Многослойного материала

На рис. 13 показана поверхность разрушения многослойного композита, состоящего из слоев волокон Thornel-50S, ориентированных под углом ±46°. Схематически показаны также направление действия -нагрузки и угол обзора при фотографировании. Для данного композита характер поверхности разрушения ооот-

Чтобы в какой-то степени учесть взаимодействие слоев с различной ориентацией в процессе нагружения, Пуппо и Эвенсен предложили анизотропный критерий прочности, применимый не к отдельным слоям, а к слоистому композиту в целом. Подобный подход делает ненужным вычисление распределения напряжений в отдельных слоях. Авторы показали, что аналитическая функция, описывающая прочность многослойного композита, должна быть тензорным выражением. Критерий, подобный критерию Хилла, не удовлетворяет этому требованию и, следовательно, применим только к отдельным слоям многослойного материала. Пуппо и Эвен-сен, по-видимому, пришли к такому выводу, рассматривал свойства ортотропных композиционных материалов, которые являются промежуточными по свойствам между изотропным материалом, с одной стороны, и сетчатым материалом, не

Необходимо определить характеристики многослойного композита, если известны характеристики жесткости (податливости) входящих в него слоев.

тому gu = gM — 0, что позволяет считать материал ортотропным. Определяя технические постоянные упругости материала по формулам (1.37), пригодным для любого ортотропного материала при плоском напряженном состоянии, можно убедиться в том, что EL -~ Е2 = - 4V4 (1 - У4,%) - Е, v12 = v.21 = 1 - 2V,/Vl = v, G12 = V4 --= ~ E/[2 (1 + v)], а рассматриваемый материал изотропен в плоскости А', у. Естественно, что значения его коэффициентов жесткости равны средним жесткостям многослойного композита (1.71).

Для определения технических постоянных упругости многослойного композита рассмотрим растяжение многослойного композита в направлении оси х. Уравнения (1.66) для этого случая принимают вид

где {e} = {ex, ey, exy}; {x} = {кх, v.9> X.VJ,}; z — расстояние от некоторой координатной плоскости, за которую может быть принята любая плоскость, параллельная границам слоев многослойного композита (рис. 1.9); {/.} — матрица-столбец изменений кривизн пластины. Подставив (1.82) в выражения для напряжений в k-м слое (l.Sli, получим

Конкретный вид выражений (1.90) зависит от структуры.пакета слоев многослойного композита и расположения координатной плоскости. Для ряда частных случаев соотношения (1.90) заметно упрощаются. Рассмотрим три конкретных примера, относящихся к одному из наиболее распространенных типов многослойных композитов — перекрестно армированному, т. е. образованному слоями однонаправленного материала, ориентированными под углами ср и —ф. Во всех случаях в качестве координатной поверхности выбрана срединная плоскость, т. е. плоскость, делящая толщину многослойного композита Н на две равные части.

на рис. 2.15 характеризует в основном поведение однонаправленного материала при сдвиге в плоскости слоя. По внешнему виду диаграмма деформирования такого материала при активном на-гружении напоминает диаграмму деформирования упруго-идеально пластичного тела, качественно совпадая с диаграммой деформирования однонаправленного материала, входящего в состав многослойного композита, при растяжении в направлении, ортогональном волокнам [37].

Будем считать, что деформирование однонаправленного мате- ; риала монослоя в составе пакета слоев многослойного композита происходит в соответствии с модельными диаграммами, изображенными на рис. 2.17.

Отметим, что структурная интерпретация состояний монослоя, использованная в этом параграфе (например, представления о закрытых и открытых трещинах) весьма упрощена и схематизирована. Можно не прибегать к ней, считая изложенный подход чисто феноменологической моделью процессов деформирования однонаправленного материала в составе пакета слоев многослойного композита.

Относительно небольшая жесткость при сдвиге многих современных полимерных композиционных материалов нередко приводит к заметному изменению исходных углов укладки монослоев за счет деформаций сдвига. Этот вид нелинейностей, связанный с изменением геометрических параметров (углов укладки слоев) структуры многослойного композита, назовем структурной нелинейностью. Приближенный учет этого вида нелинейности может быть проведен путем коррекции углов укладки слоев следующим образом: ср^/' = cp^'-i -f-

Эти прямые показаны на рис. 19 для случая ъху = 0. Отметим," что окончательная предельная поверхность для многослойного материала представляет собой границу наименьшей области, образующейся в окрестности начала координат.

считать обобщением теории Лан-гхаара и Борези [163], предложенной для однородных изотропных оболочек и распространенной Миллером на однородный анизотропный материал. Она представляется первым обобщением теории Лангхаара — Борези на случай многослойного материала и

Чтобы в какой-то степени учесть взаимодействие слоев с различной ориентацией в процессе нагружения, Пуппо и Эвенсен предложили анизотропный критерий прочности, применимый не к отдельным слоям, а к слоистому композиту в целом. Подобный подход делает ненужным вычисление распределения напряжений в отдельных слоях. Авторы показали, что аналитическая функция, описывающая прочность многослойного композита, должна быть тензорным выражением. Критерий, подобный критерию Хилла, не удовлетворяет этому требованию и, следовательно, применим только к отдельным слоям многослойного материала. Пуппо и Эвен-сен, по-видимому, пришли к такому выводу, рассматривал свойства ортотропных композиционных материалов, которые являются промежуточными по свойствам между изотропным материалом, с одной стороны, и сетчатым материалом, не

Принципиальная схема изготовления композиционного материала электрохимическим методом с использованием непрерывных волокон показана на рис. 79. Волокно перематывается с катушки через натяжное приспособление на специальную металлическую оправку, служащую катодом. Оправка частично погружена в электролит и совершает вращательное движение с заданной скоростью. Анод, изготовляемый из осаждаемого металла высокой чистоты, помещается на определенном расстоянии. Частота вращения оправки определяется скоростью осаждения покрытия и требуемым содержанием волокон в композиционном материале. Характер осаждения и формирования монослоиного и многослойного материала в значительной степени зависит от диаметра волокон, расстояния между волокнами на оправке, электропроводности волокон и условий осаждения. Плотный, беспористый материал получается тогда, когда покрытие равномерно покрывает поверхность волокон и пространство между волокнами. При использовании в качестве упрочнителя тонких, непроводящих волокон, как правило, не наблюдается образования пористости, и композиционный материал фактически не требует дальнейшего уплотнения методом прессования, спекания или прокатки. При использовании же волокон бора, карбида бора или металлических волокон диаметром 100 мкм и более в процессе формирования композиции образуется пористость.

Для изготовления методом электроосаждения многослойного материала с алюминиевой матрицей или деталей из него целесообразно наносить предварительно на борное волокно химическим или другим способом тонкий слой электропроводящего материала, например никеля, меди или серебра.

Покрытие медь—вольфрам получали из сульфатного электролита. Эта композиция рассматривается как модель. Для многослойного материала, содержащего 40% (об.) волокон, разрушающее напряжение составило 1350 МПа (в 3 раза больше, чем для волокон меди).

Технология изготовления ленточных материалов. Совершенствование технологии изготовления композиционных материалов привело к созданию многослойного материала, состоящего из стальной ленты, на одну из поверхностей которой наносят спеканием слои бронзового порошка, пропитанного составом на основе ПТФЭ (материал DU и МФЛ, группа 29). Поры ленточного материала на поточной линии заполняют суспензией ПТФЭ. Паста, предварительно нанесенная на поверхность пористого слоя, впрессовывается в поверхность ленты при протягивании ее между валками. При этом воздух из пор полностью удаляется через сообщающиеся поры. В целях предотвращения проскальзывания и выдавливания пасты применяют валки с шероховатой поверхностью.

Пусть композит образован несколькими разноориентированными слоями однонаправленного материала. Введем следующие системы координат: общая, «глобальная» (я, у); местные, локальные однонаправленных слоев (1, 2)(*> (рис. 1.5). Здесь k — номер однонаправленного слоя в пакете многослойного материала.

получим уравнение связи средних напряжений со средними деформациями многослойного материала при плоском напряженном состоянии:

Из (1.67) непосредственно следует, что порядок чередования слоев в пакете многослойного материала не имеет значения при подсчете его жесткостей gtj. Если каждый слой из некоторой группы слоев имеет одинаковые жесткости gffl (например, это слои одного однонаправленного материала, уложенные с одинаковыми углами ср), то эта группа слоев может считаться одним слоем с толщиной, равной сумме толщин слоев, входящих в эту группу.

Установим вид уравнений (1.66) при повороте системы координат вокруг оси г на угол 6. Рассмотрим случай, когда все слои многослойного материала выполнены из одного однонаправленного материала, и, следовательно, имеют одинаковые значения коэффициентов Vi, Vz, V3, V4 в соотношениях (1.57).