3. Композиционные материалы с одномерными наполнителями

В композиционных материалах этого типа упрочнителями являются одномерные элементы в форме нитевидных кристаллов, волокон (проволоки). Волокна и другие армирующие элементы скрепляются матрицей в единый монолит. Матрица защищает упрочняющие волокна от повреждений, служит средой, передающей нагрузку на волокна, и перераспределяет напряжения в случае разрыва отдельных волокон. Важно, чтобы прочные волокна были равномерно распределены в пластичной матрице.

На свойства волокнистой композиции помимо высокой прочности армирующих волокон и жесткости пластичной матриц оказывает влияние прочность связи на границе матрица — волокно.

Для армирования композиционных материалов используют непрерывные дискретные волокна с размерами в поперечном сечении от долей до сотен микрометров.

3.1. Упрочнение волокнами

Волокно, находящееся в матрице, должно иметь более высокие значения модуля упругости, чем у матрицы (Е^в > Е^м), что является одним из условий получения композиции с высокими механическими свойствами.

Теория композиционных материалов предполагает равномерное Распределение волокон по объему матрицы, их одинаковую направленность и отсутствие проскальзывания на поверхности раздела матрица — волокно вплоть до разрушения композиции. Нагрузка, таким Разом, распределяется между волокнами и матрицей, а деформации композиций ξ^к, матрицы ξ^м и волокна ξ^в будут одинаковы (ξ^к = ξ^м = ξ^в). Прочность композиции σ^в_к в таком случае изменяется в зависимости объемного содержания упрочняющих волокон V^в (рис. 2). Малое содержание объемной доли волокна в матрице (V^в < V_кp) снижает прочность композиции. Волокна, быстро нагружаясь до предельных напряжений, разрушаются и нагрузку воспринимает только матрица, которая и определяет прочность композиции.

Рис. 2. Изменение прочности волокнистого материала в зависимости от содержания упрочнителя

Разупрочняющее действие волокон отмечается вплоть до V_кр, когда вначале происходит разрушение матрицы и дробление волокон. При увеличении объемного содержания доли волокон (V^в > V_кр) нагрузку воспринимают волокна, прочность которых определяет прочность всей композиции. Разрушение волокон под действием приложенной нагрузки приводит к быстрому разрушению матрицы.

Прочность композиции складывается из суммарной прочности волокон и матрицы:

(1)

Аналогичным образом изменяется и модуль упругости композиции:

(2)

Прочность композиции растет до значений объемной доли волокна V^в ~ 0,8 — 0,9, поскольку при больших значениях V^в сложно заполнить пространство между волокнами материалом матрицы, ухудшается сцепление волокна с матрицей и между ними возможно проскальзывание. Кроме того, в этом случае волокна близко расположены друг к другу, что не затрудняет распространение трещин о волокна к волокну.

Критический объем упрочняющих волокон в матрице определяют из уравнения

(3)

где σ^м_т - среднее напряжение течения матрицы в момент разрушения волокон.

Из уравнения (3) следует, что увеличение разницы в прочностных характеристиках волокон и матрицы уменьшает критическую объемную долю V_кр. Критическая объемная доля волокна в матрице может изменяться от 1 до 50%.

При упрочнении композиции дискретными однонаправленными волокнами матрица передает нагрузку волокнам путем пластической деформации, пропорциональной приложенному напряжению. Волокно, имея более высокий модуль упругости, чем матрица (Е^в > Е ^м), ограничивает свободное удлинение матрицы, что приводит к искажению поля деформации. В зоне, прилегающей к волокну, удлинение матрицы равно упругому удлинению волокна (рис. 3).

При увеличении нагрузки максимальные значения напряжений сдвига ограничиваются пределом текучести матрицы τ^м_т. Такого значения тангенциальное напряжение достигает на расстоянии l_кр/2 от конца волокна. Полное использование упрочняющего действия волокна наблюдается в том случае, если напряжения в волокне не достигнут предела прочности σ^в_ь. Критическое значение длины волокна определяют из уравнения равновесия элементов волокна и матрицы:

Рис. 3. Схема совместной деформации дискретного волокна и матрицы (а), эпюры распределения растягивающих напряжений σ в волокне и напряжений сдвига на поверхности раздела

матрица—волокно (б): 1 — искаженное поле деформации; 2 — армирующее волокно; 3 — матрица

откуда

где d — диаметр армирующего волокна.

Критическая длина волокна l_кр пропорциональна напряжению разрушения волокна σ^в_b.

Деформация композиционных материалов под нагрузкой, приложенной вдоль упрочняющих волокон, проходит в несколько стадий (рис. 4).

На I стадии матрица и волокно деформируются упруго. Механические характеристики σ^в_b и Е^к определяются по формулам (1) и (2). На II стадии матрица переходит в упругопластичное состояние, а волокна деформируются упруго. Модуль упругости в том случае определяется по формуле:

где — скорость деформационного упрочнения матрицы.

На III стадии прочность композиции резко снижается в связи с разрушением хрупких волокон и матрицы. Волокнистые композиции — ярко выраженный анизотропный материал, механические свойства которого самым существенным образом зависят от угла ориентации волокон относительно действующей нагрузки (рис. 5). Устраняется этот недостаток только выбором материала для детали с пространственным армированием волокнами, сетками или конструированием детали из композиционного материала таким образом, чтобы нагрузки действовали вдоль упрочняющего волокна.

Рис. 4. Диаграмма растяжения волокон (1), матрицы (2) и композиции с однонаправленными

волокнами (3)

Рис. 5. Зависимость прочности однонаправленной композиции от угла ориентации волокон относительно действующей нагрузки: 1 — матрица; 2 — волокна

Свойства границы раздела матрица — волокно, прежде всего адгезионное взаимодействие матрицы и волокна, определяют уровень свойств композиции и их стабильность в процессе эксплуатации. Граница, обеспечивающая передачу нагрузки от матрицы на волокно, должна отличаться стабильностью свойств. Адгезионная связь должна сохраняться при воздействии напряжений, вызванных различиями в температурных коэффициентах линейного расширения матрицы и волокна.

На границе происходят диффузионные процессы, химические реакции, растворение и образование новых фаз, чаще интерметаллидов. С одной стороны, их образование увеличивает сцепление между матрицей и волокном, а с другой — понижает прочность волокна. Интерметаллиды — хрупкие фазы, способные разрушаться даже при незначительных деформациях. Обеспечить же прочное сцепление матрицы и упрочняющего волокна без взаимодействия сложно. На практике для улучшения сцепления на волокна наносят покрытия, а матрицу легируют.

Большое количество поверхностей раздела (матрица — волокно) волокнистых композиционных материалах определяет их поведение при разрушении. Трещина, образовавшаяся в матрице, при своем распространении через сечение многократно задерживается на границе матрица — волокно. Распространение трещины сопровождается разрушением границы раздела и вытягиванием волокон из матрицы (рис. 6).

Рис. 6. Схематическое изображение трещины в матрице (а), распространяющейся в композиции перпендикулярно волокнам (б): 1 — матрица; 2 — волокна; 3 — трещина в матрице; 4 — волокна, вытянутые из матрицы

Сопротивление распространению трещин при вытягивании волокон из матрицы возникает в виде сил трения между волокном и матрицей, а при разрушении границ — в разрыве связей между ними. Энергетические затраты на вытягивание волокон, разрыв связей между волокнами и матрицей существенно повышают сопротивление разрушению волокнистых композиционных материалов по сравнению с однородными.

В композиции, состоящей из хрупкой матрицы и хрупкого волокна, вязкость разрушения обеспечивается при реализации механизма разрушения путем вытягивания волокон, причем волокна должны быть выбраны соответствующей длины l _в ~ l_кр и диаметра d = d _в (см. рис. 3). В композиционных материалах с хрупкой матрицей и эластичными волокнами вязкость разрушения повышают за счет увеличения диаметра непрерывных волокон, их прочности и объемного содержания. В таких материалах существен не только процесс вытягивания волокон, но и процесс разрушения самих волокон. При высокой прочности границы раздела волокно разрушается по достижении предельной деформации, определяемой раскрытием трещины. Сопротивление разрушению может быть повышено снижением прочности связи между волокнами и матрицей. В этом случае прочность композиции на сдвиг и растяжение в направлении, перпендикулярном волокнам, снижается. Вязкость раз рушения такой композиции повышается при упрочнении дисперсными волокнами (l<l_кр), вытягивающимися из матрицы.

Вязкость разрушения композиции с пластичной матрицей и хрупким упрочняющим волокном повышается с увеличением диаметра подокон и их объемного содержания, а также с повышением пластичности и прочности матрицы.

Дж. Гордон и Дж. Кук изучали влияние прочности связи волокна с матрицей на характер распространения трещин в композиционном материале. Они показали, что впереди острия трещины наряду с растягивающими напряжениями (σ_z) действуют поперечные напряжения (σ_х). При определенном соотношении между ними под действием напряжения σ_х возможно расслоение или разрушение границы волокна с матрицей. Трещина в этом случае распространяется не через волокно, а отводится в направлении, перпендикулярном оси волокна (рис. 7). Таким образом, рост трещины тормозится в главном направлении и одна большая трещина, способная разрушить материал, в композиции преобразуется во множество мелких ответвленных трещин. Структурные особенности композиционных материалов и связанный с этим прерывистый характер распространения трещины определяют их существенное отличие в характере усталостного разрушения от наблюдаемого в металлах и сплавах. В композиционных материалах критическая длина дефекта (трещины) в связи с периодическими остановками ее на расслоениях по границе волокна с матрицей, особенностями разрушения матрицы, дроблением волокон больше, чем в металлах и сплавах.

При одинаковых условиях испытаний время и число циклов до разрушения у композиционных материалов больше, чем у металлов и сплавов.

Рис. 7. Схема расслоения границы матрица—волокно в композиционном материале: 1 — граница раздела; 2 — трещина