Волокнами ориентированными

Межслойные связи осуществляются переплетением волокон основы с прямолинейными волокнами утка. Различия в характере образования связей обусловлены способом соединения прямолинейных волокон утка как по высоте пакета, так и по направлению оси х (рис. 1.2). Слои, лежащие рядом с волокнами направления у, могут соединяться друг с другом (рис. 1.2, а, б) по всей высоте пакета слоев (рис. 1.2, в—д) и через два слоя (рис. 1.2, е). Разрабатываются и более сложные схемы армирования [43], одна из них показана на рис. 1.2, ж. В направлении оси х наряду с искривленными волокнами может быть уложена и прямолинейная арматура (рис. 1.2, е). Рассматриваемый принцип образования межслойных связей позволяет также создавать материалы с переменными свойствами по толщине (рис. 1.2, ж).

Рис. 1.2. Варианты схем армирования, образованных системой двух нитей. Соединение рядом лежащих слоев с волокнами направления у.

ционный материал: первый слой с волокнами направления at и а3; рой — с волокнами направления О2 и а3. Упругие константы рассчитывают по известным формулам для двухмер-ноармированного материала. При этом напряженное состояние в отдельных слоях рассматривают на «макроуровне». Переход к макронапряжениям в этом случае означает осреднение покомпонентных полей напряжений. Степень осреднения при этом определяется областью интегрирования. В случае определения упругих характеристик слоя макронапряжения рассматривают в пределах каждой компоненты — волокна и связующего. При приближенном подходе их распределение в компонентах однородно. Неоднородные поля напряжений в компонентах рассмотрены в работах [9, 18, 69].

Для исследования зависимости упругих констант материала от параметров плотности аг (i — 1, 2, 3) достаточно рассмотреть диапазон изменения одного из них при фиксации двух других. В частности, изменение параметра а3 характеризует плотность укладки волокон направления 3 вдоль оси 1. Значения а3, обращающие первое из неравенств' (5.30) в равенство, соответствуют прямому контакту волокон (отсутствию между ними связующего) направления 3 с волокнами направления 1 либо 2.

Тип материала Объемное содержание арматуры, % волокнами направления 2 вдоль осей Толщина пластины.

Более подробные сведения о влиянии структуры армирования на формирование упругих свойств материалов содержатся в табл. 6.6. Было исследовано два вида структур [28] — ортогонально-армированная в трех направлениях и с переменной укладкой по толщине. Композиционные материалы были изготовлены методом пропитки каменноугольным пеком и газофазным насыщением (с пироуглероднои матрицей); их исходные данные собраны в табл. 6.7. Всего исследовано четыре типа материалов. Причем первый из них имел два варианта (А и Б) одинаковой структуры, различие состояло только в характере распределения волокон по направлениям армирования. Материал типа 2 имел ортогональное расположение волокон по трем направлениям и одинаковое их объемное содержание, но его изготовление проходило без повторной графитизации. Структура армирования материала типа 4 отличалась от первых трех тем, что угол укладки волокон в плоскости ху изменялся по толщине, т. е. каждый последующий слой по отношению к предыдущему поворачивался на угол 60е. Паке^т таких слоев пронизывался перпендикулярно плоскости ху волокнами направления 2. В качестве арматуры для всех исследованных материалов использовали углеродные волокна.

Межслойные связи осуществляются переплетением волокон основы с прямолинейными волокнами утка. Различия в характере образования связей обусловлены способом соединения прямолинейных волокон утка как по высоте пакета, так и по направлению оси х (рис. 1.2). Слои, лежащие рядом с волокнами направления у, могут соединяться друг с другом (рис. 1.2, а, б) по всей высоте пакета слоев (рис. 1.2, в—д) и через два слоя (рис. 1.2, е). Разрабатываются и более сложные схемы армирования [43], одна из них показана на рис. 1.2, ж. В направлении оси х наряду с искривленными волокнами может быть уложена и прямолинейная арматура (рис. 1.2, е). Рассматриваемый принцип образования межслойных связей позволяет также создавать материалы с переменными свойствами по толщине (рис. 1.2, ж).

Рис. 1.2. Варианты схем армирования, образованных системой двух нитей. Соединение рядом лежащих слоев с волокнами направления у.

ционный материал: первый слой с волокнами направления at и а3; рой — с волокнами направления О2 и а3. Упругие константы рассчитывают по известным формулам для двухмер-ноармированного материала. При этом напряженное состояние в отдельных слоях рассматривают на «макроуровне». Переход к макронапряжениям в этом случае означает осреднение покомпонентных полей напряжений. Степень осреднения при этом определяется областью интегрирования. В случае определения упругих характеристик слоя макронапряжения рассматривают в пределах каждой компоненты — волокна и связующего. При приближенном подходе их распределение в компонентах однородно. Неоднородные поля напряжений в компонентах рассмотрены в работах [9, 18, 69].

Для исследования зависимости упругих констант материала от параметров плотности аг (i — 1, 2, 3) достаточно рассмотреть диапазон изменения одного из них при фиксации двух других. В частности, изменение параметра а3 характеризует плотность укладки волокон направления 3 вдоль оси 1. Значения а3, обращающие первое из неравенств' (5.30) в равенство, соответствуют прямому контакту волокон (отсутствию между ними связующего) направления 3 с волокнами направления 1 либо 2.

Тип материала Объемное содержание арматуры, % волокнами направления 2 вдоль осей Толщина пластины.

Более подробные сведения о влиянии структуры армирования на формирование упругих свойств материалов содержатся в табл. 6.6. Было исследовано два вида структур [28] — ортогонально-армированная в трех направлениях и с переменной укладкой по толщине. Композиционные материалы были изготовлены методом пропитки каменноугольным пеком и газофазным насыщением (с пироуглероднои матрицей); их исходные данные собраны в табл. 6.7. Всего исследовано четыре типа материалов. Причем первый из них имел два варианта (А и Б) одинаковой структуры, различие состояло только в характере распределения волокон по направлениям армирования. Материал типа 2 имел ортогональное расположение волокон по трем направлениям и одинаковое их объемное содержание, но его изготовление проходило без повторной графитизации. Структура армирования материала типа 4 отличалась от первых трех тем, что угол укладки волокон в плоскости ху изменялся по толщине, т. е. каждый последующий слой по отношению к предыдущему поворачивался на угол 60е. Паке^т таких слоев пронизывался перпендикулярно плоскости ху волокнами направления 2. В качестве арматуры для всех исследованных материалов использовали углеродные волокна.

3. Композиты, армированные волокнами, ориентированными в нескольких направлениях

При комнатной температуре у однонаправленных композитов алюминия]2024, армированного волокнами бора с объемным со-держанием*40 % (диаметром 0,01 см), наличие водяного пара увеличивало скорость роста усталостных трещин и сокращало усталостную долговечность [49]. В ходе испытаний на знакопеременный изгиб композитные образцы колебались с постоянной амплитудой деформации и частотой, равной резонансной. Была получена тарировочная зависимость этой частоты от длины усталостной трещины, а затем изменения частоты были использованы для определения скоростей роста трещин. Испытывалось два типа образцов: один с волокнами, ориентированными вдоль, а другой с волокнами, ориентированными поперек оси образца. Для поперечной ориентации волокон чувствительность к водяному пару была наибольшей, в этом случае после введения паров воды в испытательную камеру скорость роста трещины увеличилась в 200 раз (рис. 20). Для алюминиевых сплавов было найдено, что усталостная долговечность изменяется под действием паров воды не более чем в 10 раз [49].

3) композиты с непрерывными волокнами, ориентированными во многих направлениях.

однонаправленное армирование — армирование непрерывными волокнами, ориентированными в одном направлении (ID) (рис. 1.306);

плоское армирование — армирование непрерывными волокнами, ориентированными в двух направлениях или тканями (2D) (рис. 1.30в);

многонаправленное армирование — армирование волокнами, ориентированными в трех и более направлениях (3D, 4D и т. д.) (рис. 1.30г).

Рис. 1.30. Характерные схемы расположения УВ в УУКМ: а — хаотическое расположение волокон (/ — из непрерывных волокон; 2 — из дискретных волокон (метод пультирования); 3 — из дискретных волокон (метод газоструйного осаждения); 4 — из дискретных волокон (метод преобразования)); б — однонаправленное армирование непрерывными волокнами; в — плоское армирование волокнами, ориентированными в двух направлениях или тканями; г — многонаправленное армирование волокнами, ориентированными в трех и более направлениях

Однако если направление действия нагрузки не совпадает с направлением волокон, то начинают играть роль физико-механические свойства полимерной матрицы. Поэтому для слоистых пластиков с волокнами, ориентированными в различных направлениях, следует оценивать долговременную прочность материала. При сжатии часть нагрузки воспринимается полимерной матрицей и в однонаправленном слоистом пластике,

Однако если направление действия нагрузки не совпадает с направлением волокон, то начинают играть роль физико-механические свойства полимерной матрицы. Поэтому для слоистых пластиков с волокнами, ориентированными в различных направлениях, следует оценивать долговременную прочность материала. При сжатии часть нагрузки воспринимается полимерной матрицей и в однонаправленном слоистом пластике,

Связь прочности ПКМ с пористостью рассмотрена в [425, с. 319/018]. Исследовали корреляцию прочности материала с затуханием ультразвука. Эксперименты проводили на образцах в виде колец с внутренним диаметром 615 мм, толщиной 5,7 мм и высотой 86 мм. Материал армирован углеродными волокнами, ориентированными в направлении окружности.

Композиционными материалами (КМ) называют материалы, созданные из двух или более компонентов, различающихся по химическому составу, разделенные ярко выраженной границей с новыми свойствами, отличающимися от свойств компонентов. Свойства, размеры, форма и распределение компонентов в КМ проектируются заранее и формируются в процессе изготовления. КМ подразделяют на волокнистые, слоистые и упрочненные дисперсными частицами (рис. 7.1). Компонент, непрерывный в объеме КМ, называют матрицей, прерывистый — армирующим элементом. В зависимости от геометрии армирующих элементов и их взаимного расположения свойства КМ могут быть одинаковыми во всех направлениях — изотропными (дисперсно-упрочненные КМ) и различными — анизотропными (КМ, упрочненные непрерывными волокнами, ориентированными в определенных направлениях).

Наиболее типичными примерами однонаправленных анизотропных материалов являются волокна, пленки и листы, ориентированные в нагретом состоянии в одном направлении, а также композиционные материалы с волокнами, ориентированными в одном направлении. Материал некоторых деталей, получаемых из полимеров литьем под давлением, является также однонаправленным, однако в большинстве случаев для него типична более сложная анизотропия свойств, неоднородная по объему и представляющая собой комбинацию одноосной и двухосной ориентации.