Гибридные композиционные материалы

Гибридными композиционными материалами (ГКМ) называют материалы, содержащие в своем составе три или более компонентов, регулирующие свойства композитов. Полиматричными (или гетероматричными) называют материалы, состоящие из двух или более матричных компонентов, отделенных один от другого поверхностями раздела, причем армирующие волокна могут сохранять непрерывность на границе раздела матриц. Полиармированные (поливолокнистые) КМ состоят из одной матрицы с распределенными в ней армирующими компонентами различных видов.

Возможны различные варианты сочетаний непрерывных армирующих волокон: создание гетероволокнистых материалов по принципу однородных смесей – волокна различных типов равномерно распределяются в первичной нити, ленте или жгуте (рис. 2.5.1, а); использование многокомпонентного армирующего материала – ткани, мата или шпона из различных нитей и жгутов (рис. 2.5.1, б); чередование слоев листовых армирующих материалов с различными волокнами по слоям (рис. 2.5.1, в).

а б в

Рис. 2.5.1 Варианты гибридных структур:

а – гетероволокнистые нити; б – многокомпонентные ткани; в – слоистые ГКМ

Для армирования могут быть использованы любые волокнистые наполнители. Они обеспечивают повышение показателей прочностных и упругих свойств композитов, в том числе и при многократных (циклических) нагрузках, повышение термо- и химической стойкости, изменение электрофизических характеристик и т.д. Большинство этих свойств композиционного материала определяется соответствующими показателями самих волокон. Существует две основные причины, приводящие к необходимости использования гибридных композитов: включение волокон, превосходящих по каким-либо параметрам другие волокна, входящие в композит, помогает ликвидировать недостатки этих волокон: снижение цены получаемого ГКМ.

В соответствии с типом распределения компонентов ГКМ обычно подразделяют следующим образом:

· однородные, характеризующиеся равномерным распределением каждого армирующего компонента по всему объему материала;

· материалы с линейной неоднородностью, в которых волокна одного вида (или обоих видов) объединяются в жгуты, равномерно распределенные по объему материала;

· композиты с плоскостной неоднородностью, когда волокна каждого вида образуют чередующиеся слои;

· макронеоднородныекомпозиты, в которых разнородные волокна образуют зоны, соизмеримые с характерным изделия.

Однородные полиармированные материалы получают двумя способами: совместной намоткой двух видов, например, углеродных и стекловолокон; использованием комплексных нитей, в которых равномерно распределены волокна различных видов. При таком взаимном расположении волокон остаточные напряжения КМ сводятся к минимуму и улучшаются условия перераспределения напряжений в процессе нагружения материала, однако технология получения таких КМ сложна, в частности получения первичной нити или жгута из различных волокон не всегда возможно, так как технологические процессы изготовления волокон могут принципиально различаться, а собрать готовые разнородные волокна в жгут достаточно трудно.

Для формирования линейно неоднородного полиармированного КМ используют совместную намотку жгутов различных типов или жгутов из моноволокон, также многокомпонентного наполнителя – тканей, матов или шпона. Последний способ, несомненно, более технологичен, однако и в этом случае возникают затруднения, связанные с текстильной переработкой хрупких высокомодульных волокон.

Наиболее технологичными являются композиты с плоскостной и макронеоднородностью, получаемые выкладкой однородных слоев согласно заданной схеме армирования. К недостаткам таких материалов относятся наличие в них герметических напряжений, возникающих в процессе формования КМ или при изменении температуры его эксплуатации. Эти напряжения необходимо учитывать при выборе состава, схемы армирования и технологии изготовления деталей.

Следует отметить, что принцип полиармирования помимо возможности регулирования физико-механических свойств композитов позволяет заметно улучшить их технологические свойства. Так, применение стеклянных волокон в качестве оплеточных в комплексной нити препятствует вытеканию связующего при формировании и способствует уменьшению пористости конечного продукта.

Основным достоинством волокнистых конструкционных КМ является возможность их работы без снижения несущей способности при значительном количестве накопленных подтверждений, другими словами, – повышенное сопротивление развитию разрушающих трещин.

Возможность варьирования свойств гибридных КМ в достаточно широком интервале путем изменения комбинаций армирующих волокон и их соотношения делает эти материалы весьма перспективными для использования в различных областях промышленности. Такие гибридные композиты более дешевые и обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными КМ. Например, гибридный материал, содержащий 20% углеродных волокон и 80% стеклянного волокна, обладает прочностью, равной 75% от прочности КМ, армированного только углеродными волокнами, а его стоимость составляет 30% от стоимости обычного углепластика.