Сопротивление анизотропных композиционных материалов

Анизотропные композиционные материалы

Как известно, изотропный материал — это материал, в каждой точке которого его физико-механические свойства во всех направлениях одинаковы. Практически изотропны все металлы и сплавы, многие естественные и искусственные материалы.

У анизотропного материала физико-механические свойства в каждой его точке зависят от направления. Слово «анизотропия» происходит от двух греческих слов «анизос» — неравный и «тропос» — направление, что и означает неодинаковость свойств материала в различных направлениях. Например, естественным анизотропным материалом является древесина.

Характер анизотропии материалов может быть различным. Многие армированные пластики являются ортогонально анизотропными (ортотропными). Это материалы, в каждой точке которых существует три взаимно ортогональные плоскости симметрии физико-механических свойств. Линии пересечения этих плоскостей называют осями анизотропии (основными направлениями материала).

При создании искусственных композиционных материалов, стремясь повысить прочность в каком-либо направлении, прибегают к армированию упрочняющими элементами.

Получающийся при этом анизотропный композиционный материал состоит из наполнителя (армирующий элемент) и связующего.

В качестве наполнителя используют высокопрочные волокна бора, углерода, нити, жгуты, стеклоткани, а в качестве связующего — различные смолы.

Композиты по сравнению с традиционными конструкционными материалами обладают рядом достоинств, к числу которых относятся:

• • высокая удельная прочность (отношение предела прочности на растяжение к плотности материала);
• • хорошая коррозионная стойкость;
• • низкая теплопроводность;
• • выгодные электрои радиотехнические свойства;
• • большая демпфирующая способность.

Едва ли не самым большим достоинством является возможность управления свойствами материала еще на стадии проектирования и изготовления конструкции.

Можно так подобрать наполнитель и связующее, так определить структуру материала, т. е. виды армирующих элементов, углы их ориентации, порядок чередования слоев, чтобы таким образом созданная анизотропия механических свойств наилучшим образом обеспечивала сопротивление конструкции действию заданной внешней нагрузки.

Так, например, известно, что в стенках баллона иод давлением (рис. 6.1) нормальные напряжения в окружном направлении вдвое больше осевых.

Рис. 6.1.

Поэтому при изготовлении баллона в окружном направлении укладывают вдвое больше упрочняющих волокон, чем в осевом. При этом получают практически равнопрочную конструкцию.

Есть у армированных пластиков и недостатки. Однако перспективность анизотропных композиционных материалов сомнений не вызывает, они уже сейчас широко используются в судостроении, авиационной и ракетнокосмической технике.

Анизотропные композиционные материалы находят применение в энергетическом турбостроении, автомобильной промышленности (детали двигателей, кузова машин), машиностроении, химической промышленности (различные емкости для хранения и перекачки различных газообразных и жидких сред).

В зависимости от формы детали или элемента конструкции их изготовление осуществляется различными методами.

Так, при производстве листовых материалов наполнитель (например, ткань), пропитанная связующим, собирается в пакет, прессуется и подвергается необходимой термической обработке.

Детали сложной геометрии изготавливают методом формования. На форму укладывают несколько слоев пропитанного связующим наполнителя, производят отверждение, распрессовку и необходимую механическую обработку.

Детали и конструкции, имеющие форму тел вращения, изготавливают на специальных станах методом намотки. На оправку наматывают пропитанный связующим наполнитель, производят отверждение, удаляют оправку и осуществляют необходимую механическую обработку.

Современное оборудование позволяет осуществлять прямую, продольно-поперечную и перекрестную намотку.