Прогресс в создание композиционных материалов

условиях,  имитирующих  реальные   условия   работы   конструкций   (наличие

концентраторов   напряжений,   сложная   схема    нагружения,    комплексное

воздействие механических нагрузок и температуры, низкоэнергетический  удар  и

т.п.),  о  влиянии  климатических  факторов  (влаги,   солнечной   радиации,

электричества). В  последние годы наблюдается концентрация усилий  именно  на

этих  направлениях  исследований  композиционных  материалов  с   полимерной

матрицей. 

      Основные  свойства  пластиков,  армированных  борными  и   углеродными

волокнами, были известны к концу 60-х годов, что обусловило  возможность  их

опробования в  различных изделиях. Однако  из-за  высокой  стоимости  волокон

использование  композиционных  материалов   с   полимерной   матрицей   было

возможным лишь в тех отраслях промышленности, в которых огромные затраты на

изготовление  деталей  из  композиционных  материалов   окупались   бы   при

эксплуатации  изделий.  Именно  по   этой   причине   пионером   в   области

использования  высокопрочных  высокомодульных  композиционных  материалов  с

полимерной   матрицей   стала   авиационно-космическая   промышленность.   В

дальнейшем в связи с увеличением объема  производства  стоимость волокон и

композиционных  материалов на их  основе  начала  снижаться,  что  привело  к

возможности   использования   армированных   пластиков   для    изготовления

высококачественного спортивного  инвентаря  и  позволило  несколько  снизить

расходы  авиационно-космических  компаний  на  развитие  новых   материалов.

Дальнейшее снижение стоимости углеродных волокон, связанное  с  переходом  на

пековое   сырье,   обеспечивает   рентабельность    применения    полимерных

композиционных  материалов в других отраслях промышленности.

      Одним из первых  применений  композиционных  материалов  с   полимерной

матрицей явилось  изготовление из углепластика в 1967 г.  22  панелей  задней

кромки  крыла  самолета  F-111A  (США);  эти  панели   были   вдвое   дороже

алюминиевых,  но  позволили снизить массу конструкции на  16%.  На  фоне

постоянного увеличения  стоимости  ручного  труда,  энергии  и  традиционных

материалов  устойчивая  тенденция  к   снижению   стоимости   композиционных

материалов  инициирует  усилия  разработчиков  по  внедрению  композиционных

материалов в  изделия современной техники.  Одним  из  наиболее  впечатляющих

примеров внедрения  композиционных  материалов  является  разработка  фирмой

Grumman Aerospace Corp. горизонтального стабилизатора тяжелого  современного

бомбардировщика В-1B. Испытания показали,  что  при  всех  видах  нагружения

разрушение конструкции  наступает при  нагрузках,  составляющих  130-170%  от

предельных расчетных. Так как стабилизатор  испытывает  мощные  акустические

нагрузки (расчетная  долговечность 26 ч при звуковой  нагрузке  167  дБ),  он

был испытан в  соответствующих условиях и без  разрушения простоял 181  ч  при

уровне шума 152-167 дБ. Лакокрасочное покрытие стабилизатора проверялось в

условиях, имитирующих ядерный взрыв;  деградации  покрытия  не  наблюдалось.

Для защиты от грозовых разрядов на 50%  поверхности  стабилизатора  напыляли

тонкий  слой  алюминия.  При  разряде  с  силой  тока  200000А   в   обшивке

наблюдались  лишь   незначительные   повреждения.   Летные   испытания   В-1

подтверждают эффективность  применения композиционных материалов  (далее  КМ)

в его конструкции.

      Использование сочетаний  стекло-  и углепластиков для панелей пола

трехслойной   конструкции   пассажирских   самолетов   позволило    добиться

существенного снижения массы: для широкофюзеляжного самолета  ИЛ-86  на  400

кг (площадь пола 350 м2), для самолета ЯК-42 на 100 кг.

      Успешное опробование самолетов,  изготовленных  с  использованием  КМ,

позволило  фирмам  США  сделать  вывод  о  возможности  перехода  от  летных

испытаний и демонстрационных полетов к серийному внедрению  КМ. В самолете F-

16, состав используемых  материалов был следующим: 83%  алюминиевых  сплавов,

2% титановых сплавов, 5 стальных конструкций и 2% новых  КМ.

      В последние годы возрастает  интерес к применению КМ в судостроении.  В

США,   например,   возлагаются   надежды    на    использование    КМ    для

суперглубоководных средств. Анализ зависимости возможной глубины погружения

от   конструктивных    характеристик    аппарата    выявляет    преимущества

высокопрочных  и  высокомодульных  КМ.  Высокая   демпфирующая   способность

последних,    сочетающихся    с    конструкциями     из     стеклопластиков,

полиармированных КМ и т.п., приводит к уменьшению  перегрузок,  возникающих

при  взрывах.  Малая  плотность  КМ   при   обеспечении   пожаробезопасности

позволяет применять  их в архитектуре надводной части  судов всех  типов,  что

способствует улучшению  устойчивости, уменьшению радиолокационной  заметности

судов, облегчению эксплуатации корпуса. Одним из интересных применений КМ  в

судостроении является  использование углепластиков для подводных крыльев

судов.  Для  предотвращения  влагопоглощения  детали  плакируются   листовым

титаном.

      Автомобильные фирмы США (Ford и General Motors) прорабатывают вопросы

применения КМ в конструкции автомобилей. Так, например, изучена конструкция

ведущего вала двигателя из  углепластиковой  трубки,  охватывающей  стальной

сердечник. Двухлетние испытания новой  конструкции  подтвердили  ее  высокую

эффективность  и   надежность   в   эксплуатации   (в   частности,   высокую

коррозионную стойкость) при снижении массы на 2 кг. 

Композиционные  материалы с металлической матрицей 

      КМ с металлической матрицей находятся на более ранней  стадии  своего

развития, чем КМ на основе полимеров. Причиной  такого  положения является,

по  всей  вероятности,  тот  факт,  что  большинство  из   разработанных   к

настоящему времени  армирующих высокопрочных волокон  не  обладает  свойством

совместимости по отношению к матричным сплавам.  Механическое  поведение  КМ

определяется совокупностью  значений трех основных параметров:  относительной

сохраненной прочностью волокон в КМ (отношением прочности  волокон  в  КМ  к

прочности  исходных  волокон),  относительной  прочностью  связи  волокон  с

матрицей  (отношением  прочности  КМ  при  сдвиге  к  когезионной  прочности

матрицы)  и  относительной  сохраненной  пластичностью  матрицы  (отношением

пластичности матрицы  в КМ к исходной  пластичности  матричного  сплава).  То

или иное соотношение  этих параметров определяет механизм разрушения  и  весь

комплекс механических свойств КМ. Так, например, при низкой прочности связи

волокон с матрицей и достаточно высоких  значениях  двух  других  параметров

разрушение КМ начинается с нарушения целостности границ раздела компонентов

и  завершается  независимым,  раздельным  разрушением  несвязанного   (слабо

связанного пучка) армирующих  волокон  и  матрицы.  При  низкой  сохраненной

пластичности матрицы (охрупчивании матрицы) трещины в КМ,  появившиеся при

разрушении наименее прочных волокон, легко транслируются  через матрицу и  за

счет концентрации напряжений у их устья перерезают встретившиеся на их  пути

волокна, так что  образец КМ разрушается  одной  магистральной  трещиной  при

весьма  низких  расчетных  напряжениях.  При достаточно  высоких значениях

рассматриваемых параметров появление  трещин  в  КМ  при разрушении  слабых

волокон не приводит к разрушению материала: развитие микротрещин  тормозится

внутренними поверхностями  раздела  (матрица-волокно),  а  сам  материал  при

этом не теряет своей несущей способности. 

      Взаимодействие  компонентов   при  изготовлении  КМ   с   металлической

матрицей проходит, как правило,  при  высоких  температурах  и  значительных

давлениях, что  необходимо для  обеспечения  пропитывания  матричным  сплавим

капиллярно-пористого  каркаса   из   армирующих   волокон   и   формирования

монолитного  материала.  Комплекс  физико-химических  явлений,  составляющих

процесс взаимодействия  компонентов  КМ,  обусловливает формирование  связи

между компонентами, с одной стороны и  изменение  их  свойств  -  с  другой.

Совместимыми  следует  считать  компоненты,  на  границе  которых   возможно

достижение прочности  связи, близкой к  когезионной  прочности матрицы,  при

сохранении высоких начальных значений их механических  свойств.  Максимально

достижимая величина характеристических  параметров  может  быть  принята  за

оценку совместимости  компонентов КМ. Это обстоятельство  и определило,  по

всей вероятности, опережающее развитие боралюминия  -  наиболее  близкого  к

стадии внедрения  металлического  КМ.  Следует отметить,  что совместимость

других волокон  с  металлическими  матрицами  может  быть  улучшена  за  счет

изменения формы  сечения, размеров и свойств поверхности  волокна,  применения

защитных покрытий на волокнах или матричных сплавов  оптимального  состава  и

т.п. Решение проблемы совместимости для конкретной  пары  компонентов  может

привести к бурному  развитию соответствующего КМ. 
 

Направления развития композиционных материалов армированных волокнами.

      KM   с   полимерной   матрицей,   армированной   высокомодульными    и

высокопрочными  волокнами, в  последние  годы  прошли  стацию  опробования  в

различных  изделиях  современной  техники  и  вступили  в  стадию   широкого

внедрения. Расширение внедрения КМ несколько сдерживается  недостаточностью

знаний  по  влиянию  комплекса  внешних  воздействий  на   работоспособность

конструкций из КМ. Таким образом, основной задачей в ближайшие годы  будет

повышение эксплуатационной надежности и работоспособности  КМ  с  полимерной

матрицей  при  комплексном  воздействии  эксплуатационных  и   климатических

факторов  (температуры,  влажности,  атмосферного  электричества,  солнечной

радиации, топлива  и других химических сред, эрозионных воздействий,  горения