Прочность композиционного

С технологической точки зрения удобно использовать отдельные пластмассы, находящиеся в жидком состоянии при нормальной температуре. В первую очередь это относится к производству крупногабаритных деталей из композиционных пластиков. Пластики состоят из связующей смолы, наполнителя и в некоторых случаях отвердителя и ускорителя отверждения. В качестве связующего предпочтительнее использовать полиэфирные и эпоксидные смолы. Эти смолы характеризуются высокой адгезией к наполнителю и способностью отверждаться при нормальной температуре за счет добавления к ним отвердителей и ускорителей отверждения (перекиси бензола, нафтената, кобальта, полиэтиленполиамина и др.). Высокая прочность композиционных пластиков зависит от применяемых наполнителей (стеклоткани и стекловолокна, хлопчатобумажные ткани и волокна, металлическая сетка и проволока,

Модуль упругости и прочность композиционных материалов в направлении волокон практически не изменяются при использовании вискери-зованной арматуры вместо обычной. Для материалов, изготовленных методом прессования, препрегов, способ вискеризации волокон не оказывает заметного влияния на значения модулей межслойного сдвига. Этот вывод подтверждается сопоставлением экспериментальных значений межслойного модуля сдвига углепластиков, полученных на основе вискеризованных волокон из газовой фазы и из аэрозоля (см. табл. 7.2).

Межслойная сдвиговая прочность композиционных материалов, изготовленных на основе вискеризованных волокон, как и характеристики в направлении армирования, в значительной степени определяется свойствами волокон. Это следует из табл. 7.6, где приведены свойства при изгибе эпоксидных и полиамидных углепластиков на основе волокон Модмор I и Торнел 50, вискеризованных нитевидными кристаллами одного типа. Сдвиговая прочность углепластиков на основе полиамидных связующих существенно ниже, чем на основе эпоксидных.

Одним из основных параметров, влияющих на прочность композиционных материалов, армированных волокнами, является прочность связи между волокнами и матрицей. Особенно важно обеспечить надежную связь в композициях, упрочненных дискретными волокнами, поскольку от нее зависит эффективность передачи напряжения от матрицы к армирующим элементам.

Для механического соединения двух композитов или компо-, зита с металлом не приемлемы традиционные способы и конструкции скрепления. Причиной этого является низкая прочность композиционных материалов на смятие и сжатие (особенно при армировании стеклянными и графитными волокнами) и органически присущее им наличие слабых полимерных прослоек с низкой прочностью. В дополнение к этому многие композиты имеют низкую прочность на сдвиг в плоскости армирования, существенно понижающую несущую способность механических соединений. Кромочные эффекты вблизи отверстий или других нарушений сплошности материала могут не только вызвать местное межслой-ное разрушение материала, но и существенно изменить величину эффективного коэффициента концентрации напряжений. Этот коэффициент, зависящий в первую очередь от ориентации армирующих волокон по отношению к направлению нагружения, может быть как ниже, так и намного выше коэффициента концентрации при тех же условиях в металлическом материале. При этих недостатках должны ли вообще применяться механические соединения композитов? Ответ на этот вопрос может быть положительным, если тип соединения и его конструкция выбраны надлежащим образом. Обоснование такого выбора является задачей весьма трудной из-за недостатка знаний и опыта в использовании механических соединений композитов.

В настоящем томе можно выделить три части. В ,первой части, по объему намного превосходящей остальные и содержащей главы 1—8, рассматривается деформационное поведение композитов. Темой второй части, охватывающей главу 9, является прочность композиционных материалов. Дополнительные сведения относительно прочности композитов можно найти в пятом томе (главы 3 и 10). Последняя часть, состоящая из главы 10 (к ней примыкает глава 9 восьмого тома), посвящена экспериментальным методам определения свойств композиционных материалов.

В настоящее время, по-видимому, нет другой теории, связывающей длительную прочность композиционных материалов, изготовленных из хрупких волокон и вязкоупругой матрицы, с вязко-упругими свойствами материала матрицы. Были предложены еще две теории (будут обсуждены позднее в настоящем разделе) для оценки длительной прочности волокнистых композитов, но они

112. Карпинос Д. М., Максимович Г. Г., Кадыров В. X., Лютый Е. М. Прочность композиционных материалов. Киев: Наукова думка, 1978. 236 с.

Длительная прочность композиционных материалов алюминий—бор в поперечном направлении определяется главным образом прочностью материала матрицы, причем, поскольку в процессе испытания происходит отжиг матрицы, то прочность практически не зависит от того, в термообработанном или отожженном состоянии находится материал перед испытанием. Так, например, длительная 100-часовая прочность сплавов 6061 и 2024 при 300° С соответственно равна 2 и 3,6 кгс/мм2. Длительная прочность композиционных материалов на основе этих матриц с 50 об. % волокна борсик при 300° С также соответственно равна 2 да 3 кгс/мм2 [109].

ПРОЧНОСТЬ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ АЛЮМИНИЙ — СТАЛЬНАЯ ПРОВОЛОКА ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Прочность композиционных материалов зависит не только от прочности самих нитевидных кристаллов, но и от способности металла матрицы передавать им приложенные нагрузки. Передача касательных напряжений на волокне возможна в случае прочной связи на границе раздела компонентов. Для чистых металлов это зачастую неосуществимо. В таком случае необходимо уменьшить межфазное натяжение в системе. Для этого можно изменить поверхностные свойства окисной фазы путем адсорбционного плакирования или изменить свойства металлического расплава, вводя в него межфазно-активные присадки.

появление которых сопровождается треском, не прекращающимся до конца нагружения образцов. При повторном нагружении образца треск отсутствует до достижения уровня начальной нагрузки, после чего появляется снова. Многократность повторного нагружения при постоянном верхнем уровне нагрузки, не приводит к заметным изменениям характера кривых деформирования. Это видно на рис. 4.5, где приведены типичные диаграммы деформирования при повторном нагружении материала С-П-21-50. На рис. 4.5, а линии повторного нагружения для наглядности смещены вправо от начального положения. В действительности же они практически совпадают. Опыты показывают, что многократное нагружение образца при сравнительно высоких напряжениях (0,7—0,8 от разрушающего) практически не влияет на прочность композиционного материала.

критерии прочности, разработанные для изотропного материала. В простейшем случае рассматривают два критерия: критерий прочности по наибольшим нормальным напряжениям и критерий прочности по наибольшим относительным удлинениям. При этом принимают, что при однородном напряженном состоянии прочность композиционного материала в целом исчерпывается при исчерпании прочности армирующих волокон или связующего.

Более точные методы анализа, такие как новый трехмерный вариант метода конечных элементов, необходимы для анализа сдвиговых эффектов внутри и на границе взаимодействия слоев композиционного материала. Эти методы также полезны при определении истинного напряженно-деформированного состояния образцов, используемых при прочностных испытаниях композиционных материалов, особенно в окрестности опор и захватов, как показано в работе Риззо и Викарио [14]. Пагайо и Пайпес [11] установили, что порядок чередования слоев оказывает определенное влияние на прочность композиционного материала. Необходимо продолжить исследования, направленные на более полное описание этого явления.

Помимо снижения эффективности поверхности раздела, химическое взаимодействие компонентов может привести к ухудшению-основных свойств упрочнителя. В результате взаимодействия ва поверхности упрочнителя часто возникают углубления и неровности, которые, по существу, являются надрезами. Поскольку боль шинству перспективных упрочнителей присуща высокая собственная чувствительность к надрезу, такие нерегулярности поверхности значительно снижают эффективную прочность упрочнителя, вследствие чего уменьшается и прочность композиционного мате-риала в целом.

Можно утверждать с уверенностью, что ни один из существующих теоретических подходов не позволяет определить прочность композиционного материала с точностью, достаточной для надежного проектирования. Более того, слабым местом ряда теорий является сложность получения исходных данных. В частности, необходимость проведения экспериментов при сложном напряженном состоянии. Расчеты по методу Пуппо и Эвенсена без расчета напряжений в отдельных слоях обеспечивают точность предсказания не хуже, чем другие подходы. В их теории композит рассматривается как сплошная среда, что позволяет не делать предположений об уравнениях состояния, исключает применение теории слоистых сред и ограничивает число предварительных механических испытаний. В большинстве случаев наблюдается приемлемое соответствие между экспериментальными и предсказанными диаграммами деформирования вплоть до разрушения, включая заметную нелинейность.

Определим теперь прочность композиционного материала при растяжении

Самый простой вариант метода пропитки заключается в укладке волокон в литейную форму и заливке в нее под действием силы тяжести расплавленного или полурасплавленного металла матрицы [122, 130]. При этом могут быть применены литейные формы, используемые для изготовления изделий из обычных металлических сплавов, и стандартное литейное оборудование. Существенным недостатком такого метода является наличие после заливки в материале пустот, сильно снижающих прочность композиционного материала. Образование таких пустот связано с тем, что при большом (40—80 об. %) содержании упрочняющих волокон, уложенных в литейной форме, расстояния между ними чрезвычайно малы, и давления заливаемого металла, обусловленного только весом металла, оказывается недостаточно для полной пропитки волокон. Другая важная причина образования пористости в матрице — отсутствие питателя (выпоров) в такой литейном системе, какой является отдельный капилляр, и отсутствие в связи с этим компенсации литейной усадки в этом капилляре. По-видимому, это явля-

Длительная прочность композиционного материала нимокаст 258 с различным содержанием вольфрамовой проволоки показана в табл. 20.

При температурах 1100—1200° С прочность и длительная прочность композиционного материала в 1,5—4 раза превышает аналогичные характеристики сплава матрицы ЖС6К.

Правило смеси для композиционных материалов с однонаправленным волокном основано на предположении, что прочность композиционного материала зависит только от прочности и соотношения компонентов и что напряжения одинаковы во всем объеме композиционного материала. Это, в свою очередь, требует допущения, что весь материал однороден и что связь на поверхностях раздела идеальна. Однако установлено, что предел проч-

между слоями или частицами матрицы, т. е. границе матрица-матрица, а также на границе матрица—волокно протекают диффузионные процессы, обеспечивающие прочную связь на этих границах и, в конечном счете, необходимую прочность композиционного материала.