Композитов поскольку

65. Протасов В. Д., Ермоленко А. В. Проблемы прочности оболочечных конструкций из композитов, полученных намоткой. — Механика асомпп-(итиых материя,поп !П8Я. Мр !>. - '03" I043

В последнее время были проведены детальные исследования процесса изготовления композитов с матрицей Ti-6Al-4V, содержащих от 45 до 50 об.% волокон B/SiC диаметром 140 мкм [5]. Хотя корреляция параметров изготовления со структурой поверхности раздела была неполной, последовательное увеличение температуры горячего прессования приводило к росту толщины слоя продукта реакции на поверхности раздела. Продолжительность прессования была постоянной (30 мин), а давление выбирали таким, чтобы при каждой температуре обеспечить прочную диффузионную сварку композита. На каждом режиме обрабатывали четыре образца; усредненные результаты этих испытаний, а также результаты некоторых многократных испытаний на поперечную прочность приведены на рис. 14. Хотя в испытаниях на поперечную прочность влияние поверхности раздела непосредственно не оценивалось, их результаты приведены потому, что значения деформации разрушения разупрочненных композитов, полученных прессованием при 1144 К и 1172 К, совпадают со значениями, предсказанными для поверхности раздела титан—карбид кремния.

Поведение композитных материалов пр<и нагружении в упругой и пластической областях невозможно понять, не привлекая сведений о природе и роля поверхности раздела, т. е. области, разделяющей фазы. Ниже представлен обзор последних результатов аналитических и экспериментальных исследований волокнистых композитов и композитов, полученных направленной кристаллизацией. Особое внимание уделено строению поверхности раздела, прочности связи, эффективности передачи нагрузки, стабильности поверхности раздела и влиянию способа нагружения.

Сведения о природе поверхности раздела, которыми мы располагаем в настоящее время, недостаточны для разработки новых аппретов, предназначенных для современных стеклопластов, особенно в случае упрочненных термопластиков. По сравнению с 1942 г. в решении этой проблемы достигнут значительный прогресс, однако до сих пор остается необъясненной очень высокая в отдельных случаях прочность слоистых пластиков. Как правило, это связывается с оптимальными условиями, когда аппрет, стекловолокно, смола и способ изготовления — все было «самым лучшим» (best evers). В табл. 1 приводятся прочностные характеристики некоторых композитов, полученных в таких оптимальных условиях в Военно-морской артиллерийской лаборатории США (НОЛ).

Прочностные свойства полипропиленового композита, наполненного тальком, при обработке поверхности раздела такими источниками радикалов, как перекиси, в сочетании с В- или С-силанами улучшаются. Однако необходимо проведение дальнейших исследований с целью оптимизации полиолефиновых композитов с минеральными наполнителями и получения такого же эффекта упрочнения, как при использовании силановых аппретов в термопластах, армированных стекловолокном. Один из новых методов обработки поверхности наполнителя, в частности глины, оказался эффективным при сочетании сополимера на основе этилена и акриловой кислоты (EAA-93QO) с D-силаном. Марсденом~чС сотр. [14] найдено такое соотношение D-силана 'и связующего, содержащего активные функциональные группы, при котором улучшаются физические свойства полипропиленовых и найлоновых композитов, полученных литьем под давлением и упрочненных стекловолокном.

Дополнительные доказательства дают фотографии, приведенные на рис. 20. На рис. 20, а показаны случайные скачки трещины (обозначены стрелками) при растяжении; на рис. 20, б видны однонаправленные скачки трещины под действием сдвига; на рис. 20, в показана трещина, скачки которой меняют направление при изменении направления сдвиговых напряжений. По-видимому, как и предполагалось, основное направление скачков трещины действительно определяется направлением, соответствующим совпадению векторов напряжения и прочности. Кроме того, заметим, что, поскольку такие модели распространения трещины наблюдаются как в плоских пластинах композитов, полученных в результате прессования препрегов х), так и в намотанных образцах (рис. 20), мы можем предположить, что подобное поведение характерно не только для определенных композитов и данной технологии производства.

Рис. 3. Результаты испытаний при циклическом осевом нагружении однонаправленных композитов, полученных мокрой укладкой поверхностно обработанных высокомодульных волокон; эпоксидная смола Шелл Эпикот 828/MNA/BDMA; объемная доля волокон 62%, 7000 цикл/мин; сжимающие напряжения отложены в положительном направлении [6].

нами, полученных методом пропитки эпоксидной смолой в пресс-форме с использованием мокрой укладки. Три группы результатов относятся к пульсирующим растяжению, сжатию и симметричному циклу напряжений растяжение — сжатие. Данные представлены в максимальных напряжениях безотносительно к их знаку. Статическая прочность на растяжение и сжатие нанесена по оси абсцисс произвольно для одной четверти цикла. Статическая прочность на сжатие значительно ниже, чем на растяжение, и отсюда ясно, что для обоих видов циклов напряжений, включающих сжатие, усталостная прочность ограничивается прочностью композитов на сжатие.

Дальнейшее развитие поврежденное™ зависит в некоторой степени от типа образца. В образцах из однонаправленных композитов, полученных мокрой укладкой необработанных волокон в эпоксидную матрицу, поверхность разрушения нормальна линии действия нагрузки и содержит большое количество отдельных выпученных волокон. В случае обработанных волокон поверхность разрушения оказывается расположенной под некоторым углом к оси нагружения. В ортогонально армированных материалах обнаружено, что разрушения возникают также на поверхностях раздела слоев, и образец разрывается на части по этим поверхностям раздела. Образцы с поверхностно обработанными волокнами чаще содержат группы выпученных волокон, а не отдельные потерявшие устойчивость волокна.

Рис. 18. Нормированные результаты по усталостной прочности однонаправленных композитов, полученных мокрой укладкой необработанных высокомодульных волокон в изофталевую полиэфирную смолу [8],

алюминия с бором и какие эффекты они оказывали на усталостную прочность композитов. Для современных композитов алюминия 6061-0 и бора, усталостное поведение которых представляется линейной зависимостью на рис. 2, поверхность Киркендал-ла перемещалась на 500-10~8 см. Для бороалюминиевых композитов, полученных диффузионной сваркой в течение 1 ч при 500 °С (табл. V, рис. 14, о) или при 450 °С (табл. V, рис. 14, б), усталостная прочность композитов резко ухудшается или соответственно резко улучшается.

Для большинства конструкционных материалов, включая те, которые представляют интерес как возможные компоненты композитов (см., например, рис. 1), связь напряжений с деформациями, представленная изображенной на рис. 2 двузвенной ломаной, не является достаточно точной. Это утверждение справедливо, в частности, в случае, когда материал находится в однородном напряженном состоянии, так что во всей области одновременно достигается предел текучести. Принятая идеализация предсказывает в этом случае неограниченное пластическое течение, т. е. неограниченные деформации при постоянных напряжениях. Однако в том случае, когда нагрузка создает градиенты напряжений внутри материала, области с наибольшими значениями напряжений достигают состояния текучести первыми. •Пластическое течение в этих зонах ограничено, поскольку вне :их материал остается упругим. Такое явление называется стесненным пластическим течением; оно характерно для композитов, поскольку из-за различия в жесткостных свойствах матрицы и включений в композите обычно возникают высокие градиенты напряжений. Таким образом, несмотря на то что истинные кривые напряжение — деформация, представленные на рис. 1, лишь грубо аппроксимируются двузвенной ломаной вида,

Все рассмотренные выше работы выполнены для двумерных моделей композитов. Поскольку волокнистые композиты трехмерны, можно ожидать, что полученные выше выводы применимы к трехмерным системам лишь с определенными ограничениями. Некоторые результаты были получены для цилиндрических систем, однако в таком композите трудно точно оценить влияние соседних волокон. Оузн и др. [47] провели сопоставительный анализ плоскостной и цилиндрической моделей, но, к сожалению, объемные доли волокон в этих случаях были неодинаковыми. Каррара и Мак-Гэрри [11], исследуя в условиях упругой деформации поведение системы, содержащей одиночное волокно, пришли к выводам о важной роли передачи напряжений через концы волокна (порядка 20% общей нагрузки на волокно) и о возникновении поперечных напряжений у концов волокна. Эти радиальные и тангенциальные напряжения могут намного превосходить соответствующие напряжения в композитах с непрерывными волокнами; так, в исследованной системе радиальные напряжения на поверх-

Однако характерную взаимосвязь между степенью взаимодействия и прочностью (рис. 3) нельзя объяснить только образованием нерегулярных трещин и зазубрин в процессе реакции. Удовлетворительной может быть признана лишь та теория, которая •объясняет критические уровни развития реакции, отвечающие началу и концу разупрочнения, а также постоянство деформации разрушения полностью разупрочненных композитов. Поскольку в системах псевдопервого класса отсутствует связь с толщиной зоны взаимодействия (характерная для систем третьего класса), •была предпринята попытка создать теорию, основанную на представлениях о критической площади взаимодействия. Выбор этого критерия разрушения обосновывают характером деформации осевого сечения прореагировавшего волокна (рис. 7) в системах

получения необходимых свойств композита. С получением усов сапфира Саттон и его сотрудники [45, 48] начали интенсивные исследования с целью разработки упрочненных усами металлических композитов. Поскольку никель технологически весьма перспективен, значительные усилия были затрачены на упрочнение сапфиром Ni-сплавов. Были подтверждены многие прежние данные о влиянии поверхностно-активных металлов на смачивание сапфира бинарными сплавами [47]. В табл. 1 приведены некоторые результаты исследования поверхностного натяжения и связи в системах Ni— А^Оз. Одно из наиболее важных наблюдений в ранних работах Саттона и его сотрудников касалось влияния Ti и Zr на разрушение композита. Легирование этими высокоактивными элементами приводит к нежелательному разрушению сапфира при очень низкой величине эффективной прочности на сдвиг, причем это разрушение происходит по поверхности раздела. На рис. 12 представлена схема образования связи в этих системах, с помощью которой авторы объяснили наблюдаемый эффект. Конкурирующие процессы, а именно, ослабление сапфира и усиление связи на поверхности раздела, приводят к появлению максимума на кривой прочности связи, которая не совпадает с работой адгезии WUJl,

В литературе имеется много данных о продольной прочности композитов, поскольку эта характеристика обычно использовалась для оценки качества композитов металл — окисел путем сопоставления их действительной прочности с рассчитанной по правилу смеси. Внеосные механические свойства армированных окислами металлов были измерены лишь недавно. В связи с этим имеются данные о поперечной прочности (растяжение в направлении, перпендикулярном оси волокон) только для сплавов на основе Ni и Ti, армированных непрерывными волокнами сапфира.

В прямом смысле устойчивость в малом является обычным требованием, невыполнение которого означает, что конструкция будет самопроизвольно отклоняться от своего равновесного состояния при фиксированной нагрузке. Кривые нагрузка — прогиб или 0(е) при простом нагружении имеют положительный наклон. Устойчивость в малом для цикла и устойчивость в большом характерны для большинства пластичных конструкционных металлов и пластичных конструкций при рабочих нагрузках и умеренных перегрузках. Условия устойчивости материалов часто неявно подразумеваются в методиках и нормах проектирования, но нельзя предполагать, что эти условия имеют силу и для композитов, поскольку они не являются законами природы.

Теоретически предсказанные деформационные зависимости и предельные напряжения для различных слоистых композитов сравниваются с результатами испытаний этих материалов в условиях плоского напряженного состояния. Указаны преимущества и недостатки основных типов образцов и соответствующего оборудования, используемого для создания плоского напряженного состояния. При сравнении методов построения предельных поверхностей слоистых композитов особое внимание уделено областям их применения, удобству использования, требованиям к исходным параметрам и тонкостям описания этими методами прочностных свойств реальных композитов. Поскольку большинство методов ограничивается построением предельной поверхности и, следовательно, позволяет предсказать только условия, но не вид разрушения, в главе преобладает макроподход. Оказалось, что ни один из рассмотренных методов не обнаруживает хорошего соответствия с результатами экспериментов и, следовательно, не может быть рекомендован для использования при проектировании ответственных силовых конструкций из композитов. Причина этого заключается, по-видимому, в малочисленности экспериментальных данных и несовершенстве существующих подходов; в частности, ни один из подходов не учитывает влияние последовательности укладки слоев на напряженное состояние композита. До сих пор остается неисследованным механизм перераспределения нагрузок со слоев композита, в которых достигнуто предельное состояние, на остальные слои материала.

И наконец, глава завершается обзором современных подходов механики разрушения, применяемых к композитам, и оценкой точности описания имеющихся экспериментальных данных. Следует подчеркнуть, что при написании главы ставилась цель — дать оценку степени применимости модифицированной механики разрушения Гриффитса — Ирвина для предсказания разрушения композитов. Поскольку эта глава одна из последних в сборнике, сделана попытка сконцентрировать в ней некоторые идеи предыдущих глав, сославшись на них там, где это возможно.

В ИМАЫ АН СССР разработаны универсальные алгоритмы и программы оптимизации элементов конструкций из многослойных разно-ориентированных волокнистых композитов, поскольку технологическая возможность изменения числа слоев и их ориентации позволяет оптимально проектировать макростроение материала для заданных условий нагру-жения и функционального назначения элемента конструкции. Использование разработанных универсальных программ для ЭВМ при оптимизации по массе высоконагруженных элементов конструкций из композиционных материалов приводит к снижению их массы на 20—30% по сравнению с металлическим вариантом конструкции.

ренкова и Ю. М. Плескачевского [7], Ю. С. Липатова [3, 4] и других [8—10]. Наметилось определенное сближение физической химии наполненных полимеров и механики композитов, поскольку только комплексный подход дает возможность наиболее правильно описывать и прогнозировать свойства композиционных полимерных материалов.

4.1.2.2. Многомерность моделей оптимизации конструкций из композиционных материалов обусловлена структурностью композитов. Поскольку свойства композита при заданных исходных материалах полностью определяются характеристиками его структуры, то очевидно, что оптимизация свойств композита как материала проектируемой конструкции сводится к оптимизации его структуры на том уровне, который соответствует принятому проектировщиком модельному представлению композита. Качественный состав и количество оптимизируемых структурных параметров зависят не только от уровня оптимизируемой структуры композита, но и от степени гомогенизации его реальной структуры в модели композита как конструкционного материала. Например, слоистый композит при известных условиях и допущениях может рассматриваться как макрооднородная система (модель макроод-нородного слоистого пакета), но и тот же композит можно описывать и в рамках неоднородной модели, учитывающей дискретность его реальной структуры. В этом случае набор структурных параметров, определяющих, скажем, деформативные характеристики слоистого пакета, кроме параметров, учитываемых уже в макрооднородной модели пакета, должен быть дополнен параметрами, позволяющими учитывать порядок чередования слоев в пакете.

При проектировании несущей конструкции в качестве возможного варианта утраты ее несущей способности в модели проектной ситуации допускается только тот из указанных вариантов, который в соответствии с назначением и условиями эксплуатации. конструкции считается наиболее желательным, в частности наиболее безопасным, экономически целесообразным и т. п. При постановке задачи оптимизации, однако, предельное состояние, определяющее оптимальный проект, заранее неизвестно, поэтому в модели оптимизации необходимы учет обоих возможных предельных состояний или предварительное исследование модели проектной ситуации. Последнее особенно важно в случае проектирования оболочек из композитов, поскольку понятия («тонкостенная», «короткая» и т. п.), детерминирующие выбор соответствующей расчетной модели предельного состояния, для таких конструкций, по-видимому, не могут быть определены однозначно.