δ %, и ударная вязкость, характеризуемая коэффициентом ударной вязкости а [кг см/ см2]. Значения этих характеристик для ряда материалов приведены в табл. 1 и 4. Там же можно проследить влияние этих коэффициентов на величину коэффициента интенсивности напряжений Кс.
Наиболее эффективным путем повышения стойкости КМ к разрушению является создание гибридных композиционных материалов, состоящих из комбинации высокомодульных углеродных волокон и слоев или переплетений из органических или стеклянных волокон. Принципиально новый этап в создании композитов с повышенной усталостной и ударной прочностью связан с появлением, благодаря успехам химии волокнообразующих полимеров, высокопрочных, высокомодульных органических синтетических волокон с повышенными тепло- и термостойкостью. Отечественного волокна такого типа, как СВН, терлон, армос и др. имеют достаточно высокую жесткость, а по удельной прочности превосходят многие известные длинноволокнистые армирующие наполнители. Основные характеристики армирующих волокон приведены в табл. 3. Несомненным успехом в создании композитов повышенной прочности явилось появление органоволокна кевлар, разработанного фирмой Du Pont (США). Предел прочности при растяжении (σв) некрученого волокна, пропитанного связующим, составляет 367 кг/мм2, крученой пряжи — 281 кг/мм2 при плотности ρ = 1,44 г/см3. Относительное удлинение (δ) волокна кевлар составляет 2,5 %. Волокно обладает хорошей термостабильностью и сохраняет свойства в диапазоне температур от -70 °C до +180 °C с устойчивостью к усадке (0,2 % при температуре 60 °C). Оно стойко к химическим воздействиям, растворителю, жидкому топливу, морской воде. Обладает повышенными демпфирующими свойствами.
Гибридные полимерные композитные материалы на основе углеродных волокон с добавлением органических волокон представляют собой наиболее перспективные конструкционные композитные материалы, поскольку по своим прочностным характеристикам ни в чем не уступают традиционным конструкционным материалам-металлам, значительно превосходя их по весовой отдаче. Органические волокна, добавленные в углепластик, уменьшают плотность КМ и увеличивают его демпфирующие характеристики, сопротивление ударному, эрозионному и коррозионному воздействию. В результате гибридизации повышается ударная вязкость и трещиностойкость КМ по сравнению с углепластиками на углеродной основе.
Обычно для изготовления углеорганопластиков используется органическая ткань и углеродная лента; в качестве связующего используется эпоксидная смола. В настоящее время наиболее перспективными материалами являются композитные материалы марки УТ-900, изготовленной на основе высокопрочных углеродных волокон УКН и по переплетению волокон в материале напоминающий структуру сатиновой ткани (ткань сатинового плетения), и углеорганопластик УОЛ-300-К на основе комплексной ленты УОЛ, содержащей одну основную нить из органических волокон армос на четыре основных нити из углеродных волокон. В этих материалах применено особое связующее, обладающее достаточно высокой температурой отвердения, что позволяет повысить рабочую температуру изделия до 150 °C. Основные характеристики углеорганопластиков приведены в табл. 4. Там же для сравнения приведены характеристики стеклопластика, традиционного углепластика КМУ-3 и органопластика (органотекстолита).
Помимо управления структурным составом композиции КМ — использования гибридных волокон, повышение стойкости к разрушению может быть обеспечено особыми конструктивными мероприятиями внутри проектируемого материала. Эти конструктивные мероприятия основаны на наблюдениях особенностей разрушения в нагруженной конструкции, состоящей из нескольких составных элементов. Развитие усталостной трещины или сквозной пробоины, появившейся в одной из двух состыкованных пластин (например, в элементах обшивки крыла самолета или корпусе автомобиля), останавливается на поверхности раздела этих пластин и не переходит на соседнюю неповрежденную пластину. Это наблюдение послужило основой для создания т. н. стоперов трещин, которые представляют собой дополнительные включения в структуру материала, предотвращающие катастрофическое развитие усталостных трещин, пробоин или глобальных расслоений, вызванных ударными нагрузками.
Различают стоперы двух типов — высокомодульные (ВМС) и низкомодульные (НМС). Они формируются путем местного изменения жесткости и вязкости разрушения композитного материала. Их функция заключается в создании зон повышенной вязкости разрушения по сравнению с основным материалом конструкции, в которых происходит остановка распространяющейся трещины. Кроме того, высокомодульные стоперы, воспринимающие большую часть нагрузки, снижают интенсивность напряжений на кончике трещины, находящейся в основном материале, препятствуя тем самым ее развитию.
Для формирования высокомодульных стоперов обычно используют однонаправленную борную ленту, пропитанную связующим ЭНФБ, а для изготовления низкомодульных стоперов применяют однонаправленную кордную стеклоткань Т-25, также пропитанную связующим ЭНФБ.
По сравнению с панелями, усиленными ВМС, развитие начального дефекта в изделиях с НМС происходит при меньших нагрузках. Дальнейший характер разрушения для обоих типов стоперов одинаков.
Проведенные испытания показали, что с помощью стоперов можно остановить катастрофическое развитие начального дефекта в виде острой прорези (трещины) и повысить остаточную прочность в зависимости от ширины стопера и межстоперного расстояния в два-три раза по сравнению с неусиленной панелью, содержащей дефект, равный меж-стоперному расстоянию.
Использование стоперов разрушения с выбранным по условиям прочности конструкции межстоперным расстяжением позволяет разрабатывать, так называемые безопасно-повреждаемые конструкции — конструкции, в которых появление локальных повреждений не приводит к катастрофическому разрушению всей конструкции. Например, крыло, горизонтальное оперение, киль боевого самолета, обшивка которых разделена стоперами на безопасно повреждаемые квадраты, прямоугольники, могут выдержать попадание нескольких осколочно-фугасных снарядов средств ПВО противника без каких-либо серьезных последствий для самолета в целом, поскольку разрушение пространства, ограниченного стоперами, не ведет к развитию разрушения на всю конструкцию.
Аналогично размещению внутри КМ стоперов разрушения, можно предусмотреть установку в теле материала специальных датчиков, например, тензодатчиков, которые обеспечат контроль за появлением трещин и ходом развития разрушения. Возможность прогнозирования разрушения позволит обеспечить повышенную надежность, живучесть и предсказуемость изделий из композитных материалов.
Наряду с отмеченными конструктивными особенностями композитные материалы обладают и значительными технологическими преимуществами по сравнению с традиционными конструкционными материалами. Отметим главные из них.
1. Прежде всего процесс изготовления материала и изделия из него представляют единый технологический цикл и это позволяет исключить в дальнейшем многие этапы последующей механической обработки деталей из КМ, поскольку процесс формообразования идет с учетом необходимых допусков для соединения деталей и обеспечения технологической сборки.
2. Отсутствие механической обработки делает технологию изготовления изделий из композитных материалов практически безотходной.
3. При изготовлении изделий из КМ отпадает необходимость во внешней отделке этих изделий. А это связано с исключением из технологического цикла таких экологически небезопасных производств, как лакокрасочные, гальванические, термические цеха, а также участки шлифования.
Объем использования различных материалов в конструкции самолетов и вертолетов ВВС США.
4. Компактность исходных материалов, необходимых для формирования материала — рулоны тканевой или ленточной структуры наполнителя, емкости со связующим не требуют столь больших складских помещений, которые необходимы, например, при складировании металлопроката.
В настоящее время невозможно четко очертить границы использования композитных материалов — настолько прочно они вошли практически во все области техники несмотря на свой относительно небольшой возраст. Однако наиболее широкое применение композиты получили в авиастроении, поскольку именно в авиастроении идет борьба за каждый килограмм веса летательного аппарата, но не в ущерб его основным качественным показателям — летным характеристикам, прочности, надежности, экономичности. Использование композитов в конструкции планера современных самолетов позволяет добиться снижения массы конструкции для различных агрегатов планера по условиям прочности в пределах 7-18 %. При этом конструктор, изменяя направление укладки армирующих волокон, добивается оптимальной прочности конструкции при растяжении, сжатии, изгибе и крутильных колебаниях, неизбежных при полете на высоких скоростях и, в особенности, при выполнении маневров.
Объем использования различных материалов в конструкции самолетов авиации США приведен в табл. 5. Как видно из этой таблицы объем использования композитов непрерывно возрастает.
Следует отметить также работы по созданию самолета-невидимки по программе «Стэлс». В этом самолете используются только композитные материалы и керамика, поскольку они обладают повышенной радиопрозрачностью, и летательные аппараты, изготовленные из них становятся невидимыми для радаров противника. Первые испытательные полеты самолета в рамках программы «Стэлс» уже состоялись.
Полностью композитный планер имеют отечественные спортивные самолеты Су-26, Су-26М, Су-31. Летчики на этих самолетах не раз завоевывали призы на чемпионатах мира по высшему пилотажу.
Отечественные вертолетостроители с успехом используют стеклопластики для изготовления лопастей винта своих винтокрылых машин. Композитные материалы практически полностью вытеснили металлы в конструкции лопастей вертолетов новейших модификаций.