7371

Проектирование и прогнозирование механических свойств однонаправленного слоя из композиционного материала

Книга

Производство и промышленные технологии

Проектирование и прогнозирование механических свойств однонаправленного слоя из композиционного материала Данное пособие призвано помочь студентам при изучении основ механики, конструирования и изготовления изделий из композиционных материалов. Пред...

Русский

2013-01-22

1.07 MB

108 чел.

Проектирование и прогнозирование механических свойств однонаправленного слоя из композиционного материала

Данное пособие призвано помочь студентам при изучении основ механики, конструирования и изготовления изделий из композиционных материалов.

Предназначено для студентов высших технических учебных заведений, изучающих курс «Композиционные материалы»: направления 652200 – двигатели летательных аппаратов, 651200 – энергомашиностроение, 552900 – технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств.


1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Основные понятия и классификация композиционных материалов

Композиционными материалами (КМ) называют материалы, состоящие из двух и более нерастворимых друг в друге компонентов с четко обозначенной границей раздела и прочным взаимодействием по всей площади контакта [8, 11, 21, 30]. Один из компонентов КМ является непрерывной фазой и называется матрицей, в которой размещены нерастворимые в ней материалы другой природы, называемые армирующими или наполнителями [18, 20].

Композиционные материалы обладают комплексом свойств, которыми обладают компоненты, и свойствами, которыми отдельные компоненты не обладают.

Для обеспечения прочного взаимодействия между компонентами КМ матрица должна обеспечить хорошую смачиваемость всей поверхности распределенного в ней наполнителя, не вызывая химических реакций в них, должна обеспечить формуемость состава в монолитное изделие без нарушения формы и размера частиц наполнителя и их взаимного расположения в течение всего периода эксплуатации изделия.

Распределение наполнителя в матрице может быть хаотичным или подчиненным определенной схеме. В первом случае материал будет изотропным, во втором - анизотропным. К изотропным принадлежат КМ, содержащие в качестве наполнителя частицы сферической формы, чешуйки, рубленные волокна, равномерно распределенные в полимерной или металлической матрице. Заданную схему взаимного распределения арматуры в анизотропном материале легче достигнуть с помощью непрерывных волокон. По определенной схеме можно подготовить волокна в виде лент, тканей заданного плетения, трикотажа.

Рассмотрим классификацию композиционных материалов по различным признакам.

По типу матрицы композиционные материалы подразделяются на отверждающие (реактопласты), термопластичные композиционные материалы (ТКМ), композиционные материалы на металлической матрице.

По природе наполнителей композиционные материалы подразделяются на минеральнонаполненные (стекло, базальт), углероднонаполненные (углеродные волокна), органонаполненные (органические волокна), металлонаполненные.

По форме частиц наполнителя различают композиционные материалы с дисперсными наполнителями (порошки, микросферы, чешуйки), композиционные материалы, наполненные короткими волокнами (312 мм), и КМ с непрерывными волокнами.

По распределению наполнителей в матрице различают изотропные и анизотропные композиционные материалы. К первым относятся КМ с дисперсными наполнителями и наполненные короткими волокнами. Ко вторым - КМ с непрерывными волокнами.

Отдельную классификационную группу образуют гибридные КМ, армированные системами волокон  различной природы (стеклянные, органические, углеродные и т.д.).

2  КОМПОНЕНТЫ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

2.1 Матричные (связующие) компоненты композиционных

     материалов

2.1.1  Требования к матрицам

Армирующие компоненты композиционных материалов в виде волокон, нитей, тканей и др. сами по себе не являются конструкционными материалами. Для того чтобы получить армированный пластик, необходимо соединить волокна друг с другом, обеспечить передачу усилий между ними, зафиксировать форму изделий и взаимное расположение армирующей компоненты, т. е. создать монолитную структуру композита. Для этого используются различные связующие. В качестве связующих применяются полимерные, металлические и керамические материалы.

Физико-механические и технологические свойства связующих должны позволять получать конструкции прочные, легкие, малоэнергоемкие, технологичные. При выборе связующего, помимо удовлетворения прочностным, технологическим, адгезионным свойствам, необходимо обратить внимание на следующее: относительное удлинение матрицы при растяжении, сжатии, сдвиге должно быть не меньше относительного удлинения волокон. Иначе при действии внешней нагрузки разрушение в первую очередь начнется в связующем, что существенно снизит несущую способность конструкции. Нужно стремиться к тому, чтобы коэффициенты теплового расширения связующего и волокна были близкими. Как правило, коэффициенты теплового расширения смол значительно больше, чем волокон, что приводит к большим внутренним напряжениям, снижающим несущую способность конструкции. Связующее должно обладать малой вязкостью и хорошей адгезионной способностью к армирующему материалу. Малая вязкость необходима для того, чтобы связующее могло проникнуть и склеить между собой волокна и после отверждения получилась монолитная система. Выбранный тип связующего должен обеспечить легкость и простоту технологического формования и заполнения формы при возможно более низких температурах и давлениях. После полимеризации (отвердевания) оно должно иметь монолитную структуру и обеспечить передачу внешних усилий к волокнам. Связующее должно обладать высокой адгезионной прочностью к волокнам. Для повышения адгезионной прочности волокна покрывают очень тонким слоем специальных веществ, называемых аппретами. Аппреты не только обеспечивают высокую адгезионную прочность между связующим и волокнами, но и снижают внутренние напряжения на границе волокно-матрица, возникшие из-за разности коэффициентов линейного расширения. От связующего в значительной степени зависят такие свойства композиционных материалов, как теплостойкость, влагостойкость, длительная прочность, стойкость под действием агрессивных сред. Теплостойкость должна быть не меньше температуры эксплуатации изделий из КМ.

После формования изделия из композиционных материалов отвержденное связующее называется матрицей. Часто эти понятия являются синонимами.

Пропитанный связующим армирующий каркас при формировании обычно подвергается действию значительного давления. Важно, чтобы пузырьки воздуха или технологического газа - носителя связующего - не задерживались в композите. Поскольку для достижения высоких механических характеристик объемное соотношение армирующего материала и полимерной матрицы в текстильных композитах должно составлять около 70/30, важно иметь способ удаления избытка связующего, введенного при пропитке. После получения требуемой степени пропитки полимерное связующее отверждается. Отверждение происходит при нормальной или повышенной температуре в одну или несколько стадий в зависимости от вида армирующего материала, типа связующего, способа изготовления композита, необходимой скорости отверждения, степени отверждения и требований к свойствам конечного продукта. Отверждение при высокой температуре увеличивает термостойкость матрицы и композита, однако при этом возрастает их хрупкость.

2.1.2  Термореактивные матрицы

Основным видом смол для изготовления композитов, от которых не требуется высокой термостойкости, являются полиэфирные смолы, которые относительно дешевы, обладают хорошей текучестью,  хорошо смачивают поверхность волокон (благодаря низкой вязкости) и отверждаются при умеренных температурах. Однако при повышенных температурах они имеют низкую прочность, плохо сопротивляются удару и проявляют значительную усадку. Тем не менее они с успехом применяются для изготовления композитов самого разного назначения, что позволило накопить значительный опыт в этой области технологии композитов.

Для высокотемпературных областей применения основным связующим для волокнистых композитов являются эпоксидные смолы [24]. Они обладают  высокой прочностью и отверждаются при сравнительно невысоких температурах. Эти системы  характеризуются меньшой усадкой и меньшой склонностью к ползучести, чем полиэфирные. К отрицательным  свойствам  эпоксидных смол относятся высокая стоимость и токсичность, повышенная хрупкость, а также  пониженная прочность при высоких температурах. В целом  по присущему им комплексу свойств эпоксидные смолы являются наилучшими из доступных полимерных систем для изготовления композитов, работающих при повышенных температурах. Ударные  воздействия или высокие напряжения при повышенных температурах эксплуатации требуют от композита повышенной ударной прочности. В этом случае необходимо применять рецептуры эпоксидных смол, обладающих большей эластичностью. Такие рецептуры существуют, однако их применение связано с необходимостью выбора между улучшенной ударной вязкостью и сниженными  прочностью,  жесткостью и термостойкостью.

Термостойкие матрицы. Термостойкие матрицы представляют собой полимеры, молекулярные цепи которых состоят из гетероароматических звеньев, имеющих высокую температуру стеклования,  способные выдержать на воздухе продолжительный нагрев свыше 300С без заметных изменений структуры. Наибольшее применение получили полиимиды полимеризационного типа, состоящие из олигомеров и смесей имидообразующих мономеров.

Полиимидные связующие наносятся на волокна различными методами. Полученные полуфабрикаты имеют длительную жизнеспособность. Отверждение полиимидных связующих протекает при температурах 300 ... 350С без выделения летучих продуктов.

Композиты с полиимидными матрицами характеризуются высокой термостойкостью, прочностью, стойкостью к действию различных агрессивных сред, стабильностью размеров в широком температурном интервале.

Основными недостатками полиимидных связующих являются технологические трудности изготовления изделий на их основе.

2.1.3  Термопластичные матрицы

В настоящее время получает развитие производство термопластичных  композиционных материалов (ТКМ) на основе твердофазного совмещения непрерывных армирующих и термопластичных  волокон по так называемым “волоконной” и “пленочной” технологиям    [4, 9, 10]. Суть “волоконной” технологии заключается в максимальном приближении термопластичного связующего в виде волокон к волокнам армирующего материала. Создается тканый полуфабрикат (ткани, лента, трикотаж и др.), состоящий из армирующих волокон и волокон термопластичного связующего с взаимно максимальным их приближением друг к другу.

Возможность чередовать непрерывные матричные и армирующие волокна с заданной регулярностью с надежной фиксацией схемы армирования структуры на всех стадиях переработки полуфабрикатов создала предпосылки создания целой гаммы перспективных КМ. Необходимо подчеркнуть, что “волоконная” технология отличается экологической чистотой и неограниченным сроком хранения полуфабрикатов по сравнению с жидкофазным совмещением традиционных технологий получения полуфабрикатов КМ.

Физико-механические характеристики некоторых термореактивных  матриц приведены в табл. 2.1.

2.1.4  Металлические матрицы

К ним относятся легкие металлы и сплавы. Наибольшее использование в качестве матриц получили алюминий, магний и их сплавы, что объясняется благоприятным сочетанием физико-механических и технологических свойств при создании термостойких композиционных материалов [2, 3, 12, 17, 30].

Наибольшее применение металлические матрицы получили в изделиях из КМ в авиационной технике.

Композиционные материалы углеалюминий, углеалюминий-магний в настоящее время находят применение в производстве поршней для двигателей внутреннего сгорания.

Таблица 2.1

Физико-механические свойства термореактивных матриц

Матрица

Характеристика

эпоксидная

полиэфирная

фенолформаль-дегидная

полиимидная

Плотность,

 103, кг /м3

1,1 ... 1,4

1,1 ... 1,5

1,2 ... 1,36

1,20 ... 1,45

Модуль

упругости при растяжении,

   ГПа

1,9 ... 5,0

1,5 ... 4,5

1,4 ... 6,8

3,2 ... 5,5

Модуль сдвига 

G, ГПа

0,8 ... 1,5

1,0 ... 1,9

1,0 ... 1,4

-

Коэффициент

Пуассона,   

0,34 ... 0,4

0,35 ... 0,42

0,35

-

Предел

прочности, МПа:

- при растяжении

27,4 ... 140

23 ... 70

23 ... 78

90 ... 95

- при сжатии

 85 ... 274

50 ... 250

68,5 ... 205

250 ... 280

- при сдвиге

42 ... 53

38 ... 48

-

-

Предельное

удлинение,

  %

1,2 ... 9

1,0 ... 6,0

0,4 ... 3,0

1,0 ... 4,0

Объемная усадка,

   %

0,5 ... 3,6

4 ... 15

0,5 ... 7,0

0,5 ... 2,0

Теплостойкость

по Мартенсу, С

140 ... 150

50 ... 60

140 ... 180

250 ... 370

Коэффициент линейного

расширения,

  10-5, 1/ С

4,8 ... 8,0

6,0 ... 9,0

6,0 ... 8,0

5,0 ... 5,8

Водопоглощение

за 24 ч,  %

0,03 ... 0,3

0,15 ... 0,6

0,15 ... 0,6

0,01 - 0,6

2.1.5  Керамические матрицы

Керамические матрицы используются для создания КМ, работающих в условиях высоких температур ( Т > 1000С, лопатки газовых турбин, камеры сгорания и др.).

В поле зрения практического использования наибольший интерес представляют нитрид кремния Si3 N4, кремний Si, нитрид бора BN, карбид кремния SiC. Эти керамические материалы обладают наилучшей комбинацией высокотемпературной прочности и стойкостью к горячей коррозии. Однако из-за хрупкого характера разрушения и неспособности к рассеянию концентрированных напряжений при низких и средних температурах керамические матрицы чувствительны к тепловому удару и надрезу.

2.2  Армирующие материалы

2.2.1  Армирующие каркасы композитов

Непропитанные волокнистые материалы (волокна, нити, жгуты, ткани, трикотаж и др.), образующие определенную плоскую или пространственную структуру, называют армирующими каркасами. Армирующие каркасы подразделяются на четыре категории: дискретную, непрерывную, одномерную, плоского переплетения (двухмерную) и пространственную интегрированную [11, 16, 32].

В дискретной волокнистой системе ориентация волокон хаотична и не поддается точному контролю.

Для структур второй категории характерна наивысшая степень непрерывности и линейности волокон. В этих структурах реализуется наибольшая эффективность свойств волокон. Подобные структуры характерны для намоточных волокнистых систем. Недостаток армирующих каркасов намоточных волокнистых систем заключается в их низкой внутри- и межслоевой прочности.

Третью категорию волокнистого армирования составляют системы плоского переплетения, с помощью которых можно получить различные геометрии структур армирующих каркасов. В случае тканых материалов путем изменения частоты переплетения нитей основы и утка можно образовывать полотняное (наибольшая частота переплетения), саржевое или сатиновое переплетения (наименьшая частота переплетения). Чем меньше извитость волокон в армирующем каркасе, тем больше эффективность использования его прочностных и жесткостных свойств и меньшая структурная целостность. Полотняное переплетение характеризуется большой структурной целостностью за счет снижения эффективности использования прочности нити. И, наоборот, большая эффективность использования прочности нитей у ткани сатинового переплетения характеризуется меньшей структурной целостностью.

Четвертую категорию волокнистых систем образуют интегрированные пространственные системы, в которых армирующие волокна ориентированы в разных направлениях в плоскости и пространстве. Основная положительная черта таких структур – отсутствие выраженных направлений слабого сопротивления сдвигу, отрыву и расслоению благодаря многонаправленному армированию.

В основе всех типов армирующих каркасов лежит нить. Свойства нити зависят в свою очередь от физических свойств и структуры составляющих ее волокон [16, 18, 20, 22, 31].

2.2.2  Структура и свойства нити

По определению, нить есть линейное соединение волокон, сформированное в непрерывную прядь. Нить может состоять из одного или более непрерывных волокон (до нескольких тысяч) либо из множества  прерывающихся  коротких (так называемых штапельных) волокон. Чтобы предотвратить  проскальзывание волокон относительно друг друга и образовать функциональную нить, штапельным волокнам придают значительную крутку или переплетение. Нити из штапельных  волокон называются штапельными нитями или штапельной пряжей. Две или более единичные нити могут скручиваться вместе с образованием крученых нитей в два, три и более сложения, из которых последующей круткой можно получить пряжу более сложного строения. На рис. 2.1 представлены схемы нитей различных структур [32].

Свойства нити зависят от физических свойств и структуры составляющих ее волокон. Структурные особенности нити зависят главным образом от геометрии образующих ее волокон, а также от технологических параметров получения нити (ориентации волокна относительно оси нити, крутки, степени сцепления волокон). Важным параметром нити является относительная плотность волокон в поперечном сечении нити, которая выражается количественно через коэффициент упаковки (объемность) волокон. Коэффициент упаковки равен отношению удельного объема волокна (см3/г) к удельному объему нити (см3/г). Значения коэффициента упаковки волокон в нитях различных структур приведены в табл. 2.2.  

Структура нити играет главную роль в механизме реализации свойств волокон в свойства нити. Эффективность переноса свойств зависит главным образом от искривления волокон в нити и характера зацепления волокон, присущих разным типам структур нити. В нитях из высокомодульных материалов коэффициент реализации значительно ниже, чем у низкомодульных, из-за повреждения волокон в процессе переработки. Известно, что высокомодульные волокна и нити плохо сопротивляются контактным, сжимающим и изгибающим напряжениям. Поэтому высокомодульные волокна в ткани сохраняют не более 50 % исходной прочности и жесткости. Для достижения более высокого коэффициента реализации свойств в системах волокно - нить и волокно - ткань применяют различные структуры ткани, технологические приемы.

Рис. 2.1  Идеализированные схемы нитей различных структур:

   а - непрерывное волокно;

   б - некрученая нить из непрерывных волокон;

    в - штапельная нить;

    г - крученая нить из непрерывных волокон

Таблица 2.2

Типичные коэффициенты упаковки различных нитей

 Структура  нити                                                     

коэффициент  упаковки

 моноволокно                                                                 

             1,00

Нить из моноволокон

некрученая                                                  

             0,25

слегка крученая

             0,30

регулярно крученая

             0,60

сильно крученая

             0,90

текстурированная

             0,33

Штапельная нить

                

слабо крученая

             0,33

сильно крученая

             0,60

2.2.3  Структура и текстурные свойства текстильных

        армирующих материалов

К текстильным армирующим материалам относятся  ткани, трикотаж, плетение, нетканый материал. Структура и текстурные свойства данных материалов зависят от требований к прочностным и деформационным свойствам композита, а также от требований, связанных  с множеством  разных технологических воздействий, которым  подвергается армирующий материал в процессе переработки в изделие. В зависимости от технологии переработки и вида изделия армирующий материал должен обладать или высокой размерной стабильностью, или умеренной формуемостью, или способностью принимать нужную форму при глубокой вытяжке. Основными типами структур текстильных армирующих материалов являются тканые, трикотажные (вязаные), плетеные и нетканые структуры, показанные в табл. 2.3 и на рис. 2.2.

Таблица  2.3

 Основные типы структур армирующих текстильных материалов [32]

                           

Ткань             

Трикотаж

Плетение

Нетканый

материал

Составной элемент

Нить

Нить

Нить

Волокно

Способ образования

Перекрещивание

Переплетение

Переплетение

Соединение

склейкой

                                           

Звено ячейки

Ориентация

Ортогональная

Непрямолинейная

Решетчатая

Хаотическая

 Подвижность

Ограниченная

Оч. большая

Ограниченная

Незначительная                                         

Геометрия    

     

Рис. 2.2  Структуры тканых ( а ), вязаных ( б ), плетеных ( в ) и

               нетканых ( Д ) армирующих материалов [32]

2.2.4  Тканые материалы

В производстве композитов используются различные типы тканей. Они различаются между собой по весу, толщине, типу и номеру нити, по типу переплетения. Наибольшего применения получили ткани трех основных типов переплетения: полотняного, саржевого и сатинового.  В ткани полотняного переплетения (рис. 2.2, а) основа и уток взаимно переплетаются. Саржевая ткань соткана так, что на ее поверхности получается характерный узор из диагональных полос.    В ткани сатинового переплетения каждая нить основы или утка проходит над несколькими нитями утка или основы. Применяя ткани различных типов, можно получать композиты с различными прочностными и технологическими свойствами. Наиболее  высокими прочностными свойствами обладают ткани сатинового переплетения, так как нити в них в основном прямолинейны. Ткацкая технология позволяет получать ткани разной ширины, в виде рукавов или полотен с различными конструкциями основы и утка с дополнительными проложенными (непереплетающимися) системами нитей.

К недостаткам тканых материалов с точки зрения конструирования некоторых композитных изделий относятся ограниченная способность облегания криволинейных поверхностей (формуемость), слабое сопротивление сдвигу в плоскости, низкая эффективность реализации прочностных свойств волокон в ткани по отношению к растягивающим нагрузкам из-за непрямолинейности нитей основы и утка, обусловленной характером процесса ткачества. Ткани, образованные системой трех нитей, переплетающихся под углом 60 , характеризуются меньшей анизотропией, повышенной сдвиговой жесткостью, более однородной формуемостью. Тем неменее ни один из тканых материалов не обладает способностью к вытяжке, достаточной для реализации глубокого формования.

2.2.5  Трикотажные структуры

Трикотажные структуры (рис. 2.2, б), образованные переплетением одной или нескольких армирующих нитей, позволяют реализовать значительно более широкий диапазон форм и свойств, чем тканые. Такие трикотажные структуры, как основно-вязаные и уточно-вязаные (кулирные), обеспечивают деформируемость полотна во всех направлениях и пригодны для изготовления композитных изделий глубоким формованием. Используя систему проложенных непереплетающихся нитей, можно придать стабильность размеров в одном направлении и способность к формованию в других. Основно-вязаные трикотажи с проложенными нитями особенно удобны для ряда областей применения благодаря необычной способности сохранять высокие механические свойства проложенной нити и вследствие этого открывают широкие возможности проектирования изделий с разными эксплуатационными характеристиками, начиная от высокой стабильности размеров до заданной деформируемости в нужных направлениях. Более того, трикотажи этого типа с проложенными основными нитями обладают более высокими коэффициентами реализации свойств волокон при растяжении, сопротивлении сдвигу в плоскости, чем сопоставимые по структуре тканые материалы. Главный недостаток трикотажных систем  применительно к некоторым видам изделий: ограниченная толщина материала (от трех до пяти диаметров нити) и большой расход сырья относительно требуемой застильности.

2.2.6  Плетеные структуры

Плетеные текстильные изделия могут обладать как стабильностью размеров, так и формуемостью в зависимости от структуры и вида переплетения систем нитей (рис. 2.2, в). Виды  плетеных изделий весьма разнообразны и включают полые трубчатые рукава, сплошные цилиндры, полотна, стержни квадратного сечения и др. Структура перечисленных изделий может включать проложенные (т.е. непереплетенные) системы нитей, расположенные между переплетаемыми нитями. Плетеные структуры с проложенными нитями или с уплотненными схемами плетения обладают хорошим сопротивлением растяжению в направлении проложенных нитей и одновременно плохо сопротивляются сжатию в этом направлении.

2.2.7  Нетканые текстильные материалы

Наиболее широко распространенной разновидностью арматуры из неориентированных волокон являются волокнистые маты. Они состоят из рубленных или штапельных хаотически расположенных элементарных нитей, механически или химически связанных между собой. Длина отдельных волокон составляет, как правило, 20-50 мм. Снижение длины волокна ниже 20 мм приводит к резкому падению прочности, увеличение же длины волокон выше 50-70 мм приводит к ухудшению формуемости материала, не давая при этом существенного увеличения прочности. В химически связанных матах связующее (его наносят около 5%) соединяет отдельные пряди и удерживает их вместе, придавая мату достаточную прочность, необходимую при укладке в процессе формования. В механически связанных матах волокна скреплены между собой механическим путем - прошивкой и взаимным сцеплением. Они лучше поддаются смачиванию связующим и формованию.

2.2.8  Стеклянные волокна и армирующие материалы

         на их основе

Наиболее распространенными армирующими волокнами являются стекловолокна [23]. Исходным технологическим процессом для получения всех видов стекловолокон является процесс вытяжки нитей из расплава.

Кварцевой песок, известняк, борная кислота, глина, уголь, шпаты и другие компоненты перемешиваются и плавятся в высокотемпературных печах. Температура плавления для каждой композиции своя, но в среднем она составляет около 1260С. Расплав стекла поступает непосредственно в оборудование для расплавного формования. Это одностадийный процесс. При двухстадийном процессе расплав перерабатывается вначале в стеклосферы, которые затем поступают в плавильные печи (емкость из платинового сплава, где происходит плавление стекломассы, называется бушингом). Под действием гидростатического давления расплав стекла вытекает через тонкие отверстия фильеры в днище бушинга. Экструдируемые из каждого отверстия струи расплава в потоке водяных брызг застывают. Затем их собирают в нить и пропускают через ванну, в которой на волокна наносится покрытие- замасливатель, способствующий соединению волокон в компактную нить и предохраняющий поверхность волокон от механических повреждений при последующей текстильной переработке. Собранные в единой пучок элементарные волокна  носят название " жгут или стренга ". Стекловолоконная стренга принимается на намоточное устройство со скоростью 3,2 км/ мин. В дальнейшем бабины со стеклонитью проходят сушку для  последующей переработки в товарную продукцию. Схема одностадийного получения стекловолокна представлена на рис. 2.3.

Каждое элементарное волокно, вытягиваемое из отверстий фильеры, должно контролироваться для обеспечения стабильности размеров и свойств. Этот контроль достигается с помощью регулирования вязкости и температуры расплава стекломассы, а также скорости вытяжки (скорости приема нити). Следовательно, можно получать волокна различной тонины. В мировой практике установлено несколько стандартов на толщину стекловолокон. Эти данные сведены в табл. 2.4.

Рис. 2.3  Схема одностадийного получения стекловолокна:

1 - глина; 2 - известняк; 3 - уголь; 4 - кварцевый песок; 5 - флюорит;

6 - борная кислота; 7 - автоматические дозаторы; 8 - смеситель;

9, 10 - бункера; 11 - шнековый питатель; 12 - ванна; 13 - секция

приготовления замасливателя (шлихты); 14 - платиновые фильеры

(бушинги) с электронагревом и автоматическим управлением;

15 - замасливатель; 16 - высокоскоростное намоточное устройство;

17 - пост контроля и взвешивания               

Таблица 2.4

Маркировка и размеры элементарных стекловолокон

Марки-ровка

Диаметр, мкм

Марки-ровка

Диаметр, мкм

Марки-ровка

Диаметр, мкм

    В          

    3,8

    ДЕ

    6,0

     Н

   10,0

    С

    4,5

    Е

    7,0

     К

   13,0

    Д

    5,0

     G

    9,0

                    

Состав стекла

Стекло является аморфным материалом. С одной стороны, оно не обладает кристаллической структурой твердого тела, с другой - не обладает текучестью, характерной для жидкостей. Химически стекла состоят в основном из  кремнеземной основы (Si O), существующей в виде полимерных цепочек. Однако диоксид кремния (кварц) требует высоких температур для расплавления и вытягивания волокон. Поэтому кварцевые волокна используются в основном в особых случаях. Для снижения температуры расплава стекломассы, при которой можно проводить вытяжку волокон, необходима модификация состава стекломассы. Способы модификации состава имеют целью получение стекловолокон с определенными свойствами. Рассмотрим некоторые из этих способов.

Высокощелочные стекла (известные как натриевые или бутылочные стекла) являются наиболее распространенными. Они используются в основном для производства емкостей и листового стекла. Высокощелочные композиции, известные под маркой А – стекла, используются для получения волокон, обладающих высокой хемостойкостью. Вместе с тем высокое содержание щелочи в стекле снижает его электрические свойства. Высокие электроизоляционные свойства стекол получены на основе низкощелочных композиций (алюмоборосиликаты), получившие наименование Е - стекол. В настоящее время из волокон Е - стекла изготавливается большая часть текстильного ассортимента стекловолокон. Когда требуется особо высокая хемостойкость изделий, используются волокна из С - стекла (натрийборосиликатная композиция). Для создания волокон с высокими прочностными свойствами (для  отдельных высоконагруженных конструкций в самолето- и ракетостроении) используют  S -стекла (магнийалюмосиликатные композиции). Прочность волокон из S -стекла приблизительно на 40% выше, чем волокон из Е-стекла. Кроме того, S -стекла имеют более высокую теплостойкость. Состав композиций для перечисленных марок стекол с указанием массовых долей компонентов в процентах приведен в табл. 2.5.

Таблица 2.5

Состав композиций стекловолокон, %

Состав

Марка стекла

композиций

     А

(высоко-щелочное)

       С        

(химически стойкое)

      Е               

(электроизоляционное)

       S           

(высоко-прочное)    

Окись

кремния

      72,0

      64,6

      54,3

       64,2

Окись

алюминия

        0,6

        4,1

      15,2

       24,8   

Окись

железа

         -      

         -

         -

         0,21

Окись

кальция

      10,0            

       13,2

      17,2

         0,01

Окись

магния

        2,5

         3,3

        4,7

       10,27

Окись  

натрия

      14,2

         7,7

        0,6

         0,27        

Окись

калия

         -

         1,7

         -

          -

Окись

бора

         -

         4,7

        8,0

         0,01

Окись

бария

          -

         0,9

          -

         0,2

Прочие

вещества

        0,7

          -

          -

          -   

 

Свойства стекловолокон

Состав стекла в первую очередь определяет физико-механические свойства стекловолокон. Не менее важную роль играет соблюдение технологии получения стекловолокон на всех стадиях их производства. Ниже приведены основные физико-механические свойства (табл. 2.6), которые определяют их применение в различных областях техники.

Таблица 2.6

          Физико-механические свойства стекловолокон

                                                                Марка стекла

         Свойства

А       

С

Е

S

Плотность, кг/м

2500

2490

2540

2480

Предел прочности

при растяжении, Мпа:

  при   22С

3033

3033

3448

 4585

  при 371С

   -

-

2620

    -

Модуль упругости при

растяжении при 22С, МПа

  

-

69,0

 

 72,4

 85,5      

Относительное удлинение  при разрыве,  %

  

   -

 -

3,5

  -

 Коэффициент Пуассона

   -

 -

0,22

  -

Коэффициент линейного

термического расширения,

 106 1/C         

       8,6        

            7,2  

   5,0  

   5,6

 Температура размягчения, С   

727

749

841

   -

Высокая прочность при растяжении. Прочностные свойства стекловолокон зависят от химического состава стекла, технологии их получения, наличия механических повреждений на поверхности волокон, их диаметра и длины. С увеличением диаметра волокон их прочность падает. Наибольшее использование имеют стекловолокна диаметром  (615) мкм. Удельная прочность стекловолокон (отношение предела прочности при растяжении к плотности) превышает удельную прочность стальной проволоки.

Тепло- и огнестойкость. Неорганическая природа стекловолокон определяет их негорючесть, высокую теплостойкость. Высокая температура плавления  стекловолокон (более 1000С ) позволяет использовать их для изготовления конструкций, предназначенных для работы при высоких температурах.

Хемостойкость. Стекловолокна устойчивы к большинству химикатов, грибков, бактерий.

Влагостойкость. Стекловолокна не корродируют, не набухают и сохраняют высокие прочностные свойства в среде с повышенной влажностью.

Термические свойства. Стекловолокна имеют низкий коэффициент линейного расширения и относительно высокий коэффициент теплопроводности.

Поскольку стекловолокна  являются хорошими изоляторами электрического тока, они широко используются в изделиях, где необходимы высокая электрическая прочность и низкая диэлектрическая  проницаемость. Таким образом, для каждого конкретного применения используется то волокно, в котором реализуется максимальное  число необходимых свойств. Так, например, в авиа- и ракетостроении при создании радиолокационных обтекателей используются высокие прочностные и электрические свойства армирующих стекловолокон. При создании вентиляторных лопаток компрессора  турбореактивного двигателя  используются высокопрочные S- стекла. Если требуется сохранение максимальных свойств в условиях  высокой влажности, то предпочтительнее волокна из Е- стекол, так как они максимально устойчивы к воздействию воды.

Стекловолоконные ровнинги

Стекловолоконные ровнинги представляют собой объединение непрерывных параллельных стренг (жгутов). Традиционный ровнинг производится совместным прядением нескольких простых стренг, число которых определяется требованиями последующей переработки (параметром ровнинга является длина единицы его массы). Отдельная стренга (жгут) состоит из объединенных элементарных стекловолокон.

Текстильная стекловолоконная пряжа

Текстильная стекловолоконная пряжа - это собранные вместе одиночные параллелизованные стренги или волокна, которые в дальнейшем могут быть переработаны в текстильный материал. Волокна, полученные непосредственно из бушинга и объединенные вместе, представляют собой простейшую форму текстильной стекловолоконной пряжи, известной как " простая пряжа". Для использования такой пряжи в дальнейшей текстильной переработке ее обычно подвергают незначительной крутке (менее 40 кг/м). Однако для большинства тканей необходима более толстая пряжа, чем получается непосредственно из бушинга. Более толстая пряжа получается методом скручивания и трощения (т.е  последующим скручиванием двух или более уже предварительно скрученных жгутов). Типичным примером является скручивание двух простых стренг.

Пряжа или жгут имеют S- крутку, если скручиваемые элементы располагаются справа - вверх - налево, и Z - крутку, когда скручиваемые элементы располагаются слева - вверх - направо. Просто скрученный жгут будет образовывать петли, скрутки и запутываться, так как все элементы закручены в одном направлении. Во избежание этого при трощении общая крутка производится в направлении, противоположном "простой " крутке.

Ткани из стекловолокон

Для изготовления стеклопластиков используются различные типы стеклянных тканей. Свойства и условия получения стеклотканей зависят от строения этих тканей, плотности переплетения, извитости пряжи, плотности исходной пряжи и от условий ткачества. Плотность нитей в основе и утке определяется числом нитей в 1 см ткани соответственно в продольном и поперечном направлениях.  "Основа" - это нить (пряжа), расположенная вдоль длины ткани, а "уток" перевивает ткань в поперечном направлении. Плотность ткани, ее толщина и прочность при разрыве пропорциональны числу нитей и типу пряжи, используемым при ткачестве. Существуют различные виды переплетений основы и утка для создания тканей. Варьируя вид ткани, можно создать разнообразные армирующие структуры, влияющие  на свойства композитов из них. Для производства стеклопластиков применяются ткани трех основных типов: полотняного, саржевого, сатинового. Ткань с полотняным переплетением, в которой уток проходит под каждой нитью основы и над ней, обладает самой высокой степенью устойчивости относительно проскальзывания пряжи и менее всего повреждается. Такая ткань стабильна как по плотности утка и основы, так и по расходу пряжи. Наиболее высокими прочностными свойствами обладают ткани сатинового переплетения, так как нити в них в основном прямолинейны.

2.2.9 Углеродные волокна и армирующие материалы на их основе

Основным высокопрочным, высокомодульным армирующим материалом при создании высокопрочных композитов с органическими и неорганическими матрицами являются углеродные (графитовые) волокна [18, 29]. Уникальные свойства композиционных волокнистых материалов с углеродными волокнами определяются, в первую очередь,  высокими механическими свойствами самих волокон. Эти  характеристики обусловлены высокой анизотропией механических свойств кристаллов графита. На рис. 2.4 показана кристаллографическая структура  идеального  кристалла графита. Как видно из рисунка, атомы углерода расположены в так называемых базовых плоскостях и соединены очень прочными ковалентными (химическими) связями. Расстояние между базовыми плоскостями кристалла графита составляет 3,35Å. Наибольшая прочность и наибольший модуль упругости реализуются при растяжении вдоль базовых плоскостей. Теоретический предел прочности и теоретический модуль упругости при растяжении вдоль слоев составляют соответственно около 100 и 1000 Гпа. Взаимодействие между плоскостями определяется относительно слабыми вандер - ваальсовыми силами, что приводит к низким  значениям механических свойств кристалла при растяжении в направлении, перпендикулярном базовым плоскостям. Теоретический модуль упругости поперек слоев составляет около 35 Гпа.

В углеродных волокнах структура кристаллов далеко не совершенна. Межплоскостные расстояния не жесткофиксированы и ориентация плоскостей относительно оси волокна существенно ниже. С увеличением степени ориентации базовых плоскостей вдоль оси волокна и уплотнением этих плоскостей возрастают прочностные и упругие свойства волокна.

 

     Рис. 2.4  Кристаллографическая структура идеального

                    кристалла  графита

Общепринятая технология производства углеродного волокна основана на графитизации при термической обработке в инертной среде различных органических волокон: полиакрилнитрильных (ПАН), из нефтяного пека, гидратцеллюлозных (ГТЦ), из полиамидных, полиэфирных, фенольных смол и др. Из всех видов исходных волокон наиболее пригодными по технологическим и экономическим параметрам оказались ПАН, пеки и ГТЦ. На сегодня они являются основным исходным сырьем для производства углеродных волокон. Использование в технологии производства углеродных волокон  метода карбонизации органических волокон обусловлено их промышленным  выпуском. Потенциально  применяемые  для пиролиза органические волокна должны удовлетворять ряду критериев. Во-первых, исходные волокна должны сохраняться как единое целое на всех стадиях изготовления углеродных  волокон (УВ). Во- вторых, они не должны образовывать "расплава" исходных волокон ни на одной стадии производства. Атомы углерода в процессе пиролиза должны  иметь тенденцию к образованию графитовых плоскостей, определяющих оптимальные свойства УВ. Самыми высокими свойствами обладают волокна, у которых графитовые  плоскости  наиболее ориентированы вдоль оси волокна. Одним из важных требований к исходным материалам является их низкая цена.

Углеродные волокна из полиакрилнитрила (ПАН)

Процесс переработки ПАН-волокна в углеродные волокна включает следующие стадии: формирование исходного ПАН-волокна; предварительная  вытяжка; стабилизация при 220С  на воздухе под натяжением (ориентация  надмолекулярной структуры параллельно оси волокна); карбонизация при 1500С  в атмосфере инертного газа; графитизация при 3000С  в атмосфере  инертного газа.

 Характеристики  ПАН

ПАН является атактическим, линейным полимером, состоящим из углеродной скелетной молекулы  с  углеродоазотными  боковыми полярными группами. Структура идеальной ПАН-молекулы  показана  на рис. 2.5.

Рис. 2.5  Структура идеальной ПАН-молекулы

Полимер ПАН  растворяют в полярных растворителях для образования прядильного раствора, который, пройдя через фильеры в осадительную ванну, образует волокно. Далее  волокно проходит стадию промывки, вытяжки и сушки. Результатом процесса мокрого формования является образование ориентированных структур в  волокнах ПАН. Электронная микрофотография, полученная со свежесформованного  волокна, показывает, что  молекулы  ПАН  образуют  плотные упаковки фибрилл, которые объединяются в виде трехмерной сетки. Ориентация фибрилл при  образовании трехмерной сетки может быть повышена вытяжкой волокна в осадительной ванне (при  формовании). Ориентационная вытяжка повышает механические  свойства  волокна. Схема ориентационной вытяжки изображена на рис. 2.6.

Рис. 2.6 Влияние вытяжки на фибриллярную сетку ПАН-волокна:

1 - исходная фибриллярная сетка; 2 - вытянутое волокно    

Стабилизация  и  карбонизация  ПАН-волокна

Для получения хорошего высокопрочного, высокомодульного УВ из ПАН необходимо создать преимущественную ориентацию макромолекул параллельно оси волокна. Затем следует стабилизировать структуру волокна, чтобы преимущественная ориентация сохранилась в волокне после карбонизации.

В настоящее время в технологии стабилизации ПАН предпочтение отдается методу предварительного натяжения волокна для ориентации фибриллярной сетки вдоль оси волокна и последующей стабилизации на воздухе при температуре  200...220С. Карбонизация  ПАН-волокна,  при  которой  происходит  его  превращение  в  углеродное  волокно, проводится в  атмосфере  инертного газа при  температуре 1000 - 1500С. При этой температуре из волокна удаляются  почти  все  элементы  за  исключением  углерода. Химический  состав волокна после прогрева при 1000 С  включает в себя  примерно  94 %  углерода  и  6 %  азота. При обработке при  1300 С  в  материале  остается  не  более  0,3 %  азота. При 1600С  теряется  55...60  %  массы  исходного  ПАН-волокна.  40...45 % - ное  содержание углерода  в  ПАН  является  весьма  хорошим  показателем  по  сравнению  с  другими  исходными  материалами. Для дальнейшего повышения модуля упругости карбонизированных волокон проводят их графитизацию при температурах выше 1800С. Увеличение  этого показателя  достигается за счет улучшения кристаллической  структуры и ее ориентации  вдоль  оси  волокна.

Углеродные  волокна  из  пеков

Пеки являются продуктами деструкции, образующимися при перегонке  сырой нефти, каменного  угля  и др. под воздействием  высокой  температуры.  Многообразие  пеков  определяется  их  молекулярной  структурой. Промышленное  значение  имеет  только  процесс  получения  углеродного  волокна  на  основе  жидкокристаллических (мезофазных) пековых  структур. В технологическую схему процесса вводится стадия перевода пека в жидкокристалическое  состояние путем его термообработки при  определенных  условиях. Мезофазное состояние характеризуется упорядочением молекулярной структуры еще в жидком состоянии. Под воздействием температуры из изотропного расплава  формируется  жидкокристаллическая  структура. Схема процесса  формования  волокон  из  жидкокристаллических  пеков показана  на  рис. 2.7.

Процесс производства УВ из мезофазных пеков состоит из следующих  этапов: нагревания изотропного расплава пека  при  400...450 С в  среде  инертного газа для получения жидкокристаллического (мезофазного) состояния; формования волокон из жидко-кристаллических  пеков; отверждения  волокон;  карбонизации  волокон;  графитизации  волокон.

Рис. 2.7  Процесс получения волокна из жидкокристаллических

пеков:

а - изотропный расплав;

б - жидкокристаллическая  (мезоморфная) фаза;

в - ориентированное волокно

Формирование  волокон  из  мезофазных  пеков  производится  из  расплавов, содержащих  50 ... 90 %  мезофазы.  Мезофаза  помещается  в  экструдер, предварительно нагретый до соответствующей  температуры, а затем  расплав  мезофазы  продавливается  через  фильеры  в  атмосферу  инертного  газа.  Скорость  формования  составляет  около  127 м / мин , при  этом  степень фильерной  вытяжки  составляет  приблизительно 1000 :1. Конечный  диаметр  волокон при этом  равен  10... 15  мкм. При  малых  степенях  вытяжки  сечение  волокна  равно  площади  сечения  фильеры.  Степень  вытяжки  играет  важную  роль  не  только  для  получения волокна  нужной  толщины, но  и  для  увеличения  степени  молекулярной  ориентации  в  волокне.  Волокна, подвергнутые  сильной  вытяжке  и  обладающие  высокой  степенью  молекулярной  ориентации,  оказываются  более  однородными.  Далее  волокна  подвергаются  термообработке  при  температуре ...300С  в  кислородсодержащей  среде. В результате  такой  обработки  молекулы  в  мезофазной  структуре  сшиваются  под  влиянием  окислительной  полимеризации  и  образуют  стабилизированное  волокно.  Следующим  этапом  является  карбонизация  и  графитизация  стабилизированного  волокна,  которая  проводится  при  температурах  1000 ... 3000С  соответственно.  В  результате  этого  процесса  пек  коксуется  в  углеродный  и  окончательно  в  графитовый  материал.  После  карбонизации  ориентация  молекул  возрастает. Волокна с высокой  степенью  ориентации  надмолекулярной структуры имеют высокий модуль упругости (Е = 880  Гпа). Однако для волокон из пеков характерна высокая  микро-  и  макропористость, что существенно снижает их прочность. Прочность  волокна  линейно  зависит  от  температуры  термообработки .  При  изменении  температуры  термообработки  от  1700С  до  3000С  прочность  изменяется  от  1380  Мпа   до  2200  Мпа.

Углеродные  волокна  из  волокон гидрата  целлюлозы

Волокна на основе  гидрата  целлюлозы  получаются  методом  мокрого  формования  из древесной  целлюлозы. Начиная  с 1959 г. эти  волокна  стали  широко использоваться  как  сырье при получении  высокопрочного,  высокомодульного  углеродного  волокна  для  композиционных  материалов.  Процесс  получения  углеродных волокон  из  волокон  гидрата  целлюлозы (ГТЦ)  включает  три  основные  стадии:  низкотемпературную  стабилизационную  термообработку,  карбонизацию  при  1300С,  графитизацию  с  вытяжкой  при  2800 ... 3000С. Низкотемпературная  термообработка  проводится  на  воздухе  при  температуре  400С. Эта термообработка имеет целью стабилизацию надмолекулярной  структуры  волокна  перед  карбонизацией.

Графитизация  волокон  проводится  при  температуре  выше  2800С.  Волокна при этой температуре находятся очень короткое время, но за этот промежуток времени  могут дополнительно быть вытянуты на 100 %. Эта  вытяжка обеспечивает ориентацию надмолекулярной структуры, что позволяет достичь высоких физико-механических  свойств  углеродных  волокон.  Модуль  упругости  вытянутого в процессе графитизации   волокна    составляет   Е = 700 Гпа, в то время как невытянутое  волокно  имеет  модуль  Е = 70 Гпа.  Наиболее важными  технологическими  параметрами, влияющими  на  модуль  упругости,  являются: конечная  температура  термообработки, среднее  напряжение в волокне  в  процессе  карбонизации  и  среднее  напряжение в волокне при графитизации (при  температуре 2800С и  выше). Прочность  УВ  на основе  ГТЦ  также  зависит от указанных  выше  технологических  параметров. Предел  прочности может изменяться от  690 до 3400  МПа.  Деформация при растяжении не превышает 1%. Процесс термовытяжки  волокна  при  графитизации  является  дорогостоящим  процессом,  и  это  существенно  влияет  на   высокую  стоимость  углеродных  волокон  из  ГТЦ  по  сравнению  с  УВ  из  ПАН  и  пеков.

Армирующие материалы на основе УВ

Армирующие материалы на основе  УВ выпускаются в виде самых разнообразных текстильных структур: непрерывных нитей, тканых и нетканых материалов, ровнингов, жгутов, войлока и др. Тип и  вид текстильной структуры  определяются  ее  применением  в  композиционном  материале.

2.2.10 Органоволокна (арамидные волокна)

Органические (арамидные) волокна относятся к классу ароматических  полиамидных  волокон. Их  получают на основе линейных волокнообразующих полиамидов, в которых не менее 85 % амидных групп непосредственно связано с двумя ароматическими  кольцами. Органические волокнообразующие полимеры получают методом поликонденсации диаминов и галогенангидридов дикарбоновых кислот в растворе при низкой температуре. Образующийся при этом полимер  в виде крошки или геля измельчается, промывается и высушивается.

При формовании волокон раствор очищенного полимера в сильной кислоте экструдируется через фильеру при температуре   51... 100 С и после прохождения воздушной прослойки (толщиной  5 ... 19 мм) попадает в осадительную ванну с холодной (0 ... 4 С )  водой.

Органоволокно представляет  собой полифенилентерефталамид, являющийся  продуктом  поликонденсации  терефталоилхлорида  и  фенилендиамина. Химическая  структура  органоволокна  представлена на  рис. 2.8.

Органоволокно относится  к  классу  жесткоцепных  высокоориентированных  полимеров. Ароматические  кольца  придают  макромолекулам  высокую жесткость, способствуют преимущественной ориентации макромолекул  вдоль оси и обуславливают высокую химическую стабильность. Кристаллическая природа органоволокна  обеспечивает достаточно высокую термическую  стабильность.

Органические  волокна обладают уникальными свойствами. Среди органических  волокон они имеют самые высокие  значения прочности и модуля  упругости. Кривые  зависимости  напряжение - деформация при испытании  оказываются  практически  линейными  вплоть  до  разрушения.  Продольные  механические свойства  уникальны  даже  по  сравнению  с  неорганическими  армирующими  материалами. Они  устойчивы к пламени и высокотемпературным  воздействиям, а также к органическим растворителям,  нефтепродуктам  и  различным  маслам. Они обладают большей вязкостью  разрушения, чем стеклянные и углеродные волокна. Органические волокна  перерабатываются в текстильные  структуры на обычном текстильно - технологическом оборудовании. Физико-механические  свойства  органических  волокон  приведены  в  табл. 2.7.

Рис. 2.8  Химическая  структура  волокна кевлар

Таблица 2.7

Свойства  органических  волокон

Плотность,  кг/ м3                                                                     1440      

Диаметр  одиночного  волокна, мкм                                          12

Предел  прочности  при  растяжении   ,  МПа                     2758        

Удлинение  при  разрыве,  %                                                         2,4  

Модуль  упругости  при  растяжении,  Гпа                              130

Модуль  упругости  при  изгибе,  ГПа                                       105

Динамический  модуль  упругости,  ГПа                                   137

Органоволокна  не  претерпевают при нагревании резких  изменений  свойств  вплоть  до  разложения  при  высоких  температурах. В табл. 2.8 представлены  механические  и  теплофизические свойства органоволокон  при  различных   температурах.

Армирующие  материалы из органоволокон выпускаются в виде технических  нитей с различной линейной плотностью и структурой, в виде  пряжи, ровнинга  и  тканей.

Таблица  2.8

Механические  и  теплофизические  свойства  нитей  

из  органоволокон  при  различных  температурах

 

Температура  длительного  пребывания  на  воздухе  

без  изменения  свойств, С                                           160

Температура  разложения,  С                                       500     

Предел  прочности  при  растяжении,  МПа :                              

           при  100С  на  воздухе                                    3170                

           при  200С  на  воздухе                                    2720       Модуль  упругости  при  растяжении, ГПа:

           при  100С                                                           113    при  200С  на  воздухе                                      110

Усадка,  % / К                                                                 410-4

Коэффициент линейного расширения  в  диапазоне

         0- 100 С,  10-6  К -1                                                                                                                                                   

           продольный                                                             -2

           радиальный                                                             59              

2.2.11  Борные  армирующие  волокна

Борные волокна [5] относятся  к наиболее высокопрочным, высокомодульным  армирующим  материалам.  Они  представляют собой   непрерывные моноволокна диаметром 50 - 200 мкм. Высокая прочность бороволокон обусловлена мелкокристаллическим  строением  (кристаллы  порядка  1,5...3 нм) борного слоя. Бороволокна имеют  значительный разброс по прочности, который  вызван  неоднородностью  структуры и  дефектами в волокнах. Прочность  борных  волокон  (диаметр  90... 140 мкм)  составляет  3400...  3900 МПа ,  модуль  упругости находится в пределах 360... 400 ГПа. Плотность бороволокон зависит от их диаметра и изменяется от 2,4 до 3,1 10 3 кг/ м 3. Коэффициент  термического  расширения  в  диапазоне  температур  20... 1000 К  равен  около 7 10 –6  град -1. Борные волокна отличаются  высокой  твердостью.  Прочностные  характеристики  бороволокон  сильно  зависят  от  дефектов  структуры.  При  нанесении  термостойких  покрытий  может  наблюдаться  как  повышение  прочности  за  счет  сглаживания  поверхностных  дефектов,  так  и  снижение  ее  вследствие  роста  остаточных  напряжений. Значение  коэффициента  Пуассона  колеблется  в  пределах   = 0,04... 0,18. Пластические  деформации  имеют  место  при  температурах свыше  900 К.  На  воздухе  бороволокна  без  покрытия  начинают  окисляться при 600 - 650 К  и  при  температуре  выше  900 К  полностью  теряют  прочность. При  нанесении  термостойких  покрытий  прочность  сохраняется  до  температур  1100 - 1300 К.

Технология  получения  борных  волокон

Борные  волокна  получают  путем  осаждения  бора  из  газовой  фазы на раскаленную током вольфрамовую нить диаметром  12,5 мкм [5].  Обычно  используют  смесь  водорода Н2  и  трихлорида  бора  ВС13.  В промышленных  масштабах  выпускаются  волокна  диаметром  100, 140, 200 мкм.

Боровольфрамовые  волокна производят в реакторе, схематически  показанном на  рис. 2.9. Вольфрамовую нить помещают в вертикальную стеклянную шахту с внутренним  диаметром  около 10 мм.

Для  обеспечения  электрического  контакта  с  вольфрамом  и  для  герметизации  реактора (газовая смесь  в реакторе находится при атмосферном  давлении) шахта с обеих сторон закрыта наполненными ртутью емкостями, служащими  затворами. В  верхней  части  реактора  вольфрамовая  проволока  нагревается  в  атмосфере инертных  газов и очищается ими. В другой части  реактора вольфрамовая основа нагревается до температуры 1350ºС  в атмосфере  смеси  Н2  и  ВСl3 , в которой и происходит осаждение бора на вольфрамовую  проволоку.

Рис. 2.9.  Схема  реактора для осаждения  бора  

                на  вольфрамовую  проволоку:

1 - исходная паковка вольфрамовой  проволоки;

2 - секция  очистки  вольфрама;

3 - секция  осаждения  бора в одну или несколько стадий;

4 - приемная  бобина  для  борного  волокна

Химическая  реакция  идет  по  схеме       

2ВСl3 +  3Н2  2В + 6НСl.

                                  

Боровольфрамовые  волокна  имеют высокую стоимость, поэтому  применение их ограничено. С целью  снижения  их  стоимости  в  настоящее  время  ведутся  интенсивные  исследования  возможности  использования  более  дешевых  углеродных  волокон  в  качестве  основы  при  получении  борных  волокон.

2.2.12  Карбид - кремниевые  волокна

Карбид- кремниевые  ( SiC )  волокна  являются  одними  из  высокотермопрочных  и  термостойких  армирующих  материалов.  На  основе  волокон  SiC  и  кремниевой  матрицы  созданы  перспективные  композиционные  материалы  для  элементов  горячей  части  ГТД (лопатки  турбины,  соплового  аппарата  и  др.),  ДВС  (поршни,  цилиндры,  камеры  сгорания),  элементов  конструкций  ракетной  и  космической  техники.  Композиционные  материалы  представляют  собой  кремниевую  матрицу,  армированную  волокнами  SiC.  Композиционный  материал  SiC - Si  жаропрочен,  коррозионно - стоек,  обладает  высокой  ударной  прочностью,  длительной  жаростойкостью  при  температурах  до  Т = 1370 °С.  Волокна  SiC  обеспечивают изделию высокую  прочность при  высоких  температурах,  низкую  плотность, а  кремний, пластически  деформируемый  выше  600°С,  сообщает  материалу  повышенную  ударную  вязкость.  Максимальная  температура  применения  ограничена  температурой  плавления  кремниевой  матрицы - 1410°С.  Композиционный  материал  на  основе  SiC - Si  получают  при  взаимодействии  расплава  кремния  с  волокнами  углерода.  Технология  изготовления  изделий  состоит  в  инфильтрации  углеродных  волокон  или  волокнистого  материала  в  вакууме  расплавом  кремния.  В  результате  образуются  преимущественно  SiC - кристаллы  размерами  1...50  мкм.  Исходная ориентация  волокон  в  волокнистом  материале  сохраняется; так, если  полуфабрикат  состоит  из  ориентированных  волокон,  то  структура  композиционного материала  состоит  из  ориентированных  кристаллов  SiC  в  кремниевой  матрице.

    Изделия могут быть получены и точным литьем при 1500°С расплава в форму, заполненную углеродным волокном, пряжей или фетром. Путем изменения содержания углеродных волокон, их ориентации в полуфабрикате получают композиционные материалы различной структуры.

Рассматриваемая выше технология представляет собой  метод получения  изделий, при котором одновременно образуются волокна  SiC  и  формируется  композит.

На рис. 2.10 приведены зависимости продольного модуля упругости и прочности высокоармированного (75% SiC , 20% Si и 5 % С) композита от температуры, полученного пропиткой ровницы из углеродных волокон. В  продольном  направлении модуль упругости при 1200°С  уменьшается незначительно, а прочность не изменяется до 1200°С, выше которой начинает падать с приближением к температуре плавления кремния. Во всех случаях, однако, наблюдается линейная зависимость  нагрузка - деформация, что указывает на  хрупкий  характер  разрушения  КМ.

Рассмотренный выше композиционный материал представляет один из  видов армированной керамики. При армировании керамики дисперсными частицами ее прочность удается  повысить в 2 - 3 раза, а ударную вязкость - не более чем в 10 раз. Армирование ее непрерывными волокнами позволяет увеличить ее предел прочности на растяжение более чем на порядок, а ударную  вязкость -  на  3 - 4  порядка.

Рис. 2.10  Зависимость модуля упругости от температуры

испытания композиционного материала SiCSi (75% SiC,

20% Si и 5% C):

1 – в продольном направлении;

2 – в поперечном направлении

3 ОСНОВЫ МИКРОМЕХАНИКИ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ

        СИСТЕМ

3.1  Определение упругих характеристик однонаправленного слоя

3.1.1 Основные предпосылки

Изучение механического поведения композиционных материалов проводится на двух уровнях абстрагирования. Первый уровень, называемый микромеханикой, включает тонкие детали структуры композита на уровне размеров волокна, которое помещено в матрицу [1, 7, 19]. Таким образом, микромеханика не подразумевает исследований на атомном уровне. Главная задача микромеханики - связать эффективные  модули упругости  композита со свойствами его компонентов.

Основным результатом решения задачи в микромеханической постановке является вычисление эффективных  модулей однонаправленного слоя,  которые определяются как коэффициенты, связывающие усредненные по объему значения напряжений (компонент  тензора напряжений) и деформаций (компонент тензора деформаций) при определенных граничных условиях.

Рассматриваемый ниже подход к вычислению эффективных модулей   композиционных материалов основан на понятии представительного элемента объема, т. е. такого элемента, в котором все усредненные по объему  компоненты напряжений и деформаций равны соответствующим величинам, вычисленным для рассматриваемого композита в целом. Как правило, микромеханика ограничивается вычислением эффективных модулей упругости и коэффициентов Пуассона однонаправленного композиционного слоя. Эти вычисления дают возможность дальнейшего аналитического исследования на новом уровне абстрагирования, а именно на уровне слоистого тела. При этом реальный неоднородный материал рассматривается как однородное анизотропное тело, состоящее из однонаправленных слоев, ориентированных под разными углами (рис. 3.1).

Слой - основной элемент в композите, состоящий из погруженных в матрицу однонаправленных волокон. Следовательно, можно связать упругие  и прочностные свойства однонаправленного слоя с соответствующими свойствами компонентов. Таким образом, имеется возможность проектировать элементы  конструкций из волокнистых композитов, зная конструктивные требования к конструкции и свойства компонентов композитов.

Рис. 3.1 Волокнистый композит с укладкой слоев:

                                          90, - , + ,  0

 

При определении упругих постоянных однонаправленного слоя по  известным упругим характеристикам волокон и связующего необходимо рассмотреть напряженно-деформированное состояние последних при нагружении слоя вдоль армирования, поперек и при сдвиге. Совместная  работа волокна и связующего, обладающих различными упругими характеристиками, представляет собой сложную математическую задачу. Для определения напряжений и деформаций в компонентах  композиционного материала используют физические и математические модели, как самих компонентов, так и модели их совместной работы.

Для упрощения расчетов вводится ряд допущений:             

1. Компоненты  композиционного материала являются однородными  и  линейно - упругими  материалами.

2. Связующее является изотропным, а волокна могут быть изотропными или трансверсально-изотропными.

3. Армирующие волокна являются прямыми и параллельными.

4. Армирующие волокна распределены равномерно и имеют одинаковое сечение.

Сама модель совместной их работы предполагает, что между арматурой и связующим существует  жесткое сцепление, т. е. отсутствует скольжение. Поры как в арматуре, связующем, так и на поверхности их раздела отсутствуют.

Для определения напряжений в компонентах однонаправленного слоя  в  качестве расчетной модели будем пользоваться повторяющимся  элементом структуры материала. Периодически  повторяющийся  элемент представляет  собой типичную модель, применяемую в микромеханике для определения  механических  свойств композитов. На  рис. 3.2  показаны  модели,  которые используются в работе [26] для  определения  упругих  свойств  композитов на основе методов сопротивления материалов.

В этой модели выделяются три элемента: первый - для определения поля  внутренних напряжений при нагружении  вдоль волокон, второй - для определения напряжений при нагружении поперек волокон, третий - для определения напряжений при сдвиге. Определение поля внутренних напряжений в волокне и связующем при различных  видах  нагружения представляет большие  математические трудности. В инженерных расчетах, как правило, используют упрощенные  модели, базирующиеся на методах сопротивления материалов. Полученные решения сопоставляются, где это возможно, с решениями, полученными на более точных моделях. Эти модели и решения изложены в целом ряде  монографий и статей  [ 19, 26, 28, 33  и  др.].

 

 

Рис. 3.2 Представительный объем композитного материала (а)

и повторяющиеся элементы однонаправленного слоя для

определения:

        1 - продольного модуля упругости; 2 - поперечного модуля;

       3 - модуля сдвига

В качестве упрощенной модели используется однонаправленный слой, состоящий из объема, занятого армирующими волокнами, и объема, занятого матрицей (рис. 3.3, в).

Возможность в этой модели пренебречь влиянием коэффициентов Пуассона волокна и матрицы, геометрической формой поперечного сечения  армирующих волокон  при определении эффективных модулей упругости  однонаправленного слоя позволяет существенно упростить решения.

Рис. 3.3  Модели однонаправленного слоя с круглыми (а) и

       эквивалентными им по площади прямоугольными волокнами (в);  

       с – упрощенная модель однонаправленного слоя для

       определения упругих свойств:

       1 – объем, занятый волокном; 2 – объем, занятый матрицей

 

        3.1.2  Определение продольного модуля упругости

 

Используем упрощенную модель однонаправленного слоя. Приложим к модели в направлении армирования усредненное по площади слоя напряжение 1 (рис. 3.4).

Принимаем, что при  растяжении в направлении армирования компоненты однонаправленного композита будут находиться в одноосном напряженном состоянии. Поперечно направленные к арматуре дополнительные напряжения, которые возникают ввиду различных значений коэффициентов Пуассона для армирующих волокон   и  матрицы   , очень малы.

Рис. 3.4  Расчетная схема для определения продольного модуля

        упругости однонаправленного слоя:

А в - площадь сечения, занятая волокнами; А м - площадь сечения, занятая матрицей;  1 - усредненное напряжение, действующее на площадь сечения однонаправленного слоя ;  в1,  м - напряжения, действующие на площадях, занятых волокном и матрицей  соответственно

Это допущение значительно  упрощает  модель,  а  полученные  результаты  соответствуют  точности  инженерных  расчетов. Обозначим  соответствующие  перемещения  по  направлениям   через  . Считаем, что поперечные сечения при = const   до  деформации  и  после  деформации  являются  плоскими  и    перпендикулярными   направлению  . Это значит, что  перемещения   не  зависят  от  координат  и .  Отсюда  следует,  что   Считаем  также,  что  перемещения  точек  в   направлении  не зависят от координаты . Поэтому   Для определения модуля упругости в направлении   мысленно  выделим  параллелепипед  и  приложим  напряжение  в  направлении  армирования.  Согласно  предпосылкам,  деформации  компонентов  в  направлении    одинаковы:  .  Составим  уравнение  равновесия  в  направлении  . Представим  сечение перпендикулярного  состоящим  из двух частей: части, занятой армирующими волокнами, и части, занятой матрицей. В дальнейшем направление вдоль армирования будем обозначать “1”, поперечное направление - “2”.

Усилие, действующее  в поперечном сечении  однонаправленного  слоя и вызывающее усредненное  напряжение 1, воспринимается объемом, занятым волокном (напряжение 1в), и объемом, занятым матрицей (напряжение   1м). Обозначим объем, занимаемый  волокном, черезVв. Общий объем обозначим через  V. Введем понятие  коэффициента армирования     как  отношение   

где  

, А в- соответственно  площадь всего сечения  и  площадь,  занятая  волокном.

Уравнение равновесия для рассматриваемого элемента будет иметь  вид

Разделим  его на  А , получим      

(3.1)

Считаем, что  армирующие  волокна,  матрица  и  однослойный  композит  подчиняются  закону  Гука

(3.2)

Принимаем,  что  волокна  и  матрица  деформируются  совместно  без  проскальзывания

(3.3)

Подставляя  (3.2),  (3.3) в  (3.1), получим

(3.4)

Из  (3.4)  видно, что продольный модуль упругости однонаправленного композита в соответствии с выше принятой моделью  (модель механической смеси) является суммой произведений модулей  упругости компонент на их относительное объемное содержание. Таким образом, продольный модуль упругости однонаправленного слоя является управляемой характеристикой. Применяя волокна с соответствующими модулями упругости и варьируя их объемным содержанием, мы можем получать однонаправленный слой с заданными свойствами. В конструкционных полимерных волокнистых композитах, как правило, применяются армирующие волокна, у которых модули упругости значительно больше модуля упругости матрицы . В этих случаях продольный модуль упругости однонаправленного слоя определяется модулем упругости  волокон  и коэффициентом армирования . Зависимость продольного модуля упругости от коэффициента армирования представлена на рис. 3.5.

Рис. 3.5  Зависимость продольного модуля Е 1 от коэффициента

                       армирования

3.1.3 Вычисление продольно-поперечного коэффициента

Пуассона

Рассмотрим вычисление коэффициента Пуассона однонаправленного слоя  , где   - относительные  поперечная  и  продольная  деформациисоответственно  при  действии  напряжения   1 (рис. 3.4).  В  отличие  от  изотропных  материалов  в  композитах  коэффициент  Пуассона  имеет  два  индекса: первый  показывает  направление  относительной  поперечной  деформации,  второй- направление  продольной  деформации.  Деформация  в  поперечном  направлении  состоит  из  деформации  арматуры  и  матрицы:

где  

-  относительные  поперечные  деформации  частей,  занимаемых  волокнами  и  матрицей;

а , а в , а м - поперечные размеры сечения однонаправленного слоя и частей, занятых волокнами и матрицей соответственно ( см. рис. 3.4).  

Разделим   левую  и  правую  части  на  а.  Получим  

(3.5)

где  .  Выразим  относительные  поперечные деформации  однонаправленного слоя и частей, занимаемых волокном и матрицей, через их продольные деформации и коэффициенты Пуассона.

,

(3.6)

где - продольно-поперечный коэффициент Пуассона однонаправленного слоя;

      - коэффициенты Пуассона волокна и матрицы соответственно.

Подставляя (3.6) в (3.5) и учитывая, что продольные деформации однонаправленного слоя, волокон, матрицы одинаковы, т.е. , получим

(3.7)

Коэффициент  Пуассона  определяется, как правило,  из условия ортотропности [19, 28] однонаправленного  слоя    

Зависимость  коэффициента  Пуассона   от  коэффициента  армирования ,  рассчитанная  по  формуле  (3.7),  представлена  на  рис. 3.6.

Рис.3.6  Зависимость коэффициента Пуассона   

                       от коэффициента армирования  

3.1.4 Определение поперечного модуля упругости и модуля

          внутрислойного сдвига

Деформативные  свойства  однонаправленного  слоя  в  направлении  армирования  в  основном  определяются  жесткостью  армирующих  волокон  и  практически  не  зависят  от  геометрии  упаковки  арматуры,  формы  ее  поперечного  сечения  и  деформативных  свойств  матрицы.  Деформативные  свойства  однонаправленного  слоя  в  перпендикулярном  армированию  направлении  зависят  от  всех  перечисленных  факторов.  Для  определения  модуля  упругости  в  поперечном  направлении  пользуются  решением  плоской  задачи  теории  упругости, содержащим большое количество коэффициентов, практическое определение которых связано с большими трудностями. Поэтому воспользуемся вышепринятой упрощенной моделью, которая, хотя и не учитывает вышеперечисленные факторы, но позволяет с допустимой для предварительного расчета погрешностью (15 - 30 %)  достаточно просто определить модуль поперечной  упругости.

Рассмотрим модель однонаправленного слоя под действием поперечного напряжения    (рис. 3.7).

Рис. 3.7  Расчетная схема однонаправленного слоя

                для определения поперечного модуля упругости

Деформация однонаправленного слоя в поперечном направлении складывается из деформации волокон и матрицы:

 

Разделим левую и правую части на   

(3.8)

Учтем, что при поперечном растяжении модели

и .

(3.9)

 

Здесь Е 2 – модуль упругости однонаправленного слоя в поперечном сечении. Подставляя (3.9) в (3.8), получим

(3.10)

 

Для полимерных волокнистых композитных материалов, как правило,  Е  в » Е м, поэтому первым слагаемым в (3.10) можно пренебречь и выражение (3.10) принимает вид . Из этого выражения видно, что поперечный модуль упругости однонаправленного слоя больше модуля упругости матрицы.

Для определения модуля сдвига в плоскости 1,2  рассмотрим модель однонаправленного слоя при действии касательных напряжений  (рис. 3.8).

 

Рис. 3.8  Расчетная схема однонаправленного слоя

         для определения продольного модуля сдвига

Сдвиговые  деформации  модели  складываются  из  деформации частей,  занятых  волокнами  и  матрицей:

(3.11)

где   

(3.12)

Подставим  (3.12)  в  (3.11)  и  разделим на а .  Получим

(3.13)

3.2  Прочность однонаправленного слоя

3.2.1  Механические свойства однонаправленного слоя.  

        Роль поверхности раздела на структурную целостность

        и прочность композита

Определение эффективных упругих характеристик однонаправленного слоя по известным упругим свойствам армирующих волокон и матрицы является необходимым условием проектирования слоистого композита с заданными упругими свойствами.

Не менее важно при проектировании композита предсказание прочности однонаправленного слоя при различных видах нагружения по известным деформационным и прочностным свойствам компонент и адгезионной связи на границе волокно - матрица.

Идеализированный слой можно представить в виде волокон, равномерно распределенных в полимерной (металлической) матрице (рис. 3.9).

       Рис. 3.9  Однонаправленный слой и направление его нагружения

                       (1, 2, 3 – оси координат)

Представленный на рис. 3.9 однонаправленный слой имеет место для волокон большого диаметра, таких, как волокон бора, металлических волокон и др.

Для большинства композитов отдельный слой состоит из нитей, погруженных в соответствующую матрицу. В свою очередь нить состоит из десятков и сотен волокон.

На рис. 3.10 изображена микрофотография поперечного сечения слоя "углеродные волокна - смола". Наглядно видно, что по толщине слоя содержатся несколько волокон. Расположение волокон неравномерное, случайное. В дальнейшем изложении мы будем придерживаться расположения волокон, изображенных на рис. 3.9.

Рис. 3.10  Микрофотография поперечного сечения слоя:

                графитовые волокна -  эпоксидная смола

                                (увеличение х 1000) [15]

Однонаправленный слой обладает тремя плоскостями упругой симметрии [ 11, 28]. Более подробно упругая симметрия рассмотрена в ч. 2 данного пособия.

Плоскости симметрии связаны с осями 1,2 и 3, как показано на рис. 3.9, которые называются главными осями материала. В дальнейшем мы будем рассматривать прочность однонаправленного слоя при растяжении, сжатии вдоль направления 1 и 2 и сдвиге в плоскости     1-2, межслойном сдвиге в плоскости 1-3.

Для прогнозирования несущей способности слоя очень важно знать характер деформирования его перед разрушением при различных видах нагружения. На рис. 3.11 представлены диаграммы деформирования некоторых волокнистых композитов. Кривые деформирования показывают, что:

- продольное растяжение линейно до разрушения;

- продольное сжатие обладает слабой нелинейностью;

- поперечное растяжение почти линейно до разрушения;

         - поперечное сжатие и внутрислойный сдвиг обнаруживают

           существенную нелинейность и относительно большую

           деформацию до разрушения.

а

б

Рис. 3.11  Диаграммы деформирования однонаправленных

углепластиков при нагружениях в плоскости слоя [13]:

а - высокопрочные углеволокна - эпоксидная смола;

б - высокомодульные углеволокна - эпоксидная смола;

        сплошные линии - растяжение; пунктирные линии - сжатие [13];

        верхние рисунки относятся к продольному растяжению и

        сжатию, а нижние - к поперечным

Необходимо отметить, что диаграмма продольного растяжения определяется практически только свойствами волокон, в то время как вид остальных диаграмм существенно зависит от матрицы.        

Рис. 3.12  Кривые напряжение - деформация для слоя

стеклопластика (Е - стекло,   0,6 ) [ 13 ]:

х - разрушение;     - продольное растяжение;

  - поперечное растяжение;    - сдвиг;

----- - начальный наклон диаграмм

        Рис. 3.13  Сравнение диаграмм деформирования при растяжении

волокнистых однонаправленных композитов с эпоксидной

матрицей [13]:

1 - боропластик; 2 - углепластик; 3 - органопластик;

4 - стеклопластик;  5 - алюминиевый сплав

Механизм передачи нагрузки через поверхность раздела.

Роль влияния поверхности раздела на структурную

целостность и  прочность композитов

Поверхность раздела включает в себя поверхность контакта волокна и матрицы и область матрицы, непосредственно примыкающую к границе контакта. Природа адгезии матрицы и наполнителя очень сложна и определяется тремя типами связей: химическими, электрическими и механическими. Но независимо от природы адгезии передача усилий от матрицы к волокну происходит под влиянием механических факторов.

В [14] предлагается следующее определение поверхности раздела:

Поверхность раздела - это область значительного изменения химического состава композита, обеспечивающая связь матрицы и упрочнителя, необходимую для передачи нагрузки между составляющими композита. Термин "значительное изменение химического состава" относится больше к композитам с металлической матрицей.

Физико-химические явления, происходящие на границе волокно - матрица для металлических и полимерных матриц имеют существенные различия, которые определяются их физической и химической природой взаимодействия.

Поэтому особенности физико-химического и механического взаимодействия на границе волокно - матрица в композитах на металлической и полимерной матрицах желательно рассмотреть  отдельно.

Роль поверхности раздела в композитных материалах

с металлической матрицей [14]

Специфическая природа поверхности раздела в волокнистых композитах и особые виды физико-химического и механического взаимодействия на границе волокно- матрица являются важнейшими факторами, обеспечивающими высокие свойства волокнистых композитов. Волокнистые композиты характеризуются высокой степенью направленности поверхностей раздела. Например, в композите объемом 16,4 см3,  содержащем 50% по объему  волокна  диаметром    7,6 мкм, площадь поверхности раздела равна примерно 41936 см2. Это еще раз подчеркивает особую роль поверхности раздела в структурной целостности композита.

Поверхность раздела непосредственно участвует в передаче внешней нагрузки к поверхностям композита. Внешнее нагружение передается от поверхности, к которой оно приложено, к прилежащему слою материала посредством сдвига. Этот слой материала, в свою очередь, передает таким же образом нагрузку далее в глубь композита (рис. 3.14).

Рис. 3.14  Сдвиговой характер внешнего нагружения

                волокнистого композита [14]

Неравномерность сдвиговых и осевых напряжений по поперечному сечению имеет место в местах приложения внешних нагрузок и в непосредственной близости. На некотором удалении от мест приложения напряжения выравниваются. Тем не менее из-за различия уровней напряжений в компонентах (из-за различия их упругих постоянных) появляются поперечные напряжения между компонентами. Их знак и величина зависят от свойств компонентов, объемной доли упрочнителя, величины приложенной нагрузки, геометрических факторов. На поверхности раздела волокно - матрица и в непосредственной близости возникает сложное напряженное состояние.

На рис. 3.15  представлены схема волокнистого композита при гексагональном расположении волокон и напряженное состояние элемента матрицы, граничащего с поверхностью раздела.

Механические свойства композита зависят от степени совершенства связи на поверхности раздела между компонентами композита. Непрерывность всех поверхностей раздела и равномерность их прочности являются важными факторами, позволяющими поверхностям раздела выполнять свою основную задачу обеспечения структурной целостности композита.

При проектировании композита стремятся к совершенной связи между компонентами композита. Но эта совершенная связь не должна приводить к образованию химических соединений на поверхностях раздела, к диффузии компонентов композита, к их взаимному растворению.

Металлическая матрица в композитах должна иметь малую плотность и высокую пластичность. Как правило, такие матрицы склонны к образованию химических соединений с волокнами бора, карбида кремния, углеродными волокнами. Образующиеся при этом химические соединения, часто интерметаллические по природе, отличаются хрупкостью и малой прочностью. Подобные химические соединения снижают адгезионную прочность поверхности раздела и существенно снижают ее способность распределять нагрузку и сопротивляться разрушению в условиях сложного напряженного состояния.

а

б

Рис. 3.15  Схема волокнистого композита [15]:

а - гексагональное расположение волокон; б - напряженное

состояние элемента матрицы на поверхности раздела;

rr - радиальные нормальные напряжения; - окружные

нормальные напряжения; zz - продольные нормальные

напряжения; r - окружные касательные напряжения;

zr - радиальные касательные напряжения;

zz - продольные касательные напряжения

Помимо снижения адгезионной прочности поверхности раздела, химическое взаимодействие компонентов приводит к ухудшению основных свойств упрочнителя. На поверхности упрочнителя появляются неровности, нерегулярности в геометрии, которые существенно снижают первоначальную прочность упрочнителя и в целом композитного материала. Химическое взаимодействие матрицы и армирующего материала может сопровождаться их диффузией, что приводит к разупрочнению упрочнителя и уменьшению пластичности матрицы. Для уменьшения химического взаимодействия компонентов волокна упрочнителя покрывают барьерным слоем, который заметно снижает скорость реакций между волокном и матрицей. Для композиционных материалов на основе борных волокон и алюминиевой матрицы в качестве барьерных слоев используются покрытия карбидом кремния или нитридом бора. Тем не менее исключить полностью химическое взаимодействие и диффузию через поверхность раздела при длительном взаимодействии умеренных температур не удается.

В волокнистых композитах с полимерными матрицами скорости химического взаимодействия компонентов несравнимо меньше, чем у композитов с металлическими матрицами.

Компоненты композитов на основе неорганических волокон и различных смол имеют низкую реакционную и диффузионную способность. Связь между ними образуется в основном при механическом сцеплении при наличии шероховатости волокон и трения между волокнами и матрицей. Определенный вклад в адгезионную прочность на границе раздела могут вносить силы Ван-дер-Ваальса.

         3.2.2  Особенности разрушения композиционных

         материалов, армированных непрерывными волокнами

Характер разрушения армированных пластиков определяется свойствами армирующей и матричной фаз и их взаимодействием на границе раздела. Предельные деформации волокон и матрицы могут отличаться в несколько раз. Компоненты армированных пластиков в связи с этим разрушаются не одновременно. Поэтому учет предельных деформаций матрицы и армирующих волокон при прогнозировании прочности композиционного материала имеет существенное значение. Очень часто причиной начала разрушения может явиться нарушение адгезионной прочности на поверхностях раздела волокон и матрицы. Это имеет место, как правило, в композиционных материалах на полимерной матрице [27]. В таких случаях прочность композиционного материала определяется адгезионной прочностью между матрицей и арматурой.

Расслоение

Еще одним видом разрушения, присущим исключительно слоистым композитам, является расслоение в условиях плоского и объемного напряженного состояния. Это вид разрушения можно наблюдать и при одноосном растяжении плоских образцов со свободными кромками (рис. 3.16). Причиной такого вида разрушения плоских образцов является  концентрация межслойных нормальных напряжений  z в области, расположенной вдоль свободных кромок, вызванная различием свойств смежных слоев (коэффициентов Пуассона, термического расширения и др.). Величина межслойных нормальных напряжений связана с последовательностью укладки слоев композита по толщине. Последовательность укладки определяет не только величину межслойных напряжений, но и их знак. Предсказание величины и характера распределения межслойных нормальных напряжений требует применения трехмерного анализа межслойного расслоения.

При комбинированном нагружении композитной конструкции в поперечном сечении последней могут действовать одновременно изгибающий и крутящий моменты, растягивающая (сжимающая) сила, поперечные силы. Каждый силовой фактор вызывает свой вид разрушения композитного материала.

 

Рис. 3.16  Геометрия слоистого тела и распределение

         напряжений на границе раздела  z = h 0 при = 45 и

         b = 8h, а - свободный край

Необходимо также иметь в виду, что вид разрушения в сильной степени зависит от структуры композита и объемного содержания армирующих волокон. Поэтому для прогнозирования прочности слоистого композита предпочтительнее использовать критерии, которые базируются на анализе напряженного состояния каждого слоя. Данный подход позволит учесть характер разрушения слоя при действии того или иного силового фактора и проследить кинетику разрушения слоистого композита.

Особенностью критериев, которые используются для прогнозирования прочности слоистых пластиков, является то, что они базируются на средних напряжениях и не учитывают структуры материалов. В действительности фактические напряжения в компонентах существенно отличаются количественно и качественно от средних. Как правило, большинство критериев не учитывает концентрации напряжений в компонентах композита, на межфазных границах волокно-матрица, начальные напряжения в компонентах и др. Если рассматривать простое растяжение композитного материала с точки зрения средних напряжений, то он будет находиться в линейном напряженном состоянии. Фактически при простом растяжении компоненты армированного пластика находятся в плоском или объемном напряженных состояниях, и для оценки их прочности необходимо применять критерии, учитывающие их действительное состояние.

Задача эта очень сложная и выходит за рамки данного пособия. Необходимо также учитывать, что технология изготовления изделий [6] может существенно влиять на упругие и прочностные характеристики композитного материала, поскольку структура реального материала и адгезионная прочность матрицы и волокон, как правило, далеки от тех, которые используются в расчетных моделях для определения упругих характеристик напряженного состояния в компонентах композита.

В связи с этим разработанные критерии, которые основываются на средних напряжениях, целесообразно использовать для ориентировочных оценок и качественного анализа.

Более перспективным путем прогнозирования прочности композита является учет фактической структуры материала, напряженного состояния его компонент (матрицы и волокон) и межслойного слоя. Теория, базирующаяся на таком подходе, называется структурной теорией прочности. Под структурными напряжениями будем понимать напряжения в армирующих волокнах и матрице без учета их микроструктуры. Адгезионное взаимодействие на границе волокон и матрицы считаем абсолютным по всей их длине.

Наиболее полно структурная теория прочности изложена в монографии А.М.Скудры и Ф.Я.Булавса “Структурная теория армированных пластиков” [26], к которой по мере необходимости мы будем обращаться.

3.2.3  Характеристики прочности и виды разрушения

            однонаправленного слоя при простых напряженных

            состояниях

Прочность однонаправленного слоя при простом напряженном состоянии представляет собой напряжение, при независимом действии которого слой разрушается. Будем понимать под слоем пластину малой толщины по сравнению с ее размерами в плоскости. Для однонаправленного слоя (рис. 3.17) можно выделить пять значений прочности:

- прочность при растяжении вдоль волокон;

- прочность при сжатии вдоль волокон;

- прочность при растяжении поперек волокон;

- прочность при сжатии поперек волокон;

- прочность при сдвиге в плоскости слоя.

Рис. 3.17  Характеристики прочности однонаправленного слоя

Виды разрушения слоя

Растяжение вдоль волокон

Как показали анализы разрушения слоя под действием продольной нагрузки, возможны несколько (три и более) видов разрушения (рис. 3.18):

а) хрупкий;

б) хрупкий с вытаскиванием волокон;

в) обусловленный сдвигом матрицы между волокнами и нарушением адгезионного взаимодействия волокно-матрица (т.е. появлением расслоения).

                    а                 б                           в

 Рис. 3.18  Виды разрушения при продольном растяжении [13]:

                      а - хрупкое; б - хрупкое с вытаскиванием волокон;

             в - обусловленное сдвигом матрицы и расслоением

На прочность и вид разрушения слоя влияют большое количество факторов, таких как:

- объемные доли волокон и матрицы;

- размер и число пор;

- распределение волокон;

- упругие и прочностные свойства волокон и матрицы;

- прочность адгезионного взаимодействия на границе волокно-         матрица;

- напряженное состояние в слое, вызванное приложенной нагрузкой;

- технологические параметры процесса получения слоя.

При высокой адгезионной прочности между матрицей и волокнами и низком содержании волокон наблюдается хрупкое разрушение. Слои со средним объемным наполнением волокном (40 60 %) разрушаются хрупко с вытаскиванием волокон. При высокой объемной доле волокон (более 65%) слои разрушаются с нарушением связи между волокнами и матрицей с вытаскиванием волокон, расслаиванием. Провести четкие границы между видами разрушения невозможно из-за влияния вышеперечисленных факторов на прочность и вид разрушения.

Продольное сжатие

Разрушение при продольном сжатии может происходить в различных формах, которые показаны на рис.3.19:

- микровыпучивание волокон при упругом или пластическом состоянии матрицы;

- микровыпучивание волокон после нарушения адгезионной связи  

 между ними и матрицей;

- расслаивание;

- выпучивание слоя;

- сдвиговое разрушение слоя;

- разделение слоев из-за поперечного растяжения в направлении

 толщины слоя (поперечное расслаивание от растяжения).

Микровыпучивание волокон при упругих напряжениях в матрице возникает в слоях с весьма малой объемной долей волокон. Переход матрицы в пластическое состояние и отслаивание волокон от матрицы возникает, как правило, при объемной доле волокон   0,4.

Экспериментальные данные по продольному сжатию показывают, что слой не может выдерживать достаточно высокую сжимающую нагрузку, чтобы достигнуть полной прочности. При разрушении слоя от сжимающей нагрузки напряжение в волокнах значительно меньше их ожидаемой прочности на сжатие.

 

         Рис. 3.19  Формы разрушения при продольном сжатии:

а - микровыпучивание; б - отслаивание волокна от матрицы;

в - выпучивание слоя; г - сдвиговые разрушения

Поперечное растяжение

При поперечном растяжении наблюдаются такие виды разрушения, как разрыв матрицы (рис. 3.20), расслаивание, расщепление волокон и комбинации перечисленных видов разрушения.

Рис. 3.20  Разрушение при поперечном растяжении

Поперечное сжатие

Под действием поперечных сжимающих напряжений могут осуществляться следующие виды разрушения слоя (рис. 3.21):

- разрушение матрицы от сжатия;

- сдвиговое разрушение матрицы;

- сдвиговое разрушение матрицы, расслаивание и раздавливание волокон.

Рис. 3.21  Сдвиговое разрушение матрицы при поперечном

                          сжатии

Сдвиг в плоскости слоя

Действие касательных напряжений в плоскости слоя вызывает следующие виды разрушения слоя (рис. 3.22):

- сдвиговое разрушение матрицы;

- расслаивание;

- сдвиговое разрушение матрицы и расслаивание.

Рис. 3.22  Схема разрушения при сдвиге:

а - неразрушенный слой; б - разрушенный слой

Предсказания прочности однонаправленного слоя

         при одноосном нагружении

Прочность однонаправленного слоя является функцией физико-механических характеристик компонент композита, характеристик процесса изготовления, характеристик взаимодействия армирующей и матричной компонент, а также напряженного состояния в слое, вызванного внешней нагрузкой и технологическими напряжениями, возникающими в процессе изготовления изделия.

Перечислим основные из них:

- объемная доля и распределение волокон;

- объемная доля матрицы;

- наличие, размер и распределение пор;

- упругие и прочностные характеристики волокон и матрицы во всем диапазоне  температур изготовления изделий;

- характеристики процесса изготовления изделий (температура, давление при отверждении, продолжительность);

- адгезионное взаимодействие на границе волокно-матрица;

- технологические напряжения в компонентах и на границах;

- напряженное состояние от внешней нагрузки.

Конкретизировать вид функций, влияющих на прочность, задача не из простых, но реализуемых. В дальнейшем используются значительно упрощенные математические модели, которые довольно грубо аппроксимируют предсказание прочности, но позволяют проанализировать вклад основных характеристик компонент композита.

Теоретические методы определения прочности однонаправленного слоя при одноосном нагружении базируются на трех основных методах:

- инженерных методах, базирующихся на гипотезах сопротивления материалов;

-  методах классической теории упругости, конечных элементов и механики разрушения;

- статистических методах, учитывающих статистический разброс прочности волокон.

В дальнейшем теоретическое определение прочности при различных видах деформаций будет базироваться на инженерных методах.

Математическая модель метода основана на допущениях, принятых для модели при определении упругих характеристик однонаправленного слоя. Считаем также, что напряженное состояние слоя при любых условиях нагружения считается ограниченным линейной областью его диаграммы напряжение - деформация, т.е. слой обнаруживает линейное поведение до разрушения.

3.2.4  Прочность слоя при продольном растяжении и сжатии

На рис. 3.23  представлена модель однонаправленного слоя, нагруженная растягивающим напряжением, направленным вдоль волокон.

Рис. 3.23  Модель однонаправленного слоя для определения

                          прочности при растяжении

Определяющие уравнения выводятся из условия равновесия сил в направлении волокон. Получим

(3.14)

где

А - площадь сечения однонаправленного слоя,

А в, А м - площади, занятые соответственно волокнами и матрицей.

Разделим левую и правую части на площадь сечения однонаправленного слоя А:

(3.15)

Считаем, что деформации в компонентах следуют закону Гука и слой деформируется однородно, т.е.    

(3.16)

Полагаем также, что предельное относительное удлинение матрицы больше, чем предельное удлинение волокон

                                       

(3.17)

При разрушении однонаправленного слоя при растяжении относительная деформация матрицы равна предельному удлинению волокна .

Согласно (3.16) принимаем

В результате получим

(3.18)

Выразим  через закон Гука

Окончательно получим

            (3.19)

В выражениях (3.14)-(3.19) приняты следующие обозначения:

- разрушающее напряжение в направлении армирования для однонаправленного композита; - разрушающее напряжение для пучка волокон; - объемная доля волокон (коэффициент армирования); Ем , Ев - модули упругости матрицы и армирующего материала соответственно.

Разрушающее напряжение, вычисленное по уравнению (3.19), лишь приближенно характеризует прочность однонаправленного слоя, но  оно  показывает влияние характеристик компонент, объемного содержания на прочность композита. Тем не менее уравнение (3.19) широко применяется при проектировании сосудов давления, изготавливаемых намоткой волокон.

Прочность слоя при продольном сжатии

Вывод уравнения прочности слоя при сжатии подобен выводу уравнения при растяжении и имеет вид, аналогичный вышерассмотренному. Когда прочность композита на сжатие определяется волокнами, уравнение имеет вид

(3.20)

а когда определяется прочностью матрицы,

(3.21)

 

Здесь  - прочность однонаправленного слоя при сжатии вдоль волокон;  - прочности волокон и матрицы при сжатии соответственно;  - предельные удлинения разрушения при сжатии соответственно волокон и матрицы.

Уравнения (3.20) и (3.21) дают довольно грубую оценку прочности слоя при продольном сжатии. Однако некоторые экспериментальные данные на углепластиках с эпоксидной матрицей показывают, что уравнение (3.20) может предсказывать результаты в разумных пределах [13].

 

3.2.5  Прочность слоя при поперечном растяжении, сжатии

и внутрислойном сдвиге

Для предсказания прочностей однонаправленного слоя при поперечном растяжении  , сжатии   и внутрислойном сдвиге  предложено два метода :

1. Метод, опирающийся на допущения сопротивления материалов, в котором считается, что прочности слоя  ,  и     определяются прочностью наиболее слабого звена в композите. Слабым звеном может быть матрица, когда ее прочность меньше прочности сцепления и меньше поперечной прочности. Слабым звеном может быть прочность сцепления волокна и матрицы, когда прочность сцепления меньше прочности матрицы и волокна.

Часто используется подход, в котором считается, что прочности слоя определяются соответствующими прочностями матрицы, уменьшенными с учетом коэффициентов концентрации напряжений либо коэффициентов концентрации деформаций.

2. Метод, предполагающий, что прочности слоя определяются наиболее опасным напряженно-деформированным состоянием в точке матрицы или волокна, согласно одному из критериев разрушения [33]. Наибольшие напряжения и деформации в точке матрицы или волокна находятся на основе методов теории упругости или развитых в настоящее время вычислительных методов конечных элементов.

Рассмотрим подходы, опирающиеся на модели сопротивления материалов. Эти модели основаны на следующих допущениях:

идеальная связь между компонентами;

равномерное упорядоченное расположение волокон;

линейные соотношения напряжение-деформация для обоих компонентов;

совпадение свойств компонентов в композите со свойствами, определенными на отдельных макрообразцах;

пренебрежение остаточными напряжениями;

равенство упругих характеристик при растяжении, сжатии.

На рис. 3.24  представлена модель поперечного нагружения периодически повторяющегося элемента равномерно распределенным напряжением .

 

 

Рис. 3.24  Модель поперечного нагружения периодически

          повторяющегося элемента (а) равномерно распределенным

          напряжением (б)

На этом же рисунке показана эпюра распределения напряжений в матрице с учетом концентрации напряжений (в).

Уравнение для максимального коэффициента концентрации напряжений К22 в матрице имеет вид [13]

(3.22)

 

На рис. 3.25 дано графическое представление уравнения (3.22) для композита с   .

Прочность однонаправленного слоя при поперечном растяжении  получается из уравнения (3.22), если принять

,

,

(3.23)

где - предел прочности матрицы на растяжении, а К22 находится из уравнения (3.22) или по рис. (3.25).

 

 

Рис. 3.25  Коэффициенты концентрации напряжений

                           при поперечном нагружении ()

Аналогично определяется прочность слоя при поперечном сжатии :

,

(3.24)

где - предел прочности матрицы на сжатие, а К22 находится из (3.22).

Выражение для коэффициента концентрации напряжений для внутрислойной сдвиговой прочности имеет вид уравнения (3.22) и получается простой заменой в (3.22) цифровых индексов 2 на 12, Е на G и на .

(3.25)

Прочность слоя при внутрислойном сдвиге определяется выражением

,

где - предел прочности на сдвиг матрицы.

Коэффициент К12 можно определить по рисунку, если .

3.2.6  Определение внутренних напряжений в компонентах

                   КМ с учетом  структуры при поперечном растяжении

Определение максимальных напряжений в матрице изложим в соответствии с работой [26], в которой на основе методов сопротивления материалов приводится в феноменологическом аспекте теория напряженно-деформированного состояния армированных пластиков с учетом структуры материалов, упругих и прочностных свойств его компонентов, их фактического (с точностью принятой модели) напряженного состояния.

При определении поля внутренних напряжений в компонентах однонаправленного композита используется метод тонких сечений, суть которого заключается в следующем.

Однонаправленный композит представляется в виде регулярной структуры равномерно распределенных в матрице прямолинейных волокон (рис. 3.26). В этой модели композита выделяется повторяющийся элемент, представляющий собой волокно, окруженное матрицей (рис. 3.26, б, в).

Предпосылки, которые используются в вышеприведенной модели:

  1.  Компоненты композита (волокно и матрица) линейно упругие.

Матрицы являются изотропными, а волокна – трансверсально изотропным материалом.

Волокна имеют круглое поперечное сечение и распределены равномерно.

Различного рода микродефекты компонентов (искривления волокон, трещины и т.п.) не оказывают существенного влияния на напряжения в композитах.

Оба компонента являются однородными материалами и деформируются совместно.

Как видим, вышеприведенные предпосылки принимаются всегда при определении напряжений в компонентах независимо от метода, применяемого при решении задачи.

Повторяющийся элемент abcd гипотетически разрезается на тонкие слои толщиной dy плоскостями, параллельными плоскости армирования и направлению действия поперечной нагрузки. Один такой i-й слой произвольно малой толщины представлен на рис. 3.26, в. Он содержит смолу и волокно в чередующемся порядке.

К расчетной схеме (рис. 3.26) однонаправленного композита в направлениях, параллельном и перпендикулярном армированию, приложены средние напряжения   и  . В расчетной схеме принята регулярная структура армирующего материала относительно осей х и у. Поэтому стороны повторяющегося ab, bc, cd, da после деформирования должны остаться параллельными первоначальному недеформированному положению.

a

Рис. 3.26  Расчетные схемы: а - для композитного материала;

         б - для повторяющегося элемента;

в - вырезанный из него слой произвольно малой толщины

Из этого следует, что деформации элемента abcd в направлении х и у остаются постоянными:

(3.26)

(3.27)

При разделении повторяющегося элемента на тонкие слои напряжения  ,  в отдельных точках (слоях) будут зависеть от координат х и у.

В сечениях элемента, параллельных координатным плоскостям, должны выполняться условия равновесия

В направлении армирования должны соблюдаться условия равновесия и условия неразрывности деформации:

Для определения  x , y , z , x , z  разрежем элемент abcd     (см. рис. 3.26) на тонкие слои толщиной dy. Обозначим упругие         характеристики рассматриваемого слоя соответственно через  .

Связь между напряжениями и деформациями в тонком слое имеет вид

(3.28)

(3.29)

Далее считаем, что в направлении х напряжение в арматуре и матрице одинаково, а деформации различны. В направлении z предполагаем, что деформации в матрице и арматуре одинаковы, а напряжения различны. Эти допущения имеют вид:

(3.30)

 

Напряжения и деформации, входящие в эту систему уравнений, являются средними, действующими в компонентах слоя dy на расстоянии у от оси х. Объемное содержание арматуры у в таком слое определяется из схемы, представленной на рис. 3.26:

Учитывая, что

и

получаем

(3.31)

где .

Для определения напряжений и деформаций в компонентах представим их законы деформирования в виде:

а) для изотропной полимерной матрицы -

в направлении у

          

   (3.32)

б) для трансверсально изотропной арматуры -

        

(3.33)

Решая линейно алгебраическую систему, состоящую из уравнений (3.30), (3.32), (3.33), получаем выражения для определения напряжений в компонентах в направлениях у и z.

(3.34)

(3.35)

В эти зависимости введены следующие обозначения:

Для определения деформаций в направлении х используем законы деформирования и условие неразрывности деформаций в направлении оси х:

(3.36)

Решая систему (3.36) и учитывая уравнения (3.34) и (3.35) для Ау и Аz , получаем

Для определения деформации используем следующие соотношения:

(3.38)

Учитывая ранее полученные выражения для напряжений му и мz , имеем

Приравнивая коэффициенты в зависимостях (3.28) и (3.37) и учитывая, что   , получим

       (3.40)

     (3.41)

Подобным образом, используя зависимости (3.29) и (3.39), находят выражения для  и :

   (3.42)

   (3.43)

Из системы уравнений (3.28) и (3.29) определяются х и z :

Введем обозначения:

                        

Используя обобщенный закон Гука для однонаправленно-армированного материала при двухосном нагружении:

(3.44)

(3.45)

и учитывая, что

получим окончательные выражения для х = мх и z :

 (3.46)

  (3.47)

Модули упругости Е1 , Е2 и коэффициент Пуассона 21 определяются по формулам, приведенным в разделе 3 .

Коэффициент Пуассона 12 определяется из условия ортотропности:

Если , то зависимости (3.46) и (3.47) принимают вид

(3.48)

(3.49)

В аналогичной форме могут быть переписаны также зависимости для Ау и Аz :

Безразмерные параметры  , входящие в формулы (3.48) - (3.49), учитывают структуру материала (свойства волокон и связующего, объемное содержание волокон и их упаковки). Эти параметры определяются по следующим зависимостям:

(3.52)

(3.53)

(3.54)

(3.55)

где

Формулы (3.48), (3.50) и (3.51) дают возможность определить напряжения в полимерном связующем и на контактной поверхности мх , му и мz   при любом значении координаты у.

Если нагрузка приложена только в направлении оси х, то наибольшими напряжениями будут напряжения Ах , которые достигают наибольших значений при у = 0.

3.2.7  Прочность однонаправленного слоя при плоском

                   напряженном  состоянии [26, 28, 33]

Упругие и прочностные характеристики однонаправленного слоя, определенные методами микромеханики, позволяют выявить их зависимость от свойств и объемного содержания компонент. Необходимо иметь в виду, что все многочисленные модели микромеханики однонаправленного слоя удовлетворительно согласуются между собой только в отношении продольного модуля упругости. Результаты определения  упругих  и  прочностных  свойств  при поперечном  направлении  и  сдвиге  существенно отличаются от экспериментальных (15 20 %). Это отличие объясняется тем, что структура реального компонента, полученного по конкретной технологии, существенно отличается от использованной в модели. Принятые допущения относительно свойств и геометрии лишь приближенно отражают реальный композит. Поэтому полученные по тем или иным микромеханическим моделям упругие и прочностные свойства целесообразно использовать для ориентировочных оценок и качественного анализа свойств однонаправленного слоя. При конкретном проектировании изделий из композиционных материалов свойства, полученные методами микромеханики, должны уточняться свойствами, полученными экспериментальными методами.

Однонаправленный слой в многослойном композите находится в условиях объемного напряженного состояния. В большинстве случаев напряжениями в направлении, перпендикулярном слоям, пренебрегают и считают, что слой находится в условиях плоского напряженного состояния и испытывает действие напряжений 1 , 2   и 12 .

Естественно, для прогнозирования прочности слоя при действии этих напряжений необходим критерий прочности. Для инженерных расчетов наиболее распространены феноменологические критерии, не раскрывающие физику явлений разрушения, а базирующиеся на данных о разрушении при различных сочетаниях напряжений 1 , 2  , 12 .

Феноменологический критерий прочности при плоском напряженном состоянии в координатах  1 , 2  , 12  представляет собой замкнутую поверхность (рис. 3.27), координаты точек которой характеризуют предельные напряжения, при которых наступает разрушение либо появление недопустимо больших деформаций. Координаты, например точки К, представляют предельные напряжения 1(к) , 2(к) , 12(к), при которых наступает разрушение.

Рис. 3.27  Поверхность прочности при плоском напряженном  

                          состоянии

При наличии достаточно большого количества испытаний при различных сочетаниях  1 , 2  , 12 феноменологический критерий представляется в виде поверхности прочности. Если напряжения в опасном месте рассчитываемой конструкции характеризуют точку внутри пространства, ограниченного поверхностью прочности, то напряженное состояние безопасно.

Построение поверхности прочности требует значительного количества испытаний. Поэтому на практике поверхность прочности представляют в аналитическом виде. Для ее построения используют результаты испытаний на прочность при простых видах нагружения (растяжение, сжатие, сдвиг) вдоль направлений армирования, поперек и при сдвиге. Если необходимо, проводят ограниченные испытания при плоском напряженном состоянии и при различных сочетаниях   1 / 2 . Полученная поверхность лишь с определенной степенью точности описывает реальные результаты, позволяет дать приемлемый прогноз прочности рассчитываемой конструкции.

Критериев прочности для композитов разработано достаточно много и каждый из них отражает те или иные особенности разрушения. В качестве примера рассмотрим критерий Мизеса - Хилла, который представляет собой аналитическую аппроксимацию результатов испытаний однонаправленного слоя при различных видах нагружения [33].

Условие прочности по Мизесу - Хиллу записывается в виде

(3.56)

Учет только квадратичных членов в критерии прочности предполагает его справедливость только для материалов с одинаковой прочностью на растяжение, сжатие. Для учета различия в прочности на растяжение, сжатие в квадратичную форму вводят члены в первой степени А1 1 и А2 2 .

Критерий в этом случае записывается в виде

(3.57)

Коэффициенты  Аi и Aij  определяются из опытов на растяжение, сжатие вдоль армирования, поперек армирования, сдвиг в плоскости 1,2 и испытания при плоском напряженном состоянии под действием напряжений  1 и 2 (12 = 0).

Для анализа критерия прочности вернемся к более простой его записи  (3.56).

Нагружая образцы из однонаправленного композита вдоль армирования   (2 = 12 = 0)  предельным  напряжением   ,   получим      

  .   Аналогично,   при   нагружении   поперек   волокон

(1 = 12 = 0) получаем    . При сдвиге (1 = 2 = 0 ) коэффициент В12  находится из выражения  .

Для определения коэффициента А12 образец (как правило, трубчатый) нагружается одновременно напряжениями 1 и 2 таким образом, чтобы они достигли в момент разрушения образца предельных значений  и  и выражение критерия при этом нагружении принимает вид

(3.58)

Учитывая ранее найденные коэффициенты А11 и А22 , получим  .

С учетом найденных коэффициентов критерий прочности  имеет вид

(3.59)

Для однонаправленного слоя наибольшая несущая способность реализуется в направлении волокон, т.е.     и    . При этом условии первые два слагаемых в выражении (3.59) оказываются малыми и критерий можно записывать в виде

(3.60)

Критерий прочности в форме (3.60) предполагает, что разрушение однонаправленного слоя связано с разрушением связующего и нарушением сцепления между волокнами и матрицей. Оба вида разрушения приводят к нарушению монолитности слоя. Нарушение монолитности слоя, как будет показано ниже, еще не означает разрушения многослойного композита в целом, так как волокна продолжают воспринимать нагрузку вдоль направления армирования.

Разрушения волокон определяются первым слагаемым. Условие прочности имеет вид

(3.61)

Как показывают экспериментальные исследования, разрушение однонаправленного композита носит поэтапный характер. Как правило, в первую очередь разрушается связующее либо происходит отслоение матрицы волокна в результате действий напряжений  2 и 12.

Для прогнозирования прочности однонаправленного слоя при инженерных расчетах используют более простые критерии вида:

(3.62)

Критерий вида (3.62) иногда записывается через деформации

(3.63)

Графический вид критериев (3.59), (3.60), (3.62) в пространстве напряжений   1 , 2  , 12  изображен на рис. 3.28.

Критерий  а имеет вид замкнутой поверхности в виде эллипсоида вращения (рис. 3.28), критерий в форме б имеет вид незамкнутой цилиндрической поверхности и критерий в - в форме параллелепипеда.

Рис. 3.28  Предельные поверхности прочности

         для однонаправленного композита, построенные

         по формулам:

            а – (3.59); б – (3.60); в – (3.62) [19]

4  МИКРОМЕХАНИКА ГИБРИДНЫХ КОМПОЗИТОВ

4.1  Упругие характеристики гибридного композита

Гибридными называют композиционные материалы, содержащие более одного вида армирующего материала в одной матрице. Включение более одного вида армирующего материала имеет целью повышение тех или иных свойств композита. Так, включение в лонжерон лопасти вертолета из стеклопластика ровницы из углеволокон повышает модуль упругости, усталостную долговечность. Считают, что сочетание непрерывного и рубленого волокна в одной матрице также приводит к получению КМ, который можно отнести к гибридному.

Надлежащим образом сконструированные гибридные КМ позволяют получать конструкции, имеющие оптимальным образом сбалансированные свойства, такие, как прочность и жесткость, масса и стоимость, высокая термическая стабильность, повышенная трещиностойкость и ударная прочность.

К настоящему времени не сложилось какой-либо общепринятой классификации ГКМ. Однако независимо от выбранных для классификации признаков, которые могут быть самыми различными, ГКМ можно разделить на следующие виды:

1. Внутрислойные – различные волокна в каждом слое гибридного композита регулярно чередуются.

2. Межслойные – каждый слой композита состоит из одного вида волокон (например, углестеклопластиковая пластина с наружными слоями из углеволокон) (рис. 4.1).

Перечисленные виды композитов, как правило, имеют одну матрицу. В качестве традиционной матрицы используют термореактивные полимерные материалы. Для получения высокопрочных КМ, использующихся при невысоких температурах, главной матрицей остаются эпоксидные смолы. Для применения при высоких рабочих температурах (до 573 К) более перспективной считают матрицу на основе полиимидного связующего. Использование термопластичных материалов в качестве матрицы КМ является относительно новым. Для этой цели пригодны полипропилен, полиамиды (капрон), полисульфон, полифениленсульфид, полибутилентерефталат (термопластичный полиэфир). Полисульфон хотя и дорог, но обладает высокими прочностью и жесткостью и пригоден для переработки высокопроизводительными методами. Допускает длительное воздействие температур до 171С. Полифениленсульфид имеет температуру плавления 288С, высокие химическую стойкость и термическую стабильность. Он невоспламеняем, нерастворим в любом из известных растворителей. Его высокие механические свойства сохраняются до температуры 120С. Стеклопластики на основе термопластичных полиэфиров по механическим и электрическим свойствам, размерной стабильности и скорости ползучести близки к КМ на основе термореактивных полимерных связующих. Используя различные сочетания матрицы и волокон, можно получить большое количество гибридных композитов. Однако не любое сочетание матрицы и волокон позволяет получать гибридные композиты с желаемыми свойствами. Сочетание в одной матрице графитовых волокон, обладающих высокими прочностью и жесткостью, но низким сопротивлением удару, с органоволокнами, обладающими высоким сопротивлением ударному нагружению, но пониженным модулем упругости по сравнению с графитовыми волокнами, приведет к получению гибридного композита, в котором каждый вид волокна вносит свои лучшие свойства.

           Рис. 4.1  Виды гибридности :

направления вдоль (1) и поперек (2) волокон;

а – внутрислоевая гибридность; б – межслоевая гибридность:

 - стекловолокна;                            - углеволокна

Повышение ударной вязкости углепластиков достигается включением в них некоторого количества прочных волокон с более высокой деформацией разрушения по сравнению с углеродными волокнами. Такими волокнами, например, могут служить стекловолокна, органоволокна и др. Ударная вязкость углепластика на эпоксидной матрице увеличивается до 5 раз при введении в него 50% стекловолокна. Установлено, что модуль упругости композита на основе стекловолокна и эпоксидной смолы увеличивается при незначительном добавлении в него углеродных волокон. Добавление 5% углеродного волокна вызывает увеличение модуля упругости при сжатии  почти в 2 раза. Низкая прочность при сжатии – основной недостаток композитов на основе органоволокон. Этот недостаток может быть ликвидирован введением 50%  по объему углеволокон. Усталостные свойства стеклопластиков могут быть повышены введением углеволокон.

Разрушение гибридных композитов при сжатии и растяжении не носит катастрофического характера вследствие последовательного включения в работу различных видов волокон. Диаграмма деформирования углестеклопластика при растяжении показана на рис. 4.2.   Начальный участок диаграммы соответствует линейному поведению материала, а второй участок показывает постепенное снижение модуля упругости по мере разрушения углеродных волокон. Установлено, что модуль упругости при изгибе изменяется по правилу аддитивности во всем  диапазоне содержания углеродных и стеклянных волокон. При этом  было замечено, что модуль упругости при изгибе зависит от вида армирующих волокон верхнего слоя.

                               

Рис. 4.2  Диаграмма растяжения углепластикового образца,

содержащего 40 об. % углеродного волокна в эпоксидной

матрице при U<0

4.2  Прогнозирование упругих свойств гибридных

композитов  (ГКМ)

Прогнозирование упругих свойств ГКМ, как правило, производится по так называемому правилу смесей, согласно которому вклад в величину модуля упругости ГКМ от каждого содержащего в нем компонента пропорционален объемной доле этого компонента в ГКМ и величине модуля упругости этого компонента. При определении некоторых упругих характеристик необходимо учитывать вид гибридности (внутрислоевая или межслоевая), который представлен на рис. 4.1.

Введем понятие относительного объемного содержания компонент гибридного материала:

,

где VМ , VB , VC – объемы, занимаемые матрицей, волокнами типа В и  С соответственно. Суммарное относительное объемное содержание волокон определяется по формуле

,

где В , С  – относительные объемные содержания волокон типа В и С соответственно.

Введем коэффициент, характеризующий отношение объемного содержания волокон типа С к общему содержанию волокон, и обозначим его через μС :

.

Перейдем к определению упругих характеристик гибридных композитов. Вначале рассмотрим внутрислойный гибридный композит. Упругие характеристики однонаправленного слоя таких композитов определяются по рассмотренной в разделе 3 методике для двухкомпонентных систем

.

Здесь ЕВ ,  В  – соответственно модуль упругости и объемное содержание волокон типа В ; ЕС , С   – то же самое для волокон типа  С ; ЕМ , М – то же самое для матрицы.

Коэффициент Пуассона также практически не зависит от вида гибридности и определяется по закону смеси

.

Поперечный модуль упругости Е2 для внутрислойной гибридности определяется по формуле

.

Здесь Е2В, Е2С- поперечные модули упругости однонаправленных слоев, армированных волокнами типа В и С соответственно. Модуль сдвига определяется по аналогичной зависимости

.

В случае межслойной гибридности поперечный модуль упругости Е2 определяется по формуле

.

Выражение для модуля сдвига имеет вид

.

4.3  Прогнозирование прочности однонаправленного

гибридного композита в направлении армирования

Определение прочности гибридного композита базируется на законе смесей и принятых ранее предпосылках о подчинении компонент ГКМ закону Гука, о наличии абсолютной адгезии между волокном и матрицей, т.е. деформации волокон равны деформациям гибридного композита .

Запишем закон деформирования однонаправленного ГКМ в направлении армирования

.

(4.1)

Из физико-механических свойств волокон и матрицы определяем, что между предельными деформациями компонент при растяжении существует следующая зависимость:

(4.2)

В начале нагружения, когда  , гибридный композит деформируется согласно закону (4.1). Этот этап заканчивается при достижении волокнами типа С предельного значения .

Среднее напряжение гибридного композита в этот момент определяется по формуле

(4.3)

После разрушения волокон типа С скачкообразно меняется напряженно-деформированное состояние гибридного композита. В зависимости от режима напряжения потенциальная энергия системы в момент разрушения волокон типа С может увеличиваться (U>0), не изменяться (U=0) или уменьшаться (U<0) [26].

Диаграмма деформирования углепластика при U<0 представлена на рис. 4.2, а при U>0– на рис. 4.3.

                                         

Рис. 4.3  Диаграмма деформирования углепластика при U>0

При U>0после разрушения волокон типа С всю нагрузку практически воспринимают волокна типа В. Приложенное среднее  напряжение в момент разрушения не меняется, а деформация  увеличивается в связи с тем, что после разрушения волокон типа С модуль упругости определяется волокнами типа В и матрицей

.

(4.4)

Введем коэффициент, характеризующий относительное содержание волокон типа В по отношению к общему коэффициенту армирования

.

(4.5)

Тогда формулу (4.4) перепишем в виде

.

(4.6)

Как показали экспериментальные исследования, механизм разрушения трехкомпонентных ГКМ изменяется, когда содержание низкомодульного волокна является критическим:

.

(4.7)

Если содержание волокон с высоким модулем упругости ЕС низкое, предельная деформация ГКМ равна предельной деформации волокон типа В (с низким модулем упругости)  и его прочность вычисляется по формуле

.

(4.8)

При высоком содержании волокон типа С с высоким модулем упругости предельная деформация ГКМ равна предельной деформации волокон  и его прочность вычисляется по формуле

.

(4.9)

При критическом содержании волокон с различным предельным удлинением разрушение волокон с высоким и низким модулем упругости равновероятно, т.е. сразу после разрушения волокон типа С в результате скачкообразного перераспределения напряжений разрушаются и волокна типа В. В этом случае выражение (4.6) принимает вид

.

(4.10)

При постоянном общем относительном объемном содержании волокон из формулы (4.10) определяется критическое содержание волокон типа В

.

(4.11)

Учитывая, что ЕМ  << ЕС,  выражение (4.11) можно записать в виде

.

(4.12)

Аналогично для  В крит  выражение можно получить, приравнивая выражения (4.8) и (4.9).

Таким образом, если   В <  В крит , прочность трехкомпонентного ГКМ определяется по формуле

,

(4.13)

при  В >  В крит  - по формуле

.

(4.14)

На рис. 4.4 представлена зависимость прочности углепластика на растяжение от относительного содержания стеклянных волокон В  при постоянном объемном содержании волокон = 0,62. Экспериментальные результаты, представленные на этих рисунках, взяты из работы [34].

                             

Рис. 4.4  Зависимость углепластика на растяжение

от относительного содержания волокон В   при  U>0.

Теоретические прямые построены по формулам:

1 – по (4.8); 2 – по (4.9) – при следующих исходных данных:

= 0,62;  = 0,003;  = 0,036;

ЕС = 5,02105 МПа; ЕВ = 8,3104 МПа; ЕМ = 3,5103 МПа

Диаграммы деформирования ГКМ, значения  В крит  для режимов нагружения, при которых U=0и  U<0, подробно рассмотрены в работе [26].

Краткие выводы: Модули упругости при растяжении, сжатии и изгибе трехкомпонентных ГКМ линейно возрастают с увеличением содержания высокомодульных волокон. Коэффициент Пуассона в этом случае линейно уменьшается от величины, характерной для КМ, содержащего низкомодульные волокна, до величины, характерной для КМ с высокомодульными волокнами.

Прочность при растяжении, сжатии и изгибе трехкомпонентных ГКМ, содержащих волокна с различными модулями упругости, линейно уменьшается до некоторой критической величины, после чего прочность увеличивается, достигая величины, характерной для КИ с низкомодульными волокнами.

Критическое содержание волокон с низким модулем упругости в ГКМ увеличивается с уменьшением разности отношения прочности низко- и высокомодульных волокон и отношения их модулей упругости

.

Минимальная прочность трехкомпонентного ГКМ обратно пропорциональна критическому содержанию низкомодульного волокна.

Характер распределения высокомодульных волокон по поперечному сечению КМ оказывает влияние на его упругие свойства, особенно когда действуют изгибные напряжения.

Если высокомодульные волокна расположены во внешних слоях, максимальная величина модуля упругости может быть выше по сравнению с вычисленной по уравнению (см.начало). Подобный композит следует рассматривать как трехкомпонентную структуру, имеющую оболочку из высокомодульного КМ с наполнителем между ними.

Последовательное чередование слоев пластика, армированного органическим и углеродными волокнами, также обеспечивает получение повышенной прочности при сжатии по сравнению с величинами, вычисленными по уравнениям (4.8) и (4.9). Это происходит вследствие эффекта ужесточения матрицы, находящейся между армирующими волокнами.

Список литературЫ

  1.  

Аболиньш Д. С. Тензор податливости однонаправленно армированного упругого материала // Механика полимеров - 1965, № 4. – С. 47 – 52.

  1.  

Алюминиевые сплавы. Промышленные деформируемые спеченные и литейные сплавы / Под ред. Ф. И. Квасова и                      И. Н. Фридляндера - М.: Металлургия, 1984. - 528 с.

  1.  

Алюминиевые сплавы. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов / Под ред. В. И. Елагина, В. А. Ливанова - М.: Металлургия, 1984. - 408 с.

  1.  

Армированные пластики / В. Н. Бунаков, Г. С. Головкин,                Г. П. Машинская и др.; Под ред.  Г. С. Головкина, В. И. Семенова - М.: Изд-во МАИ, 1997. - 404 с.

  1.  

Бор: получение, структура, свойства. - М.: Наука, 1974. - 266 с.

  1.  

Буланов И. М., Воробей В. В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: Учеб. для студентов вузов, обуч. по спец. «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов»- М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1998. - 516 с.

  1.  

Ванин Г. А. Микромеханика композиционных материалов. - Киев: Наукова думка, 1985. - 302 с.

  1.  

Волокнистые и дисперсно-упрочненные композиционные материалы. - М.: Наука, 1976. - 214 с.

  1.  

Волоконная технология переработки термопластичных композиционных материалов / Г. С. Головкин, В. А. Гончаренко,         В. П. Дмитриенко и др.; Под ред. Г. С. Головкина - М.: Изд-во МАИ, 1993. - 232 с.

  1.  

А.С. 1440973 СССР, МКИ4 ДОЗ Д/ 1 / 00, 15 / 00. Тканый препрег. Г. С. Головкин, В. П. Дмитриенко, Н. В. Салиенко и др. // Бюл. № 44. Опубл. 30.11.1988.

  1.  

Композиционные материалы: Справочник / В. В. Васильев,         В. Д. Протасов, В. В. Болотин и др.; Под общей ред. В. В. Васильева, Ю. М. Тарнопольского. - М.: Машиностроение, 1992. - 512 с.

  1.  

Композиционные материалы / Под ред. А. Н. Манохина - М.:  Наука, 1981. - 305 с.

  1.  

Композиционные материалы. В 8 т. / Пер. с англ.; Под ред.            Л. Браутмана, Р. Крока. Т.5: Разрушение и усталость / Под ред. Л. Браутмана - М.: Мир, 1978. - 504 с.

  1.  

Композиционные материалы. В 8 т./ Пер. с англ.; Под ред.          Л. Браутмана, Р. Крока. Т.1: Поверхности раздела в металлических композитах / Под ред. А. Меткалфа - М.: Мир, 1978.– 240 с.

  1.  

Композиционные материалы. В 8 т./ Пер. с англ.; Под ред.             Л. Браутмана, Р. Крока. Т.6: Поверхности раздела в полимерных композитах / Под ред. Э. Плюдемана - М.: 1978. - 294 с.

  1.  

Кудрявцев Г. И., Шейн Г. И. Успехи в области получения и применения высокопрочных синтетических волокон // Химические волокна.- 1978.- № 2. - С. 5 - 15.

  1.  

Магниевые сплавы. В 2 т. / Под ред. М. Б. Альтмана и др. - М.:  Металлургия, 1978. Т1. - 238 с. : Т2. - 296 с.

  1.  

Наполнитель для полимерных композиционных материалов: Справочное пособие / Под ред. Г. С. Каца и Д. В. Милевски. - М.: Химия, 1981. - 672 с.

  1.  

Основы проектирования и изготовления конструкций летательных аппаратов из композиционных материалов: Учеб. пособие / Васильев В. В., Добряков А. А., Дудченко А. А.и др. - М.: Изд-во МАИ, 1985. - 218 с.

  1.  

Перепелкин К. Е. Структура и свойства волокон - М.: Химия, 1985. - 324 с.

  1.  

Пластики и эласты. Классификация конструкционных полимерных материалов и назначение компонент, входящих в их состав: Учеб. пособие /  Е. Б. Тростянская, Ю. А. Михайлин, М. И. Степанова – М.: Изд-во МАТИ, 1991.-85 с.

  1.  

Практикум по полимерному материаловедению /  Под  ред.      П. Г. Бабаевского. - М.: Химия, 1980. - 297 с.

  1.  

Производство стеклянных волокон и тканей / Под. ред.             М. Д. Ходаковского - М.: Химия, 1973. - 312 с.

  1.  

Связующее на основе эпоксидных смол: Учеб. пособие /               Е. Б. Тростянская, Ю. А. Михайлин, С. Г. Кулик, М. И. Степанова - М.: Изд-во МАТИ, 1990. - 65 с.

  1.  

Скудра А. М., Булавс Ф. Я. Прочность армированных пластиков - М.: Химия, 1982. - 213 с.

  1.  

Скудра А. М., Булавс Ф. Я. Структурная теория армированных пластиков - Рига: Зинатне, 1978. - 192 с.

  1.  

Скудра А. М., Булавс Ф. Я., Роуенс К. А. Ползучесть и статическая усталость армированных пластиков - Рига: Зинатне, 1971.- 252 с.

  1.  

Сопротивление жестких полимерных материалов / А. К. Малмейстер, В. Н. Тамуж, Г. А. Тетерс - Рига: Зинатне, 1972. - 500 с.

  1.  

Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. Кн.1 / Под ред. Дж. Любина; Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1988. - 448 с.

  1.  

Структура и свойства композиционных материалов /                          К. И. Портной, С. Е. Салимбеков, И. Л. Светлов, В. М. Чубаров - М.: Машиностроение, 1979. - 255 с.

  1.  

Термо-, жаростойкие и негорючие волокна. - М.: Химия, 1978.- 423с.

  1.  

Тканые конструкционные композиты: Пер. с англ. / Под ред.           Т.-В. Чу и Ф. Ко. - М.: Мир, 1991. - 432 с.

  1.  

Хилл Р. Теория механических свойств волокнистых композиционных материалов // Механика / Сб. переводов. 1966. - № 2. -              С. 131 - 149.

  1.  

Kalnin I.L. Evaluation of unidirectional glass – graphite fiber epoxy resin composites //Composite materials: Testing and design.- 2 ud conf. ASTV STP 497, Amer. Soc. Testing and Materials.- 1972.-     Р. 551-563.

ЗАДАЧИ

Задача 1. Однонаправленный слой композита состоит из стекловолокон с коэффициентом армирования  = 0,6  и эпоксидной матрицы. Определить упругие  характеристики  однонаправленного слоя: продольный модуль упругости  Е1 , поперечный модуль Е2 , модуль сдвига  G12 , коэффициент Пуассона 21 и 12.

Механические характеристики стекловолокон

Модуль упругости

Ес = 70103 МПа

Модуль сдвига

Gс = 40103 МПа

Коэффициент Пуассона

 с = 0,22

Предельные удлинения при растяжении

3 %

Механические характеристики эпоксидной матрицы

Модуль упругости

Ем = 4103 МПа

Модуль сдвига

Gм = 2,2103 МПа

Коэффициент Пуассона

 м = 0,34

Предельное удлинение при растяжении

46 %

Решение

Модуль упругости при растяжении однонаправленного слоя вдоль волокон определяется по формуле

Подставив значения упругих свойств компонент, получим

МПа.

Поперечный модуль упругости

 ,

 

МПа.

Модуль сдвига

 ,

 МПа.

Коэффициент Пуассона

 ,

.

Коэффициент  Пуассона определяется из условия ортотропности (наличия трех плоскостей упругой симметрии)

  ,

откуда

 ,         .

Задача 2. Определить прочность при растяжении и сжатии вдоль волокон однонаправленного слоя, состоящего из стеклянных волокон диаметром 15 мкм и эпоксидной матрицы.

Механические свойства волокон

Предел прочности при растяжении вдоль волокон

= 2200 МПа

Модуль упругости волокна

Е в = 70103 МПа

Коэффициент армирования

 = 0,6

Предельное относительное удлинение волокна

при растяжении

= 2 %

Предельное относительное удлинение волокна

при сжатии

= 1,7 %

Механические свойства матрицы

Модуль упругости

Е м = 3,5103 МПа

Предельное относительное удлинение

= 4,5 %

Решение

Из исходных данных видим, что предельное удлинение матрицы больше предельного удлинения волокна. Следовательно, прочность однонаправленного композита будет определяться прочностью волокон, так как первыми будут разрушаться волокна.

Определяющее уравнение для этого случая, выведенное из условия равновесия сил в направлении укладки волокон и из допущения однородности деформации в направлении действия нагрузки  , имеет вид

.

Подставляя исходные данные, получим

 МПа.

Еще раз обращаем внимание на то, что напряжение в матрице в момент разрушения волокна определяется предельной деформацией волокна и равно  .

Определение прочности однонаправленного слоя в направлении армирования на сжатие зависит от того, что явилось причиной разрушения: разрушение волокон, разрушение связующего, нарушение прочности сцепления волокна и матрицы либо их сочетание.

Подробно о прочности при сжатии рассмотрено в [25]. В этом пособии рассмотрим случай, когда причиной разрушения однонаправленного слоя явилось разрушение волокон на сжатие.

Используя подход, рассмотренный при определении прочности при растяжении, прочность при сжатии определяем по формуле

  ,

где   - предельная деформация волокон при сжатии.

В первом приближении можно принять, что   равняется предельной деформации однонаправленного пластика при сжатии. Предполагается также, что армированный пластик деформируется линейно вплоть до разрушения.

Подставляя исходные данные, получим

 МПа.

Обращаем внимание также на то, что вычисленная прочность однонаправленного слоя получена в предположении абсолютной адгезии волокон к матрице, их абсолютной прямолинейности, параллельности и равномерного распределения в матрице. Считается также, что поры в однонаправленном композите отсутствуют. Реальная прочность будет отличаться от вычисленной в связи с тем, что удовлетворить всем принятым предпосылкам на практике практически не возможно. Величина расхождения расчетной и реальной прочности будет зависеть от степени их удовлетворения.

Задача 3. Определить модуль продольной упругости Е1, поперечный модуль Е2, модуль сдвига G12 , коэффициент Пуассона 12 и прочность в направлении армирования гибридного композита, состоящего из углеродных, стеклянных волокон и эпоксидного связующего.

Механические характеристики компонент гибридного материала

Углеродное волокно

Модуль продольной упругости

Е= 300 ГПа

Модуль поперечной упругости

Е=   9 ГПа

Модуль сдвига

G12у  = 12 ГПа

Коэффициент Пуассона

у = 0,15

Прочность при растяжении вдоль волокон

= 2,8 ГПа

Предельное удлинение при растяжении вдоль волокна

= 1 %

Объемное содержание

у = 0,4

Стекловолокно (изотропное)

Модуль упругости

Е с = 74 ГПа

Модуль сдвига

G с  = 24 ГПа

Коэффициент Пуассона

с = 0,22

Прочность при растяжении

= 2,5 ГПа

Предельное удлинение при растяжении

= 3 %

Объемное содержание

с  = 0,3

Матрица

Модуль упругости

Е м = 4 ГПа

Модуль сдвига

G м  = 2  ГПа

Коэффициент Пуассона

 м = 0,34

Предельное удлинение

= 5 %

Объемное содержание

 м  = 0,3

Вид гибридности – дисперсный (рис. 1)

Рис. 1 Модуль дисперсного гибридного материала:

у – углеродное волокно; с – стеклянное волокно; м – матрица

 

Объемное содержание

,

где   i  - коэффициент объемного содержания компоненты в гибридном композите;  Vi - объем, занимаемый i – й компонентой; V - общий объем композита.

Например:   .

Решение

Модуль продольной упругости однонаправленного гибридного композита в направлении армирования определяется по методологии, рассмотренной в разделе 4:

  ,

  ГПа.

Поперечный модуль упругости Е2 в случае дисперсной гибридности имеет вид

  ,

где  Е 2у   – поперечный модуль упругости углеродного волокна;

 - отношение объемного содержания углеволокон к общему объемному содержанию волокон.

Подставляя полученные данные, получим

  ГПа.

Модуль сдвига гибридного композита определяется по аналогичной зависимости

,

 15,28 ГПа.

Коэффициент Пуассона

  ,

 .


Данной работой Вы можете всегда поделиться с другими людьми, они вам буду только благодарны!!!
Кнопки "поделиться работой":

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

9880. Легкосплавные бурильные трубы. Область их использования. Легко-сплавные бурильные трубы (ЛБТ) 15.41 KB
  Легкосплавные бурильные трубы. Область их использования. Легко-сплавные бурильные трубы (ЛБТ) Увеличение глубины скважины поставило задачу снижения нагрузки на крюке, были созданы трубы из легких сплавов - дюралюминия Д16Т, механические свойств...
9881. УБТ и ведущие трубы, их назначение и конструкция 14.46 KB
  УБТ и ведущие трубы, их назначение и конструкция. Ведущие трубы. Передают вращение от ротора к бурильным трубам. Состоят из толстостенной квадратной штанги, верхнего переводника для соединения с вертлюгом, и нижнего штангового переводника. Наиболее ...
9882. НГВП при бурении скважин. Причины и признаки НГВП 15.48 KB
  НГВП при бурении скважин. Причины и признаки НГВП. Наиболее серьезен из видов осложнений, т.к. не ликвидированные НГВП может переходит в неуправляемый открытый фонтан, на ликвидацию которого тратится много времени и средств, иногда эти фонтаны возго...
9883. Меры предупреждения и ликвидации НГВП при бурении скважин 50.64 KB
  Меры предупреждения и ликвидации НГВП при бурении скважин. Действия при получении первых признаков НГВП: Может быть 3 ситуации: 1)когда инструмент находится на забое и в скважине 2)когда инструмент находится в процессе подъема или спуска 3)инструм...
9884. Обвалообразования, осыпи стенок и сужение ствола скважины в процессе бурения. Причины, признаки, меры предупреждения 16.38 KB
  Обвалообразования, осыпи стенок и сужение ствола скважины в процессе бурения. Причины, признаки, меры предупреждения. Осыпи и обвалы: Осыпи - это медленно текущий процесс нарушения ствола скважины из-за взаимодействия с БР (происходит набухание...
9885. Способы предотвращения и ликвидации бурового раствора в скважине 16.8 KB
  Способы предотвращения и ликвидации бурового раствора в скважине. Уменьшение скорости подачи промывочной жидкости или расхода, т.е. меняем расход, меняем давление в кольцевом пространстве Изменяем параметр БР, уменьшая удельный вес умен...
9886. Экспресс метод оценки пластового давления 11.55 KB
  Экспресс метод оценки пластового давления Допустим у нас была ситуация, когда вахте нельзя было работать на устье, скважину за герметизировали, т.е. перекрыли затрубное пространство. В затрубье поступил пластовый флюид. После закрытия скважины ждут ...
9887. Понятие о профиле ствола скважины, зенитном угле, азимуте, инклиннограмме 16.2 KB
  Понятие о профиле ствола скважины, зенитном угле, азимуте, инклиннограмме. Профили направленных скважин подразделяют на 3 основных типа: 1)Тангенциальная скважина. Отклоняют вблизи поверхности до величины угла, соответствующего техническим условиям,...
9888. Признаки НГВП 13.75 KB
  Признаки НГВП Признаки НГВП: 1)увеличение объема БР из скважины при неизменной подаче, т.е. БН выдают 20л/с, а станция контроля выдает 25л/с 2)увеличение скорости потока БР или расхода 3)когда БИ поднимают из скважины, то через определенный интерв...