Рассмотрим принципы выбора материала волокон

Волокна, вследствие соотношения W~1/d,прочныиз любого материала: из металлов, керамики, полимеров и углерода, но по другим свойствам они сильно различаются. Например, по прочности (по сопротивлению разрушению на растяжение) стеклянные волокна равны или даже чуть выше углеродных, но по жёсткости они существенно различаются: стекловолокно сильно растягивается (на 2…5%); углеродное волокно почти не деформируется. Поэтому, когда требуется жёсткость при больших нагрузках, стекловолокно не применимо.

В изделиях, подвергающихся ударам, требуется композит с высокой ударной прочностью. Мощным стимулом для разработки таких композитов явилась военная техника, требующая пуленепробиваемых материалов. Ни стекло, ни углерод для этого не подходят. Применяют менее жесткое, но ударопрочное полимерное армидное волокно.

Важнейшим принципом выбора волокна является его химическая совместимость с материалом матрицы. Для обеспечения синергизма требуется хорошее смачивание материала волокна расплавленной, ещё не затвердевшей матрицей при изготовлении композита. В то же время при взаимодействии с матрицей в процессе изготовления композита не должно протекать химических реакций, разрушающих волокно. Примерами могут служить полимерные волокна, которые обугливаются в расплаве металла, и углеродные, которые окисляются.

Если матрица смачивает волокно, то связь между ними возникает либо за счёт межмолекулярного сцепления, либо за счёт химической реакции (последняя как раз и нежелательна).

Таким образом, в выборе материала волокон руководствуются четырьмя критериями:

q видом прочности композита (постоянной или ударной);

q жёсткостью (деформируемостью) композита;

q смачиванием волокна и его химической устойчивостью в расплаве матрицы.

7.3 Принципы выбора структуры композита и способа его изготовления

Внутренняя структура упорядоченного композита (геометрия армирования) может быть различной, и от этого существенно зависят его свойства.

Наиболее простая геометрия высокопрочного композита напоминает строение фанеры (в этом случае обычно используют полимерную матрицу). Волокна сматывают с бобин, подвергают поверхностной обработке, улучшающей адгезию, протягивают в ванну, где их покрывают полимерной смолой. В результате смола скрепляет волокна в плоский жгут – ленту. Готовые ленты собирают в слоистый листовой материал (аналог фанеры) или же наматывают в сложную форму. Собранный в листы или намотанный материал отверждают термообработкой.

Слои можно накладывать поочередно с разным направлением волокон и формировать в композите клетчатую структуру арматуры. Это придаёт материалу жёсткость.

Недостатком такого композита является отсутствие поперечного армирования в каждом отдельном слое и между слоями, поэтому материал может расслаиваться. Наиболее употребляемые виды плетения арматуры:

q обычный двухосный тканый материал (имеет высокую прочность);

q трёхмерная ортогональная система (состоит из пучков волокон, повышает ударную прочность (вязкость) материала).

Выбор конфигурации арматуры композита определяется следующими факторами:

q зависимостью прочности композита от ориентации волокон;

q гибкостью волокон;

q экономическими затратами на изготовление арматуры.

Выбор материала матрицы и геометрической структуры композита диктует выбор способа его изготовления. Способы изготовления композитов с металлической матрицей ещё не устоялись. Трудности связаны с высокими температурами, при которых происходит пропитка волокон металлическим расплавом. При высоких температурах протекают химические реакции на поверхности волокон. Если химическая реакция затрагивает тонкий слой, то это даже упрочняет связь волокон с матрицей, но если слой утолщается, то продукты реакции могут сильно ослабить эту связь и, кроме того, волокно может разрушиться.

Сегодня разрабатывается ряд низкотемпературных способов изготовления композитов с металлической матрицей. Все они прямо или косвенно основаны на диффузионном связывании.

При прямом диффузионном связывании используют нанесение фольги или порошка металла на волокно и нагрев при температурах ниже температуры плавления металла. В ряде случаев более эффективно диффузионное связывание происходит при высоких давлениях.

Примером непрямого диффузионного связывания (хотя это определение и не точно) является способ лазерного воздействия на композит. Композиты с керамической матрицей не всегда можно изготавливать путём её расплавления. Поэтому иногда используют традиционное спекание, как и при изготовлении обычной керамики. Длинные волокна в этом случае пропитывают суспензией керамического порошка в жидкости – «пластификаторе». При спекании под давлением пластификатор выгорает, частицы керамики уплотняются. Это аналог горячего прессования.

Техника изготовления композитов с матрицей из стекла традиционна, поскольку стёкла легко размягчаются.

Сложные композиты изготавливают в несколько стадий. Углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, принадлежащей к термореактивному типу. Потом собранные волокна нагревают в атмосфере инертного газа. Происходит пиролиз смолы, и остаётся аморфный углерод. Его снова покрывают смолой и повторяют пиролиз. После многократного повторения операций получают прочный малопористый композит.

Перспективен и другой метод: осаждение углерода, полученного пиролизом газовой среды, состоящей из углеродосодержащих органических соединений. Помимо обычного термического пиролиза, возможно применение лазерного пиролиза.

7.4 Прогноз свойств упорядоченных композитов

Свойства композита определяются усредненными характеристиками материалов матриц и волокон. Здесь существенны две задачи: найти способ усреднения и определить зависимость параметров композита от геометрической структуры. Усреднение не арифметическое, а некое функциональное. Иначе говоря, задача теории состоит в предсказании связи свойств композита с внешним воздействием по известным «парциальным» параметрам матрицы, волокна и их компоновке.

Под парциальными параметрами понимают жёсткость, теплопроводность, коэффициент теплового расширения и т.д., формирование которых преследуется при разработке композита. Эта задача пока частично решена для простого слоистого композита. Так, параметр жёсткости в таком композите моделируется системой пружин. Вдоль оси волокон жёсткость матрицы и волокон работает параллельно. Это аналогично действию двух пружин, слабая пружина моделирует матрицу, а сильная волокно. Общая жёсткость определяется пружиной с большей жёсткостью (волокно).

К сожалению, приведённым примером почти исчерпываются теоретические исследования в области поиска связи параметров композита с «парциальными» параметрами его компонентов.