Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
15 Билет.
1. Углепластики (карбопластики, углеродопласты) — это композиты, содержащие в качестве наполнителя углеродные волокна. Этот сравнительно новый класс ПКМ получил в последние годы наиболее интенсивное развитие благодаря своим уникальным свойствам, а именно:
высоким значениям прочности и жесткости
низкой плотности
химической инертности
тепло- и электропроводности
высокой усталостной прочности
низкой ползучести
низким значениям коэффициента линейного термического расширения
высокой радиационной стойкости.
Физико-механические свойства углепластиков
Уровень свойств углепластиков зависит от характеристик применяемых углеродных волокон, вида и текстурной формы армирующего наполнителя, упругопрочностных свойств полимерной матрицы, качества раздела «волокно-матрица», от технологии переработки и структуры армирования материала. Накоплен значительный объем информации о физико-механических свойствах эпоксидных углепластиков, их поведении при различных видах нагружения (статика, повторная статика, динамика) и деформировании (растяжение, сжатие, сдвиг, срез, смятие), а также о ресурсе и сроке их эксплуатации в различных изделиях. В таблице представлены данные о свойствах однонаправленных углепластиков.
Углепластики обладают достаточно высокой длительной прочностью и низкой ползучестью благодаря высокой жесткости и низкой деформагивности углеродных волокон. Коэффициент длительного сопротивления Rt углепластиков в диапазоне рабочих температур t = 80…200 °С и при длительности нагружения r = 500… 1000 ч при растяжении и сжатии составляет 0,5…0,9 % от величины кратковременной прочности материала. Ползучесть углепластиков при длительном нагружении нагрузкой, составляющей (0,4 — 0,5) GВ, как правило, не превышает 0,1…0,5 %. Указанные характеристики благоприятно влияют на работоспособность материала при длительном нагружении с высоким уровнем действующих напряжений.
Углепластики обладают наибольшей среди известных КМ усталостной прочностью. Коэффициент усталостного сопротивления в зависимости от вида и степени асимметрии цикла равен (0.5…0,7) GВ, т. е. в 2-3 раза выше, чем у стеклопластиков, что связано также с высокими значениями модуля упругости углеродных волокон и как следствие более низким уровнем напряжений и меньшей повреждаемостью полимерной матрицы.
Выносливость углепластика может быть оценена через свойства и состав его компонентов следующим образом:
GR= GМ*GB* (EВ/EМ)*K.
Из уравнения следует, что усталостная прочность композита прямо пропорциональна прочности матрицы GМ и модуля упругости армирующих волокон ЕВ и обратно пропорциональна модулю упругости матрицы ЕМ. Коэффициент К характеризует степень использования прочности матрицы при циклическом нагружении и учитывает наряду с природой матрицы влияние технологии изготовления композита и уровень внутренних остаточных напряжений.
По сравнению с другими ПКМ углепластики обладают меньшей удельной ударной вязкостью, трещиностойкостью и остаточ- ностью к концентрации напряжений. Значительное влияние на чувствительность углепластиков к концентрации напряжений оказывает структура армирования и направление приложения нагрузки по отношению к ориентации волокон.
Так, при растяжении под углом ±45° к направлению армирования прочность углепластика очень мало зависит от размера концентратора. Мелкие дефекты, например, отверстия диаметром, не превышающим 4 мм, тоже почти не влияют на прочность углепластика квазиизотропной структуры как при кратковременном, так и при длительном статическом и усталостном нагружении.
Повышение остаточной прочности и вязкости разрушения углепластиков возможно путем создания гибридного (поливолокнистого) материала в виде чередования сплошных слоев углеродных и стеклянных, углеродных и органических наполнителей либо в виде периодически расположенных высокомодульных (борных) или низкомодульных (стеклянных с армированием ±45°) стопоров трещин. Применение высокомодульных стопоров приводит к перераспределению большей части нагрузки на стопоры в вершине трещины, а эффективность низкомодульных стопоров заключается в создании зоны низких напряжений с повышенной вязкостью разрушения, которая препятствует распространению трещины.
Ударную вязкость материала, пренебрегая прочностью матрицы, определяют параметром ((Ga)^2/2Е)*VВ (где Ga — реализованная прочность волокна в композите), поэтому для повышения ударной вязкости углепластиков целесообразно вводить в них высокопрочные, но низкомодульные волокна, какими являются стеклянные или органические волокна. Ударную вязкость поливолокнистого материала, содержащего низкомодульные волокна в количестве V2 с модулем упругости Е2 при реализации прочности волокон в композите G2 и высокомодульные волокна в количестве V1 с модулем упругости Е1 и реализованной прочностью углеродного волокнита в композите G1, можно определить по выражению:
a = ((G1^2)/2E1)V1 + ((G2^2)/2E2)V2
Демпфирующая способность углепластика определяется в основном рассеиванием энергии в матрице, сопровождающимся переходом механической энергии в тепловую, химическую и электрическую, и существенно зависит от уровня нагружения, структуры армирования материала и рабочей температуры. Если однонаправленные углепластики имеют уровень демпфирующей способности вдоль волокон 0,5… 1,0 %, то в диагонально-армированном углепластике она возрастает в 5-7 раз.
Рост механических потерь с увеличением температуры объясняется снижением модуля сдвига углепластика, что связано со значительными физическими изменениями, происходящими в полимерных связующих при повышении температуры. С уменьшением модуля сдвига наблюдается монотонное повышение коэффициента механических потерь.
Рис. Зависимость предела прочности (1) и модуля упругости при растяжении (2), логарифмического декремента затухания (3) от структуры армирования углепластика КМУ-4э
Рис. Зависимость логарифмического декремента от модуля сдвига полимерной матрицы для углепластиков КМУ-Зл, КМУ-1лм, КМУ-4э при температуре: 20 °С (7), 100 °С (2), 150 °С (5), 180 °С (4), 200 °С (5)
Теплофизические характеристики углепластиков зависят от типа волокон, типа и объемного содержания матрицы, содержания пор в матрице, температуры испытаний. Для различных углепластиков они существенно не различаются и находятся в следующих диапазонах:
для коэффициентов теплопроводности 0,5… 1,0 Вт/м*С;
для коэффициентов термического расширения (-1,5.. .0,5)*10-6/°С;
для коэффициента теплоемкости 0,8… 1,5 ккал/кг * °С.
Имеющиеся сведения о поведении углепластиков под влиянием различных факторов внешней среды и в условиях, близких к эксплуатационным, могут быть использованы для прогнозирования их ресурсных характеристик.
Среди разнообразных видов воздействия наиболее опасным и отрицательно влияющим на структуру и свойства для всех ПКМ является климатическое термовлажностное циклирование, чередующееся или сочетающееся с рабочими тепловыми или механическими нагрузками. Свойства углепластиков в сухом состоянии при комнатной и повышенной температурах и после длительного термостарения изменяются незначительно. При совместном действии влаги и температуры наблюдаются структурные превращения в матрице и на границах раздела «волокно-матрица», вызывающие ухудшение характеристик. Механизм изменения свойств, обусловленный сорбцией влаги, связан с двумя основными процессами: потерями температурной прочности и жесткости вследствие пластификации матрицы в объеме и в приграничном слое и потерями из-за микро- и макрорастрескивания матрицы. В зависимости от типа материала их предельное влагопоглощение различается в 1,5—2 раза и составляет для наиболее влагостойких материалов 1 %.
Уровень безопасного содержания влаги в углепластиках составляет 0,6…0,7 %; дальнейшее увеличение содержания влаги может привести к снижению упругопрочностных характеристик углепластиков при максимальной рабочей температуре на 15.. .20 %.
Технологические приемы переработки углепластиков аналогичны технологии переработки СП. В зависимости от формы и геометрических размеров детали применяются соответствующие методы формования: прессование, автоклавное формование, намотка, пултрузия, вакуумное или пресскамерное формование, пропитка под давлением. Главное в технологическом процессе — обеспечить выполнение требований к основным технологическим параметрам проведения режима формования (температура формования и скорость подъема температуры, величина и время приложения давления формования, время выдержки на отдельных режимах формования, скорость и температура охлаждения).
2. Классификация композиционных материалов
Композиционный материал (далее композит) состоит из матрицы одного материала с распределенными в ней заданным образом волокнами или дисперсными частицами другого материала. Такое распределение называют армированием.
По характеру распределения армирующего материала композиты можно разделить на два основных класса:
· композиты с упорядоченным армированием;
· композиты с неупорядоченным армированием.
В первом случае разработчик материала заранее задается конфигурацией, т.е. геометрической структурой распределения арматуры в матрице. Во втором случае распределение арматуры носит случайный, хаотический характер.
Композиционные материалы обоих классов можно разделить еще по типу материалов, используемых в качестве матриц, и армирующих материалов. И те, и другие материалы могут быть полимерами, керамикой или металлами.
Сформулируем основные цели разработки композиционных материалов. Это необходимо сделать, поскольку на первый взгляд кажется, что их создание достаточно сложно. Изготовление волокон — тонких и тончайших нитей — технологически сложно, вследствие чего неизбежен большой брак при их производстве; обязательны специальные меры для получения упорядоченного распределения и т.д. Возникает вопрос, оправдана ли такая технология и если оправдана, то почему.
Обратим внимание на очень важный факт: когда требуется материал с высокими значениями прочности и жесткости (эти понятия отражают разные свойства твердого тела: прочность характеризует сопротивление .разрушению, а жесткость определяет недеформируемость материала) теплостойкости и устойчивости к химическим воздействиям, используют элементы, расположенные в середине Периодической системы, — углерод, алюминий, кремний, кислород, азот. Эти элементы образуют друг с другом соединения с прочными стабильными связями. Типичными представителями таких соединений являются керамические материалы: SiC, Si3N4, Si02, Аl2О3. Для них характерен известный недостаток — большая хрупкость. Но если такой материал изготавливают из мелких частиц или тонких волокон, его прочность значительно повышается. Подтверждением этому может служить оконное стекло — материал очень непрочный, но стеклянная нить, состоящая из тонких волокон, имеет прочность на растяжение 3000 МПа. Для сравнения укажем, что обычная сталь имеет прочность только около 500 МПа.
Высокая прочность мелких частиц связана с тем, что вероятность появления в образце дефекта настолько большого, чтобы вызвать хрупкое разрушение, падает с уменьшением размера образца.
Аналогичный эффект наблюдается и в повышении прочности металлов, и в упрочнении керамики, для чего применяется очень тонкий помол. Кроме того, при разрыве одного волокна дефект не распространяется на другие волокна и нить (жгут) в целом не разрушается, а в однородном материале трещина распространяется вплоть до разрушения всего образца.
Однако простой пучок волокон представляет собой довольно небольшую ценность как конструкционный материал. Для использования максимально возможной прочности волокон их помещают в матрицу, которая играет адгезионную роль — соединяет волокна и к тому же придает материалу форму.
Нагрузка от матрицы на армирующее волокно (рис. 27 а) передается сдвиговыми силами, действующими на его поверхность, которая поэтому должна быть велика по сравнению с площадью сечения волокна, т.е. в одном измерении размер арматуры должен быть много больше, чем в других. Таким образом, волокна-нити — самая выгодная конфигурация арматуры композита для конструкционных применений.
Установлено, что критическое отношение длины волокна L к его диаметру d должно быть примерно L d ³ 100. Понятно, что армирование короткими волокнами и частицами другой формы хуже, чем армирование длинными непрерывными волокнами. Для других неконструкционных целей уже нет необходимости придерживаться этого принципа.
При использовании длинных волокон возникает явление синергизма. Синергетика — это наука, изучающая саморегуляцию в системах с внутренними обратными связями. В случае композита — это влияние волокна на матрицу и матрицы на волокно. При растяжении пучка волокон без матрицы разрыв волокна уменьшает их количество, и удельная нагрузка на оставшиеся волокна увеличивается. Если волокна находятся в упругой или пластичной матрице, то при разрыве волокна его части при растяжении вытаскиваются из матрицы (рис. 27 б). Упругая деформация матрицы, или ее пластическое течение сдавливает разорванные части волокна, и оно еще в какой-то мере продолжает действовать подобно коротким волокнам.
а — нагрузка на целое волокно; б — нагрузка на разорванное волокно
Рис 27. Сдвиговая нагрузка при растяжении композиционного материала, армированного волокнами
Таким образом, основная цель построения конструкционного композита— сохранение прочности волокон в его матрице. Основную же цель построения неконструкционных композитов в общем виде можно сформулировать как улучшение заданного свойства по сравнению с этим же свойством матрицы и волокна в отдельности.