Волокна полимерной матрицей

Явление усталостного разрушения анизотропного гетерогенного углепластика сложнее, чем в случае металлического материала. В процессе такого разрушения распространение усталостной трещины может происходить в результате 1) разрушения полимерной матрицы 2) отслоения на границе раздела волокно - полимерная матрица 3) разрушения отдельных волокон 4) расслоения. Все перечисленные варианты разруше- [c.140]

В работах [4, 5] установлено, что при чистом сжатии усталостная трещина распространяется вследствие продольного изгиба волокон. Такой тип разрушения является характерным для армированных волокнами композиционных материалов. При этом обычно имеет место макроскопическое сдвиговое разрушение полимерной матрицы или отслоение на границе раздела волокно - полимерная матрица. [c.141]

Влияние влажности на механические характеристики слоистых пластиков выражается в изменении прочности на границе раздела волокно - полимерная матрица вследствие проникновения влаги. На рис. 4.16 [c.158]

Это весьма дискуссионный вопрос, так как адгезионная прочность в системе арамидные волокна—полимерная матрица выше прочности этих волокон в поперечном направлении разрушения на границе раздела компонентов обычно не наблюдается. - Прим. ред. [c.267]

Оценка некоторых параметров граничного слоя в системе волокно - полимерная матрица с помощью динамических механических измерений / Ю, С. Липатов, [c.242]

Здесь О/ — напряжение в волокне, эффектом поперечной деформации, связанной с неодинаковостью коэффициента Пуассона, найдем, что при совместной и одинаковой деформации волокна и матрицы напряжения относятся как модули упругости. Полимерная матрица упруга вплоть до момента разрушения, отношение модуля упругости угольного волокна к модулю упругости эпоксидной смолы / = 40 ООО 350 = 114, когда напряжение в волокне равно пределу прочности порядка О/= 300 кгс/мм От = 300 114 = = 2,6 кгс/мм , тогда как предел прочности смолы порядка 7— 8 кгс/мм Этот простой подсчет, имеющий целью лишь оценку порядка величины, показывает, что волокна рвутся раньше, чем матрица. Это тем более относится к материалам с металлической [c.696]

Полимерная матрица следует закону Гука почти до момента разрушения, незначительные отклонения от закона упругости могут не приниматься во внимание. Как правило, удлинение матрицы при разрыве в несколько раз больше, чем удлинение волокна, поэтому качественная картина поведения такого композита в известной мере напоминает поведение композита с металлической матрицей при малом объемном содержании волокна возможно его дробление. Однако малая прочность матрицы по отношению к касательным напряжениям и довольно слабая связь между волокном и матрицей вносят свою специфику. В композите органическое волокно — эпоксидная смола, наоборот, разрывное удлинение смолы меньше, чем удлинение волокна. Ввиду малой прочности матрицы происходит ее дробление на мелкие частички, которые легко отваливаются, обнажая пучки волокон, которые уже относительно легко обрываются. [c.703]

Область применения этих испытаний ограничена в основном композитами с полимерной матрицей [8—10]. Отдельное волокно заделывается аксиально в материале матрицы. В зависимости от подлежащей определению характеристики образец может иметь различную форму. Для измерения прочности перпендикулярно поверхности раздела сжимающее усилие прикладывают к образцу с криволинейной шейкой (рис. 21, а). Для определения прочности при сдвиге сжимающее усилие прикладывают к образцу постоянного сечения или к образцу трапециевидного профиля (рис. 21,6). [c.72]

Настоящая книга является одним из 8 томов энциклопедического издания Композиционные материалы . В ней рассматриваются Практически все аспекты исследования внутренних поверхностей раздела в полимерных композитах, армированных традиционными стекловолокнами, а также борными и углеродными волокнами. Читатель найдет в книге описание современных методов исследования поверхностей раздела, анализ основных теорий аппретирования и адгезии полимерных матриц к упрочнителям. Впервые опубликованы сведения о химии поверхности высокомодульных и высокопрочных волокон бора и углерода и химии поверхности раздела в армированных ми композитах. [c.4]

На рис. I приведены электронные микрофотографии графитовых волокон в полимерной матрице, на которых довольно четко видны как волокна, так и матрица. В данном случае поверхность раздела представляет собой область, примыкающую к поверхности волокна и матрице, окружающей волокна. [c.44]

В направлении, перпендикулярном оси волокна, действуют как радиальные растягивающие напряжения, так и нормальные напряжения сжатия (рис. 13) [32]. Нормальные напряжения сжатия увеличивают прочность сцепления на поверхности раздела, а растягивающие напряжения ее ослабляют. Эти напряжения вызываются также термической усадкой и усадкой при отверждении материала и зависят от размера и объемного содержания волокна в композите и модулей упругости волокна и смолы. Б углепластике нормальные напряжения сжатия полимерной матрицы составляют примерно 1,4 кгс/мм2, а радиальные растягивающие напряжения — около 0,35 кгс/мм . Следовательно, прочность композита при растяжении в. поперечном направлении понижается, так как некого- [c.262]

Очевидно, что механические свойства поверхности раздела также оказывают значительное влияние на прочность адгезионной связи. Поэтому, для того чтобы свести до минимума напряжения, возникающие в композитах, необходимо при их разработке учитывать размер волокна, его содержание, модули упругости полимерной матрицы и волокна, а также температурно-временные режимы изготовления материала. [c.263]

Влияние структуры и реакционной способности эпоксидных смол на прочность адгезионного соединения на поверхности раздела в композитах не исследовалось. Имеются данные, согласно которым потеря прочности углепластиков в результате старения может быть связана с изменением полимерной матрицы. И наконец, было показано, что вследствие разницы коэффициентов термического расширения волокна и смолы возникают остаточные напряжения в полимере и на поверхности раздела волокно — смола, что сказывается на прочностных свойствах углепластиков. [c.270]

Можно не сомневатьсЯ( что в будущем будут производиться более безопасные, обладающие повышенными летными качествами легкие самолеты. Основные их агрегаты будут отформованы из перспективных композиционных материалов на основе полимерных матриц в сочетании с углеродными и органическими (РКВ) волокнами. Удельная (в пересчете на единицу массы) стоимость этих самолетов будет снижена благодаря усовершенствованию технологии изготовления. При этом безопасность будет значительно улучшена вследствие использования ударопрочных конструкций, изготовленных из композиционных материалов. [c.69]

В дальнейшем были разработаны новые перспективные волокна для композиционных материалов. К ним относятся углеродные волокна с различным сочетанием жесткости и прочности, борные волокна большого диаметра, органические волокна РНВ-49, волокна карбида кремния, непрерывные волокна окиси алюминия. Некоторые из этих волокон более пригодны для применения в сочетании с металлическими, а не полимерными матрицами. [c.131]

Данная глава посвящена усталостному повреждению низкопрочных стеклопластиков. В основном повреждения возникают под действием растяжения в той части системы армирования, которая перпендикулярна растягивающей нагрузке. Этот первый вид повреждения состоит в нарушении связи между стеклянными волокнами и полимерной матрицей. Он возникает под действием однократной или повторяющейся нагрузки и зависит от числа циклов. Дальнейшее развитие повреждений зависит от вида армирования. Последовательность повреждений до сих пор полностью не изучена и пока невозможно предложить всеобъемлющий набор конструкционных критериев, учитывающих состояния поврежденности. [c.333]

На основании экспериментальных данных строятся непрерывные функции изменения характеристик материала в соответствии с уравнениями (2.6), (2.7). Полученные функции представляются в дискретном виде для шага с заданным числом циклов. На этом этапе следует хорошо понимать специфические свойства полимерной матрицы и волокон. Высокопрочные волокна имеют, как правило, отличные усталостные характеристики, и изменения их модуля и прочности в процессе нагрул<ения незначительны. Свойства матрицы ухудшаются, однако, весьма значительно. Надо ожидать, что учет усталостных свойств волокон и матрицы приведет к появлению в анализе дополнительных параметров. В их числе параметр, описывающий поведение поверхности раздела волокно — матрица. Отсюда следует, что определение усталостных характеристик компонент композита и выяснение их взаимосвязи не менее важно, чем получение данных об усталостном разрушении композита в целом. [c.89]

Рост трещины молшо разделить на два этапа возникновение и распространение трещины. Если длина волокна, вытянутого из полимерной матрицы, по сравнению с областью разрушения является небольшой, работа в вершине трещины, затрачиваемая на раскрытие трещины, включает в себя Wf, Sm, Sr, d, S p. При этом энергия образования трещины и энергия ее распространения оказываются одинаковыми. Однако, когда длина вытянутого волокна соизмерима с областью процесса разрушения, энергия возникновения трещины является суммой величин f, С энергией развития трещины связана лишь величина Sp. [c.100]

Для целого ряда отраслей эффективным является применение разнообразных композиционных материалов, и в частности композитов, имеющих полимерную матрицу и армирующие непрерывные углеродные, стеклянные, борные или органические волокна. В этом случае достигается не только снижение веса и повышение долговечности элементов конструкций, но и обеспечивается ряд специальных свойств. [c.16]

Термопласты с наполнителями. В качестве полимерных матриц (связующего) применяют различные термопласты. В качестве армирующих наполнителей можно использовать стеклянное волокно, асбест, органические волокна и ткани. Волокнистые наполнители образуют в полимере как бы несущий каркас и этим упрочняют материал. [c.461]

Для композиционного материала с полимерной матрицей критическая длина волокна по экспериментальным данным составляет обычно не менее 50 его диаметров. По мере уменьшения длины волокон эффективность упрочнения падает до тех пор, пока длина волокон не станет меньше критической и разрушение будет контролироваться вытягиванием волокон. [c.87]

Адгезия на границе раздела углеродное волокно - полимерная матрица определяется следующими факторами 1) механическими связями вследствие проникновения полимера в шероховатости поверхности волокон 2) химическими связями между поверхностью углеродных волокон и полимерной матрицей 3) физическими связями (обусловленными силами Ван-дер-Ваальса). Основными являются фжторы 1 и 2. Образование химических связей в системе углеродное волокно — полимерная матрица определяется химически активными функциональными группами на поверхности углеродных волокон. Эти функциональные группы связываются с атомами углерода соседних ароматических фрагментов. По мере увеличения числа таких атомов углерода усиливается химическая связь между углеродным волокном и полимерной матрицей. В реальном случае при обработке поверхности возрастает число кислотных функциональных групп и соответственно повышается прочность углепластика при межслоевом сдвиге (рис. 2.7) [15]. При использовании высокомодульных углеродных волокон адгезия на границе раздела волокно — полимер определяется преимущественно механическими связями вследствие шероховатости поверхности углеродных волокон этого типа [16]. [c.37]

Как уже отмечалось, арамидные волокна — один из перспективных видов волокон для армирования композиционных материалов. В настоящее время интенсивно разрабатываются новые типы арамидных волокон с улучшенными свойствами. Например, фирмой Du Pont разработаны арамидные волокна марки FIBER D с модулем упругости, в 1,3 раза большим, чем у волокон KEVLAR-49 [3]. Для улучшения свойств арамидных волокон часто используют обработку их поверхности. Повышение адгезионного взаимодействия в системе армирующие волокна — полимерная матрица существенно улучшает статические и динамические свойства композиционных материалов.По современным данным, имеется значительный резерв для повышения адгезионного взаимодействия арамидных волокон с полимерной матрицей. Для поверхностной обработки волокон используют различные аппреты [4], плазменную обработку поверхности [5], ионное травление [6] и другие методы. [c.267]

Заметное повышение адгезии достигается при покрытии углеродных волокон пиролитическим углеродо.м [9-28], что объясняется более равномерным покрытием поверхности волокна полимерной матрицей. Покрытие углеродного волокна пиролитическим углеродом при 1300—1400°С повышает его прочность примерно на 30% без изменения модуля упругости. [c.174]

Вискерн.зация волокон Ч Особую группу представляют композиционные материалы, межслойные связи в которых создаются за счет нитевидных кристаллов, выращенных на поверхности волокон или введенных в полимерную матрицу между волокнами. Для. этой группы материалов наиболее типичны две схемы армирования с хаотическим расположением нитевидных кристаллов в одной плоскости (рис. 1.10, а) и во всем объеме (рис. 1.10, б). [c.19]

При прессовании препрегов, изготовленных на основе вискеризованных волокон из газовой фазы, кристаллы вследствие жесткой их связи с волокнами часто обламываются и хаотически заполняют полимерную матрицу, [c.202]

В первую очередь рассмотрим разрушение путем отрыва в случае, когда трендина перпендикулярна волокнам. В однонаправленно армированных композитах с полимерной матрицей этот тип разрушения бывает получить нелегко, поскольку их склонность к продольному расщеплению велика. В композитах с металлической матрицей отношение прочности при поперечном растяжении к сдвиговой прочности не столь велико, и трещинам приходится распространяться поперек волокон. В композитах (как с полимерной, так и с металлической матрицей), где упрочнитель ориентирован в нескольких нанравлениях, трещина часто вынуждена распространяться в направлении, перпендикулярном главным осям ортотропии, а они обычно совпадают с направлением одного или многих слоев волокон. Значит, при распространении трещины разрушаются волокна. [c.279]

Книга посвящена рассмотрению результатов изучения поверхности раздела упрочнитель — полимерная матрица в композиционных материалах волокнистого строения. В ней подробно обсуждаются проблемы, которые были только затронуты в книге Современные композиционные материалы . Среди них такие, как химия поверхности армирующих волокон, природа связи на поверхности раздела, роль различных обработок поверхности волокон (в основном силановыми аппретами) в формировании границы раздела полимер — минеральные волокна, механизм передачи напряжений через поверхность раздела, влияние начальных термических напряжений на механические свойства композитов, стабильность композитов при воздействии влаги. [c.5]

В отличие от аппретов все замасливатели содержат компоненты, ослабляющие связь между полимерной матрицей и смолой. Кроме того, для обработки волокна необходимо меньшее количество (в вес. %) аппрета, чем замасливателя. Предел прочности моноволокна после аппретирования ниже, чем моноволокна после замасливания. Тем не менее предел прочности композитов с аппретированными волокнами часто оказывается выше предела прочности композитов, армированных замасленными волокнами. В расчете на единицу веса стекловолокна производство замасленных волокон дешевле, чем производство аппретированных. При выборе способа обработки волокна учитываются различные факторы и часто приходится выбирать между свойствами композитов и стовмостью их изпотавления. [c.13]

Оценка аппретирующих добавок, улучшающих связь между упрочнителем и полимерной матрицей, проводилась непосредственно по результатам физико-химических испытаний композитов. Однако на основе только экспериментальных данных нельзя достаточно полно объяснить природу адгезионной связи. Несомненно, любая научная интерпретация явлений на поверхности раздела должна коррелировать с практически получаемыми ха-рактеристикам(и (кампознтав. Поокольку даже 1К райне малые аппретирующие добавки оказывают сильное влияние на свойства композитов, то, очевидно, изучение механизма связывания оказывается полезным для выяснения природы адгезии органического полимера к поверхности минерального волокна. [c.15]

Бор. Волокна бора характеризуются высоким сопротивлением сжатию наряду с высоким удельным модулем. Это позволяет использовать их, в особенности для конструкций, работающих под давлением (с ограниченной устойчивостью) и обладающих высокой жесткостью. Свойства волокон высоко стабильны. Благодаря высокому модулю упругости бора в полимерной матрице возникают низкие напряжения. Волокна имеют хорошую адгезию к связующему (матрице), что подтверждают высокие результаты стандартных испытаний на межслоевой сдвиг по методу короткой балки. Сочетание этих свойств ведет к повышению усталостной прочности волокнистых материалов с применением бора, составляющей, как правило, 70% от предельного значения кратковременной йрочно-сти для одноосноармироваиных материалов. [c.83]

Металлические матрицы предпочтительнее в случае, когда деталь работает на сжатие и изгиб, так как их более высокая прочность на сдвиг и изгиб обеспечивает ослабление поперечных нагрузок на волокна. Эти матрицы также более эффективны в случае местных, комбинированных и внеосевых нагрузок, у них большее сопротивление износу, меньше газопроницаемость и более высокая температурная стойкость. Отличная теплопроводность позволяет избегать местного перегрева, высокая электроцроводность обеспечивает хорошую заш,иту от повреждения молнией (слоистые материалы на полимерной основе, используемые в авиации, должны иметь алюминиевое покрытие толщиной до 0,13 мм с целью заш иты от удара молнии). Более высокая электропроводность металличе- [c.92]

В соединении с полимерной матрицей, которой может служить эпоксидная или полиэфирная смола. В табл. II приведены характерные свойства однонаправленных композитов углеродные волокна — эпоксидная смола. В ряде научных центров проводятся исследования композитов с углеродными волокнами и металличе- [c.364]

В работе [11] модель накопления повреждений при растяжении распространена на случай действия касательных напряжений в плоскости слоя. При этом действие нормальных напряжений, перпендикулярных армирующим волокнам слоя, не учитывается. Однако в слоях композита при плоском напряженном состоянии в зависимости от схемы армирования могут возникать все три ко.мпоненты напряжений (нормальные в направлении армирующих волокон, перпендикулярные им и касательные в плоскости слоя). Следовательно, для применения критерия прочности [II] к анализу слоистого композита необходимо учитывать и нормальные напряжения, перпендикулярные направлению армирования. Простые рассуждения показывают, что действие этих напряжений в композите с полимерной матрицей может проявиться в первую очередь в деформировании матрицы, а не волокон. Поскольку подобное предположение справедливо и для касательных напряжений в плоскости, логично ол<идать, что совместное действие нормальной и касательной компонент может привести к появлению неупругости матрицы при более низких напряжениях, чем при действии каладой из компонент в отдельности. [c.47]

Следует осторожно сопоставлять величины сдвиговых деформаций у кончика трещины у с предельными значениями деформации сдвига Vuit, определенными из испытаний композита без концентраторов напряжений. Дело в том, что в матрице и в пограничном слое волокно — матрица у вершины трещины возникает сложное напряженное состояние. Кроме того, не известно, происходит ли разрушение от касательных напряжений по матрице или по границе волокно — матрица. Однако при отсутствии данных о поведении полимерной матрицы в условиях сложного напряженного состояния представляется разумным в сдвиговом анализе оценивать распространение повреждения (или трещины) в направлении нагружения на основании прямого сопоставления у и Vuit- [c.66]

Вязкоупругое поведение полимерной матрицы может оказать большое влияние на деформативность и несущую способность конструкционных композитов под действием механических нагрузок и факторов внешней среды. Ряд аспектов механического поведения полимеров, армированных волокнами или частицами, рассмотрен в одной из последних статей автора [1]. Поэтому при обращении к указанной теме еще раз автор ссылается в первую очередь на работы, появившиеся в печати уже после работы [1]. В частности, основное внимание уделено анализу роста трещин и разрушению комаозитов с учетом вязкоупругости — теме, которая не была рассмотрена в [1]. [c.180]

Рассмотренный метод был применен в [15] к элементарной задаче расчета напряженного состояния моноволокна, заключенного в полимерную матрицу. На рис. 5.5 для гипотетической ситуации (температура, соответствующая отсутстви ю напрял<ений, равна 200 °С и 7 g = 50° — ниже, чем у типичных смол) показаны приведенные радиальные напряжения на поверхности раздела волокно — матрица, образовавшиеся в процессе охлаждения с постоянной скоростью (по абсциссе отложено безразмерное время). Сплошные линии для двух разных конечных температур Тр получены интегрированием уравнения (5.25). На этом же рисунке показаны напряжения, развивающиеся после охлал<дения ниже Tg. Скачок напряжений в этом диапазоне температур получен при подстановке начального модуля смолы, находящейся в стеклообразном состоянии, в упругое решение. Когда Tpостаточных напряжений должно пройти много времени. [c.193]

Представлена краткая история и обаор модифицированной механики раз рушения Гриффитса — Ирвина. Подчеркнуто значение коэффициента интенсивности напряжений и скорости высвобождения энергии деформирования в механике разрушения изотропных и анизотропных материалов. Кратко изложена эмпирическая трактовка процесса усталостного роста трещины в изотропной среде. Затем перечислены противоречия между основными предпосылками классической теории разрушения и особенностями протекания процесса разрушения в многофазных слоистых материалах. Тем самым показана необходимость некоторого смягчения исходных предпосылок теории разрушения, которое позволило бы создать практически применимые подходы для решения задач разрушения композитов. Очень кратко, вследствие неприменимости непосредственно к решению инженерных задач, изложены основные результаты, полученные при помощи методов микромеханики, позволяющих исследовать процессы взаимодействия между трещиной, волокном и связующим в бесконечной среде. Далее огшсаны основные концепции современных макромеханических подходов для описания процесса разрушения композитов. Отмечено, что все подходы, расчеты по которым находятся в соответствии с экспериментальными данными, исключают из рассмотрения нелинейную зону или зону разрушения у кончика трещины. Более сложные теории (с учетом критического объема, плотности энергии деформирования) наилучшим образом согласуются с экспериментами на однонаправленно армированных композитах, когда трещины распространяются параллельно волокнам. Эти теории также хорошо описывают нагружение слоистых композитов под углом к направлению армирования, когда преобладающее влияние на процесс разрушения оказывает растрескивание полимерной матрицы. Расчеты по двум приближенным теориям (гипотетической трещины и критического расстояния) и комбинированному методу (модель тонкой пластической зоны) сравниваются с данными, полученными при испытании слоистых композитов с симметричной схемой армирования [ 6°]s. Приведены данные о хорошем соответствии степенной аппроксимации, применяемой для описания скорости роста трещины, результатам испытаний на усталость слоистых композитов с концентраторами напряжений. [c.221]

Вторая причина может быть связана с улучшением связи между волокном и матрицей вследствие дополнительного химического взаимодействия в процессе термической обработки. Например, прорастание иглообразных кристаллов AlBj в матрицу безусловно способствует улучшению связи между компонентами. Ситуация подобна той, которая возникает в полимерных композициях, армированных вискеризованными углеродными волокнами. Естественно, что степень химического взаимодействия не должна превышать некоторой критической , после которой следует интенсивное разупрочнение борных волокон. Аналогичное изменение деформации до разрушения (прочности) композиций Л1 — 45% В и Л1—25% В и волокон, вытравленных из них после отжига при 500° С, было обнаружено Меткалфом и Клейном [50] (рис. 35). На первой стадии отл ига (30 мин) деформация до разрушения волокон и композиции несколько повышается, затем следует стадия значительного разупрочнения, которое стабилизируется на уровне 50% от исходной прочности. Интересно отметить, что прочность [c.81]

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиимидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью. [c.475]

Смачивание полимерных материалов. Механические характеристики полимерных ко.мпозитов, армированных волокнами, зависят от трех факторов 1) протаости и утфутости волокна, 2) прочности и. химической стабильности полимерной матрицы (смолы, полиэтилен и др.), 3) прочности связи между смолой и волокном, от которого зависит эффективность передачи напряжений через поверхность раздела. [c.103]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...