Сдвиговой прочности

Независимо от уже имевшихся количественных оценок некоторые исследователи указывали, что свойства композитных материалов должны зависеть от того, насколько поверхности раздела отличаются по свойствам от матрицы и волокна. Купер и Келли [13], например, делят характеристики композитного материала на те, которые определяются в основном прочностью поверхности раздела при растяжении о,, и те, которые определяются сдвиговой прочностью ti. В числе характеристик, определяемых прочностью поверхности раздела при растяжении, авторы называют поперечную прочность, прочность на сжатие и сопротивление распространению трещины в процессе расслаивания при испытании на растяжение. К характеристикам, которые определяются в основном сдвиговой прочностью, относятся критическая длина волокна (длина передачи нагрузки), характер разрушения при вытягивании волокон и деформация матрицы в изломе. Теория Купера и Келли будет рассмотрена ниже.

Для решения этих уравнений и определения зависимости ггк= =/(6) необходимы экспериментальные значения продольной, поперечной и сдвиговой прочности композита при сжатии и растяжении. Теория не предполагает определенного механизма разрушения; влияние поверхности раздела на прочность при внеосном растяжении может быть учтено лишь косвенно — с помощью экспериментальных данных для 0 и 90°, а форма кривой при значениях углов, близких к 45°, определяется в основном сдвиговой прочностью 'композита и величиной недиагональных членов тензора Fij. Цай и By показали, что с теорией хорошо согласуются экспериментальные данные по прочности однонаправленных углепластиков при внеосном нагружении, но для других композитов или более сложных видов напряженного состояния теория не проверялась. .,..

В работе [31] электрохимический метод использовался также для определения пористости волокна и типа функциональных групп на его поверхности. По скорости изменения электрического заряда после возникновения скачка потенциала можно в какой-то мере судить о пористости волокна, однако этот параметр не связан со сдвиговой прочностью композита. Наличие функциональных групп на поверхности можно установить только для обработанного волокна Courtaulds путем определения электрического заряда при восстановлении поверхностных групп, которое сводится к простому переносу электронов и обнаруживается с помощью усиленного сигнала электронного спинового резонанса. В случае волокна Gourtauldsi добавление одного электрона соответствует содержа-

По, данным Херрика [48], присутствие карбоксильных групп на поверхности необработанных, окисленных в HNO3 и обработанных водородом ".волокон Оказывает влияние на сдвиговую прочность композита. Из табл. 21 Видно, что как увеличение реакционноспо-собных функциональных групп на поверхности волокна,'так и увеличение его удельной поверхности приводит к повышению прочности композита н'а сдвиг.' .. г. .. .•".••• ^Сравнение величины удельной поверхности волокнЗ'со сдвиговой прочностью композитов, армированных одинаково обработанными графитовыми волокнами, показывает, что обработка водородом не приводит к понижению прочности на сдвиг (табл. 22), что. противоречит данным Херрика ,[48]. Полагают, что повышение адгезионной связи на поверхности раздела объясняется высокой реакционной способностью поверхности волокон. Очевидно, что как увеличение удельной поверхности, так и повышение ее реакционной способности приводят к росту сдвиговой прочности композитов, однако количественное соотношение получить трудно.

В дальнейших исследованиях было показано, что прочность адгезионной связи на поверхности раздела необработанное волокно— смола значительно ниже, чем после обработки поверхности графитовых волокон. У композитов на основе эпоксидной смолы ERL-2256-0820 с высокой сдвиговой прочностью, армированных

Отметим, что, если первым выполняется условие (40а), прочность при изгибе совпадает с межслойной сдвиговой прочностью. Измеряемая величина прочности при изгибе обычно бывает больше прочностей при продольном растяжении или сжатии. Это означает, по-видимому, что первое разрушение, которое удается обнаружить, соответствует разрыву более чем одного крайнего ^наиболее нагруженного слоя. Достаточно сказать, что разрушение ^однонаправленного волокнистого композита при изгибе — сложное явление, требующее точных методов анализа для надежного предсказания напряженного состояния и связанного с ним процесса разрушения.

Первоначально внимание было сосредоточено на высокомодульных волокнах типа I (HM). Было обнаружено, что композиты на основе таких волокон обладают низкой межслойной сдвиговой прочностью, в некоторых случаях она была равна всего лишь 15 Н/мм2. В дальнейшем было установлено, что поверхностная обработка волокон путем их окисления может приводить к существенному повышению межслойной сдвиговой прочности композитов. Характерная для этого случая величина прочности приведена в табл. II для Графила HM-S (S — surface treatment —• поверхностная обработка). С использованием волокон типа II можно получить совершенно хрупкие композиты, не обнаруживающие разрушения в виде межслойного сдвига при изгибном испытании по схеме короткой балки. Установлено, что волокна типа III в необработанном состоянии обеспечивают удовлетворительную меж-слойную сдвиговую прочность.

основном сдвиговой прочностью матрицы и поверхности раздела волокно — матрица. Во втором случае эффект армирования есть и при больших объемных долях арматуры может быть весьма значительным. Рост прочности при межслойном сдвиге композита с увеличением объемной доли арматуры продемонстрирован в [9]. Плоскости, по которым происходит контакт различно ориентированных слоев композита, также слабо сопротивляются сдвигу и действию напряжений поперечного отрыва, и разрушение, происходящее по этим плоскостям, принято называть «межслойным разрушением» (из-за того, что оно происходит от напряжений, развивающихся между слоями).

Когда кривая ov(er) всюду выпуклая к оси ег, как в идеальной жидкости без фазовых переходов, ударный фронт всегда устойчив и включает всю фазу сжатия в ударной волне. Наличие на кривой сжатия выпуклого к оси вт участка (области перегиба) нарушает устойчивость ударной волны. Вследствие этого переход от упругого к упруго-пластическому деформированию материала, нарушающий условие устойчивости ударной волны, приводит к разделению фронта волны на упругий предвестник и следующую за ним ударную пластическую волну, распространяющиеся со скоростями соответственно ао и D. При низкой интенсивности ударной волны сопротивление сдвигу оказывает существенное влияние на ее распространение и, следовательно, при выполнении расчетов необходим учет вязко-пластического поведения материала при деформации в ударной волне. Пренебрежение эффектами, связанными со сдвиговой прочностью, может привести к значительности погрешности в расчетах [161, 245].

7. Каким образом дислокационная модель объясняет существующее большое различие между теоретической и наблюдаемой сдвиговой прочностью металлов в экспериментах?

Чаще всего используются «неупругие» типы адгезивов, т. е. такие, у которых существует нелинейная зависимость соотношений напряжение — деформация. Используя материалы с высокой сдвиговой прочностью и не очень высоким модулем сдвига, можно создать соединения композитов, не слишком чувствительные к концентраторам напряжений. С другой стороны, такой тип адгезивов за счет высоких прочностей может существенно увеличить абсолютное значение напряжений в соединении.

Для композиций с однонаправленными волокнами возможны по меньшей мере три механизма разрушения и соответственно три важных показателя прочности — продольная (о^), трансверсаль-ная (аьт) и сдв'иговая прочность (тй). Относительная роль этих показателей зависит помимо многих других факторов от угла 9 между направлением приложения нагрузки и осью ориентации волокон. Если угол 6 не превышает 5°, то растягивающее напряжение практически параллельно ориентации волокон; в этом случае продольная прочность превалирует и определяет характер разрушения. Если угол 6 лежит в интервале 5 — 45°, то важнейшим фактором, определяющим прочность композиции и характер разрушения, становится сдвиговая прочность "tft. При еще большем значении угла 0 характер разрушения зависит от трансвер-сальной прочности. Для большинства волокнистых композиций продольная разрывная прочность abL значительно превышает прочность матрицы а^, поскольку основной вклад в прочность материала вносят волокна. Сдвиговая прочность композиции сравнима со сдвиговой прочностью матрицы, а трансверсальная прочность композиции обычно ниже (примерно в 2 раза) прочности матрицы. Уравнение, которое достаточно хорошо согласуется с экспериментальными данными о прочности волокнистых композиций как функции угла 9, имеет вид [25]:

Особенности структурных свойств композиционных материалов на основе углеродных и борных волокон с традиционными схемами армирования исследованы в работах [20, 25, 33, 59, 70]. Анализ и сопоставление полученных данных по угле- и боро-пластикам с аналогичными данными типичных стеклопластиков [39, 71] свидетельствуют о том, что использование высокомодульных волокон при традиционных схемах армирования способствует лишь резкому увеличению жесткости материала в направлениях армирования; при этом заметного возрастания других упругих и прочностных характеристик не происходит. Главной отличительной особенностью высокомодульных композиционных материалов является большая по сравнению со стеклопластиками анизотропия упругих свойств [25]. Для углепластиков увеличение анизотропии упругих свойств обусловлено также анизотропией самих армирующих волокон. Существенных различий по прочностной анизотропии между стеклопластиками и высокомодульными материалами нет, но абсолютные значения межслойной сдвиговой прочности и прочности на отрыв в трансверсальном направлении однонаправленных и ортогонально-армированных углепластиков в 1,5—3 раза ниже аналогичных характеристик стеклопластиков.

слоистыми материалами также и в модулях сдвига G13 и G23 (см. рис. 5.6). Однако главное преимущество при введении арматуры в направлении 3 состоит в резком увеличении межслой-ной сдвиговой прочности и прочности на отрыв в трансверсальном направлении (табл. 5.22).

1,6 раза ниже коэффициента армирева-ния однонаправленных материалов. Еще большее расхождение наблюдается в значениях прочности на отрыв в трансверсальном направлении. Прочность Кг однонаправленных углепластиков в 8 раз ниже прочности трехмерноармированных. Несколько меньше, по сравнению с углепластиками, различаются значения меж-слойной сдвиговой прочности и прочности на отрыв в трансверсальном направлении у трехмерноармированных и слоистых стеклопластиков.

Зависимость прочности при сдвиге от указанного технологического фактора четко не обнаруживается — в случае равномерного распределения волокон имеет место заметное повышение ее значений, а при неравномерной укладке — некоторое снижение (см. табл. 6.6, тип 1 и 2). Наибольшее влияние на эту характеристику оказывает тип матрицы. Композиционные материалы с пироуглеродной матрицей имеют значительно большие показатели сдвиговой прочности, чем материалы на основе пековой матрицы (см. тип 1А и 3). Усложнение трехмерной структуры армирования способствует повышению их межслойной

Более подробные сведения о механических свойствах углепластиков на основе волокон, вискеризованных нитевидными кристаллами ТЮ2 из аэрозоля и Si3N4 из газовой фазы, приведены в табл. 7.3. Очевидно, что углепластики на основе вискеризованных волокон из аэрозоля вследствие хаотического расположения нитевидных кристаллов во всем объеме имеют одинаковые значения модулей сдвига. Углепластики, армированные вискеризованными волокнами из газовой фазы, имеют незначительное превышение значений модуля сдвига G^,, по сравнению со значениями межслой-ного модуля GXZ, что свидетельствует о близости характера распределения нитевидных кристаллов в этих плоскостях. Существенные различия в меж-слойной сдвиговой прочности и прочности при изгибе образцов, вырезанных в трансверсальном направлении двух рассматриваемых материалов,

во всем исследованном диапазоне значений лкр, то прочность при сдвиге растет с увеличением объемного содержания кристаллов до 5 %. Дальнейшее увеличение значений акр приводит к резкому снижению сдвиговой прочности стеклопластика. Это обусловлено особенностями метода виске-ризации, при котором с увеличением содержания нитевидных кристаллов и толщины слоя ткани затрудняется их внедрение в пространство между волокнами; кристаллы начинают располагаться в плоскости ткани. Оптимальное объемное содержание кристаллов, при котором достигаются максимальные значения сдвиговых характеристик 'исследуемого стеклопластика, составляют 5—6 % . Прочность при сдвиге в значительной степени определяется также диаметром нитевидных кристаллов, применяемых для виске-ризации. С уменьшением диаметра нитевидных кристаллов значение прочности возрастает (см. рис. 7.9).

Рис. 7.10. Зависимость межслойной сдвиговой прочности (МПа) K"X (1, 2) и

Материалы на основе углеродных волокон, вискеризованных нитевидными кристаллами карбида кремния, и эпоксидных, а также полиамидных связующих описаны в работах [19, 20, 25]. Использование указанных волокон в материалах, как показано в работе [102], приводит к резкому увеличению прочности на сдвиг, причем возрастание сдвиговой прочности пропорционально объемному содержанию нитевидных кристаллов. Влияние содержания нитевидных кристаллов на некоторые свойства при изгибе углепластиков, изготовленных на основе эпоксидного связующего Эпон 828, характеризуют данные, приведенные в табл. 7.7. Для межслойной сдвиговой прочности эти данные во многом условны. Они получены методом трехточечного изгиба образцов при llh = 3 и не характеризуют фак-

29. Жигун И. Г., Якушин В. А., Ивонин Ю. Н. Анализ методов определения межслойной сдвиговой прочности композитных материалов. — Механика полимеров, 1976, № 4, с. 640— 648.

63. Портнов Г. Г. Влияние низкой сдвиговой прочности полимерного слон на несущую способность труб из стеклопластиков. — Механика полимеров, 1967, № 3, с. 553—556.

Кроме перечисленных работ, этот метод был использован при доследовании стеклопластиков Константиновым и Стреляевым [111] и композиций бор — алюминий [112]. Хотя этот метод использовался и для определения сдвиговой прочности [198], практика показала, что его целесообразно использовать лишь для определения модуля сдвига.