Компонентов композита

Простота применения и точность метода Фурье была отмечена и другими авторами, изучавшими распространения волн в монолитных полимерных материалах. Например, Кнаусс [60] проанализировал нестационарные колебания аморфных полимеров в вязкоупругой переходной зоне из стеклообразного в кау-чукоподобное состояние. Мао и Радер [65] использовали этот метод для исследования распространения импульсов напряжений в стержнях из полиметилметакрилата, обладающего малым тангенсом угла потерь. Однако пока в литературе не встречаются результаты исследования методом Фурье влияния микроструктуры на стационарные волновые процессы в композитах. Для изучения этого вопроса можно было бы прямо применить описанные в предшествующем пункте приближенные методы; по-видимому, в них можно было бы учесть различные представления вязкоупругих характеристик компонентов композиционных материалов. Хотя при использовании численного решения график функции изменения импульса напряжений от времени может иметь большую кривизну, вязкоупругое затухание обычно устраняет этот недостаток, за исключением окрестности точки приложения нагрузки. Применение так называемого метода быстрого преобразования Фурье [79] так же могло бы существенно упростить исследование.

Тесная связь процессов изготовления и проектирования, а также связь их с качеством готовых изделий зависят в значительной мере от методов приемки. Приемка начинается с поставки исходных компонентов композиционных материалов. Их соответствие техническим условиям определяется путем отбора проб, освидетельствования и испытаний, проводимых поставщиком, потребителем или выполняемых совместно. Главная проблема при этом — изменчивость свойств продукции. Показатели свойств как волокна, так и связующего характеризуются значительными вариациями.

Волокна бора и карбида кремния применяют в качестве армирующих компонентов композиционных материалов с алюминиевой, магниевой и титановой матрицами. В случае нагрева выше 500° С волокон бора с алюминиевой матрицей (при изготовлении композиции) имеет место химическое взаимодействие с образованием фазы А1В2. Активное взаимодействие приводит к снижению свойств волокна и к падению прочности композиционного материала в целом. Это вызывает необходимость нанесения на борные волокна тонкого слоя покрытия (3—5 мкм). Такими покрытиями, защищающими волокна от взаимодействия с матрицей, являются карбиды кремния и бора, нитриды титана, бора и кремния и др.

Для обозначения нуль-мерных, одномерных и двухмерных компонентов композиционных материалов могут быть приняты соответствующие индексы 0.,., 1 и 2.

К полуфабрикатным древесным материалам относят продукты механической переработки натуральной древесины и ее отходов, используемые в качестве компонентов композиционных материалов и клееных изделий и частично в качестве непосредственно конструкционных или технологических материалов.

Вместе с тем адгезия или схватывание при контактировании материалов может быть полезной, являясь основой технологических процессов их соединения в твердом состоянии (получение биметаллов, различные процессы твердофазной сварки) и обеспечивая прочное соединение компонентов композиционных материалов.

пропитками (для работы на воздухе прИ повышенных температурах) и т. п, g качестве фрикционных (антифрикционных) начинают находить применение материалы из углеродных волокон и тканей в углеродной матрице («термары»). Эти материалы обладают высокими теплостойкостью и прочностными характеристиками. Углерод (графит, кокс, углеродные и гра-фитированные волокна и ткани) широко применяются в качестве компонентов композиционных материалов на основе полимеров и металлов. Значительное количество мелкодисперсного графита (природного и синтетического) используется в качестве добавок к жидким и пластичным смазкам, применяемым в машиностроении и при обработке металлов давлением (главным образом высокотемпературной).

Под ударными воздействиями подразумевается появление повреждений на поверхности композиционного материала под ударами посторонних объектов, вызывающее развитие локальных дефектов или значительное его расслоение. Это определение распространяется на баллистические разрушения, повреждения от воздействия песка, пыли и камней, а также от неправильного физического обращения с конструкциями. Ударная прочность композиционных материалов зависит от выбора армирующих элементов и матриц. Свойства матрицы можно варьировать введением пластификаторов, которые увеличивают ее деформацию до разрушения. Этот показатель зависит также от температуры. Матрицы из термопластов с увеличением температуры становятся все более мягкими вплоть до начала текучести. Реактопласты при нагревании тоже становятся менее хрупкими, причем при переходе через температуру стеклования их свойства резко меняются. Хрупкие армирующие материалы, такие как борное и углеродное волокна, имеют очень низкую предельную деформацию (<1 %). Их замена на менее хрупкое волокно, например стеклянное или высокопрочное органическое волокно, может привести к значительному увеличению ударной прочности материалов. Зависимость этого показателя от различных сочетаний компонентов композиционных материалов исследована многими авторами [8, 9 ]. Необходимо отметить, что при варьировании ударной прочности композитов добавлением наполнителей или более пластичных волокон особое внимание должно быть уделено изменению прочности и жесткости готового изделия. Как правило, с ростом ударной прочности жесткость снижается.

Конструирование компонентов композиционных материалов

пропитками (для работы на воздухе при повышенных температурах) и т. п, В качестве фрикционных (антифрикционных) начинают находить применение материалы из углеродных волокон и тканей в углеродной матрице («термары»). Эти материалы обладают высокими теплостойкостью и прочностными характеристиками. Углерод (графит, коке, углеродные и гра-фитированпые волокна и ткани) широко применяются в качестве компонентов композиционных материалов на основе полимеров и металлов. Значительное количество мелкодисперсного графита (природного и синтетического) используется в качестве добавок к жидким и пластичным смазкам, применяемым в машиностроении и при обработке металлов давлением (главным образом высокотемпературной) .

В основу выбора компонентов композиционных материалов конструкционного назначения в первую очередь положена возможность получения высоких значений отношения модуля упругости и прочности к плотности. Кроме того, весьма важны долговечность материалов в эксплуатационных условиях и их технологичность.

4.2. ДИАГРАММА СТРУКТУРНЫХ СОСТОЯНИИ КОМПОНЕНТОВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

4. Одновременная оптимизация материала и конструкции. Принципы конструкционного синтеза могут быть использованы для одновременной оптимизации материала и конструкции. Этот вопрос рассмотрен в работах Чамиса [8, 16]. Результаты решения задачи теплозащиты этим методом представлены на рис. 35 и 36. При ее решении устанавливается сочетание компонентов композита, толщины пластины и угла ориентации, обеспечивающее минимальную массу пластины. Оптимальное сочетание компонентов определяют по данным, приведенным на рис. 36.

Важным преимуществом композиционного материала является его высокая прочность на единицу массы. При этом по своим прочностным и тепловым качествам многие композиционные материалы превосходят любой из своих компонентов или резко отличаются от него. Необходимо иметь в виду, однако, что наряду со многими технически важными преимуществами композиционные материалы обладают и существенным недостатком, который связан с тем, что физико-механические и химические свойства компонентов композита зачастую оказываются совершенно несогласованными, а это иногда приводит к специфическим видам разрушения (расслоение, местные разрывы, нарушение адгезии и т. п.). При создании математической теории эти особенности порождают большие трудности, которые остаются еще в значительной мере непреодоленными.

Кроме описанных выше двух основных разновидностей анализа при помощи простых моделей, подробно обсуждаемых в последующих разделах, имеются другие подходы к проблеме предсказания механических свойств композита по свойствам его компонентов. Это в основном полуэмпирические методы. Для обработки известных экспериментальных результатов с целью получения эмпирических зависимостей применялись различные функциональные зависимости с неопределенными параметрами, в частности степенные законы. Подобные формулы обычно выражают связь между напряжениями и деформациями через физические параметры, такие, как объемная доля включений и характеристики компонентов композита. Сами напряжения и деформации могут быть локальными, но чаще они берутся средними по объему композита. В обоих случаях такой анализ не является истинно микромеханическим, потому что он не дает локальных градиентов напряжений и деформаций внутри композита. Преимущество такого подхода состоит прежде всего в том, что он позволяет получить простые инженерные оценки зависимости напряжений от деформаций в композите— информацию, являющуюся исходной для большинства макромеханических исследований или анализа структур как слоистых.

Точные методы определяются здесь как такие, в которых удовлетворяются уравнения механики и одновременно точно моделируются известные физические ограничен..,. Эти физические ограничения обусловлены механическими свойствами компонентов композита и их взаимным расположением в пространстве.

Эти исследования можно было бы использовать также для определения таких комбинаций компонентов композита, при которых получались бы заранее заданные его характеристики. В качестве таких характеристик можно было бы выбрать, например, максимальную прочность, большие деформации при разрыве или хорошие деформационные характеристики при двухосном поперечном нагружении. Сравнительно не исследованной областью является про-блема выбора оптимальных кривых одноосного растяжения материалов волокна и матрицы для получения композита с заранее заданными свойствами. Этот тип информации был бы очень полезен тем из исследователей, которые занимаются созданием новых видов матрицы и включений.

На основе теорий, рассматривающих механическое поведение композита в целом, можно получить близкое к действительности описание связи напряжений с деформациями в композиционном материале в том случае, когда отношение наибольшего характерного размера структуры к наименьшему характерному размеру неоднородности деформации достаточно мало по сравнению с единицей. Самые элементарные сведения о механическом поведении композита в целом находятся путем осреднения перемещений, напряжений и деформаций по представительному объему. Простейшая теория для таких осредненных параметров связывает средние напряжения со средними деформациями при помощи так называемых эффективных упругих постоянных. В этой теории, которая называется «теорией эффективных модулей», механические свойства композита отождествляются со свойствами некоторой однородной, но, вообще говоря, анизотропной среды, «эффективные модули» которой определяются через упругие модули компонентов композита и параметры, характеризующие его структуру.

В уравнении (1) мы использовали обычные индексные обозначения, соответствующие системе декартовых координат Х{, i = 1, 2, 3 (см. также приложение Б). В частности, повторяющиеся индексы означают суммирование по i, j, k, . . . от единицы до двух или до трех. Упругие константы C*jkl называются эффективными упругими модулями и выражаются через упругие постоянные компонентов композита, а также через геометрические параметры, определяющие взаимное расположение компонентов. Эти модули обладают следующими свойствами симметрии:

Очевидное преимущество использования моделирующей непрерывной однородной среды состоит в том, что оно сразу дает определяющие уравнения вместе с граничными и начальными условиями. Как только такая модель построена, ее можно применять к изготовленным из композита телам конечных размеров и произвольной формы. В то же время в, подходах, использующих уравнения теории упругости для отдельных компонентов композита в сочетании с прямыми методами вариационного исчисления или асимптотическими разложениями, требуется разумный выбор множества базисных функций для каждого конкретного тела.

Имея разложения (38) — (39), вычисляем энергию деформации и кинетическую энергию для каждой отдельной ячейки. Последующее осреднение по ячейке дает среднюю энергию, полностью определяемую своим значением в центре волокна. После этого осуществляется завершающий этап перехода от системы дискретных ячеек к однородной континуальной модели, который состоит во введении полей кинематических и динамических переменных, непрерывных по всем координатам. Значения этих переменных на средних линиях волокон совпадают со значениями соответствующих параметров, вычисленными для системы дискретных ячеек. Следовательно, кинетическую энергию и энергию деформации, подсчитываемые так, как это описано выше, можно интерпретировать как плотности энергий для вновь введенной непрерывной и однородной среды. Плотность энергии деформации содержит не только члены, зависящие от эффективных модулей, но и члены, зависящие от некоторых констант, включающих характеристики как физических, так и геометрических свойств компонентов композита (т. е. от «эффективных жесткостей»). Этим и объясняется название теории — «теория эффективных жесткостей». Определяющие уравнения этой теории были получены при помощи принципа Гамильтона в совокупности с условиями непрерывности и с использованием множителей Лагранжа. Аналогичная теория для композитов, армированных упорядоченной системой прямоугольных волокон, была разработана Бартоломью и Торвиком [11].

Потенциальные возможности волокнистого композита в наибольшей степени проявляются при его нагружении в направлении волокон. В этом случае очень важен механизм передачи нагрузки от волокон к матрице и обратно. Существуют четыре возможных вида разрушения: (1) разрыв волокна, (2) сдвиговое разрушение на границе раздела, (3) разрыв по границе раздела от растяжения и (4) разрыв матрицы. Полный микромеханический анализ напряжений должен предсказывать вид разрушения в данном композите и определять оптимальные свойства компонентов композита.

Стабильность поверхности раздела достигается наиболее легко в системах первого класса с ограниченным взаимным смачиванием компонентов композита. Однако в системах второго и третьего классов диффузия, продолжающаяся после затвердева-иия вблизи поверхности раздела, приводит к росту зоны взаимодействия.

Рекомендуем ознакомиться:

Концентрация растворенного

Ковалентных кристаллов

Кратчайшем расстоянии

Кратковременных испытаний

Кратковременных перегрузках

Кратковременная прочность

Кратковременной прочности

Кратковременном испытании

Кратковременном воздействии

Кратность циркуляции

Кратность резервирования

Концентрация соединений

Кратности временного

Меню:

Главная страница Термины