Знак Вопроса 1997 № 04 - страница 48
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.
Выбор закона укладки волокон в плоскости и по толщине пакета определяется назначением конструкции и предъявляемым к ней требованиям по условиям эксплуатации. Рассчитывая напряженно деформированное состояние элементов конструкции при действии внешних нагрузок, конструктор одновременно проектирует материал, формируя требования к углу укладки слоев и закону размещения их по толщине таким образом, чтобы напряжение, возникающее в элементах конструкции при заданном распределении действующих внешних нагрузок, было наименьшим. При этом особое внимание должно быть проявлено к выбору оптимальной схемы укладки слоев в зонах приложения сосредоточенных нагрузок с целью обеспечения повышенной надежности конструкции из КМ. Одновременно с разработкой схемы укладки конструктор получает возможность выбрать армирующий материал, который позволит решить поставленную задачу при минимальной массе конструкции. Такое решение достигается путем сравнения проектируемых материалов с традиционным конструкционным материалом, например, с алюминиевым сплавом Д16АТ — наиболее распространенным материалом в авиационной промышленности. Если принять массу конструкции из алюминиевого сплава Д16АТ за 100 %, то масса рассматриваемых композитных материалов при одинаковой прочности конструкции в условиях действия одинаковой внешней нагрузки будет пропорциональна отношению удельной плотности для сплава Д16АТ и композитного материала. Эта зависимость представлена на рис. 16.