7 Термомеханическая совместимость компонентов и условия создания монолитных км.

На прочность волокнистых наполнителей решающее влияние оказывает межфазная граница раздела и в первую очередь прочность сцепления волокон с полимерным связующим. Под межфазной границей в полимерных композитах принимается не только геометрическая поверхность раздела между волокнами и связующим, но и прилегающие к ней области, на которые влияние физико-химических процессов, происходящих при взаимодействии волокон и матрицы на стадии формирования композита и его эксплуатации.

На формирование и состояние межфазной границы раздела оказывает влияние физико-химическая и термомеханическая совместимость компонентов, образующих композит.

Первая определяет полноту контакта, природу, количество и прочность физических и химических связей, возникающих при взаимодействии матрицы поверхностью волокна, оказывает на формирование структуры, изменение состава и свойств матрицы и волокон в пограничных слоях за счет взаимной диффузии, избирательной сорбции, каталитического влияния на процесс отверждения связующего.

Вторая определяет взаимное соответствие компонентов композитов, обеспечивающее их монолитность (сплошность) в процессе получения и эксплуатации (нагрева, набухания, нагружения и т.д.) и степень напряженности в этих условиях границы раздела и компонентов, обусловленной различием в их деформативных свойствах (изменение объема и линейных размеров).

Разнообразные взаимные влияния армирующих волокон и полимерных связующих, начинающие проявляться уже в процессе смачивания волокна связующим, приводят к существенным изменениям химизма и кинетики процесса отверждения связующего, структуры и свойств как волокон и матричного полимера, так и КМ в целом.

Гарантией хорошего смачивания армирующих волокон связующим является условие ξ_в ≥ ξ_м, где ξ_в и ξ_м — значения поверхностной энергии соответственно волокна и связующего.

В ряду жесткоцепных высокопрочных высокомодульных волокон, различающихся физической структурой, наблюдается тенденция к уменьшению θ при переходе от волокон с аморфной структурой к волокнам с кристаллической структурой. Процесс смачивания волокна определяется реологическими и релаксационными свойствами связующего, что предопределяет необходимость соответствующего выбора начальной вязкости и температурно-временных условий пропитки.

Прочность КМ при межслоевом сдвиге, мало зависящая от величины физико-механических показателей полимерного связующего, в большой степени определяется технологическими свойствами связующего, в первую очередь его смачивающей и адгезионной способностью по отношению к волокну.

Улучшение смачиваемости волокон достигается увеличением удельной поверхности волокна, прививкой мономеров с функциональными группами соответствующих типов, аппретированием.

Взаимодействие связующего с поверхностью волокон начинается на стадии получения композита, со смачивания, о полноте которого можно судить по разнице между поверхностной энергией волокна и связующего. Хорошее смачивание предопределяет высокую адгезию, обусловленную силами химического и физического взаимодействия на границе контакта двух фаз. Количественно адгезию принято выражать адгезионной прочностью (прочностью сцепления волокна с матрицей). Прочность сцепления играет решающую роль в совместной работе армирующего наполнителя и матрицы.

Термодинамические системы, стремясь максимально снизить свою свободную энергию, легко адсорбируют на поверхность твердых тел газы и жидкости. Адсорбция предшествует смачиванию и способствует образованию связи (сцеплению между адсорбированным компонентом (адсорбатом) и адсорбирующим веществом (адсорбентом). Химическая связь между адсорбатом и адсорбентом является энергетически более прочной, чем физическое сцепление при смачивании, обусловленное сильно локализованными межмолекулярными дисперсионными силами.

Проблема физической совместимости связана с тем, что волокна и матрица имеют различные упругие постоянные, коэффициент Пуассона и линейного расширения. Поскольку составляющие композиций обладают различной упругостью и пластичностью, то при их совместной работе на поверхностях раздела возникает реологическое взаимодействие, в результате которого создаются радиальные и тангенциальные напряжения. Даже при простом осевом растяжении в волокнистых КМ создается объемное напряженное состояние. Последнее еще больше усложняется при учете остаточных термических и механических напряжений. Первые возникают из-за разницы КЛТР в процессе охлаждения материала от температуры его получения или эксплуатации, вторые – из-за различной пластичности компонентов.

Таким образом, с механической точки зрения поверхность раздела волокно-матрица должна, с одной стороны, перераспределять напряжения между компонентами, а с другой, противостоять напряжениям в перпендикулярном волокнам направлении.

Основное физико-химическое требование к поверхностям раздела состоит в том, чтобы в процессе работы КМ они сохраняли свою стабильность. Чаще всего нарушение стабильности поверхностей раздела происходит в результате химических реакций между волокном и матрицей, при которых образуются побочные взаимодействия. Поскольку прочность слоя продуктов реакции меньше прочности армирующего волокна, то при нагружении КМ растрескивание этого слоя будет инициировать разрушение волокон и, следовательно, всей композиции.

Регулируя состояние поверхности раздела можно добиться усиления связи, подавления образования нежелательных фаз, совместной работы компонентов.