Композиционные материалы. 2

1. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. ВИДЫ И СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

Многие конструкционные материалы обладают ценными, но с точки зрения их в изделии, противоречивыми свойствами. Например, их характеризуют большая прочность и одновременно хрупкость материалов, высокое сопротивление при сжатии и низкое при изгибе и т.п.

Требования, предъявляемые к конструкционным материалам для современных машин и оборудования, предельно высоки, но достижимы. Необходимость сочетания высокой прочности и жесткости с низкой плотностью, высокой теплостойкостью привела к созданию композитных материалов. Композиционными называют материалы, состоящие из нескольких компонентов, выполняющих разную функции, причем между компонентами существует границы раздела. Один из компонентов образует основу (матрицу), а другой компонент распределен в матрице. Сочетание двух или более материалов позволяет использовать сильные стороны каждого из них. При этом свойства композита далеко не всегда являются промежуточными между свойствами компонента. При создании композитов в монолитной структуры происходит объединение однородных веществ, полученный в результате материал обладает совокупностью свойств, которая не встречаются ни в одном из его компонентов, взятом в отдельности. На основе композитов создают легкие конструкционные материалы, значительно превосходящие по удельной прочности материалы, а также материалы с необычными оптическими, электрическими и другими свойствами, необходимыми для волоконно-оптических линий связи, приборостроения, средств информатики и кибернетики. Компоненты композитов могут отличаться химическими составом и структурой (например, пластмассы, армированные стекловолокном), только структурой (углерод - углеродные композиты), или только составом (композиционные монокристаллы). Распределяя волокна или частицы одного материала в матрице другого (используя его как связующее вещество), конструктор композита может получить материал с совершенно новыми свойствами. В качестве идеальных конструкционных материалов могли бы использоваться материалы, содержащие такие элементы, как углерод, алюминий, кремний, азот и кислород, которые образуют соединения с прочными стабильными связями. Типичными представителями таких соединений являются керамические материалы, например, оксид алюминия (основа рубинов и сапфиров), карбид кремния и диоксид кремния (главный компонент стекла), которые обладают высокими прочностью и жесткостью, а также теплостойкостью и устойчивостью к химическим воздействиям. Они имеют низкую плотность, а составляющие их элементы широко распространены в природе. Один из элементов, углерод, имеет такие же свойства и в свободном состоянии - в форме углеродного волокна.

Однако существует серьезный недостаток, из-за которого эти 
вещества редко используют в качестве конструкционных материалов— они слишком хрупки. Небольшая царапина или внутренний 
дефект могут быть причиной образования трещины, которая может 
разрушить все изделие, поэтому теоретическая прочность этих материалов достигается редко. В них неизбежно будут присутствовать 
дефекты, и они не смогут долго сохранять свои свойства при эксплуатации 
изделия.

Когда такой материал производится в форме мелких частиц или тонких волокон, его полезная прочность становится гораздо выше. Например, оконное стекло - достаточно непрочный материал (из-за способности разбиваться), но стеклянная нить из тонких волокон имеет прочность на растяжение более 3 млрд. Па. Для сравнения отметим, что прочность на растяжение обычной стали составляет 0,5 млрд. Па. Заметное увеличение прочности на микроуровне обусловлено статистическими факторами; вероятность того, что образец материала содержит дефект, достаточно большой, чтобы вызвать хрупкое разрушение, падает с уменьшением размера образца. Кроме того, если в стеклянной нити разрушилось одно волокно, дефект дальше не распространяется и не затрагивает остальные волокна. И наоборот, образовавшись в таком же объеме гомогенного 
материала, трещина может привести к его полному разрушению.

Тонкие нитевидные кристаллы - так называемые «усы», состоящие из материалов типа карбида кремния и оксида алюминия, содержат меньше дефектов, и поэтому они более прочны, чем монолитный материал. Кроме статистических факторов, прочность определяется и тем, что «усы» являются монокристаллами, которые имеют совершенную геометрию.

Многие материалы проявляют лучшие свойства, если имеют 
форму тонких волокон, что справедливо и для некоторых органических 
полимеров. Полимерные молекулы состоят из длинных цепей атомов, в основном атомов углерода, связанных ковалентными связями. В большинстве случаев цепи либо свободно переплетаются, либо образуют кристаллы сложной формы. Они достаточно легко отделяются друг от друга, и в результате такой гомогенный материал гибок и непрочен. Однако если цепи ориентированы в направлении приложения напряжения, то полимер может быть очень прочным и жестким. Некоторые полимерные молекулы имеют стержнеобразную форму и легко ориентируются нужным образом, когда полимер вытягивают в волокно; на этом эффекте основано производство арамидных волокон, имеющих высокую прочность и жесткость. Просто пучок волокон имеет довольно низкую конструкционную ценность. Чтобы использовать их прочность, их необходимо поместить в матрицу другого материала. Матрица играет роль адгезива, соединяющего волокна, и придает материалу твердую форму. Кроме того, она защищает волокна от различных напряжений, источником которых может стать окружающая среда, а также от физического повреждения, которое может инициировать разрыв.

Прочность и жесткость композита определяются главным образом свойствами армирующего материала, т.е. волокон, однако и 
матрица вносит свой вклад в его свойства. Например, тепло- и электропроводность композита сильно зависят от проводимости матрицы. Механические свойства композита определяются не только волокнами, но и синергизмом свойств волокон и матрицы. Предел прочности при растяжении композита - результат этого синергизма. Когда под нагрузкой находится пучок волокон в отсутствие матрицы, разрыв каждого волокна приводит к уменьшению носителей нагрузки. Нагрузка, которую оно несло, перераспределяется по оставшимся неразорванным волокнам, увеличивая на них напряжение. Если же волокна находятся в матрице, то разрыв волокна еще не приводит к тому, что полностью теряются механические функции волокна.

Это объясняется тем, что матрица является достаточно вязкой (т.е. упругой или пластичной). Когда концы разорванного волокна под действием растягивающей нагрузки вытаскиваются из матрицы, то упругая деформация или пластическое течение матрицы вызывают сдвиговые напряжения, которые постепенно увеличивают напряжения на разорванные фрагменты волокна. Из-за такого перераспределения напряжения волокно продолжает вносить некоторый вклад в упрочнение композита и после разрыва. Напряжение на соседние не разрушенные волокна возрастает в меньшей степени, чем в отсутствие матрицы, и, таким образом, композит может выдержать большее напряжение, не разрушаясь. Синергизм между волокнами и матрицей приводит, следовательно, к упрочнению композита, а также к повышению его ударной вязкости, увеличивая энергию разрушения.

При выборе материала матрицы учитывается её пластичность. 
Однако основным фактором, определяющим этот выбор, чаще служит область температур, при которой будет эксплуатироваться изготавливаемы композит. Композиты, подвергающиеся нагреву не выше 100-200°С, обычно имеют полимерную матрицу. Большинство композитов относится к этой группе. Например, стеклопластик – прототип композиционных материалов - состоит из коротких стеклянных волокон, помещённых в матрицу из полиэфирной смолы. Этот материал применяют для изготовления бытовых приборов, лодок, корпусов автомобилей. Применение его не только снижает вес детали, но и удешевляет производство за счёт упрощения производственного процесса. Большинство композитов, применяемых для покрытий поверхностей летательных аппаратов и других конструкционных деталей представляет собой жесткие прочные волокна, такие, как углеродные 
или арамидные, в полимерной матрице, теплостойкость которой обычно выше, чем теплостойкость полиэфирной смолы.

В качестве полимерных матриц часто используют термореактивные 
пластики. Они более теплостойки, чем большинство термопластов, представляющих другой класс полимерных материалом 
плавящихся при нагревании (из-за отсутствия связей, «сшивающих» 
полимерные цепи). В качестве термореактивных матриц для композитов с хорошими эксплуатационными свойствами используются эпоксидные смолы, а также полиамидные, которые могут выдержать длительный нагрев до температур, превышающих 300 °С.

От выбора матрицы зависит способ изготовления композита. 
При изготовлении композита с полимерной матрицей волокна обычно в виде нити (пучка) пропитывают смолой. Затем из этих волокон формируют ленты или листы, которые упаковываются в слоистый материал; пропитанные волокна могут быть также прямо нанесены на поверхность объекта. Процесс такого нанесения волокон называют намоткой. Если используется термореактивная смола, то материал надо затем отвердить, т.е. обеспечить условия для сшивки. Для этого композит необходимо выдержать при высоких температуре и давлении в течение нескольких часов.

Для ускорения процесса изготовления применяются термопластичные материалы для матриц. Получение композиционного материала с термопластичной матрицей требует сравнительно короткого нагревания, достаточного для размягчения пластика. Температура плавления некоторых термопластичных матриц настолько велика, что по теплостойкости они превосходят термореактивные; например, ПЭЭК плавится при 334 °С. Дополнительным преимуществом термопластов является их более высокая вязкость по сравнению с большинством термореактивных матриц.

Высокие температуры, приводящие к плавлению или деструкции полимерной матрицы, требуют применения в качестве матриц 
материалов другого типа; часто такими материалами оказываются металлы. Кроме высокой теплостойкости, металлическая матрица имеет ряд других преимуществ. Ее более высокая прочность дополняет прочность армирующих волокон, а высокая пластичность придает композиту ударную вязкость. Композиты с металлической матрицей имеют более высокую плотность (даже если для матриц используют самые легкие металлы - алюминий, магний и титан), и производство их значительно сложнее. Это объясняется экстремальными условиями, необходимыми для введения высокопрочных волокон в металлическую матрицу.

Наиболее простой способ - пропитка волокон металлическим 
расплавом - требует чрезвычайно высоких температур. При этом высокая температура может вызвать протекание поверхностных химических реакций между волокном и матрицей. Если протекание реакции ограничивается тонким слоем, то такие реакции упрочняют связь между волокном и матрицей, однако если слой, затронутый химической реакцией, достаточно широк, продукты реакции могут ослабить эту связь или даже разрушить и волокна, и матрицу.

Чтобы свести к минимуму или исключить такие процессы, применяются методы изготовления композитов, не требующие очень высоких температур. Один из таких методов - метод диффузионного связывания, заключающийся в следующем. Матричный металл наносят на волокно в виде фольги или порошка, а образование композита происходит под высоким давлением; при этом температура остается ниже температуры плавления металла. Процессом, приводящим к образованию композиционного материала, здесь служит диффузия атомов металла. Даже при низких температурах диффузионного связывания между алюминиевой или магниевой матрицами и волокнами из углерода или бора могут протекать интенсивные поверхностные реакции. Для исключения таких реакций перед введением в металлическую матрицу волокна покрывают веществами, ограничивающими возможность протекания реакций.

Композиты с металлической матрицей используются в таких 
условиях, при которых эксплуатационные температуры не превышают температуру плавления металлической матрицы. Для работы при 
более высоких температурах применяют композиты, матрицы которых по теплостойкости не уступают самим волокнам. Они обладают такой же прочностью и жёсткостью. Это композиты с керамической матрицей. Благодаря хрупкости свойства керамической матрицы отличаются от свойств других матриц. В композитах с полимерными и металлическими матрицами основная упрочняющая роль отводится волокнам, а матрица придает материалу ударную вязкость. Керамическая матрица сама по себе достаточно жестка и прочна, но чтобы полностью реализовать ее потенциальные возможности, необходимо придать ей ударную вязкость.

Волокна в композитах с керамической матрицей препятствуют 
развитию трещин. Растущая трещина, столкнувшись с волокном, 
может либо отклонить, либо вытолкнуть волокно из матрицы. В 
обоих процессах поглощается энергия и замедляется рост трещины. Даже при большом количестве возникших трещин матрица в композите разрушается не так легко, как в неармированном материале, поскольку волокна затрудняют распространение трещин.

Керамическая матрица придает композиту высокую теплостойкость. Боросиликатное стекло, армированное волокнами из карбида кремния, сохраняет прочность при 1000 °С. Такие матрицы, как карбид кремния, нитрид кремния, оксид алюминия и муллит (сложное соединение алюминия, кремния и кислорода), обеспечивают композитам работоспособность при еще более высоких температурах; в некоторых случаях эти температуры достигают 1700 °С. У многих композитов с ростом температуры увеличивается вязкость, и в результате они упрочняются. Между кристаллическими зернами, из которых состоят в основном керамические материалы, имеются стеклообразные области, которые при высоких температурах размягчаются и начинают действовать как элементы, останавливающие рост трещин.

Производство теплостойких композитов с керамической матрицей является достаточно сложным. Керамические матрицы получили 
широкое применение, но не все они могут быть расплавлены в процессе изготовления, поэтому неармированную керамику обычно производят, спрессовывая частицы керамического порошка при высоких 
температуре и давлении; этот процесс называют спеканием. Один из 
способов производства композита с керамической матрицей является 
простым видоизменением этого метода; короткие волокна или нитевидные кристаллы («усы») перед спеканием смешивают с керамическим порошком. Если армирование производят длинными волокнами или нитями, то их пропитывают взвесью керамического порошка в жидкости, а затем проводят спекание этих нитей. Матрицы из стекла допускают применение более простого способа изготовления композита, поскольку их можно размягчить. Композит формируется прессованием армирующих нитей, пропитанных горячим вязким стеклом.

Композит, в котором и матрица, и армирующие волокна состоят из элементарного углерода, относится к композитам с керамической матрицей по характеру свойств и не отличается от них по способу получения. Армирующая часть углерод - углеродного композита находится в частично кристаллической форме графита, матричная же часть обычно аморфна. Углерод - углеродный композит сохраняет в значительной степени свою прочность при 2500 °С и используется в условиях эксплуатации при очень высоких температурах. В отличие от большинства композитов с керамической матрицей, при высоких температурах этот материал подвержен окислению. Чтобы предохранить его от окисления, на его поверхность обычно наносят тонкий слой керамики.

Первые стадии производства углерод - углеродного композита аналогичны изготовлению композита с полимерной матрицей. Углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, т.е. термореактивной смолой. Затем соответствующим образом собранные пропитанные смолой волокна нагревают в инертной атмосфере. При этом происходит пиролиз смолы (обугливание, аналогичное процессу превращения дерева в древесный уголь) и остается углерод. Полученный композит снова под давлением пропитывают смолой и подвергают пиролизу. В результате многократного повторения процесса образуется прочный материал с минимальным числом внутренних пустот. Другим способом создания матрицы служит процесс химического осаждения углерода, полученного в результате разложения органического газа, на волокнах. Таким образом, основным фактором, определяющим выбор матрицы, является температура, при которой будет использоваться композит.

Все армирующие волокна - и керамические, и полимерные, и 
состоящие из одного элемента - обладают высокой прочностью, однако по некоторым свойствам они отличаются друг от друга. Например, по прочности при растяжении стеклянные волокна равны или даже превосходят углеродные – основу многих композитов с хорошими эксплуатационными качествами. Однако под действием высоких напряжений стекловолокно растягивается, и удлинение составляет несколько процентов. Поэтому в случаях, когда решающим фактором является жесткость в условиях высоких нагрузок, композиты, армированные стекловолокном, неприменимы. И все же относительно низкая стоимость обеспечивает их широкое применение при создании изделий с менее высокими требованиями к жесткости.

2. СТРУКТУРА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

Свойства композита определяются не только материалом матрицы и армирующего волокна, но и геометрией армирования. Геометрию армирования композитов можно классифицировать по форме упрочняющих включений (рисунок 1): частицы, непрерывные волокна, короткие волокна. В некоторых композитах расположение армирующих волокон образуется случайно. К ним относится дисперсионно наполненный металл (металл, упрочненный мелкими частицами примеси, которые либо выпадают в виде осадка при охлаждении металлического расплава, либо представляют собой керамические частицы, специально в металле), композиты, содержащие короткие волокна (большое число выпускаемых промышленностью стеклопластиков), а также некоторые композиты с металлической и керамической матрицами, наполненные нитевидными кристаллами («усами»). В этих композитах контролируется только концентрация упрочняющих частиц, а не их точные размеры и ориентация.

    А    Б В

а- частицы; б - короткие волокна; в - непрерывные волокна

Рисунок 1- Виды армирующих включений

Композиты с наиболее высокими эксплуатационными свойствами армируются гораздо более длинными волокнами, обычно непрерывными нитями. Для того чтобы в композите могла полностью использоваться высокая прочность армирующего материала, волокна должны иметь возможность принять на себя высокую нагрузку, вплоть до предельной, разрывающей волокно. Иначе композит начнет разрушаться задолго до того, как напряжение достигнет предела прочности волокна. Нагрузка просто «вытащит» волокно из матрицы, оставив его целым, но разрушив композит.

Поскольку нагрузка от матрицы на армирующее волокно передается сдвиговыми силами, действующими на его поверхность, площадь  поверхности волокна должна быть достаточно велика по сравнению с площадью сечения элемента. Другими словами, армирующий элемент, чтобы эффективно нести нагрузку, должен в одном измерении быть значительно больше, чем в двух других. Для большинства армирующих элементов критическое отношение длины к диаметру, при котором он получает возможность нести нагрузку, способную его разорвать, равно приблизительно 100:1. Точное значение зависит от прочности волокна, вида матрицы и степени их связности.

Таким образом, эффективность армирования композита длинными волокнами выше, чем короткими волокнами или частицами. Ориентация длинных волокон поддается строгому контролю. Это дает возможность сконструировать внутреннее строение композита с учетом нагрузок, при которых он будет эксплуатироваться.

Внутренняя геометрия композита обычно состоит из тонких 
слоев, каждый из которых армирован волокнами, ориентированными в одном направлении. Такие слоистые структуры получают обычным способом производства композитов с полимерной матрицей - предварительной пропиткой лент или слоев и их сборкой.

Последовательные слои могут быть ориентированы в различных направлениях, что придает материалу прочность и жесткость и нескольких направлениях. Недостатком таких композитов является отсутствие поперечного армирования как между слоями, гак и в одном слое. Под действием экстремальной нагрузки композит может расслоиться, а волокна внутри слоя разделиться.

а-двухосная тканая основа; б-трёхосная тканная основа; в - вязаная основа

Рисунок 2 - Армирование слоистых структур

Такие однонаправленные слои лишены ударной вязкости.

В композитах с металлической матрицей, например, сама матрица может быть достаточно пластичной и поэтому ударопрочной. Введение в нее плотного ансамбля волокон, с которыми металл прочно связывается, повышает хрупкость композита. Вместо деформации он растрескивается, а в обычном слоистом композите трещина легко находит путь распространения между слоями волокон. В результате этого удар, который в неармированном металле оставил бы только вмятину, может привести к серьезному повреждению композита, в котором тот же металл играет роль матрицы.

Для упрочнения композитов сразу во многих направлениях и придания им ударной вязкости производят армирование плетеными, вязаными и ткаными материалами из армирующих волокон. Выбор способа переплетения волокон определяется экономическими затратами, зависимостью прочности от ориентации и гибкостью волокон. Обычный тканый материал упрочняет композит в направлениях основы и утка ткани, т.е. в двух взаимно перпендикулярных направлениях; производство тканей со сложным плетением дороже, но они упрочняют композит также в ряде промежуточных направлений. При некоторых видах плетения образуются упругие ткани, способные придать композиту добавочную вязкость, хотя и за счет снижения жесткости.

 Соединение слоев, армированных  «двумерной» тканью, приводит к 
образованию слоистой структуры с присущими ей недостатками. Чтобы 
в композите уничтожить ослабляющие слои неармированного материала, армированию придаётся трехмерная геометрия. Например, углеродные волокна в углерод - углеродном композите обычно располагаются в 
трехмерном ортогональном переплетении - переплетении, в котором волокна ориентированы в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

а б в

а - цилиндрическая конструкция; б - трёхмерное плетение; в - конструкция с блокированными углами.

Рисунок 3 - Пространственные структуры армирования

Композит, армированный трехмерным ортогональным плетением волокон, после изготовления обрабатывают для придания формы изделию, однако технология армирования трехмерными оплетками позволяет формировать сложные изделия в процессе изготовления композита. Таким образом, этот метод не только увеличивает прочность композита, но и уменьшает число стадий изготовления, что несколько снижает его стоимость и упрощает изготовление плетеного армирующего элемента и пропитки плотной ткани металлическим расплавом или смолой.

В композитах с металлической матрицей применение армирования трехмерным плетением дает существенный выигрыш в ударной вязкости. Армирование «в толщину», создаваемое трехмерной волоконной сеткой, предотвращает расслоение и заставляет возникающую трещину выбирать извилистый путь распространения и таким образом увеличивать рассеяние энергии удара.

Созданы опытные образцы конструкционных композиционных материалов на основе непрерывных стекловолокон и пропилена по волоконной и пленочной технологиям. Проведенные исследовании механических свойств опытных образцов на основе непрерывных стекловолокон и термопластичных полимеров (полипропилена и капрона) показали их высокую прочность (до 300 МПа), которая в несколько раз выше образцов, созданных на основе короткорубленых волокон. Композиты на основе непрерывных волокон имеют более высокую температуру (80° С - 90 °С) разупрочнения (снижения упругих и прочностных характеристик) по сравнению с короткорублеными волокнами (50 °С - 60 °С).

□ наполненный непрерывными стекловолокнами (пленочная технология) (50%); □ наполненный короткими волокнами (30%); □ не наполненный полипропилен.

Рисунок 4 - Применение конструкционных композиционных материалов

Изучены механизмы связи на поверхности раздела «волокно-матрица». С учетом характера процесса смачивания волокон стекла расплавом полипропилена определены минимальное время и температура пропитки. В связи с неудовлетворительным смачиванием волокон стекла расплавом полипропилена предложен ряд аппретирующих соединений, увеличивающих адгезионное взаимодействие на границе раздела фаз.

Проведенные исследования полипропилена и кварцевого стекла показали наличие зависимости адгезионной прочности от давления, создаваемого матрицей, на арматуру. Проанализирован характер адгезионного разрушения волокон стекла и матрицы у концов волокон. Волокна стекла и матрицы из полипропилена, как правило, отслаиваются по типу продольной трещины, что характерно при разрушении адгезионного взаимодействия.

На основе результатов обоснования методики выбора текстурных 
параметров однонаправленных тканых волокнистых полуфабрикатов 
разработана математическая модель, которая позволяет при заданных 
основных технологических (давление, температура и время прессования материала) и конструкторских параметрах (степень армирования, коэффициент использования свойств армирующих нитей) определять текстурные параметры тканого волокнистого полуфабриката.

Для выбора основных технологических параметров изготовления термопластичных композиционных материалов методом прессования по волоконной и пленочной технологиям получены расчетные зависимости давлений прессования от длины пути пропитки 
армирующих стеклянных нитей расплавом пропилена и капрона. На 
основании модели пропитки рассчитаны зависимости давлений прессования от температуры матричного расплава с учетом диаметров 
армирующих нитей, линейной плотности нитей, соотношения числа армирующих и матричных нитей, коэффициента армирования.

Волоконная технология                             Пленочная технология

Стекловолокна                                      Пленка термопластичного

                                                                      армирующая

Рисунок 5 - Предложения по использованию результатов научно – исследовательской работы в народном хозяйстве

Результаты научно-исследовательской работы по созданию конструкционных композиционных материалов на основе непрерывных стекловолокон и термопластичной матрицы (полипропилен, капрон, 
полиэтилен, полистирол) позволяет решить вопрос о замене экологически «грязного» производства композиционных материалов на основе эпоксидных смол, полиэфирных, фенолформальдегидных и других термореактивных смол экологически «чистыми» и более производительными производствами композиционных материалов на основе термопластичных связующих. Важно подчеркнуть, что все компоненты предлагаемых композиционных материалов (стекловолокна, полипропилен, полиэтилен, полистирол и другие) в крупных масштабах производятся в Республике Башкортостан.

Некоторые свойства, от которых зависит область применения композита, определяются усредненными свойствами волокон и матрицы. К этим свойствам относятся жесткость, теплопроводность, коэффициент теплового расширения, степень сжатия материала в поперечном направлении при продольном растяжении. Эти термоупругие свойства управляют деформацией материала. Они определяют, например, насколько изогнется лонжерон крыла самолета при нормальной нагрузке и насколько сильно изменится его форма при нагревании и охлаждении.

Трансверсальную жесткость композита (в направлении, перпендикулярном направлению волокон) можно представить как систему более и менее жестких пружин, соединенных группами или концом к концу. При таком соединении поведение системы определяется менее жесткими пружинами. Даже если жесткость более жестких пружин очень велика (эти пружины представляют волокна), то общая жесткость системы будет определяться вкладом мягких пружин (матрицы). Математический анализ, включающий такие упрощенные представления, применяется для прогнозирования усредненных свойств материала, и такие прогнозы достаточно хорошо согласуются с наблюдаемыми продольными свойствами однонаправленного композиционного слоя. Прогнозирование свойств в других направлениях приводит к худшим результатам; простые модели приводят, например, к недооценке трансверсальной жесткости композита. На свойства в направлении, перпендикулярном волокнам, начинают действовать такие факторы, как форма поперечного сечения волокон и порядок их упаковки.

Для прогнозирования свойств композитов, армированных короткими волокнами типа полиэфирного стеклопластика, используется более приближенное описание. По сравнению с композитами, армированными длинными волокнами, их структура менее определенна: ориентация волокон беспорядочна или совершенно случайна, и, кроме того, длина армирующих волокон варьируется в материале от одной области к другой. Для успешного прогнозирования термоупругих свойств композитов, армированных короткими волокнами, требуется дополнительная информация о распределениях ориентации и длин волокон. Небольшие изменения в технологии изготовления материала могут сильно повлиять на эти распределения: некоторые условия изготовления могут привести к интенсивному разрыву волокон или созданию потоков в жидкой смоле, ориентирующих волокна в одном или нескольких направлениях. Таким образом, при полном теоретическом описании композитов, армированных короткими волокнами, в первую очередь учитывается влияние условий изготовления на структуру, а затем - влияние структуры на свойства.

При проектировании композитов прочность определяют не средними свойствами компонентов материала, а локализацией дефектов. 
Области локализации дефектов действуют как слабые звенья цепи и 
ограничивают величину прочности. Обычные дефекты типа локальных расслоений выявляются при контроле дефектов в готовом мате- 
риале методами ультразвуковой дефектоскопии. Однако армирующие 
волокна различаются по прочности, поэтому точно прогнозировать локализацию и прочность самого слабого армирующего элемента невозможно. Величины этих характеристик имеют вероятностное значение. При этом учитывается тот факт, что разрыв слабого волокна распространится на другие волокна и приведет к разрушению всего материала. Однако если матрица продолжает частично перераспределять нагрузку на волокно и после того, как оно разорвалось, нагрузка, переносимая после разрыва на соседние волокна, уменьшается, а с ней снижается и вероятность их разрыва (рисунок 6).