1. Статическое

2. Циклическая прочность после 105 циклов

3. Циклическая прочность после 107 циклов

Материалы:

А- однонаправленный углеволокнит [0⁰]

Б- эпоксидный углеволокнит[±45⁰]

В- эпоксидный углеволокнит[90⁰]

Е- эпоксидные углеволокниты структуры [0/+45/90/-45] и [-45/90/+45/0]

Г- алюминий 2024-Т3

Д- сталь

Рис.20. Зависимость демпфирующей способности (логарифмического декремента затухания колебаний θ) от уровня относительных деформаций ε при ориентации армирующих элементов под углом к оси образца (цифры на кривых) [11] :

1. бороволокнит; 2- углеволокнит; 3- стекловолокнит; θ=0,3θ_MV_ME_M/E_ВПКМk, где k- коэффициент, учитывающий пористость ВПКМ и качество контакта волокно-матрица (м).

Повышение k (например, в результате аппретирования, обработка углеродных наполнителей электрохимическим окислением, ЭХО) существенно снижает θ (при использовании лент ЛУ –3П-на 55%) [11].

Анизотропия демпфирующей способности имеет ярко выраженный характер, причем экстремальные значения находятся для углепластиков в диапазоне углов армирования 15-30⁰ для стеклопластиков – 30-45⁰

Анизотропия демпфирования (рис.20) и усталостной прочности (рис.19) используется для конструирования ВПКМ с максимальной вибропрочностью.

Вибропрочность _N· определяет собственную частоту колебаний материала, зависящей в значительной степени от демпфирующих свойств и ориентации волокон в ВПКМ (_N имеет максимальные значения в диапазоне углов армирования 15-30, рис.21).

Р ис.21. Сравнительные характеристики вибропрочности _N· и параметра [11,13]: 1-ВПКМ (заштрихованы области значений ВПКМ различного состава), 2-стали Х18Н9Т, 3-алюминия АК-4-1, 4-титана ВТ-8 [11,13].

При действии нагрузок под углом к направлению армирования _N уменьшается_,  - возрастает. (_N)_max достигается в ПКМ углами укладок 15(УП, углепластики, боропластики, БП) - 30(СП, стеклопластики), определяется уровнем деформации при сдвиге. При изменении ориентации волокон относительно оси нагружения можно изменить собственные колебания пластин из СП в 1,6 раза, УП – в 2,5 раза, БП – в 3 раза. Во избежание резонансных колебаний достаточно на 15 - 20 изменить собственные частоты (эффективное средство повышения надёжности изделий).

Динамические свойства материалов приведены в таблице 21 и на рис.23, 24. Значения  и _N ВПКМ существенно превосходят эти показатели для металлов.

Таблица 21. Сравнительные показатели усталостной прочности _N, логарифмического декремента затухания колебаний  и вибропрочности _N для металлов и однонаправленых прессованных эпоксидных ВПКМ [11].

Материал	N,МПа	,	N,МПа
Титан ВТ - 8	500	0,03	15
Сталь 18ХНВА	550	0,06	330
Стекловолокнит	200	1,5	300
Бороволокнит	350	0,5	175
Углеволокнит	350	1,2	420

Рис. 22. Зависимость логарифмического декремента затухания колебаний  (1), усталостной прочности _N (2) и вибропрочности _N (3) высокомодульного эпоксифеноуглеволокнита от угла  между направлениями армирования и приложения нагрузки [11].

Рис. 23. Зависимость динамического модуля сдвига (1) и логарифмического декремента затухания колебаний  высокомодульного однонаправленного эпоксифеноуглеволокнита (2) и отверждённого связующего (3) от температуры [11].

Демпфирующая способность, вибро- и усталостная прочность ВПКМ зависят от угла ориентации волокон. Это позволяет регулировать в требуемом направлении резонансную частоту колебаний детали (например, лопатки) путем изменения схемы укладки волокон без изменения геометрических размеров детали, что совершенно исключается при применении металлов.

Для получения требуемого уровня деформаций и повышения устойчивости элементов конструкций (например, лопаток ГТД к изгибно – крутильному флаттеру) необходимы ВПКМ с максимальной изгибной и крутильной жесткостью. Уменьшение модуля нормальной упругости E₁ на 10 приводит к снижению частот колебаний на 5 – 7. Уменьшение ₁ и ₂ практически не влияет на собственные частоты при колебании по изгибным и крутильным формам. Частоты пластинчатых форм при уменьшении ₁ увеличиваются на 3 – 5, при уменьшении ₂ – уменьшаются на 5 – 7. Уменьшение плотности ВПКМ на 1 приводит к незначительному увеличению частот. Снижение модуля сдвига в 2,2 раза приводит к уменьшению частот крутильных форм на 2 – 10. Наиболее существенное влияние на спектр собствеенных частот колебаний при изменении упругих характеристик ВПКМ оказывает изменение модуля E₁ [13].

Большой выбор волокон и схем армирования позволяет эффективно изменять спектр частот и отстраиваться от резонансных колебаний. Начало усталостного разрушения устойчиво определяется по резкому уменьшению жёсткости E₁, и резонансной частоты колебаний, резкому увеличению демпфирирующей способности.

Высокие значения прочности и модуля упругости в сочетании с превосходной вибропрочностью обусловили применение высокомодульных ВПКМ для изготовления рабочих и направляющих лопаток вентиляторной ступени компрессора низкого давления. Высокая степень демпфирования углеволокнитов при крутильных и изгибных колебаниях обеспечивает значительное увеличение стойкости к флаттеру по сравнению с металлическими лопатками.

Применение высокомодульных ВПКМ в таких узлах авиационных двигателей, как корпуса компрессора и вентилятора, воздуховоды, диски статора и ротора компрессора низкого давления, подшипники и т. д., снижает массу маршевых двигателей на 15% и двигателей вертикального взлета и посадки на 18%. Опыт применения углеволокнитов в авиационных двигателях может быть использован в машиностроении при создании мощных компрессоров и турбин.

Широкие возможности открывает использование этих конструкционных материалов для изготовления трансмиссионных валов. Если найдены оптимальные углы расположения слоев, обеспечивающие передачу максимального крутящего момента и восприятие касательных напряжений, вал из углеволокнита легче дюралюминиевого на 60%. Углеволокнитовая хвостовая балка монококовой конструкции (т.е. без стрингеров и шпангоутов) на 25% легче металлической.

Термонагруженность Е ( – КЛТР) ВПКМ (табл. 8,9) в изделиях из ВПКМ, контактные термические напряжения при прочих равных условиях значительно ниже (в изделиях из углепластиков в 10-20 раз), чем в изделиях из других материалов.

Металлы поглощают энергию удара за счет упругих и пластических деформаций, ВПКМ – за счет межслойного (в основном) разрушения со снижением упруго-прочностных (особенно  ^–) характеристик (характер и размер поврежденной зоны зависит от большого числа факторов). Основным критическим фактором, определяющим вязкость разрушения ВПКМ, является размер пластической зоны 2R_C у вершины трещины.

Вязкость разрушения повышается при:

– использовании волокон большого диаметра;

– использовании матриц с высокими значениями G_C, K_C и ;

– с повышением Е_М («матричные» связующие с межволоконным наполнителем);

– с увеличением толщины образцов КМ;

– при оптимальном армировании (например, [0₄/45]).

С увеличением _сд меняется характер распространения трещин. Углеволокниты с волокнами, прошедшими ЭХО, например ЭЛУР-П, разрушаются в плоскости, перпендикулярной направлению армирования, многократно меняется направление роста трещины, вязкость разрушения увеличивается на 5-15%. Углеволокниты с волокнами необработанными разрушаются как в плоскости, перпендикулярной ориентации волокон, так и путем расслаивания.

С повышением температуры K_C, G_C ПКМ, как правило, понижается. Ранее приведены критерии оценки трещиностойкости ВПКМ, которые используются для оценки их вязкости разрушения (табл. 22-24).

Максимальную ударную вязкость ВПКМ в направлении армирования обеспечивают высокопрочные низкомодульные волокна, матрицы с высокими значениями K_C, G_C, минимальный диаметр пластической зоны, при содержании волокон, обеспечивающих толщину прослойки матрицы между ними и максимальное значение поверхностной энергии разрушения _F [2, 11].

Таблица 22. Зависимость силового критерия трещиностойкости K_Ic эпоксидных прессованных углеволокнитов от схемы армирования [12].

Структура армирования	^+, МПа	KIc, МПам^0,5
		С центральным надрезом	С двухсторонним надрезом
[0/60/0/60]S	400	28,6	32,6
[0/45/90]S	480	25,3	35,6
[0/36/72]S	430	27,5	33,2
[0/30/60/90]S	470	31,0	33,8
[02/45]S	500	28,5	38,9
[04/45]S	930	39,7	64,3
[0/90]S	585	25,0	40,5

Таблица 23. Трещиностойкость ВПКМ различной структуры и состава при статическом нагружении [13].

Материал	Укладка
Растяжение
Углепластик КМУ-3л	0\90	27,1
Углепластик КМУ-3л	45	13,0
Углепластик КМУ-3л	0\15\45	22,5
Углепластик КМУ-3л	0\45\90	30,0
Углепластик КМУ-1	1:0	21,9
Углепластик КМУ-П	1:0	7,8
Стеклопластик СК-5-211	1:0	67,4
Стеклопластик Т-25 (ЭНФБ)	1:0	77,1
Стеклопластик СК-5-211	0\45	43,9
Органит 7ТО	1:0	35,4
Органит 7ТО	45	4,5
Органит 7ТО	90	3,4
Органит 7ТО	0\90	25,1
Органит 7ТО	45	18,5
Органит 7ТО	ткань	22,9
Сдвиг
Углепластик КМУ-3л	0\15\45	9,0
Органит 7ТО	0\90	4,6
Органит 7ТО	45	6,0
Изгиб
Углепластик КМУ-1	45	17,2

Таблица 24. Циклическая трещиностойкость ВПКМ различного состава и структуры [13].

Материал	Укладка
Растяжение
1. Рост трещины в направлении надреза
Углепластик КМУ-3л	0\15\45	306	22,5
Углепластик КМУ-3л	0\45\90	485	30,0
Стеклопластик СК-5-211	0\45	720	43,9
Органит 7ТО	0\90	423	25,1
2. Рост трансверсальной трещины
Углепластик КМУ-1	1:0	460	21,9
Стеклопластик СК-5-211	1:0	1000	67,4
Стеклопластик Т-25 (ЭНФБ)	1:0	960	77,1
Органит 7ТО	1:0	836	35,4
3. Отсутствие роста трещины
Органит 7ТО	45	250	18,5
Органит 7ТО	ткань	530	22,9
Сдвиг
1. Рост трещины в направлении надреза
Углепластик КМУ-3л	0\15\45	115	9,0
Органит 7ТО	0\90	165	4,6

Сравнительные упругопрочностные свойства однонаправленных прессованных эпоксидных (на основе диановых связующих, отвержденных малеиновым ангидридом; содержание волокон 55% об.) ВПКМ при 20С и статическом нагружении приведены в таблице 25. Каждый тип ВПКМ имеет недостатки ( стекловолокнитов в 1,5-2 раза ниже сплавов алюминия, органо (кевларо) волокниты имеют низкие значения , органо- и углеволокниты – низкие значения _сд) наряду с высокими показателями у стекловолокнитов, у угле- и бороволокнитов, вязкости разрушения - у органоволокнитов (табл. 26). В меньшей степени недостатки индивидуальных ВПКМ с волокнами одной химической природы проявляются в гетероволокнистых (межслоевых и внутрислоевых) ВПКМ (гибридных и супергибридных) [6, 11, 12, 14].

Таблица 25. Сравнительные упруго-прочностные свойства однонаправленных прессованных эпоксидных ВПКМ при 20С и статическом нагружении [3].

Свойства	Волокно
	Стекло Е	Стекло S, тип ВМ, ВМП	Кевлар 49	Углеродные		Борное B/w
				Высоко-прочные	Высоко-модульные
	45	55	76	145	220	210
	12	16	5,5	10	6,9	19
	5,5	7,6	2,1	4,8	4,8	4,8
	0,28	0,28	0,34	0,25	0,25	0,25
	1020	1620	1240	1240	760	1240
	620	690	280	1240	690	3310
	40	40	30	41	28	70
	140	140	140	170	170	280
	70	80	60^	80^	70	90
	2,3	2,9	1,6	0,9	0,3	0,6
	1,4	1,3	2,0	0,9	0,3	1,6
	0,4	0,4	0,5	0,4	0,4	0,4
	1,1	1,1	2,5	1,6	2,8	1,5
	2,1	2,0	1,4	1,6	1,6	2,0

Примечание: Е – модуль упругости; G – модуль сдвига;  – прочность;

 – коэффициент Пуассона;  – относительное удлинение;

// – вдоль оси;  – поперек оси волокна;

^ – способ обработки поверхности волокна не сообщается.

Таблица 26. Сравнительная качественная оценка конструкционных свойств ВПКМ и алюминиевых сплавов [11].

Материалы	Прочность при растяжении, ^+	Прочность при сжатии ^–	Устойчивость к усталостным нагружениям,  N	Модуль упругости, Е^+, Е^–, ЕВИ	Относительное удлинение, 	Вибростойкость	Вязкость разрушения ак, КС, GС	Стоимость (алюминий-1)***
Углеволокниты	++(+)	++(+)	+++	+++	++(+)	+++	++(+)	20-100*
Стекловолокниты	++	++	+	+	+	++	++	1,5-2,5
Органоволокниты	+++	–	+	+(+)	+(+)	–	++(+)	15-150
Сплавы на основе алюминия	+	+	+	++	–	+++	–	1*

* – лондонская биржа металлов: март 1999 г. – 1136 USD/т, сентябрь 2002 г. – 1350 USD/т, 20% мировой потребности в алюминии обеспечивает Россия;

** – в России 1 кг УВ стоит около 30-90 USD/кг, нити «Кулон» – 175 USD/кг (апрель 2004);

*** – стоимость волокон (>90% стоимости ВПКМ), USD/кг: стеклянные: A, C, E, S-2: 3,5-6,0 (в зависимости от  ⁺), углеродные 40-60, более 100 (из ЖК-пеков, типа Р-100-120140); полиарамидные типа СВМ, РУСАР, КЕВЛАР 149 22-44; базальтовые 1,5-3,5. Эпоксидные связующие – до 80 руб./кг, теплостойкие термопласты (типа ПСН – 1000 руб./кг). Цены на март 2004 г.

Конструирование гетероволокнистых ВПКМ позволяет в более широком диапазоне менять прочностные и деформативные свойства конструкционных ВПКМ как путем подбора армирующих наполнителей с различными прочностными и упругими характеристиками, так и путем изменения их объемного соотношения и взаимной ориентации слоев. Такой подход к конструированию состава и структуры ВПКМ позволяет предельно оптимизировать его свойства.

Основным признаком гетероволокнистого материала является наличие различных типов армирующих волокон, находящихся в одной среде, выполняющей роль матрицы. Примерами таких материалов являются углестекло-, борооргано-, углеорганопластики и т.д.

Отличительной особенностью этих материалов является наличие трех или более твердых фаз с различными химическими или физическими свойствами, отделенных одна от другой поверхностями раздела.

Основные прочностные и упругие характеристики однонаправленных поливолокнистых ВПКМ определяются объемным содержанием низкопрочных и низкомодульных волокон

где: М – матрица, ВМВ – высокомодульные волокна, НМВ – низкомодульные волокна.

Аналогично зависят от и значения .

Для различных поливолокнистых ВПКМ рассчитаны критические величины содержания низкомодульных волокон (табл. 27).

Межслоевые (рис. 24а) и внутрислоевые ВПКМ на основе гетероволокнистых нитей и многокомпонентных тканей (рис. 24б) выполняют различные задачи.

Таблица 27. Критическое содержание низкомодульных волокон V_HMB в поливолокнистых однонаправленных ВПКМ [14].

Тип волокон	Борные	Углеродные		Полимерные	Стеклянные
		УВМ	УВП
Борные	–	–	0,735	0,57	0,505
Углеродные высокомодульные, УВМ	–	–	0,58	0,46	0,415
Углеродные высокопрочные, УВП	0,735	0,58	–	0,62	0,515
Полимерные	0,57	0,46	0,62	–	0,66
Стеклянные	0,505	0,415	0,515	0,66	–

Борные B/w Е ⁺ 420 ГПа,  ⁺ 3 ГПа; УВМ Е ⁺ 440 ГПа,  ⁺ 2,2 ГПа;

УВП Е ⁺ 240 ГПа,  ⁺ 2,8 ГПа; полимерные типа СВМ, Русар, Кевлар 49 Е ⁺ 130 ГПа,  ⁺ 3,2 ГПа; стеклянные типа ВМ, ВМП, S-2 Е ⁺ 75-90 ГПа,  ⁺ 3,5-4,5 ГПа.

Главное преимущество гетероволокнистого материала с распределенной структурой – лучшие условия нагружения и совместной работы различных армирующих волокон, так как площадь границы раздела по полимерной матрице, передающей нагрузку от одного типа волокна к другому типу, имеет максимальную величину. Главное преимущество гетероволокнистого материала с послойным чередованием слоев – большие возможности в плане регулирования свойств по толщине и в плоскости листа, что обеспечивает высокую степень реализации механических свойств мономатериалов, особенно в конструкциях, работающих в условиях сложного неоднородного напряженного состояния.

Состав гетероволокнистого материала (боростеклопластики, углестеклопластики) позволяет изменять модуль упругости в 3-5 раз, модуль сдвига в 5-10 раз за счет введения под оптимальным углом высокомодульных волокон, причем в данном случае не обязательно сочетание разнотипных волокон, например, стеклянных и борных, углеродных и органических, а возможно использование сочетаний высокопрочных углеродных волокон, например, ленты Элур, жгутов УКН в направлении главных напряжений и высокомодульных волокон лент Кулон, ЛУ-24П в направлениях, требующих повышенную жесткость и размеростабильность.

Модуль упругости трехкомпонентных систем линейно возрастает с увеличением содержания высокомодульного армирующего наполнителя, причем тем больше, чем выше его модуль упругости. При сочетании стеклянных и углеродных волокон дополнительный эффект достигается за счет снижения плотности материала.

Прочность при растяжении трехкомпонентных материалов в направлении армировании имеет минимальное значение при некоторой критической для данной композиции объемной доле высокомодульного компонента (табл. 27), что объясняется неодновременным разрушением входящих в композицию волокон, имеющих различную величину предельных деформаций. Чем выше модуль упругости высокомодульной компоненты, тем ниже критическая величина ее объемного содержания, соответствующая минимальной прочности. Это связано с тем, что разномодульные армирующие наполнители при нагружении композиции воспринимают на себя нагрузку пропорционально модулю упругости, а разрушение материала происходит при достижении предельных значений прочности высокомодульных волокон, величина которых понижается с ростом модуля упругости.

Сочетание в композиционном материале различных армирующих наполнителей, один из которых имеет более высокий уровень предельных деформаций, позволяет уменьшить их хрупкость без существенного снижения модуля упругости. Установлено, что при введении в углепластик 17% об. стекловолокон ударная вязкость в направлении волокон увеличивается в 3 раза, а при ударе под углами 45 и 90 – соответственно в 7 и 20 раз. С увеличением доли высокомодульного компонента при одноосном армировании стеклянных и углеродных волокон демпфирующая способность материала падает, а усталостная прочность возрастает.

Рис. 24. Структура межслоевого («а», послойное чередование слоев) ВПКМ и текстурные формы гетероволокнистых армирующих наполнителей для внутрислоевых (с распределенной структурой, «б») ВПКМ [13].

Вибропрочность композиции выше у трехкомпонентной композиции для всех сочетаний и углеродных волокон по сравнению с индивидуальными материалами (стекло- и углепластики). При симметричной разориентации углеродных волокон относительно стеклянных демпфирующая способность трехкомпонентной композиции возрастает и достигает максимального значения при углах разориентации 15 - 45º. При этом вибропрочность материала достигает максимальной величины. Свойства трехкомпонентных поливолокнистых ВПКМ приведены на рис. 25-27 и табл. 28-30.

Сочетание стеклянных волокон с высокомодульным органическим волокном типа СВМ позволяет снизить плотность пластика, повысить модуль упругости, прочность при растяжении, а главное – повысить прочность при сжатии органопластика. Гибридные органоуглеволокниты с использованием волокон Спектра из сверхвысокомолекулярного полиэтилена поглощают при ударе в 2 раза больше энергии, чем алюминий (табл. 30)

Поливолокнистые ВПКМ эффективны в конструкциях, которые воспринимают как общие, так и местные напряжения, как материалы с различными и регулируемыми упругопрочностными свойствами. При изготовлении сосудов давления межслоевые гибридные ВПКМ дают наибольший эффект, когда слои из углеволокнита обеспечивают продольную жесткость, а поверхностные слои из стекловолокнита обеспечивают высокую устойчивость к воздействию окружных напряжений.

Сочетание в органоволокнитах высокой усталостной прочности с высокой демпфирующей способностью обуславливает высокую работоспособность в условиях динамического нагружения (в частности, акустическую выносливость) комбинированных многослойных (супергибридных) материалов (Алор'ы, Сиал'ы). Наибольший эффект от сочетания органо (Кевларо) пластиков, со сплавами алюминия проявляется при работе Алоров в условиях усталостного нагружения, что выражается в увеличении длительности распространения в них усталостных трещин (табл. 31,32; рис. 28).

Для переработки листовых Алор'ов в изделии методом штамповки используют термопластичные органоволокниты в их составе (табл. 119).

Алоры перспективны для изготовления элементов вертикального и горизонтального стабилизаторов, панелей фюзеляжа, обшивок хвостового оперения. ARALL'ы использованы в конструкциях зарубежных самолетов [9]:

1. Самолет Fokker 100 – обшивка фюзеляжа (фирма Advanced Tehnology);

2. С-17 – двери грузового отсека (ARRAL – 3 со схемами 3/2 и 4/3), длина 9,7 м; ширина 5,6 м, снижение массы на 23%;

3. С-130, Dash 8 – обшивки закрылков (Lockheed, De Harrland Co.);

4. Е-3 AWAC (модификация В-707) – панели рулей направления (ВВС США);

5. Fokker 27 – ниже обшивки крыльев (фирма Fokker BV, ФРГ), хвостовой части фюзеляжа; экономия массы 15-30% (Fokker) – 30-40% (Northrop)

Сиал'ы (стеклопластик и алюминий) – листовые алюмостеклопластики из чередующихся листов алюминиевых сплавов и внутренних слоев клеевых препрегов на основе стекловолокнистых структур (например, из ВМ и ВМП). Наиболее типичные структуры: пятислойная (обозначение 3/2 – 3 алюминиевых листа + 2 слоя стеклопластика) и трехслойная (обозначение 2/1).

Необходимая степень анизотропии в соответствии с условиями работы конструкции регулируется планируемым армированием (СИАЛ-2-70% стекловолокон в направлении [0], 30%-[90]; в СИАЛ-3 соответственно 50 и 50%).

Сиал'ы предназначены для замены монолитных алюминиевых листов в первичных элементах планера самолета, они превосходят свойства алюминиевых листов по сопротивлению усталости, вязкости разрушения, упруго-прочностным свойствам при статическом нагружении (табл.34,35).

Важнейшим преимуществом слоистых композитов типа СИАЛ перед алюминиевыми листами является высокая трещиностойкость – особенно чрезвычайно высокое сопротивление росту трещины усталости (рис. 29), определяющее долговечность конструкций.

Рис.25. Зависимость модуля упругости при сжатии Е ^– (1), прочности при сжатии σ ^– (2) и плотности ВПКМ (3) от содержания углеродного волокна в стеклоуглеволокните [11].

Рис. 26. Зависимость модуля упругости Е ⁺ (а) и прочности при растяжении σ ⁺ (б) поливолокнистых однонаправленных эпоксидных ВПКМ от содержания высокомодульных волокон [11, 14];