Однонаправленных армированных

Рис. 4. Расчетные характеристики упругих свойств однонаправленных эпоксидных боропластиков: Е—модуль Юнга, G—модуль сдвига; v — коэффициент Пуассона; индексы 1, 2, 3 обозначают направления вдоль, поперек волокон и перпендикулярно толщине слоя соответственно [9 ]

Рис. 5. Расчетные тепловые характеристики однонаправленных эпоксидных боропластиков: /с — коэффициент теплопроводности; Я—удельная массовая теплоемкость; а — температурный коэффициент линейного расширения; индексы 1, 2 и 3 обозначают направления вдоль, поперек волокон и перпендикулярно толщине слоя соответственно [9 ]

Рис. 6. Расчетные значения разрушающих напряжений для однонаправленных эпоксидных боропластиков:

НА ИЗГИБ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ ЭПОКСИДНЫХ КОМПОЗИТОВ ПОСЛЕ

НА СДВИГЕ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ ЭПОКСИДНЫХ КОМПОЗИТОВ ПОСЛЕ

Таким образом, работоспособность стеклопластиков в упругой стадии высока, но при повышении изгибающих нагрузок нужно учитывать-, что модуль упругости находится в пределах 3,5-г-6,5-105 кг/см2 для однонаправленных эпоксидных стеклопластиков [6].

и однонаправленных эпоксидных композиционных материалов [53]

На рис. 5.7 и 5.8 приведены экспериментальные значения прочности однонаправленных эпоксидных пластиков, армированных волокнами Кевлар и углеродными волокнами, в сравнении с кривыми, рассчитанными по уравнениям (5.12) и (5.13). Экспериментальные данные определяли при растяжении трубчатых образцов (полученных методом намотки) вдоль оси образцов, при внутреннем давлении и кручении. Объемное содержание волокон составляло приблизительно 60% [6] . Данные на рис. 5.7 соответствуют сложному напряженному состоянию, полученному путем комбинации напряжения а2, направленного вдоль оси волокон, и сдвигового напряжения т\ 2 • Сложное напряженное состояние (см. рис. 5.8) получается в результате суперпозиции напряжения QI вдоль оси образца (параллельно ориентации волокон) и напряжения а2, направленного под углом 90° к армирующим волокнам. Характеристики сложного напряженного состояния, возникающего при комбинации напряжений а2 и т\г, согласуются с зависимостями (5.12) и (5.13). Для сложного напряженного состояния, обусловленного су-

На рис. 5.7 и 5.8 приведены экспериментальные значения прочности однонаправленных эпоксидных пластиков, армированных волокнами Кевлар и углеродными волокнами, в сравнении с кривыми, рассчитанными по уравнениям (5.12) и (5.13). Экспериментальные данные определяли при растяжении трубчатых образцов (полученных методом намотки) вдоль оси образцов, при внутреннем давлении и кручении. Объемное содержание волокон составляло приблизительно 60% [6] . Данные на рис. 5.7 соответствуют сложному напряженному состоянию, полученному путем комбинации напряжения о2, направленного вдоль оси волокон, и сдвигового напряжения TI 2 . Сложное напряженное состояние (см. рис. 5.8) получается в результате суперпозиции напряжения QI вдоль оси образца (параллельно ориентации волокон) и напряжения о2 , направленного под углом 90° к армирующим волокнам. Характеристики сложного напряженного состояния, возникающего при комбинации напряжений о2 и Ti2, согласуются с зависимостями (5.12) и (5.13). Для сложного напряженного состояния, обусловленного су-

и однонаправленных эпоксидных композиционных материалов [53]

1. Характеристики свойств высокомодульных волокон и однонаправленных эпоксидных композиций

Гузь А. Н., О построении теории прочности однонаправленных армированных материалов при сжатии, Пробл. прочности, № 3, (1971).

(3) Минимальный порядок тензорного полинома критерия разрушения может быть явно определен из таких экспериментов, в которых критерий разрушения согласовывался бы с соответствующим разбросом характеристик материала. Экспериментально обнаружено, что для многих однонаправленных армированных композиционных материалов (например, углепластиков, композитов бор — алюминий) достаточно использовать первые два члена тензорного полинома.

С неоднородностью композита приходится сталкиваться на двух уровнях. Во-первых, каждый слой слоистого композита можно представить как однородный анизотропный, а композит в целом — как материал, составленный из таких слоев. В этом случае неоднородность на макроуровне ведет к учету эффектов свободных кромок, расслоения и эффектов, связанных с последовательностью укладки слоев по толщине. Во-вторых, неоднородность может быть включена в анализ на микроуровне, при этом волокна и матрица слоя рассматриваются как раздельные фазы. Нетрудно заметить, что при этом анализ напряжений для слоистого композита с произвольной схемой армирования становится практически неосуществимым. Следовательно, подход к изучению разрушения композитов с позиций микромеханики применим только для простейших однонаправленных армированных материалов.

Рис. 1. 5. Удельная прочность и удельный модуль упругости различных однонаправленных армированных материалов [2].

Таблица 7.3. Свойства однонаправленных армированных пластиков на основе эпоксидной матрицы

прочности при растяжении OQ к удельному весу р) и удельная жесткость (отношение продольного модуля упругости Е к удельному весу р) различных однонаправленных материалов на их основе [2] . На рисунке подчеркнуты названия и обозначения однонаправленных армированных материалов с высокими удельными характеристиками.

свойства получаемого материала можно варьировать также путем изменения содержания армирующих волокон. У армированных волокнами однонаправленных материалов прочность и модуль упругости в направлении, перпендикулярном волокнам, меньше их величин в направлении, параллельном волокнам. При расчете металлических материалов в качестве критерия разрушения используют напряжения в направлении, которое может отличаться от направления армирования. Для углепластиков модуль упругости полимерной матрицы мал, и при сжимающей нагрузке разрушение происходит вследствие изгиба, волокон. Поэтому, как следует из данных, приведенных в табл. 1.3, прочность при сжатии однонаправленных армированных материалов гораздо ниже их прочности при растяжении *).

Сухой (т. е. с использованием препрегов) метод получения профильных изделий из однонаправленных армированных пластиков разрабатывается в настоящее время в США, однако сведения об этих работах крайне скудны.

В общем случае, т. е. для анизотропных материалов, описываемых уравнением (5.4), симметрия отсутствует. Однако, как показано на рис. 5.3, в однонаправленных армированных материалах и анизотропных материалах, армированных равным количеством волокон в двух взаимно перпендикулярных направлениях, существует симметрия. Например, при повороте квадрата на рис. 5.3, а на 180° вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка, а на рис. 5.3, б — вокруг той же оси на 90 и 180° имеем ту же анизотропию, что и в исходных прямоугольных координатах. При этом число независимых упругих постоянных в этих двух случаях будет равно соответственно 13 и 6. Для изотропного материала имеются только две независимые упругие постоянные. Упругие постоянные армированных волокнами материалов могут существенно изменяться при изменении не только содержания волокон, но и их ориентации. Это означает, что средством регулирования упругих (и прочностных) свойств может служить варьирование содержания и ориентации волокон.

Таблица 8.2. Характеристики однонаправленных армированных пластиков (матрица — эпоксидная смола, содержание волокон 60 об.%) [2]

Прочность, модуль упругости и другие механические характеристики волокон из оксида алюминия близки по своим значениям к аналогичным характеристикам углеродных волокон. Поэтому можно использовать те же методы расчета композиционных материалов, что и в случае углепластиков. Методы формования армированных пластиков на основе волокон из оксида алюминия аналогичны методам формования углепластиков. Физико-механические характеристики однонаправленных армированных пластиков на основе эпоксидной смолы и волокон из оксида алюминия приведены в табл. 8.9. От углепластиков эти материалы отличаются тем, что обладают хорошими электроизоляционными свойст-