Знак Вопроса 1997 № 04 - страница 49

Как видно из диаграмм на этом рисунке, масса конструкций из композитных материалов на основе УОЛ-300-К, УТ-900 и стеклопластика, характеристики которых представлены в табл. 4, будет соответственно на 45, 35 и 20 % меньше массы конструкций из сплава Д16АТ.

Следует отметить принципиальное преимущество композитов перед традиционными материалами, которое заключается в следующем. Выбирая материал для различных узлов и агрегатов создаваемой конструкции инженер определяет и заказывает марку металла, отвечающего требованиям данной конкретной конструкции. Для создания одной машины может понадобиться несколько (иногда более десятка) различных марок одного и того же материала, например, стали, которые изготавливаются зачастую на разных заводах.

В случае же с композитными материалами конструктор, варьируя схемой укладки волокон и их размещением по толщине, разрабатывает целую гамму материалов для самых различных узлов и агрегатов своей конструкции, обеспечивая тем самым замкнутый цикл: производство материала — производство изделия.

Слоистая структура рассматриваемых композитных материалов обладает таким серьезным недостатком, как относительно низкая сопротивляемость межслойному сдвигу и обусловленная этим склонность к расслоению. Эти отрицательные особенности КМ начинают особенно отчетливо проявляться при создании толстостенных конструкций, так как возрастает число технологических факторов, определяющих эти способности.

Радикальное увеличение сопротивляемости межслойному сдвигу и поперечному отрыву слоев можно достигнуть созданием межслойных связей. Технологически это осуществляется, в основном, двумя принципиально различными путями: это, во-первых, создание материалов с пространственным расположением армирующих волокон, и, во-вторых, создание пространственных связей между слоями при помощи вискеризации волокон.

В зависимости от способа построения пространственного армирования композитных материалов можно выделить следующие основные группы:

1. Материалы, пространственные связи в которых осуществляются переплетением волокон основы с прямолинейными волокнами утка, как это схематично показано на рис. 17.

2. Материалы, пространственные связи которых создаются за счет введения волокон третьего направления. Эти композитные материалы образуются системой трех нитей в прямоугольной (рис. 18) или цилиндрической системе координат. Волокна могут быть ортогональными или располагаться под углом в одной из плоскостей армирования.

Применение трехмерноармированных тканей для изготовления КМ позволяет на порядок увеличить межслойную прочность на отрыв и существенно повысить сопротивление сдвигу по сравнению с прочностью слоистых материалов.

Особую группу представляют композитные материалы, межслойные связи в которых создаются за счет вискеризации волокон. Процесс вискеризации представляет собой процесс выращивания (закрепления) нитевидных кристаллов (вискеров) на поверхности армирующих волокон преимущественно нормально к поверхности, как это схематично показано на рис. 19. Нитевидные кристаллы — вискеры, обладают высокой удельной прочностью и жесткостью. Их можно вальцевать, разрезать, обрабатывать без заметного снижения прочностных свойств. Существенным недостатком нового класса армирующих материалов — нитевидных кристаллов — является неприменимость для них обычной технологии изготовления. Вискеризованные материалы требуют создания новой специализированной технологии в целях использования всех потенциальных возможностей вискеризации.

Таким образом, применяя различные способы расположения армирующих волокон, используя методы вискеризации, изменяя соотношения арматуры в разных направлениях, можно создавать материалы с задуманными свойствами.

Одним из наиболее серьезных недостатков современных КМ на основе высокомодульных волокон, обеспечивающих наибольшую удельную прочность и жесткость при статических нагрузках, является их относительная низкая трещиностойкость, определяющая усталостную прочность материала при нагрузках, действующих в режиме длительной эксплуатации, а также низкая стойкость при ударных и кратковременных динамических нагрузках. Однако в последнее время разрабатываются методики проектирования, основанные на изучении механики разрушения, и формирования на этой основе приемов, обеспечивающих необходимую трещиностойкость и стойкость к ударным нагрузкам конструкций из КМ.