Направлениях материала

Особенности структурных свойств композиционных материалов на основе углеродных и борных волокон с традиционными схемами армирования исследованы в работах [20, 25, 33, 59, 70]. Анализ и сопоставление полученных данных по угле- и боро-пластикам с аналогичными данными типичных стеклопластиков [39, 71] свидетельствуют о том, что использование высокомодульных волокон при традиционных схемах армирования способствует лишь резкому увеличению жесткости материала в направлениях армирования; при этом заметного возрастания других упругих и прочностных характеристик не происходит. Главной отличительной особенностью высокомодульных композиционных материалов является большая по сравнению со стеклопластиками анизотропия упругих свойств [25]. Для углепластиков увеличение анизотропии упругих свойств обусловлено также анизотропией самих армирующих волокон. Существенных различий по прочностной анизотропии между стеклопластиками и высокомодульными материалами нет, но абсолютные значения межслойной сдвиговой прочности и прочности на отрыв в трансверсальном направлении однонаправленных и ортогонально-армированных углепластиков в 1,5—3 раза ниже аналогичных характеристик стеклопластиков.

Структура, образованная системой четырех нитей, перспективная в целях повышения жесткости при сдвиге материала в главных плоскостях по сравнению с жесткостью ортогональной трехнаправленной структуры. Композиционные материалы 4D имеют максимальные значения модулей сдвига в главных плоскостях кубической симметрии. Модули Юнга в главных осях минимальны; максимальные значения — в направлениях армирования — вдоль диагоналей куба. Создание этих материалов сложнее, чем

При четырех направлениях армирования, из которых три создают изотропию свойств в плоскости (табл. 1.2, схема 5), цпр снижается по сравнению с коэффициентом армирования по гексагональной однонаправленной схеме 1 на 38 %. В схеме 5 вследствие косоугольной укладки волокон в плоскости при касании их с волокнами ортогонального к плоскости направления имеется больше свободных вакансий для заполнения связующим, чем в случае трех ортогональных направлений армирования (схема 4). В случае пространственного косоугольного армирования волокна укладываются по четырем направлениям (схема 6) параллельно каждой из двух ортогональных плоскостей с наклоном к третьей плоскости под углом ±а. Преимущество этой схемы состоит в эффективном

словлен принципом создания межслой-ных связей в пространственно-армированных материалах. Искривлены могут быть волокна, расположенные как в плоскости слоя, так и перпендикулярно слою. Наличие даже малых искривлений у волокон слоя существенно отражается на характеристиках в направлениях армирования [5, 10, 11]. Теория армированных сред с малыми случайными неправильностями для од-

Характер кривых деформирования композиционных материалов, образованных системой двух нитей, как и слоистых материалов, определяется в основном расположением волокон и направлением нагрузки относительно главных осей материала. Существенную роль играет и степень искривления армирующих волокон. О влиянии угла нагружения на изменение характера диаграмм деформирования композиционных материалов свидетельствуют данные, представленные на рис. 4.4. На рисунке приведены типичные кривые деформирования при растяжении и сжатии в направлениях армирования и под углом к ним мате-

Растяжение и сжатие в направлениях армирования. Прочность материалов рассматриваемого класса, как и слоистых композиционных материалов, в основном определяются свойствами, со-

4.10. Прочностные характеристики (МПа) в направлениях армирования материалов, образованных системой двух нитей при

жения арматуры не способствует его росту. Увеличение Ех происходит за счет снижения степени искривления волокон основы. Модуль упругости в направлении утка при небольших усилиях натяжения в направлении основы (Л' ^ 0,25/?м) практически не изменяется (табл. 4.14). Чувствительность к натяжению арматуры коэффициентов Пуассона такая же, как и чувствительность модуля упругости в направлении основы. Создание натяжения в направлении прямолинейных волокон утка несущественно отражается на значениях модулей упругости. Одновременное натяжение арматуры в направлениях армирования способствует некоторому увеличению модулей упругости.

Влияние шага укладки волокон на упругие характеристики. Предложенные в § 5.1 расчетные зависимости для определения упругих характеристик трехмерноармированных материалов не учитывают такие весьма важные структурные параметры, как форма поперечного сечения волокон, и шага (плотность) их укладки. Расчет де-формативных характеристик был основан только на значении объемного содержания арматуры в направлениях армирования и свойствах исходных компонентов. Трехмерноармирован-ные композиционные материалы могут иметь одинаковые содержание арматуры и свойства исходных компонентов, но существенно различаться между собой формой сечения волокон и шагом их укладки, особенно при малом содержании волокон в направлении 3. Наличие различного шага укладки волокон вдоль координатных осей может являться одной из причин отличия расчетных значений упругих констант, вычисленных по зависимостям, приведенным в § 5.1, от реальных характеристик материалов, в частности

Сопоставление экспериментальных и расчетных значений коэффициентов Пуассона представлено в табл. 5.10. Расчетные значения были вычислены по полным зависимостям (см. табл. 5.1, 5.2), которые описывают верхний и средний -уровни изменения коэффициентов Пуассона (см. рис. 5.7). При одинаковом содержании волокон во всех трех направлениях армирования совпадение расчетных и экспериментальных значений коэффициентов Пуассона (см. табл. 5.10) удовлетворительное. При малом содержании арматуры в направлении 3 удовлетворительное совпадение опытных и расчетных значений наблюдается только для коэффициента Пуассона.

Прочность при одноосном нагруже-нии. Представление о прочностных свойствах материалов, образованных системой трех нитей, можно получить из опытных данных, приведенных в табл. 5.11. Данные получены на двух типах трехмерноармированных стеклопластиков, изготовленных на основе алюмоборосиликатных волокон. Анализ представленных данных свидетельствует о существенных различиях в значениях прочностей при растяжении в направлениях армирования по сравнению с прочностью при изгибе или сжатии этих матери-

Для проверочного расчета в целях прогнозирования упругих констант многонаправленного материала, армированного по вариантам 1—8 (см. табл. 3.11), используются данные работы [41 ], полученные методом усреднения жесткостей. В целях удобства анализа данные отнесены к значению модуля упругости и сдвига ортогонально-армированного в трех направлениях материала (рис. 3.14). Из диаграммы следует, что никакое армирование, приводящее к кубической симметрии упругих свойств, не позволяет получить значение модуля Юнга вдоль главных осей упругой симметрии большим, чем в материале, армированном в трех направлениях,

Прочность при растяжении в осевом и окружном направлениях материала на основе пироуглеродной матрицы составляла соответственно 145 и 55,2 МПа, а в радиальном направлении — 217,2 МПа, Для материалов на основе карбонизованной матрицы прочность при сжатии в осевом направлении равна 111,1 МПа. Скорость .абляции этого материала при одинаковых условиях испытания оказалась в 2 раза ниже, чем у материала с пироуглеродной матрицей.

зуется изменением угла между ортогональными плоскостями, являющимися диагональными сечениями куба. Модуль сдвига G[,2, = 0,16G0 и по значению близок модулю сдвига в главных плоскостях упругой симметрии трехмерноармированного в ортогональных направлениях материала. Остальные два модуля сдвига в системе l'2'З' остаются равными максимальному значению: G\-y = G2,3- = G0.

При хаотическом , распределении нитевидных кристаллов в одной плоскости, перпендикулярной к направлению волокон, модуль сдвига и модули упругости в этой плоскости повышаются более значительно, чем во всех других направлениях материала. Модули сдвига в двух других плоскостях и модуль упругости в направлен нии основных волокон, как это будет показано ниже, повышаются незначительно.

создать такую структуру материала, Ё Котором было бы согласб* вано поле напряжений и поле сопротивления. Поле напряжения определяется напряженно-деформированным состоянием, возникающим в материале изделия и зависит от вида конструкции и внешних силовых факторов. Поле сопротивления характеризуется предельными значениями физико-механических параметров, определенных в различных структурных направлениях материала. Конструкция, в которой поле сопротивления материала наиболее полно соответствует полю напряжений, обладает наивысшей технико-экономической эффективностью. Поле сопротивления композиционных материалов в значительной степени зависит от структуры материала.

Значение ст0 в изделии определяют комплексным неразрушающим методом по многопараметровому корреляционному уравнению, предварительно устанавливаемому путем статистической обработки экспериментальных результатов измерения физических параметров (скорость ультразвука,диэлектрическая проницаемость, коэффициент тепло- или температуропроводности) и прочности на одних и тех же образцах. При контроле прочности стеклопластика указанные физические характеристики в определенных структурных направлениях материала измеряют непосредственно в изделии. Таким образом, изменение физических характеристик, измеренных в различных участках изделия, будет характеризовать изменчивость значения предела прочности стеклопластика в данном конкретном изделии.

Для проверочного расчета в целях прогнозирования упругих констант многонаправленного материала, армированного по вариантам 1—8 (см. табл. 3.11), используются данные работы [41 ], полученные методом усреднения жесткостей. В целях удобства анализа данные отнесены к значению модуля упругости и сдвига ортогонально-армированного в трех направлениях материала (рис. 3.14). Из диаграммы следует, что никакое армирование, приводящее к кубической симметрии упругих свойств, не позволяет получить значение модуля Юнга вдоль главных осей упругой симметрии большим, чем в материале, армированном в трех направлениях,

Прочность при растяжении в осевом и окружном направлениях материала на основе пироуглеродной матрицы составляла соответственно 145 и 55,2 МПа, а в радиальном направлении — 217,2 МПа, Для материалов на основе карбонизованной матрицы прочность при сжатии в осевом направлении равна 111,1 МПа. Скорость .абляции этого материала при одинаковых условиях испытания оказалась в 2 раза ниже, чем у материала с пироуглеродной матрицей.

зуется изменением угла между ортогональными плоскостями, являющимися диагональными сечениями куба. Модуль сдвига G[,2, = 0,16G0 и по значению близок модулю сдвига в главных плоскостях упругой симметрии трехмерноармированного в ортогональных направлениях материала. Остальные два модуля сдвига в системе l'2'З' остаются равными максимальному значению: G\-y = G2,3- = G0.

При хаотическом , распределении нитевидных кристаллов в одной плоскости, перпендикулярной к направлению волокон, модуль сдвига и модули упругости в этой плоскости повышаются более значительно, чем во всех других направлениях материала. Модули сдвига в двух других плоскостях и модуль упругости в направлен нии основных волокон, как это будет показано ниже, повышаются незначительно.