Волокнистых композиционных

В волокнистых композициях матрица скрепляет волокна или другие упрочняющие элементы в единый монолит, защищая их от повреждений. Матрица является средой, передающей нагрузку на волокна, а в случае разрушения отдельных волокон перераспределяет напряжения. Кроме того, ее механические свойства опре-

Особенность волокнистой композиционной структуры заключается в равномерном распределении, с повторяющейся геометрией, высокопрочных и высокомодульных волокон в пластичной матрице, содержание которых может колебаться от 15 до ~75 об. %. В то же время в дисперсноупрочненных материалах оптимальным содержанием дисперсной фазы считается 2—4 об.%, кроме того, ультрадисперсные частицы в указанных материалах, в отличие от непрерывных и дискретных волокон в волокнистых композициях, создают только «косвенное» упрочнение, т. е. благодаря их присутствию стабилизируется структура, формирующаяся при деформационной термической обработке.

Прочность композиций, армированных непрерывными волокнами. В волокнистых композициях непрерывные волокна обычно распределены по всему объему. В целях упрощения предположим, что они однородны, непрерывны, ориентированы в одном направлении и прочно сцеплены с матрицей, так что при деформировании между ними отсутствует проскальзывание. Пусть к образцу из такого композиционного материала приложена осевая нагрузка Р, которая связана с напряжением соотношением

Снижение сопротивления пластической деформации в момент перекристаллизации играет большую роль в формоизменении химически неоднородных материалов при термоциклировании. В этих условиях отклонение состава приповерхностных участков от среднего, обусловленное обезуглероживанием, цементацией или поверхностным легированием, может служить причиной размерной нестабильности стали при теплосменах даже в условиях равномерного изменения температуры. Отсутствие полиморфизма, однако, не является достаточным для того, чтобы неоднородные материалы не приобретали остаточных изменений размеров в результате равномерных периодических нагревов. Необратимое формоизменение происходит и в случае большого различия коэффициентов термического расширения элементов сложного по структуре материала, как это имеет место, например, в жаропрочных волокнистых композициях.

Причиной необратимого формоизменения часто являются полиморфные превращения. В металлах они совершаются в узком температурном интервале и сопровождаются заметным объемным эффектом. В результате последовательного развития перекристаллизации, обусловленного существованием градиентов температур, размеры тел необратимо меняются при практически неизменном объеме. С созданием физической или химической неоднородности, вследствие которой фазовые превращения происходят неодновременно или только в одной части поперечного сечения тел, размерная стабильность их при термоциклировании понижается. При большом различии коэффициентов термического расширения или широком интервале температурных колебаний необратимая деформация тел имеет место и при отсутствии температурных градиентов и фазовых переходов, что наблюдалось на жаропрочных волокнистых композициях. Формоизменение химически неоднородных материалов удовлетворительно описывается механизмом «термического зацепления». При оценке эффективности фазовых превращений необходимо учитывать снижение сопротивления пластической деформации в связи с переходом металла в сверх пластичное состояние.

Поскольку большинство полимерных композиций с короткими волокнами, распределенными хаотически, являются изотропными, их прочность при растяжении и сжатии должна быть примерно1 одинаковой. Однако, если все волокна ориентированы в направлении сжатия, то разрушение при сжатии наступит при меньшем напряжении, чем при растяжении. В материалах с низкой адгезионной прочностью сцепления волокон с матрицей при сжатии возможно продольное проскальзывание волокон, тогда как при растяжении поперечные силы, возникающие вследствие эффекта Пуассона, увеличивают прочность сцепления волокон с матрицей. При сжатии композиций с высокой адгезионной прочностью может быть реализована значительная часть их прочности при растяжении, однако при сжатии большая часть прикладываемой нагрузки выдерживает матрица, а так как волокна не являются непрерывными, локальные сдвиговые разрушения в матрице способствуют разрушению волокон при продольном изгибе с разрушением границы раздела волокон с матрицей и потерей усиливающего эффекта волокон. Аналогичная ситуация в однонаправленных волокнистых композициях при сжатии проанализирована! теоретически и рассмотрена позднее.

роль в волокнистых композициях 258

Правило смешения [уравнение (8.1)] описывает продольный модуль Юнга EL только для композиции, содержащей очень длинные волокна. Ориентированные короткие волокна дают более низкие значения EL. На рис. 8.2 приведена зависимость EJE-i от отношения длины волокон к их диаметру при EJE± = = 100; S-образная форма кривых обусловлена изменением коэффициента Л от 1,5 для сфер до бесконечности для очень длинных волокон. Отношение длины волокон к диаметру, большее, чем 100, позволяет реализовать все преимущества волокон в волокнистых композициях. Экспериментальные исследования однонаправленных коротковолокнистых композиций подтвердили теоретические представления о том, что только при соотношении длины к диаметру больше 100 композиции обладают максималь-

Рис. 8.8. Схема роста трещины в волокнистых композициях:

Если ударная нагрузка прикладывается параллельно волокнам, наибольшая ударная прочность наблюдается в композициях с относительно слабой адгезионной связью волокон с матрицей и их сравнительно малой длиной, примерно равной LKp. При этом максимальное количество энергии может быть рассеяно при трении волокон в процессе их выдергивания и разрушения связи волокно—матрица [84—86]. Очень длинные волокна с хорошей адгезией к матрице снижают ударную прочность, по крайней мере при использовании пластичной матрицы, главным образом из-за резкого уменьшения относительного удлинения при разрыве и «стеснения» пластических деформаций матрицы [87]. Однако если нагрузка прикладывается перпендикулярно волокнам, то обязательным условием повышенной ударной прочности является хорошая адгезия волокон с матрицей [88]. Для однонаправленных волокнистых композиций трансверсальная ударная прочность обычно ниже продольной и даже ниже, чем проч-

0 — угол между направлением ориентации волокон и напряжением в волокнистых композициях, 7

сферического индентора при измерении твердости, 6 о/ — прочность сцепления волокно—матрица в волокнистых композициях, 8

Высокие жесткость и прочность армирующих волокон, составляющие основу прочности и жесткости композиционных материалов, реализуются лишь в случае их определенного расположения по отношению к действующему полю напряжений (действующей нагрузке). Вследствие большого разнообразия нагрузок применяются различные схемы укладки арматуры. Варьируя направлением укладки слоев, можно получить слоистые материалы с различной ориентацией армирующих волокон, обладающие в плоскости укладки изотропными и анизотропными свойствами. Именно в возможности придания материалу оптимальной для каждого частного случая анизотропии заключается главное преимущество волокнистых композиционных материалов [44]. В зависимости от ориентации армирующих волокон в плоскости укладки слоистые структуры можно подразделить на следующие основные группы: однонаправленные, ортогонально-армированные с переменным углом укладки волокон по толщине, перекрестно-армированные и хаотически-армированные. Однонаправленные материалы получают при укладке всех волокон параллельно друг другу. Их называют материалами с укладкой 1 : 0, указывая этим на отсутствие поперечно уложенных волокон. Если волокна в таком материале расположены равномерно, он является трансверсально-изотропным (или монотропным) в плоскостях, перпендикулярных к направлению армирования. В ряде случаев влияние технологии изготовления материалов с укладкой 1 : 0 обусловливает в них четко выраженную слоистость, что приводит к ортотропии композиционного материала.

При расчете упругих характеристик волокнистых композиционных материалов выделяется типичный объем. Он состоит из заданного числа волокон, распределенных в матрице (с указанием расстояний и угловых смещений) так, чтобы упаковка армирующих волокон по всему объему материала была идентичной их размещению в типичном объеме. Если определено напряженно-деформированное состояние во всех компонентах, входящих в типичный объем, то эффективными или приведенными упругими характеристиками композиционного материала являются коэффициенты, связывающие усредненные по типичному объему компоненты напряжений и деформаций. В матричной форме эта связь представляется в виде

на основе регулярной модели позволяет найти шесть независимых констант материала 183], т. е. однонаправленный материал с квадратичной укладкой обладает тетрагональной симметрией упругих свойств вследствие того, что не выполняется условие изотропии в плоскости поперечного к волокнам сечения. В приближенных методах расчета, рассмотренных ранее, однонаправленный композиционный материал при произвольной укладке волокон моделировался материалом с трансверсальной изотропией свойств. Идеализация расчетной схемы, характерная для метода регуляризации структуры, позволяет осуществить наиболее корректный расчет упругих констант материала. Однако недостатком такого подхода для трехмерноармированных волокнистых композиционных материалов .является громоздкий процесс решения соответствующей краевой задачи, выполнимой лишь на ЭВМ. Наиболее перспективными представляются приемы 'регуляризации структуры на основе упрощающих допущений о характере напряженно-деформированного состояния модели. Это приводит к неизбежным погрешностям в определении упругих констант материала.

В работе [43] для некоторых пространственно-армированных многонаправленных волокнистых композиционных материалов установлен диапазон 0,75
Несущая способность элементов конструкций включает в себя множество аспектов, связанных с разрушением материалов в результате растрескивания, потери устойчивости, усталости и ползучести при статическом и динамическом нагружешш в условиях инертной или коррозионной окружающей среды и нагрева. Процесс разрушения волокнистых композиционных материалов еще более усложняется наличием множества независимых и взаимно накладывающихся форм разрушения, таких в частности, как излом волокон, потеря устойчивости отдельных волокон, рас-

Стержни ферм представляют собой идеальные элементы для изготовления из волокнистых композиционных материалов. В связи с тем, что высокопрочные волокнистые композиционные

Основными эффектами высшего порядка, которые здесь обсуждаются, являются деформации сдвига по толщине пластины и нормальные напряжения, ортогональные ее срединной плоскости. Достаточно давно было установлено, что податливость по отношению к касательным напряжениям, действующим по толщине, существенно снижает изгибную жесткость рлоистых пластин из волокнистых композиционных материалов (Тарнопольский и др. [161]; Розе [123]; Тарнопольский и Розе [159, 160]). Известно также, что трансверсальные касательные напряжения вызывают расслоение материала, однако сравнительно недавно была выявлена роль нормальных трансверсальных напряжений при этой форме разрушения.

Грот [66] провел аналогичные исследования волокнистых композиционных материалов и получил хорошее совпадение с экспериментальными результатами Таучерта и Гузелзу [175]. Модели композиционных материалов обсуждались в работе Ахенбаха [2].

анализе гармонических волн можно представить периодическими функциями, и задача сводится к отысканию решения для одного элемента. В математическом отношении она приводится к «теории Флоке», разработанной для дифференциальных уравнений. Аналогом этой задачи в физике твердого тела является проблема распространения электронных волн при периодических потенциалах. Решение уравнения Шредингера, описывающего эту задачу, получено вариационными методами в работе Кона [86], а распространение этих методов на слоистые композиционные материалы представлено в работе Кона и др. [87]. By [197] использовал построенный в этих работах вариационный метод для анализа распространения поперечных волн в волокнистых композиционных материалах. Аналогичные задачи рассмотрели Вилер и Мура [189], Тобон [178].

смесей (рис. 14). Волны растяжения, образующиеся в результате отражения от свободного торца, распространяются с несколько большей скоростью, чем импульс сжимающих напряжений. Наблюдалось также расширение импульса и смещение пика напряжений к его задней границе по времени. Рассеяние волн, связанное со слоистой структурой волокнистого композиционного материала, было исследовано на стержнях Россом и др. [146]. Определению упругих постоянных композиционных материалов волновыми методами посвящены также работы Квасникова [93], Туонга [182], Коста и Зиммера [50]. Упругие постоянные наполненных эластомеров определялись с помощью ультразвукового метода Ветерманом [186], установившим зависимость упругих свойств двухфазных материалов от температуры и степени наполнения. Уайт и Ван Флакк [191] исследовали с помощью акустического резонанса свойства полимерных пен. Шульц и Цзай [153J измерили комплексную динамическую модуляцию в слоистых волокнистых композиционных материалах.

Свойства изотропного материала, исследуемые при одноосном нагружении, по определению не зависят от ориентации оси нагружения. Практически некоторая зависимость механических свойств от направления нагружения все же наблюдается из-за ориентационных эффектов, возникающих, например, при пластической обработке металлов (прокате, волочении и т. д.). У волокнистых композиционных материалов, вследствие присущей им на макроскопическом уровне анизотропии, наблюдается существенная разница в свойствах при различных ориентациях оси нагружения 6 по отношению к направлению армирования L. При одноосном нагружении под углом 0° << 0 <; 90° в главных осях симметрии материала LT возникает двухосное напряженное состояние в сочетании со сдвигом: таким образом, напряженное состояние в этих осях может создаваться одноосным нагружением под углом к осям анизотропии (этот метод испытаний описан в разделах II.Б и III.А). Однако этот способ создания двухосного пагружепия имеет ограниченные возможности по двум причинам: 1) нормальные напряжения имеют всегда один и тот же знак, т. е. оба являются либо растягивающими либо сжимающими; 2) всегда действуют сопутствующие сдвиговые напряжения. Другими словами, отношения OT/OL и GLT/OL нельзя изменять независимо (OL, OT— нормальные напряжения вдоль и поперек волокон; OLT — сдвиговые напряжения в плоскости LT).