Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

Композит – материал, состоящий по мень- шей 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, представляющие 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 производства слоистых композиционных систем, армированных как длинными и непрерывными, так и короткими базальтовыми волокнами.

Материалы и методы исследования

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

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

Рассмотрим математическое описание многослойного композита.

Если обозначить исследуемую физическую величину композиционного материала как у и предположить, что она зависит от переменных x1, x2,..., которые подчиняются требованию линейной аддитивности, указанную физическую величину можно представить в виде:

y = c1x1 + c2x2 + ..., (1)

где x1, x2,... – объемное содержание исходных компонентов композита, c1, c2,... – 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:

σ_нк = σ_нвVнв + σ_м1(1 – Vнв), (2)

где σ_нк – прочность композиционного материала, который армирован длинными волокнами, σ_нв – прочность непрерывного волокна, Vнв – объем непрерывного волокна в композите, σ_м1 – 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 lкр, 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 σ_кв.мах до нулевого, являются неэффективными. Длина этих участков равна lкр/2 (рис. 3).

а) б) в)

г) д)

Рис. 1. Наполнитель в матрице: а – концентрация наполнителя; б – размер наполнителя; в – форма наполнителя; г – распределение наполнителя; д – ориентация наполнителя

Зададим характеристику β = Sкр./σ_кв.мах. Здесь Sкр. – площадь под кривой распределения сил натяжения на длине lкр/2 волокна. В этом случае среднее значение сил натяжения σ_кв.ср. для короткого волокна равно:

σ _кв.ср. = σ_кв. [1 – (1 – β)lкр/l]. (4)

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

σ_кв. = [1 – (1 – β)lкр/l]σ кв.Vкв. + σ_м2V_м2. (5)

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:

σ_сл.к. = σ_нвV_нв + σ_м1(1 – Vнв) + [1 – (1 – β)lкр/l]σ _кв.Vкв. + σ_м2Vм2, (6)

где σ _сл.к. – максимальное значение прочности многослойного композита; σ _нв – прочность длинного непрерывного волокна; Vнв – объем длинного непрерывного волокна; σ_м1 – прочность связующего материала первой матрицы; σ _кв. – прочность короткого волокна; σ_м2 – прочность связующего материала второй матрицы; Vкв. – объем короткого волокна в композите; Vм2 – объем связующего материала второй матрицы.

Рис. 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

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

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 (рис. 4). Контроль процесса осуществлялся интерферометрическими методами [14, 15].

Результаты исследования и их обсуждение

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

Физико-технические показатели указывают, что данный композит обеспечивает достаточные прочностные характеристики, в том числе характеристику 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 рубленого дискретного волокна. График деформации базальтовой плиты приведен на рис. 5.

Из рис. 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 рубленого короткого волокна и обеспечения крепления при монтаже была использована базальтовая сетка, полученная на основе базальтового непрерывного волокна. Физико-технические характеристики базальтовой сетки приведены в табл. 2.

Рис. 4. Установка для получения рубленого базальтового волокна