Разрушение композиционных материалов

При сжатии вдоль волокон разрушение композиционного материала происходит за счет потери устойчивости волокон аналогично разрушению при продольном изгибе стержня. [c.84]

Недостаток метода — невысокая стойкость некоторых комплексо-образователей к воздействию атмосферной и грунтовой влаги, изменению температурного режима, приводящая к разрушению композиционного материала. [c.19]

Рис. 4. Схема разрушения композиционного материала, упрочненного короткими волокнами различной длины

Волокнистые наполнители находят более широкое применение в производстве композиционных материалов вследствие их высокой прочности и жесткости и способности предотвращать прорастание трещин в хрупкой полимерной матрице. В зависимости от метода получения волокна обычно имеют цилиндрическую или неправильную форму. Волокна с гладкой поверхностью образуют менее прочное механическое сцепление с матрицей. Однако волокна с гладкой поверхностью легче смачиваются, чем с шероховатой, хотя полного смачивания волокон полимерами, так чтобы вообще не было пустот на поверхности, практически достигнуть не удается. Волокна могут адсорбировать различные вещества, способные влиять на их адгезионные свойства. Следует отметить, что прочное сцепление волокон с полимерной матрицей не всегда желательно, так как оно уменьшает поглощение механической энергии при разрушении композиционного материала. [c.371]

Последнее уравнение описывает также случай неодновременного разрушения волокон, т. е. когда часть волокон разрушается при напряжениях ниже их средней разрывной прочности. Статистическое распределение прочности волокон может быть результатом дефектов на поверхности волокон. Первоначальное разрушение части волокон не приводит, однако, к полному разрушению композиционного материала. Когда концы фрагментов при разрушении волокна отходят друг от друга, то благодаря трению на границе раздела фаз (см. ниже) возникают сдвиговые напряжения (рис. 3.19). Поскольку растягивающая нагрузка af), которую способны нести разорванные волокна, меньше, чем у непрерывных, то [c.82]

Второй тип разрушения. Композиционный материал разрушается в плоскости, параллельной оси волокна, из-за нарушения связи между матрицей и волокном или в результате сдвигового разрыва матрицы. [c.87]

Третий тип разрушения. Композиционный материал разрушается в результате разрыва матрицы в плоскости, параллельной оси волокна. [c.88]

Микроволокна используют для создания волокнистых КМ. На рис. 3.41 приведены схемы возможного расположения коротких волокон в матрице и их дифракционная картина [18]. Для получения последней микрофотографию используют как дифракционную решетку. На рис. 3.42 показан характер разрушения композиционного материала А — АЬОз (волокна) при сжатии. Излом происходит при изгибе волокон. Последние проскальзывают друг относительно друга, сообщая сдвиговую нагрузку матрице. [c.112]

Разрушение волокон приводит к понижению фактора формы, а следовательно, и степени анизотропии композиционного материала. Это измельчение до некоторой степени можно ограничить, сократив длительность смешения и переработки смесей и увеличив количество введенного наполнителя. [c.185]

При действии агрессивных сред на связующее — полимерную основу композиционных материалов — протекают реакции окисления, гидролиза, дегидратации и др., которые, однако, характеризуются своими особенностями, обусловленными гетерогенностью системы. Разрушение начинается с поверхности раздела полимер — наполнитель вследствие ухудшения их адгезионных свойств, ослабления и нарушения связи между ними. Агрессивная среда может способствовать также вымыванию полимерного связующего. Оба процесса приводят к нарушению структуры композиционного материала. Кроме того, наполнитель (например, стеклянное волокно) и связующее имеют различные термические коэффициенты расширения, поэтому при нагревании изменяются внутренние напряжения, образуются пустоты, поры, трещины и другие дефекты и облегчается диффузия среды в композиционный . материал, ускоряется его разрушение. [c.16]

Так как модули упругости компонентов стеклопластика обычно существенно различаются между собой, то для предотвращения преждевременного разрушения необходимы полимерные связующие, предельные удлинения которых превышают среднее удлинение композиционного материала в десятки раз [631 ]. Обычно нарушение монолитности стеклопластиков начинается задолго до разрушения. Вследствие того, что поврежденные участки занимают малую часть объема материала, ориентированные стеклопластики рассчитывают на прочность как сплошные материалы. Естественно, что при оценке герметичности конструкции следует учитывать нижнюю границу нагружения, при котором начинается образование трещин [632]. Обычно количественные расчеты прочности армированных систем начинаются с однослойных моделей. Следующим шагом является рассмотрение материала, состоящего из двух или нескольких слоев. Теорию многослойных сред к армированным материалам применил В. В. Болотин [633]. Теория армированных сред в приложении к ориентированным стеклопластикам получила развитие в работе [634, с. 192]. [c.301]

В отвержденном состоянии связующее обеспечивает монолитность композиционного материала, фиксирует форму изделия и взаимное расположение частиц наполнителя и в значительной степени определяет эксплуатационные свойства материала. Важную роль играет связующее в распределении напряжений по объему материала, обеспечении равномерной нагрузки на армирующий наполнитель, перераспределении нагрузки при разрушении частиц наполнителя и т. д. [c.76]

Для усиления клеевого соединения в ряде случаев устанавливают болты, что приводит к повышению несущей способности соединения по сравнению с чисто клеевым или болтовым. Если отверстия под болты не занимают более 50% всей площади склеивания, то композиционный материал не подвергается разрушению [И]. [c.233]

В случае композиционных материалов, особенно волокнистых, для определения энергии разрущения наиболее часто используют изгиб брусков с треугольным надрезом (рис. 2.6,а), разрушение которых происходит не катастрофически, т. е. с контролируемой скоростью. При таком разрушении внешние потери энергии очень малы. Образцы композиционных материалов, которые без надреза разрушаются катастрофически, можно заставить разрушаться квази- или полностью контролируемым образом и при прямом надрезе (рис. 2.6,6), если надрез достаточно глубокий, а отношение длины надреза к глубине достаточно велико (рис. 2.7). При контролируемом разрушении, если материал упругий вплоть до разрушения, или разрушение сопровождается необратимыми деформациями, делением площади под кривой нагрузка — прогиб, равной работе, затраченной на разрушение образца, на площадь поверхности разрушения (для хрупких, гомогенных материалов равную [c.60]

Рис. 2.8. Зависимость удельной работы разрушения от глубины надреза для композиционного материала на основе углеродных волокон [18].

Это соотношение сохраняется до разрушения материала, которое наступает при достижении предельной деформации одной из фаз. В пластиках, армированных углеродными волокнами, первыми обычно разрушаются волокна, а в стеклопластиках — матрица. Если разрушающее напряжение при растяжении волокон обозначить а,, а соответствующий показатель для матрицы при предельной деформации волокон обозначить а,,,, то разрушающее напряжение при растяжении композиционного материала описывается формулой [c.91]

Авторы работы [99] показали, однако, что в настоящее время ни один из существующих критериев разрушения, представляющий собой комбинацию напряжений, не может быть принят ни для одного композиционного материала без предварительной экспериментальной проверки. [c.116]

В последние годы большое внимание уделялось разработке приспособлений для испытания на сжатие, которые помогали бы избежать недостатков существующих способов, указанных ранее. При использовании таких приспособлений могут быть получены значения прочности при сжатии композиционного материала, практически равные показателям его прочности при растяжении, что было проиллюстрировано в работе [105] на ряде материалов на основе углеродных волокон (рис.- 2.57). По-видимому, механизм разрушения этих материалов при растяжении и сжатии один и тот же и заключается в сдвиге под углом 45°. [c.119]

Рис. 2.58. Схема разрушения в результате межслоевого сдвига при изгибе короткой балки из слоистого композиционного материала.

Для полной адгезии, в предположении, что все волокна рвутся одновременно, можно себе представить следующий механизм разрушения. При разрушении волокон происходит внезапное освобождение поверхностной энергии, которая и обусловливает быстрое распространение трещины через матрицу. В этом случае прочность композиционного материала выражается уравнением [c.81]

Прочность на границе раздела волокна и матрицы и сдвиговая прочность матрицы намного меньше прочности композиционного материала в направлении волокон. Отсюда вытекает, что данный механизм разрушения имеет [c.87]

Высоконаполненные композиционные материалы, содержащие значительное количество непрерывных армирующих волокон, обычно рассматриваются как упругие материалы. Для этих материалов определяют три упругие константы , используя обычное оборудование для деформирования с заданной скоростью при двухопорном изгибе и кручении. Поскольку разрушение чаще всего происходит в результате сдвига в межслоевых областях, прочность композиционного материала оценивают именно по прочности межслоевого сдвига. Расстояние между опорами при испытании на изгиб должно быть приблизительно равно четырехкратной толщине образца. [c.104]

Поскольку работа межфазного сдвига зависит от длины волокна, оптимум механических свойств — жесткости, прочности, ударной вязкости — реализуется при более длинных волокнах и более слабой адгезии на границе раздела. При слабой связи может повыситься ударная вязкость композиционного материала также в тех случаях, когда разрушение начинается с матрицы. Так, Кук и Гордон [29] полагают, что когда трещина подходит к границе раздела, она не пересекает далее волокно, а распространяется вдоль поверхности волокна. Интенсивность напряжений в вершине трещины при этом снижается. Такой механизм повышения ударной вязкости, по-видимому, имеет место в полиэфирных стеклопластиках. [c.107]

Моделирование композиционного материала эквивалентной однородной средой недостаточно для исследования локальных пластических деформаций или разрушения, дисперсии волн и решения других задач, определяемых как раз неоднородностью свойств материала по координатам. Естественно, что точное решение подобных задач для неоднородного хматериала возможно только в редких случаях, поэтому были развиты приближенные методы исследования. Из этих методов наибольшее распространение и обоснование получили методы малого параметра и осреднения, основные идеи которых и будут рассмотрены в данном параграфе. [c.123]

Стойкость пропитанного графита и графитопласта АТМ-1 к действию агрессивных сред в зависимости от концентрации и температуры приведены в табл. 6.2 и 6.3. Следует также отметить, что коррозия АТМ-1 в агрессивных средах отличается от коррозии пропитанного графита, так как АТМ-1—композиционный материал. Пропитанный графит становится пористым, а ATiV -l подвергается разрушению. [c.164]

В сложных случаях (анизотропные и композиционные материа лы) разрыв представляет собой сочетание местных отрывов и сколов по плоскостям легчайшего разрушения (поз. 4 и 5). Пластичное твердое тело разрушается в месте разрыва сужения (шейки) (поз. б). [c.62]

Рассмотрим влияние LJL на характер разрушения композиционных материалов. В случае (L JL) 1 волокна на большей части своей длины нагружены до максимального апа-чеиия. Тогда если одно из волокон порвется и способность пластической матрицы к деформационному упрочнению ограничена, то остальные нити в этом сечении будут немедленно перегружены и также разрушатся. Образец будет иметь плоский излом по всему сечению и, как всякий хрупкий разрыв, небольшую работу разрушения (рис. 4, с). С другой стороны, если Le = то эпюра напряжений имеет максимум в центре. После разрушения хотя бы одного волокна перераспределение напряжений вызовет перегрузку в центре соседних с разрушенным волокнах, и они будут разрываться в этих местах. Подобное разрушение композиции аналогично разрушению поликристаллического пластичного материала (рис. 4,6). В том случае, когда длина волокон меньше критической, композиционный материал разрушается в результате вырывания волокон из матрицы, а не их разрыва. Это происходит вследствие недостаточного сцепления или среза прилегающих слоев матрицы (рис. 4, в). [c.337]

Для однонаправленных пластиков, растягиваемых в направлении армирующих волокон (см. рис. 1.1), основные механические характеристики (прочность Охх, модуль упругости Ехх и коэффициент Пуассона ххг) определяют обычно по формулам суммирования в соответствии с принципом осреднения по Фойхту [см. формулу (1)]. Например, прочность однонаправленного композиционного материала с непрерывными волокнами, разрущение которых наступает одновременно с разрушением связующего (матрицы), можно рассчитать по формуле [c.19]

Таблица 2.1. Поверхностная энергия разрушения эластифицированных различными каучуками и неэластифицированных эпоксидных композиций на основе смолы типа ЭД-20 в виде литых образцов и клеевой пленки толщиной 200 мкм, а также композиционного материала на основе эпоксидных композиций и углеродных волокон [26]

Если фхт, то возможны упругие или пластические ограничения поперечному сжатию и, следовательно, возможно возникновение объемно-напряженного состояния материала, обусловливающего повышение его прочности по сравнению с расчетной формулой (2.7), которая с этой точки зрения может рассматриваться как нижний предел. Эти эффекты обычно очень малы и формула простого правила смеси дает неплохое приближение для расчета прочности однонаправленного волокнистого композиционного материала. Так как эта формула выведена из условия однородного поля напряжений вдоль волокон, она должна быть модифицирована для расчетов прочности композиций с короткими волокнами для двух предельных случаев. В первом случае волокна имеют длину больше критической и могут быть нагружены до разрушения. При разрушении, однако, среднее напряжение в волокне Of меньше, чем 0/. Истинное значение о/ зависит от точной картины распределения напряжений на концах волокон. Если предположить, что растягивающее напряжение в волокне возрастает от конца волокна по линейной зависимости (рис. 2.35), то среднее эффективное разрушающее напряжение для волокна можно рассчитать по формуле [c.92]

Хотя усталостная выносливость полимеров с высокой объемной долей непрерывных однонаправленных углеродных или борных волокон обычно достаточно высока, стойкость композиций разных типов с короткими волокнами к циклическим нагрузкам значительно меньше, так как менее устойчивая матрица в этом случае подвергается большим напряжениям. В матрице легко инициируются начальные повреждения, что приводит к нарушению целостности композиционного материала, хотя волокна остаются неповрежденными. Задолго до резкого падения жесткости материала его проницаемость для воды или водяных паров сильно возрастает. Граница раздела фаз особенно чувствительна к усталостному разрушению, так как сдвиговые напряжения на границе раздела меняют свое направление в каждом цикле, а по краям волокон наблюдается особенно высокий уровень концентрации сдвиговых напряжений. Возможно также, что в композиционных материалах как с хаотическим, так и с ориентированным распределением коротких волокон, концы волокон и слабые места границы раздела служат центрами зарождения усталостных трещин. [c.105]

Как уже упоминалось, композиционные материалы на основе однонаправленных непрерывных волокон обладают высокой анизотропией свойств и в большинстве случаев зависимость прочности этих материалов от направления действующего напряжения достаточно хорошо описывается теорией максимальных напряжений Стоуэлла и Лью [60] [уравнения (2.11)]. Цай [93] показал, что теория максимальной энергии разрушения, основанная на критерии разрушения Мойзеса, соответствует экспериментальным данным для эпоксистеклопластиков на основе стекла Е лучше, чем теория максимального напряжения. Его модель позволила вывести уравнение зависимости прочности композиционного материала Оо от угла ориентации 0 [c.114]

Если свободно стоящий цилиндр из однонаправленного композиционного материала нагружать при сжатии в направлении вдоль оси ориентации волокон, тип разрушения будет зависеть от прочности сцепления волокно — матрица. При слабой адгезионной связи волокна отслаиваются от матрицы при малых нагруз- [c.117]

Одну из первых моделей разрушения композиционных материалов при сжатии предложил Роузен [83], предположивший, что разрушение материала происходит в результате разрушения матрицы и последующего упругого продольного изгиба волокон. За исключением малых объемных долей волокон разрушение происходит в результате сдвига и разрушающее напряжение может быть рассчитано по формуле [c.118]

При анализе работы разрушения композиционных материалов учитывалась микромеханика процессов разрушения и влияние на нее природы компонентов материала и характера их взаимного распределения. С точки зрения конструирования изделий необходим анализ макропроцессов разрушения композиционных материалов в присутствии надрезов, дефектов и других параметров конструкций, размеры которых значительно превосходят диаметр волокон. С первого взгляда это кажется невозможным, так как разрушение композиционных материалов в значительной степени меняется при наличии слабых границ раздела, а характер распространения трещин не удовлетворяет условиям, необходимым для применения основ механики разрушения. Однако экспериментальные данные свидетельствуют о возможности при определенных условиях применения к композиционным материалам основных представлений механики разрушения. Ву [135] показал, что подход механики разрушения к анализу распространения трещин в гомогенных, но анизотропных пластинах, может быть ограниченно применен к однонаправленным волокнистым композиционным материалам. Он определил критическое напряжение, необходимое для роста трещин различной длины параллельно волокнам при растяжении и сдвиге, и показал, что для всех случаев соотношение [c.132]

Согласно Овну [2] в процессе динамических усталостных испытаний первоначально прозрачный образец постепенно становится светонепроницаемым. Вначале эта непроницаемость может быть устойчивой только в тот момент, когда образец находится под нагрузкой, но постепенно, по мере того как он становится более напряженным, эта устойчивость со сраняется и без нагрузки. Небольшие трещины развиваются и проникают внутрь образца. Как раз перед полным разрушением матрицы часто появляется побеление, которое затем исчезает. Появление поверхности разрыва зависит от характера цикла напряжения и типа наполнения композиционного материала. Поверхность разрыва тканых слоев под действием циклического растягиваю- [c.131]

Убедительный пример влияния межфазных молекулярных связей на прочность композита приведен в работе [110], авторы которой исследовали взаимодействия в системе матрица (эпоксидный компаунд)—арматура— (волокна на основе поливинилового спирта). Если между исходными волокнами ПВС и матрицей не наблюдается никакого химического взаимодействия, то обработка волокон 4,4 -дифенилметандиизоцианатом (МДИ) приводит к химическому взаимодействию по гидроксильным группам. Кроме того, модификатор также химически взаимодействует и с матрицей. Следствием этого взаимодействия является существенное повышение прочности композита [ПО]. ИК-спектры нагруженных образцов свидетельствуют о том, что молекулы МДИ несут ири этом механическую нагрузку. Изучение особенностей развития магистральных трещин в исследуемых композитах с модифицированными и немодифицированными волокнами показало, что расслаивание по границе матрица—волокно занимает значительную долю времени от всего процесса разрушения композита, причем химическое взаимодействие матрицы с волокном существенно снижает скорость расслаивания [110]. Таким образом, прочность композиционного материала самым тесным образом связана с характером межфазных связей — собственно адгезией. [c.35]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология