Выбор армирующего материала КМ

Первым используется ограничение по типу армирующего элемента (непрерывные волокна, пленки, ткани и т.п.) Они продиктованы формой, геометрией изделия и схемой напряженного состояния. Число альтернативных вариантов уменьшает правило: ориентация структурных элементов арматуры КМ (схема армирования) должна строго соответствовать направлениям сил (схеме) внешнего механического нагружения. Практический опыт показывает, что крупногабаритные изделия, исключая длинномерные, типа непологих оболочек, корпусов, сосудов, инерционных накопителей принято изготавливать из непрерывных волокон укладкой или намоткой лент, нитей, тканей, жгутов. Для повышения жесткости такие изделия комбинируют со стержнями и каркасами. Изделия малых геометрических размеров типа тел вращения и монолитов принято армировать дискретными волокнами, фольгами, пленками.

Дальнейший выбор арматуры ограничен:

1) рабочим температурным интервалом эксплуатации изделий;

2) термодинамической и термокинетической совместимостью компонентов, типом межкомпонентной связи. Ограничения по гетерофазности

и наличие как минимума механической связи и максимума, как проявление сил смачивания или слабой растворимости компонентов в заданном температурном интервале эксплуатации и изготовления КМ, позволяет выбрать химический состав арматуры, конкретизировать данные о температуре и продолжительности операций, связанных с нагревом, или горячей обработке давлением.

В настоящее время принято матрицы из пластмасс армировать стеклянными, органическими и углеродными волокнами, матрицы из металлов и их сплавов - керамическими, углеродными и металлическими волокнами.

ПРИМЕР

Из табл. 2. выбираем для матрицы АК-4 керамические волокна из Al₂O₃ диаметром 501 мкм, так как они обладают минимальными энергетическими затратами на их изготовление. Для матрицы из фторопласта - углеродные волокна ВМН диаметром 6 мкм;

3) удельной прочностью. Если удельная прочность волокон ниже удельной прочности матрицы, тогда упрочнения КМ не наступает. Здесь переходят к другому волокну или матричному материалу с подходящими характеристиками удельной прочности. Кроме того, учитывают тип арматуры и возможность переработки армирующих полуфабрикатов непосредственно в упрочняющую фазу и анализируют поведение арматуры в процессе формования.

ПРИМЕР

Проверим выполнение условия удельной прочности. Для матрицы из фторопласта и волокон ВМН:

Условие удельной прочности выполняется.

ПРИМЕР

Определим критическую длину волокна. Критическая длина волокна - это длина, при которой наступает упрочнение при введении арматуры в матрицу. В то же время это минимальная длина волокна, в которую допускается переработка исходного сырья арматуры, например непрерывной нити. Она рассчитывается по формуле:

где L_кр - критическая длина дискретного волокна; d_f -диаметр волокна; s_вf- прочность при растяжении волокна; t_гр - прочность границы "волокно - матрица". Для ужесточения расчета L_крпредполагаем, что разрушение матрицы происходит от сдвиговых напряжении, определяющих прочность границы:

; s_вm(АК-4)=430 МПа, получаем: t_гр(АК-4)= 304 МПа; s_вm(Ф)=35 МПа, получаем t_гр(Ф) =25 МПа. Подставляя численные значения, рассчитываем L_кр:

Более короткие волокна являются предпочтительными при изготовлении композитов методом горячей экструзии, но они дорогие.

Таблица 2

Свойства армирующих компонентов композиционных материалов