ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Высокопрочные и высокомодульные волокна из "Механика деформируемого твердого тела " В последние десятилетия наряду с традиционными материалами появились новые искусственные материалы — так называемые композиты. Строго говоря, термин композитный материал или композит следовало бы относить ко всем гетерогенным материалам, состоящим из двух или большего числа фаз. Сюда относятся практически все сплавы, применяемые для изготовления элементов конструкций, несущих нагрузку. Соединение хаотически ориентированных зерен пластичного металла и второй более прочной, но хрупкой фазы позволяет в известной мере регулировать свойства конечного продукта, т. е. получать материал с необходимой прочностью и достаточной пластичностью. Усилиями металлургов созданы прочные сплавы на основе железа, алюминия, титана, содержащие различные. тегирующие добавки. Достигнутый к настоящему времени предел прочности составляет примерно 150 кгс/мм для сталей, 50 кгс/мм для алюминиевых сплавов, 100 кгс/мм для титановых сплавов. Эти цифры относятся к материалам, из которых можно путем механической обработки получать изделия разнообразной формы. Теоретический предел прочности атомной решетки металла, представляющий собою верхнюю границу того, к чему можно в идеале стремиться, по разным моделям оценивается по-разному, в среднем это 1/10—1/15 от модуля упругости материала. Так, для железа теоретическая прочность оценивается значением примерно 1400 кгс/мм что в десять раз выше названной для сплава на железной основе цифры. В настоящее время существуют способы получепия тонкой металлической проволоки или ленты с прочностью порядка 400—500 кгс/мм , что составляет около одной трети теоретической прочности. Однако применение таких проволок пли лент в конструктивных элементах неизбежным образом ограничено. [c.683] Первым примером такого рода композитов, получивших достаточно широкое практическое применение, служат стеклопластики (мы не говорим здесь об известных с глубокой древности саманных постройках, т. е. о композитах глина — солома, механические свойства которых совсем не плохи). Перемешивая полимерную массу с мелко изрубленным стеклянным волокном, мы получаем первый пример композита с хаотическим армированием. Прочность такой пластмассы выше, чем прочность неар-мированного материала, однако потенциальная прочность стеклянного волокна используется при этом далеко не полностью, разрушение всегда происходит по матрице, стеклянные волокна не разрываются, а выдергиваются из пластмассы. Следует заметить, что изделия из хаотически армированных пластиков, например полиэтилена, изготовляются обычными способами — путем формования, выдавливания, литья. Поэтому стандартное технологическое оборудование оказывается пригодным для получения таких изделий. [c.684] При изготовлении осесимметричных оболочек из стеклопластиков наилучшие результаты получаются при намотке изделия под натяжением. Стеклянные нити из нескольких катушек собираются в ленту, которая проходит через ванну со смолой и наматывается на оправку на специальном станке. При изготовлении цилиндрической, например, оболочки соли стекловолокна могут укладываться в продольном и окружном направлении, а могут наматываться под разнымн углами к образующим цилиндра. Меняя порядок укладки армирующих слоев, можно изготовить оптимальное в известном смысле изделие, например, обеспечить его равнопрочность в продольном и поперечном направлении. [c.685] Мы не приводим здесь цифр, характеризующих прочность и жесткость стеклянного волокна, эти величины колеблются в довольно широких пределах зная их, можно вынести лишь весьма относительное суждение о прочности или жесткости композита. [c.685] Конструкции из стеклопластиков имеют недостаточную жесткость, использование всего ресурса прочности их часто оказывается невозможным вследствие недопустимо больших перемещений. Тонкостенные конструкции разрушаются обычно вследствие потери устойчивости, а критические нагрузки определяются не прочностью, а модулем упругости. Если соединить титановый элемент с элементом из стеклопластика, например, усилить полку титановой балки элементом из стеклопластика, получится следующее. [c.685] Модуль упругости титана равен И 10 кгс/мм , т. е. в 2,6 раза больше, чем у стеклопластика. Поэтому при совместной работе напряжения в титане будут в 2,6 раза больше. Передел прочности титана и стеклопластика почти одинаков, в результате окажется, что когда напряжения в титановом сплаве равны 100 кгс/мм , в стеклопластиковой накладке они составляют всего 37 кгс/мм , т. е. усиление титановой балки накладкой из стеклопластика весьма малоэффективно. [c.685] В сравнительно недавнее время были разработаны и промышленно освоены новые непрерывные волокна, обладающие примерно той же или более высокой прочностью, чем стеклянные волокна, и имеющие существенно более высокий модуль упругости. В нижеследующей таблице приводятся данные о прочности и модуле упругости наиболее распространенных и промышленно освоенных видов волокон. [c.686] Приводимые здесь цифры носят сугубо ориентировочный характер. На мировом рынке имеется множество видов волокон с чрезвычайно разнообразными механическими характеристиками и не всегда бывает возможно отличить рекламные данные от фактических. Если значения модуля более или менее устойчивы, то цифры прочности весьма условны, они характеризуют относительные преимущества того или иного вида волокна, но не, фактическую реализацию прочности в композите. В таблице приведены некоторые характерные значения этих величин. [c.686] Как будет разъяснено далее, прочность волокна зависит от случайных дефектов, поэтому можно говорить не об абсолютной величине прочности, а о статистическом распределении величин прочности, определяемых в данных условиях на образцах данной длины (обычно 10 мм). Приводимые в таблице цифры представляют собою среднее значение прочности, для задания прочности как случайной величины нужно задать по меньшей мере величину дисперсии, а лучше — истинную кривую распределения прочности. На образце малой длины вероятность встретить опасный дефект меньше, поэтому следует ожидать, что средняя прочность увеличивается с уменьшением длины образца. Такого рода масштабный эффект действительно довольно сильно выражен у волокнистых материалов. [c.686] Кристаллические зерна бора растут на поверхности вольфрамовой нити, образуя ноликристаллическую структуру с радиальной ориентацией. Дефекты поверхности нити порождают неправильности кристаллической структуры и создают дефекты волокна, снижающие его прочность. Отсюда — высокие требования к чистоте поверхности вольфрамовой нити. Возможность замены вольфрама нитями из стеклоуглерода обсуждалась в литературе, некоторый практический опыт в этом направлении имеется, однако после нескольких лет работы и большой рекламы (фирма АВКО в США) борного волокна на угольной подложке на рынке практически нет. [c.687] Прочность борного волокна в поперечном направлении, по-видимому, невелика. Об этом можно судить потому, что на микрофотографиях шлифов разорванных композитов обнаруживаются продольные трещины. [c.688] В зависимости от температуры обработки получаются волокна либо с высокой прочностью, либо с высоким модулем. При из-готов.пении углеродных волокон они соединяются в пряди, а пряди в нити. Прядь может содержать 30 моноволокон, а нить 50 прядей, нить слегка подкручивается. [c.688] Вернуться к основной статье