Композиционные материалы с непрерывными волокнам

Большой класс композитов, который мы не рассматривали детально в этой монографии, может быть назван макроскопическими композитами. К этому классу относятся слоистые пластики, адгезионные соединения, пенопласты и лакокрасочные покрытия. Последние, по сути дела, также являются композиционными материалами, поскольку представляют собой слоистый материал и включают несколько типов пигментов (см. разд. 13.6). Пенопласты с открытыми и закрытыми порами существенно различаются, так как в них изменяется непрерывность газовой фазы. Слоистые пластики с тканями также могут быть классифицированы как композиционные материалы с волокнами, хотя ткани сами по се-бе имеют двумерную структуру [859]. [c.386]

Попытки установить зависимости между механическими характеристиками изделий и компонентов, входящих в состав композиционного материала, многочисленны, но предлагаемые формулы не всегда удобно применять в инженерной практике. Кроме того, при выводе формул обычно принимаются во внимание лишь соотношения между некоторыми характерными свойствами (прочность, модуль упругости, коэффициент Пуассона), которые считаются определяющими [42, с. 41]. Однако нельзя не принимать во внимание различия в релаксационном характере свойств различных компонентов пластиков. Необходимость учета большого числа факторов в ряде случаев затрудняет создание расчетных формул общего вида [54]. Иногда целесообразны расчетные формулы частного характера, справедливые для какого-либо определенного состава композиции. Примерами могут служить приближенные зависимости для расчета стеклопластиков, в которых использованы маты, непрерывные волокна или ткани [55, с. 1 56, с. 43]. [c.24]

Стойкость композиционных материалов к разрушению определяется большим числом факторов и существует множество предположений, какой из вероятных микромеханических механизмов разрушения вносит основной вклад в работу разрушения. Более подробное обсуждение этого вопроса будет проведено при анализе работы разрушения материалов с непрерывными волокнами, а здесь изложены некоторые общие представления. В композиционных материалах на основе хрупкой матрицы (отвержденные эпоксидные или полиэфирные смолы) и хрупких волокон (стеклянных, углеродных или борных) поверхностная энергия разрушения волокон равна примерно 5 Дж/м , матрицы — не более 500 Дж/м а материала в целом при хорошем его качестве и высокой степени ориентации — около 200-10 Дж/м и даже выше. Предполагается два основных механизма поглощения энергии при разрушении таких материалов — на преодоление трения волокон относительно матрицы при их извлечении из нее или на упругий отрыв волокон от матрицы [65]. В композициях с короткими волокнами более важную роль играет первый механизм, так как концы большинства волокон должны быть ближе к поверхности трещины, чем половина критической длины и, следовательно, эти концы будут извлекаться из матрицы при распространении трещины. При этом работа по преодолению трения волокон относительно матрицы при их извлечении дает основной вклад в измеренную энергию разрушения материала. Купер [66] показал, что максимальная энергия разрушения композиций с короткими волок- [c.100]

Очевидно, что в композиционных материалах с непрерывными волокнами граница раздела между прочными волокнами и слабой матрицей, а также тонкие прослойки матрицы между волокнами являются наиболее слабыми местами. При любой схеме нагружения, вызывающей возникновение сдвиговых напряжений в этих слабых местах, возможно сдвиговое разрушение материала. Общепризнано, что композиционные материалы с непрерывными волокнами обладают низкой прочностью при сдвиге по [c.119]

Проводимость в идеальном композиционном материале, не имеющем пор, будет зависеть от коэффициентов проводимости компонентов непрерывной матрицы [км) и армирующего наполнителя кр, объемных долей матрицы (1—ф ) и волокон фр и пространственного распределения и ориентации армирующих волокон в матрице ф( )- Кроме того, эффективный коэффициент проводимости композиционного материала кс будет также зависеть от размеров волокна и степени анизотропии рассматриваемых свойств материалов волокна и матрицы. [c.288]

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]

Прочность композиционного материала с прерывистыми, но относительно длинными волокнами (длина волокна превосходит 4 не менее, чем в 20 раз) очень близка к прочности материала, наполненного непрерывными волокнами. Если же длина волокна меньще, чем 4, то в этом случае единственным механизмом передачи напряжения является сдвиг на границе раздела. Это приводит к следующему выражению для прочности вдоль волокон [c.94]

Первичные стеклянные нити получаются непосредственно при выработке непрерывного стеклянного волокна. Они состоят из комплекса элементарных волокон, которые вытягиваются через отверстия фильер стеклоплавильного устройства. Применяются в основном для получения прессматериалов, вырабатываемых на тех предприятиях, где производится стекловолокно, так как их транспортировка затруднена. На их основе производятся прессматериалы типа АГ-4с (ЛОС, АГ-4нс), ДСВ, армированные полиамиды, а также прессматериалы типа СВАМ (в последнем случае выработка первичной нити совмещается с получением композиционного материала). [c.257]

Ранее рассматривалась идеализированная модель композиционного материала, состоящая из непрерывных параллельно уложенных волокон и непрерывной полимерной матрицы. При этом было отмечено, что разрушение материала обусловливается местным растрескиванием полимерного связующего и разрывом волокон или одним из этих явлений. В этой главе рассмотрены некоторые отклонения от идеализированной модели материала из параллельных волокон и влияние этих отклонений на характер и виды разрушения реальных армированных пластиков. Отклонения от модели называют также несовершенствами или дефектами. В зависимости от того, являются ли дефекты результатом армирования волокнами конечной длины или результатом нарушения сплошности полимерной матрицы, они могут быть разделены на два класса. [c.47]

Трещины в полимерной матрице, параллельные волокнам, играют двойную роль. Во-первых, они открывают доступ влаге из окружа ощей среды к внутренним элементам композиционного материала (установлено, что это со временем приводит к разрушению армированных -пластиков ). Во-вторых, они разделяют непрерывную структуру композиционного материала (рис. 29) на ряд [c.60]

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 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]

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]

Доля реальной прочностп композиционных материалов с ориентированными короткими волокнами от идеальной прочности однонаправленного материала с непрерывными волокнами в решающей степени определяется величиной Ц1с, которая в свою очередь зависит от прочности и диаметра волокон, а также от прочности адгезионной связи или напряжений трения на границе раздела волокно — матрица. Если построить график зависимости [c.92]

В отличие от композиционных материалов с непрерывными волокнами в материалах с короткими волокнами значительно труднее добиться одноосной ориентации волокон. Разработаны несколько процессов для ориентации коротких волокон типа асбестовых или нитевидных монокристаллов [56], однако распределение волокон в таких широко распространенных материалах как полиэфирные пресс-композиции и литьевые армированные термопласты обычно близко к хаотическому. Хаотическое распределение резко снижает эффективность усиления полимеров короткими волокнами, так как напряжения, передаваемые на неориентированные волокна, могут быть очень малыми или даже равными нулю. Одкнм из путей учета относительной эффективности усиления волокнами является использование коэффициентов эффективности для волокон с заданным типом ориентации и для композиции в целом. Кренчель предложил этот способ для цементов, усиленных волокнами [57]. Он рассчитал коэффициенты эффективности усиления для некоторых идеализированных типов распределения волокон, показанных на рис. 2.38. Если композиционной материал имеет соответствующее распределение волокон, то его проч- [c.93]

Экспериментальных данных о поведении композиций с короткими волокнами при циклических нагрузках очень мало. По данным, полученным в работе [75], установлено, что предел усталостной выносливости поликарбоната при 10 циклов возрастает в 7 раз при введении 40% стекловолокон длиной 6,4 мм. В работе [76] определено число циклов до разрушения эпоксидных смол, наполненных короткими борными волокнами, и установлено, что при циклических нагрузках с амплитудой, составляющей любую долю от разрушающего напряжения, число циклов до разрушения быстро возрастает с увеличением характеристического отношения волокон, достигая постоянных значений при lid около 200. Эту величину можно считать критическим характеристическим отношением, выше которого усталостная прочность постоянна и пропорциональна статической прочности при изгибе (рис. 2.48). В этой же работе исследованы свойства эпоксидных смол с ориентированными асбестовыми волокнами. При этом установлено, что их поведение мало отличается от поведения эпоксидных смол с борными волокнами длиной 25 мм. Оуэн с сотр. [77] показали, что усталостная прочность при 10 циклах полиэфирной смолы, наполненной стекломатом с хаотическим распределением волокон, колеблется между 15 и 45% от разрушающего напряжения при статическом растяжении. В работе [78] изучали поведение при циклическом растяжении и изгибе эпоксидной смолы, содержащей 44% (об.) ориентированных стеклянных волокон длиной 12,5 мм. Полученные результаты показывают, что этот материал является перспективным для изделий, работающих при циклических нагрузках, так как предел его усталостной выносливости составляет более 40% от разрушающего напряжения при растяжении. Эти результаты необычны для стеклопластиков, для которых, очевидно, нет истинно безопасного нижнего предела при циклических нагрузках даже в случае непрерывных волокон [79]. Недавно были исследованы свойства при циклических нагрузках промышленных полиэфирных премиксов [80]. Полученные кривые зависимости амплитудного напряжения от числа циклов до разрушения для литьевых премиксов с хаотическим в плоскости распределением волокон (рис. 2.49) можно сравнить с кривыми, полученными Оуэном с сотр. [81] для композиционных материалов с однонаправленными непрерывными волокнами и для слоистых пла- [c.106]

При обсуждении прочности композиций с короткими волокнами использовалось без дополнительного качественного анализа хорошо известное простое правило смеси для композиционных материалов с непрерывными волокнами [уравнение (7)]. Оно основано на изодеформационной модели материала, в которой принимается, что волокна имеют четко определенное и единственное значение разрушающего напряжения при растяжении о/. Это, в принципе, неверно для хрупких волокон, таких как стеклянные, углеродные и борные, прочность которых подчиняется статическому распределению. Поэтому необходимо уточнить, какое значение О/ необходимо использовать в уравнении (7). Во многих случаях правило смеси дает удовлетворительное приближение для проч- [c.109]

ЭТОГО, если неэффективная длина волокон очень мала, а разброс прочности волокон велик, из теории наиболее слабых связей можно сделать вывод, что прочность композиционного материала может быть больше, чем рассчитанная по правилу смеси с использованием средней прочности волокон, определенной при обычной длине между зажимами [91]. Для карбопластиков, однако, было установлено [99], что их реальная прочность ниже, чем рассчитанная экстраполяцией прочности волокон к очень короткому расстоянию между зажимами с использованием модели невзаимодействующих жгутов волокон. Это свидетельствует о том, что в исследованных материалах наблюдается значительное взаимодействие между разрывами отдельных волокон. В табл. 2.5 приведены типичные показатели прочности некоторых экспериментальных и промышленных композиционных материалов с непрерывными волокнами. [c.114]

Рис. 3.15. Модель для объяснения свойств композиционного материала с однонаправленными непрерывными волокнами в продольном направлении (параллельная реакция) [15].

Рис. 3.17. Свойства однонаправленного композиционного материала с непрерывными волокнами в продольном (/) и поперечном (2) направлениях.

Справочник химика 21

Химия и химическая технология