4. Наличием свойств, которыми не обладают компоненты КМ, взятые в отдельности.
5. Однородностью состава и структуры в макромасштабе.
Последний признак позволяет исключить из класса КМ биметаллы, детали с покрытием, сотовые, трубчатые структуры, которые сами по себе являются скорее конструкциями, чем материалами.
Человек использовал композитные материалы еще с древних времен. Известно, что в южных районах Средней Азии, на Ближнем Востоке, в Египте человек строил глинобитные жилища, упрочненные соломой, стеблями тростника, папоротника, папируса и т. д. Израильтяне при изготовлении кирпича также использовали солому, которая предохраняла кирпич от растрескивания в сухом и жарком климате и способствовала повышению прочности сооружаемых построек. В Японии в VIII в. изготавливали статуэтки Будды из сухого лака, пропитыванием полотна лаком. Во всех указанных случаях удавалось получить материалы с более высокими, чем у взятых в отдельности исходных материалов, характеристиками.
Композитные материалы представляют собой гетерогенные (разнородные по своему составу) структуры, получаемые путем соответствующих композиций из мягкого относительно низкопрочного материала — матрицы, и распределенными в ней непрерывными или дискретными высокопрочными волокнами (наполнителем). Свойства композитных материалов в значительной мере определяются структурой наполнителя и расположением волокон, а также природой связующего (матрицы).
В зависимости от наполнителя различают два вида композитов, структурные схемы которых представлены на рис. 12.
1. Композиты с дисперсными частицами (позиция 1). 2. Волокнистые композиты (позиция 2).
Последние, в свою очередь, можно разделить на однонаправленные композиты с дискретными волокнами (2а), композиты с непрерывными волокнами (2б) и композиты с непрерывными волокнами, ориентированными во многих направлениях (2в).
На практике наибольшее применение получили волокнистые композиты. Наиболее распространенной структурой волокнистых КМ является слоистая, когда армирующие волокна лежат в плоскости слоев, связь между которыми осуществляется через прослойки связующего. В слоистых волокнистых структурах толщина изделия создается набором плоских армирующих элементов — препрегов или слоев ткани, или пленки, с наклеенными на нее однонаправленными волокнами наполнителя. Наиболее широко распространенными материалами для формирования современных конструкционных композитных материалов являются стеклянные, углеродные, органические и борные волокна. На их основе разрабатываются также многокомпонентные материалы, в которых используется комбинированный наполнитель, например, сочетание органических и борных волокон, органических, углеродных и стеклянных и т. д.
В качестве связующего (матрицы) наиболее успешное применение при обычных температурах эксплуатации нашли эпоксидные смолы различных модификаций. При умеренных и довольно высоких температурах, достигающих 755°К применяются фенольные и полибезомидные смолы.
Широкое распространение композитных материалов обусловлено возможностью управлять всем комплексом физико-механических свойств этих материалов, обеспечивающих наилучшее воплощение передовых научных достижений.
При этом под механическими характеристиками принято понимать характеристики прочности и жесткости, используемые в расчетах несущей способности конструкции. К таким характеристикам относятся прежде всего
— предел прочности на разрыв σв;
— модуль упругости Е;
— предел прочности на сдвиг τв;
— модуль сдвига G;
— коэффициент Пуассона.
Под физическими характеристиками понимаются характеристики свойств материала: плотность, р, теплопроводность, ударная вязкость, а, диэлектрическая проницаемость, скорость распространения волн и т. д. Изменение механических характеристик композитных материалов определенным образом связано с изменением их физических характеристик. Основные механические характеристики типовых композитных материалов приведены в табл. 1. Там же для сравнения приведены усредненные характеристики традиционных конструкционных материалов — стали, алюминия, титана.
При сравнении материалов с различными механическими свойствами принято использовать объективные сравнительные критерии, которые позволяют оценить эффективность использования данного материала в конструкции. Такими критериями являются удельная прочность и удельная жесткость, которые характеризуются отношением предела прочности σв, модулей упругости Е и сдвига GK плотности материала. Эти характеристики определяют весовую эффективность данного материала. На рис. 13 приведены кривые изменения за последние 75 лет удельной прочности различных конструкционных материалов. Можно считать, что в настоящее время у таких традиционных конструкционных материалов, как сталь, алюминий, титан и др., повышение удельной прочности находится в стадии насыщения. Создание композитов, основанных на использовании стекловолокна, бороволокна, углеродного волокна позволяет получить такие удельные прочности, которые в несколько раз превосходят удельные прочности традиционных конструкционных материалов. При этом для композитного материала характерна тенденция к дальнейшему повышению удельной прочности.
Использование в композитном материале волокон с высокой жесткостью борных, углеродных — позволяет варьировать в самом широком диапазоне зависимость удельной прочности КМ от их удельной жесткости, в результате чего конструктор получает возможность использовать КМ с требуемыми характеристиками прочности при сложном напряженном состоянии изделия (совместном действии кручения, изгиба, растяжения — сжатия), требующего повышенных жесткостных характеристик материала. Это обусловливает существенные преимущества композитных материалов перед металлами, где удельная жесткость примерно постоянна при некотором изменении удельной прочности. На рис. 14 показаны соотношения между удельной прочностью и удельным модулем упругости для различных материалов. Из приведенных данных можно видеть, что область расположения композитов с углеродными волокнами значительно удалена от начала координат и занимает довольно значительное пространство по сравнению с металлами, что наглядно свидетельствует о лучших механических характеристиках композитных материалов.
Управление удельной прочностью и жесткостью, а также другими физико-механическими свойствами композитных материалов осуществляется путем изменения направления укладки волокон или одноосных тканей различного плетения как в плоскости, так и по толщине изделия. В зависимости от ориентации армирующих волокон в плоскости укладки слоистые структуры можно разделить на следующие основные группы: однонаправленные, ортогонально-армированные (рис. 15а), перекрестно-армированные (рис. 15б) и хаотично-армированные. Одним из главных преимуществ ориентированных КМ является высокая удельная прочность в направлении армирования.
Однонаправленные материалы (см. рис. 12–2б) получают при укладке всех волокон параллельно друг другу. Их называют материалами с укладкой 1:0, указывая этим на отсутствие поперечно уложенных волокон. Такая схема укладки предпочтительна при одноосном (в направлении укладки волокон) напряженном состоянии, например, при одноосном растяжении и сжатии. Прочность однонаправленных КМ в продольном направлении в 2,5–4 раза выше, чем у обычных легких сплавов, что в сочетании с меньшей (для углепластиков, например, в 1,4 раза) плотностью обеспечивает однонаправленным КМ большую в 4–6,5 раза удельную прочность соответственно при одноосном растяжении и сжатии. Однако прочностные характеристики однонаправленных композитов в поперечном направлении обычно на один-два порядка ниже, чем в продольном. Поэтому для обеспечения необходимой прочности в различных направлениях необходима укладка армирующих волокон под определенными углами.
Ортогонально-армированные композитные материалы получают укладкой слоев по толщине во взаимно-перпендикулярных направлениях — продольном и поперечном. При этом число продольных и поперечных слоев в них может быть различным (1:1, 1:3, 2:5 и т. д.). Материалы с укладкой 1:1 являются равнопрочными в продольном и поперечном направлениях. Наибольшее влияние на свойства КМ наряду со свойствами армирующих волокон оказывают углы укладки этих волокон в слое и распределение слоев с фиксированным углом по толщине образца или изделия по определенному закону. Схема перекрестно-армированного КМ представлена на рис. 15б.
Изменяя порядок укладки слоев и угол укладки волокон в них по толщине, можно управлять изгибными и крутильными жесткостями КМ, повышая тем самым прочность на кручение и изгиб. Наглядной иллюстрацией влияния угла укладки углеродных волокон и процентного распределения слоев с фиксированной укладкой по толщине могут служить данные, приведенные в табл. 2. Согласно этой таблицы, видно, что, изменяя угол укладки можно в широких пределах варьировать характеристику прочности и жесткости композитных материалов. Схема перекрестного армирования является определяющей при сложном напряженном состоянии элементов конструкции.