Волокнистым наполнителем

проектирования, обеспечивающие наиболее эффективное использование элементов в конструкции. Применение к волокнистым композитам этот метод рассматривали Доу и Розен [28]. Результаты обычно представляются в виде графиков (рис. 31).

Композиты, армированные такими элементами, у которых все размеры являются величинами одного порядка, называются гранулированными '). Материалы, которые можно отнести к гранулированным композитам, разнообразны по своей природе: от дисперсионно-упрочненных сплавов и синтетических пенопластов до облученных нейтронами металлов, имеющих дисперсные вакансии. Поликристаллические тела также можно отнести к этому классу, считая, что их матрица имеет нулевой объем. Несмотря на то что в настоящее время основное внимание уделяется волокнистым композитам, гранулированные композиты занимают несколько особое положение: именно для них были впервые разработаны аналитические методы.

До сих пор большая часть исследований композиционных материалов относилась к волокнистым композитам, среди которых различаются два главных типа: композиты с непрерывными волокнами и композиты с короткими (разорванными) волокнами. В свою очередь, в первом из указанных типов длинные волокна могут быть либо расположены строго параллельно друг другу, либо сплетены в ткань, пропитанную полимерным связующим. Поскольку в процессе сплетения возможны повреждения волокон и композит получается более низкого качества, здесь основное внимание будет уделено однонаправленным волокнистым композитам.

Обширная литература, относящаяся к волокнистым композитам, моделированным регулярной укладкой одинаковых параллельных волокон в неограниченной матрице, обсуждается в разд. V.

никем ранее не использовался. Бедфорд и Стерн [9], а также Стерн с соавторами [112] развили приближенные теории и применили их к слоистым и волокнистым композитам. Шоу и Багл [104] изучили двумерное распространение плоских гармонических волн в слоистой вязкоупругой среде, причем вязкоупругое решение получено из точного упругого решения при помощи принципа соответствия. Кроме того, следует отметить, что приближенное упругое решение Геррмана и Ахенбаха (см., например, [53]) в работе Грота и Ахенбаха [36] было обобщено на вязкоупругие слоистые композиты с анизотропными слоями и с малыми изменениями температуры, причем влияние изменений температуры на вязкоупругие характеристики не принималось во внимание.

Высказывалось предположение, что возможны случаи, когда предпочтительна слабая поверхность раздела. Согласно Куку и Гордону [12], поле напряжений у вершины развивающейся трещины включает не только главные напряжения, стремящиеся; раскрыть трещину в направлении ее распространения, но и напряжения, стремящиеся раскрыть ее в перпендикулярном направлении. Значит, эти дополнительные напряжения могут раскрывать плоскости с ослабленной связью, пересекаемые магистральной трещиной. Эмбери и др. [17] применили эти представления к случаю разрушения слоистых композитов. Они показали, что в пакете стальных листов распространение трещины задерживается процессом расслаивания; это приводило к важному результату — снижению температуры перехода от вязкого разрушения к хрупкому более чем на 100 К. Эти исследования были продолжены Олмон-дом и др. [2], которые получили ряд новых данных об указанном типе структур, тормозящих распространение трещины. По очевидным соображениям аналогичный подход применим и к волокнистым композитам; этот вопрос рассмотрен в гл. 7 в связи с проблемой разрушения. Значительные объемы композита, расположенные по обе стороны от магистральной трещины, могут быть охвачены одновременным действием различных механизмов разрушения, а в таких случаях, как показали Эдсит и Витцелл [1] на примере композитов алюминий — бор, вязкость разрушения композита может превосходить вязкость разрушения металлической матрицы.

стеме алюминий — нержавеющая сталь (рис. 6). Иначе ведет себя система никель—алюминий, в которой, согласно Дарруди и др. [19], химическая реакция между матрицей и проволокой протекает до конца, а реакционная зона распространяется на одинаковое расстояние по обе стороны от поверхности раздела. Последовательные стадии роста продукта взаимодействия на поверхности раздела в -системе никель—алюминий иллюстрирует рис. 10; реакция развивается равномерно, что обеспечивает термодинамическую стабильность композита. В принципе обработка, основанная на диффузии в твердой фазе, может обеспечить волокнистым композитам ту же термодинамическую стабильность, что и у композитов направленной кристаллизации.

Применимость правила смеси к волокнистым композитам для широкого диапазона условий была объяснена с позиций микромеханики. Задача такого подхода, основанного на учете микродеформаций, заключается в установлении корреляции между с!вой-

В данной главе излагаются микромеханические теории, применяемые для предсказания прочности однонаправленных композитов при одноосном нагружении. В этих теориях заранее предполагаются известными необходимые для расчетов свойства компонентов и считается, что направление нагружения совпадает с главными осями однонаправленного композита. Рассматриваемые прочности связаны с сопротивлением либо нагружению в плоскости, либо изгибу, либо простому сдвигу. Обсуждение относится в первую очередь к волокнистым композитам с неметаллической матрицей, в которых все волокна уложены параллельно и в одной плоскости. Однако представленные здесь микромеханические теории можно перенести и на волокнистые композиты с металлической матрицей, если при этом не нарушаются основные допущения. Некоторые описанные ниже представления могут быть также приложены к композитам с дисперсными частицами.

В большинстве случаев практического применения волокнистых композитов объемная доля волокон велика, и они воспринимают большую часть нагрузки. Функция матрицы состоит в том, чтобы удерживать волокна вместе и передавать нагрузку от разрушенных волокон на окружающие при помощи сдвиговых напряжений вблизи мест разрывов. Это действительно так, если большинство волокон непрерывные и нагрузка прикладывается в направлении их укладки. Если они разрывны или нагрузка прикладывается не в направлении волокон (в однонаправленном композите или армированном под углом), то материал матрицы в значительной степени участвует в восприятии приложенной нагрузки. Большая часть настоящей главы посвящена однонаправленным волокнистым композитам, нагруженным в направлении волокон, поэтому роль материала матрицы здесь ограничивается перераспределением нагрузок около концов разорванных волокон (или около мест разрывов при армировании короткими волокнами).

Экспериментальные результаты, представленные в этом разделе, демонстрируют чрезвычайную сложность проблемы удара применительно к волокнистым композитам. Дополнительно к большому числу параметров, необходимых для характеристики статической прочности композитов, поведение при ударе усложняется дополнительными факторами, такими, как скорость удара, форма и размер пули, распространение волны, внутренние повреждения и методика эксперимента. Обзор представленных здесь экспериментальных результатов, каждый из которых имеет дело с небольшой частью проблемы, демонстрирует необходимость ее основательного анализа. Плохое сопротивление удару волокнистых композитов является, по-видимому, наиболее серьезным недостатком их механического поведения, но сейчас можно очень мало сказать об его улучшении. Необходимо сделать попытку построить модель разрушения (или модели) в условиях удара, а не собирать еще экспериментальные данные, которые едва}ли смогут послужить руководством для инженера.

В зависимости от наполнителя и степени его измельчения все материалы делят на три типа: с порошкообразным наполнителем (пресс-порошки); с волокнистым наполнителем (волокниты, асбомассы и др.) и с листовым наполнителем (слоистые пластики).

На этом корабле высококачественные композиции с волокнистым наполнителем используются в трех деталях: раскосы волновода антенны, распорки платформы и кронштейн магнетометра. Во всех этих случаях в качестве материала был выбран эпоксидный боропластик по следующим причинам: для раскосов волновода

Установлено, что ущерб, наносимый коррозией американской промышленности, составляет около 6—10 млн. долларов в год; 60% выпуска продукции сталелитейной промышленности идет на замену различных изделий, поэтому использование армированных пластиков в данной области должно способствовать сохранению материалов. Не следует ожидать, что применение одного какого-либо материала способно решить все проблемы, связанные с коррозией, однако в последние десятилетия использование высокопо-лимеров, армированных ЕОДХОДЯЩИМ волокнистым наполнителем, например стекловолокном, или другими наполнителями, обеспечивает решение многих проблем, связанных с процессом коррозии. В конечном счете, инженер имеет в своем распоряжении высокопо-лимеры с таким широким диапазоном свойств, что он практически может создавать системы материалов, удовлетворяющих специальным техническим требованиям.

Пластмассы с порошкообразным или неупорядоченным волокнистым наполнителем 1 ,1—2, б2 250-1500 (13) 2—8 (13)

В результате длительного исследования и проведенных испытаний нами была составлена эпоксидно-метилолполиамидная композиция с волокнистым наполнителем в виде капронового волокна (отходы основного производства).

/ —фенольная смола без наполнителей [22]; 2 — фенольная прессмасса с древесным порошком [25]; 3 —фенольная прессмасса с минеральным наполнителем; 4 — фенольная прессмасса с органическим волокнистым наполнителем; 5 — фенольная прессмасса с асбестовым наполнителем; 6—эпоксидные прессмассы со стеклянными волокнами [26 i; 7 — Эподур-1000 (минеральный наполнитель)

При литьевом методе прессования термореактивных пластмасс рекомендуется: 1) площадь камеры прессформы конструировать на 15— 20% больше площади оформляющей её части во избежание размыкания прессформы в процессе литья; 2) литниковые каналы устраивать открытыми только в одной части пресс-формы, высоту каналов брать около 0,5 мм, а необходимое сечение компенсировать шириной канала (при прессовании порошкообразных материалов высота каналов должна быть меньше, чем для материалов с грубым волокнистым наполнителем); 3) форму каналов приближать к круглому сечению при вертикальном разъёме прессформы и к прямоугольному при горизонтальном разъёме; при изделиях больших габаритов применять пресс-формы с несколькими каналами меньшего сечения; 4) удельное давление применять порядка 500—2000 кг/см2, но в каждом отдельном случае следует подбирать оптимальное удельное давление в зависимости в основном от прессматериала, конструкции прессформ и конфигурации изделия.

к «Г ".8 т к «1 с волокнистым наполнителем высокого давления ~ низкого давления !*Г Н С sill* сто. ь н и • < а ' н ев д. »*к т 5 ч си о aj Ю В н g ; с ч 5* вв
Методом литьевого прессования можно перерабатывать только порошкообразные прессматериалы. Прессматериалы с волокнистым наполнителем этим методом перерабатываются с трудом и теряют (стекло-волокниты) до 50% своей прочности.

Компонент Пластмасса с порошкообразным наполнителем Пластмасса с волокнистым наполнителем

Формующими частями прессформы являются полости в верхней и нижней частях матрицы. Емкость загрузочной камеры должна быть достаточной для размещения в ней прессматериала, предназначенного для производства изделия и дополнительного объема, позволяющего вместить поршень. Емкость должна быть определена с учетом коэффициента уплотнения, равного отношению объема изделия к объему прессматериала (с волокнистым наполнителем — 0,12, с порошковым — 0,3).