Перспективные материалы для нефтегазовых объектов (стр. 20 )

Рис. 3.5. Теоретическая зависимость эффективности упрочнения композиционного материала от соотношения l/d волокна

Свойства волокнистых композиционных материалов в большой степени зависят от схемы армирования (рис. 3.6). Ввиду значительного различия в свойствах волокон и матрицы при одноосном армировании физическим и механическим свойствам присуща анизотропия. При нагружении растяжением временное сопротивление и модуль упругости композиционных материалов достигают наибольших значений в направлении расположения волокон, наименьших - в поперечном направлении. Например, композиционный материал с матрицей из технического алюминия АД1, упрочненный волокнами бора, в направлении волокон имеет sв = 1000 - 1200 МПа, а в поперечном - всего 60 - 90 МПа. Анизотропия свойств не наблюдается при двухосном армировании с взаимно перпендикулярным расположением упрочняющих волокон (см. рис. 3.6).

Однако по сравнению с одноосным армированием прочность вдоль оси волокон уменьшается почти в 3 раза с 1000 до 350 МПа (рис. 3.7). Остаются низкими характеристики при сжатии и сдвиге. При нагружении материала вдоль волокон растяжением нагрузку в основном воспринимают высокопрочные волокна, а матрица служит средой для передачи усилий. Соотношение нагрузки, воспринимаемой волокнами и матрицей, выражают через возникающие в них напряжения.

При условии прочного (без проскальзывания) соединения волокон с матрицей в момент приложения нагрузки в них возникает одинаковая деформация. Чем выше модуль упругости волокон и больше их объем, тем в большей степени они воспринимают приложенную нагрузку.

Рис. 3.6. Схемы армирования (1 - 5) композиционных материалов и их влияние на напряжения при растяжении эпоксидных углепластиков

Объемная доля упрочнителя колеблется в широких пределах - от нескольких единиц до 80 – 90 %. При этом композиционные материалы с ориентированными непрерывными волокнами содержат их, как правило, в количестве 60 – 80 %. Содержание хаотически расположенных дискретных волокон и нитевидных кристаллов ограничивается 20 – 30 %, поскольку различие в их длине и диаметре создает технологические трудности в получении плотноупакованных материалов.

Рис. 3.7. Зависимость временного сопротивления композиционных
материалов ВКА-1 от содержания и ориентации волокон

Модуль упругости композиционного материала сравнительно достоверно подсчитывают исходя из свойств и объемного содержания волокон и матрицы:

Екм = ЕвVв + Eм(1 - Vв),

где Ев и Ем - соответственно модуль упругости волокна и матрицы,
Vв – объемное содержание волокна.

Например, модуль упругости композиционного материала с алюминиевой матрицей (Е = 70 ГПа), упрочненного 50 об. % волокон бора (E = 420 ГПа), равен

70.0,5 – 420 .0,5 =245 ГПа,

что хорошо согласуется с модулем упругости реального композиционного материала ВКА-1 (E = 240 ГПа, табл. 3.2).

Временное сопротивление композиционных материалов изменяется в зависимости от объемного содержания наполнителя также по закону аддитивности (рис. 3.8). Исключение составляют материалы с очень малым ( < 5 %) или очень большим (> 80 %) содержанием волокна. Временное сопротивление композиционного материала подсчитывают по формуле

sвкм = sвв .Vв + sвм (1 – Vв ),

где sвв и sвм - соответственно временное сопротивление волокна и матрицы.

Рис. 3.8. Схема изменения прочности волокнистого материала
в зависимости от содержания упрочнителя

Малые значения прочности и жесткости композиционных материалов в направлении, перпендикулярном расположению волокон, при растяжении объясняются тем, что в этом случае, так же как при сжатии и сдвиге, они определяются свойствами матрицы. Большую роль играет матрица в сопротивлении композиционных материалов усталостному разрушению, которое начинается с матрицы. Гетерогенная структура, поверхности раздела между волокном и матрицей затрудняют процесс распространения трещины в направлении, перпендикулярном оси волокон. В связи с этим композиционные материалы характеризуются высокими значениями предела выносливости. Так, по пределу выносливости композиционные материалы на алюминиевой основе превосходят лучшие алюминиевые сплавы в 3 - 4 раза.

Таблица 3.2

Механические свойства одноосно-армированных композиционных
материалов с металлической матрицей

Композиционный материал	Матрица	Материал наполнителя	Кол-во наполнителя, %	ρ,	, км	Е, МПа	, 103 км	σв, МПа (20оС)	σ-1 , МПа
ВКА-1	Алюминий	Борное волокно	50	2,65	45	240	9	1200	600
ВКУ-1	»	Углеродное волокно	30-40	2,2 -2,3	42	270	12	900 - 1000	200
КАС-1	»	Стальная проволока	40	4,8	33	120	2	1600	350
ВКМ-3	Магний	Борное волокно	45	2,2	57	200	9	1250	–
–	»	Углеродное волокно	30-40	1,8	42	130-150	8	700 -800	-

При изготовлении деталей из композиционных материалов волокна ориентируют так, чтобы с максимальной выгодой использовать их свойства с учетом действующих в конструкции нагрузок.

Прочность композиционных материалов в большой степени зависит от прочности сцепления волокон с матрицей. Для их качественного соединения необходимо прежде всего обеспечивать хороший контакт (без загрязнений, газовых и других включений) по всей поверхности соединений. Композиционные материалы относятся, в основном, к термодинамически неравновесным системам, что является главной причиной диффузионных процессов и химических реакций, происходящих на границе раздела между волокном и матрицей. Эти процессы протекают при изготовлении композиционных материалов и при их использовании. Некоторое взаимодействие между компонентами необходимо для обеспечения прочной связи между ними, передачи напряжений. Для металлических композиционных материалов прочная связь между волокном и матрицей осуществляется благодаря их взаимодействию и образованию очень тонкого слоя (1 - 2 мкм) интерметаллидных фаз. Если между волокнами и матрицей нет взаимодействия, то на волокна наносят специальные покрытия для его обеспечения, но прослойки образующейся при этом фазы должны быть очень тонкими. Связь между компонентами в композиционных материалах на неметаллической основе осуществляется с помощью адгезии.

Плохой адгезией к матрице обладают высокопрочные борные, углеродные, керамические волокна. Улучшение сцепления достигается травлением, поверхностной обработкой волокон, называемой вискеризацией. Вискеризация - это выращивание монокристаллов карбида кремния на поверхности углеродных, борных и других волокон перпендикулярно их длине. Полученные таким образом «мохнатые» волокна бора называют «борсик». Вискеризация способствует повышению сдвиговых характеристик, модуля упругости и прочности при сжатии без снижения свойств вдоль оси волокна. Так, увеличение объемного содержания нитевидных кристаллов до 4 – 8 % повышает сдвиговую прочность в 1,5 - 2 раза, модуль упругости и прочность при сжатии на 40 – 50 %.

На поверхности соединения компонентов не должно происходить химических реакций, приводящих к повреждению волокон, ухудшению их свойств и свойств композиционного материала.

При сильном взаимодействии компонентов временное сопротивление волокон и композиционного материала в целом значительно снижается. Например, временное сопротивление волокон карбида кремния в композиционном материале с титановой матрицей в результате такого взаимодействия снизилось с 320 до 210 МПа, что вызвало снижение временного сопротивления композиционного материала на 30 %. Для уменьшения взаимодействия применяют легирование как матриц, так и волокон, защитные покрытия волокон, низкотемпературные и высокоскоростные способы изготовления композиционных материалов.

Кроме того, прочность сцепления между компонентами зависит от их механической совместимости, на которую влияет разница в пластических свойствах, в коэффициентах Пуассона и линейного расширения, модулей упругости. Механическая несовместимость приводит к возникновению остаточных напряжений на границе раздела компонентов, которые при достижении определенной величины вызывают нарушение связи между компонентами.

3.4.2. Виды и свойства упрочнителей

Физические и механические свойства волокон и нитевидных кристаллов представлены в табл. 3.3.

Из металлических упрочнителей широко применяют стальную проволоку, которая является наиболее дешевым и технологичным упрочнителем.

В настоящее время в основном используют проволоку из коррозионно-стойких сталей аустенитного, аустенитно-мартенситного и мартенситного классов. Большая степень пластической деформации при получении проволоки обусловливает большую плотность структурных дефектов и высокие прочностные характеристики. Например, проволока из стали 18Х15Н5АМ3 (ВНС9) диаметром 0,16 - 0,3 мм имеет sв = 3500 - 4000 МПа. Высокая температура рекристаллизации обеспечивает стальной проволоке хорошую прочность, особенно из сталей аустенитного класса. При изготовлении композиционных материалов с алюминиевой матрицей, армированной стальной проволокой, температура не должна превышать 550 °С во избежание активного взаимодействия между компонентами. Композиционные материалы изготовляют сваркой, взрывом, прокаткой в вакууме, диффузионным спеканием. Для надежного сцепления компонентов при использовании твердофазных методов необходимо обновление контактных поверхностей, разрушение оксидных пленок.