Особенности механических свойств ВПКМ.

При прогнозировании прочности σ_км и модуля упругости ПКМ (и многих других свойств) используют правило аддитивности:

, где:

К₁ – комплексный коэффициент, характеризующий особенности КМ;

К₂ – коэффициент, характеризующий тип деформирования;

σ_м, σ_в, V_м, V_в – соответственно разрушающие напряжения при растяжении и объемные % матрицы и волокон

В зависимости от характера деформирования компонентов КМ (σ_тм, σ_тв – пределы текучести матрицы и волокна, σ_тм – напряжение в матрице при предельной деформации волокна): : волокна деформируются упруго, матрица пластически (стеклопластики, углепластики и др.);

: волокна и матрицы деформируются пластически (органопластики).

При таком подходе прочностные свойства ПКМ во многом определяются свойствами наполнителя (доля %). Однако, свойства ПКМ зависят от соотношения свойств матриц и наполнителей, определяющих взаимодействие компонентов, вязкость разрушения, трещиностойкость, монолитность, практически весь комплекс технологических и эксплуатационных свойств ПКМ.

Так как ~ и ~ , то для получения высокопрочных и высокомодульных КМ необходимо использовать высокопрочные и высокомодульные волокна. Один из способов оптимизации конструкционных свойств КМ – оптимальный объем фазы наполнителя, в ВПКМ – объем волокон, который изменяется в широких пределах в зависимости от типов упаковки волокон в матрице (V_в, % об.): тетрагональная (объемно–центрированная кубическая) – 78,5; гексагональная – 90,7; статистически плотная 82,0; хаотически–ориентированная – 52; с волокнами разного диаметра 92,4.

Повышение V_в до 95 (и даже 99) % об. (предельное армирование) может быть реализовано при использовании профильных волокон. Перепрофилирование стеклянных волокон сопровождается ростом концентраторов напряжений (углы гексагонального сечения), полимерных (фенилоновых) волокон – изменением ориентированной структуры и механизма перераспределения напряжений из-за малого объема матрицы.

Допустимый объем волокон в матрице зависит от их диаметра Д_в и минимально возможного расстояния между волокнами σ_min, обеспечивающего непрерывность матрицы,

~0,846 / (1+σ_min / Д_в)²

хотя критический объем волокон V_{в, крит.}, обеспечивающий эффект упрочнения значительно ниже:

%

Благодаря прочности σ_м – σ_тм (деформационное упрочнение матрицы) после разрушения волокна матрица перераспределяет напряжения (если сохраняет непрерывность и контакт с волокнами) на неповрежденные волокна.

В реальных ПКМ V_{в, опт.} определяется как составом и структурой композиции, так и условиями нагружения. Содержание волокон в однонаправленных эпоксидных углеволокнитах, обеспечивающее оптимальные свойства при различных условиях нагружения, составляет:

Вид нагружения	Vв, опт., % об.
Растяжение (װ)	64–68
(⊥)	50–54
Сжатие (װ)	60–64
(⊥)	54–58
Межслойный сдвиг τ12	58–62

Изготовление ПКМ начинается с процесса приготовления связующего и для композиции решающими являются вязкостные характеристики связующих. Реологические свойства связующих оказывают существенное влияние на выбор параметров процесса совмещения компонентов (пропитка), формирования полуфабрикатов и организацию технологического процесса формования изделий. Специфика ПКМ часто предопределяет разделение производства наполнителей (нитей, лент, тканей) и матриц (связующих) с последующими операциями изготовления изделий, в том числе через стадию препрегов (специализированное производство).

Современные тенденции в области матриц ПКМ связаны с модифицированием полимеров традиционных классов с целью получения материалов, удовлетворяющих современным требованиям, предъявляемым к связующим для ПКМ (как технологическим, так и эксплуатационным), с необходимостью обеспечения оптимальных условий получения полуфабрикатов (например, препрегов) и соответствие состава и свойств связующих выбранному технологическому приему формования (жидкофазная и твердофазная намотка, пултрузия, роллтрузия, вакуумное, автоклавное, термокомпрессионное формование, прессование, спекание), с разработкой и использованием новых типов неорганических, элементоорганических и органических (карбо– и гетероциклических) полимеров. Необходимость использования непрерывных нитей и волокон взамен лент и тканей для повышения прочности ПКМ до 2–2,5 ГПа (при =1 ГПа в самолете объем использования ВПКМ – 20 %, при = 2 ГПа ≥ 40 %) привела к разработке пленочных связующих и клеев (для сборки сотовых конструкций). Низкая влагостойкость, огнестойкость и трещиностойкость эпоксидных матриц стимулировало их модифицирование (например, использование ЭДТ–69Н взамен ЭДТ–10) и переход к малеинимидным матрицам.

Природа дефектов в полимерных матрицах различна и во многом определяется составом и технологией изготовления связующих, в случае термоактивных матриц и условиями формирования матриц с пространственной структурой при отверждении. Полимерные сетки весьма дефектны, имеют микрогелевую структуру с высоким уровнем остаточных напряжений, низкими показателями прочности и модуля упругости.

Из–за полидисперсности и дефектности структуры прочность промышленных термопластов со степенью кристалличности до 30 % не превышает 150 МПа, что в 200 раз ниже прочности связи С­–С. Переход к полиараленам (ПЭЭК, полифениленсульфиды) и полигетероариленам (полиимиды) позволяет существенно повысить упругопрочностные свойства, хотя производство изделий из термопластичных ПКМ с вязкостью матрицы 10⁴–10⁸ Па·С при 300–380^оС затруднительно [2].