 |
Регулирование (оптимизация) свойств ВПКМ.
|
|
|
|
Свойства ВПКМ определяются не только составом, природой и свойствами матриц, наполнителей, качеством контакта между ними, но и в значительной степени структурой ВПКМ. Регулирование (оптимизация) свойств ВПКМ достигается:
1. использованием волокон и матриц различной химической природы, определяющей их упругопрочностные (и другие) свойства, с различным объемным содержанием компонентов (таблицы 7–9);
2. оптимальным армированием, когда по распределению напряжений в конструкции задаются свойства КМ, созданием анизотропной структуры путем соответствующей схемы армирования для достижения максимальных упругопрочностных характеристик ВПКМ в направлении действия напряжений, обеспечение согласования поля действующих напряжений с полем сопротивления материала (ВПКМ с планируемой анизотропией свойств, таблица 10, рис. 1, 2, 3, 4);
3. использованием наполнителей различной текстуры с различной степенью искривленности волокон; регулированием толщины слоев с различной ориентацией (схемой армирования) волокон;
4. использованием различных технологических приемов формирования изделий (таблица 11);
5. использованием комбинации волокон различной химической природы (межслоевые и внутрислоевые поливолокнистые ВПКМ, гибридные ВПКМ, регулирование упруго–прочностных свойств при статическом и динамическом нагружении, повышение критических параметров гибридных стеклоорганопластиков, углеорганопластиков, стеклоуглепластиков по сравнению с σ, Е, Gc индивидуальных стекло–, угле– органопластиков);
6. сочетанием материалов различной химической природы (многослойные супергибридные КМ, металлополимерные типа Алор, Cиал; полимерно керамические броневые материалы.
|
|
|
Среди разнообразных структур ВПКМ (однонаправленные, ортотропные, с планируемой анизотропией) однонаправленные ВПКМ используются для выбора, анализа возможностей, сравнения свойств ВПКМ различного состава.
Для расчета свойств ВПКМ с требуемой анизотропией используют показатели свойств однонаправленных волокнитов σ+II, σ+⊥, σ–II, σ–⊥, Е+II, Е+⊥, υII, υ⊥,αII, α⊥, Vволокон, Gcд.
Расчетные данные затем используются при конструировании ВПКМ с требуемой анизотропией.
Таблица 7.
Свойства углеродных лент и однонаправленных прессованных углеволокнитов
на их основе (Vв 55 % об.).
| Тип ленты | Ширина ленты, мм | Линейная плотность, м/г① | Плотность нити в ленте, г/см3 | Количество нитей 10 см. не менее | Свойства эпоксидного углеволокнита | |||||
| ρ, г/см3 | Содержание наполнителя, % об. | σ+, ГПа | σ–, ГПа | Еви, ГПа | Толщина монослоя, мм | |||||
| ЛУ ЛУ-П ТУ 6-06-И81-80 | 255±25 | 35±3 | 1,69 | 1,53 | 63±4 | – | – | 165±20 | 0,10±0,01 0,13±0,02 | |
| ЛУ-П②-0.1-А | 255±20 | 30±5 | 1,69 | 460±25 | 1,49 | 62±4 | 0,7 | 0,7 | 157±25 | 0,1-0,12 |
| ЛУ-П-0.1-Б | 255±20 | 30±5 | 1,69 | 460±25 | 1,49 | 62±4 | 0,6 | 0,7 | 157±25 | 0,1-0,12 |
| ЛУ-П-0.2-А | 255±20 | 30±5 | 1,69 | 485±30 | 1,49 | 62±4 | 0,7 | 0,7 | 157±25 | 0,11-0,15 |
| ЛУ-П-0.2-Б | 255±20 | 35±5 | 1,69 | 485±30 | 1,49 | 62±4 | 0,6 | 0,7 | 157±25 | 0,11-0,15 |
| ЭЛУР-П-А ТУ 6-06-И86-81 | 245±30 | 30±5 | 1,71 | 420±25 | 1,50 | 63±4 | 0,9 | 0,9 | 
| 0,11-0,13 |
| ЭЛУР-П-Б | 245±30 | 30±5 | 1,71 | 420±25 | 1,50 | 63±4 | 0,8 | 0,8 |
| 0,11-0,13 |
| ЭЛУР-0,08-П-А | 220±20 | 15±5 | 1,71 | 570±25 | 1,50 | 63±4 | 0,9 | 0,9 |
| 0,07-0,109 |
① позволяет получить листы толщиной 0,07–0,15 мм
② поверхностная обработка (ЭХО)
Таблица 8.
Упругопрочностные свойства прессованных эпоксифенольных углеволокнитов структуры 1:0 и 1:1 (углеродные волокна с σ+1,6 ГПа, Е+ ⋍ 350 ГПа).
| Упругопрочностные свойства, МПа | Структура ПКМ | |||||
| 1:0 | 1:1 | |||||
| Содержание волокна, объемн. % | ||||||
| Модуль упругости при растяжении вдоль волокон | 7000–8300 | 11400–12100 | 16200–18400 | 4200–5200 | 5100–5400 | |
| Модуль упругости при сдвиге вдоль волокон | 1900–2400 | 3500–4300 | 3500–4000 | 2100–2400 | 3700–3900 | |
| Модуль упругости при сдвиге под углом 45о | 2900–3300 | 4600–5200 | 8000–9200 | 23800–26600 | 17000–20000 | |
| Разрушающее напряжение при растяжении вдоль волокон | – | 310–350 | 720–780 | 130–131 | 220–240 | |
| Разрушающее напряжение при сжатии вдоль волокон | 230–250 | 380–460 | – | 180–220 | 240–290 | |
| Разрушающее напряжение при изгибе перпендикулярно волокнам | 400–460 | – | 700–940 | 250–310 | 320–370 | |
| Разрушающее напряжение при изгибе под углом 45о к волокнам | 310–340 | – | – | 270–330 | 240–300 | |
| Разрушающее напряжение при межслоевом сдвиге | 30–35 | – | 27–33 | 23–28 | – | |
Таблица 9.
|
|
|
Упругопрочностные свойства термопластичных
прессованных однонаправленных углеволокнитов.
| Свойства | Типы связующих, углеродных волокон, Vув, % об. | ||||||||
| Полиэфир–эфиркетон, АРС-2, 56 % об. | Полифениленсульфид – 61 % об. | Полиимидное связующие F-178① Т300, 65 % об. | Полисульфон Удел, ПСН | ||||||
| ПСН-439, AS, 70 % об. | ПСН 3004, AS, 66 % об. | ||||||||
| 20оС | 20оС | 20оС | 180оС | 20оС | 180оС | 20оС | 180оС | ||
| Продольные свойства (0оС) | |||||||||
| Предел прочности при растяжении, σв, МПа | |||||||||
| Модуль упругости, ГПа | |||||||||
| Предел прочности при сжатии, σсж, МПа | – | ||||||||
| Модуль упругости при сжатии, Е сж, ГПа | – | – | |||||||
| Предел прочности при изгибе, σи, МПа | |||||||||
| Модуль упругости при изгибе, Е и, ГПа | – | ||||||||
| Предел прочности при межслоевом сдвиге, МПа | 88–110 | 70,3 | 93,8 | 67,5 | 79,9 | 57,9 | |||
| Поперечные свойства (90оС) | |||||||||
| Предел прочности при растяжении, σв, МПа | – | 19,4 | 20,5 | 26,3 | 34,6 | 39,1 | |||
| Модуль упругости, ГПа | – | – | 10,3 | 7,9 | 9,6 | 7,5 | 7,9 | 7,37 | |
① малеимидный реактопласт (для сравнения)
Таблица 10.
Физико–механические свойства имидоуглеволокнитов с различной ориентацией
волокон из углеродной ленты Селион 3000 и связующего LARC-1160.
| Ориентация | Температура испытания, оС | σ+·10-2, МПа | σ–·10-2, МПа | Е+·10-4, МПа | Е–·10-4, МПа | ε +, % | ε –, % | ν |
| (0)t,װ | -170 | 17,6 | 16,0 | 16,3 | 14,0 | 1,14 | 1,42 | 0,37 |
| 17,2 | 12,2 | 15,4 | 12,8 | 1,15 | 1,05 | 0,275 | ||
| 15,6 | 10,4 | 14,4 | 12,4 | 1,28 | 0,96 | 0,31 | ||
| 14,6 | 7,85 | 14,7 | 12,6 | 0,97 | 0,64 | 0,31 | ||
| (90)t,װ | -170 | 0,33 | 2,15 | 0,103 | 0,110 | 0,33 | 2,03 | 0,68 |
| 0,22 | 1,63 | 0,103 | 0,110 | 0,33 | 2,17 | 0,68 | ||
| 0,15 | 1,29 | 0,77 | 0,066 | 0,20 | 2,44 | 0,41 | ||
| 0,17 | 0,85 | 0,487 | 0,054 | 0,37 | 2,80 | 0,31 | ||
| (±45)s,װ | -170 | 1,82 | 2,35 | 0,262 | 0,210 | 0,74 | 1,50 | 0,75 |
| 1,66 | 1,75 | 0,210 | 0,164 | – | 3,00 | 0,76 | ||
| 1,54 | 1,26 | 0,190 | 0,102 | – | 4,17 | 0,84 | ||
| 1,42 | 0,61 | 0,168 | 0,103 | – | 2,27 | 0,92 | ||
| (0, ±45, 90)s,װ | -170 | 5,60 | 7,00 | 0,580 | 0,600 | 0,96 | 1,44 | 0,32 |
| 6,00 | 6,05 | 0,510 | 0,590 | 1,10 | 1,21 | 0,296 | ||
| 6,15 | – | 0,520 | 0,480 | 1,02 | – | 0,325 | ||
| 5,85 | 4,70 | 0,530 | 0,590 | 0,89 | 1,07 | 0,30 | ||
| (02, ±45, 0)s,װ | -170 | 9,50 | 11,00 | 0,980 | 0,930 | 1,04 | 1,52 | – |
| 10,50 | 10,30 | 0,940 | 0,850 | 1,13 | 1,40 | – | ||
| 9,00 | 7,40 | 0,890 | 0,790 | 1,04 | 1,15 | – | ||
| 10,00 | 5,75 | 0,940 | 0,805 | 1,08 | 0,77 | – | ||
| (02, ±45, 0)s,⊥ | -170 | 2,12 | 2,97 | 0,190 | 0,213 | 1,65 | 4,50 | – |
| 2,18 | 2,89 | 0,180 | 0,190 | 1,70 | 1,67 | – | ||
| 2,32 | 2,59 | 0,180 | 0,177 | 1,85 | 1,66 | – | ||
| 2,00 | 2,27 | 0,160 | 0,163 | 1,60 | 1,60 | – | ||
| (0, ±45)s,װ | -170 | 7,00 | 7,40 | 0,663 | 0,740 | 1,10 | 1,30 | 0,75 |
| 7,40 | 7,20 | 0,600 | 0,700 | 0,96 | 1,33 | 0,76 | ||
| 7,00 | 4,90 | 0,580 | 0,550 | 1,25 | 1,26 | 0,84 | ||
| 6,72 | 4,45 | 0,567 | 0,570 | 1,26 | 0,90 | 0,92 | ||
| (0, ±45)s,⊥ | -170 | 2,87 | 3,42 | 0,262 | 0,265 | 1,45 | 1,40 | 0,75 |
| 2,65 | 3,58 | 0,250 | 0,225 | 1,35 | 1,70 | 0,76 | ||
| 2,40 | 2,68 | 0,230 | 0,196 | 1,30 | 1,50 | 0,84 | ||
| 2,04 | 2,45 | 0,220 | 0,189 | 1,15 | 1,60 | 0,92 |
σ+ , Е+, ε + - разрушающее напряжение, модуль упругости при растяжении
|
|
|
и относительное удлинение;
σ– , Е–, ε – - при сжатии;
∥ - испытания параллельно нулевому направлению;
⊥ - испытания перпендикулярно нулевому направлению;
ν – коэффициент Пуассона;
S – симметричная укладка слоев.
Рисунок 1. Зависимость (для различных типов ПКМ) модуля упругости Е + (А), модуля сдвига Gсд (Б), коэффициента разориентации ηφ (В), коэффициента Пуассона υ (Г), прочности при растяжении вдоль волокон 
, поперек волокон 
, 
под углом 45о и соответственно модулей упругости Е 
, Е 
, Е 
(Д) для углеволокнита КМУ-1Л от угла армирования υ.
Рисунок 2. Изменение упругих (А) и прочностных (Б) характеристик углеволокнита КМУ–4Л от угла армирования φ.
|
Рисунок 3. Зависимость Е + (а) и σ+ (б) прессованных эпоксидных углеволокнитов от доли однонаправленных слоёв (А) и слоев с ориентацией ± 45о (В) в структуре волокнита.
Таблица 11.
Зависимость упругопрочностных свойств эпоксидных углеволокнитов*
от технологических способов формования.
|
|
|
| Характеристика | Метод формования | Протяжка (пултрузия) | Вакуумные формование | |||||||||
| Углепластик | AS-826 | AS-5208 | AS-826 | AS-5208 | ||||||||
| Ориентация волокон, град. | ±45 | 0±45 | ±45 | 0±45 | ||||||||
| Содержание волокон, об % | ||||||||||||
| σ+, МПа | 20,0 | |||||||||||
| Е+, ГПа | ||||||||||||
| Относительное удлиннение при разрыве, 10-6 мм/мм | ||||||||||||
| Коэффициент Пуассона, υ | 0,20 | 0,023 | 0,86 | 0,86 | 0,98 | 0,18 | 0,029 | 0,32 | 0,097 | 0,36 | 0,48 | 0,25 |
| σ–, МПа | – | – | ||||||||||
| Е–, ГПа | – | – | ||||||||||
| Предельная деформация при сжатии, 10-6мм/мм | – | – | ||||||||||
| Коэффициент Пуассона, υ | 0,15 | 0,023 | 0,58 | 0,36 | 0,17 | 0,46 | 0,48 | 0,011 | – | – | 0,46 | 0,0087 |
* Углеродные волокна AS, 826 – эпоксидное связующее диановое, 5208 – эпоксидное связующее тетрафункциональное.
При сложных схемах армирования ПКМ необходимо [3, 4]:
1. увеличивать содержание матрицы в слоях, расположенных трансверсально по отношению к основной нагрузке;
2. применять для трансверсальных слоев матрицы с деформативночтью, превышающей деформативность матрицы в нулевых слоях;
3. ориентировать трансверсальные слои под углами ±75 – ±80о, чтобы увеличить деформативность трансверсальных слоев в направлении нагружения за счет деформации сдвига.
В диапазоне углов армирования 0–90о коэффициент анизотропии Ео/Е90 и коэффициент Пуассона изменяются более чем в 20 раза, Gcд l плоскости в 3–4 раза. Отклонение ориентации на углы ±5о снижает упругие характеристики на 5–10 %.
Комбинированные схемы армирования дают значительный эффект. Так углеволокнит [0o, 75 %, + 45o, 25 %] при снижении Ех на 16 %, имеет Еу в 1,7 раза, Gxy и E45 в 2,7 раза более высокие по сравнению с однонаправленным.
|
|
|
