Армированных пластиков

Для оценки поведения при растяжении композитов с металлической матрицей, армированных непрерывными волокнами, Мак-Дэйнелс и др. [55], исходя из аддитивности свойств отдельных компонентов, сделали следующие предположения:

б) Композиты с непрерывными волокнами окиси алюминия. Имеющиеся в литературе данные о металлах, армированных непрерывными волокнами сапфира, не позволяют четко разделить, каково влияние на продольную прочность разупрочнения волокон и образования связи на поверхности раздела. Ниже приводятся некоторые общие характеристики прочностных свойств при продольном растяжении для очень ограниченного числа систем, изученных до сего времени.

В литературе имеется много данных о продольной прочности композитов, поскольку эта характеристика обычно использовалась для оценки качества композитов металл — окисел путем сопоставления их действительной прочности с рассчитанной по правилу смеси. Внеосные механические свойства армированных окислами металлов были измерены лишь недавно. В связи с этим имеются данные о поперечной прочности (растяжение в направлении, перпендикулярном оси волокон) только для сплавов на основе Ni и Ti, армированных непрерывными волокнами сапфира.

Хотя исследования армированных окислами металлов, связанные с проблемой упрочнения металлов керамическими волокнами, начаты давно, технология получения материалов этого класса разработана очень слабо. Такие высокопрочные тугоплавкие материалы с высоким модулем предполагается использовать для работы при высоких температурах, например, для горячих деталей газотурбинного двигателя. Требование высокотемпературной стабильности материала в таких условиях сильно осложняет проблему изготовления этих композитов по сравнению с композитами, предназначенными для работы при более низких температурах, например А1 — В. Большое внимание, которое сейчас уделяется поверхностям раздела в этих материалах, связано с вопросами совместимости составляющих именно в процессе изготовления материала, когда вопросы взаимодействия наиболее актуальны. В равной степени важно, чтобы сплошность поверхности раздела сохранялась в процессе эксплуатации материала, особенно при температурах ниже температуры его изготовления. Этот вопрос лишь недавно был подробно изучен для металлов, армированных непрерывными волокнами сапфира.

До сих пор мы рассматривали длительную прочность и ползучесть композитов, армированных непрерывными волокнами. Однако не все высокопрочные волокна поставляются в виде непрерывных нитей, и если их все же нужно использовать, то в разорванном виде. Кроме того, непрерывные волокна могут быть разорваны или в процессе изготовления композитов, или при нагружении из-за различий в значениях прочности. Места соединений и отверстия нарушают непрерывность волокон в композите, приводя также к появлению разрывных волокон. В случае композитов, армированных разрывными волокнами, прочность последних реализуется посредством передачи нагрузки от одного волокна к другому сдвигом матрицы, при условии что волокна достаточно длинны. Вопрос о том, какой длины должны быть волокна, чтобы их прочность реализовалась под нагрузкой, был предметом исследований работы [27].

Однако вытаскивание волокон возникает не только у композитов с короткими волокнами, поскольку оно будет возникать всякий раз, когда волокна рвутся в точках, не лежащих в плоскости разрушения матрицы. Задача о прочности и вязкости разрушения композитов, армированных непрерывными волокнами, обладающими, однако, распределением слабых точек по длине, была рассмотрена Купером [13]. Он предположил, что отдельное волокно имеет постоянную прочность а всюду, кроме слабой точки с прочностью а* на расстоянии у от плоскости трещины в матрице. Таким образом, напряжение в волокне в плоскости трещины матрицы может до разрушения в слабой точке достигать величины

Цель автора — обрисовать в общих чертах при помощи простых средств основные принципы, необходимые для понимания инженерами-проектировщиками сущности композиционных материалов. Можно полагать, что представленные концепции применимы к конструкциям или элементам конструкций из пластиков, армированных непрерывными или короткими стеклянными или угольными волокнами; из бетона, армированного волокнами или стержнями; из металлов, армированных керамическими волокнами или частицами, металлической проволокой или лентой. Схемы армирования композитов могут быть одно-, двух- или трехмерными; некоторые из них уже применяются, другие находятся в стадии разработки.

Прочность композиций, армированных непрерывными волокнами. В волокнистых композициях непрерывные волокна обычно распределены по всему объему. В целях упрощения предположим, что они однородны, непрерывны, ориентированы в одном направлении и прочно сцеплены с матрицей, так что при деформировании между ними отсутствует проскальзывание. Пусть к образцу из такого композиционного материала приложена осевая нагрузка Р, которая связана с напряжением соотношением

Разрушение композиций, армированных непрерывными волокнами, также может сопровождаться вытягиванием волокон. Рассмотрим этот случай, используя модель Купера [119]. В модели предполагается, что прочность волокон всюду равна
Описанный выше метод может обеспечить получение заготовки с хаотичным расположением волокон. Для получения заготовок с полностью или частично ориентированным расположением волокон наиболее эффективным является метод шликерного литья. В полость формы укладываются ориентированные определенным образом ор-тотропные или изотропные заготовки (маты) из дискретных волокон или нитевидных кристаллов. Затем маты пропитываются шликером, содержащим порошкообразный матричный материал и связующие нужной консистенции. В одном из вариантов этого метода на дне формы устанавливается пористая диафрагма, шликер подается в верхнюю часть формы и отсасывается из нижней части, заполняя при этом частицами матричного вещества межволоконное пространство. Метод шликерного литья используют при изготовлении композиционных материалов, армированных непрерывными волокнами. Схема получения заготовки представлена на рис. 66.

веденные выше уравнения. При этом принимают во внимание модули упругости упрочняющих элементов и матрицы, содержание упрочняющего материала в композите и его ориентацию. Строгое определение модулей упругости является довольно сложной задачей, при решении которой используют различные подходы. Здесь прежде всего рассмотрен подход, основанный на использовании «правила смесей», который имеет довольно широкое практическое применение. Помимо этого для композитов, армированных непрерывными волокнами, изложены теория ячеек и теория ортотропного упругого материала. Для материалов, армированных дискретными волокнами, проанализированы различные механические модели. Рассмотрены также и особенности, с которыми приходится иметь дело в случае композитов с дисперсными частицами. В частности, изложена методика оценки коэффициентов упругости, основанная на использовании энергетического метода.

Постановка ребер жесткости может производиться как при постройке конструкции, так и после непосредственного обнаружения трещин, появившихся в процессе се эксплуатации. В последнем случае в качестве ребра, наряду с обычными стрингерами могут применяться и ребра в виде полос или заплат-дублеров, приваренных, приклеенных или приклепанных к конструкции. В отдельных случаях такие ребра, помимо торможения трещин, могут обеспечивать также герметичность, местную прочность конструкции, защиту от коррозии и т. п., т. е. могут выполнять несколько функций. Перспективными в этом отношении представляются заплаты, выполненные из армированных пластиков, наклеенных на трещину. Вообще, приварка или приклейка ребер жесткости часто являются но только более технологичными операциями по сравнению с использованием заклепок, но нередко и более целесообразными, так как не ослабляют смежные с трещиной участки конструкции.

Другой подход к определению тенденций развития исходит из задач, вытекающих из требований промышленности. Здесь можно назвать требования по контролю новых материалов типа армированных пластиков, металлокерамики, созданию высокоэффективных способов контроля сварки давлением, измерения внутренних напряжений в изделиях, гарантированного прогнозирования безопасности работы объектов и ряд других.

Отверждение связующего протекает по механизму полимеризации или поликонденсации. Качество отверждения изделий из армированных пластиков оценивается степенью отверждения. При отверждении связующее пере-кодит из вязкотекучего в твердое стеклообразное состояние. Механизм взаимодействия электромагнитной волны в процессе отверждения определяется подвижностью полярных звеньев и ее влиянием на е и tg6 среды: сшивание молекул при отверждении связующего уменьшает подвижность полярных звеньев, что приводит к существенному изменению их диэлектрических свойств.

Слабое сопротивление поперечному отрыву и межслойному сдвигу создало необходимость тщательного исследования процесса изготовления толстостенных изделий из армированных пластиков и особенно процесса изготовления изделий намоткой, который сопровождается возникновением начальных напряжений [6, 99]. Последние являются одной из причин возникновения трещин в намоточных изделиях [6, 9, 63]. Детальное исследование процесса изготовления изделий намоткой и влияния различных *ч"эп?ологмческнх факторов ня обеспе-

вертикально идущие волокна (рис. 1.4) были отдалены друг от друга на расстояние, не превышающее диаметр горизонтально идущих волокон. Вследствие этого возникает трение во всех точках пересечения волокон по всему объему материала, что обеспечивает целостность ткани при удалении ее со станка. Развитие технологии трехмерного плетения позволило создать серию многонаправленных армированных пластиков, для изготовления которых пригодны любые непрерывные волокна, в том числе и углеродные [91 ]. Трехмерноармированные материалы практически могут быть любой толщины; существуют блоки размерами 200X200X450 мм и цилиндры диаметром 400 мм, длиной 900 мм и толщиной до 40 мм. Достигнутая трансвер-сальная прочность при растяжении этих материалов составила 300 МПа, прочность при сдвиге из опытов на кручение — 90 МПа, что превышает

25. Жигун И. Г., Поляков В. А. Свойства пространственно-армированных пластиков. Рига: Зинатне, 1978. 215 с.

69. Скудра А. М., Булаве Ф. Я. Структурная теория армированных пластиков. Рига: Зинатне, 1978. 192 с.

* Речь идет о переломе кривой а—е вследствие так называемой концентрации деформации в поперечных слоях. Подробно об этом см. - в книгах: Тарнопольский Ю. М., Скудра А. М. Конструкционная прочность и деформа-тивность стеклопластиков. Рига, «Зинатне», 1966, 260 с.; Кортен X. Т. Разрушение армированных пластиков. Пер. с англ, под ред. Ю. М. Тарнополь-ского. М., «Химия», 1967, 168 с. (Прим. ред. ред.).

* Стержни из композиционных материалов рассмотрены в книгах: Малмейстер А. К., Тамуж В. П., Тетере Е. А. Сопротивление жестких полимерных материалов. Изд. 2-е, Рига, «Зинатне», 1972, 500 с.; Сопротивление стеклопластиков. М., «Машиностроение», 1968, 254, Авт.: В. Л. Важанов, И. И. Гольденблат, В. А. Копнов, А. Д. Поспелов, А. И. Синшков; Таряо-польский Ю. М., Розе А. В. Особенности расчета деталей из армированных пластиков. Рига, «Зинатне», 1969, 276 с.

*! Обзор, обобщение и анализ советского и американского опыта в области методов испытаний композитов на плоских и кольцевых образцах содержится в книге: Ю. М. Тарнопольский, Т. Я. Кинцис. «Методы статических испытаний армированных пластиков». Изд. 2-е. М., «Химия», 1975. 264 с. (Прим. ред. пер.).

Основы конструирования изделий из пластмасс. Под ред. Э. Бэра. пер. с англ, под ред. В. А. Белого. М., «Машиностроение», 1969, 272 с. X. Т. Кортен. Разрушение армированных пластиков. Пер. с англ, под ред. Ю. М. Тернопольского. М., «Химия», 1967. 162с. Конструкционные свойства пластмасс (физико-химические основы применения). Под ред. Э. Бэра. Пер. с англ, под ред. Г. В. Виноградова. М., «Химия», 1967, 464 с.