Компонентов материала

Слой — основной элемент в конструкции композита, но, с другой стороны, сам слой состоит из погруженных в матрицу волокон. Следовательно, можно связать конструкционные свойства композита с соответствующими свойствами компонентов* В результате возможно проектировать элементы конструкций из волокнистых композитов, зная конструктивные требования и свойства возможных компонентов композитов.

Глава 4. Физико-химические свойства основных компонентов композитов

композитов обеспечивают получение широкого спектра служебных свойств. Для композитов, предназначенных для длительной высокотемпературной службы, решающими моментами при выборе являются не только достигаемые высокие механические свойства, но, главное, их стабильность в течение длительного времени при высоких температурах и нагрузках, в том числе при циклических режимах. Из этого следует, что при конструировании высокотемпературных композитов и подборе пар упрочняющая фаза—матрица большое значение приобретают не только прочность исходных составляющих композитов, их объемная доля, взаимное расположение и схема армирования, но и термическая стабильность компонентов композитов во взаимном контакте друг с другом, т. е. механическая совместимость (согласованность коэффициентов термического расширения) и физико-химическая совместимость (отсутствие интенсивного взаимодействия компонентов между собой, вызывающего деградацию структуры и свойств как армирующей фазы, так и матрицы). Из высокотемпературных интерметаллидов рассматриваются как перспективные NiAl [14], TiAl [15], фазы на основе системы Ti—Nb-Al [16], а также силициды Nb и Мо [15].

Большой интерес представляет рассмотрение типичных методов испытаний для компонентов, композитов, получаемых из расплавов. Военный стандарт MIL-M-14 (Пластики из расплавов и компоненты пластиков из расплавов, термопласты) распро-

Итак, исходя из выше перечисленного, сформулируем принцип локальности следующим образом: в расположении и взаимодействии компонентов композитов со случайной структурой имеет место ближний порядок.

Краевые задачи механики композитов часто являются стохастическими, так как содержат случайные величины, функции и поля. Вероятностный характер задач обусловлен не только случайной структурой, но и недетерминированностью материальных функций, входящих в определяющие соотношения, компонентов композитов и статистическим разбросом их прочностных свойств в условиях (6.35).

Равенство интегралов плотностей упругой энергии в гетерогенном и осреднением однородном материалах позволяет получить оценки эффективных постоянных, используя теоремы о минимуме потенциальной энергии деформирования. Из предположения об однородности деформаций в композите получается оценка эффективных постоянных сверху — оценка Фойгта [1]. Предположение об однородности напряжений дает оценку снизу — оценку Рейсса. Обычно жесткости компонентов композитов различаются довольно значительно. Широта спектра возможных значений эффективных характеристик, предсказываемого вилкой Фойгта—Рейсса, ставит под сомнение их практическую ценность. Сужение вилки Фойгта — Рейсса возможно при конкретизации геометрии взаимного расположения и формы областей, занимаемых компонентами композита.

Для реализации нового подхода будем исходить из того, что зависимость между прочностью и жесткостью выражается некоторой функцией. Многочисленные исследования прочности и жесткости материалов, используемых в качестве компонентов композитов [80, 161, 164], указывают на принадлежность этой функции к классу степенных функций. Поэтому (4.44) и (4.45) могут быть преобразованы к следующему виду:

Возникла необходимость детального рассмотрения структурных схем каждого класса материалов и выявления в них наиболее характерных составляющих (элементов), определяющих деформативные свойства материалов. Вопрос о выборе и выделении таких элементов требует соответствующего обоснования. Известно, например, что переход к некоторой квазиоднородной анизотропной среде по всему объему материала соответствует частичному сглаживанию неоднородности материала: часть арматуры усредняется со связующим в модифицированную матрицу. Получается одномерный материал с модифицированной матрицей, для которого достаточно просто учитывается кинематическая связь компонентов материала при их совместном деформировании. Такой подход не является универсальным, так как при изменении ориентации волокон одного из направлений запись кинематических ус-

Матрицы жесткости {В^} и податливости {аи} характеризуют упругие свойства материала в целом. Упругие свойства компонентов материала (волокна и матрицы), а также напряжения и деформации в каждом компоненте отличаются от их средних значений по типичному объему (By), (ajj), (o*j), (f,ty соответственно на величины В?(., а{у, а(, е^, зависящие от координат точки. Вследствие этого усреднение напряжений либо деформаций по типичному объему дает

Основная трудность состоит в определении флуктуационных составляющих полей напряжений и деформаций оу и rf по координатам типичного объема материала. В общем случае вторые слагаемые в (3.2) и (3.3) представляются интегральными операторами [83], для отыскания которых необходимо решение задачи теории упругости для многосвязной области или вязко-упругости при учете вязкоупругих свойств полимерного связующего. Эти операторы должны отражать степень взаимного влияния компонентов материала, т. е. влияние их относительного расположения на сложное напряженно- деформированное состояние, возникающее в каждом компоненте материала. Известно, что при растяжении или сдвиге типичного объема композиционного материала в компонентах возникают существенно неодно-

Между эффективными значениями упругих констант композиционного материала, полученных в приближениях Фойгта и Рейсса, существует различие, зависящее от свойств и относительного содержания компонентов материала. Наибольшие значения модулей упругости получаются по методу Фойгта, наименьшие — по методу Рейсса. Уточненный расчет упругих констант материала с учетом флуктуации как напряжений, так и деформаций показывает, что численные значения модулей упругости попадают в диапазон между указанными минимальными и максимальными значениями, получивший название вилки Хилла.

В некоторых случаях при расчете модулей упругости структурно неоднородных материалов мо^кно ограничиться средним арифметическим или геометрическим их усредненных значений по Фойгту и Рейссу. Такой прием приводит к удовлетворительным результатам для однофазных поликристаллов, в которых различия в свойствах компонентов (отдельных кристаллов) обусловлены только их анизотропией [83, 88]. С увеличением различий между упругими характеристиками компонентов материала точность таких усреднений снижается [60].

Некоторое сужение вилки Хилла, определяющей расчетный интервал изменения упругих констант композиционного материала, достигается вариационными методами. При этом изменение ширины вилки, как показано Хиллом, зависит от упругих свойств компонентов материала. Если относительная разность модулей упругости велика, что характерно для материалов на основе полимерной матрицы, то применение вариационных методов не приводит к существенному сужению вилки Хилла.

Эффективные значения упругих характеристик композиционного материала рассчитывают на основе метода регуляризации его структуры [8, 10, 11, 71). Согласно этому методу, частично упорядоченную реальную структуру армированного материала заменяют некоторой моделью, состоящей из периодически чередующихся в пространстве компонентов материала. Расчет упругих констант такой модели состоит в решении граничной задачи для многосвязной области. К настоящему времени результаты получены в основном для моделей однонаправленных волокнистых структур. В работе [10] решение представляется в виде ряда по эллиптическим функциям комплексного переменного. Численная реализация с применением ЭВМ позволила уточнить расчетные значения упругих констант композиционных материалов при различной геометрии укладки волокон в поперечном сечении однонаправленного материала. Одновременно выявлено влияние укладки на коэффициент концентрации напряжений в сплошных и полых волокнах.

Однако и расчет по методу регуляризации не исключает погрешностей, обусловленных отклонением реальной структуры материала от идеализированной ее модели. Для оценки указанного отклонения применяют статистические методы, основанные на различных приближениях теории случайных функций. Целью этих методов является представление эффективных значений упругих констант композиционного материала с учетом усредненных их значений и корреляционной добавки к ним. Разработке подходов к. решению этой задачи, позволяющей использовать корреляционное и сингулярное приближения теории случайных функций, в настоящее время посвящено много работ. Указанные методы теории случайных функций достаточно работоспособны только при малой относительной разнице модулей упругости компонентов материала. При этом результаты существенно зависят от точности определения корреляцион-

Второй подход предусматривает использование известных свойств структурных компонентов материала и путем усреднения, «сглаживания» и применения энергетических методов позволяет построить модель среды, в которой все константы выражаются через характеристики компонентов материала. Примером может служить теория Ахенбаха и Херрманна [3, 4], в которой в качестве микроструктурных элементов рассматриваются волокна, заключенные в упругую матрицу. Предполагается, что поведение волокон подчиняется гипотезам, предложенным Тимошенко для балок. В каждой точке такой эквивалентной среды вводятся две кинематические переменные — среднее перемещение в точке и и вектор вращения волокна, не зависящий от вектора и. В результате теория сводится к шести дифференциальным уравнениям движения, которые должны быть удовлетворены в каждой точке. Такой подход позволяет предсказать дисперсию сдвиговых волн. Если нормаль волны направлена вдоль волокон, а движение осуществляется поперек волокон, имеет место следующее соотношение дисперсии:

Применив эту теорию к анализу волн, распространяющихся в слоистых материалах вдоль и поперек слоев, Мансон и Шулер установили, что при некоторых предположениях относительно деформаций компонентов материала скорость ударной волны не зависит от направления, т. е.

При дальнейшем движении диска вдоль оси волокна усилие, передаваемое на диск, затрачивается на преодоление трения в результате действия остаточных напряжений на поверхности раздела, существование которых обусловлено различием коэффициентов теплового расширения компонентов материала. Таким образом, передача нагрузки от матрицы к волокну через поверхность раздела происходит за счет адгезионных связей и силы трения. Вопрос о том, какой из этих факторов преобладает, до сих

Рекомендуем ознакомиться:

Компоненты нагружения

Котлотурбинным институтом

Красильно отделочной

Краткости изложения

Кратковременных механических

Кратковременных статических

Кратковременной перегрузке

Кратковременное растяжение

Концентрация регенерационного

Кратковременную ползучесть

Кратность максимального

Кратность упаривания

Кратности охлаждения

Кремнефтористо водородной

Меню:

Главная страница Термины