Композиционным материалам

Внутреннее трение в твердых телах используется в основном для снижения уровня шумов при ударных и вибрационных нагрузках путем замены металлических материалов пластмассами и композиционными материалами; снижения напряжений в конструкциях, возникающих при колебаниях вблизи резонанса.

Внутреннее трение в твердых телах используется в основном для снижения уровня шумов при ударных и вибрационных нагрузках путем замены металлических материалов пластмассами и композиционными материалами; снижения напряжений в конструкциях, возникающих при колебаниях вблизи резонанса.

К конструкторским направлениям относятся: рационализация форм сечений проката, отливок и поковок; создание предварительно напряженных и армированных конструкций; назначение рациональных марок материалов и применение термических и химико-термических методов обработки; замена металлов неметаллическими и композиционными материалами.

Рассмотрены вопросы защиты от коррозии в водных, средах вборудования и строительных конструкций металлургических производств силикатными композиционными материалами. Приведены методы и установки для исследования и испытания коррозионных свойств конкретных материалов. Показана возможность получения коррозионностойких композиционных силикатных материалов на основе отходов и попутных продуктов промышленных предприятий (шлаков, шламов, хвостов обогащения руд и др.).

Пожар в деревянном доме прошлого века, опасный угарным газом и температурой, нельзя сравнить с пожаром в современном здании, если можно так сказать, сплошь начиненном синтетическими и композиционными материалами, горение которых сопровождается выделением вредных веществ, определить содержание которых в воздухе невозможно без соответствующих приборов и специальной подготовки.

По сравнению с другими композиционными материалами эпоксидные углепластики обладают высокой степенью анизотропии: GII/CIS — 24 (материал с углом армирования 0°). Поверхности скоростей для материалов с углами ориентации волокон ±0, ±15, ±30 и ±45° показаны на рис. 2.

В предыдущих разделах предполагалось, что деформации, сопровождающие распространение волн, являются малыми, и материал можно считать линейно-упругим. Работы, посвященные нелийненому волновому анализу упругих композиционных материалов, немногочисленны; можно отметить, например, работу Бен-Амоза [27], в которой рассматриваются волны оконечной амплитудой, распространяющиеся вдоль волокон композиционного материала. Столь же небольшое число работ посвящено в настоящее время пластическим волнам в композиционных материалах. Влодарчик [196] исследовал ударные волны в пластической слоистой среде с линейным законом разгрузки. Плоские волны в анизотропных упругопластических телах исследовал Джонсон [79] вне связи с композиционными материалами.

В литературе, посвященной неоднородным материалам, наибольшее внимание уделялось эффективным константам. В разд. V мы получим границы для эффективных констант при помощи статистической информации. Окончательные результаты представляют собой простые алгебраические выражения. (Большую часть этого раздела можно читать независимо от предыдущих.) В то время как определение границ эффективных констант является интересной теоретической задачей, инженеру-проектировщику, имеющему дело с композиционными материалами, необходимы оценочные выражения, в которые входят объемные доли компонентов, а также данные об их форме и упаковке. Бесконечное число возможных комбинаций делает невозможной оценку первоначальных проектов путем измерений, так что границы необходимы для того, чтобы дать в рас-

На рис. 2 показан типовой график эффективности оболочковых конструкций, выполненных из металлов и композиционных материалов. Этот график представляет собой упрощенную комбинацию нескольких подобных графиков, полученных для тех случаев, в которых необходимо использование слоистых композиционных материалов для достижения квазиизотропных свойств. Изменение наклона указывает на возможное превышение предела текучести материала перед потерей устойчивости. Повышение прочности материала обеспечило бы эффект смещения зоны изменения наклона вправо па графике. Действительный разрыв между металлами и композиционными материалами зависит от типа требуемой кон-

виционных материалов (за исключением стеклопластиков) находился в эксплуатации в течение длительного времени. Существует реальная возможность того, что свойства элементов, работающих при высоких напряжениях, могут не сохраниться на уровне исходных показателей. Вопрос не просто в том, будут ли наблюдаться явления усталости волокон, разрушения связи по границе раздела или возникать другие дефекты, снижающие прочность и выносливость материала. Практически всем материалам присуща определенная специфика поведения в условиях эксплуатации и окружающей среды. Однако дефектность материалов, применяемых в течение длительного времени, достаточно хорошо изучена, в связи с чем конструктора и технологи остаются верны им, используя надежные методы контроля. Иное положение с новейшими композиционными материалами, для которых подобные сведения и подход отсутствуют. Только опыт, накопленный в течение многих лет эксплуатации, обеспечит необходимое доверие. Основа этого должна быть заложена благодаря проектированию, изготовлению и испытаниям агрегатов в эксплуатационных условиях и поддержана многочисленными лабораторными наземными ресурсными испытаниями.

Автоматизированные процессы изготовления должны повысить стабильность качества отдельных деталей при массовом производстве. Это обстоятельство совместно с совершенствованием стандартов на исходные компоненты обеспечит снижение стоимости изготовления вследствие уменьшения процента брака. Вероятно, будущие проекты представят собой комбинацию новых подходов и материалов. Например, в типовом самолете часть конструкции может быть выполнена цельнометаллической, часть — с использованием местного усиления композиционными материалами, тогда как все остальное — изготовлено из эпоксидного углепластика или боралюминия. Конкретный выбор будет предоставляться изготовителю и частично зависеть от его отношения к рассматриваемому материалу.

Сравнение нормальных напряжений, вычисленных при ц = т)э1, в центре и на краю сечения показывает, что для реальных параметров аир, присущих современным композиционным материалам, наибольшее напряжение ах достигается на краях сечения при ц = ±1. Относительные экстремальные напряжения ах в сечении х = а, рассчитанные при тг = 2, т2 = 5, q = р, и длина зоны их возмущения представлены в табл. 2.1. В, крайних точках сечения (г = ±1) напряжения для анизотропных материалов максимальны, а при т) = О минимальны. Расхождение между ними определяется физическими параметрами а и (5 материала образца.

цей (рис. 3.6, а), а материалы с хаотической ориентацией нитевидных кристаллов в объеме имеют модифицированную изотропную матрицу (рис. 3.6,6). Последний тип матрицы присущ композиционным материалам, межслоиные связи в которых создаются дискретными элементами, образованными в результате предварительной термообработки полимерной матрицы с последующим насыщением ее пиро-углеродом. Рассмотренный принцип выделения структурных элементов может быть применен и к другим, более сложным структурам. Для материалов с более сложными схемами армирования повторяющиеся элементы, в отличие от рассмотренных, могут располагаться не параллельно координатным плоскостям, а под различными углами к ним (рис. 3.7).

Переход к высокомодульным композиционным материалам вызывает необходимость исследования зависимости упругих констант материала от параметра, представляющего собой отношение жесткостей арматуры и связующего. На рис. 5.8 показано изменение относительных значений

при этом не наблюдалось. Разрушение при сжатии материалов, изготовленных по схемам Omniweave (I), PER-3007 (III) и Intermold-Ill (II), происходило при сдвиге под углом 45° к направлению приложения нагрузки. Образцы из материала Narmcow-гар (IV) при сжатии разрушались от продольного расслоения. При испытании на растяжение разрушение образцов в основном происходило в расчетном сечении. Тип полимерной матрицы оказывает существенное влияние на механические характеристики трехмерноармированных материалов. Композиционным материалам на основе фенолоформальдегидной матрицы свойственна большая пористость, поэтому механические свойства их значительно ниже свойств материалов на основе эпоксидной матрицы.

В разделе IV представлен подробный вывод разрешающей системы уравнений задачи Сен-Венана о кручении анизотропного тела, имеющего плоскость упругой симметрии. Эта задача используется далее для иллюстрации различных методов решения. Обсуждаются примеры, относящиеся к композиционным материалам.

В связи с тем, что характер напряженного состояния, реализующегося в элементах конструкций, всегда в значительной степени определяет выбор метода расчета и критерия прочности (в особенности применительно к композиционным материалам), целесообразно привести перечень основных типов напряженного состояния (табл. 2). Наибольшее распространение и развитие в инженерных приложениях получили плоские задачи. Это относится также к анализу разрушения и к формулировке критериев прочности композиционных материалов.

Наибольший объем внедрения современных композиционных материалов наблюдается в настоящее время в авиационной технике. Нормы прочности, приведенные в таких руководствах как MIL-A-8860, относятся и к композиционным материалам, используемым в проектируемых летательных аппаратах. Основные определения и расчетные критерии можно найти в руководстве [1 ].

Распространенный подход к предсказанию прочности композиционных материалов, основан, как отмечено в разделе I, на модификации критерия Мизеса, предложенного для изотропных, однородных, пластичных материалов. К композиционным материалам его впервые применил Норрис [9]. В литературе описано множество вариантов этого критерия, ниже рассмотрены три частные формы, предложенные Аззи и Цаем [3], Хоффманом [7] и Ча-мисом [4]. В настоящем разделе, посвященном прочности слоистых материалов, все эти критерии используются в основном одинаково, однако каждый из них в свое время имел особенности.

Принципиальное различие между расчетами по максимальным и предельным нагрузкам применительно к композиционным материалам связано с нарушением сплошности материала в процессе деформирования. Согласно основной концепции расчета по максимальным нагрузкам допустимые напряжения не должны вызывать нарушения сплошности материала и выходить за пределы линейного участка диаграммы деформирования. Описание поверхности разрушения с позиций расчета по предельным нагрузкам предусматривает допустимость нарушения сплошности материала, не приводящего к его разрушению. Например, разрушение связующего при поперечном растяжении или сжатии одного или нескольких слоев не вызывает разрушения, если структура

некоторых основных программ по композиционным материалам. Теория, относящаяся к разработке вычислительных методов, приводится во многих руководствах по матричным методам расчета конструкций и кратко обсуждалась в разделе II, Б, 2, в. Исследования, направленные на дальнейшее развитие этих методов, представляются перспективными.

Несмотря на то, что всего существуют 32 типа упругой симметрии [71], применительно к композиционным материалам необходимо рассмотреть лишь некоторые из них [131].