Большинства композитов

Начальное состояние воды, находящейся под давлением р и имеющей температуру О °С, изобразится на диаграмме точкой ао. При подводе теплоты к воде ее температура постепенно повышается до тех пор, пока не достигнет температуры кипения ts, соответствующей данному давлению. При этом удельный объем жидкости сначала уменьшается, достигает минимального значения при t= = 4 °С, а затем начинает возрастать. (Такой аномалией — увеличением плотности при нагревании в некотором диапазоне температур — обладают немногие жидкости. У большинства жидкостей удельный объем при нагревании увеличивается монотонно.) Состояние жидкости, доведенной до температуры кипения, изображается на диаграмме точкой а'.

Жидкости содержат растворенные газы, количество которых в равновесных условиях зависит от свойств жидкости и газа, а также от давления и температуры. Зависимость равновесной концентрации z растворенного газа в жидкости от давления для слаборастворимых газов выражается законом Генри z = A (f)p, где р — парциальное давление газа над раствором; А (?) -коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств жидкости и газа, а также от температуры. Для большинства жидкостей A (f) уменьшается с увеличением температуры. Очень часто растворимость газа в жидкости характеризуют с помощью коэффициента абсорбции Бунзена а, который равен объему газа, приведенному к О °С и 760 мм рт. ст., поглощенному единицей объема жидкости при парциальном давлении газа, равном 760 мм рт. ст. В табл. 2.2 в качестве примера приведены данные о коэффициенте абсорбции для кислорода.

а следовательно, и энергия поверхностного слоя становится меньше. Подтверждением этому служит отрицательный знак производной dcr/dT (для подавляющего большинства жидкостей da/dr<0). Таким образом, с ростом давления облегчаются условия зарождения и роста паровых пузырей: уменьшается критический радиус зародышей паровой фазы и соответственно растет число действующих центров парообразования.

Механизм распространения теплоты в капельных жидкостях можно представить как перенос энергии путем нестройных упругих колебаний. Такое теоретическое-представление о механизме передачи теплоты в жидкостях, выдвинутое А. С. Предводителевым [Л. 155], было использовано Н. Б. Варгафтиком [Л. 20] для описания опытных данных по теплопроводности различных жидкостей. Для большинства жидкостей теория нашла хорошее подтверждение. На основании этой теории была получена формула для коэффициента теплопроводности следующего вида:

Так как плотность р жидкости с повышением температуры убывает, то из уравнения (1-21) следует, что для жидкостей с постоянной молекулярной массой (неассоциированные и слабо ассоциированные жидкости) 'с повышением температуры коэффициент теплопроводности должен уменьшаться. Для жидкостей сильно ассоциированных (вода, спирты и т. д.) в формулу (1-21) нужно ввести коэффициент ассоциации, учитывающий изменение молекулярной массы. Коэффициент ассоциации также зависит от температуры, и поэтому при различных температурах он может влиять на коэффициент теплопроводности по-разному. Опыты подтверждают, что для большинства жидкостей с повышением температуры коэффициент теплопроводности Я убывает, исключение составляют вода и глицерин (рис. 1-7). Коэффициент теплопроводности капельных жидкостей лежит примерно в пределах от 0,07 до 0,7Вт/(м-К). ...

Числа Рг капельных жидкостей сильно зависят от температуры, причем для большинства жидкостей эта зависимость в основном аналогична зависимости вязкости ii(t), так как теплоемкость Ср и коэффициент теплопроводности Я зависят от температуры более слабо. Как правило, при увеличении температуры число Рг резко уменьшается (рис. 5-2). Зависимость числа Рг воды от температуры на линии насыщения приведена на рис. 5-3. Значения числа Рг для воды ари температурах от 0 до 180°С сильно уменьшаются с ростом температуры (от 13,7 до 1), что-связано с резким уменьшением вязкости воды и ростом Я в этой области температур. Теплоемкость при этом очень мало зависит от температуры.

б. Коэффициент теплопроводности капельных жидкостей лежит в пределах 0,08—0,7 Вт/(м-°С). С повышением температуры для большинства жидкостей Я, убывает (рис. 1-4), исключение со-стаэляют лишь вода и глицерин.

б) Коэффициент теплопроводности капельных жидкостей лежит в пределах 0,08—0,7 Вт/(м-°С). С повышением температуры для большинства жидкостей он убывает (рис. 1-4), исключение составляют лишь вода и глицерин.

Известный своими трудами в области молекулярной физики, гидродинамики, физики горения советский физик А. С. Предводителев разработал представление о механизме передачи теплоты в капельных жидкостях как о переносе энергии путем нестройных упругих колебаний. Его гипотеза была использована Н. Б. Варгафтиком для описания опытных данных и нашла хорошее подтверждение для большинства жидкостей.

туды колебаний в сечениях с координатами х0 и х соответственно (волна предполагается плоской). Коэфф. затухания б, обычно выражаемый в неперах на сантиметр (нп/ст), сильно зависит от св-в материала и частоты упругих колебаний. Для большинства жидкостей коэфф. б пропорционален квадрату частоты, для твердых тел б растет с увеличением частоты по более сложному закону. Из применяемых в машиностроении материалов наименьшими потерями характеризуются гомогенные металлы и сплавы с мелкозернистой структурой (прессован. полуфабрикаты из легких сплавов, сильно деформированные стали и т. п.). Большие значения б имеют слабо деформирован. поковки, изделия из сложных гетерогенных сплавов, слитки из легких и жаропрочных сплавов, чугун и др. многофазные материалы и материалы с крупнозернистой структурой. Наибольшими потерями характеризуются неметаллич. материалы — резина, пластмассы, слоистые пластики и т. п. С увеличением б падает дальность распространения упругих волн. Поэтому при контроле материалов с большими потерями используют более низкие частоты. Если длина упругой. волны соизмерима с размерами зерен металла, то на границах этих зерен происходит заметное отражение энергии. В результате возникают затрудняющие контроль .помехи, для устранения к-рых обычно также приходится уменьшать частоту колебаний. Принципиально чувствительность методов У. д. ограничена дифракцией упругих волн. Неоднородности материала протяженностью менее половины длины волны обычно не выявляются. С понижением частоты миним. размер выявляемого дефекта увеличивается.

При повышении давления модуль упругости рабочей жидко-" сти изменяется. Для большинства жидкостей изменение давления от 0 до 1 • 10 Н/м2 уменьшает коэффициент р на половину; при дальнейшем увеличении давления понижение р происходит медленнее, .наконец, с увеличением давления сверх 3-Ю9 Н/м2 не приводит к заметному уменьшению объема. Выражение для зависимости коэффициента сжимаемости р от давления Р имеет вид

Сопротивление межслойному сдвигу у большинства композитов намного меньше их прочности на растяжение. Поэтому образцы типа показанного на рис. 2, а или с зоной крепления, как на рис. 3, а, обычно разрушаются при низких нагрузках от меж-слойного сдвига*(рис- 4, а т б).

в каждый тип стеклянной матрицы были введены дисперсные частицы ZrSi04 и А1203. Изменялся также средний размер частиц. Различные композиты были изготовлены горячим прессованием смеси стекла и порошка дисперсной фазы при температурах между 600 и 700 °С. Для большинства композитов были определены прочность, модуль упругости и плотность. Для наблюдения за трещинами образцы были отполированы. Контролировался также путь трещины в композитах.

Каждая из этих особенностей в отдельности представляет собой фактор, который не обнаруживается в конструкционных металлах в той степени, в которой он имеется в большинстве волокнистых композитов. В сочетании друг с другом эти особенности обусловливают беспрецедентную сложность усталостного поведения композита, но они также обеспечивают и беспримерные возможности конструирования материалов с более высоким сопротивлением усталости. Наличие вязкой матрицы приводит к еще большему различию усталостного поведения композитов с металлической матрицей и большинства композитов с полимерной матрицей.

Устойчивость нестационарного (зависящего от времени) поведения материала может быть рассмотрена так же, если заменить деформации и перемещения соответствующими скоростями [6, 7, 9, 10, 11]. Все практически важные материалы проявляют некоторую зависимость от времени в неупругой области. Однако для большинства композитов в типичных случаях их применения при низких и умеренных температурах удобной является гипотеза о стационарности (независимости от времени). Исключением являются композиционные материалы с металлической матрицей, предназначенные для работы при высоких температурах. В этом случае свойства ползучести принимаются во внимание в первую очередь.

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.

с трещинами — на рис. 3.18. Тогда как для металлов не существует постоянного соотношения между вязкостью разрушения и прочностью [30J, для большинства композитов отношение Kc/Ftu приблизительно постоянно и равно 0,08 M'/J [31]. Используя это значение в соотношениях (3.38), получаем с0 = 2 мм. Таким же образом из соотношений (3.38) определяются и другие критические размеры.

') Детальные исследования все-таки не подтверждают наличия разно-модульности у большинства композитов. — Прим. ред.

У большинства композитов, как можно видеть из рис. 3.14, зависимости напряжение — деформация не являются линейными. На вид зависимости могут оказывать влияние напряжения (или деформации). Если принимать во внимание нагрузку, то композит можно рассматривать как нелинейное

По характеру свойств УУКМ относится к композитам с керамической матрицей, но отличается способом получения. Армирующая часть углерод-углеродного композита находится в частично кристаллической форме графита, матричная часть обычно аморфна. В отличие от большинства композитов с керамической матрицей при высоких температурах этот материал подвержен окислению. Чтобы предохранить его от окисления, на поверхность обычно наносят тонкий слой керамики.

Низкая теплопроводность большинства композитов позволяет эксплуатировать их без дополнительной теплозащиты в условиях интенсивного кратковременного поверхностного нагрева. Высокая теплостойкость углеродной кар-бонизованной и керамических матриц в сочетании с высокой прочностью, жесткостью и теплостойкостью углеродных волокон обеспечивает получение материалов, сохраняющих высокий уровень механических характеристик при температурах, превышающих температуры плавления

Диаграммы напряжение — деформация показывают, что композиционные материалы больше соответствуют по упругим свойствам чугуну и другим «мягким» материалам, чем стали или другим «жестким» материалам. Для большинства композитов существует два линейных участка на диаграмме напряжение — деформация, соответствующих двум модулям упругости. В основном композиты являются материалами, обладающими малыми деформациями разрушения (порядка 1ч-2 %). При конструировании соединений композиционных материалов необходимо знать прочность этих материалов при смятии и сдвиге, прочность при растяжении и сжатии, напряжения сдвига, возникающие при изгибе в соединениях. Необходимо также знание термических напряжений, пределов усталости и воздействия окружающей среды.