Глава 5. МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

§ 21. Композиты волокнистого строения

Давно известно, что прочность тонких волокон или нитей из различных материалов значительно выше, чем прочность объемных образцов из тех же материалов. Так, прочность стеклянных нитей превосходит прочность конструкционной стали. Как использовать это явление на практике? Это стало возможным лишь недавно, когда химики создали целый ряд синтетических материалов, называемых высокополимерными соединениями, и когда началось их промышленное производство. Так, взяв стеклоткань и пропитав ее пластической смолой, находящейся в стадии полимеризации, мы получим прочную и легкую пластину или оболочку, вполне пригодную для использования в качестве элемента конструкции.

Скрещивание волокон стеклоткани вызывает концентрацию (локальную) напряжений, что ведет к разрушению полимерной матрицы. Потенциальная прочность стекловолокон арматуры, таким образом, используется не полностью. Лучшие результаты дает наложение последовательных слоев выравненных волокон. Так, для оболочки вращения стеклянные нити сматываются с катушки так, что каждая из них находится под натяжением.

Прочность стеклотекстолитовых композитов, изготовленных таким образом, выше прочности алюминиевых сплавов и имеет тот же порядок, что и прочность сталей.

Основным дефектом армированных стеклопластиков является их низкая жесткость. Так, модуль упругости их имеет порядок (у обычных сталей — 200000 Н/мм). Это и объясняет трудности, возникающие при сооружении конструкций, состоящих как из металлических элементов, так и из пластиков, армированных стекловолокнами. Сравнительно недавно были получены волокнистые материалы, обладающие как высокой прочностью, так и достаточно большим модулем упругости.

1. Угольные волокна. В результате карбонизации поли-акрилнитрильных волокон, находящихся под напряжением, получают углеродные нити с упорядоченными атомными плоскостями. Высокая прочность и повышенное значение модуля Юнга этих волокон объясняется их фибриллярной структурой: каждая фибрилла образуется из пучка атомных плоскостей, и прочность в первую очередь определяется чрезвычайно крепкими ковалентными связями.

2. Борные волокна. При высоких температурах происходит осаждение бора из его хлоридов на вольфрамовую проволоку. Кристаллическая решетка бора имеет очень сложную структуру и в принципе не допускает возможности пластических скольжений. Высокая прочность на разрыв и особенно на сжатие обусловлены ковалентными связями. Отметим, что борное волокно является поликристаллом.

Приведем значения прочности на растяжение и модуля упругости (измеренных в 10 Н/мм), а также диаметров волокон углерода и бора:

(см. скан)

Здесь существенны в основном лишь порядки величин: в различных странах продукция различных предприятий часто сильно отличается друг от друга.

Если объемное содержание волокон в композите составляет то прочность и модуль упругости его будут как у хорошей стали, а объемная плотность — в четыре раза меньше, чем у стали. Вот почему подобные материалы впервые были применены именно в аэронавтике.

Помимо полимерных смол, в качестве матриц композитов используются и другие материалы. Так, известны композиты из алюминия, армированного волокнами бора, из титана, армированного углеродными волокнами (например, с целью приспособления к работе в условиях высоких температур), и т. п.