ПКМ с непрерывными волокнами. Возможности регулирования структуры и свойств.

Михайлин Ю.А.

"МАТИ" - Российский Государственный Технологический Университет

им. К.Э. Циолковского,

Россия,121552, г. Москва, ул. Оршанская, 3.

Введение.

Требования к конструкционным и специальным материалам, наиболее полно отвечающих потребностям современной техники (прежде всего, авиакосмической) стимулировали разработку и широкое использование композиционных материалов КМ), особенно, полимерных композиционных материалов (ПКМ), а среди ПКМ, полимерных композиционных материалов, использующих в качестве наполнителей высокопрочных, высокомодульных непрерывных волокон и текстильных форм из них в виде нитей, жгутов, ровингов, лент (ПКМ с непрерывными волокнами, ВПКМ, армированные пластики, Composite Materials).

Наполнение полимеров дисперсными частицами (порошки, короткие волокна) хотя и позволяет получать ПКМ с более высоким уровнем свойств (особенно, при использовании волокон длиной l в 10–100 раз большей критической длины волокна, l_крит, l»l_крит, когда реализуется механизм перераспределения напряжений с матрицы на упрочняющие волокна), получать материалы со специальными свойствами (токопроводящие, магнитодиэлектрические, электроактивные и др.), но не дает возможности реализовать главное преимущество композиций с непрерывными волокнами (Composite Materials, ВПКМ, армированные КМ) – возможность конструирования структуры материалов с планируемой анизотропией свойств. Оптимальное армирование ВПКМ выделяет их в самостоятельную группу наполненных полимерных материалов (при наполнении порошками и короткими волокнами эффект анизотропии отсутствует, такие гетерофазные материала сохраняют изотропность). В отечественной практике термины "армирующие наполнители", "армированные пластики" применительно к материалам, наполненным порошками и короткими волокнами используются неправомерно (их относят к композиционным не с точки зрения механики и физики гетерофазных систем, а исходя из конъюнктурных соображений с использованием привлекающей потребителя терминологии). Иногда композиционными называют материалы, которые к КМ не имеют отношения (смеси термодинамически совместимых полимеров; полимеры, модифицированные с помощью добавок низкомолекулярных веществ и др.).

В зарубежной науке и технике к композиционным материалам (Composite Materials) чаще всего относят материалы, использующие в качестве наполнителей непрерывные высокомодульные волокна (борные, углеродные, SiC, СВМПЭ, Кевлар), текстильные формы из них (нити, жгуты, ленты), позволяющие конструировать структуры ([0, ±45], [0, ±45, 90, 0] и другие) композиционных материалов, обеспечивающих оптимальные свойства при различных видах нагружения.

ВПКМ – гетерофазные композиции, структура которых, при использовании современного расчетного аппарата, может быть оптимизирована по отношению к характеру внешних воздействий и сконструирована с требуемым уровнем анизотропии свойств. ВПКМ – материалы многофункционального назначения, которые в зависимости от свойств компонентов, могут сочетать конструкционные свойства с радиопрозрачностью, химстойкостью, радиационной стойкостью и экранирующей ионизирующее воздействие способностью, радиоэкранированием и радиопоглощением, используемым для уменьшения радиолакационной заметности, УРЗ, в технологии Stealth.

Трещиностойкость ВПКМ.

В ВПКМ осуществляется эффективное перераспределение напряжений деформирования от матрицы к волокну, которое деформируется в соответствии со своими упруго–деформационными характеристиками до разрыва, обеспечивая упрочнение гетерофазной системы. Исчерпание прочности волокон позволяет достичь теоретического предела прочности ВПКМ при выполнении двух условий: отсутствия продольного растрескивания и низкой концентрации напряжений вблизи дефектов [3,4].

Качество контакта компонентов в КМ характеризуют конечными значениями τ_сц, τ_сд, которые следует характеризовать как соотношение когезионных и адгезионных взаимодействий. Удельный вклад адгезионной и когезионной прочности матрицы в прочность ВПКМ при растяжении превышает удельный вклад деформативности матрицы в 15,8 / 1,42 и 15,8 / 5,3 раза соответственно. В зависимости от соотношения между прочностью матрицы, волокна и прочностью их сцепления на границе раздела при каждом виде деформирования возможны три случая разрушения ПКМ:

1) когезионные по матрице (σ_в > σ_сц > σ_м);

2) когезионные по волокну (σ_м > σ_сц > σ_в);

3) адгезионно–когезионное по межфазной границе и по матрице (σ_в > σ_м ≥ σ_сц);

Разрушение и рост исходной трещины (дефекта) начинается, если напряжение у вершины трещины достигает предела прочности материала. Распределение напряжений у вершины трещины существенно зависит от того, является ли матрица упругой или пластичной. В случае термопластичных и термореактивных матриц и ПКМ в вершине трещины наблюдается зона пластической деформации. В зоне пластичности матрицы сдвиговые напряжения, равны пределу ее текучести при сдвиге.

Оптимальные значения предела текучести матрицы уменьшаются при увеличении модуля упругости волокон. Использование матриц с повышенными прочностными и адгезионными характеристиками может привести к хрупкому разрушению ВПКМ.

При излишнем снижении этих характеристик проявляется опасность растрескивания ПКМ из-за наличия компоненты сдвиговых и трансверсальных растягивающих напряжений, либо из–за эффекта Пуассона, либо вследствие отклонения напряженного состояния от идеального одноосного. Как при растяжении, так и при хрупком рузрушении свойства матрицы влияют на прочность ПКМ гораздо сильнее, чем при разрушении вследствие исчерпания прочности волокон.

Прочность при сжатии σ^– находится в прямой зависимости от прочности сцепления матриц с волокном. Прочность при сжатии полимерных матриц в силу специфического строения полимеров выше σ⁺ и σ_ви, но сжатие ПКМ описывается спектром механизмов разрушения, в каждом из которых роль матрицы различна. Для противостояния разрушению при сжатии нужны матрицы с высокими значениями G_сд, σ > 200 МПа.

Для повышения конструкционных свойств ПКМ необходимо учитывать соотношения E_в / Е_м и G_в / G_м, особенно при их нагружении в трансверсальном направлении и при сдвиге.

Увеличение пористости с 1 до 9 % снижает σ_ви ПКМ в 1,5 – 2 раза. Ползучесть ПКМ уменьшается с увеличением модуля длительной упругости матрицы.

При повышении прочности матрицы до (0,05–0,07) σ_в⁺ (до 200 МПа) усталостная прочность ПКМ может составлять 800–1200 МПа [4].

С ростом модуля упругости армирующих наполнителей (волокон) необходимы матрицы с резко улучшенной деформативностью, ударной вязкостью и трещиностойкостью. Характеристики ударной вязкости а_к матриц и ПКМ качественными параметрами по Изоду (Дж/м) и по Шарпи (Дж/м²) с надрезом и без надреза образцов следует считать устаревшими (как и теплостойкость матриц и ПКМ по Мартенсу, Т_м). Для характеристики ударной вязкости и трещиностойкости используют показатели удельной поверхности разрушения γ_к, коэффициент интенсивности (силовой параметр) К_с, энергетический параметр (таблица 5).

, где

γ – константа, являющаяся функцией формы и размера образца;

С = π а, "а" – характерный линейный размер опасного дефекта (трещины).

Более удобен для расчетов коэффициент интенсивности:

K² = γ' σ_крит с,

при достижении критического значения которого К_с происходит разрушение:

К² = ЕG_c, G_c = 2γ_F

Трещиностойкость ПКМ симбатно коррелирует с трещиностойкостью матриц. Для практических целей используют и показатели трещиностойкости, характеризующие остаточную прочность ПКМ при сжатии после ударной нагрузки с энергией 3,3; 4,5; 6,7; 9,0 КДж/м (СAI_3,3; СAI _4,5; СAI _6,7; СAI ₉; – стандарт 7260 фирмы Боинг, США) и 265 Дж/м² (стандарт фирм Боинг и Нортроп).

Таблица 5.

Трещиностойкость полимерных матриц [1].

Матрица	GIc, Дж/м2	Матрица	GIc, Дж/м2
Термопластичные	Бисмалеинимидные
Торлон 4000Т		К601
ПИ 2080		С 796/ТМ 123
Полисульфон Р1700		Матрица 5292
Полиэфирсульфон 3600С		1M-АД94-306	330-370
ПЭИ Ултем	1000-19000	Дисбимид RTM
Авимид N (NR-150)		F-178
Авимид К-2	1400-1700	С 796/ТМ 123/ПГ
Авимид К-3
Полиэпоксидные	Полиимидные
ЭД-20+ГМДА	200-575	PMR-15	230-285
ЭД-20+ДЭТА	130-250	Скайбонд
ЭД-20+этилендиамин	280-600	Теримид 600
Эд-20+МФДА	1204-240	Теримид 602	610-815
ЭД-20+МЭА		LARC-13 эласт.
ЭД-20+ТГФА	36-48	PMR-15+NR-150
ЭД-20+УП 606/2	200-250	АПИ-2
ЭД-20+УП 605/3		АПИ-2+СКН
ЭХД+ДАДФСН (ВС 2526)
SR-5208 (МУ 720)
ВС-2561	19,8 (КIc)
ЭДТ-10	29,6 (КIc)

Критерии ЛУМР G_c, K_c, γ_F позволяют рассчитать предельные напряжения, которые выдержит материал.

, где

а – характерный размер опасного дефекта

При разрыве одного волокна а = d_в, но если в ВПКМ имеются пучки контактирующих волокон, то трещина, образующаяся при разрушении одного волокна, перерезает все волокна пучка и длина трещин становится равной а =n · d_β. Критерий Q_xz, характеризующий эффективность поглощения энергии при деформации в зоне устья трещины равен

Если напряжение в ВПКМ , то разрушение отдельных волокон не будет вызывать катастрофического разрушения ВПКМ.

Чем больше вязкость разрушения ВПКМ (параметры ), тем больше критический размер трещин или другого дефекта, приводящего к разрушению ВПКМ.

Условиями, способствующими распространению трещин, инициируемых разрушением отдельных волокон являются: повышение прочности сцепления волокно–матрица; увеличение объемного содержания волокон; неравномерность распределения волокон по объему материала; уменьшение ε⁺_м.

Коэффициент интенсивности напряжений , где а – полудлина трещины (по ISO 13586:2000, 15024:2001), пропорционален прочности ВПКМ и волокон и для большинства КМ (таблица 6).

Вязкость разрушения повышается при: использовании волокон большого диаметра; использовании матриц с высокими значениями G_с, К_с, ε, Е_м; увеличении толщины ВПКМ; оптимальном армировании (например, ВПКМ со структурой [О₄ / ±45]).

С увеличением τ_сд меняется характер распространение трещин. Углеволокниты с волокнами (ЭЛУР–П), поверхность которых активирована методом ЭХО, разрушаются в плоскости, перпендикулярной направлению армирования, многократно меняется направление роста трещин, вязкость разрушения повышается на 5–15 %. Углеволокниты с неактивированными волокнами разрушаются как в плоскости, перпендикулярной ориентации волокон, так и путем расслаивания [4].

Таблица 6.

Характеристика вязкости разрушения однонаправленных

прессованных эпоксидных ВПКМ [4].

ПКМ	Свойства матрицы	Свойства ВПКМ
	σ+м, МПа	МПа/мм0,5	σ+м, МПа	τxz, МПа	МПа/мм0,5
Углеволокниты		0,32
		0,32
		0,32
		3,0
Бороволокнит		0,2
Стекловолокнит		0,32

Тенденции развития ВПКМ.

Композиционные материалы (КМ) разработаны на основе матриц различной химической природы: полимерных (ПКМ), углеродных (УКМ), металлических (МКМ), керамических (ККМ). Комплекс эксплуатационных свойств ПКМ, УКМ, МКМ, ККМ определяется свойствами матриц, наполнителей и взаимодействием компонентов в гетерофазной структуре КМ.

К материалам 1-ого поколения относятся изотропные материалы, которые могут быть однофазными (конструкционные металлические сплавы, объемная керамика, полимеры, модифицированные низкомолекулярными добавками, смеси термодинамически совместимых полимеров и др.) или гетерофазными (композиционными), представителями которых являются материалы, наполненные дисперсными частицами (порошки, короткие волокна) и сохраняющие изотропность свойств на микроуровне. Наполнение полимеров дисперсными частицами позволяет получать ПКМ с более высоким уровнем свойств (особенно, при использовании волокон длиной в 10–100 раз большей критической длины волокна, когда реализуется механизм перераспределения напряжений с матрицы на упрочняющие волокна), а также получать ПМ со специальными свойствами (токопроводящие, электроактивные, магнитодиэлектрические, радиопоглощающие и др.). Такое наполнение не дает возможности реализовать главное преимущество ПКМ, наполненных непрерывными волокна (ВПКМ, армированные ПКМ, Composite Materials), т.е. конструировать структуры высокопрочных и высокомодульных материалов с планируемой анизотропией свойств, что особенно важно для высоконагруженных изделий авиакосмической техники.

Совершенствование ПКМ первого поколения связано с использованием наукоёмких технологий. Примерами таких материалов являются нанокомпозиты [6], использующие в качестве наполнителей дисперсные частицы наноразмеров (нм=10^-9м)керамической (Al₂O₃, SiO₂, "наноглины") и углеродной (фуллерены, нанотрубки, основное применение которых связано с микро– и нано– электроникой, молекулярной электроникой) природы.

Благодаря высоким значениями активной поверхности наночастиц, композиции приобретают ценный комплекс эксплуатационных свойств даже при малом объеме наполнения. Другое направление – получение "молекулярных" композитов на основе жидкокристаллических полимеров, мезофазы которых формируют волокнистые структуры (принцип самоармирования, самоусиления). Механические свойства анизотропных молекулярных композитов аналогичными свойствами полимеров с 20–30 % об. дисперсных наполнений (например, стеклянных волокон).

ВПКМ – материалы второго поколения, анизотропные гетерофазные композиции на основе непрерывных армирующих высокомодульных волокон в виде различных текстильных форм (нити, жгуты, ровинги, ленты, ткани). Стекло–, угле–, органопластики, поливолокнистые (гибридные) межслоевые и внутрислоевые ВПКМ широко используются в различных областях техники, особенно, в аэрокосмических конструкциях, ракетостроении, повышение эксплуатационных характеристик которых достигается и использованием специфических разновидностей ВПКМ (сотовые конструкции, многослойные супергибридные металло–полимерные, полимерно–керамические конструкционные типа Алоров и Сиалов и броневые, устойчивые к высокоскоростному инденторному воздействию, материалы). Структура ВПКМ при использовании современного расчетного аппарата, используемого для вязкоупругих тел, может быть оптимизирована по отношению к характеру внешних воздействий и сконструирована с требуемым уровнем анизотропии свойств. ВПКМ, как правило, являются материалами многофункционального назначения, которые в зависимости от свойств компонентов могут сочетать конструкционные свойства, с тепло– и термостойкостью, химостойкостью, способностью экранировать ионизирующее излучение, радиопрозрачностью, радиоэкранированием, радиопоглощением.

Токопроводящие и магнитодиэлектрические ПКМ, наполненные углеродными компонентами, ферритами, аморфными металлами являются узко– или широкодиапазонными радиопоглощающими материалами, используемыми для уменьшения радиолокационной заметности (УРЗ, технология Стелс).

Основными матрицами ПКМ являются составы на основе реактопластов (отвержденных эпоксидных, фенольных, эпоксифенальных, полипмидных связующих). Их недостатки стимулировали переход к использованию составов на основе термопластов (термопластичные связующие на основе жесткоцепных полифениленоксинов, полифениленсульфидов, полиэфиркетонов, полисульфонов, полиэфиримидов), свойства которых позволяют более полно реализовать высокие упругопрочностные свойства волокон в композиции. Пленочная и волоконная технологии переработки термопластичных ПКМ в изделия существенно упрощает и удешевляет производство изделий из ВПКМ [2, 7].

При оптимизации структур ВПКМ им придается определенный уровень "интеллектуальности", в части хотя и пассивной, но эффективной реакции материала на внешние воздействия (диссипация энергии при разрыве волокон, вязкоупругое поведение и гашение колебаний при вибрациях, остановка роста трещин стопперами и т.д.).

Направленная интеллектуализация материалов (переход к ПКМ 3-его поколения) обеспечивает стабильность свойств конструкционных и специальных ПКМ за счет модификации их специальными компонентами и на основе использования достижений микро– и нанотехнологий, переводящих ПКМ в самодиагностирующиеся и адаптирующиеся к внешним воздействиям интеллектуальные полимерные композиционные материалы (ИПКМ) [8]. За счет введения в объем изделий из ПКМ, ВПКМ (конформно) датчиков (сенсоров, элементов микросенсорики), исполнительных компонентов и механизмов (актюаторов, элементов микромеханики), элементов систем связи, обработка информации и управления (оптические волокна, микропроцессоры, элементы микроэлектроники, микрооптоэлектроники) в ИПКМ реализуются возможности самодиагностики и адаптирования. Для создания датчиков, исполнительных механизмов и систем управления в ИМ используют различные материалы (токопроводящие, электроактивные, фоторефрактивные, люминисцирующие, пьезоэлектрические, фоторезисторные, механохимические, дендримерные, жидкокристаллические и другие полимеры) и процессы.

Контролируемые процессы деструкции ВПКМ (фенольных, фенолокремнийорганических углепластиков) лежат в основе технологии получения углеродных и углеродкерамических композиционных материалов(УКМ, УУКМ, УККМ), нашедших применение в качестве абляционных теплозащитных материалов (ГЧ БРДД, сопловые блоки РДТТ), многоразовых переизлучающих теплозащитных материалов (ТЗ ВКС), материалов для горячих трактов авиадвигателей 5 и 6 поколений.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Михайлин Ю.А. и др., Требования к матрицам конструкционных ПКМ. Учебное пособие, УГАТУ, Уфа, 1996, 70с.

2. Михайлин Ю.А., Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы, С.–Петербург, Изд. "Профессия", 2006, 490с.

3. Трофимов Н.Н., Канович М.З., Основы создания полимерных композитов, М.: Наука, 1999, 540с.

4. Алексашин В.М. и др., Авиационная промышленность, 1997, № 6 , с.25–30.

5. Мазутов Н.А. и др., НТС ВИМИ "Технология". Серия "Конструкции из КМ", 1989, Вып. 1, с.33–41.

6. Muelhaupt R., Kunststoffe, 2004, № 94, № 8, s. 76–88 (ИБ "Полимерные материалы", 2005, № 7).

7. Армированные пластики. Под ред. Г.С.Головкина ­– М.: МАИ, 1997, 402с.

8. Михайлин Ю.А., ИБ "Полимерные материалы", 2004, № 8 (63), № 9 (64), № 10 (65), № 12 (67); 2005, № 1 (68), № 2 (69), № 3 (70).

Михайлин Ю.А.

"МАТИ" - Российский Государственный Технологический Университет

им. К.Э. Циолковского,

Россия,121552, г. Москва, ул. Оршанская, 3.

Введение.

Требования к конструкционным и специальным материалам, наиболее полно отвечающих потребностям современной техники (прежде всего, авиакосмической) стимулировали разработку и широкое использование композиционных материалов КМ), особенно, полимерных композиционных материалов (ПКМ), а среди ПКМ, полимерных композиционных материалов, использующих в качестве наполнителей высокопрочных, высокомодульных непрерывных волокон и текстильных форм из них в виде нитей, жгутов, ровингов, лент (ПКМ с непрерывными волокнами, ВПКМ, армированные пластики, Composite Materials).

Наполнение полимеров дисперсными частицами (порошки, короткие волокна) хотя и позволяет получать ПКМ с более высоким уровнем свойств (особенно, при использовании волокон длиной l в 10–100 раз большей критической длины волокна, l_крит, l»l_крит, когда реализуется механизм перераспределения напряжений с матрицы на упрочняющие волокна), получать материалы со специальными свойствами (токопроводящие, магнитодиэлектрические, электроактивные и др.), но не дает возможности реализовать главное преимущество композиций с непрерывными волокнами (Composite Materials, ВПКМ, армированные КМ) – возможность конструирования структуры материалов с планируемой анизотропией свойств. Оптимальное армирование ВПКМ выделяет их в самостоятельную группу наполненных полимерных материалов (при наполнении порошками и короткими волокнами эффект анизотропии отсутствует, такие гетерофазные материала сохраняют изотропность). В отечественной практике термины "армирующие наполнители", "армированные пластики" применительно к материалам, наполненным порошками и короткими волокнами используются неправомерно (их относят к композиционным не с точки зрения механики и физики гетерофазных систем, а исходя из конъюнктурных соображений с использованием привлекающей потребителя терминологии). Иногда композиционными называют материалы, которые к КМ не имеют отношения (смеси термодинамически совместимых полимеров; полимеры, модифицированные с помощью добавок низкомолекулярных веществ и др.).

В зарубежной науке и технике к композиционным материалам (Composite Materials) чаще всего относят материалы, использующие в качестве наполнителей непрерывные высокомодульные волокна (борные, углеродные, SiC, СВМПЭ, Кевлар), текстильные формы из них (нити, жгуты, ленты), позволяющие конструировать структуры ([0, ±45], [0, ±45, 90, 0] и другие) композиционных материалов, обеспечивающих оптимальные свойства при различных видах нагружения.

ВПКМ – гетерофазные композиции, структура которых, при использовании современного расчетного аппарата, может быть оптимизирована по отношению к характеру внешних воздействий и сконструирована с требуемым уровнем анизотропии свойств. ВПКМ – материалы многофункционального назначения, которые в зависимости от свойств компонентов, могут сочетать конструкционные свойства с радиопрозрачностью, химстойкостью, радиационной стойкостью и экранирующей ионизирующее воздействие способностью, радиоэкранированием и радиопоглощением, используемым для уменьшения радиолакационной заметности, УРЗ, в технологии Stealth.

ПКМ с непрерывными волокнами. Возможности регулирования структуры и свойств.

Комплекс свойств ПКМ определяется свойствами компонентов (матрица, наполнитель), их микро- и макроструктурой, границей раздела фаз, реакцией этих структур на внешние воздействия. ПКМ – гетерофазные материалы, в которых непрерывная матрица, взаимодействующая с наполнителем (межфазный слой – сердце ПКМ, площадь контакта матрица – наполнитель в объеме ПКМ в 1 мм³, со степенью наполнения 50 % об. составляет 450–600 мм²), воспринимает внешние нагрузки и перераспределяет их на наполнитель.

Наиболее высоки конструкционные свойства у ПКМ, использующих непрерывные волокна (ПКМ, однонаправленные, с планируемой анизотропией).

Сочетая в одном материале компоненты разной природы, формы, размеров, регулируя их содержание, можно получать неограниченное количество ПКМ и в очень широких пределах изменять их свойства. Границы изменения характеристик ПКМ в основном определяются верхними и нижними значениями свойств, характерных для основных классов материалов (металлы, керамики, полимеры), и агрегатным состоянием веществ (газообразное, жидкое, твердое).

Основным преимуществом ПКМ является получение материалов, обладающих свойствами, заметно превышающими верхние и нижние границы свойств исходных компонентов (таблица 1).

Таблица 1.

Свойства полимеров, ПКМ и диапозон изменения свойств при переходе от ПМ к ПКМ.

Характеристика	Полимеры	ПКМ	Диапазон изменений свойств ПКМ, число раз
Плотность, кг/м3	760 – 1800	5 – 22000	104
Прочность при растяжении, МПа	8 – 210	0,1 – 4000	104
Модуль Юнга, ГПа	0,1 – 10	0,01 –1000	105
Относительное удлинение, %	0,5 – 1000	0,1 – 1000	104
Удельное объемное электрическое сопротивление	108 – 1020	10-5 – 1020	1025
Теплопроводность, Вт/м∙К	0,12 – 2,9	0,02 – 400	104
КЛТР, 1/оС	(2 – 30)·10-5	104 –5·10-5
Коэффициент Пуассона	0,3 – 0,5	0,1 – 0,5

Использование легких элементов (углерод в органических полимерах, углеродных материалах) наиболее перспективно для производства материалов с высокими механическими свойствами. Теоретическая прочность материала зависит от радиуса атома, образующего химическую связь.

Теоретическая прочность σ_теор может быть рассчитана по уравнению ЛУМР (Гриффитс):

где

γ_F – удельная поверхностная энергия, удельная энергия роста трещин (для полимеров 10²–10³Дж/м²);

Е – модуль Юнга, МПа;

а₀ – расстояние между элементами (межатомное расстояние), образующими структуру, постоянная кристаллической решетки (~10^-8м), длина химической связи, длина дефекта, трещины; а=f (R_атома);

у – геометрические параметры образца;

⋍ – энергетический параметр трещинодвижущих сил, скорость (интенсивность) высвобождения упругой энергии при увеличении дефекта, Дж/м²;

I_с – индекс для условий роста трещины с ее раскрытием при растяжении. Так как а f (R_атома), то при радиусе атома углерода R_c = 0,071 нм, теоретической прочности связи С–С, равной 16-25 ГПа, прочности π-связей С=С в карбо- и гетероциклах 210–250 кДж/моль (прочность первичных связей в кДж/моль: металлические 110-350, ионные 590–1050, ковалентные 160–940, донорно-акцепторные – до 1000) для полимеров составляет 26,5-39,2 ГПа, Е⁺_теор. 40–350 ГПа.

Прочность объемных образцов, разрушающие напряжение при растяжении σ⁺_практ. составляет 60–120 МПа (отвержденные эпоксидные реактопласты), 115–195 МПа (жидкокристаллические ароматические полиэфиры Ксидар, Вектра), 80–90МПа (полисульфоны ПСН, Удел 1700), полиарилсульфоны Radel, полиэфирсульфон Victrex 200P), 100МПа (ПЭЭК), 80–100МПа (полифениленсульфиды Ryton, Fortron фирмы Ticona, Primef фирмы Solvay, обычно с 40 % коротких волокон – 140–180 МПа), 70–80 МПа (полифенилеоксиды Арилокс, Норил), 105–185 МПа (термопластичные полиэфиримиды Ultem, полиимид LARC-TPI, полиамидимид Tорлон), т.е. 2,5–3,8 % от (Е⁺_практ.⋍ 5 %Е⁺_теор.), что связано с высокой дефектностью промышленных полимеров, определяемой структурными и технологическими причинами.

По ЛУМР / ⋍ (а₀/l)^0,5, где l – длина дефекта, трещин, т.е. достаточно иметь трещину длиной 1мкм, чтобы снизилась в 10 раз.

Механические свойства волокон, особенно полимерных и углеродных, при формовании которых (наряду с масштабным фактором) реализуется микрофибрилярная высокоориентированная структура существенно ближе к теоретическим (таблица 2). высокопрочных углеродных волокон 5–7 ГПа, что составляет уже 7–10 % от , равной 70 ГПа. Е⁺_практ высокомодульных углеродных волокон 200–980 ГПа (20–90 % от Е⁺_теор.). высокомодульных углеродных волокон из–за разориентирования микрокристаллов графита с низкой сдвиговой прочностью относительно оси волокна не превышает 3 % (2,5 ГПа).

Значения Е⁺_практ полимерных волокон из ароматических полиамидов, СВМПЭ достигает 50 % Е⁺_теор., = 10–15 % .

Таблица 2.

Теоретические и практические значения модуля упругости (Е⁺) и разрушающего напряжения при растяжении (σ⁺) объемных материалов и волокон [1].

МАТЕРИАЛЫ	, ГПа	Е+теор., ГПа	, ГПа	Е+практ., ГПа
1. ПОЛИЭТИЛЕНЫ (ПЭ)	27–35	240–350
ПЭВМ (формованные изделия)			0,02–0,04	0,4–1,0
ПЭВП (волокно)			0,45–0,80	3,0–8,5
Сверхвысокомолекулярный ПЭ (Тпл 147оС, Траб 100–120оС)
Волокна: Спектра 900 (38 мкм)			2,65
Спектра 1000 (27мкм)			3,10 (до 4)
По гель–технологии
ТEKMILON (ф. MITSUI; ρ 0,96 г/см3, ε 4-6 %			1,5–3,5	60–100
DYNEEMA SK-60 (ф. DSM, Голл.; DFVLR, ФРГ; ρ 0,97 г/см3, ε 3-6 %			2,0–3,5	50–125
ПЭ монокристаллы				–
2. ПОЛИПРОПИЛЕНЫ (ПП)		40–50
Формованные изделия			0,03–0,04	1,1–1,4
Волокно (Тпл 170оС)			0,3–0,7	3,3–10
Волокно по гель–технологии			3,42	21–29 (до 36)
3. ПОЛИАМИДЫ АЛИФАТИЧЕСКИЕ
Формованные изделия (ПА6, ПА66, ПА12, ПА610)			0,07–0,08	1,0–2,6
Волокна (капрон, нейлон)			0,50–0,95	2–4,5
4. ПОЛИАМИДЫ АРОМАТИЧЕСКИЕ (волокна)
СВМ			3,8–100	100–180
РУСАР			3,6–3,8	120–135
РУСАР "О"			4,5–5,0
ВМН-88			3,7–4,5	157–167
КЕВЛАР 49 (К-49, Т969, Т981)			2,8–4,0	125–140
КЕВЛАР PRD-149 (ρ 1,39 г/см3, ε 4,4 %, КИ 25)			2,4–4,2	160–180
ТЕСHNORA HM-50 (ТФК, п-ФДА и 3,4-ДАДФЭ, 2:3 или 1:1			3,1
TBAPON АРЕНКА 900, 930 (ф.Енка Нидерланды, ρ 1,44 г/см3)			2,5–3,0 (до 3,6)	70–130 (до 150)
5. Поли-n-фениленбензтиазол (волокно ПФБТ, ρ 1,58 г/см3, ε 0,9 %			2,7–3,2 (до 5,56)	300–330
6. УГЛЕРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ:
Карбин (сверхкороткие кристаллы)	220–230
Алмаз
Графитовые кристаллы (плотность идеал. 2,27 г/см3)
Стеклоуглерод			0,1–0,24
Промышленные волокна: Зарубежные			905–720	90450–500
Россия	УКН-5000П	27–70		3,5	220–250
КУЛОН (нить)			3,0–4,0	350–450
ВЭН-280			2,5–2,8	600–700
ЭЛУР-П			2,0–2,5	180–200
Из ЖК-ПЕКОВ: ТОРНЕЛ Р-100 UHM (λ 500 Вт/м·К, Ag-450)			2,5 (до 4)
P-120 (λ 600 Вт/м·К)			2,2 (до 4)
P-140 (λ 700 Вт/м·К)			2,5 (до 4)
7. СТЕКЛО	10–14
Промышленные волокна			2,4–5,0	51–116 (до 140)
8. КВАРЦ
Волокна 99,9 % SiO2			2–3 (до 6)

Разработан большой ассортимент волокон (таблица 3) и текстильных форм, которые используются в производстве ПКМ, металлических (МКМ), керамических (ККМ), углеродных (УКМ) материалов и изделий из них.

Таблица 3.

Сравнительные свойства волокон.

Наши рекомендации

Волокна	ρ, г/см3	σ+, ГПа	Е+, ГПа	ε+, %	σ+/ρ, км	Е+/ρ·103, км	Диаметр филамента, мкм	Тдлит. раб. на возд., оС	Тпл, оС
Стекло Е	2,5 – 2,6	1,7 – 3,5	64 – 73		118–138	27,6–30	5 – 25
Стекло S	2,48–2,51	4 – 4,8	78 – 85	5,3	160–194	24,3–30	5 – 15
Углеродные HM/UHM	1,96 / ≥ 2,0	1,86 – 2,5 / 2,5–4,0	До 500 / до 900	0,38–0,5	95–120	164–200	5–12		3650º
Углеродные НТ10К	1,8	5 (до 7)	До 300	1,8–2,1	300–1100	160–200	5–7		3650º
Кварц	2,2–2,3	5,9		1,5–1,8	230–270	29–32	1–3
Базальт (SiO2 49-55 %)	1,7	1,97–2,5 (до 2,85)	71–90 (до 120)	–	–	–	8–14
Асбест (хризотил)	2,4–2,6	1,38–2,1 (до 4,2)	160–172 (до 220)	–			16–30 нм
Al2O3	2,5–3,95	1,3–3,0	115–420	0,35–1,2	–	–	3–25	1000–1400	1800–2500
SiC	2,55–3,4	2,5–4,0	180–450	–	100–150	130–200	10–143	1000–1350
TiC (Tyranno)	2,4	2,5		2,2				1300–1600	–
ПЭТФ, лавсан	1,38	0,6					10–200
ПА-66	1,2
Кевлар 49/149Hm	1,45 / 1,47	3 / 2,4	135 / 160	3,5 / 1,5
Технора НМ 50	1,39			4,3
Спектр