Композиционные материалы: матрица и армирование
Композиционный материал объединяет различимые составляющие, взаимодействие которых определяет работу изделия. Матрица образует непрерывную фазу, удерживает армирование и передаёт ему нагрузку; армирование изменяет жёсткость, прочность либо другие свойства. Композит не описывается одним названием волокна: одинаковое армирование в разных матрицах, с другой геометрией и состоянием границы раздела даёт различные результаты.
Матрица, армирование и интерфейс
Матрица может быть полимерной, металлической или керамической. В полимерных системах применяют термопластичные и отверждаемые связующие. Армирование бывает непрерывным или коротким волокном, тканью, частицами и другими включениями. У непрерывных ориентированных волокон нагрузка вдоль их оси и поперёк неё передаётся по разным механизмам. Для короткого волокна существенны длина, диаметр и распределение ориентации.
Граница раздела обеспечивает передачу усилий между фазами. Недостаточная связь может вызвать отделение волокна от матрицы; слишком простое утверждение «чем прочнее связь, тем лучше» также неверно для всех систем, поскольку механизмы разрушения и требуемая вязкость различаются. В изделии контролируют не только состав, но и пропитку, пустоты, складки, степень отверждения и состояние поверхности соединения.
| Составляющая | Функция | Типичный предмет контроля |
|---|---|---|
| Матрица | Передача нагрузки, поддержание формы | Температурно-временное состояние и повреждение |
| Армирование | Несущая роль в выбранных направлениях | Содержание, непрерывность, укладка |
| Интерфейс | Совместная работа фаз | Адгезия и отслоение |
| Поры | Не являются полезным армированием | Объём, расположение и влияние на свойства |
Таблицу можно прокручивать по горизонтали →
Массовая и объёмная доли: условный пример
Зададим двухфазный беспористый композит: плотность волокна ρf = 1,80 г/см³, матрицы ρm = 1,20 г/см³; массовая доля волокна wf = 0,60. Это условные входные данные, а не характеристика коммерческого препрега. Для общей массы 100 г имеем mf = 60 г, mm = 40 г. Объёмы Vf* = mf/ρf = 33,333 см³ и Vm* = mm/ρm = 33,333 см³. Звёздочка обозначает объём фазы, а не долю.
Объёмная доля волокна vf = (wf/ρf)/[(wf/ρf) + ((1 − wf)/ρm)] = 0,50. Таким образом, 60% по массе соответствуют 50% по объёму. Плотность смеси ρc = 1/[wf/ρf + (1 − wf)/ρm] = 1,50 г/см³. Обратная проверка: ρc = vf ρf + (1 − vf) ρm = 1,50 г/см³. Подставлять 0,60 вместо 0,50 в объёмное правило смесей было бы ошибкой.
При толщине пластины 2 мм её расчётная поверхностная масса равна 1500 кг/м³ × 0,002 м = 3,00 кг/м². Это значение относится к заданной однородной модели без пор, покрытия и дополнительных слоёв. Оно пригодно для предварительного баланса массы, но не оценивает несущую способность.
Границы вывода по составу
Если появились поры, необходимо различать объёмную долю волокна относительно всего изделия и долю относительно суммы твёрдых фаз. Нельзя просто оставить vf + vm = 1 для пористого тела. Расчёт по измеренной массе и внешнему объёму позволяет определить кажущуюся плотность, но сам по себе не объясняет природу отклонения: возможны различия состава, влажность, пористость и погрешности геометрии.
Для закупки и контроля задают способ определения содержания армирования, допустимые дефекты и требования к испытаниям готового материала. Плотность и доля волокна характеризуют состав; модуль, прочность и межслойные характеристики требуют собственных данных. Ни один из этих показателей отдельно не подтверждает качество всей конструкции или воспроизводимость её технологии.
Источники и границы их использования
- Hexcel — Prepreg Technology: состав препрега, матрица, армирование и контроль изготовления.
- NASA — Structural qualification of composite airframes: влияние межфазного повреждения и необходимость испытаний.