Направлению армирующих

Высокие жесткость и прочность армирующих волокон, составляющие основу прочности и жесткости композиционных материалов, реализуются лишь в случае их определенного расположения по отношению к действующему полю напряжений (действующей нагрузке). Вследствие большого разнообразия нагрузок применяются различные схемы укладки арматуры. Варьируя направлением укладки слоев, можно получить слоистые материалы с различной ориентацией армирующих волокон, обладающие в плоскости укладки изотропными и анизотропными свойствами. Именно в возможности придания материалу оптимальной для каждого частного случая анизотропии заключается главное преимущество волокнистых композиционных материалов [44]. В зависимости от ориентации армирующих волокон в плоскости укладки слоистые структуры можно подразделить на следующие основные группы: однонаправленные, ортогонально-армированные с переменным углом укладки волокон по толщине, перекрестно-армированные и хаотически-армированные. Однонаправленные материалы получают при укладке всех волокон параллельно друг другу. Их называют материалами с укладкой 1 : 0, указывая этим на отсутствие поперечно уложенных волокон. Если волокна в таком материале расположены равномерно, он является трансверсально-изотропным (или монотропным) в плоскостях, перпендикулярных к направлению армирования. В ряде случаев влияние технологии изготовления материалов с укладкой 1 : 0 обусловливает в них четко выраженную слоистость, что приводит к ортотропии композиционного материала.

Из табл. 5.16 следует, что прочность при сжатии всех трех исследованных материалов в направлениях основного армирования оказывается несколько ниже, чем в трансверсальном направлении. Такое явление обусловлено некоторым различием в схемах укладки арматуры по направлению армирования. В направлении z волокна имеют больший диаметр и меньший шаг укладки по двум другим направлениям, чем волокна направлений х, у. Данные [125] по свойствам композиционных материалов с различными типами матриц, арматуры и по схемам армирования (табл. 5.17) не позволяют установить влияние ни одного из отмеченных факторов на свойства. Эти

характеру ее распределения существенно различаются. Перераспределение арматуры по направлениям армирования по-разному отражается на свойствах материала. Прочность при сжатии R1 и модуль упругости Ег, как показывает сравнение характеристик двух типов материалов,, почти не зависят от перераспределения арматуры по направлению армирования, в то время как модули упругости и сдвига в плоскости основного армирования существенно изменяются.

* Имеются в виду взаимодействие и жесткость в направлении, ортогональном направлению армирования (Прим. пер.).

Поттингер [138, 139] применил аналогичный метод для изучения эпоксидных стеклопластиков и боралюминия и получил хорошее совпадение (в пределах 3%) статического и динамического (при распространении волны в стержне под различными углами к направлению армирования) модулей упругости. Тот же метод был использован в работе Невилла и Сиераковски [127] для анализа стержней из композиции стальная проволока — эпоксидное связующее (при распространении волн вдоль проволоки). Было установлено, что при увеличении относительного объемного содержания стальной проволоки рассеяние снижается, а скорость распространения волны возрастает в соответствии с правилом

Б. Плоские образцы для испытаний под углом к направлению армирования

* Термин межслойный сдвиг использован здесь, следуя терминологии работы для плит [211 ], вместо поперечного сдвига. Он используется для характеристики свойств в направлении, перпендикулярном направлению армирования.

где EL, Ет, Егг — модули Юнга в направлениях 0, 90° и 6° к направлению армирования; VLT — коэффициент Пуассона при на-гружении вдоль арматуры; m = cos 0 и п = sin 0.

Свойства изотропного материала, исследуемые при одноосном нагружении, по определению не зависят от ориентации оси нагружения. Практически некоторая зависимость механических свойств от направления нагружения все же наблюдается из-за ориентационных эффектов, возникающих, например, при пластической обработке металлов (прокате, волочении и т. д.). У волокнистых композиционных материалов, вследствие присущей им на макроскопическом уровне анизотропии, наблюдается существенная разница в свойствах при различных ориентациях оси нагружения 6 по отношению к направлению армирования L. При одноосном нагружении под углом 0° << 0 <; 90° в главных осях симметрии материала LT возникает двухосное напряженное состояние в сочетании со сдвигом: таким образом, напряженное состояние в этих осях может создаваться одноосным нагружением под углом к осям анизотропии (этот метод испытаний описан в разделах II.Б и III.А). Однако этот способ создания двухосного пагружепия имеет ограниченные возможности по двум причинам: 1) нормальные напряжения имеют всегда один и тот же знак, т. е. оба являются либо растягивающими либо сжимающими; 2) всегда действуют сопутствующие сдвиговые напряжения. Другими словами, отношения OT/OL и GLT/OL нельзя изменять независимо (OL, OT— нормальные напряжения вдоль и поперек волокон; OLT — сдвиговые напряжения в плоскости LT).

сто — окружные напряжения на краю отверстия в сечении, составляющем угол 9 с осью х ах — напряжения в слое или однонаправленном композите под углом а к направлению армирования Of — разрушающие напряжения в волокне 00 — разрушающие напряжения в слоистом композите ао> то — предельные напряжения, соответствующие критерию максимальных деформаций

Характер динамической реакции направленно армированного композита зависит от направления распространения возмущений. В случае волн, распространяющихся в направлении армирования, армирующие элементы работают как волноводы. Если же волны распространяются перпендикулярно направлению армирования, то армирующие элементы по существу оказываются препятствиями, отражающими и передающими распространяющиеся возмущения. Если временной интервал достаточно велик, так что возмущения многократно отразились от внешних границ, начинаются колебания образца.

В композиционных материалах, изготовленных на основе вискеризован-ных волокон с различной их ориентацией, структурные элементы (слои) выделяются плоскостями, проходящими параллельно плоскости укладки волокон, выбор плоскости деления материала на слои не зависит от характера расположения нитевидных кристаллов. Упаковка кристаллов отражается только на свойствах модифицированной матрицы, т. е. материалы с хаотической ориентацией нитевидных кристаллов перпендикулярно направлению армирующих волокон содержат слои с модифицированной транстропной матри-

Нитевидные кристаллы могут иметь хаотическое распределение в плоскости, перпендикулярной к направлению армирующих волокон, или во всем объеме полимерной матрицы. При хаотическом распределении нитевидных кристаллов параллельно одной плоскости 23 модифицированную матрицу можно считать трансверсально-изотропной с плоскостью изотропии 23. Тогда, следуя работам [4, 25, 88], компоненты матрицы жесткости можно определять по расчетным выражениям для слоистого композиционного материала с укладкой однонаправленных слоев, армированных нитевидными кристаллами, под углами 0 и ±л/3. Выражения для расчета компонент

армирования 0 и ±45° направление движения частиц в большом диапазоне изменения угла нормали близко к направлению армирующих волокон.

Явление геометрической дисперсии хорошо изучено для случая вытянутых тел, таких, как стержни или слои. Пример распространения гармонической волны в слое рассматривается в приложении Б. Частотное уравнение Рэлея — Ламба для слоя показывает, что можно получить из элементарных теорий, а именно что при малых значениях волнового числа фазовая скорость продольных гармонических волн (симметричных) с изменением этого числа меняется очень мало, в то время как фазовая скорость поперечных гармонических волн (антисимметричных) зависит от волнового числа линейным образом. На малых расстояниях направленно армированный композит в основном работает как система волноводов, и поэтому можно ожидать, что распространение в нем гармонических волн, в особенности поперечных (по отношению к направлению армирующих элементов), сопровождается дисперсией.

Приготовление шлифов из образцов стеклопластиков, подвергнутых нагреву, имеет некоторые особенности. Дело в том, что при интенсивном нагреве стеклопластиков вследствие протекания явлений термодеструкции и пиролиза связующего поверхностные слои образца становятся сравнительно рыхлыми из-за л,илйпи радонIVJH iiw^ri^iv^^n *, ки^.^^„,;;;:;:""-~. А*~""""""^""" плотность и: монолитность этих слоев снижаются, поэтому разрезка, шлифовка и полировка таких образцов могут значительно исказить структуру. Во избежание этого указанные операции по подготовке шлифа выполняют после заливки образцов веществом, легко заполняющим поры и не искажающим структуру материала, например канифолью или эпоксидными смолами. В частности, для заливки стеклопластика АГ-4С была использована жидкая эпоксидная композиция, состоящая из смеси 70% смолы ЭД-5, 20% пластификатора (дибутилфталата) и 10% катализатора холодного отвердения (поли-этиленполиамина), Порозаполнение осуществляли в вакуум-эксикаторе при остаточном давлении около 100 мм рт. ст. После отверждения смолы (при температуре 80—100° С) блок с образцами разрезали тонким полотном в рабочей части образцов под углом 45° к направлению армирующих волокон. Плоскость шлифа подвергали алмазной полировке по обычной методике. Для повышения контрастности изображения элементов структуры при наблюдении под микро-

Для анизотропного композиционного материала в отличие от изотропного, предельное состояние зависит от ориентации поля напряжений по отношению к структурным направлениям анизотропии материала. Так, например, в случае линейного напряженного состояния изотропного материала, предельное состояние зависит от ориентации действующего напряжения и определяется пределом прочности при растяжении (сжатии). Для анизотропного материала следует учитывать ориентацию напряженного состояния по отношению к структурным направлениям (направлению армирующих волокон) среды (рис. 2.1).

особенно велико при испытании в направлении армирования и уменьшается при испытании образцов, ось которых наклонена под некоторым углом к направлению армирующих волокон. Неточности в ориентировке образцов вызывают рассеивание (даже при отсутствии других причин) результатов испытания стеклопластиков, причем особенно в направлении его наибольшей прочности.

В композиционных материалах, изготовленных на основе вискеризован-ных волокон с различной их ориентацией, структурные элементы (слои) выделяются плоскостями, проходящими параллельно плоскости укладки волокон, выбор плоскости деления материала на слои не зависит от характера расположения нитевидных кристаллов. Упаковка кристаллов отражается только на свойствах модифицированной матрицы, т. е. материалы с хаотической ориентацией нитевидных кристаллов перпендикулярно направлению армирующих волокон содержат слои с модифицированной транстропной матри-

Нитевидные кристаллы могут иметь хаотическое распределение в плоскости, перпендикулярной к направлению армирующих волокон, или во всем объеме полимерной матрицы. При хаотическом распределении нитевидных кристаллов параллельно одной плоскости 23 модифицированную матрицу можно считать трансверсально-изотропной с плоскостью изотропии 23. Тогда, следуя работам [4, 25, 88], компоненты матрицы жесткости можно определять по расчетным выражениям для слоистого композиционного материала с укладкой однонаправленных слоев, армированных нитевидными кристаллами, под углами 0 и ±л/3. Выражения для расчета компонент

Рассмотрим условия приложения нагрузки вдоль оси х под углом в к направлению армирующих волокон (рис. 5.3, а). Тогда, заменяя в

Рассмотрим условия приложения нагрузки вдоль оси х под углом в к направлению армирующих волокон (рис. 5.3, а). Тогда, заменяя в