Джеймс Гордон - Почему мы не проваливаемся сквозь пол

В первых армированных материалах количество волокон было небольшим и волокно вводилось с целью нейтрализации грубых дефектов слабой хрупкой матрицы. О таких материалах правильно говорить как об армированных. Однако со временем назначение матрицы изменилось - она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой; теперь мы стремимся использовать матрицу лишь в количествах, необходимых для надежного связывания волокон. Такие системы правильнее было бы называть связанными волокнистыми материалами.

Серьезное изучение свойств этих систем - предмет трудный и в высшей степени математизированный. В последнее время он получил признание и даже сделался модным в академических кругах. Не вдаваясь в детали, можно сказать, что свойства массы склеенных между собой волокон более или менее следуют предсказаниям, полученным с помощью элементарного расчета. Обычно трудно получить материал, содержащий более 50% волокон по объему. Прочность готового стекловолокна можно считать равной примерно 200 кГ/мм 2, а его модуль Юнга - 7000 кГ/мм 2. Пруток стеклопластика (например, спиннинговое удилище), в котором все волокна уложены параллельно оси, будет иметь прочность 100 кГ/мм 2, а модуль Юнга 3500 кГ/мм 2, поскольку смола почти не вносит своей доли ни в прочность, ни в модуль, хотя, конечно, увеличивает вес. Рассчитанный по простому правилу смесей, удельный вес материала составит 1,85 Г/см 3, если в нем не будет пор (а так и должно быть); удельный вес стекла - около 2,5, а смолы - 1,2 Г/см 3. Мы можем поэтому составить следующую сравнительную таблицу.

Материал / Удельный вес, г/куб.см. / Предел прочности, кГ/кв.мм. / Удельная прочность / Модуль Юнга, кГ/кв.мм. / Удельный модуль Юнга

Стеклопластик (параллельные волокна) / 1.85 / 100 / 54 / 3500 / 2000

Стеклопластик (стеклоткань) / 1.85 / 50 / 27 / 1750 / 1000

Мягкая сталь / 7.8 / 40 / 5 / 21000 / 2700

Высокопрочная сталь / 7.8 / 200 / 26 / 21000 / 2700

Из таблицы ясно, что сравнивать сталь и стеклопластик не очень просто. Грубо говоря, стеклопластики прочнее стали, особенно по отношению к удельному весу. Но по жесткости они хуже сталей, даже если принять во внимание намного меньшую плотность. В этом отношении они уступают и дереву.

Как и в случае с древесиной, сравнение в известной степени зависит от того, в скольких направлениях должен быть прочным материал. Конечно, наивысшие цифры дает материал, в котором все волокна и, следовательно, прочность, направлены вдоль одной оси; но технические приложения материалов такого типа сильно ограничены. Когда одинаковое число волокон пересекается под прямым углом, мы имеем материал, напоминающий фанеру: половина прочности однонаправленного материала под углами 0° и 90° и несколько меньшая прочность под углом 45°. Такой материал может быть получен при армировании стеклотканью.

Из теории следует, что если мы хотим иметь действительно одинаковые свойства во всех направлениях волокнистого листового материала, то этого можно достичь несколькими способами укладки волокон. Все эти способы армирования дают треть прочности и жесткости однонаправленных систем. Эксперимент очень хорошо подтверждает теорию. Однако на практике обычно используется стеклопластик с матами из рубленой пряжи. Таким армированием очень редко удается достичь содержания волокон 50% (волокна укладываются некомпактно), поэтому мы должны, пожалуй, рассчитывать на прочность, меньшую чем треть прочности однонаправленного материала. Такого рода стеклопластики обычно используются для сравнительно недорогих поделок, где большей прочности, возможно, и не требуется. Но даже и они, как правило, превосходят мягкую сталь по удельной (отнесенной к весу) прочности. Вот по жесткости армированные пластики - и в частности, стеклопластики - не могут конкурировать ни с металлами, ни с древесиной. В этом одна из главных трудностей применения стеклопластиков в больших конструкциях - судах, корпусах автомашин и т.д. По той же причине их вычеркивают в настоящее время из списка материалов, пригодных для силовых конструкций самолета. Правда, можно было бы повысить жесткость автомобильного кузова, подкрепив его изнутри стальными трубами, но стоит ли тогда связываться с пластиками?

Металлы - почти, изотропны, то есть их свойства примерно одинаковы во всех направлениях. Эта особенность очень важна для таких деталей, как коленчатый вал, где металлы поэтому незаменимы. Но там, где это свойство не столь существенно (оболочки, панели), лучше применять волокнистые пластики. Получить изотропные свойства в волокнистом материале практически невозможно, потому что очень трудно плотно уложить волокна в трех направлениях сразу. Даже стог сена - слоистая конструкция. Теория показывает, что прочность трехмерной беспорядочной упаковки волокон была бы равна 1/6 от прочности материала с однонаправленными волокнами - вряд ли стоит стремиться получить такой материал.