ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Механизм разрушения композита из "Высокопрочные стеклопластики" Даже если предположить, что композит является структурно единым материалом, т. е. между компонентами обеспечено непрерывное и одинаково прочное сцепление, механизм его разрушения носит сложный характер и отличается существенно для растяжения и сжатия. [c.18] При растяжении композитов, армированных непрерывным волокном, последнее является несущим элементом, поэтому его исходной прочностью определяется прочность материала. При использовании пластичной матрицы и хрупких волокон (например, стеклопластики) наблюдается по крайней мере два вида разрушения [2, 3, 20]. В первом случае в результате разрыва отдельного волокна в этом поперечном сечении композита оставшиеся волокна перегружаются, и происходит разрушение системы. При разрушении второго вида в результате слабого сцепления между арматурой и связующим происходит вытягивание нескольких порванных волокон. [c.18] При действии на композит сжимающих сил поведение стеклянного волокна в полимерной матрице отличается вследствие особенностей строения армированных пластиков более сложным характером. Некоторые авторы считают причиной разрушения стеклопластиков при сжатии потерю устойчивости армирующими элементами [2, 4, 26—30], другие выдвигают гипотезу, согласно которой композит при сжатии разрушается вследствие деформаций сдвига [31, 32]. [c.19] В работах [33—35] обращается внимание на три возможных типа разрушения. Вначале происходит разрушение одного из волокон, например, вследствие локальной потери устойчивости. Появившийся дефект структуры увеличивает в этом сечении нагрузку на соседние волокна, которые начинают разрушаться, приводя в итоге к хрупкому разрушению всего композита. Если же волокна изгибаются без разрушения, развивающиеся поперечные силы могут вызвать изгиб окружающих волокон, и это прогрессирующее изменение происходит до тех пор, пока не разрушится весь материал. Может иметь место и комбинированный механизм, при котором одни волокна разрушаются, а другие подвергаются значительной деформации изгиба. [c.19] В некоторых работах [36] на основе наблюдений микроструктуры рассматривалась качественная картина разрушения ориентированного стеклопластика при одноосном сжатии. Однако соответствующих экспериментальных данных мало, а большинство исследований проводилось на малоармированных модельных системах, поэтому сделать окончательный вывод о природе разрушения не представляется возможным, и этот вопрос до сих пор остается дискуссионным. [c.19] Наиболее обоснованным следует, видимо, считать тот механизм разрушения однонаправленно армированного композита при сжатии, при котором за первопричину разрушения принимается потеря устойчивости армирующими элементами. В это.м случае жесткость арматуры должна оказывать значительное влияние на прочность стеклопластиков. Жесткость волокна — функция его модуля упругости и диаметра. В последние годы были синтезированы стеклянные волокна, обладающие повышенным модулем упругости [37—39]. Например, фирма Оуэнс Корнинг разработала стекловолокно с модулем упругости (1,0—1,2) 105 МПа, получившее название -стекло . В Советском Союзе также получены волокна, имеющие сюль же высокий модуль упругости. Экспериментальное исследование прочности однонаправленных стеклопластиков показывает, что повышение модуля упругости стекла, а соответственно стекловолокна, приводит к росту прочности композита при сжатии, т. е. повышение жесткости арматуры положительно влияет на несущую способность стеклопластика [26]. [c.20] К сожалению, повышать модуль упругости стекла можно лишь до определенного предела. По мере возрастания модуля приходится решать все более сложные технические задачи, не говоря уже об экономической стороне вопроса. В то же время известно, что жесткость арматуры является степенной функцией ее диаметра. Поэтому представляло интерес исследовать армирующую способность волокон больших диаметров. [c.20] Модули упругости и сдвига прослоек связующего принимаются соответственно равными между собой, т. е. , .1 = Еуу, — = Еуу и О ХУЛ — Оху,2 Оху. Кроме того, N0 — N2 = О, — —М. [c.20] Таким образом, правомерно считать, что характер уравнения связи между критическим напряжением при потере устойчивости и геометрической формой армирующих элементов не зависит от схемы нагружения модели. Из полученных уравнений следует, что если разрушение композита происходит в результате потери устойчивости арматуры, то критическое напряжение с ростом диаметра волокон увеличивается, и наоборот — если с ростом диаметра волокна прочность стеклопластика увеличивается, то этот факт следует рассматривать как подтверждение рассматриваемой гипотезы механизма разрушения. [c.22] Были проведены экспериментальные исследования прочности стеклопластика при сжатии в зависимости от диаметра армирующих элементов [42, 43]. Показано, что существует некоторый оптимальный диаметр волокон — 125-10 - м, которому соответствует наибольшая прочность стеклопластика. Этот результат не только не укладывается в принятую нами концепцию, но и вообще трудно объясним. Между тем, в некоторых последующих публикациях [37] диаметр волокна 125-10 м рекомендовался как оптимальный для стеклопластиков, работающих при сжатии. [c.22] Эксперимент, описанный в работах [42, 43], был воспроизведен и получил физическую интерпретацию в работе [44]. На основе волокон различных диаметров, наматываемых однопроцессным методом непосредственно из стеклоплавильного сосуда, были изготовлены кольцевые образцы диаметром 0,146 м. [c.22] Данные, представленные на рис. 1.7 (кривые /, 2, 3), подтверждают результаты приведенных выше работ (методика испытаний приведена в гл.II). [c.22] Для определения прочности стеклянных волокон при растяжении существует достаточно надежная и корректная методика. К сожалению, для оценки их прочности при сжатии такой методики пока нет. Однако, исходя из общих физических представлений о прочности изотропного твердого тела и учитывая значительную дефектность поверхности стеклянных волокон, можно предполагать, что их прочность при сжатии должна быть выше, чем при растяжении. Анализируя результаты физико-механических испытаний стеклянных волокон и стеклопластиков на их основе (рис. 1.9), нетрудно убедиться, что в композите прочность волокна при сжатии (кривая 6) в 2—3 раза выше, чем при растяжении (кривая 4), н с ростом диаметра волокна это различие возрастает. Это объясняется, с одной стороны, масштабным эффектом, а с другой — положительным влиянием диаметра арматуры на прочность стеклопластика при сжатии. Следует однако оговориться, что прочность волокна в композите при сжатии определялась расчетным путем, исходя из фактической прочности композита. [c.24] Как уже отмечалось, прочность стеклянного волокна можно изменять, варьируя геометрическую форму его поперечного сечения. Это достигается использованием полых стеклянных волокон, обладающих высокой удельной прочностью при сжатии, что позволяет увеличить удельную жесткость композитов. Разработанные в начале 60-х годов в США [47], эти волокна привлекли внимание специалистов как перспективный материал для изделий новой техники. Свойства композитов на основе полых (капиллярных) волокон изучались многими исследователями [48—55]. Основной характеристикой полого волокна, определяющей свойства стеклопластиков, является коэффициент капиллярности к , представляющий собой отношение внутреннего диаметра волокна к наружному. [c.25] В Советском Союзе разработана технология получения мно-гофиламентной нити из алюмоборосиликатного стекла со средним диаметром волокна 1Ы0- м при коэффициенте капиллярности 0,5—0,6. Кольцевые стеклопластиковые образцы, изготовленные с применением указанного волокна, были испытаны под действием сжимающих нагрузок. Данные, представленные на рис. I, 10, показывают, что прочность стеклопластиков при сжатии по крайней мере не снижается при увеличении коэффициента капиллярности волокна. Что касается удельной прочности (осп/р), то при к = 0,6 она превышает аналогичный показатель для стеклопластиков на основе сплошных волокон на 38%. [c.25] Результаты этого эксперимента могут быть достаточно убедительно истолкованы с позиций выбранного механизма раз-рущения. В самом деле, потеря устойчивости армирующими волокнами должна происходить уже при незначительной поперечной деформации связующего. Поэтому роль удлинения полимерной матрицы, столь важная при других видах нагружения для перераспределения напряжения, при действии сжимающих нагрузок не проявляется. [c.27] Таким образом, положительное влияние роста модуля упругости стекла и увеличения диаметра армирующих элементов на прочность композита при сжатии и ее независимость от прочности арматуры и деформативности матрицы позволяют считать, что первопричиной разрущения ориентированных стеклопластиков при сжатии скорее всего является потеря устойчивости армирующими элементами. [c.27] Задается положение равновесия системы при помощи группы линейных однородных уравнений, в которых критические силы и деформации входят в качестве неизвестных. Коэффициенты при этих неизвестных — функции размеров и физико-механических параметров системы. Эти уравнения имеют либо тривиальное рещение, в том случае, если детерминант системы О == 0 (и тогда существует устойчивое равновесие), либо, если 0 = 0, получается семейство решений, из которых одно является непосредственно примыкающим к решению, отвечающему устойчивому положению равновесия. Прибавление малой внешней силы к системе нарушает ее равновесие, и так как I) = О, решения принимают бесконечно большие значения, т. е. равновесие оказывается невозможным. Переход от устойчивого равновесия к неустойчивому характеризуется условием I) = 0. [c.28] Вернуться к основной статье