Однонаправленных волокнистых

Наиболее прочными на разрыв являются слоистые пластики (особенно древесно-слоистые и стеклотекстолиты), у которых az (по основе) составляет 250—300 Мн/м*, а у однонаправленных стеклопластиков достигает 700—800 Мн/м*.

Дэвис [51 ] для оценки свойств однонаправленных стеклопластиков использовал образцы типа представленных на рис. 25, а, б и 26, в, г. Как и Ромштад, он обнаружил существенную зависимость измеряемой сдвиговой прочности от типа образца и значительный разброс свойств при испытании однотипных образцов.

Рогинский С. Л., Дрейцер В. И., Канович М. 3., О связи прочности однонаправленных стеклопластиков при сжатии и сдвиге, сб. «Стеклянные волокна и стеклопластики», М., 1970.

Виброизолирующие и звукопоглощающие П. Для смягчения ударов и изоляции объектов от источников колебаний применяют амортизаторы — податливые упругие элементы, уменьшающие собств. частоту системы. Малая жесткость амортизаторов обеспечивается: выбором соответствующих конструктивных форм (пружины и рессоры, к-рые могут изготавливаться не только из стали, но и из однонаправленных стеклопластиков); высокой эластичностью материала (прокладки из эластомеров) и макроструктурой материала (пенокомпаунды; E
Однонаправленные стекловолокниты применяют для изготовления труб и различных профилей, в которых в условиях эксплуатации нагрузки направлены по длине детали. Полосы или профильные накладки из однонаправленных стеклопластиков наклеивают на наиболее нагруженные сечения детали по ее длине, тем самым выполняют местное упрочнение конструкции. Это дает экономию расхода конструкционных материалов и позволяет использовать методы проектирования, разработанные для металлических конструкций.

Однонаправленные стекловолокниты применяют для изготовления труб и различных профилей, в которых в условиях эксплуатации нагрузки направлены по длине детали. Полосы или профильные накладки из однонаправленных стеклопластиков наклеивают на наиболее нагруженные сечения детали по ее длине, тем самым выполняют местное упрочнение конструкции. Это дает экономию расхода конструкционных материалов и позволяет использовать методы проектирования, разработанные для металлических конструкций.

Прочность адгезионной связи между волокнами и матрицей оказывает решающее влияние на прочность композиций с короткими волокнами. Необходимо добиваться максимальной сдвиговой прочности по границе раздела волокно — полимер. В промышленности стеклопластиков успешно применяются аппреты, способствующие повышению адгезионной прочности стеклянных волокон к полиэфирным и эпоксидным смолам. Физико-химические процессы, протекающие при аппретировании стеклянных волокон, изучены достаточно хорошо [63]. В качестве аппретов обычно используют кремнийорганические соединения, в которых органический радикал совместим с полимерной матрицей. При гидролизе одной или нескольких связей =Si—OR в молекуле аппрете образуются силанольные группы =Si—ОН, способные реагировать с аналогичными группами гидрофильной поверхности стеклянных волокон. Теоретически между стеклом и полимерной матрицей образуются ковалентные связи. Важнейшей особенностью стеклопластиков с обработанными аппретами стеклянными волокнами является значительно меньшая потеря ими прочности и: жесткости при выдержке во влажной среде. Аппреты повышают прочность при изгибе и сдвиге однонаправленных стеклопластиков, однако они оказывают значительно меньший эффект на прочность при растяжении. В полимерных композициях с короткими волокнами использование ..аппретов целесообразно, если они обеспечивают заметное улучшение их свойств. В полиэфирных и эпоксидных стеклопластиках адгезионная прочность между стеклянным волокном и связующим достаточно высока и без использования аппретов вследствие хорошего смачивания волокон жидкими смолами, однако в термопластах, наполненных волокнами любых типов, значительно труднее добиться хорошего смачивания волокон полимерами и высокой адгезионной прочности между ними. Большое число исследований проведено по нахождению уело--. вий аппретирования стеклянных волокон, вводимых в термопла-

матрицы сопровождается значительным отслаиванием волокон от матрицы, и композиционный материал разрушается с растрескиванием или полным разрушением матрицы. В работе [79] было показано, что в однонаправленных стеклопластиках акустическая эмиссия фиксирует повреждение волокон при напряжениях, составляющих только 25% статической прочности, что свидетельствует об отсутствии истинного предела усталостной выносливости, ниже которого не наблюдается накопление усталостных повреждений в таких материалах. Типичные кривые а—N для однонаправленных стеклопластиков с непрерывными волокнами сравнивались с поведением полиэфирных премиксов на рис. 2.49. Аналогичное поведение должно наблюдаться и в материалах на основе углеродных и борных волокон, если нагрузки действуют не только на волокна. Если в материале, подвергаемом циклическим нагрузкам, наблюдается изгиб, кручение или межслоевой сдвиг или если материал слоистый с перекрестной укладкой, то в нем всегда развиваются достаточно большие сдвиговые или растягивающие напряжения, действующие на матрицу и приводящие к разрушению материала.

Таблица 6.13. Коэффициенты теплового расширения однонаправленных стеклопластиков в температурном интервале 295—313 К

Вид армирующего наполнителя во многом определяет выбор метода формования изделий. Так, элементарное стеклянное волокно, получаемое вытяжкой через фильеры из расплава, целесообразно использовать для получения высокопрочных однонаправленных стеклопластиков СВАМ: нити, жгуты, ленты -при намотке оболочек, рубленое волокно - для метода напыления, холсты и ткани - при контактном формовании, прессовании, прямой намотке труб, хаотично ориентированные волокна - при кйнтактном формовании и прессовании.

Эффективные значения упругих характеристик композиционного материала рассчитывают на основе метода регуляризации его структуры [8, 10, 11, 71). Согласно этому методу, частично упорядоченную реальную структуру армированного материала заменяют некоторой моделью, состоящей из периодически чередующихся в пространстве компонентов материала. Расчет упругих констант такой модели состоит в решении граничной задачи для многосвязной области. К настоящему времени результаты получены в основном для моделей однонаправленных волокнистых структур. В работе [10] решение представляется в виде ряда по эллиптическим функциям комплексного переменного. Численная реализация с применением ЭВМ позволила уточнить расчетные значения упругих констант композиционных материалов при различной геометрии укладки волокон в поперечном сечении однонаправленного материала. Одновременно выявлено влияние укладки на коэффициент концентрации напряжений в сплошных и полых волокнах.

и поперек (90°) волокон для двух типов однонаправленных волокнистых

где F(+)(t) и Л~'(0 — верхние и нижние значения эффективных упругих характеристик, в которых все постоянные материалов фаз заменены функциями релаксации и функциями ползучести. Это соотношение было проиллюстрировано Шепери [87] для частного случая модуля продольного сдвига в однонаправленных волокнистых композитах. Далее, учитывая, что для полимерных материалов часто хорошо выполняется приближение-F' « F при ш = s (ср., например, формулы (89) и (906)), Шепери [87] указал, что границы для функции F применимы и к F'. Однако предельные значения функции F" не были найдены.

Вернемся к обзору некоторых экспериментальных результатов и их теоретическому толкованию. Шульц и Цай изучали колебания консольных балок из однонаправленных волокнистых [100] и слоистых [101] композитов стекло —эпоксид. Исследовались свободные и вынужденные стационарные колебания с частотами от 5 до 10000 Гц [100] и вынужденные колебания с частотами от 30 до 9400 Гц [101], что позволило найти вещественную часть комплексного модуля (модуль накопления), а также коэффициент затухания для балок; в соответствии с рис. 12 коэффициент затухания, скажем у', в случае вынужденных колебаний для каждой резонансной частоты определяется как А(о/(2шп) (что приближенно равно V2tgq>).

V, Прочность однонаправленных волокнистых композитов при

V. Прочность однонаправленных волокнистых композитов при межслойном сдвиге и изгибе

Рис. 20. Виды распространения трещины, ориентированной вдоль волокон в однонаправленных волокнистых композитах.

позитов. Мы не собираемся обсуждать усталостные свойства, так как в настоящей книге имеется несколько глав, посвященных этой проблеме. Сделана попытка дать обзор экспериментальных и теоретических работ, проведенных по исследованию длительной прочности однонаправленных волокнистых композитов при нагру-жении в направлении волокон (разд. III). Далее описано влияние увеличения скорости деформации на прочностные свойства (разд. IV) и наконец показана реакция композиционного материала на удар (разд. V).

Число статей на эту тему (для однонаправленных волокнистых композитов) довольно невелико. Часть из них посвящена только экспериментальным наблюдениям, т. е. выясняется, зависит ли прочность от скорости или нет. Другие пытаются объяснить механизм разрушения при низкой и высокой скоростях деформации. Большинство работ выполнено в такой области скоростей деформаций, которая обычно свойственна стандартным испытательным машинам и обычно перекрывает четыре порядка скоростей (например, от 2-10~4 до 2 мин"1). Следующая область скоростей, которая до некоторой степени была исследована,— это уже область удара (представлена в следующем разделе), соответствующая скоростям деформации от 103 до 105 мин"1. Таким образом, остается пробел в описании механического поведения композиционных материалов.

Суммируя данные о влиянии скорости деформации на прочность однонаправленных волокнистых композитов, можно сказать, что, по-видимому, в интервале изменения скорости деформации, обычно используемом в стандартных испытательных машинах, изменения значений прочности не слишком велики. Эти изменения составляют 10 или 20% в зависимости от свойств составляющих и геометрии композита. При испытаниях с разными скоростями деформации наблюдались разные виды разрушения, однако в настоящее время не существует модели для предсказания прочностных свойств различных композитных систем при нагружении с переменными скоростями деформации.

2.3. РАЗРУШЕНИЕ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ ВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИТОВ