ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИТЫ

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 
Гомогенные однородные материалы можно разделить на вязкие и хрупкие тела. Они имеют различное отношение, как к прилагаемым нагрузкам, так и к механизмам разрушения и деформации. У вязких тел (медь, полиэтилен и т.д.) при разрушении наблюдается значительная деформация (рис. 7.2, а).
Рис. 7.2. Характер разрушения вязких (а) и хрупких (б) тел.
У хрупких тел (чугун и т.д.) разрушение происходит в результате разрастания дефекта в магистральную трещину (рис. 7.2, б).
Чем выше хрупкость материала, тем выше коэффициент концентрации напряжений (10 -И0 ). Поэтому у таких материалов даже при относительно небольших напряжениях у конца трещины деформации могут достигать предельного значения, что приводит к разрушению материала.
Развитие трещины может протекать при различных типах деформации при вершине трещины [8]. В соответствии с этим можно выделить трещины I, II и III типов (рис. 7.3). В случае трещины I типа, деформация происходит под прямым углом к поверхности трещины. Для трещины типа II характерны деформации сдвига, имеющие место на верхней и нижней поверхности. Тре-
Рис. 7.3. Типы деформации трещины при разрушении
щина III типа характеризуется деформациями сдвига по торцевой поверхности. Из трех указанных типов трещин наиболее важной представляется трещина I типа. Поэтому она является основным объектом рассмотрения.
Существует критическая длина трещины, при которой проявляется тенденция к ее неограниченному росту, приводящему к разрушению материала. Важен тот факт, что соответствующее критическое напряжение зависит от абсолютного размера трещины, и оно тем выше, чем меньше длина трещины.
Из хрупких материалов с высокой воспроизводимой прочностью можно получать в основном волокна. Из-за геометрии волокна трещины в них должны быть либо очень короткими, либо параллельны продольной оси волокна и, следовательно, безопасны. Этому способствует и уменьшение диаметра волокна в процессе формования. При вытяжке волокна происходит как уменьшение его поперечного сечения, так и частичное залечивание дефектов. Дефекты на поверхности волокна (трещины, воронки), растягиваясь вдоль волокна, затупляются или исчезают. Внутренние дефекты частично исчезают (смыкаются) или ориентируются вдоль волокна.
Большое значение имеет диаметр волокна - с его уменьшением прочность резко возрастает. Поэтому для армирующих наполнителей используют волокна с диаметром от 1 до 200 мкм.
Особенность волокнистой композиционной структуры заключается в равномерном распределении высокопрочных, высокомодульных волокон в пластической матрице.
Реализация прочности армирующего волокна зависит от его объемной доли и геометрии волокна. Это объясняется тем, что напряжение зависит от расстояния между волокнами А и их радиусом R. Чем меньше расстояние А, тем выше концентрация напряжений. Предельным считается соотношение A/R=0,2. Это может обеспечить теоретически предельное содержание объемной доли волокна в матрице -78% (рис. 7.4).
На практике объемная доля волокна несколько меньше расчетной, и с увеличением жесткости волокон снижается. Так, КМ на основе органических волокон имеют наполнение 70 - 75%, стеклянных - 65.
- 70%, углеродных - 60 - 65%.
Прочностные характеристики зависят как от объемного наполнения, так и формы наполнителя и схемы армирования. Максимальное упрочнение наблюдается при трансверсальном армировании непрерывным волокном, когда имеет место практически линейное возрастание прочности до предельной объемной доли, характерной для данного волокна [8-10].
При армировании рубленным волокном максимальное значение прочности достигается при наполнении 40 - 50%. Затем происходит снижение прочности. Для дисперсного наполнения возрастание прочности наблюдается при незначительном наполнении. Обычно не более 15%. Зависимость прочности от наполнения иллюстрирует рис. 7.5.
Наполнение зависит от характера материала матрицы. Так, в термопласты вводят до 40%, а в термореактивные связующие - до 70% стекловолокна.
Другой отличительной особенностью волокнистой композиционной структуры является анизотропия свойств, обусловленная преимущественным распределением волокон в том или ином направлении.
Волокнистая композиционная структура может быть одномерно-армированной, двумерно-армированной (слоистой) и пространственно-армированной в 3-х и более направлениях.
Большое значение имеет соблюдение прямолинейности по всей длине волокна. Даже при искривлении волокна на 0,1 от диаметра прочность при сжатии теряется на 50% (рис. 7.6).