Композитный материал

Было высказано предположение , что эта статья будет Раскол в статьях титулованных автоклавного формования , смолы литьевого прессования , мешок давления формования и светопропускание смолы под давлением . ( Обсудить ) ( ноябрь 2020 г. )

Композитный материал (также называемый композиционный материал или сокращенно композит , который является общим названием) представляет собой материал , который получают из двух или более составных материалов. ^[1] Эти составляющие материалы имеют заметно разные химические или физические свойства и объединяются, чтобы создать материал со свойствами, отличными от отдельных элементов. В готовой структуре отдельные элементы остаются отдельными и отчетливыми, что отличает композиты от смесей и твердых растворов . ^{[2] [3]}

Типичные инженерные композитные материалы включают:

• Железобетон и кладка
• Композитная древесина, например фанера
• Армированные пластмассы , такие как армированный волокном полимер или стекловолокно
• Композиты с керамической матрицей ( композитные керамические и металлические матрицы )
• Композиты с металлической матрицей
• и другие современные композитные материалы

Есть несколько причин, по которым можно отдать предпочтение новому материалу. Типичные примеры включают материалы, которые дешевле, легче или прочнее по сравнению с обычными материалами.

В последнее время исследователи также начали активно включать зондирование, приведение в действие, вычисления и коммуникацию в композиты ^[4], которые известны как роботизированные материалы . ^[5]

Композитные материалы , как правило , используются для зданий , мостов и сооружений , таких как корпусов лодок , бассейнов панелей , гоночных автомобилей тела, душ киосков, ванны , резервуары для хранения , имитация гранита и искусственного мрамора раковины и столешницы. ^{[6] [7]}

Самые передовые образцы регулярно работают на космических кораблях и самолетах в сложных условиях. ^[8]

История [ править ]

Первые композитные материалы были сделаны из соломы и грязи в сочетании с образованием кирпича для строительства строительства . Древнее кирпичное производство было документально подтверждено росписями египетских гробниц . ^{[ необходима цитата ]}

Плетень и мазня - один из самых старых композитных материалов, которому более 6000 лет. ^[9] Бетон также является композитным материалом и используется чаще, чем любой другой синтетический материал в мире. По данным на 2006 год ^{[Обновить]}, ежегодно производится около 7,5 миллиардов кубометров бетона - более одного кубического метра на каждого человека на Земле. ^[10]

• Древесные растения , как истинные древесины от дерев и таких растений , как пальмы и бамбук , дают природные композиты , которые были использованы prehistorically человечества и до сих пор широко используются в строительстве и строительных лесах.
• Фанера 3400 г. до н.э. ^[11] древних месопотамцев; склейка дерева под разными углами дает лучшие свойства, чем натуральное дерево.
• Картонные слои льна или папируса, пропитанные гипсом, относятся к первому промежуточному периоду Египта c. 2181–2055 гг. До н.э. ^[11] и использовался для посмертных масок .
• Глиняные кирпичи или глиняные стены (с использованием глины (глины) с соломой или гравием в качестве связующего) использовались в течение тысяч лет. ^[12]
• Бетон был описан Витрувием , написавшим около 25 г. до н.э. в своих « Десяти книгах по архитектуре» , где выделялись типы заполнителя, подходящие для приготовления известковых растворов . В качестве строительных растворов он рекомендовал пуццолан , который представлял собой вулканический песок из песчаных пластов коричневато-желто-серого цвета Поццуоли около Неаполя и красновато-коричневого цвета в Риме . Vitruvius определяет соотношение 1 часть извести к 3 частям пуццолана для цемента, используемого в зданиях, и соотношение 1: 2 извести к Puteolanus Puteolanus для подводных работ, по сути, такое же соотношение, которое сегодня используется для бетона, используемого в море. ^[13] Из природного цементного камня после обжига производились цементы, используемые в бетонах с постримских времен до 20 века, с некоторыми свойствами, превосходящими производимый портландцемент .
• Папье-маше , смесь бумаги и клея, используется на протяжении сотен лет. ^[14]
• Первый армированный искусственным волокном пластик представлял собой комбинацию стекловолокна и бакелита , выполненную в 1935 году Элом Симисоном и Артуром Д. Литтлом в компании Owens Corning ^[15].
• Один из наиболее распространенных и известных композитов - это стекловолокно , в котором небольшое стекловолокно заделано внутри полимерного материала (обычно эпоксидной смолы или полиэстера). Стекловолокно относительно прочное и жесткое (но также хрупкое), в то время как полимер пластичный (но также слабый и гибкий). Таким образом, полученное стекловолокно является относительно жестким, прочным, гибким и пластичным. ^[16]

Примеры [ править ]

Композитные материалы [ править ]

Бетон является наиболее распространенным искусственным композитным материалом из всех и обычно состоит из рыхлых камней (заполнителя), удерживаемых цементной матрицей . Бетон - недорогой материал, он не сжимается и не раскалывается даже под действием довольно большой силы сжатия. ^[17] Однако бетон не может выдержать растягивающую нагрузку ^[18] (т. Е. При растяжении он быстро разрушается). Поэтому, чтобы дать бетону способность противостоять растяжению, в бетон часто добавляют стальные стержни, которые могут противостоять высоким силам растяжения, для образования железобетона . ^[19]

Полимеры, армированные волокном, включают полимер, армированный углеродным волокном, и пластик, армированный стекловолокном . Если классифицировать по матрице, то это термопластические композиты , термопласты с короткими волокнами, термопласты с длинными волокнами или термопласты , армированные длинными волокнами. Существует множество термореактивных композитов, в том числе бумажные композитные панели . Многие современные системы с матрицами из термореактивного полимера обычно включают арамидное волокно и углеродное волокно в матрицу из эпоксидной смолы . ^{[20] [21]}

Полимерные композиты с памятью формы - это высокоэффективные композиты, в состав которых входят армирующие волокна или ткань и полимерная смола с памятью формы в качестве матрицы. Поскольку в качестве матрицы используется полимерная смола с памятью формы, эти композиты могут быть легко преобразованы в различные конфигурации, когда они нагреты выше их температур активации, и будут демонстрировать высокую прочность и жесткость при более низких температурах. Их также можно повторно нагревать и изменять форму без потери свойств материала. Эти композиты идеально подходят для таких приложений, как легкие, жесткие, развертываемые конструкции; быстрое изготовление; и динамическое армирование. ^{[22] [23]}

Композиты с высокой деформацией - это еще один тип высокопроизводительных композитов, которые предназначены для работы в условиях высокой деформации и часто используются в развертываемых системах, где структурная гибкость является предпочтительной. ^{[ необходима цитата ]} Хотя композиты с высокой деформацией демонстрируют много общего с полимерами с памятью формы, их рабочие характеристики обычно зависят от расположения волокон, а не от содержания смолы в матрице. ^[24]

В композитах также могут использоваться металлические волокна, армирующие другие металлы, как в композитах с металлической матрицей (MMC) ^[25] или композитах с керамической матрицей (CMC), ^[26], которые включают кость ( гидроксиапатит, армированный коллагеновыми волокнами), металлокерамику (керамику и металл) и бетон . Композиты с керамической матрицей созданы в первую очередь для обеспечения вязкости разрушения , а не прочности. Другой класс композитных материалов включает тканые композиты, состоящие из продольных и поперечных кружевных нитей. Композитные тканые материалы являются гибкими, поскольку они имеют форму ткани.

Композиты с органической матрицей и керамическим заполнителем включают асфальтобетон , полимербетон , мастичный асфальт , гибридный мастичный валик , стоматологический композит , синтаксическую пену и перламутр . ^[27] Броня Чобхэма - это особый тип композитной брони, используемый в военных целях. ^[28]

Кроме того, термопластичные композиционные материалы могут быть составлены из определенных металлических порошков, в результате чего получаются материалы с диапазоном плотности от 2 г / см ³ до 11 г / см ³ ( такая же, как у свинца). Наиболее распространенное название этого типа материала - «соединение высокой плотности» (HGC), хотя также используется «замена свинца». Эти материалы можно использовать вместо традиционных материалов, таких как алюминий, нержавеющая сталь, латунь, бронза, медь, свинец и даже вольфрам, при взвешивании, балансировке (например, при изменении центра тяжести теннисной ракетки).), гашение вибрации и радиационная защита. Композиты с высокой плотностью являются экономически целесообразным вариантом, когда определенные материалы считаются опасными и запрещены (например, свинец) или когда решающими факторами являются затраты на вторичные операции (такие как механическая обработка, отделка или покрытие). ^[29]

Сэндвич-панель представляет собой особый класс из композитного материала , который изготовлен путем прикрепления двух тонких , но жесткие шкур легкого , но толстый сердечник. Материал сердечника обычно представляет собой материал с низкой прочностью, но его большая толщина обеспечивает многослойный композит с высокой жесткостью на изгиб при общей низкой плотности . ^{[30] [31]}

Древесина представляет собой природный композит, содержащий волокна целлюлозы в матрице лигнина и гемицеллюлозы . ^[32] Обработанная древесина включает широкий спектр различных продуктов, таких как древесноволокнистые плиты, фанера , ориентированно-стружечные плиты , древесно-пластиковый композит (переработанное древесное волокно в полиэтиленовой матрице), пикрет (опилки в ледяной матрице), пропитанная пластиком или ламинированная бумага. или текстиль, арборит , формика (пластик) и микарта . В других разработанных ламинатных композитах, таких как Mallite , используется центральная сердцевина из торцевых волокон.бальзовое дерево , приклеенное к поверхностным поверхностям из легкого сплава или стеклопластика. Из них получаются легкие и высокопрочные материалы. ^[33]

Композиты в виде частиц содержат частицы в качестве наполнителя, диспергированные в матрице, которая может быть неметаллом, например стеклом или эпоксидной смолой. Автомобильная шина - это пример композиционного материала из твердых частиц. ^[34]

Сообщалось о передовых полимерных композитах с алмазоподобным углеродным (DLC) покрытием ^{[35], в} которых покрытие увеличивает гидрофобность, твердость и износостойкость поверхности.

Продукты [ править ]

Армированные волокном композитные материалы завоевали популярность (несмотря на их в целом высокую стоимость) в высокоэффективных продуктах, которые должны быть легкими, но достаточно прочными, чтобы выдерживать суровые условия нагрузки, такие как аэрокосмические компоненты ( хвосты , крылья , фюзеляжи , гребные винты ), лодки и корпуса черепов , рамы велосипедов и кузова гоночных автомобилей . Другие применения включают удочки , резервуары для хранения , панели бассейнов и бейсбольные биты . Boeing 787 и Airbus A350конструкции, включая крылья и фюзеляж, в основном состоят из композитных материалов. ^[36] Композиционные материалы также становятся все более распространенным в области ортопедической хирургии , ^[37] , и это самый распространенный материал клюшки.

Углеродный композит - ключевой материал в современных ракетах-носителях и теплозащитных экранах на этапе входа космических аппаратов в атмосферу . Он широко используется в подложках солнечных панелей, антенных отражателях и ярмах космических кораблей. Он также используется в адаптерах полезной нагрузки, межкаскадных конструкциях и теплозащитных экранах ракет-носителей . Кроме того, в дисковых тормозных системах самолетов и гоночных автомобилей используется углерод / углеродный материал, а композитный материал с углеродными волокнами и матрицей из карбида кремния используется в автомобилях класса люкс и спортивных автомобилях .

В 2006 году армированная волокном композитная панель для бассейнов была представлена ​​для подземных бассейнов, как жилых, так и коммерческих, в качестве неагрессивной альтернативы оцинкованной стали.

В 2007 году TPI Composites Inc и Armor Holdings Inc. представили полностью композитный военный автомобиль Humvee , первый полностью композитный военный автомобиль . Благодаря использованию композитных материалов автомобиль легче, что позволяет увеличить полезную нагрузку. ^[38] В 2008 году углеродное волокно и кевлар DuPont (в пять раз прочнее стали) были объединены с улучшенными термореактивными смолами, чтобы сделать военные транспортные ящики ECS Composites, создав на 30 процентов более легкие корпуса с высокой прочностью.

Трубы и фитинги различного назначения, такие как транспортировка питьевой воды, пожаротушение, орошение, морская вода, опресненная вода, химические и промышленные отходы, а также сточные воды, теперь производятся из стеклопластика.

Композиционные материалы, используемые в натяжных конструкциях для фасадов, обладают преимуществом полупрозрачности. Тканая ткань-основа в сочетании с соответствующим покрытием позволяет лучше пропускать свет. Это обеспечивает очень комфортный уровень освещения по сравнению с полной яркостью снаружи. ^[39]

Крылья ветряных турбин, увеличивающиеся в размерах до 50 м в длину, уже несколько лет изготавливаются из композитных материалов. ^[40]

Люди с двумя ампутированными ногами бегают на пружинных искусственных ногах из углеродного композита так же быстро, как и спортсмены без ампутантов. ^[41]

Газовые баллоны высокого давления, обычно для пожарных объемом около 7–9 литров и давление 300 бар, в настоящее время изготавливаются из углеродного композита. Цилиндры типа 4 включают в себя металл только в качестве выступа, несущего резьбу для ввинчивания клапана.

5 сентября 2019 года HMD Global представила Nokia 6.2 и Nokia 7.2, в которых, как утверждается, используется полимерный композит для рам. ^[42]

Обзор [ править ]

Композиционные материалы создаются из индивидуальных материалов. Эти отдельные материалы известны как составляющие материалы, и их можно разделить на две основные категории. Один - это матрица ( связующее ), а другой - арматура . ^[43]Нужна как минимум порция каждого вида. Армирование получает поддержку от матрицы, поскольку матрица окружает арматуру и сохраняет свое относительное положение. Свойства матрицы улучшаются, поскольку арматура придает ей исключительные физические и механические свойства. Механические свойства становятся недоступными из отдельных составляющих материалов в результате синергизма. В то же время дизайнер изделия или конструкции получает возможность выбрать оптимальное сочетание из множества материалов матрицы и упрочняющих материалов.

Чтобы сформировать инженерные композиты, его необходимо сформировать. Армирование помещается на поверхность формы или в полость формы . До или после этого матрицу можно вводить в арматуру. Матрица подвергается слиянию, которое обязательно задает форму детали. Это событие слияния может происходить несколькими способами, в зависимости от природы матрицы, например, отверждение из расплавленного состояния для композиционного материала с термопластичной полимерной матрицей или химическая полимеризация для термореактивной полимерной матрицы .

В соответствии с требованиями к конструкции конечного изделия могут использоваться различные методы формования. Природа выбранной матрицы и подкрепления являются ключевыми факторами, влияющими на методологию. Еще одним важным фактором является общее количество производимого материала. Для поддержки высоких капиталовложений в технологии быстрого и автоматизированного производства могут использоваться большие количества. Более дешевые капитальные вложения, но более высокие затраты на рабочую силу и инструменты при, соответственно, более медленных темпах помогают небольшим объемам производства.

Многие коммерчески производимые композиты используют материал полимерной матрицы, часто называемый раствором смолы. В зависимости от исходного сырья доступно множество различных полимеров. Есть несколько широких категорий, каждая из которых имеет множество вариаций. Наиболее распространены такие, как полиэфир , сложный виниловый эфир , эпоксидная смола , фенол , полиимид , полиамид , полипропилен , ПЭЭК., и другие. Армирующими материалами часто являются волокна, но также обычно измельченные минералы. Различные методы, описанные ниже, были разработаны для уменьшения содержания смолы в конечном продукте или увеличения содержания волокна. Как показывает практика, компоновка приводит к продукту, содержащему 60% смолы и 40% волокна, тогда как вакуумная инфузия дает конечный продукт с содержанием смолы 40% и волокна 60%. От этого соотношения во многом зависит крепость продукта.

Мартин Хюббе и Лукиан Лючия считают древесину , естественный композит целлюлозных волокон в матрице из лигнина . ^{[44] [45]}

Сердечники в композитах [ править ]

Некоторые конструкции композита также включают совместное или последующее отверждение препрега со многими другими средами, такими как пена или соты. Обычно это называется сэндвич-структурой . Это более общая компоновка для производства капотов, дверей, обтекателей или других частей.

Пенопласты с открытыми и закрытыми порами, такие как поливинилхлорид , полиуретан , полиэтилен или пенополистирол , бальзовое дерево , синтаксические пены и соты, как правило, являются материалами сердцевины. Металлическая пена с открытыми и закрытыми ячейкамитакже могут использоваться в качестве основных материалов. В последнее время трехмерные графеновые структуры (также называемые графеновой пеной) также используются в качестве основных структур. В недавнем обзоре, проведенном Хуррамом и Сюй и др., Приводится краткое изложение современных методов изготовления трехмерной структуры графена и примеры использования этих пеноподобных структур в качестве ядра для их соответствующие полимерные композиты. ^[46]

Полукристаллические полимеры [ править ]

Хотя две фазы химически эквивалентны, полукристаллические полимеры можно описать как количественно, так и качественно как композиционные материалы. Кристаллическая часть имеет более высокий модуль упругости и обеспечивает усиление менее жесткой аморфной фазы. Полимерные материалы могут варьироваться от 0% до 100% ^[47] кристалличности или объемной доли в зависимости от молекулярной структуры и термической истории. Для изменения процентной кристалличности в этих материалах и, следовательно, механических свойств этих материалов, как описано в разделе физических свойств, могут использоваться различные технологии обработки. Этот эффект наблюдается в самых разных местах, от промышленных пластиков, таких как полиэтиленовые пакеты для покупок, до пауков, которые могут производить шелк с различными механическими свойствами. ^[48]Во многих случаях эти материалы действуют как композиты частиц со случайно распределенными кристаллами, известными как сферолиты. Однако они также могут быть анизотропными и действовать как композиты, армированные волокном. ^[49] В случае паучьего шелка свойства материала могут зависеть даже от размера кристаллов, независимо от объемной доли. ^[50] По иронии судьбы, однокомпонентные полимерные материалы являются одними из наиболее легко настраиваемых известных композитных материалов.

Способы изготовления [ править ]

Обычно изготовление композита включает смачивание, смешивание или насыщение арматуры матрицей. Затем матрицу заставляют соединиться (с помощью тепла или химической реакции) в жесткую структуру. Обычно операция выполняется в открытой или закрытой формовочной форме. Однако порядок и способы введения составляющих существенно меняются. Изготовление композитов достигается с помощью самых разных методов, включая усовершенствованное размещение волокон (автоматическое размещение волокон), ^[51] процесс укладки стекловолокна распылением , ^[52] наматывание нитей , ^[53] процесс ланоксида , ^[54] индивидуальное размещение волокон , ^[55] тафтинг ^[56]и z-закрепление . ^[57]

Обзор пресс-формы [ править ]

Армирующий и матричный материалы объединяются, уплотняются и отверждаются (обрабатываются) в форме, чтобы пройти процесс слияния. Форма детали в основном устанавливается после события слияния. Однако при определенных условиях процесса он может деформироваться. Событие слияния Для термореактивного полимерного матричного материала является реакция отверждения, которая вызвана возможностью дополнительного нагрева или химической реакционной способности, такой как органический пероксид. Событием плавления термопластичного полимерного матричного материала является отверждение из расплавленного состояния. Событие плавления для материала металлической матрицы, такого как титановая фольга, представляет собой плавление при высоком давлении и температуре, близкой к температуре плавления.

Для многих способов формования подходит наименование одной детали формы как «нижней» формы, а другой детали формы - как «верхней» формы. Нижняя и верхняя части относятся не к конфигурации формы в пространстве, а к различным граням формованной панели. В этом соглашении всегда есть нижний шаблон, а иногда и верхний. Конструкция детали начинается с нанесения материалов на нижнюю форму. Нижняя форма и верхняя форма являются более обобщенными дескрипторами, чем более общие и конкретные термины, такие как охватываемая сторона, охватывающая сторона, сторона A, сторона b, сторона инструмента, чаша, шляпа, оправка и т. Д. В непрерывном производстве используется другая номенклатура.

Обычно формованное изделие называют панно. Это можно назвать отливкой для определенных геометрических форм и комбинаций материалов. Его можно назвать профилем для определенных непрерывных процессов. Некоторые из процессов включают формование в автоклаве , ^[58] формование вакуумного мешка , ^[59] формование мешка под давлением , ^[60] формование с переносом смолы ^[61] и формование с переносом легкой смолы . ^[62]

Другие методы изготовления [ править ]

Другие типы изготовления включают литье , ^[63] центробежное литье, ^[64] плетение (на бывшей ), непрерывной разливки , ^[65]   намотки нити , ^[66] прессование, ^[67] литьевое прессование , пултрузии литье ^[68] и формирование скольжения . ^[69] Существуют также возможности формования, включая намотку нити с ЧПУ , вакуумную инфузию, мокрую укладку, прессование и термопласт.молдинг, чтобы назвать несколько. Для некоторых проектов также требуется практика сушильных печей и окрасочных камер.

Методы отделки [ править ]

Отделка композитных деталей также имеет решающее значение в окончательном дизайне. Многие из этих видов отделки включают покрытия, наносимые дождевой эрозией или полиуретановые покрытия.

Инструменты [ править ]

Пресс-форма и вставки для пресс-формы называются «инструментами». Форма / инструмент может быть изготовлен из разных материалов. Инструментальные материалы включают алюминий , углеродное волокно , инвар , никель , армированный силиконовый каучук и сталь. Выбор материала для оснастки обычно основывается, но не ограничивается, на коэффициенте теплового расширения , ожидаемом количестве циклов, допуске конечного элемента, желаемом или ожидаемом состоянии поверхности, методе отверждения, температуре стеклования формованного материала, методе формования, матрица, стоимость и другие различные соображения.

Физические свойства [ править ]

Обычно физические свойства композита не являются изотропными (независимо от направления приложенной силы) по своей природе. Но они обычно анизотропны (различаются в зависимости от направления приложенной силы или нагрузки). Например, жесткость композитной панели обычно зависит от ориентации приложенных сил и / или моментов. Прочность композита ограничена двумя условиями нагружения, как показано на графике справа.

Правило изодеформации смесей [ править ]

Если и волокна, и матрица выровнены параллельно направлению нагрузки, деформация обеих фаз будет одинаковой (при условии отсутствия расслоения на границе раздела волокно-матрица). Это условие изопрочности обеспечивает верхнюю границу прочности композита и определяется правилом смесей :

${\ displaystyle E_ {C} = \ sum _ {i = 1} V_ {i} E_ {i}}$

где E _C - эффективный композитный модуль Юнга , а V _i и E _i - объемная доля и модули Юнга, соответственно, составных фаз.

Например, для композитного материала, состоящего из фаз α и β, как показано на рисунке справа под изостреном, модуль Юнга будет следующим:

где V _α и V _β - соответствующие объемные доли каждой фазы. Это можно вывести, если учесть, что в случае изостренения Предполагая, что композит имеет однородное поперечное сечение, напряжение на композит представляет собой средневзвешенное значение между двумя фазами, Напряжения в отдельных фазах задаются законом Гука, Объединение этих уравнений дает, что общее напряжение в композите составляет Тогда можно показать, что

Изостресс правило смесей [ править ]

Нижняя граница продиктована условием изонапряжения, при котором волокна и матрица ориентированы перпендикулярно направлению нагрузки:

и теперь штаммы становятся средневзвешеннымиПереписывая закон Гука для отдельных фаз Это ведет кИз определения закона Гукаи вообще
${\displaystyle {\frac {1}{E_{C}}}=\sum _{i=1}{\frac {V_{i}}{E_{i}}}}$

Следуя приведенному выше примеру, если бы у кого-то был композитный материал, состоящий из α- и β-фаз в условиях изонапряжения, как показано на рисунке справа, модуль Юнга композиции будет:

Условие изостренения подразумевает, что при приложенной нагрузке обе фазы испытывают одинаковую деформацию, но будут испытывать разное напряжение. Для сравнения, в условиях изостресса обе фазы будут испытывать одинаковое напряжение, но напряжения будут различаться для каждой фазы. Обобщенное уравнение для любых условий нагружения между изострессом и изострессом можно записать как ^[71]

${\displaystyle (X_{c})^{n}=V_{m}(X_{m})^{n}+V_{r}(X_{r})^{n}}$

где X - свойство материала, такое как модуль или напряжение, c, m и r обозначают свойства композитного материала, матрицы и армирующих материалов соответственно, а n - значение от 1 до -1.

Вышеупомянутое уравнение может быть далее обобщено за пределы двухфазного композита на m-компонентную систему:

${\displaystyle (X_{c})^{n}=\sum _{i=1}^{m}V_{i}(X_{i})^{n}}$

Хотя жесткость композита максимальна, когда волокна выровнены с направлением нагрузки, также существует возможность разрушения волокна при растяжении, если предположить, что прочность на разрыв превышает прочность матрицы. Когда волокно имеет некоторый угол разориентации θ, возможны несколько мод разрушения. Для малых значений θ напряжение, необходимое для инициирования разрушения, увеличивается в (cos θ) ^-2 раза из- за увеличения площади поперечного сечения ( A cos θ) волокна и уменьшения силы ( F / cos θ), испытываемой волокна, что приводит к прочности композита на растяжение σ _{параллельно} / cos ² θ, где σ _{параллельно} - это предел прочности композита с волокнами, расположенными параллельно приложенной силе.

Промежуточные углы разориентации θ приводят к разрушению матрицы при сдвиге. Снова изменяется площадь поперечного сечения, но поскольку напряжение сдвига теперь является движущей силой разрушения, представляет интерес площадь матрицы, параллельная волокнам, увеличиваясь в 1 раз / sin θ. Точно так же сила, параллельная этой области, снова уменьшается ( F / cos θ), что приводит к общей прочности на растяжение τ _my / sin θ cos θ, где τ _my - прочность матрицы на сдвиг.

Наконец, при больших значениях θ (около π / 2) наиболее вероятно возникновение поперечного разрушения матрицы, поскольку волокна больше не несут большую часть нагрузки. Тем не менее, предел прочности на разрыв будет больше, чем для чисто перпендикулярной ориентации, поскольку сила, перпендикулярная волокнам, уменьшится в 1 раз / sin θ, а площадь уменьшится в 1 раз / sin θ, создавая композитную прочность на растяжение равной σ _perp / sin ² θ, где σ _perp - предел прочности на разрыв композита с волокнами, ориентированными перпендикулярно приложенной силе. ^[72]

Большинство коммерческих композитов формируются со случайной дисперсией и ориентацией упрочняющих волокон, и в этом случае модуль Юнга композита будет находиться между границами изостена и изостресса. Однако в приложениях, где отношение прочности к весу спроектировано так, чтобы быть максимально высоким (например, в аэрокосмической промышленности), выравнивание волокон можно строго контролировать.

Жесткость панели также зависит от конструкции панели. Например, используемое армирование волокном и матрица, метод сборки панели, термореактивный или термопластичный материал и тип переплетения.

В отличие от композитов, изотропные материалы (например, алюминий или сталь) в стандартных деформируемых формах обычно обладают одинаковой жесткостью, несмотря на направленную ориентацию приложенных сил и / или моментов. Связь между силами / моментами и деформациями / кривизной для изотропного материала может быть описана с помощью следующих свойств материала: модуля Юнга, модуля сдвига и коэффициента Пуассона., в относительно простых математических отношениях. Для анизотропного материала требуется математика тензора второго порядка и до 21 константы свойств материала. Для особого случая ортогональной изотропии существуют три различных константы свойств материала для каждого из модуля Юнга, модуля сдвига и коэффициента Пуассона - всего 9 констант, чтобы выразить взаимосвязь между силами / моментами и деформациями / кривизной.

Методы, использующие преимущества анизотропных свойств материалов, включают пазовые и шипованные соединения (в натуральных композитах, таких как дерево) и пи-швы в синтетических композитах.

Механические свойства композитов [ править ]

Армирование частицами [ править ]

В целом армирование частицами упрочняет композит в меньшей степени, чем армирование волокном. Он используется для повышения жесткости композитов при одновременном увеличении прочности и ударной вязкости . Благодаря своим механическим свойствам они используются там, где требуется износостойкость . Например, твердость цемента может быть увеличена путем резкого усиления частиц гравия. Армирование частицами - очень выгодный метод настройки механических свойств материалов, поскольку его очень легко реализовать, но при этом он невысокий. ^{[73] [74] [75]}

Модуль упругости композитов, армированных частицами, может быть выражен как

${\displaystyle E_{c}=V_{m}E_{m}+K_{c}V_{p}E_{p}}$

где E - модуль упругости , V - объемная доля . Индексы c, p и m обозначают композит, частицу и матрицу соответственно. - константа, которую можно найти эмпирически.${\displaystyle K_{c}}$

Точно так же прочность на разрыв композитов, армированных частицами, может быть выражена как

${\displaystyle (T.S.)_{c}=V_{m}(T.S.)_{m}+K_{s}V_{p}(T.S.)_{p}}$

где TS - предел прочности на разрыв , а - константа (не равная ), которую можно найти эмпирически.${\displaystyle K_{s}}$${\displaystyle K_{c}}$

Непрерывное армирование волокном [ править ]

В общем, армирование непрерывным волокном осуществляется путем включения волокна в качестве сильной фазы в матрицу слабой фазы. Причина популярности использования волокна заключается в том, что в его волокнистой форме можно получить материалы с необычайной прочностью. Неметаллические волокна обычно демонстрируют очень высокое отношение прочности к плотности по сравнению с металлическими волокнами из-за ковалентной природы их связей . Самый известный пример - углеродные волокна, которые находят множество применений - от спортивного снаряжения до защитного снаряжения и космической промышленности . ^{[76] [77]}

Напряжение на композит можно выразить через объемную долю волокна и матрицы.

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}+V_{m}\sigma _{m}}$

где - напряжение, V - объемная доля . Индексы c, f и m обозначают композит, волокно и матрицу соответственно.${\displaystyle \sigma }$

Несмотря на то, что поведение волокнистых композитов при напряжении и деформации может быть определено только путем испытаний, существует ожидаемая тенденция - три стадии кривой зависимости напряжения от деформации . Первая стадия - это область кривой напряжения-деформации, на которой и волокно, и матрица упруго деформируются . Эта линейно-упругая область может быть выражена в следующем виде. ^[76]

${\displaystyle \sigma _{c}-E_{c}\epsilon _{c}=\epsilon _{c}(V_{f}E_{f}+V_{m}E_{m})}$

где - напряжение, - деформация, E - модуль упругости , V - объемная доля . Индексы c, f и m обозначают композит, волокно и матрицу соответственно.${\displaystyle \sigma }$${\displaystyle \epsilon }$

После прохождения упругой области как для волокна, так и для матрицы можно наблюдать второй участок кривой напряжения-деформации . Во второй области волокно все еще упруго деформируется, тогда как матрица пластически деформируется, поскольку матрица является слабой фазой. Мгновенный модуль упругости может быть определен с использованием наклона кривой зависимости напряжения от деформации во второй области. Взаимосвязь между напряжением и деформацией может быть выражена как,

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}E_{f}\epsilon _{c}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$

где - напряжение, - деформация, E - модуль упругости , V - объемная доля . Индексы c, f и m обозначают композит, волокно и матрицу соответственно. Чтобы найти модуль во второй области, можно использовать производную этого уравнения, поскольку наклон кривой равен модулю.${\displaystyle \sigma }$${\displaystyle \epsilon }$

${\displaystyle E_{c}'={\frac {d\sigma _{c}}{d\epsilon _{c}}}=V_{f}E_{f}+V_{m}\left({\frac {d\sigma _{c}}{d\epsilon _{c}}}\right)}$

В большинстве случаев это можно предположить, поскольку второй член намного меньше первого. ^[76]${\displaystyle E_{c}'=V_{f}E_{f}}$

В действительности производная напряжения по отношению к деформации не всегда возвращает модуль из-за связывающего взаимодействия между волокном и матрицей. Сила взаимодействия между этими двумя фазами может привести к изменению механических свойств композита. Совместимость волокна и матрицы является мерой внутреннего напряжения . ^[76]

В ковалентно св занные высокопрочные волокна (например , углеродные волокна ) испытывают в основном упругую деформацию до разрушения , так как пластическая деформация может произойти из - за движения дислокаций . В то время как металлические волокна имеют больше места для пластической деформации, поэтому их композиты демонстрируют третью стадию, на которой и волокно, и матрица пластически деформируются. Металлические волокна находят множество применений для работы при криогенных температурах, что является одним из преимуществ композитов с металлическими волокнами перед неметаллическими. Напряжение в этой области кривой растяжения можно выразить как,

${\displaystyle \sigma _{c}(\epsilon _{c})=V_{f}\sigma _{f}\epsilon _{c}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$

где - напряжение, - деформация, E - модуль упругости , V - объемная доля . Индексы c, f и m обозначают композит, волокно и матрицу соответственно.  и   относятся к напряжениям течения волокна и матрицы соответственно. Сразу после третьего участка на композите появляется шейка . Деформация сужения композита оказывается между деформацией сужения волокна и матрицы, как и другие механические свойства композитов. Деформация шейки слабой фазы задерживается сильной фазой. Величина задержки зависит от объемной доли сильной фазы. ^[76]${\displaystyle \sigma }$${\displaystyle \epsilon }$${\displaystyle \sigma _{f}(\epsilon _{c})}$${\displaystyle \sigma _{m}(\epsilon _{c})}$

Таким образом, предел прочности композита может быть выражен через объемную долю . ^[76]

${\displaystyle (T.S.)_{c}=V_{f}(T.S.)_{f}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{m})}$

где TS - предел прочности на разрыв , - напряжение, - деформация, E - модуль упругости , а V - объемная доля . Индексы c, f и m обозначают композит, волокно и матрицу соответственно. Предел прочности композита на растяжение можно выразить как${\displaystyle \sigma }$${\displaystyle \epsilon }$

${\displaystyle (T.S.)_{c}=V_{m}(T.S.)_{m}}$для меньше или равно (произвольное критическое значение объемной доли)${\displaystyle V_{f}}$${\displaystyle V_{c}}$

${\displaystyle (T.S.)_{c}=V_{f}(T.S.)_{f}+V_{m}(\sigma _{m})}$для больше или равно ${\displaystyle V_{f}}$${\displaystyle V_{c}}$

Критическое значение объемной доли может быть выражено как,

${\displaystyle V_{c}={\frac {[(T.S.)_{m}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}{[(T.S.)_{f}+(T.S.)_{m}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}}}$

Очевидно, что прочность композита на растяжение может быть выше, чем у матрицы, если она больше .${\displaystyle (T.S.)_{c}}$${\displaystyle (T.S.)_{m}}$

Таким образом, минимальная объемная доля волокна может быть выражена как

${\displaystyle V_{c}={\frac {[(T.S.)_{m}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}{[(T.S.)_{f}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}}}$

Хотя это минимальное значение на практике очень низкое, это очень важно знать, так как причиной включения непрерывных волокон является улучшение механических свойств материалов / композитов, и это значение объемной доли является порогом этого улучшения. ^[76]

Эффект ориентации волокна [ править ]

Изменение ориентации волокон может повлиять на механические свойства армированных волокном композитов, особенно на прочность на разрыв.

Прочность композита на растяжение можно предсказать в зависимости от угла (от 0 ° до 10 °), угла между применяемым для и ориентации волокон. ^[76]${\displaystyle \theta }$

${\displaystyle (T.S.)(longitudinalfracture)={\frac {\sigma _{\parallel }^{*}}{cos^{2}(\theta )}}}$

где TS - предел прочности , - параллельное напряжение.${\displaystyle \sigma }$

Из-за разориентации матрица композита испытывает силу сдвига. Предел прочности композитов (углы 10 ° - 60 °) из-за разрушения матрицы при сдвиге можно выразить как

${\displaystyle (T.S.)(shearfailure)={\frac {\tau _{m}}{(sin(\theta )cos(\theta ))}}}$

где TS - предел прочности , - напряжение сдвига. ^[76]${\displaystyle \tau }$

Если угол даже больше, чем (углы 60 ° - 90 °), действует другой вид отказа, поперечный режим. Сопротивление композитному поперечному разрушению может быть выражено как,${\displaystyle \theta }$

${\displaystyle (T.S.)(transversefracture)={\frac {\sigma ^{*}\perp }{sin^{2}(\theta )}}}$

где TS - предел прочности , - перпендикулярное напряжение. ^[76]${\displaystyle \sigma }$

Таким образом, угол перехода в режим разрушения можно выразить как

${\displaystyle \theta _{c}=\tan ^{-1}\left({\frac {\tau _{m}}{\sigma ^{*}}}\right)}$

где - критический угол, - параллельное напряжение и - напряжение сдвига. ^[76]${\displaystyle \theta _{c}}$${\displaystyle \sigma }$${\displaystyle \tau }$

Этот критический угол важен для конструкции композитных материалов для определенных приложений.

Типы волокон и их механические свойства [ править ]

Наиболее распространенными типами волокон, используемых в промышленности, являются стекловолокно , углеродные волокна и кевлар из-за простоты их производства и доступности. Их механические свойства очень важны, поэтому ниже приводится таблица их механических свойств для сравнения их со сталью S97 . ^{[78] [79] [80] [81]} Угол ориентации волокна очень важен из-за анизотропии волоконных композитов (более подробное объяснение см. В разделе «Физические свойства»). Механические свойства композитов можно проверить с помощью стандартных механических испытаний.методы, располагая образцы под разными углами (стандартные углы 0 °, 45 ° и 90 °) относительно ориентации волокон в композитах. Как правило, осевое выравнивание 0 ° делает композиты устойчивыми к продольному изгибу и осевому растяжению / сжатию, выравнивание по кольцу 90 ° используется для получения сопротивления внутреннему / внешнему давлению, а ± 45 ° является идеальным выбором для получения сопротивления чистому скручиванию. ^[82]

Механические свойства волокнистых композитных материалов [ править ]

Волокна при 0 ° (UD), 0/90 ° (ткань) относительно оси загрузки, сушка, комнатная температура, V _f = 60% (UD), 50% (ткань) Волокно / эпоксидная смола (отвержденная при 120 ° C) ^{[ 83]}

	Символ	Единицы	Стандарт Углеродное волокно Ткань	Высокий модуль Углеродное волокно Ткань	E-Glass Стеклоткань	Кевлар Ткань	Стандарт Однонаправленный Углеродное волокно Ткань	Высокий модуль Однонаправленный Углеродное волокно Ткань	E-Glass Однонаправленный Стеклоткань	Кевлар Однонаправленная ткань	Стали S97
Модуль Юнга 0 °	E1	ГПа	70	85	25	30	135	175	40	75	207
Модуль Юнга 90 °	E2	ГПа	70	85	25	30	10	8	8	6	207
Модуль сдвига в плоскости	G12	ГПа	5	5	4	5	5	5	4	2	80
Коэффициент Пуассона	v12		0,10	0,10	0,20	0,20	0,30	0,30	0,25	0,34	-
Ult. Прочность на разрыв 0 °	Xt	МПа	600	350	440	480	1500	1000	1000	1300	990
Ult. Комп. Сила 0 °	Xc	МПа	570	150	425	190	1200	850	600	280	-
Ult. Прочность на разрыв 90 °	Yt	МПа	600	350	440	480	50	40	30	30	-
Ult. Комп. Прочность 90 °	Yc	МПа	570	150	425	190	250	200	110	140	-
Ult. В самолете Shear Stren.	S	МПа	90	35 год	40	50	70	60	40	60	-
Ult. Деформация при растяжении 0 °	доб	%	0,85	0,40	1,75	1,60	1.05	0,55	2,50	1,70	-
Ult. Комп. Напряжение 0 °	отлично	%	0,80	0,15	1,70	0,60	0,85	0,45	1,50	0,35	-
Ult. Деформация при растяжении 90 °	Эйт	%	0,85	0,40	1,75	1,60	0,50	0,50	0,35	0,50	-
Ult. Комп. Напряжение 90 °	eyc	%	0,80	0,15	1,70	0,60	2,50	2,50	1,35	2.30	-
Ult. Деформация сдвига в плоскости	es	%	1,80	0,70	1,00	1,00	1,40	1,20	1,00	3,00	-
Плотность		г / куб.	1,60	1,60	1,90	1,40	1,60	1,60	1,90	1,40	-

Волокна @ ± 45 град. к оси загрузки, сушка, комнатная температура, Vf = 60% (UD), 50% (ткань) ^[83]

	Символ	Единицы	Стандарт Углеродное волокно	Высокий модуль Углеродное волокно	E-Glass Стекловолокно	Стандарт Углеродные волокна Ткань	E-Glass Стеклоткань	Стали	Al
Продольный модуль	E1	ГПа	17	17	12,3	19,1	12,2	207	72
Поперечный модуль	E2	ГПа	17	17	12,3	19,1	12,2	207	72
Модуль упругости при плоском сдвиге	G12	ГПа	33	47	11	30	8	80	25
Коэффициент Пуассона	v12		0,77	0,83	.53	0,74	.53
Предел прочности	Xt	МПа	110	110	90	120	120	990	460
Прочность на сжатие	Xc	МПа	110	110	90	120	120	990	460
Прочность на сдвиг в плоскости	S	МПа	260	210	100	310	150
Коэффициент теплового расширения	Альфа1	Штамм / K	2.15 E-6	0,9 E-6	12 E-6	4.9 E-6	10 E-6	11 E-6	23 E-6
Коэф. Влажности	Beta1	Штамм / K	3.22 E-4	2.49 E-4	6.9 E-4

Механические свойства композитов из углеродного волокна для аэрокосмической промышленности и промышленного класса, композитов из стекловолокна, алюминиевых сплавов и стали [ править ]

Эта таблица демонстрирует одну из наиболее важных характеристик и преимуществ волокнистых композитов перед металлическими, а именно удельную прочность и удельную жесткость. Хотя сталь и алюминиевый сплав имеют сравнимую прочность и жесткость с волокнистыми композитами, удельная прочность и жесткость композитов примерно выше, чем у стали и алюминиевого сплава .

Сравнение стоимости, удельной прочности и удельной жесткости ^[84]

	Композит из углеродного волокна (аэрокосмический сорт)	Композит из углеродного волокна (товарный сорт)	Композит из стекловолокна	Алюминий 6061 Т-6	Стали, Незначительный
Стоимость $ / фунт	20–250 долларов США	5–20 долларов	1,50–3,00 долл. США	3 доллара США	0,30 доллара США
Прочность (psi)	90 000–200 000	50 000–90 000	20 000–35 000	35 000	60 000
Жесткость (psi)	10 х 10 6 - 50 х 10 6	8 х 10 6 - 10 х 10 6	1 х 10 6 - 1,5 х 10 6	10 х 10 6	30 х 10 6
Плотность (фунт / дюйм3)	0,050	0,050	0,055	0,10	0,30
Удельная сила	1,8 х 10 6 - 4 х 10 6	1 х 10 6 - 1,8 х${\displaystyle 10^{6}}$	363 640–636 360	350 000	200 000
Удельная жесткость	200 х 10 6 - 1000 х 10 6	160 × 10 6 -200 х 10 6	18 × 10 6 -27 × 10 6	100 х 10 6	100 х 10 6

Ошибка [ править ]

Удар, удар или повторяющиеся циклические нагрузки могут спровоцировать разделение ламината на границе раздела между двумя слоями - состояние, известное как расслоение . Отдельные волокна могут отделяться от матрицы, например, при вытягивании волокна .

Композиты могут разрушиться в макроскопическом или микроскопическом масштабе. Нарушения сжатия могут происходить как на макроуровне, так и на каждом отдельном армирующем волокне при короблении при сжатии. Сбои при растяжении могут представлять собой разрушения чистого сечения детали или разрушение композита в микроскопическом масштабе, когда один или несколько слоев в композите терпят неудачу при растяжении матрицы или разрыве связи между матрицей и волокнами.

Некоторые композиты являются хрупкими и обладают небольшим запасом прочности после начала разрушения, в то время как другие могут иметь большие деформации и способность поглощать энергию после начала разрушения. Различия в доступных волокнах и матрицах, а также в смесях, которые могут быть получены из смесей, оставляют очень широкий диапазон свойств, которые можно придать композитной структуре. Самый известный отказ хрупкого композитного материала с керамической матрицей произошел, когда черепица из углеродно-углеродного композита на передней кромке крыла космического корабля «Колумбия» сломалась при ударе во время взлета. Это привело к катастрофическому разрушению транспортного средства, когда оно снова вошло в атмосферу Земли 1 февраля 2003 года.

Композиты имеют относительно низкую несущую способность по сравнению с металлами.

Тестирование [ править ]

Композитные материалы проходят испытания до и после строительства, чтобы помочь в прогнозировании и предотвращении отказов. Тестирование перед строительством может использовать метод конечных элементов (FEA) для анализа изогнутых поверхностей по слоям и прогнозирования образования складок, гофрирования и образования ямок на композитах. ^{[85] [86] [87] [88]} Материалы могут быть испытаны во время производства и после строительства с помощью различных неразрушающих методов, включая ультразвуковые, термографические, сдвиговые и рентгеновские, ^[89] и лазерный контроль соединений для неразрушающего контроля относительных прочность сцепления целостность в локализованной области

См. Также [ править ]

• Алюминиевая композитная панель
• Американская ассоциация производителей композитов
• Химическая инфильтрация паров
• Композитный (значения)
• Композитные ламинаты
• Эпоксидный гранит
• Гибридный материал
• Лай-ап процесс
• Нанокомпозиты
• Правило смесей
• Scaled Composites , американская аэрокосмическая компания, основанная Бертом Рутаном
• Умный материал
• Умные материалы и конструкции
• Пустота (композиты)

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме композитных материалов .

• Разработка и производство композитов HUB
• Курс дистанционного обучения полимерам и композитам
• Композитная сэндвич-конструкция автомобиля Minardi F1
• База данных композитных материалов OptiDAT
• Испытания, первоначально разработанные для испытания металлов, были адаптированы промышленностью для испытания композитов.