Важнейшее преимущество композиционных материалов – возможность создания из них деталей, узлов и элементов конструкций с заранее заданными свойствами, наиболее полно отражающими характер и условия работы.
Многообразие армирующих и матричных материалов, а также схем армирования, используемых при создании композитов, позволяют направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства.
Производство и применение деталей из КМ позволяют использовать новые принципы проектирования и изготовления изделий, основанные на том, что материал и изделие создаются одновременно в рамках одного и того же технологического процесса. Это позволяет создавать детали и узлы с оптимальным распределением сил и напряжений с учетом условий работы, т.е. можно создавать равнопрочные во всех сечениях детали с высокой удельной прочностью.
Отсюда вытекает особая значимость этапа расчета и проектирования деталей, узлов и элементов конструкций из КМ.
Теоретический расчет деталей, узлов и элементов конструкции не только сложен, но и не вполне реалистичен. Это объясняется микронеоднородностью самого материала (арматура – матрица), наличием большого количества слоев с различной ориентацией арматуры, наличием слоев с разным составом и ориентацией арматуры, анизотропностью свойств, условий взаимодействия слоев и другими факторами.
Поэтому схема расчета в общем случае сводится к следующему.
Предполагается, что композиционные материалы в пределах отдельного слоя являются условно однородными и обладают некоторыми осредненными свойствами, которые могут быть теоретически рассчитаны и определены экспериментально. При этом проводятся испытания на растяжение, сжатие, межслойный сдвиг, кручение, изгиб различных по форме стандартных образцов (плоских, кольцевых, целых и надрезанных, стержневых, трубчатых, образцов с надрезом и других) с различными схемами нагружения.
Принимая во внимание большое разнообразие слоистых структур, которые могут быть образованы даже из одного вида армирующего материала, и связанную с этим трудоемкость экспериментальных исследований, экспериментальное определение характера взаимодействия слоев провести очень трудно. Поэтому характеристики системы слоев устанавливаются расчетным путем на основе анализа взаимодействия слоев. Причем эти характеристики в явном виде зависят от макроструктурных параметров материала.
Для этого рассматриваются уравнения механики анизотропного тела. (Статические, физические, геометрические соотношения в сочетании с граничными условиями, в общем виде и для элементарных конструктивных элементов (тонкая однородная стенка, симметрично армированный слой, элементы, подкрепленные ребрами, стенки переменной толщины и др.)).
Далее проводятся расчет и проектирование конкретных деталей, узлов и элементов конструкций различного вида:
- балки, стержни, кольца;
- баллоны давления;
- панели и пластины;
- маховики (инерционные накопители энергии);
- толстостенные трубы и кольца;
- силовые балки и рамы;
- соединения конструкций из композитов.
Рабочие чертежи деталей, узлов и элементов конструкций из КМ существенно отличаются от аналогичных чертежей деталей из металлов и сплавов. На чертежах, кроме всего прочего, должно быть указано: вид и марка матрицы, количество слоев арматуры, ориентация арматуры в отдельных слоях, количество разнородных слоев, если применяются комбинированные КМ, характер заделки торцов деталей и наружной поверхности, последовательность сборки, способы и технологические параметры формообразования, виды доработки, методы промежуточного и окончательного контроля качества деталей, узлов и элементов конструкции.
Основные компоненты КМ:
- матричные материалы. Они выполняют функции связующего вещества, придают материалу или изделию форму, делают материал монолитным и распределяют усилия между волокнами. В качестве матричных материалов используют полимеры: фенолоформальдегидные, меламиноформальдегидные, кремнийорганические, ненасыщенные гетероцепные полиэфиры, эпоксидные смолы, полиамиды и др.;
- армирующие материалы, обладающие высокой прочностью и жесткостью (монокристаллы, нити, жгуты, ткани, проволоки, сетки и др.), воспринимающие основную часть нагрузок, приходящихся на элементы деталей или конструкций.
Рассмотрим требования, предъявляемые к волокнам и матрице.
Требования к волокнам. Волокна, используемые в качестве арматуры, должны иметь следующие свойства: высокую температуру плавления, низкую плотность, высокую прочность во всем интервале рабочих температур, технологичность, минимальную растворимость в матрице, высокую химическую стойкость, отсутствие фазовых превращений в зоне рабочих температур, отсутствие токсичности при изготовлении и эксплуатации.
Для армирования в основном применяют следующие виды волокон: нитевидные кристаллы (рис. 4.1), металлическую проволоку, органические волокна, неорганические поликристаллические волокна (рис. 4.2) и различные тканые и нетканые армирующие материалы на их основе.