Поведение композита

В данном томе излагаются методы определения характеристик материала по характеристикам его компонентов (теория эффективных модулей), анализируется линейно упругое, вязкоупругое и упругопластическое поведение композиционных материалов, рассматриваются конечные деформации идеальных волокнистых композитов, описывается применение статистических теорий для определения свойств неоднородных материалов. Далее приводятся решения задач о колебаниях в слоистых композитах и о распространении в них воли, критерии разрушения анизотропных сред, описание исследования композиционных материалов методом фотоупругости.

Вязкоупругое поведение композиционных материалов

Механическое поведение композиционных материалов, содержащих один или несколько полимерных компонентов, в значительной мере зависит от времени. Такое поведение, называемое вязке/упругостью, проявляется по-разному; ползучесть при постоянном напряжении, релаксация напряжений при достоян-

4. Вязкоупругое поведение композиционных материалов 103

4. Вязкоупругое поведение композиционных материалов 105

Для того чтобы охарактеризовать или проанализировать линейное вяз-коупругое поведение композиционных материалов, можно использовать теорию так называемых «эффективных модулей» (или «эффективных податливостей»). Так же как и для упругих композитов, эта теория справедлива для статических

4. Вязкоупругое поведение композиционных материалов 107

4. Вязкоупругое поведение композиционных материалов 109

4. Вязкоупругое поведение композиционных материалов 111

4. Вязкоупругое поведение композиционных материалов 113

4. Вязкоупругое поведение композиционных материалов 115

Милейко С. Т., Сорокин Н. М., Голофаст Е. Г., Упруго-пластическое поведение композита с металлической матрицей при одноосном нагружении, Пробл. прочности, № 11 (1974).

На основе теорий, рассматривающих механическое поведение композита в целом, можно получить близкое к действительности описание связи напряжений с деформациями в композиционном материале в том случае, когда отношение наибольшего характерного размера структуры к наименьшему характерному размеру неоднородности деформации достаточно мало по сравнению с единицей. Самые элементарные сведения о механическом поведении композита в целом находятся путем осреднения перемещений, напряжений и деформаций по представительному объему. Простейшая теория для таких осредненных параметров связывает средние напряжения со средними деформациями при помощи так называемых эффективных упругих постоянных. В этой теории, которая называется «теорией эффективных модулей», механические свойства композита отождествляются со свойствами некоторой однородной, но, вообще говоря, анизотропной среды, «эффективные модули» которой определяются через упругие модули компонентов композита и параметры, характеризующие его структуру.

В теории эффективных модулей механическое поведение композита моделируется поведением некоторой однородной, но анизотропной среды. Детальное обсуждение положений этой теории, развитой в настоящее время до уровня количественного анализа, имеется во многих работах. Поэтому здесь мы ограничимся замечанием о том, что в данной теории осредненные по объему элемента неоднородности компоненты тензора напряжений (обозначаемые через Гц) связаны с осредненными тем же способом компонентами тензора деформаций (обозначаемыми через ehi', см. приложение Б) так же, как и в общей линейной теории анизотропных сред:

При феноменологическом подходе неоднородный композит рассматривается как сплошная среда, математическая модель которой строится на основе экспериментально полученных данных без объяснения механизмов, определяющих поведение композита. Если при построении модели уделяется должное внимание математическим требованиям, то феноменологический подход может быть использован для инженерного описания свойств материала, определяющих как локальное поведение, так и поведение материала в целом. В качестве примера описания в целом можно привести рассмотрение однонаправленных композитов как однородных анизотропных пластин (Хирмон [21], Лех-ницкий [28]).

Упругопластическое поведение композита 196—238

Волокнистые композиты отличаются от других многофазных материалов прежде всего высокой степенью направленности поверхностей раздела между упрочняющей фазой и окружающей ее матрицей. Еще одно важное отличие некоторых типов композитных материалов — наличие градиента химического состава в направлении, перпендикулярном поверхности раздела. Обычно считают, что это второе отличие, т. е. существование градиента химического состава, неблагоприятно, хотя возможны особые случаи, когда взаимная диффузия компонентов приводит к желательному упрочнению твердого раствора. Для понимания механики поверхностей раздела и их влияния на поведение композита в целом необходимо учитывать, представляет ли композит континуум или дисконтинуум в отношении как механических свойств, так и химического состава.

Хотя поведение .композита желательно анализировать, сводя к минимуму количество допущений, некоторые из них все же должны быть сделаны для упрощения математического описания задачи.

Адаме [1] и Райт [55] изучали влияние пластического течения матрицы на поведение композита при поперечном нагруже-нии. На рис. 10 величина напряжений на поверхности раздела соответствует случаю, когда приложенная к композиту нагрузка в 2,9 раза превышает нагрузку, при которой начинается пластическое течение в матрице (для алюминиевой матрицы в состоянии деформационного упрочнения напряжение начала пластического течения составляет 380 кГ/ом2). В таких условиях пластическое течение охватывает почти весь объем матрицы, и область поверхности раздела в интервале углов 0—80° оказывается в определенной мере пластически деформированной. Несмотря на это, рас-

Рассмотрим сначала случай твердой хрупкой частицы в относительно вязкой матрице. На поведение композита непосредственно влияют размер частиц, их объемная доля и прочность поверхности раздела. Частица действует как концентратор напряжений. Ее размер и расстояние до соседней частицы определяют взаимодействие между полями напряжений частиц. При разрушении такого композита трещина в непрерывной фазе (матрице) будет многократно наталкиваться на частицы. Если прочность поверхности раздела между частицей и матрицей мала, то трещина будет вести себя, как при взаимодействии с порой, поскольку такая частица не способна передавать растягивающие напряжения, а радиус кривизны у нее меньше, чем у фронта трещины. В результате возможен рост вязкости разрушения. Это подтверждается данными для армированных пластиков, у которых прочность связи по поверхности раздела можно в известной степени регулировать с помощью специальной обработки поверхности упрочнителя. В работах Браутмана и Саху [4], а также Уамбаха и др. [49] было установлено, что вязкость разрушения композитов с матрицей из эпоксидной смолы, полиэфира или полифениленоксида, армированных стеклянными сферами, растет по мере снижения прочности связи по поверхности раздела. Помимо затупления вершины трещины предложены и другие механизмы, объясняющие повышение вязкости разрушения. Браутман и Саху, например, связывают его с увеличением трещинообразования и деформации в подповерхностных слоях. Для исследованных композитов изменение объемной доли стеклянных шариков по-разному влияет на вязкость разру-

Эти результаты и другие показали, что способность к поглощению энергии волокнистых композитов строго ограничена. В работе [26] по исследованию бороалюминиевых композитов указано на то, что поведение композита при ударе определяется упругим поведением волокон; причем наличие связи между волокном и матрицей сильно препятствует поглощению энергии благодаря возможному появлению расслаивания и вытаскивания волокон. Влияние связи волокно — матрица на величину энергии, поглощенной в течение ударного испытания, исследовалось рядом авторов. В работе [20] изучалась ударная энергия по Изоду композитов, сделанных из углеродных волокон RAE тин 1 (высокомодульные) и тип 2 (высокопрочные) и двух типов смол. Адгезия между волокном и смолой для некоторых образцов была улучшена обработкой части волокон методом Харуэлла [1]. Экспериментальные результаты показывают, что для необработанных волокон, в особенности типа 1, значение энергии удара выше.

Последняя из работ по сопротивлению баллистическому удару, о которой надо упомянуть, это работа [55], Б которой исследованы обработанные и необработанные углепластики с большим объемным содержанием углерода. Двадцать четыре слоя одинаково расположенных высокопрочных угольных волокон были спрессованы в панель при помощи двух типов смол (Аралдит LY 558 — BF3 400 фирмы «Киба-Гейджи» и ERLA 4617 — метафенилендиа-мин Объединенной карбидной корпорации). Образцы испытывались на трехточечный изгиб до и после удара, и результаты сравнивались для определения влияния обработки волокна и типа смолы на поведение композита при ударе.