Доля композитов

Рис. 28.6. Тенденция роста массовой доли композитов в авиационных конструкциях

Диаметры используемых в настоящее время стеклянных и графитовых волокон значительно меньше диаметров волокон бора. При ГСП же объемной доле волокон заданный объем композита должен содержать в 100—200 раз больше стеклянных или графитовых нитей (более или менее случайно распределенных), чем волокон бора. Следовательно, даже при тысяче линий на дюйм измерения при помощи метода муара в этих композитах дают средние деформации по областям, содержащим несколько волокон, и следует ожидать, что их результаты хорошо согласуются с теоретическими данными, основанными на эффективных модулях 7w- [c.28]

Хиллом [84—86] для определения эффективных модулей композитов через объемные доли и упругие модули составных частей. [c.68]

Следующая по сложности оценка строится для композита, модель которого такова шар окружен сферической оболочкой из материала матрицы, а эта оболочка в свою очередь помещена в неограниченную среду, обладающую неизвестными пока свойствами. Внутренний г, и внешний Го радиусы сферической оболочки матрицы определяются так, чтобы объемная доля армирующих элементов составляла (см. работы [52], [90], 1116]). Накладывая простые граничные условия на бесконечности и решая трехмерную задачу теории упругости, получаем [c.78]

Кроме описанных выше двух основных разновидностей анализа при помощи простых моделей, подробно обсуждаемых в последующих разделах, имеются другие подходы к проблеме предсказания механических свойств композита по свойствам его компонентов. Это в основном полуэмпирические методы. Для обработки известных экспериментальных результатов с целью получения эмпирических зависимостей применялись различные функциональные зависимости с неопределенными параметрами, в частности степенные законы. Подобные формулы обычно выражают связь между напряжениями и деформациями через физические параметры, такие, как объемная доля включений и характеристики компонентов композита. Сами напряжения и деформации могут быть локальными, но чаще они берутся средними по объему композита. В обоих случаях такой анализ не является истинно микромеханическим, потому что он не дает локальных градиентов напряжений и деформаций внутри композита. Преимущество такого подхода состоит прежде всего в том, что он позволяет получить простые инженерные оценки зависимости напряжений от деформаций в композите— информацию, являющуюся исходной для большинства макромеханических исследований или анализа структур как слоистых. [c.208]

Более реалистические модели композитов могут быть изготовлены путем заливки матрицей больших наборов включений. На рис. 6 показаны картины полос, полученные при усадке вокруг наборов включений, центры которых располагаются в узлах квадратной сетки различ)1ым промежуткам между включениями соответствуют разные объемные доли волокон. [c.504]

Чтобы вычислить коэффициент концентрации напряжений в моделируемом композите, армированном волокнами бора, в формулу (26) нужно подставить модуль Ес композита. В данном случае различие между величинами этого модуля для модели и для натуры мало в интервале значений объемной доли волокон от 0,50 до 0,70 оно составляет менее 10%. Коэффициент концентрации деформаций в этом же интервале меняется приблизительно от 4 до 12. Этот факт показывает, что основным критерием прочности в случае поперечного нагружения является максимальная деформация матрицы. [c.516]

Поскольку нагрузки при эксплуатации или испытании могут быть приложены лишь к внешним поверхностям композитов, компоненты, находящиеся внутри композита—как упрочнитель, так и матрица, — должны воспринимать свою долю приложенной нагрузки от окружающего их материала путем сдвига. Иными словами, внешнее нагружение передается от поверхностей, к которым оно приложено, к прилежащему слою материала посредством сдвига. Этот слой материала, в свою очередь, передает таким же образом нагрузку далее в глубь композита. [c.43]

Хотя вызванные внешней нагрузкой деформации равномерно распределены по поперечному сечению композита, из-за различия уровней напряжений в компонентах композита (а также различия их упругих постоянных) появляются поперечные напряжения между этими компонентами. Их знак и величина зависят от свойств компонентов, объемной доли упрочнителя, величины приложенной нагрузки и геометрических факторов. Возникает сложное напряженное состояние, которое характеризуется наибольшей жесткостью на поверхностях раздела между компонентами, но влияет и на поведение материала композита в целом. Природа этого напряженного состояния и его влияние на свойства рассмотрены более подробно в следующих разделах данной главы. [c.45]

Как правило, отклонение от идеального континуума на поверхностях раздела (неполная и несовершенная связь) уменьшает эффективность упрочняющего действия более жесткой и прочной составляющей композита. Более того, менее совершенная связь на поверхности раздела приводит к значительно более быстрому ухудшению свойств композита, чем можно было бы ожидать на основе линейной зависимости свойств компонентов от объемной доли продукта их взаимодействия в реакционной зоне. [c.46]

Далее, в условиях поперечного нагружения композитов максимальные напряжения на поверхности раздела являются величинами того же порядка, что и приложенная нагрузка, тогда как в случае продольного нагружения они несколько меньше приложенной нагрузки. Строго говоря, величина напряжений на поверхности раздела слабо зависит от расположения и объемной доли волокон и от состава компонентов композита (рис. 9). Если объемная доля волокон ниже 50%, то она практически не влияет на коэффициент концентрации напряжений. [c.59]

Случай отсутствия связи между волокнами и матрицей исследовали Чен и Лин [12]. Они показали, что с увеличением объемной доли волокон прочность композита при поперечном нагружении быстро падает и что на большей части поверхности раздела матрица отрывается от волокна (рис. И).. Аналогичные явления наблюдались в системе со слабой связью сапфир — никель [43], а также в системе нержавеющая сталь — алюминий [39] они хорошо согласуются с расчетным значением степени разупрочнения. Возможно, что это согласие в известной мере случайно в модели Чена и Лина не учитывалось влияние пластического те- [c.59]

Итак, связь между матрицей и упрочнителем, в которой доля химического взаимодействия мала или отсутствует вовсе, называется механической. Этот тип связи обеспечивает определенную работоспособность композита, но только, видимо, в тех случаях, когда напряжения приложены параллельно поверхности раздела, как, например, при продольных испытаниях на растяжение. Отсутствуют данные, свидетельствующие о преимуществах этого типа связи при каких-либо других способах нагружения. Вследствие этого нельзя полагать, что механическая связь может явиться альтернативой в реакционноспособных системах. [c.82]

Правлению волокон, то условия разрушения могут быть ближе к случаю равных напряжений, чем к случаю равных деформаций, который предполагали Купер и Келли. Значит, в качестве первого приближения необходимо рассматривать также и условия равных напряжений, даже если реальная ситуация много сложнее. В этой связи отметим, что, согласно рассмотренным в гл. 2 моделям механического взаимодействия, максимальные напряжения на поверхности раздела примерно равны напряжениям, приложенным к композиту, и лишь слабо зависят от объемной доли волокон, и их расположения. Предположение о равных напряжениях равносильно определению Oj как величины поперечных напряжений, приложение которых к композиту необходимо для разрушения по поверхности раздела. Поэтому на рис. 1, а в области, где a, =f(Oi). прочность композита равна Oi и не зависит от Ув-Значит, сг /сгм= аг/(т,.1 соответствующие результаты приведены на рис. 7, б. [c.198]

Экспериментальные значения свойств композита в основном согласуются с правилом смеси (табл. 1). Модуль Юнга на стадии I растет с увеличением продолжительности отжига это, возможно, объясняется увеличением объемной доли проволок в результате образования соединения на поверхности раздела. На стадии раз- [c.239]

Рис. 20.2. Снижение массы изделия Си в зависимости от массовой доли композита и (темные точки — реальные значения, светлые — расчетные) а — крыла и стабилизатора U 2 — облегченные соответственно крыло и стабилизатор коробчатой (кессонной) конструкции 3 — удешевленные крылья и стабилизаторы 4, б — масса и 6, 7 — стоимость соответственно крыла и стабилизатора 6 — фюзеляжа J — облегченного 2 — удешевленного в — рулей поворота и высоты, закрылков и др. 2 — пра сниженных соответствевао, массе и стоииости

С — прямые операционные расходы (в центах на ОДВВ пассажиро-километр) R — прибыль на вложенный капнталл W — масса — полная взлетная масса - масса пустого самолета AV — доля композитов в массе самолета [c.555]

Добавка для снижения усадкн 149, 156 Документация по методам испытаний Ш)мнрованных пластиков 433—438 Доля композитов [c.574]

При определенной объемной доле наполнителя в композиционном материале формируется каркас, в котором гранулы чередуются с пленочной фазой матрицы или находятся в контакте между собой, то есть возникает образование иа касающихся и перекрывающихся сфер, описание которого может быть прон 1ведсно с позиции теории кластеров. Соглосно этой теории существуют два краевых решения протекание только по касающимся или только по перекрь/вающимся сферам [1]. Согласно первому из них критическая объемная доля сфер составляет К = 0,16, во втором — К = 0,34. По известному диаметру частиц оценивается средняя оптимальная толщина пленочной матрицы, необходимая для образования первичного каркаса композитам [c.229]

Рассмотрим для сравнения наиболее X ар актер ные сх емы, целесообраз ность которых продиктована условиями нагружения композита. Геометрические параметры пространственной структуры материала, армированного прямолинейными волокнами согласно выбранным схемам, приведены в табл. 3.11. В отличие от плоского армирования в рассматриваемых структурах выделено несколько плоскостей, параллельно которым ориентированы направления двух—четырех семейств волокон. Доля армирующих волокон, относящаяся к каждому семейству, принята одинаковой. Вследствие этого [c.86]

В разд. II приводятся точные выражения для эффективных (макроскопических) упругих модулей композитов через объемные доли фаз и их характеристики. Эти выражения зависят от коэффициентов концентрации средних напряжений и деформаций фаз. Кроме того, показывается, что, располагая некоторыми сведениями о геометрии фаз, можно установить соотношения между эффек1ивными характеристиками композита, которые зависят только от объемных долей и модулей фаз и не зависят от коэффициентов концентрации средних напряжений и деформаций. [c.66]

Рассматривается композиционный материал, состоящий из произвольно расположенных однородных фаз произвольной формы. В случае анизотропных фаз предполагается, что оси анизотропии каждого компонента направлены одинаково. При заданном макроскопическом нагружении композита напряжения и деформации в нем являются сложными функциями объемных долей Vi, характера распределения, формы и упругих характеристик компонентов. В этом разделе предлагаются зависимости, связывающие эффективные модули упругости композита с характеристиками его составных частей для осредненного напряженного и деформированного состояния в пределах каждой фазы. Хотя все вычисления справедливы для произвольного числа компонентов, здесь они проводятся для двухфазного ком-пвзита. [c.68]

Другим проявлением микроструктурных повреждений, в частности для композитов на основе каучука с большой объемной долей жестких включений, является дилатация (см., например, Феррис [24, 25] и Оберз [75]). Типичное поведение твердого топлива при осевом нагружении о и гидростатическом давлении показано на рис. 18 дилатация, напряжение и деформация возрастают от начала отсчета, соответствующего гидростатическому давлению. За исключением очень малой части дилатации (эта часть равна ст/(3/С), где /С — эффективный модуль всестороннего расширения в неповрежденном композите), указанное явление обусловлено отделением матрицы от включений и наличием пустот внутри матрицы, [c.185]

В работе [12] представлены численные результаты для квадратной укладки круговых включений — волокон — при объемной доле материала волокна 40, 50 и 60%. Были рассмотрены случаи нагрузки как одного из указанных выше типов, так и комбинированные характеристики материала соответствовали в основном бороэпоксидиым композитам, но были исследованы также композиты стекло — эпоксид, графит — эпоксид и бор — алюминий. Хотя полученные результаты решения таких задач не позволяют точно установить пределы изменения параметров композита, они дают возможность хорошо предсказывать развитие зон пластичности при упругопластическом деформировании. [c.226]

Переходя от решений задач о плоской деформации к решениям задач об обобщенной плоской деформации, т. е. вводя в рассмотрение на каждом шаге приращения нагрузки приращения средней деформации в осевом направлении Аёг, а не полагая Ae =0, можно исследовать и случай осевого нагружения. Для построения решений этих задач необходимо учитывать, что Лож = Доу = О и Дог О на каждом шаге нагружения. Соответствующие результаты опубликованы Лином с соавторами [20], использовавшими элементы с линейным законом изменения деформации вместо элементов с постоянной деформацией. В этой работе представлены результаты для бороэпоксидного и бороалюминиевого композитов с объемной долей волокон 50%, полученные для случая квадратной укладки. [c.227]

Может показаться, что при создании композита выгодно использовать как можно большую объемную долю волокон. Это дало бы высокую прочность в продольном направлении, однако из-за сильной концентрации деформаций прочность на разрыв в поперечном направлении была бы сравнительно низкой. Форма кривой на рис. 16 показывает, что оптимальное значение объемной доли волокон лежит между 0,50 и 0,60, что примерно соответствует переходной области между пологим и крутым участками кривой. Кстати, в бороэпоксидных композитах чаще всего используется объемная доля волокон Vs = 0,55. [c.516]

Результаты обсуждаемых здесь двумерных испытаний согла суются с результатами, полученными для бороэпоксидных ком позитов, и помогают объяснить их. Типичный композит с объем ной долей волокон 0,55 имеет предел прочности в осевом направ лении, равный 2,2-10 фунт/дюйм , и предельную деформацию равную 0,007. Соответствующий коэффициент концентрации де формаций в поперечном направлении равен приблизительно 5 а модуль композита в поперечном направлении 3 10° фунт/дюйм Используя значение предельной деформации материала мат рицы euit = 0,015, найденное из независимого испытания сплош ного образца из смолы Narm o 5505, можно вычислить предел прочности в поперечном направлении по формуле [c.516]

Приведенных здесь результатов с аналитическими выводами Адамса и Донера [2] для бороэпоксидного композита показывает их приемлемое согласование. Для объемной доли волокон, равной 55%, Адамс и Доиер получили коэффициенты концентрации на границе раздела, равные 1,86 и —0,5 (против 1,80 и —0,5 в настоящей работе). Их теория, однако, не предсказывает повышения коэффициента концентрации напряжений в середине межволоконного промежутка. [c.538]

Необходимость соблюдения волюметрических соотношений, особенно в тех системах, где уирочиитель (RX) содержит элемент внедрения X, который диффундирует быстрее, чем элемент R. Примерами являются карбид кремния Si и окись алюминия АЬОз- Быстрая диффузия элемента внедрения X в конечном счете приводит к насыщению матрицы композита. Для того чтобы изменение кинетики, связанное с насыщением матрицы, наблюдалось в соответствующее время, необходимо воспроизводить присущие композиту расстояния и объемные доли. Этот вопрос рассмотрен подробнее в гл. 3. [c.39]

Несмотря на благоприятное сочетание механического континуума и химического дисконтинуума, практическое применение ориентированных эвтектических композитов существенно ограничено по ряду обстоятельств. Термодинамика эвтектических n Tenf позволяет варьировать объемную долю упрочнителя лишь в очень узких пределах. Кроме того, выбор материалов матрицы и упрочнителя невелик, а материалы матрицы очень часто обладают большой плотностью. Наконец, процессы изготовления ориентированных материалов часто недопустимо дороги и позволяют получать изделия далеко не любой формы. [c.47]

Все рассмотренные выше работы выполнены для двумерных моделей композитов. Поскольку волокнистые 1композиты трехмерны, можно ожидать, что полученные выше выводы применимы к трехмерным системам лишь с определенными ограничениями. Некоторые результаты были получены для цилиндрических систем, однако в таком композите трудно точно оценить влияние соседних волокон. Оуэн и др. [47] провели сопоставительный анализ плоскостной и цилиндрической моделей, но, к сожалению, объемные доли волокон в этих случаях были неодинаковыми. Каррара и Мак-Гэрри [11], исследуя в условиях упругой деформации поведение системы, содержащей одиночное волокно, пришли к выводам о важной роли передачи напряжений через концы волокна (порядка 20% общей нагрузки на волокно) и о возникновении поперечных напряжений у концов волокна. Эти радиальные и тангенциальные напряжения могут намного превосходить соответствующие напряжения в композитах с непрерывными волокнами так. в исследованной системе радиальные напряжения на поверх- [c.64]

Прочность композита связана с объемной долей каждого компонента и существующими в них напряжениями простым правилом смеси.. В упругой области эти напряжения пропорциональны модулю упругости каждого компонента, если деформации упроч- нтеля и матрицы равны (и если пренебречь остаточными и пуас-соновскими напряжениями). При разрушении композита напряжения в упрочнителе равны его пределу прочности задача со сто- [c.139]

Пэйтон и ЛО Кхарт рассчитали нижние предельные значения поперечной прочности, полагая, что в расчетах волокна могут быть заменены отверстиями (рис. 3) и что поперечная ирочность композита меняется с изменением объемной доли волокон соответственно живому сечению. Согласно их дангным, если объемная доля такова, что волокна касаются друг друга, композит обладает определенной поперечной прочностью. Однако для композитов значительной толщины (или при расположении волокон у поверхности композита) поперечная прочность при максимальной близости волокон должна приближаться к нулю с приближением к нулю доли сечения, несущей нагрузку. [c.194]

Рис. 5. Влияние объемной доли волокон на отноонтелшую поперечную прочность композита при различных значениях прочности потерхности раздела [5].

Влияние расположения волокон на нижнее предельное значение поперечной прочности может быть проиллюстрировано с помощью двух основных типов расположения параллельных волокон—плотноупакованного и ортогонального. Рассмотрим плот-ноупакованное гексагональное расположение равномерно распределенных волокон, в котором элементарной ячейкой является равносторонний треугольник (рис. 8). Для этой конфигурации при приложении напряжений параллельно основанию треугольника нижнее предельное значение поперечной прочности композита соответствует верхним кривым на рис. 8. Зависимость Ок/сТм (Уг объемной доли волокон описывается двумя линиями, пересекающимися при Fb—0,30. Поперечная прочность быстрее уменьшается с ростом Vb, когда объемная доля превышает примерно 0,30, и достигает нуля, когда волокна касаются друг друга (Vb=0,906). Если напряжения приложены в направлении высоты [c.199]

На рис. И и 12 сопоставлены геометрическая модель и модель Чена и Лина применительно к случаям квадратного и гексагонального плотноупаковавного расположений волокон в композите. Направление приложения напряжений относительно волокон схематически изображено на каждом рисунке. Нижние предельные значения поперечной прочности близки при ивадратном расположении, но заметно различаются в области средних значений объемной доли волокон при гексагональном расположении. Рис. 11 и 12 иллюстрируют рассмотренное ранее затруднение, связанное с моделью Чена и Лина, а именно, отличие от нуля значений поперечной прочности композитов при максимальной плотности упаковки волокон, когда волокна не скреплены с матрицей и касаются друг друга. Указанные модели можно было бы сравнить с помоидью имеющихся экспериментальных данных для этих композитов, но такие данные получены в основном для случайного расположения волокон. Как указывалось выше, в рамках геомет- [c.202]

Одной из возможных причин, по которым с ростом количества AIB2 снижается поперечная прочность композита и растет доля разрушения по поверхности раздела, является 20%-ное уменьшение объема при образовании этого соединения. Уменьшение объема может привести к увеличению внутренних напряжений и пористости в области, примыкающей к поверхности раздела, и тем самым снизить поперечную прочность. На рис. 28 стрелками отмечены дефекты структуры, по-видимому, несплошности у поверхности раздела, возникшие по указанной причине. [c.221]

Чтобы понимать особенности поведения композитных материалов при нагружении в упругопластической области, необходимо разобраться в роли поверхности раздела как элемента структуры, передающего напряжения от матрицы к упрочнителю кюмпо-зита. Классификация поверхности раздела может быть основана на различных принципах. С физико-химической точки зрения различают следующие типы связи (по отдельности или в совокупности) механическую путем смачивания и растворения окисную обменно-реакционную смешанные связи [58]. В зависимости от способа изготовления или выращивания композита можно выделить две основные группы поверхностей раздела в композитах, полученных направленной кристаллизацией (in-situ), и в волокнистых композитах, армированных проволокой или волокнами и изготовленных путем диффузионной сварки, пропитки жидким металлом или методом электроосаждения. В композитах, изготовленных направленной кристаллизацией, фазы находятся практически в равновесии тем не менее в них возможна физикохимическая нестабильность [4, 74], которая приводит к сфероиди-зации или огрублению структуры при незначительном изменении состава и количества какой-либо фазы. Иная ситуация имеет место в волокнистых композитах — различие химических потенциалов в окрестности поверхности раздела является движущей силой химической реакции и (или) диффузии, а эти процессы могут приводить к изменению состава и объемной доли каждой фазы. [c.232]

Механические свойства композита и закономерности измене, ния его структуры можно оценить аналитически с помощью основных характеристик компонентов [16, 35, 46]. Этот подход, основанный на механическом континууме, ведет к хорошо известному правилу смеси, связывающему значение данной характеристики с объемной долей каждой фазы в композите. Такие микромехани- [c.232]

Рис. 5. Типичные диаграммы растяжения композита алюмияиГ — нержавеющая сталь с объемной долей упроч-интеля 6,5%.

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...