Армирующими волокнами

Ради удобства одну из фаз будем называть матрицей, а другие— включениями или армирующими элементами. Последний термин будет относиться к любой фазе, заключенной в матрице, независимо от того, используется ли включение для усиления материала. Таким образом, этот термин охватывает и пустоты.

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.

Рассмотрим теперь слоистый композит ширины w, составленный из N чередующихся параллельных листов армирующих элементов толщины tr и из (TV — 1) слоев растяжимой матрицы толщины tm. Следуя Скопу и Аргону [32], мы идеализируем слоистый композит в виде композита, состоящего просто из N параллельных армирующих элементов без матрицы между ними, но при этом, конечно, нужно помнить об осуществляемой матрицей межслоевой передаче усилий между армирующими элементами. В этой модели вычисленная любым методом прочность слоистого композита на 100% определяется армированием, и действительная прочность композита может быть найдена умножением на объемную долю армирующей фазы.

Перераспределение нагрузки через матрицу приводит к тому, что уменьшение жесткости материала происходит только в крайне ограниченной области, непосредственно примыкающей к месту разрушения волокна. Местная пластичность и текучесть, повышенная деформативность матрицы или поверхности раздела между волокном и матрицей локализуют места разрушения и перераспределяют нагрузку между армирующими элементами. Именно эти качества играют главную роль в обеспечении надежности композиционного материала, подобно пластичности кобальта в цементированном карбиде или трению, обеспечивающему перенос нагрузки в обычном канате, сплетенном так, что растягивающая нагрузка вызывает сжатие между волокнами.

и т. п. Армированные пенопласты и формованные детали из них изготовляют либо путем предварительной механической обработки готовых пенопластов (в виде листов, блоков и т. п.) — разрезка, строжка, фрезерование и т. п. и последующей их склейки с армирующими элементами, либо непосредственно в процессе получения пенопласта (по 2 и 3-му из указанных выше способов). В этом случае внутрь замкнутой полости, в которой осуществляется вспенивание исходной полимерной композиции, вводится соответствующий силовой каркас, поверхность которого предварительно подготовляют (обезжиривают, промазывают клеевыми составами и т. п.). Такими же методами изготовляются элементы слоистых конструкций с пенозаполнителями.

Наиболее распространены фенольные слоистые пластики, армированные текстильной тканью, и слоистые пластики с бумажными армирующими элементами. Как правило, эти материалы производят по стандартной технологии и их свойства почти стабильны. Слоистый пластик с бумажной основой имеет лучшие механические свойства, чем с тканевой «арматурой»; его стойкость к ползучести выше (рис. 40). Как правило, предел прочности фенольных слоистых пластиков при изгибе выше предела прочности при растя-

Сравнительно мало действие надреза у пластмасс с армирующими элементами, особенно у слоистых стеклопластиков [9, 11,

Типичным примером зависимости ударной вязкости пластмассы от прочности являются армированные термореактивные смолы. Полиэфирные, эпоксидные, фенолформальдегидные и прочие термореактивные смолы — хрупкие аморфные полимеры. Благодаря присутствию армирующих наполнителей материал при нагрузке ударом обладает способностью гасить кинетическую энергию и несколько деформироваться за счет снижения силы сцепления между смолой и армирующими элементами.

Несущая способность винтов в полиэфирном слоистом пластинке с текстильными армирующими элементами из ИПЛАСТ-35

Основные области применения (с армирующими элементами): кожухи и корпусы электроаппаратов, контейнеры, элементы (детали) управления, вентиляторные лопатки, фланцы.

Стекловолокно. Стекловолокнистые материалы, составляющие основную массу конструкционного стеклопластика (до 70%), являются упрочняющими (армирующими) элементами в материале и воспринимают при работе основные нагрузки. Они обладают высокой прочностью на растяжение, негорючестью и рядом других ценных качеств.

В результате получила износостойкие, высокопрочные, устойчивые к агрессивным средам при нормальных и повышенных температурах композиционные материалы. Перечисленные свойства обеспечиваются тем, Что связующий элемент (например, титан) диффундирует между битками армирующей проволоки, осаждаясь в пространстве между ватками И на поверхности, образуя беспористый диффузионный слой с высокой адгезионной связью с матрицей и армирующими волокнами-

34. Кинетика разрушения модельных композиций с модифицированными армирующими волокнами/В. Р. Регель,

Примером б'езмоментных оболочек являются сосуды, изготовленные методом намотки. Расчет таких конструкций основан на нитяной модели материала, согласно которой внутреннее давление и силы, приложенные по краям оболочки, воспринимаются армирующими волокнами и вызывают в них только растягивающие напряжения. Такие конструкции и методы их расчета рассмотрены в работах Рида [67], Росато и Грове [&8], Шульца [75]. Современные методы расчета сосудов давления и корпусов двигателей изготовленных методом намотки [24, 42], учитывают изгиб оболочки, вызванный соответствующим характером нагру-жения, а также несимметрией распределения геометрических параметров или упругих свойств материала по толщине. Изгиб-ные напряжения, предсказываемые в этом случае теорией малых деформаций, могут оказаться значительными. Однако рассматриваемые оболочки обычно деформируются таким образом, что в процессе нагружещш остаются безмоментными. На безмоментной теории, предусматривающей большие деформации системы, основан метод определения равновесных форм армированных оболочек. Обзор исследований, посвященных оптимизации безмомент-ных оболочек из композиционных материалов, приведен в работе By [901*.

тому. Требование технологичности (легкости обработки) композита приводит к тому, что обычно используются матрицы, имеющие малую (по сравнению с армирующими волокнами) жесткость и соответственно малое сопротивление деформации. Несоответствие жесткостных свойств включений и окружающей

В микрофотоупругих экспериментах используются модели с армирующими волокнами материала-натуры, например со стекловолокнами, волокнами бора, сапфировыми усами и т. д. Эти модели точнее имитируют моделируемый композит, поскольку в них сохраняется трехмерное напряженное состояние и воспроизводятся характеристики сцепления между матрицей и волокнами. Были проведены микрофотоупругие опыты, в которых для определения неэффективной длины волокна и исследования вида и путей распространения микроразрушения изучались распределения напряжений и их концентрация вокруг концов волокон, разрывов волокон и нарушений сцепления волокна с матрицей.

') В оригинале shear-lag model — анализ, рассматривающий перераспределение нагрузок между армирующими волокнами композита посредством касательных напряжений, переводится как «сдвиговый анализ», «модель сдвигового анализа». — Прим. перев.

Обобщенный полиномиальный критерий прочности для материала с любым видом симметрии можно вывести на основе метода, подробно изложенного в [3]. Рассмотрим два наиболее часто применяемых подхода для описания поверхности прочности композитов: полиномиальный критерий, записанный в тензорах напряжений, и критерий наибольших деформаций. Ограничимся случаем ортотропии, которая характерна для большинства композитов с непрерывными армирующими волокнами.

цесса роста трещины (уравнение (5.54)), имеющей малый начальный размер по сравнению с размером армирующего волокна или частицы. В соответствии с моделью, развитой в [9, 40], многочисленные дефекты в конечном итоге становятся неустойчивыми в различные моменты времени и затем быстро распространяются до тех пор, пока не затормозятся армирующими волокнами или частицами. Рост каждой трещины приводит к уменьшению жесткости, которая затем отражается на эффективной вязкоупругой зависимости о(е). Этот процесс приводит к уравнению а(е) для напряжения, зависящего от так называемой взвешенной меры Лебега:

Анализируя характер разрушения композиционных материалов, следует отметить, что последний представляет собой ряд последовательных дискретных этапов, каждый из которых отличается от другого перераспределением напряжений между армирующими волокнами.

Волокна определяют уровень прочностных свойств композиционных материалов при условии их совместимости с матрицей. Напряжения, возникающие в композиции при нагружении, воспринимаются в основном армирующими волокнами, которые придают композиции прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

34. Кинетика разрушения модельных композиций с модифицированными армирующими волокнами/В. Р. Регель,