Свойства высокопрочных композитов

Со времени появления в начале шестидесятых годов так называемых современных типов композитов связанные с этими материалами области науки и техники значительно расширились. Это объясняется в основном стремлением применить новые высокопрочные и высокомодульные, но легкие материалы в конструкциях летательных аппаратов. Надо сказать, что методы исследования и предсказания упругих свойств современных композитов достаточно хорошо изучены, однако при оценке неупругого поведения этих материалов инженеры столкнулись с некоторыми весьма сложными проблемами. При этом особенно трудным оказалось предсказание разрушения конструкций из композита. [c.7]

В наш век с усложнением форм строительных конструкций, появлением авиастроения, разнообразными запросами машиностроения роль методов теории упругости резко изменилась. Теперь они составляют основу для построения практических методов расчета деформируемых тел и систем тел разнообразной формы. При этом в современных расчетах учитываются не только сложность формы тела и разнообразие воздействий (силовое, температурное и т. п.), но и специфика физических свойств материалов, из которых изготовлены тела. Дело в том, что в современных конструкциях наряду с традиционными материалами (сталь, дерево, бетон и т. д.) широкое применение получают новые материалы, в частности композиты, обладающие рядом специфических свойств. Так, армирование полимеров волокнами из высокопрочных материалов позволяет получить новый легкий конструкционный материал, имеющий высокие прочностные свойства, превосходящие даже прочность современных сталей. Но наличие полимерной основы наделяет такой композитный материал помимо упругих вязкими свойствами, что обязательно должно учитываться в расчетах. Даже в традиционных материалах в связи с высоким уровнем нагружения, повышенными температурами возникает необходимость в учете пластических свойств. Все эти вопросы теперь составляют предмет механики деформируемого твердого тела. [c.7]

Показаны превосходные усталостные свойства углепластиков с высокомодульными (типа I) волокнами при осевом нагружении, а также их относительная нечувствительность к вредному влиянию влажности или наличия масла при нормальной температуре. За исключением случая, когда среднее напряжение является незначительным растягивающим, усталостная прочность близка к статической прочности на растяжение и сжатие. Влияние циклических нагрузок несколько больше для композитов с высокопрочными (типа II) волокнами, но и их свойства оказываются достаточно высокими. Существенное преимущество углепластиков состоит в их необычайно высокой удельной усталостной прочности наряду с высоким удельным модулем. Эти два свойства совместно обеспечивают большую потенциальную возможность экономии в весе. [c.363]

Усталостные трещины в металлах почти всегда возникают на свободных поверхностях, и поэтому усталостная прочность металлов очень чувствительна к поверхностным дефектам. В металлах, армированных волокнами, усталостные трещины могут зарождаться в двух основных местах на свободных поверхностях и на границах раздела волокна и матрицы. От свойств волокна и границы раздела волокна и матрицы зависит, будут ли последние служить местами зарождения усталостных трещин или нет. Высокопрочные хрупкие волокна, имеющие малую деформацию разрушения и большой статистический разброс прочности на разрыв (см., например, [50]), могут разрываться при растяжении в произвольных слабых точках по всему композиту. Каждый такой разрыв волокна является возможным местом зарождения усталостных трещин в металлической матрице. Затем там в результате локальной концентрации напряжений происходит классическое явление усталости. [c.406]

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]

Под ударными воздействиями подразумевается появление повреждений на поверхности композиционного материала под ударами посторонних объектов, вызывающее развитие локальных дефектов или значительное его расслоение. Это определение распространяется на баллистические разрушения, повреждения от воздействия песка, пыли и камней, а также от неправильного физического обращения с конструкциями. Ударная прочность композиционных материалов зависит от выбора армирующих элементов и матриц. Свойства матрицы можно варьировать введением пластификаторов, которые увеличивают ее деформацию до разрушения. Этот показатель зависит также от температуры. Матрицы из термопластов с увеличением температуры становятся все более мягкими вплоть до начала текучести. Реактопласты при нагревании тоже становятся менее хрупкими, причем при переходе через температуру стеклования их свойства резко меняются. Хрупкие армирующие материалы, такие как борное и углеродное волокна, имеют очень низкую предельную деформацию (<1 %), Их замена на менее хрупкое волокно, например стеклянное или высокопрочное органическое волокно, может привести к значительному увеличению ударной прочности материалов. Зависимость этого показателя от различных сочетаний компонентов композиционных материалов исследована многими авторами [8, 9 ]. Необходимо отметить, что при варьировании ударной прочности композитов добавлением наполнителей или более пластичных волокон особое внимание должно быть уделено изменению прочности и жесткости готового изделия. Как правило, с ростом ударной прочности жесткость снижается. [c.284]

Введение условия (2) предполагает, что перераспределение напряжений между компонентами закончено и в силу этого игнорируется первая стадия ползучести, которая для композитов может иметь решающее значение. В некоторых случаях условие (2) вообще теряет смысл, например, если высокопрочные волокна вплоть до разрушения деформируются упруго и не Проявляют заметных пластических свойств. Несмотря на то что для таких волокон скорость ползучести = О, композиционный материал может иметь кривую ползучести с тремя характерными стадиями. [c.210]

При проектировании высокопрочных волокнистых материалов возни-кает известное противоречие с одной стороны, для получения композитов с высокой жесткостью необходимо увеличение объемной доли волокон, с другой, как показывают экспериментальные исследования [1], в композитах с высокой объемной долей волокон локализации очагов разрушения отдельных волокон не происходит и разрывы первых же волокон приводят к катастрофическому разрушению материала, вследствие чего приходится увеличивать объемную долю вязкопластической матрицы с более низкими прочностными свойствами [2]. [c.117]

У волокнистых композитов пластичная, как правило, матрица армируется высокопрочными волокнами. В этом случае стремятся к обеспечению равномерного нагружения арматуры с использованием ее высокой прочности. Объемная доля высокопрочных и высокомодульных волокон в таких композитах может достигать 75 %. Отличительной особенностью волокнистых композитов является анизотропия свойств, обусловленная преимущественным расположением волокон в том или ином направлении. [c.114]

Наполнители чаще всего играют роль упрочнителей, воспринимают основную долю нагрузки и определяют модуль упругости и твердость композита, а иногда также фрикционные, магнитные, теплофизические и электрические свойства. Наполнителями служат тонкая (диаметром несколько микрометров) проволока из высокопрочной стали, вольфрама, титана, а также стеклянные, полиамидные, углеродные, боридные волокна и волокна на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов) и др. [c.174]

Критерии прочности и пластичности, рассмотренные в предыдущих параграфах, справедливы для традиционных конструкционных материалов — однородных и изотропных. Однако в последнее время в различных областях техники, в том числе и в строительстве, все большее распространение получают новые, так называемые ком-позиционные материалы (композиты). Композит представляет собой полимерную или металлическую матрицу, армированную высокопрочными волокнами (стеклянными, угольными и т. п.). Отличительными признаками этих материалов являются их неоднородность и, как правило, ярко выраженная анизотропия свойств. Последнее обстоятельство находит отражение в том числе и в прочностных свойствах композитов. [c.389]

Повышение поверхностной энергии волокна, по-видимому, связано с наличием на его поверхности кислородсодержащих групп, о чем свидетельствуют кислая реакция поверхности и увеличение на ней количества атомов углерода, которые, вероятно, соединяются с кислородом воздуха, образуя группы с высокой реакционной способностью. Кроме того, Форест [35] показал, что механические свойства высокопрочных углепластиков при высокой температуре ухудшаются под воздействием внешней среды в течение нескольких месяцев. Согласно результатам исследований Бонка и Титселя [18], прочность стеклопластиков при комнатной температуре уменьшается вследствие старения в теплой влажной атмосфере. Влияние старения на прочность волокнистых композитов 1То 1р<)бн6 рассматривается в разд. III. [c.266]

Авторы надеются, что данная книга, обобщающая современные достижения вычислительной квантовой теории в решении задач практического материаловедения и прогноза новых нитридных и оксидных материалов с оптимизированными функциональными свойствами (многокомпонентных высокотемпературных керамик, наноразмер-ных и многослойных структур, высокопрочных композитов и др.) окажется полезной и привлечет к богатейшим возможностям методов квантовохимического моделирования внимание широкого круга специалистов в области неорганической и физической химии, химии твердого тела, материаловедения, аспирантов и студентов старших курсов университетов. [c.4]

Использование сдвигонеустойчпвого сплава в качестве матрицы позволяет получить композиционный материал с высокими прочностными свойствами. Механизм деформации путем структурных превращений позволит эффективно релаксиро вать напряжения, возникающие в матрице при нагружении композита, и использовать твердую составляющую так, что она будет нести основную нагрузку, не оказывая неблагоприятного влияния на вязкость матрицы. Поскольку структурно-нс однородные материалы в виде жестких систем, диссипативные процессы в которых протекают на высоком структурном уровне, хруш п и не удовлетворяют современным требованиям, принцип конструирования высокопрочных композитов с внутренними демпфирующими структурными элементами является весьма перспективным. [c.192]

Вплоть до 1964 г. ни одна из существующих теорий не могла дать полного представления о процессах, происходящих на поверхности раздела, и объяснить положительное влияние различных обработок на свойства волокон. По-видимому, обработка существенным образом влияет на свойства поверхности раздела, однако степень влияния на различные свойства волокон различна. Независимо от предаказаний любой теории необходимым условием для (Получения высокопрочных слоистых стеклопластиков, предназначенных для иопользования в разных условиях и, как правило, в течение длительного времени, является эффективная передача напряжений во (В1С6М объеме композита от волокна к волокну через поверхность раздела. Вероятно, обработка каким-то образом способствует не только упрочнению адгезионной связи на поверхности раздела, но и ее сохранению во времени, [c.28]

Основное внимание уделяется композитам, армированным высокопрочными волокнами им посвящено восемь глав книги. В остальных двух главах книги излагаются свойства композитов с дисперсными включениями. Рассмотрены как микромеханиче-ские аспекты разрушения, так и феноменологические подходы, учитывающие структуру материала косвенным образом. Большое внимание уделяется усталостному и замедленному разрушению композитов. [c.5]

Сравнение рис. 12, а и 12, б показывает, как важны механические свойства матрицы для того, каким будет вид роста трещины и усталостная прочность композита. Матрица из высокопрочного алюминиевого сплава 6061-МТ6 ) фактически не давала трещинам разветвляться, что привело к сокращению усталостной долговечности по величине почти на порядок. Этот результат можно качественно объяснить, используя понятие относительных упругих модулей компонентов, и для того, чтобы учесть пластическое поведение, мы рассматриваем эффективные модули. Так, алюминий 1235 течет при низком уровне напряжений, отношение эффективных модулей волокна и матрицы увеличивается, что способствует ветвлению трещин. Пластическое течение в матрице с низким пределом текучести также затупляет конец трепцнны и сводит к минимуму напряжения около него. С другой стороны, напряжения у конца трещины в алюминиевом сплаве 6061-МТ6 высоки, отношение эффективных модулей более низкое и ветвление трещин минимально. Более того, вязкие волокна являются особенно чувствительными к высоким напряжениям вблизи конца трепщны, и поэтому рост усталостных трещин будет быстрым. [c.420]

Еще более усложняет изучение проблем, связанных с разрушением, разнообразие материалов арматуры и матрицы, которые позволяют создавать композиты с любыми необходимыми свойствами. Наиболее распространены следующие типы армирующих волокон. Волокна Е- и S-стекля—низкомодульные, умеренно прочные при растяжении и сжатии с большими предельными деформациями. Волокна бора — высокомодульные, высокопрочные при растяжении и сжатии. Углеволокна могут сочетать различные свойства — высокую прочность и низкий модуль упругости или низкую прочность и высокий модуль. Органоволокна (Кевлар-49) — высокомодульные, высокопрочные при растяжении, весьма низкопрочные при сжатии. Волокна FP ) —высокомодульные, высокопрочные при сжатии, довольно низкопрочные при растяжении. В качестве связующего (матрицы) используются, как правило, синтетические смолы (термореактивные и термопластичные), графит и сплавы алюминия. [c.38]

В табл. 6.3 приведены в качестве примера механические свойства композитов, армированных высокопрочными волокнами (углеродным волокном и борволокном) [6.16]. Из приведенных данных видно, что у этих материалов ударные вязкости оказываются сравнительно низкими. На рис. 6.24 показано изменение ударной вязкости в зависимости от содержания стекловолокна в различных композитах, составленных на основе термопластичных пластмасс [6.17]. Пример металлического композита приведен на рис. 6.25. Это алюминий, армированный борволокном, покрытым карбидом кремния [6.18]. Для него можно найти, как влияет на ударную вязкость направление волокна в зависимости от направления удара. [c.167]

КМ, армированные нитевидными кристаллами, по своим свойствам находятся между композитами, упрочненными длинными волокнами и порошком. МКМ позволяют получать герметичные и высокопрочные сварные соединения при различных комбинациях сплавов, экоьюмить дефицитные и дорогостоящие металлы, существенно упрощать конструкции ответственных узлов, повышать надежность и долговечность работы изделий. Эти материалы обладают комплексом совершенно новых (по сравнению с металлами и сплавами) характеристик. Использование [c.547]

Во многих случаях пластики следует применять в конструкционных высоконагруженных деталях, требуюш,их использования АП. Капоты, дверцы и крышки багажников в основном изготовляют из АП, так как суш,ествуюш,ая технология и опыт позволяют предполагать наличие малой степени риска, если вообш,е таковой имеется, в случае применения для этих деталей. Примером возможности снижения массы при внедрении АП может служить задний откидной борт автомобиля фургонного типа марки В фирмы Дженерал моторе , дающий снижение массы на 9 кг. Компоненты ходовой части, такие как опора системы силовой передачи, панели опоры радиатора, детали бампера, рессоры и колеса также дают существенную возможность снижения массы. Такие конструкционные применения требуют использования новых высокопрочных, содержащих большое количество стекловолокна (или его смеси с углеродным волокном) композитов, свойства которых в сравнении с металлом приведены в табл. 26.5 и на рис. 26.1 и 26.2. [c.491]

В монографии [10] приведены результаты исследования методом локального приближения (модифицированный вариант) механического поведения однонаправленных композитов на основе титана с волокнами бора, борсика, молибдена и высокопрочной стали при осевом растяжении в поперечной плоскости. Вычислены эффективные упругие постоянные и коэффициенты теплового распшрения с учетом частного вида анизотропии механических свойств, построены эпюры напряжений в характерных сечениях ячейки периодичности. Исследованы закономерности процессов зарождения и развития пластических деформаций в титановой матрице в зависимости от свойств и объемного содержания волокон. [c.99]

Боропластики являются высокопрочными высокомодульными композитами. В основном они изготавливаются как однонаправленные материалы. Их свойства приведены в табл. 4.5.8. [c.780]

Получение композитов и изделий на основе однонаправленных АВН и АВП предусматривает их изготовление таким образом, чтобы армирующий наполнитель располагался строго в направлении действующих в готовом изделии максимальных механических напряжений. Отклонение от этого направления должно быть минимальным. В качестве матриц (связующих) чаще всего используются высокопрочные реактопласты — эпоксидные, модифицированные эпоксидные, полиимидные (обычно горячего отверждения), имеющие высокие механические свойства и высокую адгезию к армирующим наполнителям. [c.790]

Достоинствами компо.зициопных материалов являются пе только высокие прочность и жесткость. В топкостенных конструкциях современных ЛА часто возникают вибрации высоких амплитуд, а следовательно, высокие напряжения. Сочетание высокопрочного наполнителя с вязкой связкой в материале резко гасит колебания, а применение высокомодульного наполнителя уводит резонансную частоту в область таких значений, которые обычно не встречаются в конструкциях ЛА. По сравнению с гомогенными материалами композиты обладают также принципиально повой возмол-сностью локально изменять жесткость и прочность путем изменения состава, числа слоев и направления ориентации волокон. Это позволяет более рационально использовать прочностные свойства материала в конструкции, что может дать дополнительное снижение массы. [c.222]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...