Принципы конструирования и формирования структуры композитов

Процесс разработки композиционного материала включает следующие стадии (рис. 6.10): формирование комплекта проектных исходных данных; выбор состава композита и технологии его производства; оценка основных свойств разработанного материала и сравнение их с заданием на проектирование. В случае, когда процессы изготовления материала и изделия совмещены, свойства материала оценивают, анализируя важнейшие эксплуатационные параметры готового изделия.

П р о е к т н ы е и с х о д н ы е д а н н ы е содержат следующие сведения.

1. Условия эксплуатации будущего изделия и соответствующие им механические, физические, химические и другие свойства материала, которые определяют работоспособность изделия. Например, для ответственных высоконагруженных деталей самолетов первостепенными являются механические характеристики. В этом случае разработчикам нового материала важно знать пределы его прочности, вязкоупругие характеристики, сопротивление ползучести, усталости и динамическим нагрузкам, чувствительность к надрезам, параметры окружающей среды при эксплуатации деталей (влажность, степень разрежения, температуру воздуха и др.) и их влияние на свойства материала. Специфика авиастроения обусловливает оценку альтернативных вариантов по удельным (отнесенным к массе) показателям прочности. При разработке радиоэлектронной аппаратуры и электрических машин востребованы электрофизические и электромагнитные характеристики. При проектировании деталей и узлов химических аппаратов, оборудования нефтеперерабатывающих и пищевых производств важно знать, как долго будет работать материал при воздействии агрессивной среды. Для деталей, к точности изготовления которых предъявляются повышенные требования, важной характеристикой являются параметры теплового расширения и износостойкость материалов. Главные характеристики теплозащитных покрытий космических аппаратов – теплопроводность и абляционные показатели (абляция – унос вещества с поверхности твердого тела потоком горячего газа). Таким образом, условия эксплуатации изделия определяют основные требования к свойствам композита и его компонентов.

2. Экономические параметры – это, прежде всего, потребность и предлагаемые объемы производства материала и изделий из него; технический ресурс и ремонтопригодность изделия; допустимые трудозатраты на его изготовление; расходы на исследования и испытания материалов; капиталовложения в производство, потребность в специальном оборудовании; наличие сырьевой базы основных компонентов композиции; расходы, связанные с транспортировкой сырья и готовых изделий; возможность использования отходов и т. д.

3. Социальные факторы включают условия и степень безопасности труда при изготовлении материала и изделий из него, влияние производства на окружающую среду, уровень квалификации производственного персонала, необходимость подготовки кадров, улучшение жизни общества при использовании изделия и др.

Основные проектные данные отражаются в карте технического уровня планируемой продукции (ГОСТ 2.116–84). Технический уровень продукции определяют по результатам патентно-информационных исследований, сопоставляя их с банком данных по материалам. Для того чтобы новые материалы (изделия) обладали конкурентоспособностью, их показатели на момент начала производства должны превосходить потребительские и технико-экономические параметры лучших аналогов.

В ы б о р о п т и м а л ь н о г о с о с т а в а и т е х н о л о г и и – важнейший этап конструирования материала. Разработка композиционного материала, как правило, базируется на результатах научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области материаловедения, информации, содержащейся в справочниках, инструкциях и литературе по этой тематике, на практическом опыте и инженерной интуиции исследователей и разработчиков.

Сначала осуществляют ориентировочный выбор материала матрицы и основных компонентов, а также технологии формирования изделий. Затем оптимизируют состав композита по технико-экономическим критериям. Оптимизация состава – процесс выбора наилучшего соотношения концентрации компонентов, образующих композит. Наилучший состав отвечает критерию оптимальности – количественному показателю, который выражает предельную меру технико-экономической эффективности композита и позволяет сравнить возможные (альтернативные) составы с целью выбора лучшего из них.

Оптимизация состава базируется на экспериментальном определении тех или иных характеристик композита путем испытания образцов разного состава. Объем экспериментальных работ зависит от количества определяемых характеристик и точности их оценки. Сократить количество измерений можно путем рационального планирования эксперимента. Планирование эксперимента – нахождение путей повышения достоверности и снижения трудоемкости экспериментальных исследований. На результаты экспериментов с образцами композита оказывают влияние одновременно несколько факторов, поэтому полную информацию об эффективности альтернативных составов получают путем одновременного дисперсионного анализа всех этих факторов.

Дисперсионный анализ – метод математической статистики, позволяющий выявить влияние отдельных факторов на результаты эксперимента. Эксперимент, спланированный так, что в нем встречаются все возможные сочетания параметров изучаемых факторов, называется полным факторным экспериментом. Метод дисперсионного анализа позволяет изучать случаи, когда некоторые сочетания параметров пропущены. Это дает возможность при одинаковом количестве испытаний исследовать гораздо больше факторов. Часть информации при этом теряется, но при правильном планировании теряется только та информация, которая в данный момент несущественна. О способах планирования эксперимента (методы латинского квадрата, неполных сбалансированных блоков, смешивания и т. п.) можно прочесть в специальной литературе по дисперсионному анализу.

Оптимизация технологии формирования композита – многофакторный процесс, требующий творческого подхода. Безусловно, самым надежным способом оптимизации было бы изготовление образцов оптимальных составов с помощью всех альтернативных вариантов технологии, испытание образцов и выбор наилучшего варианта путем сравнения их эксплуатационных характеристик. Однако этот путь наиболее длителен и требует самых больших затрат. Как правило, технологию переработки композитов выбирают на основании имеющегося производственного опыта или результатов экспериментов, если метод переработки обладает признаком новизны.

Новое производство изделий из композиционных материалов проектируют достаточно редко. Обычно это делают при организации массового выпуска новой продукции по впервые разработанной технологии, отличающейся принципиальной новизной. Какой бы совершенной ни казалась такая технология вначале, она обязательно изменяется в процессе приспособления к условиям массового производства.

В большинстве случаев метод переработки композитов выбирают исходя из возможностей существующего производства. Последнее приспосабливают к переработке композита заданного типа с определенным материалом матрицы, геометрическими и технологическими параметрами армирующих элементов и других компонентов. Для этого предварительно оценивают технологические возможности и производительность действующего оборудования, площади производственных помещений, квалификацию персонала, соответствие производства требованиям техники безопасности и охраны природы.

Достоинством композиционных материалов является возможность совмещения процессов формирования композита и изделия. Характерным примером конструирования структуры композита в процессе изготовления изделия является производство клиновых ремней, которые применяют в качестве гибкой тяговой связи в клиноременных передачах (рис. 6.11). Для изготовления несущего слоя, прочность которого определяет передаваемую с помощью ремня мощность, применяют проволоку, вискозные, полиэфирные и полиамидные кордткани. «Сжатый» слой, образующий основной массив ремня, выполнен из резины на основе натурального или синтетического каучука, «растянутый» – из резины или прорезиненной ткани. Обертку, которая защищает боковые поверхности ремня, придает ему монолитность и поперечную жесткость, образуют 1−2 слоя прорезиненной ткани. Таким образом, «сборку» структурных компонентов и конструкционных элементов изделия осуществляют в одном технологическом процессе.

Рис. 6.11. Пример гибридного материала-конструкции – клинового ремня: 1 – несущий слой; 2 – наружный; 3 – воспринимающий растяжение; 4 – слой сжатия

О ц е н к а с в о й с т в м а т е р и а л а и и з д е л и я– заключительная стадия создания композита. Применяют расчетные и экспериментальные методы оценки.

Р а с ч е т н ы е м е т о д ы позволяют снизить расходы на экспериментальные исследования, часто связанные с созданием дорогого опытно-технологического и специального испытательного оборудования. Они начинаются с моделирования структуры композитов, к которому применяют макро- и микромеханические подходы.

Макромеханический подход, появившийся в начале ХХ в., предполагает использование в качестве модели композита структурно однородной, но анизотропной среды. Применяя к ней математический аппарат механики анизотропных сред, можно рассчитать прочность композита при разных схемах его нагружения. Анизотропию упругости модели оценивают, прежде всего, по главным (вдоль главных осей симметрии) значениям модуля упругости. Иногда полное описание упругости модели требует знания значений модуля по разным направлениям (более десяти). Математически свойства анизотропных моделей характеризуют векторами и тензорами.

В настоящее время целесообразность применения такой модели обоснована для композитов, которые состоят из идеально связанных между собой упругих фаз, прочность соединения которых не ниже прочности самой прочной фазы. К сожалению, большинство композитов не отвечает этому условию. Кроме того, замена композита однородной средой той же прочности исключает возможность оценки напряжений и деформаций в его микрообъемах, в частности, на границах раздела фаз.

Микромеханический подход состоит в анализе напряженно-деформированного состояния модели, отображающей локальную область композита, соизмеримую с характерными размерами его фаз. Целью анализа является установление, во-первых, зависимости между механическими свойствами композита и его компонентов, и во-вторых, закономерностей распределения напряжений между компонентами. Модель изображают в виде микроконструкции, элементами которой являются фазы композита, соединенные характерными для него связями (механическими, физическими, химическими).

Методы механики, применяемые для расчета моделей, предполагают получение количественных результатов с помощью вычислительной техники, возможности которой ограничивают сложность моделей.

Первые методы механики композитов были разработаны для микромеханической модели, имеющей вид непрерывной деформируемой матрицы, которая наполнена жесткими шарами, расположенными в узлах периодической решетки. Принцип расчета такой модели на прочность состоит в рассмотрении течения слоя матрицы, сжимаемого шарами. Для описания этого процесса обычно применяют модель самосогласования: в композите выделяют одну частицу наполнителя и заменяют остальные частицы создаваемыми ими полями деформаций или напряжений. Это вызвано тем, что задача взаимодействия многих частиц сложна даже при использовании приближенных методов расчета. Для описания моделей самосогласования применяют решения задач теории упругости.

Расчет более сложных моделей (частицы наполнителя имеют некруглую форму, межфазные границы обладают особыми свойствами и т. п.) основан на вариационных принципах механики. Последние позволяют учесть отличия истинного состояния модели от состояний, которые возникают при наложении на нее ограничительных связей. Метод конечных элементов состоит в интерполяции (отыскании промежуточных значений величины по известным ее значениям) функций искомых параметров (напряжений, деформаций, модуля и др.) по их значениям в узлах структурной решетки модели. Эти значения находят, используя операции раздела математики, называемого вариационным исчислением. Метод разностных схем (конечных разностей) не требует вариационной постановки задачи и заключается в приближенном вычислении производных, которые входят в дифференциальные уравнения, описывающие модель.

Методы статистической физики позволяют выразить свойства макроскопических тел (т. е. систем, состоящих из очень большого числа одинаковых частиц) через свойства этих частиц и взаимодействие между ними. Это − одна из плодотворных идей моделирования композитов. Совокупности значений модуля упругости, плотности, тепло- и электропроводности или других параметров композита рассматривают как случайные макронеоднородные поля (статистическое моделирование). При расчетах полей применяют методы корреляционного анализа и тензорного исчисления. Если жесткости фаз композита близки, этот подход дает надежные аналитические результаты. Трудности возникают из-за громоздкости вычислений и при отсутствии достоверной статистической информации о структуре композита. Для их преодоления в механике разработаны методы приближения случайных функций (их значения зависят от исхода испытаний и для них задано распределение вероятностей), позволяющие упростить уравнения, которые описывают параметры композита.

Модели существующих композитов разрабатывают для прогнозирования свойств «проектируемых» композитов того же класса. Кроме того, такие модели удобны при оптимизации технологии получения «проектируемого» композита. Как было отмечено, аналитическое исследование моделей позволяет свести к минимуму количество экспериментов с образцами композитов и сделать разработку композиционных материалов более дешевой.

Э к с п е р и м е н т а л ь н ы е м е т о д ы оценки свойств композитов дают самые надежные результаты. Их применяют для оценки достоверности расчетных методов и в качестве критерия качества работ по созданию композиционных материалов.

Экспериментальному исследованию подвергают образцы материалов стандартной или специальной формы в соответствии с принятыми программой и методикой испытаний. По окончании работы полученные в экспериментах результаты сопоставляют с проектными данными. Если последние не достигнуты, корректируют состав и структуру композиционного материала или оптимизируют технологию переработки его в изделие.

Таким образом, конструирование композиционных материалов, каждый из которых индивидуален, представляет собой творческий процесс, теория которого находится пока в стадии накопления результатов аналитических и экспериментальных исследований. Наиболее обоснованы в настоящее время методы создания порошковых металлических композитов, стекловолокнитов и дисперсно-наполненных пластиков. Разработка композитов требует высокой квалификации и инженерной интуиции участников этого процесса.