Армированных материалов

27. Жигун И. Г., Радимов Н. П. Особенности механических свойств трехмерноармированных углерод-углеродных композитов. — Механика композитных материалов, 1982, № 3, с. 504—507.

42. Крегерс А. Ф., Мелбардис Ю. Г. Определение деформативности пространственно-армированных композитов методом усреднения жесткостей. —

43. Крегерс А. Ф., Тетере Г. А. Структурная модель деформирования анизотропных пространственно-армированных композитов. — Механика композитных материалов, 1982, № 1, с. 14—22.

Для ортогонально армированных композитов, таких, как тканевые пластики, основным требованием при сжатии является предотвращение потери образцом устойчивости. При испытании тонкой плоской пластины это обычно достигается установкой большого числа поддерживающих опор, предохраняющих от поперечных перемещений, сопровождающих потерю образцом устойчивости. Такое устройство, схематически показанное на рис. 12, было использовано в работах [132] и [156].

время; 2) методам обработки экспериментальных данных. Состояние дела в обоих этих областях характеризуется мощным потоком предлагаемых методов испытаний и новых теоретических исследований. И в том и в другом направлениях предстоит еще много работы, особенно это касается приведения в соответствие результатов, получаемых различными методами. Особые проблемы возникают при испытаниях хаотически армированных композитов и трехмерноармированных материалов.

ниями, характеризующими неоднородность деформации. Это не обязательно имеет место для направленно армированных композитов, состоящих из армирующих элементов и матрицы. Для таких композиционных материалов характерный размер неоднородности структуры намного больше, чем для металлических сплавов. В самом деле, для композиционных материалов возможны такие условия приложения нагрузок, в особенности динамических, при которых характерный размер неоднородности деформации имеет тот же порядок, что и характерный размер неоднородности структуры.

В настоящей главе мы дадим обзор некоторых аспектов теории волновых и колебательных движений направленно армированных композитов при малых деформациях и линейном поведении компонентов. Некоторые основные понятия динамики упругого континуума приводятся в приложениях А и Б. Очень важным является исследование распространения механических возмущений для тел, подвергающихся высокоскоростным на-гружениям, например ударным или взрывным. В течение небольших промежутков времени после приложения к образцу высокоскоростной нагрузки в нем распространяются нестационарные волны. Взаимодействие этих волн с армирующими элементами может быть достаточно сильным.

Ограниченность теории эффективных модулей явилась причиной многочисленных попыток построения более современных методов исследования механического поведения направленно армированных композитов, в особенности при динамическом их нагружении. В первом приближении эти методы можно разбить на два следующих класса.

Многие динамические теории континуума типа теории эффективных жесткостей весьма близки к теориям линейно упругих сред со сложной микроструктурой, развитым Миндли-ном [48]. Новые материальные константы, появляющиеся в таких теориях, в случае направленно армированных композитов определяются непосредственно в виде функций параметров, характеризующих расположение компонентов, и классических упругих постоянных компонентов. Вид такой зависимости в простейшей теории слоистой среды был указан в работе Геррмана и Ахенбаха [34].

Приближенные теории, описывающие механическое поведение направленно армированных композитов, основаны на предположении о том, что отношение характерного размера структуры к характерному размеру неоднородности деформации много меньше единицы. В последние годы появились асимптотические методы исследования, с самого начала в явном виде использующие малость указанного отношения. Метод, использующий непосредственно асимптотические разложения, описан в работе [13]; предложенная там теория, по-видимому, применима в случае, когда композиционный материал работает как система волноводов.

Данный обзор исследований волн и колебаний, возникающих в направленно армированных композитах, был по необходимости кратким, и список цитированных работ, бесспорно, далек от полного. Некоторые важные и интересные аспекты проблемы совсем не рассматривались. В числе последних упомянем динамические эффекты в хаотически армированных композитах, механизмы разрушения в условиях динамического нагружения, такие, например, как разрыв волокон и расслоение, оптимизацию структуры, и, конечно, нелинейность связи напряжений с деформациями при динамическом нагружении направленно армированных композитов. Аналитические и экспериментальные работы по этим темам опубликованы, но большая часть из них носит поисковый характер. Краткое обсуждение некоторых из этих работ содержится в обзорных статьях Гёртмана [29] и Пека [53, 54]. Несмотря на это стоит закончить данную главу несколькими замечаниями относительно хаотического армирования, разрушения, оптимизации и нелинейности, а также перечислением некоторых посвященных этим вопросам работ.

Наибольшее внимание привлекают алюминиевые сплавы, армированные волокнами из бора, углерода, нержавеющей стали и бериллия; титановые сплавы, армированные волокнами молибдена и бериллия, и никелевые сплавы, армированные волокнами вольфрама, молибдена и их сплавов. Данные о прочности некоторых волокон и армированных материалов приведены в табл. 156 и 157. Такие материалы наиболее перспективны для деталей, работающих в условиях, близких к одноосному растяжению, например лопаток турбин и компрессоров. Максимальные рабочие температуры этих материалов близки к температуре плавления матрицы. На рис. 465 в качестве примера показаны температурные зависимости прочности для алюминия, армированного стеклянными и кварцевыми волокнами. Для сравнения на графике приведены свойства дисперсноупроч'ненного алюминия и алюминиевого сплава. На рис. 466 показана макро- и микроструктура прутка из сплава нихром, армированного волокнами вольфрама (50%).

Установлено также, что можно создавать аналоги армированных материалов путем только одной термической обработки легированной стали. Этот процесс приводит к ^выпадению специальных выделений в «виде тонких полосок, которые по своей структуре и свойствам близки к усам [213].

При получении армированных материалов эффект упрочнения возрастает:

армированных материалов «а базе проволок или нитевидных кристаллов, прежде чем они найдут применение в технике в качестве конструкционного материала.

Разработка и внедрение пространственно-армированных материалов связаны не только с технологическими трудностями, но и с развитием нового раздела теории армированных сред. Поэтому в справочнике приведены и систематизированы зависимости для прогнозирования упругих свойств материалов с привлечением дополнительных структурный параметров: угла искривления армирующих волокон, количества арматуры в третьем направлении, объема и степени вискери-зации, пористости матрицы.

Расширение сферы использования пространственно-армированных материалов . вызывает необходимость доведения до промышленности надежных численных оценок физических и прочностных свойств этих материалов. Книга содержит обширный экспериментальный материал. Главное.внимание уделено межслойному сдвигу и поперечному отрыву. Улучшение показателей по этим характеристикам и по вязкости разрушения подтверждено экспериментами, что позволяет говорить о возможности расширения областей применения пространственно-армированных композиционных материалов.

Опыт применения пространственно-армированных материалов в целях тепловой защиты значительно расширил область их использования: используются не только теплозащитные, но и прочностные свойства материалов. Появилась новая область применения материалов, образованных системой трех нитей, — в супермаховиках. Применение современных композиционных материалов в супермаховиках представляет значительный интерес, так как максимальная удельная энергия, которая может быть накоплена в маховике, пропорциональна отношению прочности материала к плотности. Маховики, изготовленные намоткой из однонаправленных материалов, наряду с высокой прочностью в направлении армирования обладают традиционными

Композиционные материалы также могут быть подразделены на несколько групп в зависимости от вида применяемой арматуры и связующего. В качестве арматуры для изготовления пространственно-армированных материалов широко применяют обычные и высокомодульные стекловолокна. Для этих же целей используют высокомодульные углеродные волокна, причем преимущественно для изготовления материалов 2—4-й групп, применяемых для создания несущих нагрузку тепловых экранов летательных, космических и глубоководных аппаратов [90, 110, 122]. Для создания указанных групп пространственно-армированных композиционных материалов могут быть использованы и другие виды высокомодульных волокон, что обусловливается назначением и условиями их работы [15, 97, 116, 124, 125].

Использование композиционных материалов, образованных системой двух нитей, для изготовления' изделий методом намотки позволяет значительно повысить их несущую способность при действии давления. Исследования показывают, что при изготовлении кольцевых образцов с внутренними слоями из пространственно-армированных материалов и наружными из слоистых можно ограничиться относительной толщиной RK/RB — 1,40, в то время как при использовании ленты тканого переплетения Ru/R-в = 1,88, при намотке колец из однонаправленной ленты ЛСБ-F RK/RB = 2,15 при одинаковых внутреннем радиусе и давлении.

Характер распределения деформаций также существенно зависит от структуры армирования образца. По степени анизотропии упругих свойств пространственно-армированные материалы, образованные системой двух нитей, мало отличаются от ортогонально-армированных, но различие в изменении значений относительных деформаций у них существенное. Это свидетельствует о том, что при растяжении образцов из пространственно-армированных материалов имеет место

Для определения пределов прочности при сдвиге слоистых материалов широко используется как изгиб коротких балок с отношением llh ~^ 5, так и Испытание пластинок в шарнирном четырехзвеннике. Использование этих методов для испытаний пространственно-армированных материалов не дает положительных результатов. При испытании на изгиб коротких балок даже с отношением llh ж 3 не происходит их разрушения от сдвига. Изменение формы поперечного сечения балки с прямоугольника на двутавр не. дает положительных результатов.