Вимоги, що пред'являються до волокон і матриці

Вимоги до волокон. Ниткоподібна форма армуючих елементів має як позитивні, так і негативні сторони. Перевага їх полягає у високій міцності і можливості створити зміцнення тільки в тому напрямі, в якому це потрібно конструктивно, що забезпечує максимальне використовування властивостей волокон. Недолік такої форми полягає в тому, що волокна здатні передавати навантаження тільки у напрямі своєї осі, тоді як в перпендикулярному напрямі зміцнення немає, а в деяких випадках може виявитися навіть знеміцнювання.

Волокна, які використовують як арматуру, повинні мати наступні властивості: високу температуру плавлення, малу густину, високу міцність у всьому інтервалі робочих температур, технологічність, мінімальну розчинність в матриці, високу хімічну стійкість, відсутність фазових перетворень в зоні робочих температур, відсутність токсичності при виготовленні і в експлуатації.

Для армування в основному застосовують три види волокон: ниткоподібні кристали, металевий дріт і неорганічні полікристалічні волокна.

Ниткоподібні кристали („вуса”) розглядають як перспективний матеріал для армування металів, полімерів і кераміки. Надвисока міцність в широкому діапазоні температур при малій густині, хімічна інертність по відношенню до багато яких матричних матеріалів, висока жаростійкість і корозійна стійкість ниткоподібних кристалів оксидов алюмінія і магнія, карбіду кремнію, муллита і інших робить їх незамінними армуючими елементами. На жаль, поки що на шляху їх практичного застосування є багато труднощів. Належить вирішити проблеми отримання їх в промисловому масштабі, відбору годних вусів, орієнтації їх в матриці, методів формування композицій з вусами і ін.

Високоміцний металевий дріт із сталі, вольфраму, молібдену і інших металів менш перспективний, чим вуса, через більшу густину і меншу міцність, проте, оскільки випускається він промисловістю у великих кількостях і має порівняно невисоку вартість, його широко використовують як арматуру, особливо для КМ на металевій основі.

Полікристалічні неорганічні волокна, як і металевий дріт, одержують у великих кількостях. Недолік цих волокон – дуже висока чутливість до механічних пошкоджень. Проте мала густина, висока міцність і хімічна стійкість вуглецевих, борних, скляних, карбидокремнієвих, кварцових, кварцоідних, цирконійових, алюмосиликатних і інших волокон дозволяють широко використовувати їх для армування пластмас і металів.

Якщо КМ конструюють для конкретного виробу, при виготовленні якого потрібно буде згинати волокна під радіусом R, то максимально допустимий діаметр волокна d_max розраховують по формулі, що враховує міцність s_в, і модуль нормальної пружності волокон Е_в (див. далі):

Якщо діаметр волокон буде більше максимально допустимого, вони при вигині руйнуватимуться.

Вимоги до матриці. Матриця в армованих композиціях надає виробу форму і робить матеріал монолітним. Об'єднуючи в єдине ціле численні волокна, матриця повинна дозволяти композиції сприймати різного роду зовнішні навантаження – розтягування, стиснення, згин, зсув і ін. В той же час вона бере участь в створенні несучої здатності композиції, забезпечуючи передачу зусиль на волокна. За рахунок пластичності матриці зусилля від зруйнованих або дискретних (коротких) волокон передаються сусіднім волокнам, а концентрація напружень поблизу різного роду дефектів зменшується. Матриці відводиться і роль захисного покриття, оберігаючого волокна від механічних пошкоджень і окислення.

Крім того, матриця повинна забезпечувати міцність і жорсткість системи при дії розтягуючого або стискаючого навантаження в напрямі, перпендикулярному до армуючих елементів. Якщо розтягуюче навантаження направлено по осі паралельних між собою волокон, то для отримання ефекту зміцнення граничне відносне подовження матриці як мінімум повинно бути рівним відносному подовженню волокон. Якщо ж навантаження перпендикулярне до осі волокон, то цього виявляється недостатньо. В цьому випадку навантаження на волокна передається тільки через матрицю, і чим більше концентрація волокон і відношення модулів пружності матеріалів волокна і матриці, тим більшою повинна бути гранична деформація матриці. Оціночні розрахунки, виконані на пружних моделях, показують, що для забезпечення монолітності КМ при поперечному навантаженні потрібні матриці, відносне видовження яких у декілька разів перевищує середню деформацію волокон.

Прагнення отримати максимальну міцність композиції викликає тенденцію підвищення об'ємної частки V_в волокон. Проте якщо відносне видовження матриці мале, то у разі великих значень V_в монолітність КМ може порушитися навіть при невеликих навантаженнях. З'являться розшарування, тріщини. Запобігти цим негативним явищам при розтягуванні ортотропного матеріалу заданого складу можна за умови, що товщина d прошарка матриці між волокнами, діаметр d_в їх і відносні видовження при розриві волокон e_в і матриці e_м зв'язані співвідношенням

,

тобто чим пластичніша матриця, тим менше допускається товщина прошарку матриці між волокнами і тим більше волокон може бути введено в КМ.