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, G_c 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⁺_⊥, υ_II, υ_⊥,α_II, α_⊥, V_{волокон}, G_cд.

Расчетные данные затем используются при конструировании ВПКМ с требуемой анизотропией.

Таблица 7.

Свойства углеродных лент и однонаправленных прессованных углеволокнитов

на их основе (V_в 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, Есж, ГПа	–	–
Предел прочности при изгибе, σи, МПа
Модуль упругости при изгибе, Еи, 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 G_сд (Б), коэффициента разориентации η_φ (В), коэффициента Пуассона υ (Г), прочности при растяжении вдоль волокон , поперек волокон , под углом 45^о 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.

σ+

Рисунок 3. Зависимость Е⁺ (а) и σ⁺ (б) прессованных эпоксидных углеволокнитов от доли однонаправленных слоёв (А) и слоев с ориентацией ± 45^о (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 – ±80^о, чтобы увеличить деформативность трансверсальных слоев в направлении нагружения за счет деформации сдвига.

В диапазоне углов армирования 0–90^о коэффициент анизотропии Е_о/Е₉₀ и коэффициент Пуассона изменяются более чем в 20 раза, G_cд l плоскости в 3–4 раза. Отклонение ориентации на углы ±5^о снижает упругие характеристики на 5–10 %.

Комбинированные схемы армирования дают значительный эффект. Так углеволокнит [0^o, 75 %, + 45^o, 25 %] при снижении Е_х на 16 %, имеет Е_у в 1,7 раза, G_xy и E₄₅ в 2,7 раза более высокие по сравнению с однонаправленным.