Пространственно армированного

Изложены методы расчета упругих свойств композиционных материалов с пространственными схемами армирования. Приведены упругие, теплофизические и прочностные характеристики пространственно-армированных композиционных материалов с разной структурой армирования. Рассмотрено влияние структурных и технологических параметров, объемного содержания и свойств арматуры и матрицы на характеристики композиционных материалов.

Разработка и внедрение пространственно-армированных материалов связаны не только с технологическими трудностями, но и с развитием нового раздела теории армированных сред. Поэтому в справочнике приведены и систематизированы зависимости для прогнозирования упругих свойств материалов с привлечением дополнительных структурный параметров: угла искривления армирующих волокон, количества арматуры в третьем направлении, объема и степени вискери-зации, пористости матрицы.

Расширение сферы использования пространственно-армированных материалов . вызывает необходимость доведения до промышленности надежных численных оценок физических и прочностных свойств этих материалов. Книга содержит обширный экспериментальный материал. Главное.внимание уделено межслойному сдвигу и поперечному отрыву. Улучшение показателей по этим характеристикам и по вязкости разрушения подтверждено экспериментами, что позволяет говорить о возможности расширения областей применения пространственно-армированных композиционных материалов.

Справочник обобщает опыт, накопленный при создании и исследовании пространственно-армированных композиционных материалов на основе полимерной матрицы. Главная цель книги — оценить конструкционные возможности существующих и перспективных схем пространственного армирования, знание которых должно способствовать более, широкому и рациональному применению этих перспективных материалов в ответственных конструкциях.

Первоначально область использования композиционных материалов с пространственным расположением армирующих волокон ограничивалась тепловой защитой космических и летательных аппаратов [91, ПО, 123], так как именно в условиях высокоскоростного нестационарного температурного нагружения наиболее велика опасность расслоения слоистых конструкций, возникающего вследствие различных технологических макродефектов [67]. Использование пространственно-армированных композиционных материалов для изготовления таких конструкций исключает опасность расслоения, так как наличие армирующих волокон в третьем направлении препятствует распространению макротрещин, появляющихся в местах дефектов.

Опыт применения пространственно-армированных материалов в целях тепловой защиты значительно расширил область их использования: используются не только теплозащитные, но и прочностные свойства материалов. Появилась новая область применения материалов, образованных системой трех нитей, — в супермаховиках. Применение современных композиционных материалов в супермаховиках представляет значительный интерес, так как максимальная удельная энергия, которая может быть накоплена в маховике, пропорциональна отношению прочности материала к плотности. Маховики, изготовленные намоткой из однонаправленных материалов, наряду с высокой прочностью в направлении армирования обладают традиционными

Способы создания. Известно несколько способов создания пространственно-армированных структур [19, 20, 22, 24, 25, 30, 55, 82, 91, 92, 101, 102, 107, 108, 125]. В зависимости от способа образования пространственных связей композиционные материалы можно разделить на четыре группы (рис. 1.1).

Композиционные материалы также могут быть подразделены на несколько групп в зависимости от вида применяемой арматуры и связующего. В качестве арматуры для изготовления пространственно-армированных материалов широко применяют обычные и высокомодульные стекловолокна. Для этих же целей используют высокомодульные углеродные волокна, причем преимущественно для изготовления материалов 2—4-й групп, применяемых для создания несущих нагрузку тепловых экранов летательных, космических и глубоководных аппаратов [90, 110, 122]. Для создания указанных групп пространственно-армированных композиционных материалов могут быть использованы и другие виды высокомодульных волокон, что обусловливается назначением и условиями их работы [15, 97, 116, 124, 125].

Одну из наиболее сложных задач при изготовлении пространственно-армированных композиционных материалов представляет выбор связующего [31, 68], особенно при изготовлении материалов, образованных системой двух, трех и п нитей [59]. Материалы могут иметь как обычную, так и пи-ролизованную матрицу. Сложность подбора связующего обусловлена трудностью пропитки. При повышенных толщинах на обычных пропиточных машинах нельзя полностью удалить из материала воздух, который при формовании приводит к пористости, поэтому пропитку таких материалов осуществляют в вакууме и под давлением 9 специальных пресс-формах. Необходимое содержание связующего достигается изменением степени уплотнения материала: чем толще материал, тем сложнее его пропитка. В качестве связующего используют низковязкие термореактивные смолы, которые при правильном выборе режимов и хорошо отлаженном технологическом процессе позволяют достигать плотности композиционных материалов на уровне теоретической. Так, для материалов, образованных системой двух нитей, при коэффициенте армирования ц =0,45 плотность р = = 1,80 г/см3 (теоретическая 1,80 г/см3), а при fi = 0,50 р = 1,85 г/см3 (теоретическая 1,86 г/см3).

Использование композиционных материалов, образованных системой двух нитей, для изготовления' изделий методом намотки позволяет значительно повысить их несущую способность при действии давления. Исследования показывают, что при изготовлении кольцевых образцов с внутренними слоями из пространственно-армированных материалов и наружными из слоистых можно ограничиться относительной толщиной RK/RB — 1,40, в то время как при использовании ленты тканого переплетения Ru/R-в = 1,88, при намотке колец из однонаправленной ленты ЛСБ-F RK/RB = 2,15 при одинаковых внутреннем радиусе и давлении.

Расчеты показывают, что упругие свойства пространственно-армированных композиционных материалов, образованных системой п нитей, уступают свойствам материалов на основе системы трех и четырех нитей.

Сравнение схем армирования с прямыми и криволинейными волокнами, согласно таблице, показывает, что повышение значения объемного коэффициента армирования у материалов с искривленными волокнами позволяет управлять упругими свойствами пространственно-армированного композиционного материала во всех направлениях. Такое управление в случае пространственного армирования одними прямолинейными волокнами ограничивается резким снижением общего объема арматуры в материале, соответствующим понижением его упругих констант и предела сопротивления при нагружении.

Смежные слои в материале могут различаться по ориентации и содержанию волокон в плоскости слоя. Арматура может быть прямолинейной, может иметь заданный или случайный (рис. 3.8) характер искривления. Содержание и расположение волокон, пронизывающих плоскости деления, во всех слоях одинаково. По схемам армирования слои можно разделить на три основные группы. К первой группе отнесены слои, у которых волокна двух направлений прямолинейны и взаимно ортогональны. Вторую группу составляют слои, у которых волокна, лежащие параллельно заданной плоскости деления, имеют заданную или случайную степень искривления. Волокна, пронизывающие слой, прямолинейны и ортогональны слою; К третьей группе отнесены слои, у которых волокна, лежащие в плоскости слоя, прямолинейны, а волокна, пронизывающие выделенные слои, наклонены под косым углом. Элементарный слой, выделенный из пространственно-армированного материала двумя параллельными плоскостями, представляет по своей структуре двухмерноармиро-

ванный композиционный материал. Для трехмерных структурных схем разбиение композиционного материала на слои является чисто методическим приемом, упрощающим расчет упругих характеристик пространственно-армированного материала и сводящим его к расчету слоистой модели.

ного из направлений армирования происходит путем изменения свойств матрицы по всему объему материала. Упругие характеристики слоя как дпухмерноармированного прямолинейными волокнами материала вычисляют по формулам табл. 3.2. Наложением слоев друг на друга завершается построение модели материала. Неоднородная структура пространственно-армированного материала представляется в виде пакета слоев, уложенных друг на друга, с различными свойствами (рис. 3.11). Каждый слой может содержать волокна в произвольном направлении, наличие волокон в направлении 3 учтено введением модифицированной матрицы. При таком подходе неоднородность структуры материала обусловлена только различием дефор-мативных свойств слоев. Достоверность расчета зависит от точности вычисления упругих констант отдельного слоя.

сматривается композиционный материал 4D с плотной упаковкой прямолинейных волокон. Направления во-локон параллельны направлениям высот тетраэдров, вершины которых совпадают с диаметральными вершинами куба (см. рис. 1.6). При такой схеме косоугольного пространственного армирования обеспечивается одинаковый угол между любой парой волокон из разных семейств. Этот угол в силу очевидного соотношения cos 0 = 1/3 6 «70° 30'. Геометрическая задача для пространственно-армированного в четырех направлениях композиционного материала с плотной упаковкой волокон состоит в установлении схемы расположения волокон одного семейства и определении объемного коэффициента армирования.

Как видно из (3.69), если модель пространственно-армированного материала представить лишь системой «раз-

Выбор любой приближенной модели для определения упругих свойств пространственно-армированного композиционного материала, исходя из свойств повторяющегося элемента (в идеальном случае — это решение краевой трехмерной задачи теории упругости на структурном уровне волокно—матрица), требует задания статико-кине-матических соотношений, определяющих механизм передачи усилий между элементами среды. Для слоистой модели эти соотношения обусловливают равенство деформаций в плоскости слоев вдоль высоты слоистой структуры материала и равенство напряжений, действующих в поперечном к плоскости слоев направлении [см. (3.16)]. Для других моделей, характеризующих пространственную структуру многонаправленного композиционного материала, статико-кинематические соотношения на поверхностях раздела разнородных элементов без решения

В некоторых случаях [40, 42, 43] для приближенных оценок упругих констант материалов с многонаправленной пространственной ориентацией волокон прибегают к формальным методам усреднения по Фойгту или Рейссу, характерным для среды с включениями. В качестве «включения» рассматривается анизотропный расчетный элемент, по упругим свойствам представляющий собой однонаправленный волокнистый материал. Повторяющийся элемент пространственно-армированного материала «составлен» таким образом из расчетных элементов, число которых равно числу направлений армирования. Принято, что все связующее композиционного материала распределено по расчетным элементам пропорционально объему арматуры каждого направления. Вследствие этого считается, что повторяющийся объемный элемент материала, упругие свойства которого следует определить, весь заполнен расчетными элементами с относительными объемами, равными отношению содержания арматуры в них ко всей арматуре повторяющегося элемента.

Используя метод усреднения для компонент тензора жесткости и податливости в отдельности, вводили с целью наилучшей корреляции результатов расчета с экспериментальными данными эмпирический коэффициент, значения которого заключены в пределах 0 < k < 1 [40, 42, 43]. В этом случае эффективные компоненты жесткости пространственно-армированного материала находят по правилу «смеси» усредненных в пределах повторяющегося объема значений компонент тензора жесткости расчетных элементов и их обратного тензора податливости:

Прием формального усреднения и полуэмпирический расчет по формулам (3.81) и (3.82) деформационных констант пространственно-армированного волокнистого композиционного материала являются недостаточно обоснованными для рассматриваемой в работах [40, 42, 43] модели. Логический довод в пользу обоснования принятой в (3.81) и (3.82) эмпирической «смеси» упругих характеристик заключается в следующем. В силу операции усреднения в общем случае тензоры эффективной жесткости и податливости не взаимообратимы, т. е. {{вш/М"1 ?= =* KBi/*/)} и поэтому {(a///k/)}-i *

В работе [43] для некоторых пространственно-армированных многонаправленных волокнистых композиционных материалов установлен диапазон 0,75