Использование в композитном материале волокон с высокой жесткостью борных, углеродных — позволяет варьировать в самом широком диапазоне зависимость удельной прочности КМ от их удельной жесткости, в результате чего конструктор получает возможность использовать КМ с требуемыми характеристиками прочности при сложном напряженном состоянии изделия (совместном действии кручения, изгиба, растяжения — сжатия), требующего повышенных жесткостных характеристик материала. Это обусловливает существенные преимущества композитных материалов перед металлами, где удельная жесткость примерно постоянна при некотором изменении удельной прочности. На рис. 14 показаны соотношения между удельной прочностью и удельным модулем упругости для различных материалов. Из приведенных данных можно видеть, что область расположения композитов с углеродными волокнами значительно удалена от начала координат и занимает довольно значительное пространство по сравнению с металлами, что наглядно свидетельствует о лучших механических характеристиках композитных материалов.
Управление удельной прочностью и жесткостью, а также другими физико-механическими свойствами композитных материалов осуществляется путем изменения направления укладки волокон или одноосных тканей различного плетения как в плоскости, так и по толщине изделия. В зависимости от ориентации армирующих волокон в плоскости укладки слоистые структуры можно разделить на следующие основные группы: однонаправленные, ортогонально-армированные (рис. 15а), перекрестно-армированные (рис. 15б) и хаотично-армированные. Одним из главных преимуществ ориентированных КМ является высокая удельная прочность в направлении армирования.
Однонаправленные материалы (см. рис. 12–2б) получают при укладке всех волокон параллельно друг другу. Их называют материалами с укладкой 1:0, указывая этим на отсутствие поперечно уложенных волокон. Такая схема укладки предпочтительна при одноосном (в направлении укладки волокон) напряженном состоянии, например, при одноосном растяжении и сжатии. Прочность однонаправленных КМ в продольном направлении в 2,5–4 раза выше, чем у обычных легких сплавов, что в сочетании с меньшей (для углепластиков, например, в 1,4 раза) плотностью обеспечивает однонаправленным КМ большую в 4–6,5 раза удельную прочность соответственно при одноосном растяжении и сжатии. Однако прочностные характеристики однонаправленных композитов в поперечном направлении обычно на один-два порядка ниже, чем в продольном. Поэтому для обеспечения необходимой прочности в различных направлениях необходима укладка армирующих волокон под определенными углами.
Ортогонально-армированные композитные материалы получают укладкой слоев по толщине во взаимно-перпендикулярных направлениях — продольном и поперечном. При этом число продольных и поперечных слоев в них может быть различным (1:1, 1:3, 2:5 и т. д.). Материалы с укладкой 1:1 являются равнопрочными в продольном и поперечном направлениях. Наибольшее влияние на свойства КМ наряду со свойствами армирующих волокон оказывают углы укладки этих волокон в слое и распределение слоев с фиксированным углом по толщине образца или изделия по определенному закону. Схема перекрестно-армированного КМ представлена на рис. 15б.
Изменяя порядок укладки слоев и угол укладки волокон в них по толщине, можно управлять изгибными и крутильными жесткостями КМ, повышая тем самым прочность на кручение и изгиб. Наглядной иллюстрацией влияния угла укладки углеродных волокон и процентного распределения слоев с фиксированной укладкой по толщине могут служить данные, приведенные в табл. 2. Согласно этой таблицы, видно, что, изменяя угол укладки можно в широких пределах варьировать характеристику прочности и жесткости композитных материалов. Схема перекрестного армирования является определяющей при сложном напряженном состоянии элементов конструкции.
Выбор закона укладки волокон в плоскости и по толщине пакета определяется назначением конструкции и предъявляемым к ней требованиям по условиям эксплуатации. Рассчитывая напряженно деформированное состояние элементов конструкции при действии внешних нагрузок, конструктор одновременно проектирует материал, формируя требования к углу укладки слоев и закону размещения их по толщине таким образом, чтобы напряжение, возникающее в элементах конструкции при заданном распределении действующих внешних нагрузок, было наименьшим. При этом особое внимание должно быть проявлено к выбору оптимальной схемы укладки слоев в зонах приложения сосредоточенных нагрузок с целью обеспечения повышенной надежности конструкции из КМ. Одновременно с разработкой схемы укладки конструктор получает возможность выбрать армирующий материал, который позволит решить поставленную задачу при минимальной массе конструкции. Такое решение достигается путем сравнения проектируемых материалов с традиционным конструкционным материалом, например, с алюминиевым сплавом Д16АТ — наиболее распространенным материалом в авиационной промышленности. Если принять массу конструкции из алюминиевого сплава Д16АТ за 100 %, то масса рассматриваемых композитных материалов при одинаковой прочности конструкции в условиях действия одинаковой внешней нагрузки будет пропорциональна отношению удельной плотности для сплава Д16АТ и композитного материала. Эта зависимость представлена на рис. 16.