Прочность композиционных материалов

Прочность композиционных материалов [c.82]

Состав и прочность композиционных материалов, упрочненных нитевидными кристаллами [c.344]

Механика разрушения и теория прочности композиционных материалов на основе полимеров находится в стадии становления. Наиболее изучены эти вопросы применительно к простым видам нагружения и напряженно-деформированного состояния [4, 8, 10— 2, 14, 15, 23, 24, 46]. Сложность расчета прочности связана с более высокой чувствительностью полимерных материалов по сравнению с металлами к окружающим условиям, масштабному фактору и особенностям строения. [c.115]

Несмотря на то, что теории прочности композиционных материалов посвящено большое число исследований (см., например, [2, 8, 81, 86]), этот вопрос в настоящее время еще находится в стадии разработки. Имеющиеся данные показывают, что построение диаграммы деформирования и определение прочности по уравнению аддитивности позволяют получить лишь ориентировочный результат, поскольку не учитывают влияния статистических отклонений физических и геометрических параметров структуры материалов [98]. Как было показано выше, соответствующий анализ позволил сделать заключение о допустимых отклонениях геометрических параметров структуры от регулярной, а также о допустимых отклонениях прочностных свойств компонентов от среднестатистических. Накопленный экспериментальный материал показывает, что характеристики углепластиков определяются большим числом факторов, прежде всего типом волокна и связующего и условиями получения композита, и в большой степени зависят от методов его испытания. [c.170]

Для оценки прочности композиционных материалов с короткими волокнами снова следует вернуться к материалам на основе непрерывных волокон. Если волокна проходят из одного конца длинного образца до другого, то при растяжении вдоль волокон волокна и матрица деформируются одинаково при условии прочной адгезионной связи между ними. Тогда нагрузка, выдерживаемая материалом в целом, будет распределяться между компонентами материала пропорционально их относительным площадям поперечного сечения. Для любого напряжения в материале можно записать уравнение [c.91]

Хотя при ориентации волокон в направлении действующей силы достигается максимальная прочность композиционных материалов на основе непрерывных волокон, такие материалы обладают и существенными недостатками. Они обладают резко выраженной анизотропией всех механических свойств, а их трансверсальная прочность настолько низка, что они практически не применяются в тех случаях, когда напряжения действуют не толь- [c.108]

Корреляция между межслоевой прочностью при сдвиге композиционных материалов на основе углеродных волокон и модулем упругости волокон (рис. 2.59) [ПО] отражает важнейший недостаток углеродных волокон. В общем случае сдвиговая прочность композиционных материалов снижается с повышением модуля упругости углеродных волокон (степени их графитизации). Это частично обусловлено тем, что поверхность низкомодульных высокопрочных (тип 2) углеродных волокон — открытая и высокопористая, тогда как поверхность высокомодульных (тип 1) волокон — более гладкая. Пористость волокон вызывается выделением летучих продуктов пиролиза, количество которых уменьшается в процессе графитизации с одновременным повышением регулярности кристаллов в результате протекания диффузионных процессов. Другим важным фактором, определяющим сдвиговую прочность этих материалов, является способность полимерного связующего смачивать поверхность углеродных волокон. Низкомодульные углеродные волокна имеют более высокую поверхностную энергию из-за наличия большого количества химически активных групп. Количество этих групп уменьшается при повышении температуры карбонизации, и они практически исчезают при графитизации. Для решения проблемы низкой сдвиговой прочности композиционных материалов на основе углеродных волокон было проведено большое число исследований по повышению адгезионной прочности сцепления волокон с матрицей без снижения прочности волокон. При этом использовали два основных способа — повышение шероховатости поверхности волокон для обеспечения их лучшего механического сцепления с матрицей и создание химических связей между волокнами и матрицей (аналогично применению аппретов в стеклопластиках). Оба эти способа заключались в окислении поверхности углеродных волокон [c.122]

Довольно трудно определять истинное значение сдвиговой прочности композиционных материалов, поэтому существуют значительные разногласия в выборе наилучшего способа испытания. В работе [111] дан последний обзор описанных способов и результаты некоторых из них сравнены экспериментально. В большинстве, если не во всех способах, предложенных в литературе, на образец действуют помимо чисто сдвиговых напряжений другие типы напряжений. Эти напряжения искажают измеряемые значения кажущейся сдвиговой прочности. Так, автор работы [111] получил для композиционных материалов, содержащих 60% (об.) углеродных волокон, различные значения сдвиговой прочности 100 МН/м — способом трансверсального сжатия, 80 МН/м — способом поперечного сдвига и 60 МН/м — способом изгиба короткой балки. Благодаря своей простоте наиболее часто применяется способ трехточечного изгиба короткой балки. Этот метод не дает абсолютных значений сдвиговой прочности, но при соблюдении некоторых условий может быть использован для получения сравнительных данных. Было показано, что для плит конечной ширины межслоевая прочность при сдвиге может быть очень большой у краев и значительно меньше вблизи средней линии, тогда как теория слоистых плит предсказывает однородность межслоевой прочности по ширине [112]. [c.123]

Изменение прочностных характеристик волокон является, очевидно, одним из самых эффективных путей регулирования энергии разрушения волокнистых композиционных материалов. Хотя специальных исследований в этом направлении не проводилось, по имеющимся в литературе данным можно сделать некоторые интересные обобщения. Углеродные и борные волокна являются хрупкими с высокими модулем упругости и прочностью. Композиционные материалы на их основе имеют примерно одинаковую [c.130]

Прочность композиционных материалов невозможно предсказывать на основе закономерностей смешения. Чтобы учесть различные механизмы разрушения, эти закономерности необходимо модифицировать. [c.81]

Одной из основных задач механики композиционных материалов является расчет их упругих, реологических и прочностных характеристик по известным свойствам компонентов. При этом оказываются существенными не только механические свойства составляющих компонентов, но и топология их распределения, условия сопряжения на границе раздела фаз и взаимодействия между элементами неоднородностей. При использовании композиционных материалов в технике в одних случаях могут оказаться существенными прочностные, а в других — упругие свойства. Типичным примером выхода из строя конструкции намного раньше разрушения материала может быть потеря устойчивости листа стеклопластика, используемого в качестве несущей конструкции. Ниже основное внимание уделяется вычислению постоянных упругости и реологических характеристик структурно-неоднородных полимеров. С вопросами прочности композиционных материалов можно ознакомиться, например, по обзору Розена [1]. [c.307]

Приведенные результаты исследований позволяют оптимизировать значения переменных параметров и установить их количественное и качественное влияние на прочность армированного пластика при сжатии и сдвиге. Однако главное значение проведенного эксперимента состоит в том, что он показал роль каждого нз основных факторов и его вклад в формирование высокопрочного стеклопластика. Это открывает путь для количественной оценки разрабатываемых полимерных связующих и позволяет прогнозировать прочность композиционных материалов по свойствам составляющих компонентов. [c.39]

Сдвиг при изгибе. Этот метод наиболее широко применяется для определения межслойной прочности композиционных материалов типа стеклопластиков, но иногда его используют также для испытаний клеевых соединений [1]. Напряжения сдвига возникают при изгибе балки, склеенной из достаточно толстых пластин, по нейтральной оси. Как правило, нагрузка прикладывается к центру образца. Подобные испытания, даже в соединениях металлов, весьма чувствительны как к механическим свойствам адгезива, так и к процессам, происходящим на границе адгезив — субстрат. [c.11]

Зависимость от времени длительной прочности композиционных материалов с органическими волокнами, так называемых органопластиков, отличается спецификой, поскольку органические волокна под действием, например, растягивающей нагрузки упрочняются за счет ориентирующего эффекта. Обнаружено наличие остаточных микродеформаций в упорядоченных областях таких волокон после разгрузки органопластика. Эффект ориентации накладывается на процесс накопления повреждений [c.199]

Как было отмечено выше, энергия активации процесса разрушения определяется главным образом природой субстрата. Такой вывод следует из данных по разрушению, в частности волокнистых композиционных материалов, когда энергия активации разрушения адгезионного соединения соответствует энергии активации разрушения матрицы [490]. В рассматриваемом случае сушественное значение имеет также объемное содержание волокна (субстрата). Так, прочность композиционных материалов при растяжении линейно связана со степенью их наполнения только при использовании коротких волокон, причем угол наклона построенных прямых определяется природой полимерной матрицы [491]. Показательно, что для подобных зависимостей (рис. 46) характерно дискретное изменение от значений, отвечающих разрушению адгезива (матрицы), до величин, соответствующих разрушению субстрата (волокна) [475]. Более детальный анализ показывает [492], что дискретные значения энергии активации разрушения стеклопластиков кратны энергии активации процесса химической деструкции стекла и , причем UJu = т, где ш-целые числа, связанные с числом связей, разрываемых в напряженном композите за одну тепловую флуктуацию. Некоторое варьирование значений энергий активации может быть обусловлено, как и в рассмотренном выше случае термодеструкции тонких слоев полимеров, наличием на поверхности субстратов различных примесей, например воды на сорбционно-активном по отношению к ней стекловолокне [493, 494]. [c.106]

Развитость поверхности субстрата оказывает сушественное влияние на прочность композиционных материалов. Так, между коэффициентом шероховатости углеродного волокна и прочностью при сдвиге армированной им (56-60%) эпоксидной смолы наблюдается тесная связь, характеризуемая коэффициентом корреляции 0,989, рассчитанным нами по опытным данным, приведенным в работе [728]. Понятно, что такой результат обусловлен не только степенью, но и характером распределения шероховатостей на поверхности субстрата. [c.192]

Полигетероарилены, в частности ПИ и ПБО, могут быть использованы в качестве связующих в теплостойких композиционных материалах. Одним из основных условий получения прочных материалов является высокая адгезионная способность полимеров к наполнителям и сохранение ее при длительной эксплуатации материалов при высоких температурах. Стабилизаторы, введенные в полимер и препятствующие его распаду в процессе старения, по-видимому, должны способствовать также сохранению адгезионной и механической прочности композиционных материалов. Действительно, в присутствии фосфорорганического стабилизатора замедляется падение адгезионной прочности стеклопластиков на основе, ПБО при длительном тепловом старении при 300 °С [185] -. [c.253]

Критерии прочности aILlIЗoтpoпныx хрупких тел. Эти критерии используются для оцеики прочности композиционных материалов, моделируемых анизотропными упругими средами (без учета эффектов неодпородиости и вязкоупругости). В современных работах применяется следующая формулировка критериев прочности композиционных материалов [c.90]

Одним из наиболее важных факторов, влияющих на прочность композиционных материалов, армированных как непрерывными, так и дискретными волокнами являются дефекты. микроструктуры (поры, микротрещины и др.). Например, на практике условия, принятые для вывода уравнения (7.26), нарушаются. Разрушаться волокна люгут не одновременно, а последовательно из-за наличия в них дефектов. Наиболее дефектные волокна разрушаются при матых напряжениях, далеких от предела прочности, волокна с меньшими дефектами разрушаются при больших напряжениях, а в целом прочность композита будет меньше рассчитанной. То же самое можно сказать о случае, когда матрица имеет недостаточный запас пластичности, что приводит к появлению трещин на границе раздела и в объеме матрицы, т е к преждевременному разрушению композита. [c.88]

Теоретический анализ и 9кспериментя.льные данные показывают, что прочность композиционных материалов зависит также от отношения дайны волокна к диаметру ( /< вол), от средней прочности волокон 0ВОЛ и от их объемной (весовой) доли Уеол. [c.333]

Нанесение на пластинчатые кристаллы металлических (Ni, А1) и окисных (MgO, стеклообразующие добавки, щелочные силикаты) покрытий позволяет в 1.5—2.5 раза увеличивать прочность композиционных материалов за счет увеличения прочности связи на границе раздела матричного материала и наполнителя. Однако при этом имеет место значительное снижение термостойкости в сравнении с аналогичными материалами, в которые вводили пластинчатые кристаллы без покрытий. Это явление связано с увеличением общей жесткости системы и уменьшением релаксационной способности макрофрагментов в условиях термонагружений. [c.214]

Очевидно, что процессы, протекающие на границе раздела полимерной матрицы и упрочняющего ее наполнителя и их механизмы очень сложны и обусловлены различными и часто противоположно действующими факторами. Поэтому весьма полезно кратко проанализировать теории, пытающиеся выявить эти основные факторы. Полный их обзор дан в работе Эриксона и Плюдемана [29]. Все теории основаны на предположении о том, что для обеспечения высокой прочности композиционных материалов необходима эффективная передача усилий на все части материала от волокна к волокну через границу раздела матрица — наполнитель. Предполагается, что при этом решающую роль играет один из следующих факторов — образование химических связей между наполнителем и матрицей, смачивание поверхности наполнителя полимерной матрицей, образование на поверхности наполнителя пластически деформируемых слоев или слоев с промежуточным значением модуля или все эти факторы действуют одновременно [29]. [c.45]

В некоторых случаях прочность композиционных материалов превышает расчетную по правилу смеси со средней прочностью волокон. По записи акустической эмиссии установлено, что хотя накопление повреждений при испытании на растяжение слоистых пластиков на основе углеродных волокон и жгутов волокон с полуотвержденным связующим качественно аналогично установленному для жгутов без связующего, отвержденные слоистые пластики имеют более высокие модуль упругости, разрушающее напряжение и деформацию при разрушении по сравнению с по-луотвержденными материалами или жгутами без связующего [96] (рис. 2.52). Показатели прочности отвержденного материала лежат в области разброса расчетных данных, полученных по правилу смеси с учетом разброса прочностп волокон. Прочность композиционных материалов более высокая, чем рассчитанная по правилу смеси, может быть следствием высокой чувствительности прочности образцов к длине рабочей части (расстоянию между зажимами) для хрупких волокон, что и ожидается из статистического рассмотрения их разрушения, а расстояние между зажимами ири испытании волокон обычно значительно больше, чем расстояние между начальными дефектами, определяющее прочность волокон. [c.113]

При 0>0с прочность композиционных материалов падает очень резко с увеличением угла 0. Для материалов на основе необработанных углеродных волокон, сдвиговая прочность которых очень мала, 0с— 5° и при обработке волокон может повышаться до 10° или даже выше. Чрезвычайно высокая чувствительность композиционных материалов к направлению действия нагрузки может быть понижена укладкой однонаправленных слоев волокон под разными углами. Само собой разумеется, что повышение 0с при этом достигается за счет снижения прочности материала в главном направлении и поэтому степень такой укладки должна быть оптимальной. Некоторые экспериментальные данные по прочности слоистых стеклопластиков с различной степенью перекрестной укладки приведены на рис. 2.54 [95]. При более или менее равномерном (хаотическом) распределении волокон в двух на- [c.115]

Е-стекла с очень мальши повреждениями поверхности получил Томас (см. рис. 37). Совпадение зн (чения прочности, полученной Томасом, с подсчитанной выше величиной напряжения на коротких участках волокон, окружающих разорванное волокно, по-видимому, случайно. Однако это иллюстрирует значение прочности очень коротких отрезков волокон для прочности композиционных материалов. Кроме того, как уже говорилось выше, у коротких волокон имеется тенденция к ослаблению зависимости прочности от длины. Необходимы дальнейшие иссле-, дования для установления связи между прочностью коротких волокон и возможной прочностью композиции, армированной ими. [c.82]