Армированных углеродными

В настоящее время проводят интенсивные исследования и опробование в опытных конструкциях многих металлов и сплавов, армированных волокнами.

Для промышленного применения металлов, армированных волокнами, необходимо преодолеть значительные трудности, связанные с разработкой технологии их получения, а также соответствующих методов конструирования л расчета деталей. Однако с учетом высокого уровня прочности (особенно удельной) и возможности достижения требуемого комплекса свойств путем выбора материалов матрицы и волокон, изменения объемной доли волокон, их ориентировки и т. д. широкое применение таких материалов в ближайшем будущем не вызывает сомнений.

Дальнейшие примеры прямоугольных решеток читатель найдет в работе [47]. Решетки с криволинейными краями обсуждались в работах [45, 48, 49]. Работы [50], хотя и посвящены оптимальному проектированию пластинок постоянной толщины, армированных волокнами, но имеют также отношение к оптимальному проектированию решеток. Интересный метод проектирования решеток, предложенный Гейманом [51], не обязательно приводит к решеткам минимального веса.

Расчетные значения упругих характеристик однонаправленных композиционных материалов, армированных волокнами эллиптического и квадратного сечений, при различной ориентации геометрических осей симметрии сечений волокон и изменении их относительного сближения отличаются на 50—200 % в зависимости от формы сечения [98, 121]. Замена квадратного сечения волокна круглым при неизменности остальных параметров почти не влияет на значения упругих констант.

нию значений всех упругих характеристик трехмерноармярованных материалов. Это следует из табл. 5.4, в которой приведены расчетные значения упругих констант материалов, армированных волокнами различной жесткости, при [ij = Щ = Цз — 0,20. Модули сдвига и модуль упругости ?3 оказываются более чувствительными к варьируемым параметрам, чем коэффициенты Пуассона и модули упругости в направлениях, вдоль которых происходит изменение плотности укладки волокон. При увеличении

86. Хашин 3., Розен Б. В. Упругие модули материалов, армированных волокнами. — Труды американского общества инженеров-механиков. Серия Е, Прикладная механика/Пер, с англ. 1969, № 2, с. 223—232.

Одним из основных параметров, влияющих на прочность композиционных материалов, армированных волокнами, является прочность связи между волокнами и матрицей. Особенно важно обеспечить надежную связь в композициях, упрочненных дискретными волокнами, поскольку от нее зависит эффективность передачи напряжения от матрицы к армирующим элементам.

лов. Кратко изложены некоторые вопросы теории упругости анизотропного тела. .Один из разделов посвящен анализу обобщенного закона Гука, свойствам симметрии и ограничениям, накладываемым на упругие постоянные. Приведены некоторые простые примеры, иллюстрирующие различия в поведении изотропных и анизотропных тел. Отмечается, что трудности, возникающие при описании композиционных материалов, армированных волокнами, связаны с анизотропными свойствами этих материалов. Представлен подробный вывод основного уравнения задачи Сен-Венана о кручении анизотропного тела, имеющего плоскость упругой симметрии. Это уравнение используется далее при различных методах решения. Рассмотрены примеры, характерные для композиционных материалов. Выведено основное уравнение плоской задачи для анизотропного тела, обладающего плоскостью упругой симметрии. Особое внимание уделено анализу предположений, на которых основывается описание различных форм плоской деформации. Обсуждены результаты большого количества исследований, посвященных вопросам концентрации напряжений.

Следует также обобщить и расширить сведения о свойствах слоистых систем, армированных волокнами из различных материалов,— так называемых гибридных композиционных материалов. По мере того как материаловеды разрабатывают новые материалы с улучшенными свойствами, которые могут или уже применяются в комбинации с существующими (например, высокопрочные стальные и углеродные волокна, комбинации стекловолокон и углеродных волокон и т. д.),- постоянно возникают новые проблемы микро- и макромеханики, которые должны эффективно решаться для того, чтобы эти материалы нашли применение и заняли свое место в ряду композиционных материалов.

Другой основной подход к построению теории пластин из слоистых композиционных материалов, армированных волокнами, основан на представлении пластины как системы чередующихся относительно жестких (со свойствами, определяемыми волокнами) и податливых (со свойствами, аналогичными свойствам связующего) слоев. Такой подход был развит в работах Болотина [35], Сана и др. [157], Сана [155 h Ахенбаха и Зербе [4],Райана [125], а также Сана и Ченга [156 ]). В какой-то степени он напоминает подход, используемый при описании многослойных пластин с легким заполнителем. Существенным отличием обсуждаемых здесь теорий является то, что они в конечном итоге предусматривают замену системы слоев некоторой условной макрооднородной средой, обладающей микроструктурными свойствами исходной системы. "

Далли и др. [52] использовали методы фотоупругости для наблюдения за двумерными волнами в ортотрошшх пластинах, армированных волокнами. Исследование такого рода оказалось возможным благодаря созданию ортотропного материала с двойным лучепреломлением, обладающего достаточной прозрачностью для применения метода фотоупругости (см. работу 11401). Авторы изучили кратковременное воздействие нагрузки, приложенной к краю полубесконечной пластины, а также неограниченную пластину с отверстием, по краю которого создавалась импульсная нагрузка, вызываемая взрывчатым веществом — азидом свинца (рис. 19). Анизотропный характер волны напряжения (отношение модулей EjE'f я« 3,0) показан на рис. 19. Нерегулярная кайма, которую можно видеть на рисунке, характеризует анизотропию сдвиговой волны. Измерение волновой поверхности позволило авторам построить поверхность скоростей для квази-продольной волны в материале. Найденное значение скорости отличается от теоретического, соответствующего теории эффективных модулей, примерно на 10%.

Если краевой угол на поверхности раздела волокно—матрица 0 < 90°, то расплавленная матрица смачивает волокно. При этом, как правило, происходит незначительное растворение волокна без образования каких-либо соединений. В таких композиционных материалах возникает связь путем растворения и смачивания. Предполагается, что такая связь образуется в композициях на алюминиевой и никелевой основах, армированных углеродными волокнами. Расплавленный алюминий не смачивает углеродные волокна до тех пор, пока поверхность их не будет обработана специальным составом.

Процесс химической металлизации широко используется в практике изготовления металлических композиционных материалов, армированных углеродными волокнами или нитевидными кристаллами, в качестве промежуточной операции, обеспечивающей лучшую пропитываемость волокон жидким расплавом и регулярное распределение упрочнителя в матрице.

Аналогичные результаты получены при испытании в отсутствие смазки большой группы полимерных материалов, армированных углеродными волокнами [48]. На рис. 73 нанесена линия осредняющая эти данные (коэффициент корреляции 0,85). По оси абсцисс отложены значения коэффициента сэ, полученные в эксплуатационных испытаниях, по оси ординат — значения коэффициента с, относящиеся к лабораторным испытаниям. В эксплуатации испытывались втулки из этих материалов, работавшие с чугунными валами при нагрузке 0,9 кгс и скорости скольжения 0,65 м/с в течение 1000 ч. После эксплуатационных испытаний втулки испытывались трением наружной поверхности по вращающемуся кольцу из малоуглеродистой стали (ось втулки и ось кольца установлены перпендикулярно друг к другу). Условия испытания были следующие: нагрузка около 1 кгс, скорость скольжения 0,53 м/с, длительность 30 ч.

Сопоставление расчетных и экспериментальных значений поглощенной работы для эпоксидных композитов, армированных углеродными волокнами в одном направлении

ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ И МАТЕРИАЛАХ, АРМИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ

1.3. Особенности композиционных материалов, армированных углеродными волокнами

пластиков. Материалы на основе металлов, армированных углеродными волокнами, пока еще находятся в стадии разработки. Но вслед за разработкой новых углеродных волокон и новых углепластиков значительное развитие получат и армированные углеродными волокнами металлы. Тем не менее композиционные материалы на основе углеродных волокон все еще являются сравнительно новыми материалами. При их применении на практике необходимо проявлять гибкость. При этом необходимо также иметь в виду, что углеродные волокна постоянно совершенствуются.

ПОЛУЧЕНИЕ И ПЕРЕРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ АРМИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ

Изоду) [2] . Из данных, приведенных на рис. 3.1, следует, что для пласти ка на основе найлона 66 существует сбалансированность всех трех механи ческих характеристик при испытании во влажной среде. Максимальны! модуль упругости имеет материал на основе полифениленсульфида, не его ударная вязкость низка. Наибольшей ударной вязкостью обладает на полненный углеродными волокнами ударопрочный найлон, но у неге очень низкий модуль упругости. Так как механические свойства наполнен ных волокнами термопластов сильно различаются, необходимо классифицировать их также в соответствии с областями применения. Для иллюстрации на рис. 3. 2 приведены температурные зависимости модуля упругости и прочности при изгибе термопластов, армированных углеродными волокнами [3], а на рис. 3. З1^ - триботехнические характеристики армированных термопластов [3] . Из этого рисунка следует, что термопласты, армированные углеродными волокнами, обладают лучшими триботехничес-кими свойствами по сравнению с неармированными или содержащими стекловолокна термопластами. Характерно, что армированные пластики

Рис. 3. 2. Температурная зависимость модуля упругости и прочности при изгибе термопластов, армированных углеродными волокнами (содержание волокон 30 масс.%) [3].

Таблица 3.11. Физико-механические характеристики термопластов, армированных углеродными (на основе ПАН) и стеклянными волокнами (изготовитель — фирма "Торэ") [л]а