРГ) и "Вольво» (Швеция) разрабатывают приводные (кардан-

23

Рис. 6.2，Экспериментальный автомобиль с уменьшенной массой фирмы "Форд'' [24].

/ — кузов из углепластика; 2 — капот двигателя из углепластика; 3 — передняя панель и передние крылья из углепластика; 4 — решетка радиатора из листового формовочного материала; 5 — алюминиевый радиатор; 6 — передний бампер из углепластика; 7 — двигатель объемом 2300 см ; 8 — автоматическая трансмиссия С-3; 9 — радиальные шины марки FR78-14; 10 — диск колеса из углепластика; 〃 —малогабаритный усилитель тормозов; 72 — рама из углепластика; 13 — приводной Baj из углепластика; 14 — верхний и нижний рычаги подвески задних колес из углепластика; 15 — ступица колеса из углепластика; 16 — петля двери из углепластика; 17 — дверь с дополнительными армирующими элементами; 18 — дверь из углепластика; 19 — найлоновый бак для горючего (57л); 20 — задний бампер из углепластика; 21 — пластмассовая задняя панель; 22 — каркас переднего сиденья из углепластика; 23 — крышка багажника из углепластика.

ные) валы, рессоры и другие детали из углепластиков, а фирма ''Пли- мут" (США) ведет работы по применению углепластиков в деталях двигателя. Например, значительное повышение экономичности двигателя достигается благодаря снижению массы поршневых пальцев, шатунов, штока толкателя клапана, клапанного коромысла и других деталей двигателя. По сравнению с другими материалами использование углепластиков, в том числе армированных волокнами термопластов, экономически целесообразно. Полимерная матрица должна выдерживать в условиях эксплуатации высокие температуры и нагрузки. Поэтому изучается возможность использования в качестве полимерных матриц термостой-

Таблица 6.12. Масса деталей из углепластика экспериментального автомобиля фирмы мФорди [24]

Наименоаание детали Масса сталь- Масса дета- Снижение массы ных деталей, лей из угле- кгпластика, кг кг取

Кузов209,1Рама128,3Передняя панель43,5Капот22»2Крышка багажника19.4Бампер55, 8Диски колес41.7Двери70,6Другие детали31,4Итого622.0Кузов209,1Рама128,3Передняя панель43,5Капот22»2Крышка багажника19.4Бампер55, 8Диски колес41.7Двери70,6Другие детали31,4Итого622.030 36 зл-л-^-о^л^ 94.94,13,7,6,30 36 зл-л-^-о^л^ 94.94,13,7,6,8 3 2 8 J'7'3114,34,30,14,1335198 3 2 8 J'7'3114,34,30,14,1335196127706667744661495161277066677446614951

Кузов

209,1

Рама

128,3

Передняя панель

43,5

Капот

22»2

Крышка багажника

19.4

Бампер

55, 8

Диски колес

41.7

Двери

70,6

Другие детали

31,4

Итого

622.0

Кузов

209,1

Рама

128,3

Передняя панель

43,5

Капот

22»2

Крышка багажника

19.4

Бампер

55, 8

Диски колес

41.7

Двери

70,6

Другие детали

31,4

Итого

622.0

30 36 зл-л-^-о^л^ 94.94,13,7,6,

30 36 зл-л-^-о^л^ 94.94,13,7,6,

8 3 2 8 J'7'3

114,34,30,14,133519

8 3 2 8 J'7'3

114,34,30,14,133519

61277066677446614951

61277066677446614951

ких эпоксидных смол, полиимидных смол, полиэфирсульфонов, поли- \ эфиркетонов и других смол.

Рассмотрим вопрос об изготовлении листовых рессор. Жесткость одной стальной пластины рессоры, выдерживающей определенную нагрузку (пластина с определенной толщиной), оказывается очень высокой — постоянная пружины будет ниже необходимой. Поэтому до настоящего времени использовались рессоры, состоящие из нескольких пластин (в легковых автомобилях - из 2—4 пластин, а в грузовых автомобилях — из 10 и больше пластин). Если же использовать углепластики, обладающие к тому же очень высокими усталостными характеристиками, то можно существенно снизить массу листовых рессор (табл. 6.13). Используя гибридные композиционные полимерные материалы на основе стеклянных и углеродных волокон, можно получить еще более хорошие характеристики листовых рессор, чем при использовании углепластиков. Листовые рессоры из армированных пластиков можно изготавливать методом горячего прессования с высокой экономической эффектив- ； ностью.

При использовании углепластиков для изготовления приводных (карданных) валов ожидается: I) снижение их массы; 2) увеличение . критической скорости вращения R = К (ElfWL4^^ (К - постоянная, Е — модуль упругости при изгибе, / — момент сопротивления сечения, ' W — масса единицы длины вала, £ - длина приводного вала); 3) увели- 金 чение длины приводного вала (возможность изготавливать не двухсту- 1

Толщина отдельного листа рессоры, мм

10,1

14,8

21,6

23,3

Число листов в рессоре.

4

2

2

1

шт.

Общая масса, кг

47,3

14,5

27,5

13J

Снижение массы, %

0

69

42

71

Свой-

Усталостная

600

1080

500

ства мате-

прочность, МПа Усталостный

210

130

40

—

риала

модуль упругости, ГПа Плотность, г/см3

7,8

1,56

2,00

1.87

а) Длина пролета рессоры 1500 мм, ширина рессоры 100 мм, нагрузка 18 000 Н, постоянная пружины 100 Н/мм.

6уВ - углеродные волокна, СВ — стеклянные волокна.

пенчатые, а одаоступенчатые валы); 4) повышение вибрационных и снижение шумовых характеристик валов; 5) повышение их коррозионной стойкости.

В настоящее время разрабатываются различные конструкции приводных валов, схема наиболее удачной из них приведена на рис. 6.22. При формовании валов используют сочетание методов намотки нитями (или жгутами) и ''ковровой” намотки. В табл. 6.14 приведены данные о снижении массы приводных валов, рессор и рам благодаря использованию углепластиков.

Ожидается, что при расширении области применения углепластиков их стоимость снизится до 5000 иен/кг. Разработка сравнительно дешевых методов массового производства в ближайшем будущем приведет к тому, что различные композиционные материалы, и в первую очередь углепластики, получат широкое применение в автомобилестроении.

Рис. 6.22. Схема конструкции приводного вала из армированных пластиков./ — слой стеклопластика, угол намотки 80 — 90 ; 2 — слой углепластика, угол намотки 0 — 10 ; 3 — слой гибридного полимерного композиционного материала на основе углеродных и стеклянных волокон, угол намотки ±45 .Рис. 6.22. Схема конструкции приводного вала из армированных пластиков./ — слой стеклопластика, угол намотки 80 — 90 ; 2 — слой углепластика, угол намотки 0 — 10 ; 3 — слой гибридного полимерного композиционного материала на основе углеродных и стеклянных волокон, угол намотки ±45 .

Рис. 6.22. Схема конструкции приводного вала из армированных пластиков.

/ — слой стеклопластика, угол намотки 80 — 90 ; 2 — слой углепластика, угол намотки 0 — 10 ; 3 — слой гибридного полимерного композиционного материала на основе углеродных и стеклянных волокон, угол намотки ±45 .

Рис. 6.22. Схема конструкции приводного вала из армированных пластиков.

/ — слой стеклопластика, угол намотки 80 — 90 ; 2 — слой углепластика, угол намотки 0 — 10 ; 3 — слой гибридного полимерного композиционного материала на основе углеродных и стеклянных волокон, угол намотки ±45 .

Наименование деталиНаименование деталиТаблица 6Я14О Снижение массы деталей автомобилей благодаря использованию углепластиков [2б]

Наименование детали

Наименование детали

Из стали Из углеплас- Снижение тикамассы, %

Приводной вал легкового автомобиля грузового

5,72,948

74,822,770

Пнстовая рессора легкового автомобиля

грузового

50,81 0,080

59,013^77

Рама грузового автомобиля

725,71 36,181

Масса детали( кг

Применение углепластиков в электронике и электротехнике

Угперодаые волокна обладают высокой электропроводностью. Поэтому применение композиционных материалов на их основе в электронике и электротехнике имеет свои особенности по сравнению со стеклопластиками. Стеклопластики, обладающие электроизоляционными свойствами и пропускающие электромагнитные волны, в основном применяются для изготовления печатных плат, элементов индукционных ка-

тушек, различных соединительных электроизолирующих деталей, прозрачных для радиоволн обтекателей антенн и корпусов приборов и т. д. Армированные углепластики, наполненные углеродными волокнами термопласты и другие композиционные материалы на основе углеродных волокон имеют высокие значения прочности, жесткости, демпфирующих характеристик, низкий коэффициент линейного расширения, антифрикционные свойства и в то же время способны экранировать электромагнитные волны. В радио- и электротехнике они часто применяются для изготовления конических поверхностей репродукторов, резонаторов звуковых аппаратов, кронштейнов повышенной жесткости, шестерен, кулачков, валов, рефлекторов параболических антенн, элементов конструкций, экранирующих электромагнитные волны и т. д.

В 1976 г. Федеральная комиссия США по связи регламентировала уровень напряженности электрического поля, генерируемого электронными приборами, работающими в диапазоне частот выше 10 кГц. В связи с этим возросла актуальность разработки материалов, экранирующих электромагнитные помехи. Экранирующие покрытия изготавливают как из обычных углеродных волокон, так и с использованием углеродных волокон, покрытых слоем никеля, меди или другого металла. Для получения композитов используют совмещение углеродных волокон с волокнами из термопластов (с помощью инжекционного формования) или метод горячего прессования углепластиков на основе термореактивных смол. В табл. 6.15 приведены механические характеристики углепластиков на основе покрытых слоем никеля углеродных волокон.

Таблица 6.15. Механические характеристики углепластиков на основе углеродных волокона,покрытых слоем никеля

Характеристи каХарактеристи каЗначениеЗначение

Характеристи ка

Характеристи ка

Значение

Значение

Толщина слоя никеля, мкм0,5

Прочность при изгибе, №а1690

Модуль упругости при изгибе, ГПа120

Прочность при межслоевом сдвиге, МПа 78 — 82

Объемное содержание волокон, %55

Плотность, г/см32,4

а)Диаметр волокон 7 мкм.

Согласно данным фирмы А.С.С. (American С yanamid С огр.) при добавле нии в защитные покрытия 20 вес. % углеродных волокон со слоем ни келя толщиной 0,5 мкм электромагнитные помехи снижаются на 42 дБ [27].

Другие области применения углепластиков

Другие примеры применения композиционных материалов на основе углеродных волокон в различных изделиях даны в табл. 6.16. Перепек тивной областью применения углепластиков, по-видимому, станут энер- Табпица 6.76. Свойства и применение композиционных материалов на основе углеродных волокон

Тип изделий Используемое Примеры применения свойство

Изделия с высо- Удельная кой скоростьюпрочность,

перемещен ияудельн ый

модуль упругости

Скоростные транспортные средства, спортивные транспортные средства (мотоциклы, велосипеды, байдарки), оборудование для'

намотки (ведущая траверса, направляющие нитеводов, укладчик нитей), детали роботов, печатающие устройства

Предметы личного потребления

Альпинистское снаряжение, фотоаппараты видеокамеры, оправы очков

Изделия с высокой скоростью вращения

Цилиндрические роторы установок для цен тробежного разделения урана, маховики шлифовальные круги, шинный корд, шкивы лопатки вентиляторов, лопасти пропелле- ‘ Ров» вращающиеся элементы прядильных машин

ВибростойкиеУдельная

изделияжесткость,

демпфирующие свойства

Крупногаба-Жесткость,

ритные изде-отсутствие

лияползучести

Плоские пружины вибротранспортеров и вибрационных загрузочных устройств

Суда и другие плавсредства, резервуары, баллоны (для сжатых газов и т, &), си- лссные башни, крылья ветряных мельниц, элементы конструкций мостов

Продолжение табп. 6.76.

Тип изделий Используемое Примеры применения свойство

Изделия с вы-Жесткость,

сокой стабиль-малое

ностью раз-тепловое

мероврасширение

Другие из де- Электропро- пияводность,

способность к теплоотводу

Микромоторы, синхронизаторы, резервуары для криогенных температур, эталонные образцы

Резервуары для химических веществ, антистатические валки, антистатические покрытия, контактные электрические щетки, кол- лекторы электродвигателей постоянного тока, электроды, электрические батареи

Коррозионная стойкость

Элементы конструкций химических производств； упаковочные материалы; теплообменники; конструкции, работающие в морской воде； фильтры

Износостойкость, само- смазывающие свойства

Подшипники, детали насосов, вкладыши подшипников, зубчатые передачи, диски эксцентриков

Прочность при низкой температуре

Сверхпроеодники, магнитогидродинами- ческие генераторы, несущие элементы кабелей электропередач и т. д.

гетические устройства, в частности аккумуляторы механической энергии в виде маховиков (разд. 5.2.1). Как следует из данных, приведенных в табл. 6.17, углепластики оказываются наиболее подходящими материалами для изготовления таких маховиков.

Углепластики успешно применяются также для изготовления демпферов виброгранспортеров, загрузочных устройств и других механизмов. Использовавшиеся ранее в этих устройствах пружинные элементы из стеклопластиков разрушались при частоте вращения 2500 об/мин, а такие же элементы из углепластиков могут использоваться при частотах вращения до 4000 об/мин. Если говорить о современной промышленной робототехнике, то сейчас исследуется возможность изготовления из углепластиков облегченных деталей роботов, предназкаченных для точ-

Таблица 6 17. Сравнение энергии, запасаемой маховиками из различных материалов [28」

Материал

Прочност при растяжении b8, mпа

ь Допус- тимое напряжение

5 , МПа

Плотность

Р, Г/см3

Удельная прочность

МПа/ (г/см3

Коэффициент, учитыва- чЮЩИЙ форму махов” ка,К§

Удельная энергоемкость е^а, МПа/ (г/см3)

Чугун

Высокопроч-

490

392

7.7

51

0,8

40,8

ная сталь

Мартенсит-

784

627

7,8

80

0,8

64,0

ная сталь

1960

1568

7,8

201

0,8

161

Композиционный материал на основе Е-

1372

686

2,1

327

0,5

164

стекла и эпоксидной смолы Эпоксидный углепластик

2058

1078

1,6

674

0,5

337

Композиционный материал на основе арамидных волокон И ЭПОКСИДНОЙ смолы

1715

882

1.4

630

0,5

315

Свинцовая электрическая ба-

-

-

-

-

-

72- 109

тарея

%犷=к$ 9力/р)

ной высокоскоростной сборки изделий [1] . Например, углепластики используются в производстве элементов манипуляторов робота для сборки видеомагнитофонов марки RH 101 (фирма Мицубиси дэнки,)). Существуют два вида трубчатых элементов таких манипуляторов: 1) диаметр 60 мм, длина 300 мм, толщина стенки 1,5 мм и масса 80 г; 2) диаметр 70 мм, длина 300 мм, толщина стенки 2 мм и масса 190 г. Оба вида манипуляторов получают методом намотки. Если изготовить их из алюминиевого сплава, то масса составит соответственно 146 и 346 г, т. е. в обоих случаях при использовании углепластиков достигается выигрыш в весе примерно в два раза [29] . Применение углепластиков в транспортных манипуляторах (масса 1 кг) роботов с искусственным интеллектом фирмы ?,Сумитомо дзнко" также дает выигрыш в весе примерно в два раза по сравнению с манипуляторами, изготовленными из алюминия.

Литература

1)寺井精英：术入卜〉内夜^更岁乙，産報出版，p. 208, 1983.

R. Keiser: National Information Service (USA), PB 283416, 1978.

K. Knapp: SAE Technical Paper, 82135, 1982.

4)味岡：日経^力二力/% 1983年1月3日号，p. 66.

D.D. Smith: 12 th SAMPE, p. 1104, 1980.

6)山本：日経^力二力儿s 1983年1月3日号，P. 74.

D. R. Dunbar et al. : 2 nd I. С. С. М., 2, р. 1360, 1978.

J.H. Crowley: US DOE Rep. No. DOE-TIC-11190, 1978.

R.M. Bluck et al. : 24 th SAMPE, 24, p, 285, 1979.

J.B. Bodie et al. : AIAA, 81-0445, 1981.

11)疋乙;tUf,細村♦他：第19回飛行機巾A，19, p. 152, 1981.

12)鳥捶鶴雄：第5回複合材料七三十一f■中入卜〔Н〕，P. 107, 1974,日本科学技術連盟•

13)中井険一：日本航空宇宙学会誌，28〔319〕，No. 8, p. 369, 1980.

Automotive Engnieering, 88, 1, p. 61, 1980.

小川：Plastics Age〔1〕，p. 95, 1982.

R. N. Hadcock: AIAA, 79—0719, 1979.

17）社団法人日本航空宇宙工業会革新航空機技術開発七:/夕一：革新航空機技術開発忆

関寸盲研究調査，No. 501, 1981.

R.H. Hammer: The 3rd I. С. С. М. (Paris), р. 1452, 1980.

Flight International, 4, 1982.

Aviation Week & Space Technology, p. 129, Dec. 1, 1980.

21)日本航空宇宙工業会：研究調査516-1, 3月，1981.

22)森田幹雄，宮崎謙一：強化:/^入千7夕入，28, 11, p. 477, 1982.

M. Molyneux et al.: 33rd SPI, 12-E, 1978..

7才一卜‘社資料.

Mod. Plast. (Oct. 1976), (March 1977), (Jun 1977).

26)中山紘一：工業材料，29, 12, p. 18, 1981.

А. С. C.社資料.

28）島村昭治：日本複合材料学会誌，5, 2, p. 7, 1979.

29）日経^力二力/匕1983年6月20日号，p. 121.

МЕТАЛЛЫ, АРМИРОВАННЫЕ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ

По сравнению с углепластиками, металлы, армированные углеродными волокнами, — более молодые материалы. Они обладают рядом достоинств, которые отсутствуют у углепластиков: высокой теплостойкостью (большей, чем у углепластиков), прочностью в направлении, перпендикулярном ориентации волокон, прочностью при сжатии (продольном изгибе) и другими ценными свойствами. Поэтому в настоящее время над их созданием активно работают во многих странах. Информация о новейших зарубежных достижениях в этой области по сравнению с количеством публикаций об углепластиках весьма ограниченна. Тем не менее известно, что появились различные типы металлов, армированных углеродными волокнами, и разработаны всевозможные методы их формования и переработки. Соответственно физические характеристики таких материалов также различны. Первостепенным является вопрос, какими свойствами должны обладать углеродные волокна, предаазначенные для армирования металлов. В данной главе кратко освещается состояние работ в области создания армированных углеродными волокнами металлов и рассматриваются перспективы их дальнейшего совершествования и применения.

Формование и переработка металлокомпоэитов, армированных углеродными волокнами

На рис. 7.1 показана схема технологического процесса производства металлов, армированных волокнами. Наиболее важные этапы процесса выделены прямоугольниками. По мере надобности для улучшения смачиваемости волокон металлом и адгезии с ним, а также для регулирования реакционной способности поверхности волокон на них наносят покрытие или осуществляют другую предварительную обработку волокон. Затем формируют полуфабрикаты или так называемые исходные элементы металлокомпозитов. Полученные полуфабрикаты разрезают в соответствии с требуемыми размером и формой, складывают,* ориентируя их в нужном для данной конструкции направлении, и затем осуществляют формование. После этого проводят окончательную обработку изделия - склеивание отдельных частей, механическую обработку ит. д.

Исследована возможность применения в качестве матриць! различных металлов: алюминия, магния, меди, никеля, кобальта и многих других. Наиболее эффективными для применения на практике оказались

Рис. 7.1. Основные этапы технологического процесса производства металлов, армированных волокнами. 、

1 — металлическая матрица; 2 — волокно； 3 — предварительная обработка волокон; 4 — формование полуфабрикатов; 5 — получение слоистого материала из полуфабрикатов; 6 — формование (получение композиционного материала и придание формы) ; 7 — вторичная обработка; 8 — применение; 9 - элементарные волокна; 10 — жгуты, нити; 11 — ткани； 12 — короткие волокна (монокристаллические ''усы'' и т. д.) ; 13 — улучшение смачиваемости волокон металлом и адгезии с ним, регулирование реакционной способности поверхности волокон; 14 — химическое и физическое осаждение в газовой фазе; 15 — металлизация и т. д.; 16 — ''сырые" полуфабрикаты в виде листов или лент; 17 — металлизованные в расплаве листы или ленты; 18 — пропитанная расплавом лента; 19 — листы, полученные методом физического осаждения в газовой фазе; 20 — придание материалу заданных анизотропных свойств; 21 — горячее прессование; 22 — горячее вальцевание; 23 — горячая вытяжка; 24 — HIP; 25 — литье с дополнительной пропиткой расплавом; 26 — парафинирование и т. д. ; 27 — механическая обработка; 28 — механическое соединение; 29 — диффузионная сварка; 30 — парафинирование; 31 — электросварка; 32 — склеивание и т. д.

алюминий, магний и другие легкие металлы. Углеродные волокна, как известно, обладают высокими триботехническими характеристиками; при изготовлении композитов на основе углеродных волокон, применяемых в производстве подшипников, в качестве металлической матрицы используют главным образом медь. Остановимся подробнее на вопросах получения полуфабрикатов и формования металл окомпозитов, армиро- ванных углеродными волокнами, на основе наиболее широко применяемого для этих целей металла — алюминия.

Методы получения полуфабрикатов

Существуют методы литья, порошковой металлургии и другие методы, в которых формование готовых изделий осуществляют непосредс-

твенно, минуя стадию получения полуфабриката. Однако при использ包, вании армированных металлов открывается возможность изготовления изделий с заданными анизотропными свойствами. Поэтому необходимым становится этап производства полуфабрикатов. В настоящее время известен ряд методов промышленного производства полуфабрикатов алюминия, армированного углеродными волокнами. Например, фирмой Material Concept Inc, (США) разработан метод получения проволоки из углеродных волокон на поверхность которых алюминий или магний наносятся из расплава [1] ; фирма "Тохо бзсурон" (Япония) производит листовые материалы путем нанесения на углеродные волокна алюминия методом ионной металлизации (физического осаждения) [2].

Пропитка 8 расплавленном металле. В этом случае предварительно проводят химическое осаждение на поверхность волокон боридов титана TiB и TiB2, а затем пропитывают пучок волокон в расплаве алюминия или другого металла и получают заготовку в виде проволоки. Как видно из рис. 7.2, пучок волокон практически полностью пропитывается алю-

Рис. 7.2. Микрофотографии полуфабриката алюминия, армированного углеродными волокнами, в виде проволоки, полученной методом пропитки в расплавленном металле, а - внешний вид (увеличение х §0); 6- поперечное сечение (увеличение х60).

Рис. 7.3. Микрофотографии листового полуфабриката алюминия, армированного углеродными волокнами и полученного методом ионной металлизации. а 一 внешний вид (увеличение х 150); 6 - поперечное сечение (увсличение х 240).Рис. 7.3. Микрофотографии листового полуфабриката алюминия, армированного углеродными волокнами и полученного методом ионной металлизации. а 一 внешний вид (увеличение х 150); 6 - поперечное сечение (увсличение х 240).

Рис. 7.3. Микрофотографии листового полуфабриката алюминия, армированного углеродными волокнами и полученного методом ионной металлизации. а 一 внешний вид (увеличение х 150); 6 - поперечное сечение (увсличение х 240).

Рис. 7.3. Микрофотографии листового полуфабриката алюминия, армированного углеродными волокнами и полученного методом ионной металлизации. а 一 внешний вид (увеличение х 150); 6 - поперечное сечение (увсличение х 240).

минием в расплаве и сам является композиционным материалом. Хоро- I шая смачиваемость поверхности волокон расплавленным металлом | достигается благодаря предварительному нанесению на поверхность волокон слоя ИВ толщиной 100—200 А.

Ионная металлизация. Используя этот метод, предварительно проводят плазменное травление поверхности углеродных волокон, а затем покрывают их поверхность алюминием [2] . Физическое осаждение позволяет нанести металлическую матрицу на каждое элементарное волокно в тонком пучке волокон. Из таких пучков формируют тонкие и гибкие листовые заготовки. Обработку поверхности осуществляют при температуре ниже точки плавления алюминия. Поэтому при ионной металлизации углеродные волокна высокопрочного типа могут взаимодействовать с алюминием, сохраняя высокую прочность. Метод не требует нанесения промежуточного покрытия, регулирующего реакционную способность поверхности волокон, и позволяет непосредственно покрывать ее

металлом. На рис. 7.3 показаны электронные микрофотографии листового полуфабриката.

Другие методы получения полуфабрикатов. Кроме указанных выше методов разрабатывается метод получения листовых полуфабрикатов путем металлизации в расплаве с предварительным наматыванием пучков углеродных волокон на цилиндр и последующим погружением его на короткое время в расплав алюминия [4, 5] . Для сравнительно толстых элементарных борных волокон применяют метод получения полуфабрикатов в виде "сырых” листов. Этот метод можно использовать и для углеродных волокон: волокна, намотанные на цилиндр, фиксируют на его поверхности, напыляя на них акриловую, полисульфоновую или другую смолу. В результате получается слоистая система, состоящая из волокнистых листов и листов фольги из металлической матрицы. На стадии высокотемпературного формования в вакууме фиксируюищй исходное положение волокон полимер испаряется и замещается металлом.

В производстве полуфабрикатов из углеродных волокон эффективен метод электролитической металлизации. В настоящее время разрабатывается метод непрерывного нанесения никелевого или медного покрытия одинаковой толщины на каждое моноволокно, входящее в состав жгута [6].

Методы формования армированных углеродными волокнами металлов

Армирующие углеродные волокна являются хрупкими и не обладают способностью к пластическим деформациям. Этот фактор ограничивает выбор методов переработки металлокомпозитов. Как указывал(зсь выше, анизотропия механических характеристик армированных углеродными волокнами материалов дает возможность получать материалы с регулируемыми свойствами. Это достигается в процессе формования готового изделия из полуфабрикатов. При использовании армированных металлов в самолетостроении часто возникает необходимость последующих технологических операций: соединения изделий из армированных металлов с деталями из других металлических материалов, частичное усиление армированными металлами элементов металлических конструкций и т. д. Однако обычная сварка армированных металлов затруднена. Поэтому необходимо прибегать к методу диффузионной сварки и другим способам соединения металлов, не требующим плавления металла. Другой путь решения этой задачи — соединять детали из металлокомпозитов с элементами из чистых металлов в процессе формования ме- таллокомпозита. .

В зависимости от геометрии и свойств полуфабрикатов, являющихся промежуточным материалом для получения армированных металлических изделий, используются различные методы формования металлов, армированных волокнами. Для армированного углеродными волокнами алюминия применяют методы горячего прессования (металлическая матрица остается в твердом состоянии), горячего вальцевания, горячей вытяжки и жидкофазного горячего прессования (металлическая матрица в процессе формования проходит стадию жидкого или жидкокристаллического состояния).

Горячее прессование. При использовании этого (наиболее распространенного) метода из заготовок в виде листов или проволоки изготавливают многослойный материал, а затем проводят формование изделия путем сжатия пакета при нагревании в вакууме или в инертной атмосфере, осуществляя тем самым диффузионную сварку металлической матрицы, входящей в состав полуфабриката. В основном таким методом формуют плоские детали, но, используя соответствующие металлические формы, способ укладки заготовок, регулируя наполнение и т. д., можно также получать изделия с криволинейной (цилиндрической и т. д.) поверхностью.

Для формования изделий из армированных металлокомпозитов необходимо:

Создать такую пластическую деформацию металлической матри- Hbf, при которой разрушается оксидная пленка на поверхности алюминия.

Для предотвращения дефектов и повреждения волокон вести процесс деформирования полуфабриката при достаточно высокой температуре и в течение длительного времени.

В то же время для исключения разрушения волокон в результате реакции на границе раздела волокно—металлическая матрица стремиться проводить формование при возможно меньшей температуре и в течение короткого промежутка времени.

Не допускать высокотемпературного окисления материала.

Как будет показано ниже, для полуфабрикатов в виде проволоки, полученных методом пропитки, лучше использовать жидкофазное горячее прессование. Полученные методом ионной металлизации полуфабрикаты на основе высокомодульных углеродных волокон со сравнительно низкой реакционной способностью перерабатываются методом горячего прессования при температуре 833—853 К и давлении 10—20 МПа, а на основе углеродных волокон высокопрочного типа с высокой реакционной способностью — при 733 К и 80—100 МПа (указанные значения являются стандартными).

Вальцевание на горячих валках. Так как при вальцевании происходит пластическое течение металлической матрицы под действием высоких напряжений при контакте с валками, процесс формования композиционного материала можно вести с большой скоростью. В процессе горячего вальцевания ввиду кратковременности цикла переработки не требуется создания вакуума. Поэтому данный метод формования металлов, армированных волокнами, является дешевым. Изучается возможность его применения для формования изделий из армированного углеродными волокнами алюминия с использованием по л уф абрик атов, полученных путем плазменной или ионной металлизации углеродных волокон [7].

Горячая вы тяжка. Этот метод разработан для производства прутков или трубчатых изделий из полуфабрикатов в форме проволоки [8]. Процесс вытяжки следует проводить таким образом, чтобы растягивающие напряжения были направлены в основном вдоль волокон, а изгибающие напряжения были минимальны ми или отсутствовали. Это дает возможность существенно уменьшить повреждения волокон и дефекты на границе раздела волокно—металлическая матрица. На рис. 7.4 показана общая схема метода горячей вытяжки стержней из композиционного материала на основе алюминия, армированного углеродными волокнами. Заготовку в виде проволоки вакуумируют в оболочке из нержавеющей стали. Вытяжку осуществляют, протягивая такую заготовку через волочильный глазок из карбида кремния, температура которого поддерживается на постоянном уровне, ниже температуры плавления металлической матрицы.

Жидкофазное горячее прессование. В главном методе формования армированных металлокомпозитов 一 твердофазном горячем прессовании —используемся высокое давление, и поэтому этот процесс требует

Рис. 7.4. Схема метода горячей вытяжки стержней из алюминия, армированного углеродными волокнами (воспроизводится с резрешения фирмы Fiber Materials Inc.).

1— электрическая печь; 2 — глазок для волочения; 3 — полуфабрикат в виде проволоки из алюминия, армированного углеродными волокнами, которая заключена в оболочку из нержавеющей стали.

применения дорогостоящего оборудования. В качестве альтернативы был разработан метод жидкофазного горячего прессования, при котором давление составляет 10 МПа. Для жидкофазного горячего прессования не нужны гидравлические прессы, и этим методом можно формовать сравнительно крупногабаритные изделия, используя прессовочный мешок или другое простое оборудование.

Для алюминия, армированного углеродными волокнами, эффективный метод — формование изделий из полуфабрикатов, полученных металлизацией в расплаве, или из слоистых материалов на основе ”сы- рых лнстсв" и алюминиевой фольги. При жидкофазном горячем прессовании таких слоистых полуфабрикатов, заключенных в вакуумированную оболочку, жидкая металлическая матрица легко проникает в межволоконное пространство, образуя армированный металлокомпозит.

Формование изделий из полуфабрикатов в виде проволоки почти всегда проводится при температуре, обеспечивающей жидкокристалли- ческое состояние металлической матрицы, и при давлении 4-30 МПа.

Жидкофазное формование вызывает интенсивные реакции на границе раздела волокно—металлическая матрица. Поэтому для их регулирования необходимо наносить барьерное покрытие на волокно и строго контролировать тепловой режим процесса.

Характеристики металлов, армированных углеродными волокнами

Среди армированных углеродными волокнами металлов наиболее хорошо изучены металлокомпозиты с алюминиевой матрицей. Однако даже для этого композиционного материала не решена проблема совместимости волокон и металлической матрицы. Опуб лик ов анны е до настоящего времени данные касаются в основном методов производства полуфабрикатов и методов формования изделий, которые пока нельзя признать достаточно научно обоснованными и оптимизированными.

Характеристики металлов, армированных углеродными волокнами, при растя женим

В табл. 7.1 сопоставляются характеристики при растяжении металлов, армированных углеродными волокнами. Как видно из значений, приведенных в таблице, прочность армированного углеродными волокнами алюминия в поперечном направлении ниже, чем у других материалов. В США армированный углеродными волокнами алюминий производится из полуфабрикатов в виде проволоки, полученных методом пропитки в расплаве. Прочность вдоль армирующих волокон у композиционного материала алюминий—углеродные волокна марки Т 300 (на основе полиакрилонитрила) высокая, причем на промежуточное покрытие

Таблица 7.九 Характеристики при растяжении металлов, армированных волокнами

ВолокнаМеталличес

кая матрица

Содер- Плот-

Прочность при растяжении вдоль волокон, МПа

Модуль Проч-

Фирма — источник данных

жание волокон, об.%

ность» г/см3

упругости при растяжении вдоль волокон, ГПа

НОСТЬ лри растяжении поперек во локон, МПа

Углеродные на основе вискозы марки Т50

201А1

30

2,38

646

172

50

Aerospace

Corp. (США)

Углеродные на основе полиакрилонитрила марки ТЗОО

201А1

40

2,32

1035

151

35

FMI (США)

Углеродные пековые марки РЮО

6061А1

41

2,44

646

337

—

Aerospace Corp. (США)

Углеродные пековые марки Р100

AZ31Mg

38

1,63

531

307

一

Lockheed

(США)

Углеродаые высокопрочные на основе полиакрилонитрила

5056А1

35

2,34

616

122

77

мТохо бэ- сурон..

(Япония)

Углеродные высокомодульные на основе поли-

5056А1

35

2.36

612

173

—

"Тохо бэ- сурон.. (Япония)

акрилонитрила

Борные марки

B/W

6061 Al

50

2,49

1429

244

144

Convair

(США)

Борные марки

B4C/B/W

Ti—6A1- 38

—4 V

3,74

1541

237

358

DWA Composites (США)

На основе ®-А12°з марки FP

201 Al

50

3,60

1224

222

Du Fb nt (США)

Продолжение табл. 7.7.

ВолокнаМеталличес

кая матрица

Содержание волокон об. %

Плотность, г/см3

Прочность при растяжении вдоль волокон, МПа

Модуль у叩у- гости при растяжении

1 вдоль волокон, МПа

Проч- Фирма 一 ность источник ПРИданных

растяжении поперек волокон, МПа

На основе

У-А12О3

А1

40

2,9

765

133

—"Сумитомо

кагаку..

Из карбида

(Япония)

кремния на вольфрамовой подложке

6061 А1

50

2,93

1541

237

-DWA

Corrposites

(метод хими-

(США)

ческого осаждения из газовой фазы)

Из карбида

Ti -6А1 -

35

3,93

1255

272

535 DWA

кремния на воль-

-4V

Composi tes

фрамовой подложке (метод химического осаждения из газовой фазы)

(США)

Из карбида крем-

6061А1

35

2,6

816

112

91 "Нихон

ния (после отжи-

кабон,,

га полимера)

(Япония)

(пленка TiB) наносится также барьерное покрытие. Если не наносить барьерного покрытия на углеродные волокна высокопрочного типа марки Т 300, которые легко вступают в химическую реакцию с алюминием, то вследствие ухудшения свойств волокон в результате поверхностных реакций прочность выпускаемых в виде проволоки полуфабрикатов (содержание волокон 勺=40%) снижается до 400—600 МПа (степень реализации прочности волокон в композиционном материале 30—45%) •

В полуфабрикатах, изготовленных методом ионной металлизации, на основе углеродных волокон высокопрочного типа (полученных из полиакрилонитрила) степень реализации прочности волокон приближа-

ется к 80%, причем прочность материала в направлении поперек волокон также оказывается сравнительно высокой.

Характеристики при растяжении полуфабрикатов в виде проволоки и изделий из них приведены в табл. 7.2 и 7.3. Степень реализации прочности волокон в полуфабрикатах составляет 80%, а после горячего прессования она уменьшается до 60% и ниже. Ухудшение прочностных свойств в процессе формования связано с реакцией на поверхности раздела углеродное волокно—металлическая матрица вследствие высокого относительного содержания образовавшегося на поверхности AI4C3. Эти данные подтверждают тот факт, что поверхностный слой TiB недостаточно хорошо защищает волокна от реакций на поверхности раздела.

Прочностные характеристики при растяжении армированного углеродными волокнами алюминия, полученного методом жидкофазного горячего прессования с использованием охлаждаемых плит, приведены в табл. 7.4. В композиционных материалах на основе высокомодульных графитовых волокон марок НМ/718 и М 40/718 степень реализации прочности волокон составляет приблизительно 80%, а в композиционном материале на основе высокопрочных углеродных волокон марки НТ/718 — 25%. Прочность при растяжении поперек волокон во всех слу-

Табпица 7.2. Характеристики при растяжении полуфабрикатов в виде проволоки из алюминия, армированного углеродными волокнами [9]

Заготовки в

Прочность

Содержа

Количество

Прочность

Отношение

виде проволо

при растя

ние во

образовав

при растя

измерен

ки, полученные

жении вдоль

локон.

шегося

жении, рас

ной проч

методом про

волокон,

об. %

считанная 1

ности к

питки

МПа

масс. %

в соответ

прочности.

ствии с

рассчитан

правилом

ной в соот

смесей, МПа

ветствии с

правилом смесей, %

Т 50/ 356 А1

Т 50/А413 А1

Т 50/6061 А1

Т 50/201 А1

Т 50/5056 А1

Т 50/1100 Al

Т 50/5154 А1

500 - 71428 - 33200-500774 - 90863-79

500 - 73526 - 33765 - 90865-81

612 — 82727 — 34300—700786 — 92977—88

684 — 85727 — 32200—500786 — 88886-97

61230150085769

643 — 78621 — 23350663 — 704 98 — 100

684 - 78628 - 32150806 - 888 65- 89

Таблица 7.4. Прочностные характеристики при растяжении алюминия, армированного углеродными волокнами и полученного методом жидкофазного горячего прессования [4]

Условия формова- ння [температура (К)； давление (МПа)； время (мин

Прочность при растяжении )]вдоль волокон, МПа

Содержание волокон, об. %

Количество образовавшегося AI3C4, 10^ масс.%

Прочность Отношение при рас- измеренной тяжении, прочности рассчи- к прочное-

тайная в соответствии с правилом смесей

ти, рассчитанной в соответствии с правилом смесей, %

т 50 / 356 А1

306 - 418

(900; 2,86; 10)

37-57

800 - 3000

Ю00 - 1388 31 - 30

Т 30/А 413 А1 (872; 4.29; 10)

276 - 378

т 50/6061 А1

(900; 4,29; 10)

(889; 4t29; 10)

582-755

510 - 704

41 - 50

28 - 33

750 - 2500

300- 1000

1082 — 125€

806 — 908

> 53 - 59

83 — 77

(839; 21,4; 30)

Т50/201 А1

398 - 541

26-32

250 - 500

755 — 888

52 — 61

(8"； 4,29; 10)

571 — 714

29-34

340 — 700

837 一 929

68-77

(833; 21,4; 30) (833; 21,4； 30)

Т 50/5056 А1

541 - 812

541

28 - 32

28,9

400 - 800

806 - 888

836

88 - 69

84,5

(839; 21,4； 30)

Т 50/1100 А1

347

22,3

1050 一 1450

684

50

(861; 21,4； 40) (906; 14,3; 5)

Т 50/5154 А1

285

316

35

42

4150

2015

959

1102

30

28,5

(889; 4,29; 10)

(872; 4,29; 10)

541 - 822

541

37 — 40

27

600 - 750

250

990 — 1071

786

55- 58

89

Таблица 7.3. Характеристики при растяжении алюминия, армированного углеродными волокнами полученного формованием из полуфабриката в виде проволки [9]

чаях сравнительно низка и оказывается наибольшей у материала марки НТ/718, т. е. у мегаллокомпозита, прочность которого вдоль армирующих волокон меньше, чем у других материалов данного типа.

Композиционный материал

Прочность при рас- Прочность при растяже- тяжении вдоль воло- нии поперек волокон, МПа кон, МПа

НМ/718

815

829

—

G7/ 二 40%,

806

26

р 工 2,33)

792

32

774

79б6

22

24б

814

20

705

22

818

810

—

М 40/718

966

1087

8,2

(〃 =50%,

979

10256

乙1

8,2б

р =2,25)

1037

9,2

1056

—

HT/7I8

426

—

(女 40% ,

389

3766

52

Р = 2,31)

320

45

54б

370

68

а НМ и М40 — высокомодульные волокна на основе попиакрилонит* рила; НТ — высокопрочные волокна на основе полиакрилонитрила; Гу — объемное содержание волокон; р — плотность композиционного материала (г/см3)； 718 — металлическая матрица А1 — 11,5% Si .

6 Среднее значение.

На рис. 7.5 приведены рентгенограммы алюминия, армированного углеродными волокнами и полученного методом жидкофазного горячего прессования. Хорошо видао, что на карбонизованных волокнах марки WH образуется Al4c 3, а для графитизированных волокон марки W3H пики А14С3 не наблюдаются (во всяком случае можно утверждать, что они перекрываются фоном). Приведенные на рис. 7.5 данные объяс-

3540

45

5055

606570

尸〃с. 7.5. Рентгенограммы алюминия, армированного карбонизов энными и графити- зированными волокнами [4].

няют незначительное ухудшение свойств высокомодульных графитовых волокон из-за слабого химического взаимодействия на границе раздела с алюминием и подтверждают совместимость этих волокон с металлической матрицей.

Графитовые высокомодульные волокна на основе пеков имеют низкую реакционную способность при взаимодействии с алюминием и успешно используются для армирования металлов. В настоящее время на основе пековых углеродных волокон с модулем упругости 714 ГПа получают композиционный материал с алюминиевой матрицей, имеющий прочность при растяжении 1020 МПа и модуль упругости 357 ГПа [10].

Одна из особенностей армированного углеродными волокнами алюминия —его теплостойкость. Вплоть до температур на 50 К ниже, чем температура плавления металлической матрицы, сохраняется приблизительно 70% значения прочности при растяжении материала при комнатной температуре; его скорость ползучести в несколько раз меньше, чем у матрицы, и композиционный материал обладает малой ползучестью вплоть до температур на 100 К ниже температуры плавления матрицы [11, 12] . На рис. 7.6 приведены зависимости прочности при растяжении

M7OT砲删硕眺 euwmHaxbEJDd xdsM7OT砲删硕眺 euwmHaxbEJDd xds勿2AI-THORNEL506QS1 Al-THORNEL 50勿2AI-THORNEL506QS1 Al-THORNEL 50勿例勿例4 73573температура, к4 73573температура, к2 勿 AI-THORNEL 50〃勿 AITH0RNEL5,2 勿 AI-THORNEL 50〃勿 AITH0RNEL5,敛敛“7“710100 МО10100 МО切©мн до разрушения, q切©мн до разрушения, qРис. 7.6. Зависимости прочности при растяжении от температуры для алюминия и композиционных материалов на его основе (t,, — длительность нагружения) [Н ].Рис. 7.6. Зависимости прочности при растяжении от температуры для алюминия и композиционных материалов на его основе (t,, — длительность нагружения) [Н ].曲勿^勿仞勿勿勿 8 7 6 5 4 J 7 вПпнлин曲勿^勿仞勿勿勿 8 7 6 5 4 J 7 вПпнлин

M7OT砲删硕眺 euwmHaxbEJDd xds

M7OT砲删硕眺 euwmHaxbEJDd xds

勿2AI-THORNEL50

6QS1 Al-THORNEL 50

勿2AI-THORNEL50

6QS1 Al-THORNEL 50

勿例

勿例

4 73573

температура, к

4 73573

температура, к

2 勿 AI-THORNEL 50

〃勿 AITH0RNEL5,

2 勿 AI-THORNEL 50

〃勿 AITH0RNEL5,

敛

敛

“7

“7

10100 МО

10100 МО

切©мн до разрушения, q

切©мн до разрушения, q

Рис. 7.6. Зависимости прочности при растяжении от температуры для алюминия и композиционных материалов на его основе (t,, — длительность нагружения) [Н ].

Рис. 7.6. Зависимости прочности при растяжении от температуры для алюминия и композиционных материалов на его основе (t,, — длительность нагружения) [Н ].

曲勿^勿仞勿勿勿 8 7 6 5 4 J 7 вПпнлин

曲勿^勿仞勿勿勿 8 7 6 5 4 J 7 вПпнлин

Рис. 7.7. Характеристики ползучести материалов, армированных углеродными волокнами (температура испытания 623 К) [11].

от температуры для материалов, армированных углеродными волокнами, а на рис. 7.7 - характеристики ползучести для тех же материалов.

Усталостные характеристики металлов, армированных углеродными волокнами

На рис. 7.8 приведены усталостные характеристики алюминия, армированного углеродными волокнами и полученного формованием из полуфабриката в виде проволоки. Усталостные характеристики изделий из полуфабрикатов, полученных методом ионной металлизации,

to 0.9 0,8 «7 0,6 0,5 勿 43 Q2 〃to 0.9 0,8 «7 0,6 0,5 勿 43 Q2 〃102103 / 9 105106 107 10sUucno “〃“z?6 испьтаниа102103 / 9 105106 107 10sUucno “〃“z?6 испьтаниаqEJOHhodu HG-WQNbFQ、 SDHqLTBE己0НЕ0qEJOHhodu HG-WQNbFQ、 SDHqLTBE己0НЕ0

to 0.9 0,8 «7 0,6 0,5 勿 43 Q2 〃

to 0.9 0,8 «7 0,6 0,5 勿 43 Q2 〃

102103 / 9 105106 107 10s

Uucno “〃“z?6 испьтаниа

102103 / 9 105106 107 10s

Uucno “〃“z?6 испьтаниа

qEJOHhodu HG-WQNbFQ、 SDHqLTBE己0НЕ0

qEJOHhodu HG-WQNbFQ、 SDHqLTBE己0НЕ0

&c. 7.8. Относительная усталостная прочность алюминия, армированного углерод- ными волокнами [13].

/ - алюминий, армированный углеродными волокнами и изготовленный из пол уф абрик ата в виде проволоки, полученной методом пропитки в расплавленном металле； 2 - композиционный материал 6061AI — борные волокна.

также попадают в заштрихованную зону на рис. 7.8 [13] . Как видно из рисунка, алюминий, армированный углеродными волокнами, имеет высокую относительную усталостную прочность (отношение усталостной прочности к прочности при статическом испытании).

Коррозионная стойкость металлов, армированных углеродными волокнами

Можно ожидать, что коррозионные свойства армированных металлов при контакте металлической матрицы с углеродными волокнами будут ухудшаться вследствие электрохимической коррозии. В работе 、[14]」мссле口овалась стойкость алюминия, армированного углеродными волокнами, к климатическому воздействию путем выдержки его в атмосферных условиях и в морской воде. Шлифуя внешнюю поверхность исследуемых образцов, авторы работы [14] обнажали волокна и исследовали электролитическую коррозию на границе раздела волокно—алюминиевая матрица. После выдержки в морской воде в течение одного года не наблюдалось значительного снижения прочности композиционного материала и коррозия внутри материала почти не развивалась. .рднщ$о_ при наличии дефектов на границе раздела волокно—матрица вблизи поверхности алюминия, армированного углеродными волокнами, коррозия в зоне этих дефектов идет интенсивно. Поэтому при эксплуатации изделий из армированных волокнами металлов следует, по-видимому,

предусматривать защиту внешней поверхности материала (плакирование) металлом, используемым в качестве матрицы (обычно плакирование осуществляют одновременно с формованием), производить окраску, металлизацию или другую обработку поверхности композиционного материала.

Применение металлов, армированных углеродными волокнами

В настоящее время композиционные материалы на основе алюминия и борных волокон применяют на практике в качестве трубчатых ферм орбитального отсека космического корабля ^Спейс шаттл*', в конструкциях фюзеляжей самолетов, для изготовления лопастей вентиляторов и других деталей самолетов. По сравнению с опытом использования других композиционных материалов примеров практического применения металлов, армированных углеродными волокнами, пока еще сравнительно мало. Однако последние могут оказаться весьма перспективными по следующим причинам:

Стоимость углеродных волокон ниже, чем борных волокон или волокон на основе карбида кремния.

Технология получения полуфабрикатов из углеродных волокон эффективна с точки зрения массового производства, так как опирается на уже разработанные методы нанесения металла на волокна из расплава, ионной металлизации и другие.

Углеродные волокна (в частности, высокомодульные пековые волокна) характеризуются хорошей совместимостью с алюминием, магнием и другими металлами. Наличие разнообразных типов углеродных волокон, выпускаемых в различных странах в промышленном масштабе, позволяет выбрать оптимальный вариант волокон для каждого конкретного случая.

Металлы, армированные углеродными волокнами, поддаются тем же методам механической обработки, которые используются для обычных металлических материалов.

При использовании в космических аппаратах композиционные материалы на основе углеродаых волокон и алюминиевой или магниевой матрицы имеют, в частности, более высокую стабильность размеров при изменениях температуры, чем металлы, армированные борными волокнами.

В табл. 7.5 приведены различные области практического применения металлов, армированных углеродными волокнами. В тех случаях, когда требуется высокая удельная жесткость, к числу наиболее перспективных

Таблица 7.5. Перспективные области применения металлов, армированных углеродными волокнами

Применение

Т ребуемая характеристика

Металлическая матрица

Конкурирующий материал, армированный волокнами

Искусственные спутники и космические конструкции Аппаратурная панель искусственных спутников

Удельная жесткость

Корпус искусственного спутника

Антенна

Несущие элементы современных крупногабаритных панелей солнечных батарей

Корпуса оптической аппаратуры

Термическая стабильность размеров

Al, Mg

В/Al В/Mg

Самолеты

Корпус, элементы жесткости, лонжероны

Удельная жесткость, удельная прочность

Al

，в/AI, SiC/Al

Обтекатель

Удельная жесткость

Al

B/Al

SiC/Al

Воздушный винт, лопатка компрессора

Вертолеты

Удельная прочность, удельная жесткость, ударная вязкость

Al

B/Al SiC/Ti

Коробка трансмиссии

Удельная жесткость, удельная прочность

Al, Mg

Al2O3/Mg

Al

Корпус, элементы жесткости, лонжероны

Задние кромки лопасти

То же

Al

B/Al

SiC/Al

несущего винта

Al

B/Al

SiC/Al

Продолжение табл. 7.5.

Применение

ТребуемаяМеталличес-Конкурирую-

характерис-кая матри-щий материал,

Тика^армированный

волокнами

Ракеты

Удельная厶]

жесткость, удельная прочность

Эпектротехнические изделия

Коллекторные щетки электромоторов

Кабели, электрические разъемы

Электролро- Си-

водность, износостойкость Электролро-Си—

водность, высокая прочность

Плоские электроды крупногабаритных электрических батарей

Жесткость,РЬА12О3/РЬ,

прочность, кор-стекло-

розионная стой-ткань/ РЬ

кость

Подшипники и шестерни

Детали звуковой аппаратуры

Износостой-Си, Sn—

КОСТЬ

УдельнаяА1В/А1

Жесткость

следует отнести конструкционные материалы на основе высокомодульных пековых углеродных волокон.

Применение металлов, армированных углеродными волокнами, в космических аппаратах

Среди различных конструкционных материалов, которые предполагается использовать для создания искусственных спутников Земли и космических систем, одни из наиболее подходящих материалов — алюминий или магний, армированные углеродными волокнами [15] . Материалы для искусственных спутников Земли и космических систем должны быть легкими, обладать высокой жесткостью и стабильностью размеров под действием температурного градиента и колебаний температуры. Эти характеристики можно оценить, исходя из таких основных парамет-

声 О二 nEJ°,duK qq-GX 口石工后-声 О二 nEJ°,duK qq-GX 口石工后-2200 2000 18001600 14001200 WOO800 600 4勿2002200 2000 18001600 14001200 WOO800 600 4勿200ве07 A Lве07 A L-(Р700/207)-(Р700/207)® 0е/А1® 0е/А1@聆\1(Р700/6067)@聆\1(Р700/6067)CF/AMGY 70/20)CF/AMGY 70/20)6/AL ,®SiC/Atco，A：3nOKCu0HbiU углепластик吓/AlRMS6/AL ,®SiC/Atco，A：3nOKCu0HbiU углепластик吓/AlRMSТ1 А1 璃 INVARMg IТ1 А1 璃 INVARMg I©С/7Mg(P700/AZ37)©С/7Mg(P700/AZ37)

声 О二 nEJ°,duK qq-GX 口石工后-

声 О二 nEJ°,duK qq-GX 口石工后-

2200 2000 1800

1600 1400

1200 WOO

800 600 4勿

200

2200 2000 1800

1600 1400

1200 WOO

800 600 4勿

200

ве

07 A L

ве

07 A L

-(Р700/207)

-(Р700/207)

® 0е/А1

® 0е/А1

@聆\1

(Р700/6067)

@聆\1

(Р700/6067)

CF/AMGY 70/20)

CF/AMGY 70/20)

6/AL ,®SiC/At

co，A：3nOKCu0HbiU углепластик

吓/AlRMS

6/AL ,®SiC/At

co，A：3nOKCu0HbiU углепластик

吓/AlRMS

Т1 А1 璃 INVAR

Mg I

Т1 А1 璃 INVAR

Mg I

©

С/7Mg(P700/AZ37)

©

С/7Mg(P700/AZ37)

О 4。勿 120 160 200 2勿 280 龙6 360 4宛 “6 4勿〃丁DC,7”®/(jcm)

尸〃с. 7.9. Соотношение между удельным модулем упругости и сопротивлением температурной деформации для различных материалов (CF - углеродные волокна) 口 5].

ров, как удельный модуль упругости, теплопроводность и коэффициент теплового расширения. На рис. 7.9 показано соотношение между этими параметрами для различных материалов. Величина сопротивления температурной деформации TDC (thermal distortion coefficient), приведенная на рис. 7.9, равна отношению коэффициента теплового расширения к теплопроводности материала. Композиционные материалы на основе алюминия (и в еще большей степени магния) и высокомодульных пековых углеродных волокон марки Р 100 (модуль упругости 714 ГПа) имеют высокие значения удельного модуля упругости, высокую теплостойкость и больше подходят для создания космических конструкций, чем другие материалы. В США ведутся интенсивные работы, направленные на применение этих композиционных материалов для изготовления деталей космических аппаратов, перечисленных в табл. 7.5, и, в частности, для изготовления несущих элементов современных крупногабаритных космических солнечных панелей.

Применение металлов, армированных углеродными волокнами, в авиастроении

В настоящее время исследуется возможность применения металлов, армированных углеродными волокнами, для изготовления планеров самолетов, жестких элементов конструкций, лонжеронов, а также для снижения массы пропеллеров, лопаток компрессоров, задних кромок лопас-

тей несущего винта вертолетов и других вращающихся деталей. Вследствие высокого удельного модуля упругости композиционного материала на основе алюминия и углеродных волокон перспективным является его использование в производстве коробок трансмиссии вертолетов, подвергающихся высоким вибрационным нагрузкам.

Применение металлов, армированных углеродными волокнами.

в производстве электротехнических деталей, подшипников и шестерен

Такое применение обусловлено, с одной стороны, электропроводностью и, с другой стороны, самосмазывающимися свойствами материалов на основе углеродных волокон. Введение углеродных волокон в композиционный материал уменьшает скорость износа и коэффициент трения, повышает стойкость к задирам поверхности и т. д. [16—18]. Недавно проводились испытания [19] на скоростной износ находящегося под электрическим напряжением композиционного материала на основе углеродных волокон и сплава Си —Sn. Показано, что для уменьшения скорости износа необходимо увеличить прочность связи на границе раздела волокно—металлическая матрица. С этой целью авторы вводили в композиционный материал добавки титана. Образующийся при этом на границе раздела карбид титана повышает износостойкость материала и резко снижает скорость износа материала.

Промышленное производство металлов, армированных углеродными волокнами, еще не получило достаточного развития; в технологии их изготовления имеется много нерешенных проблем. Высокая стоимость все еще служит серьезным препятствием для внедрения этих материалов в промышленность. В связи с этим армированные углеродными волокнами металлы предполагается применять пока только в тех областях техники, в которых можно, пренебрегая стоимостью материалов, достичь большого технического эффекта. В первую очередь это относится к космическим аппаратам и самолетостроению, где особенно важно снизить вес конструкций независимо от стоимости используемых при этом материалов.

Литература

W. Meyerer, D. Kizer and S. Paprocki: ICCM-2 Proc., p. 141, 1978.

M. Yoshida, S. Ikegami, I. Ohsaki and T. Ohkita: SAMPE, 24, p, 1417, 1979.

3）日本真空技術（株），東邦口^ （株）：特公昭53^34083.

4）川村広人，坂本昭，梶川稔：三菱重工技報，13, p. 142. 1976.

5）大蔵明光，中田栄一，酒井茂男：日本金属学会誌，"，p. 249, 1983.

6)塩田一路，渡辺 治：日木金属学会誌，38, p. 788, 1974.

7)浅沼博，大蔵明光：日本金属学会春菊］大会講演叔耍集，P. 229, 1981.

R.T. Pepper, II. Gigeranzer and T. A. Zack: National SAMPE, 8, p. 338, 1976.

A. A. Watt ed.: Commercial Opportunities for Advanced Composites, ASTM. STP, 704 p. 75, 1980.

S. Paprocki et al.： SAMFE, 24, p. 1451, 1979.

W. C. Harrigan, Jr. and W. W. French: ICCM-1 Proc., p. 519, 1973.

W. H. Pfeifer and M. A. Kinna: 1CCM-2 Proc., p. 153, 1978.

M. F. Amateau and W. D. Hanna: ICCM-1 Proc., p. 586, 1975.

14)沧上 繁，大崎 孝：日本瞪合材料学会誌，6, p. 60, 1980.

L. Rubin: SAMPE Journal, July/August, p. 4, 1979.

J. P. Giltrow and J. K. Lancaster: Wear, 12, p. 91, 196S.

17)坂本 昭：日本金属学会第IK総会分科繳維系複合材料^^^i>^厶予稿，p.24> 1974.

M.F. Amateau and D. L. Dull: Summary of the Proceedings of the Second Conference on Carbon Fiber Reinforced Metal Matrix Composites, p. 58,1978.

A. Kitamura, T. Teraoka and R. Sagara: ICCM-4 Proc., p. 1473, 1982.

ГЛАВА 8

ОСОБЕННОСТИ УГЛЕПЛАСТИКОВ В СРАВНЕНИИ С ДРУГИМИ АРМИРОВАННЫМИ ПЛАСТИКАМИ

Среди полимерных материалов, армированных непрерывными волокнами, углепластики 一 одни из наиболее перспективных. В настоящее время для получения армированных пластиков используются, как известно, не только углеродные волокна. Уже продолжительное время применяются борные волокна, которые по сравнению с углеродными волокнами обладают большей жесткостью. Арамидные волокна, с появлением которых изменились наши представления о свойствах органических волокон, имеют значительно меньшую плотность, чем углеродные волокна. Волокна из карбида кремния и оксида алюминия весьма стойки к воздействию высоких температур. Поэтому углеродные волокна используют тогда, когда они могут успешно конкурировать по свойствам с другими волокнами. Недостатки материалов на основе углеродных волокон можно компенсировагь, используя гибридные армированные пластики, которые получают путем сочетания в одном материале углеродных и других типов волокон. Таким образом, при создании современных композиционных материалов применяют дифференцированный подход к выбору волокон или их комбинаций.

Арамидные волокна и армированные пластики на их основе

Арамидные волокна

Широко известный представитель полиамидных волокон — найлон. Полиамиды наряду с основными и кислотными группами могут содержать ароматические ядра, и в этом случае волокна из них называются арамидными. Из жесткоцепных арамидов с паразамещенными звеньями фирмой ''Дюпон” изготавливаются арамидные волокна марки KEVLAR со следующей структурной формулой:

十 NH —NHCO —— СС)+

Фирмой ‘‘Энка” разработаны волокна марки ARENKA，фирмой ''Тэйдзин'' - волокна марки НМ-50; известны и другие волокна этого типа [1] . Наряду с высокой прочностью и высоким модулем упругости арамидные волокна имеют низкую плотность, обладают соответственно высокой удельной прочностью и поэтому с успехом применяются в качестве армирующих волокон для композиционных материалов (табл. 8.1.).

Таблица 8.1. Характеристики некоторых армирующих волокон [2]

Волокно

Характе- ри стика

KEVLAR-49

Е-стекло

Углеродное высокопрочного типа

Плотность, г/см3

1,45

2,54

1.74

Прочность при растяжении. МПа

3620

2510

2760

Модуль упругости при

растяжении, ГПа

130

70

220

Удельная прочность, км

250

100

160

Характеристики композиционных материалов на основе арамидных волокон

Основным достоинством этих материалов является высокая удельная прочность. Поэтому, используя арамидные волокна, можно снижать вес конструкций, что оказывается весьма эффективным с точки зрения улучшения технико-экономических характеристик летательных аппаратов и т. д. Например, если сравнивать характеристики армированных пластиков на основе волокон KEVLAR49 и других волокон, то из данных табл. 8.2 следует, что можно снизить вес изделий на основе арамидных волокон по сравнению с изделиями на основе стеклянных волокон примерно на 50% и на основе углеродных волокон примерно на 20%. Поэтому материалы на основе волокон KEVL AR-49 используются для изготовления элементов конструкций космического корабля "Спейс шаттл5' (рис. 8.5).

Эти материалы имеют также более высокую ударную вязкость по сравнению с высокомодульными углепластиками. Поэтому для повышения ударной вязкости углепластиков эффективной оказывается гибридизация углеродных волокон с волокнами KEVL AR-49, что дает возможность получать композиционные материалы со сбалансированными заданным образом свойствами по сравнению с материалами на основе одного типа волокон (рис. 8.1). В табл. 8.3 и 8.4 приведены характеристики волокон KEVL AR-49 и других арамидных волокон и армированных пластиков на их основе^)

Композиционные материалы на основе арамидных волокон характеризуются значительной стойкостью к разрушению, которая проявляется D Приведенные в табл. 8.1 и 8.3 данные о прочности волокон KEVLAR-49 существенно различны; в табл. 8.3 значение прочности занижено. - Прим. ред.

Таблица 8.2. Характеристики однонаправленных армированных пластиков (матрица — эпоксидная смола, содержание волокон 60 об,%) [2]

Волокно

Характеристика^^-^^^^

KEVLAR-49

Е-стекло

Углеродное

Плотность, г/см3

1.38

2,08

1,52

Прочность при растяжении вдоль волокон. МПа

1380

1100

1240

Прочность при сжатии вдоль волокон* МПа

280

590

1100

Модуль упругости при растяжении и сжатии вдоль волокон, ГПа

76

39

131

Прочность при межслоевом сдвиге, МПа

48-69

83

96

Коэффициент Пуассона

0,34

0,30

0,25

Удельная прочность при растяжении, км

100

54

83

Удельный модуль упругости, км

5600

1900

8800

в высоких значениях удельной прочности и ударной вязкости материала. Подобно металлам они обладают способностью к пластической деформации, что препятствует хрупкому характеру разрушения. Демпфирующие характеристики армированных пластиков на основе арамидных волокон в 4—5 раз выше, чем те же характеристики углепластиков (табл. 8.5, рис. 8.2). Они обладают также рядом других свойств, которые не могут быть достигнуты при использовании углеродных волокон. Поэтому арамидные волокна представляются весьма перепективными для практического применения.

勿[

§ qEJQXPHg HDHdk§ qEJQXPHg HDHdkДоля Вопокьн KEVLAR-49, %Доля Вопокьн KEVLAR-49, %Рис. 8.1. Ударная вязкость однонаправленных гибридных ком по зици онны х материалов в зависимости от соотношения волокнистых наполнителей (матрица -эпоксидная смола, общее содержание волокон 60 об.%) [2].

§ qEJQXPHg HDHdk

§ qEJQXPHg HDHdk

Доля Вопокьн KEVLAR-49, %

Доля Вопокьн KEVLAR-49, %

Кривая 1 — гибридный материал на основе волокон KEVLAR-49 и углеродных волокон HERCULES HMS； кривая 2 — гибридный материал на основе волокон KEVLAR-49 и углеродных волокон THORNEL-300.

Таблица 8.3. Характеристики арамидных волокон [[]

Арамидное волокно

Фирма- изготовитель

Плотность, Т/м3

Прочность при растяжении. МПа

Модуль упругости при растяжении, ГПа

KEVLAR-29®

KEVLAR.49®

Du Pont

1,44

1,45

2740

3620

63,5

130,5

НМ- 50

мТэйдзин"

1,39

3040

75,5

ARENKA REG

ARENKA D-930

”3нка”

1,44

1,45

2550

2550

68,6

129,4

Табли^а 8・4 Характеристики пластиков, армированных- арамидными волокнами (матрица - эпоксидная смопа,' содержание волокон 60 об.%) [i]

ХаракК^竺J^VLAR-49

НМ-50

Прочность при растяжении, МПа1120

Прочность при изгибе

1310

(трехточечная схема наг

ружения),МПа690

Модупь упругости при изгибе, ГПа69

Прочность при межспоевом

сдвиге, МПа30

Энергия разрушенияа> Дж5,7

Динамическая 叩очность, кН0,56

580

49

38

7,7

0,51

аИспытания на ударную вязкость по Изоду прово дипи без надреза в направлении поперек волокон.

R • 1СНR • 1СНТаблица 8.5. Коэффициент затухания3 свободных колебаний некоторых конструкционных материалов [2]

R • 1СН

R • 1СН

Материал

Сталь 1020< 20

Ковкий литейный чугун30

Эпоксидный углепластик30

Эпоксидный стеклопластик47

Эпоксидный пластик на основе волокон侄。

KEVLAR

а Коэффициент затухания свободных колебаний R определяли по формуле К~4%/4%+1 (рис. 8.2).

Рис. &2. Схема определения коэффициента затухания свободных колебаний.

Перспективы разработки новых арамиднь»х волокон

Как уже отмечалось, арамидные волокна 一 один из перспективных видов волокон для армирования композиционньгх материалов. В настоящее время интенсивно разрабатываются новые типы арамидных волокон с улучшенными свойствами. Например, фирмой Du Pont разработаны арамидные волокна марки FIBER D с модулем упругости, в 1,3 раза большим, чем у волокон KEVLAR-49 [3] . Для улучшения свойств арамидных волокон часто используют обработку их поверхности. Повышение адгезионного взаимодействия в системе армирующие волокна — полимерная матрица существенно улучшает статические и динамические свойства композиционных материалов.^) По современным данным, имеется значительный резерв для повышения адгезионного взаимодействия арамидных волокон с полимерной матрицей. Для поверхностной обработки волокон используют различные аппреты [4] , плазменную обработку поверхности [5] , ионное травление [6] и другие методы.

D Это весьма дискуссионный вопрос, так как адгезионная прочность в системе арамидные волокна-полимерная матрица выше прочности этих волокон в поперечном направлении; разрушения на границе раздела компонентов обычно не наблюдается. - Прим. ред.

Перспективы разработки армированных пластиков на основе арамидных волокон

С учетом высоких значений удельной прочности, ударной вязкости и других ценных характеристик арамидных волокон, по-видимому, перспективно широкое применение армированных пластиков на их основе в качестве конструкционных материалов в самолето-, ракето- и судостроении. Предполагается также рост применения этих материалов для военных целей (пуленепробиваемые жилеты, каски и т. д.) [7] . Перспективность перечисленных областей применения определяется комплексом указанных выше свойств.

По всей вероятности наряду с использованием арамидных волокон в моноволокнистых конструкционных материалах их будут применять в гибридных материалах путем сочетания с углеродными и другими волокнами.

Борные волокна и армированные материалы на их основе

Борные волокна

Борные волокна имеют плотность 2,63 г/см3, прочность при растяжении 4300 МПа и модуль упругости 380 ГПа; по сравнению с углеродными волокнами они обладают преимуществами благодаря сочетанию высоких прочностных и упругих свойств. Механические характеристики борных волокон практически совпадают с аналогичными характеристиками углеродных волокон. Следует отметить, что диаметр борных и углеродных волокон существенно различается. Это необходимо иметь в виду при оценке их работоспособности в составе армированного материала в условиях различного напряженного состояния. Борные волокна обычно имеют диаметр 100 мкм; выпускаются также борные волокна диаметром 140 и 200 мкм. По сравнению с углеродными волокнами, диаметр которых составляет 5—6 мкм, площадь поперечного сечения борных волокон на 2—3 порядка выше. При производстве борных волокон химическим осаждением на сердечник из вольфрамовой проволоки или на углеродное волокно [7] увеличение диаметра борных волокон приводит к повышению производительности технологического процесса их производства. Больший диаметр волокон дает следующие преимущества: 1) простоту в обращении; 2) хорошее проникновение матрицы в межволоконное пространство вследствие малой удельной внешней поверхности; 3) высокое сопротивление потере устойчивости при сжатии.

При получении высококачественных композиционных материалов очень важным фактором является хорошая смачиваемость поверхности

волокон связующим. Обычно полимерные связующие хорошо смачивают поверхность армирующих волокон; при использовании металлических связующих проблема смачиваемости приобретает особое значение. И борные, и углеродные волокна плохо смачиваются расплавами металлов и сплавов. Поэтому, для того чтобы металлическое связующее достаточно хорошо проникало в межволоконное пространство, необходимо проводить специальную обработку поверхности волокон. Однако такая обработка элементарных волокон в пучке затруднена контактом волокон друг с другом; это обстоятельство характерно для углеродных армирующих материалов, состоящих из большого числа элементарных волокон. Следует отметить, что вещества, нанесенные на поверхность тонких волокон, оказывают заметное влияние на свойства матрицы. Так, при нанесении поверхностного слоя толщиной 0,5 мкм на волокна диаметром 5 мкм площадь поперечного сечения поверхностного слоя составляет 44% площади поперечного сечения волокон. Это приводит к заметному изменению механических и физических свойств матрицы. Площадь поперечного сечения поверхностного слоя такой же толщины, нанесенного на борные волокна диаметром 100 мкм, составляет всего лишь 2% площади поперечного сечения волокон и его влияние на свойства матрицы менее значительно.

Недостатком волокон большого диаметра является их малая гибкость. Углеродные волокна могут быть изогнуты при достаточно малом радиусе закругления, что позволяет изготовлять из них ткань. Борные волокна могут использоваться для намотки изделий только большого диаметра или для получения изделий другими методами переработки, при которых они подвергаются минимальному изгибу.

Композиционныг материалы на основе борных волокон и металлической матрицы

Рассмотренные выше особенности борных волокон явились причиной того, что их применяют главным образом в сочетании с металлическими, в частности алюминиевыми, матрицами. Композиционный материал алюминий 一 борные волокна формуют прессованием листов препрега при температуре выше 500 °C, как при получении металлокомпозитов на основе углеродных волокон. Композиционный материал алюминий —борные волокна можно применять при значительно больших температурах, чем композиционные материалы на основе полимерной матрицы. На рис. 8.3 показана зависимость от температуры прочности при растяжении различных композиционных материалов на основе алюминия и борных волокон [8] . Как видно из рисунка, высокая прочность таких

Рис. 83 Зависимость от температуры прочности при растяжении различных композиционных материалов на основе алюминия и борных волокон [8].Рис. 83 Зависимость от температуры прочности при растяжении различных композиционных материалов на основе алюминия и борных волокон [8].Qawxo工olfog YnJOMnzdu nnHau"gadua工Qawxo工olfog YnJOMnzdu nnHau"gadua工

Рис. 83 Зависимость от температуры прочности при растяжении различных композиционных материалов на основе алюминия и борных волокон [8].

Рис. 83 Зависимость от температуры прочности при растяжении различных композиционных материалов на основе алюминия и борных волокон [8].

Qawxo工olfog YnJOMnzdu nnHau"gadua工

Qawxo工olfog YnJOMnzdu nnHau"gadua工

- алюминий 6061 + 48 об.% борных волокон диаметром 145 мкм [ Kreider et al. (1971).] ； 2 — алюминий 1 100/2024 + 22 об.% борных волокон диаметром 100 м мкм [Anthony and Chang (1968) ] ; 3 — алюминий 6061 + 5 0 об.% борных волок он диаметром 100 мкм [ Schaefer and Christian (1969) ] ； 4 一 алюминий 6061 + 25 об.% борных волокон диаметром 100 мкм [Schaefer and Christian (1969)]; 5 — алюминий 6061 + 2 5 об.% борных волокон диаметром 145 мм [Toth (1969) ] ; 6 — алюминий 6061 + 50 об.% борных волокон диаметром 100 мкм [Kreider (1969)].

композитов сохраняется даже при температурах выше 400 °C. На рис. 8.4 приведены характеристики металлокомпозитов при испытании на ползучесть [8] . Как видно из рисунка, при длительном нагружении характеристики материалов снижаются незначительно: экспериментальные значения расположены почти параллельно оси времени. В последние годы разработаны новые типы полимерньтх связующих с высокой теплостойкостью. Однако армированные пластики на их основе, например углепластики, все-таки значительно уступают по теплостойкости композиционным материалам с металлической матрицей.

Борные волокна обладают высокой твердостью. Они имеют твердость по шкале Мооса 9,3 и уступают по твердости лишь алмазу. В изделиях из армированных волокнами пластмасс нет настоятельной необходимости применения борных волокон, стоимость которых больше чем на порядок превышает стоимость других волокон. Однако вследствие того, что пластмассы, армированные волокнами, обладают низкой стойкостью к образованию поверхностных трещин, боропластики с высокими значениями модуля упругости и твердости используют в качестве поверхностного слоя в гибридных материалах или конструкциях.

Рис. 8.4. Характеристики композиционных материалов на основе алюминия и борных волокон при испытании на ползучесть (BORSIC - борное волокно, покрытое карбидом кремния).

z^w да ^ ^ ^ри-апка考 HduHz^w да ^ ^ ^ри-апка考 HduH0,01〃7/ 勿 W0дремй до разрушения, ч0,01〃7/ 勿 W0дремй до разрушения, чW00W00Элементарные борные волокна большого диаметра могут использоваться и самостоятельно в качестве некоторых изделий, например акустических консолей, штифтов, стержней точного размера и других.

z^w да ^ ^ ^

ри-апка考 HduH

z^w да ^ ^ ^

ри-апка考 HduH

0,01〃7/ 勿 W0

дремй до разрушения, ч

0,01〃7/ 勿 W0

дремй до разрушения, ч

W00

W00

Разнообразные композиционные материалы уже применяются в орбитальном космическом корабле многоразового использования "Спейс шаттл" (рис. 8.5). Трубчатые элементы конструкции средней части корпуса этого космического корабля изготовлены из композиционного ма-

Рис. 8.5. Композиционные материалы, используемые в космическом корабле "Снейс шаттл1' [26],

/ — тяги из титанового сплава, упрочненного боропластиком; 2 — трубчатые элементы каркаса из композиционного материала на основе алюминия и борных волокон； 3 — створки грузового отсека из углепластика; 4 — нагруженные внутренним давлением емкости из полимерного композиционного материала на основе волокон Кевлар ; 5 — передняя кромка основных крыльев из углеродуглеродного композиционного материала.

териала на основе алюминия и борных волокон. В настоящее время этот корабль, по-видамому, один из примеров наиболее рационального применения металлов, армированных волокнами.

Волокна из карбида кремния и композиционные материалы на их основе

волокна из карбида кремния

Принципиальную схему технологии производства волокон из карбида кремния марки "Никалон" (фирма "Нихон карбон*', Япония) разработал С. Коя (профессор Научно-исследовательского института металлических материалов Тохокского университета). Затем японские фирмы освоили промышленное производство этих волокон.

Методы получения волокон из карбида кремния

Основные этапы технологического процесса получения волокон марки "Никалон" приведены на рис. 86 Отметим некоторые особенности метода изготовления этих волокон:

Исходное сырье — диметилдихлорсилан (основной продукт химического производства кремнийсодержащих соединений) выпускается в массовом масштабе в Японии и других странах.

Сырье для прядения нитей — поликарбосилан, который с точки

Рис. 86 Этапы производства волокон из карбида кремния марки ,,Никалон,1./ — дим етил хлор- силан; 2 — натрий; 3 - химическая реакция; 4 — полисилан; 5 - полимеризация; 6 — поликарбосилан; 7 — прядение нити; 8 - придание неплав- кости; 9 - обжиг; 10 — волокна из карбида кремния марки мНикалон*т.Рис. 86 Этапы производства волокон из карбида кремния марки ,,Никалон,1./ — дим етил хлор- силан; 2 — натрий; 3 - химическая реакция; 4 — полисилан; 5 - полимеризация; 6 — поликарбосилан; 7 — прядение нити; 8 - придание неплав- кости; 9 - обжиг; 10 — волокна из карбида кремния марки мНикалон*т.101088S：CS：C

Рис. 86 Этапы производства волокон из карбида кремния марки ,,Никалон,1.

/ — дим етил хлор- силан; 2 — натрий; 3 - химическая реакция; 4 — полисилан; 5 - полимеризация; 6 — поликарбосилан; 7 — прядение нити; 8 - придание неплав- кости; 9 - обжиг; 10 — волокна из карбида кремния марки мНикалон*т.

Рис. 86 Этапы производства волокон из карбида кремния марки ,,Никалон,1.

/ — дим етил хлор- силан; 2 — натрий; 3 - химическая реакция; 4 — полисилан; 5 - полимеризация; 6 — поликарбосилан; 7 — прядение нити; 8 - придание неплав- кости; 9 - обжиг; 10 — волокна из карбида кремния марки мНикалон*т.

10

10

8

8

S：C

S：C

зрения техники безопасности не соответствует требованиям, предъявляемым к новым химическим соединениям.

Поликарбосилановые волокна обычно имеют прочность при растяжении 5 МПа, что значительно меньше прочности полиакрилонитрильных волокон, используемых для получения углеродных волокон. Поэтому лишь благодаря тонкой регулировке технологического процесса удалось решить проблему получения высокопрочных волокон из карбида кремния и наладить их производство.

Свойства волокон из карбида кремния

Основные характеристики волокон из карбида кремния приведены в табл. 8.6. Эти волокна имеют следующие особенности по сравнению с углеродными волокнами:

Они могут работать в среде кислорода при высоких температурах (углеродные волокна в таких условиях начинают окисляться уже при температуре 400 °C).

Реакционная способность при взаимодействии с металлами низка, но смачивание поверхности волокон расплавами металлов довольно хорошее, поэтому производство композиционных материалов на основе металлической матрицы и волокон из карбида кремния с точки зрения технологии проще, чем производство металлокомпозитов на основе углеродных волокон.

Таблица 8.6 . Основные характеристики волокон из карбида кремния марки "Никалон"

Диаметр элементарных волокон, мкм Профиль сечения

Число элементарных волокон в нити Линейная плотность нити, текс Плотность волокна, г/см3

10 - 15

Круглый

500

200

2,55

Характеристика

Значение

Прочность при растяжении, МПа2500 — 3000

Модуль упругости при растяжении, ГПа 180 — 200

Максимальная температура эксплуатации, К 980

Коэффициент теплового расширения 3,1 ' 10-6 (вдоль волокон), КТ

Удельное электрическое сопротивление, (1 — 50)• Ю3 Ом • см

工°£0 -ап工a'gnEQduoa aotyndExaye SQtm5工°£0 -ап工a'gnEQduoa aotyndExaye SQtm514001400Температура^ ℃Температура^ ℃

工°£0 -ап工a'gnEQduoa aotyndExaye SQtm5

工°£0 -ап工a'gnEQduoa aotyndExaye SQtm5

1400

1400

Температура^ ℃

Температура^ ℃

尸〃с. 8.7. Зависимость удельного электрического сопротивления волокон из карбида кремния от режима термообработки.

В отличие от проводящих электрический ток углеродных волокон рассматриваемые волокна являются полупроводниками, и в определенных пределах их проводящие свойства можно регулировать (рис. 8,7).

Предполагаемые области применения волокон из карбида кремния