Двухслойный композит, армированный базальтовыми волокнами различной длины

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 539.4+539.3                                    

Композит — материал, состоящий, по меньшей мере, из двух компонентов, отделенных друг от друга [1–3]. Сочетая различные составляющие компоненты можно получить композиционный материал, имеющий свойства, кардинально отличающиеся от свойств каждой из составляющих компонент по отдельности [4–6].

Обобщенный состав композиционного материала можно описать следующим образом [7–9]:

• -    Матрица, которую можно рассматривать как непрерывную фазу (связующий компонент);

• -    Наполнитель представляет собой дискретную фазу (армирующий компонент);

• -    межфазная граница (между ними протекают следующие физико-химические

взаимодействия — адсорбция, десорбция, диффузия и др.) [10–12].

Среди основных типов композитов можно выделить важный класс композиционных материалов, имеющих широкое практическое применение, многослойные композиты, которые представляют собой набор соединенных между собой композитных слоев, одна часть которых армирована длинными и непрерывными волокнами, другая часть короткими минеральными волокнами. Целью работы являются исследование и разработка метода [(cc) ® I производства слоистых композиционных систем, армированных как длинными и непрерывными, так и короткими базальтовыми волокнами.

Материал и методы исследования

При создании композиционного материала важную роль играют такие важные характеристики наполнителя в матрице, как его концентрация, размер, форма, распределение и ориентация (Рисунок 1).

Рисунок 1. Наполнитель в матрице: а — концентрация наполнителя; b — размер наполнителя; с — форма наполнителя; d — распределение наполнителя; е — ориентация наполнителя.

С учетом указанных характеристик наполнителя в матрице, можно получить следующие виды композиционных материалов (Рисунок 2).

Рисунок 2. Армированные композиционные материалы: 1 — короткими волокнами; 2 — длинными непрерывными волокнами; 3 — волокнами во многих направлениях; 4 — многослойный композит на основе непрерывных и коротких волокон.

Рассмотрим математическое описание многослойный композит.

Если обозначить исследуемую физическую величину композиционного материала через у и, предположив, что она зависит от переменных x , x ,... , которые подчиняются требованию линейной аддитивности, указанную физическую величину можно представить в виде:

y = cx + c₂x ₂ + ... ,                                              (1)

где x,x,... — объемное содержание исходных компонентов композита, c,c,...— физические характеристики исходных составляющих компонентов композита.

При определении расчетным путем плотности, модуля упругости, предела прочности и других параметров композиционного материала будем пользоваться свойством линейной аддитивности.

Согласно формуле (1) предел прочности композиционного материала, который армирован длинными волокнами (нк), можно представить в виде:

, (2) нк нв нв м 1 нв где ст — прочность композиционного материала, который армирован длинными волокнами, с — прочность непрерывного волокна, V — объем непрерывного волокна в композите, с — прочность связующего компонента (матрицы).

Композиционные материалы, которые армированы базальтовыми короткими волокнами, при деформации ведут себя не так, как композиционные материалы, которые армированы волокнами большой длины [13]. Если длины волокон l незначительно превосходят, так называемое, критическое значение длины волокна l _кр , то это отличие особенно заметно. В случае приложения нагрузки, достигающей величины разрыва, к композиционному материалу величина силы натяжения на торцах армирующих волокон, имеющих конечную длину, меньше, чем наибольшие значения силы натяжения в длинных волокнах, используемых для армирования. Для недлинных волокон характерно то, что силы натяжения вдоль волокна изменяются. Силы натяжения на концах стремятся к нулю и имеют наибольшее значение на среднем участке, называемом эффективным участком. Объяснить это можно тем, что силы натяжения направлены по касательной вдоль границы взаимодействия волокна матрицы. Критического значения длина волокна достигает, если ее деформация становится достаточно высокой. Уменьшение длины волокна приводит к тому, что волокно перестает деформироваться, а просто вытягивается из матричного слоя. Участки волокна, где силы натяжения падают от значения Смах до нулевого, являются не эффективными. Длина этих участков равна 1 _кр / 2 (Рисунок 3).

f

Рисунок 3. Эффективные и неэффективные участки длины коротких волокон в композите.

Зададим характеристику в = S _кр . / С _кв . мах . Здесь S _Kp . — площадь под кривой распределения сил натяжения на длине 1 _р /2 волокна. В этом случае среднее значение сил натяжения С _кв . ср . для короткого волокна равно:

СсР = С Г1 - (1 - в) 1КР /11.

кв . ср .         кв .                        кр

Таким образом, максимальное значение прочности композиционного материала, который армирован недлинными волокнами, определяется соотношением:

С =Г 1 - (1 - в ) l / 1 1 С V + с V ,.

кв .     ^                 кр J кв . кв .       м 2 м 2

Многослойный композиционный материал, представляющий собой объединение композитов, созданных на основе длинных непрерывных и коротких волокон, работает как единая система. Первый слой композита, созданного на основе непрерывных волокон, работает на растяжение и изгиб, второй слой, созданный на основе коротких волокон, определяет прочностные характеристики при сжатии и деформации. Таким образом учет их совместного действия приводит к следующему соотношению, определяющему свойства многослойного композита:

с = ст V +су .(Л—V ) + [1 — (1 — в)1 //!ст V + а 7V 7, сл. к.       нв нв      м 1         нв     ^                кр J кв. кв.      м 2 м 2 , где <7 — максимальное значение прочности многослойного композита; 7 — сл.к. нв прочность длинного непрерывного волокна; V — объем длинного непрерывного волокна; ст — прочность связующего материала первой матрицы; 7 — прочность короткого волокна; &м2 — прочность связующего материала второй матрицы; v — объем короткого волокна в композите; V — объем связующего материала второй матрицы.

Данный композиционный материал имеет улучшенные свойства, обеспечивающие его прочность по отношению к внешней нагрузке любого направления.

При создании слоистого композита в качестве первого компонента была использована теплоизоляционная плита, которая была армирована кусками базальтового волокна. Для производства таких плит была разработана установка для получения кусков из базальтового волокна и дальнейшего равномерного распределения этих кусков в композитной плите (Рисунок 4). Контроль процесса осуществлялся интерферометрическими методами [14–15].

Рисунок 4. Установка для получения рубленного базальтового волокна.

Результаты исследования и их обсуждение

Рассмотренная выше установка обеспечивала однородное распределение рубленных базальтовых волокон в матрицах с органическим связующим наполнителем. Получаемая композитная плита имела следующие физико–технические характеристики, указанные в Таблице 1.

Таблица 1.

Характеристики	Значение
Теплопроводность, Вт/мК, Прочностные характеристики при сжатии для значений деформации в 10%, MПa (кгс/cм 2 ) Адсорбция воды, % Характеристика прочности связи слоев, кН/м 2	0,048 0,06 1 7

ФИЗИКО–МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛИТЫ НА ОСНОВЕ РУБЛЕННЫХ КОРОТКИХ ВОЛОКОН

Физико–технические показатели указывают, что данный композит обеспечивает достаточные прочностные характеристики, в том числе характеристика прочности связи слоев. Также обеспечивает теплоизоляцию, так как имеет минимальный коэффициент теплопроводности, удовлетворяющий стандартам теплоизоляционных материалов. Были также проведены исследования деформационных свойств композитной системы на основе рубленного дискретного волокна. График деформации базальтовой плиты приведен на Рисунке 5.

	70 60                                                                         59     64 50                                            49     53
X© о4 оГ	40                           40     43 30            29     33                                                    34     33 20                   18     18     18     21     21 10             11 0 0 0       50      100      150     200     250     300     350     400     450 P, кПа

Рисунок 5. Полная (штриховая линия) и остаточная (сплошная линия) деформации в зависимости от величины внешней нагрузки.

Из Рисунка 5 видно, что при воздействии внешних нагрузок в композите деформация не настолько велика, чтобы разрушать форму композитной плиты.

С целью усиления прочности и устойчивости базальтовых плит на основе рубленного короткого волокна и обеспечения крепления при монтаже была использована базальтовая сетка, полученная на основе базальтового непрерывного волокна. Физико-технические характеристики базальтовой сетки приведены в Таблице 2.

Таблица 2.

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БАЗАЛЬТОВОЙ СЕТКИ

Наименование	Величина
Разрывная нагрузка Размер рулона Ячейка Относительное удлинение, не более	60 кН/м 1× 50 м 25×25 мм 4%

Сетка из базальтовых волокон обладает сравнительно с другими видами сеточных материалов следующими важными преимуществами:

–сетка не коррозируется в нейтральной и агрессивной химической среде;

–значение коэффициента теплопроводности базальтовой сетки в несколько раз ниже, чем металлической;

–обладает малой плотностью и большей прочностью;

–себестоимость ниже, чем у аналогичных материалов.

На основе вышеуказанных компонентов был получен многослойный композит, армированный базальтовой сеткой.

Выводы

Теоретически обоснована возможность получения слоистого композиционного материала с улучшенными физико-механическими свойствами.

Проведено исследование прочностных и деформационных свойств компонентов слоистого композиционного материала, армированных соответственно длинными непрерывными и короткими базальтовыми волокнами.

На основе вышеуказанных компонентов был получен слоистый композит, армированный базальтовой сеткой.