Композиты с короткими волокнами

Большое внимание уделяется исследованию композитов с короткими волокнами, особенно систем с нитевидными кристаллами. Считается, что эти системы позволят использовать чрезвычайно высокую жесткость, присущую лишь нитевидным кристаллам, при одновременном повышении вязкости композита. Возможность реализации потенциально высоких свойств таких композитов определяется, очевидно, поверхностью раздела. [c.60]

Хотя эти работы внесли существенный вклад в основные представления о композитах с короткими волокнами, развитый в них механический подход является чрезмерно упрощенным. Поэтому рассчитанные по этой модели распределения напряжений сдвига на поверхности раздела не согласуются с экспериментальными данными (рис. 13). [c.60]

К сожалению, из-за сложности задачи более строгая обобщенная теория композитов с короткими волокнами не была создана. Помимо трудностей, которые обусловлены неоднородностью напряженного состояния у концов волокон, значительные сложности возникают из-за наличия множества геометрических переменных. Влияние некоторых переменных (обычно в сочетании с одной или двумя другими) исследовали и оценивали количественно. К этим переменным относятся содержание волокон, отношение модулей волокна и матрицы, отношение длины волокна к диаметру, величина зазора между концами волокон, форма конца волокна, наличие близлежащих разрывов в других волокнах, потеря связи и возникновение пластического течения. [c.62]

Во-вторых, условия нагружения, возникающие в образцах с вытягиваемыми волокнами, несмотря на кажущееся сходство с условиями, существующими в реальных композитах с короткими волокнами, не идентичны последним. Это вызвано тем обстоятельством, что при испытаниях нагрузка прилагается непосредственно к волокну, а в композитах нагрузка всегда прилагается через матрицу. Если в образце для вытягивания длина заделанной части волокна очень велика, то указанное различие не имеет решающего значения, поскольку длина заделанной части достаточна для адекватного распределения нагрузки между волокном и матрицей. Однако во многих системах с металлической матрицей это невозможно из-за высокой прочности поверхности раздела, так как уже при малой глубине заделки достигается критическая длина волокна /кр- [c.72]

Композиты с короткими волокнами, теория 60, 61 [c.430]

Типичную кривую ползучести для композита с короткими волокнами можно разделить на три части за начальным переходным периодом следует стадия установившейся ползучести [c.311]

Влияние увеличения отношения Ид, на тип разрушения и долговечность композитов с короткими волокнами исследовано в работе [27]. При кратковременных испытаниях и экспериментах на длительную прочность при растяжении использовалась модель, состоящая из вольфрамовой проволоки и медной матрицы. Испытания проводились на образцах, показанных на рис. 11, б, при двух температурах (649 и 816 °С). Изменяя отношение длины к диаметру волокон, автор смог определить критическое значение ) отношения Ий, необходимое при армировании композита, подвергающегося испытаниям на длительную прочность, и сравнить его со значением, необходимым при кратковременных испытаниях на растяжение. [c.312]

Однако вытаскивание волокон возникает не только у композитов с короткими волокнами, поскольку оно будет возникать всякий раз, когда волокна рвутся в точках, не лежащих в плоскости разрушения матрицы. Задача о прочности и вязкости разрушения композитов, армированных непрерывными волокнами, обладающими, однако, распределением слабых точек по длине, была рассмотрена Купером [13]. Он предположил, что отдельное волокно имеет постоянную прочность а всюду, кроме слабой точки с прочностью о на расстоянии у от плоскости трещины в матрице. Таким образом, напряжение в волокне в плоскости трещины матрицы может до разрушения в слабой точке достигать величины [c.470]

По-видимому, форма частиц не оказывает влияния, если только она не связана с их ориентацией в процессе изготовления. В работе [54] исследован модуль упругости системы MgO — графит. При этом различные цилиндрические образцы из композита содержали шарики, чешуйки или короткие волокна графита. Как чешуйки, так и волокна в процессе изготовления приобретали преимуш ественную ориентацию. Для направлений, в которых дисперсные частицы были случайно ориентированы, т. е. направлений, перпендикулярных к оси цилиндра, величины Ес близко совпадали для композитов, содержащих три различные формы частиц. В направлении, параллельном оси цилиндра, для композитов с чешуйками или волокнами величина была меньше (на 8 % для чешуек и до 20 % для волокон) вследствие их преимущественной ориентации в этом направлении [c.32]

Рис. 1.1. Различные композиты / — композит с дисперсными частицами 2 — волокнистые композиты 2а — композит, армированный короткими волокнами, 26 — композит, армированный непрерывными волокнами, 2в — композит, армированный волокнами во многих направлениях- 3 — слоистый композит.

В работе [48] эти механизмы разрушения изучены для плоского напряженного состояния вокруг короткой трещины, параллельной волокнам, в одном или нескольких слоях композита (см. рис. 2.28). Установлено, что в исследуемой области существуют межслойные касательные и нормальные напряжения, а также концентрация напряжений в неповрежденных слоях, прилегающих к слою, содержащему трещину, и в самом этом слое рядом с трещиной. Рассмотрены следующие механизмы разрушения нарушение сцепления между слоями, разрушение вследствие перенапряжения в слоях, прилегающих к слою с трещиной, и линейное распространение инициированных трещин в слоях. [c.80]

Когда используются не непрерывные волокна (как в канатах), а объединяются связующим короткие (прерывные, дискретные) волокна, то и в этом случае сохраняется принцип волокнистого армирования, состоящий в том, что при нагружении композита на границе раздела матрицы с волокном возникают касательные напряжения, которые вызывают полное нагружение волокон. [c.10]

Аналогичное явление свойственно композитам, у которых матрица хрупкая, а армирующие элементы обладают высокой пластичностью (например, хрупкая керамика, армированная короткими металлическими волокнами). В этом случае локализация повреждений происходит благодаря высокой деформативности армирующих элементов. Финальному разрушению композита, как правило, предшествует накопление повреждений на уровне структуры, т. е. иа уровне волокна, включения и т. п. Поэтому хорошо разработанные методы механики тел с трещинами, в частности, линейной механики разрушения, можно лишь ограниченно применять к композитам. Значительное место в механике разрушения композитов занимают модели, основанные на анализе накопления повреждений на уровне структуры композита. В дальнейшем эти повреждения (в отличие от макроскопических трещин) будут называться микроповреждениями. [c.165]

Простейший анализ таких композитов провели Келли и Тайсон [33], а также Кокс [13]. В обеих работах предполагалось, что передача напряжений от матрицы через волокно описывается простой моделью запаздывания сдвига. Согласно этой модели, нагрузка на волокно передается лишь за счет возникновения напряжений сдвига на поверхности раздела волокно — матрица. Влиянием соседних волокон, концов рассматриваемого и последующего волокон и влиянием сложного напряженного состояния пренебрегают. Этот простой подход (рис. 12) позволяет сделать элементарные механические расчеты ряда важных характеристик композитов с короткими волокнами. Авторы работ [13, 33], показали, что существует длина передачи нагрузки (минимальная длина короткого волокна, начиная с которой оно нагружается до того же уровня, что и бесконечно длинное волокно), и развили соответствующую концепцию критической длины волокна. Кроме того, они рассчитали распределение напряжений сдвига на поверхности раздела в окрестности конца волокна (рис. 13). [c.60]

Таким образом, не в]ь1зывает сомнения,, что напряженное состояние на поверхности раздела в композитах с короткими волокнами крайне сложно. Действительно, в этом случае напряженное состояние на поверхности раздела может бь ть наиболее жестким, поскольку, помимо значительных осевых, радиальных и тангенциальных нагрузок, поверхность должна противостоять воздействию еще большего сдвигового напряжения. [c.65]

Проведенное Джилленом и др. [23] исследование методом фотоупругости показало, что образцы для вытягивания не подобны реальным композитам с короткими волокнами. В первых нагрузка в волокне линейно растет от его конца до точки выхода из матрицы, даже если волокно заделано на очень значительную глубину во вторых нагрузка растет нелинейно, причем в ограниченной области. [c.72]

До сих пор большая часть исследований композиционных материалов относилась к волокнистым композитам, среди которых различаются два главных типа композиты с непрерывными волокнами и композиты с короткими (разорванными) волокнами. В свою очередь, в первом из указанных типов длинные волокна могут быть либо расположены строго параллельно друг другу, либо сплетены в ткань, пропитанную полимерным связующим. Поскольку в процессе сплетения возможны повреждения волокон и композит получается более низкого качества, здесь основное внимание будет уделено однонаправленным волокнистым композитам. [c.63]

Оценки для эффективных упругих модулей композитов, армированных произвольно ориентированными короткими волокнами, были найдены в работах Нильсена и Чена [123] и Хал-пина и Пагано [62]. Для того чтобы получить выражение модуля Юнга для композита, армированного случайно ориентированными волокнами, Нильсен и Чен [123] осреднили значение модуля Юнга для композита с параллельными волокнами, определенное для произвольного направления, по всем возможным направлениям. Из-за громоздкости вычислений они не указали аналитического выражения для эффективного модуля Юнга, но представили обширные графические результаты. [c.92]

Первоначально при выборе матрицы и волокна для всех систем предполагали использовать те же основные принципы, что и для модельных систем. Джех и др. [22] показали справедливость правила смеси для композитов как с непрерывными, так и с короткими волокнами, избрав для этого систему медь — волокно. Медь и вольфрам, по существу, взаимно не растворимы и не взаимодействуют химически соответственно они не образуют соединений. Таким же образом Саттон и др. [38] на модельной системе серебро — усы сапфира убедительно продемонстрировали эффект упрочнения нитевидными кристаллами. Степень взаимодействия между серебром и усами сапфира даже меньше, чем между медью и вольфрамом, поскольку расплавленное серебро не смачивает сапфир. Для улучшения связи с расплавленным серебром те же авторы напыляли на поверхность сапфира никель. Однако связь между никелем и сапфиром была, вероятно, чисто механической, а на поверхности раздела никель — сапфир твердый раствор не образовывался. Поэтому не удивительно, что Хиббард [21] в обзоре, представленном в качестве вводного доклада на конференции 1964 г. Американского общества металлов, посвященной волокнистым композитным материалам, счел необходимым заключить Для взаимной смачиваемости матрицы и волокна необходимо, чтобы их взаимная растворимость и реакционная способность были малы или вообще отсутствовали . Это условие, как правило, реализуется для определенного типа композитных материалов, а именно, ориентированных эвтектик. Во многих эвтекти-ках предел растворимости несколько изменяется с температурой, что, вообще говоря, является причиной нестабильности, хотя в известной степени и компенсируется особым кристаллографическим соотношением фаз. Однако в большинстве практически важных случаев это условие не выполняется. После конференции 1964 г. основные успехи были достигнуты в области управления состоянием поверхности раздела между упрочнителем и матрицей. Ни серебро, ни медь не являются перспективными конструкционными материалами. Что же касается реакций между практически важными матрицами и соответствующими упрочнителями, то они очень сложны и могут приводить к самым разнообразным типам поверхностей раздела. [c.13]

В композитах с пластичными волокнами пластическое течение-волокна уменьшает концентрацию напряжений, возникающую при разрушении продукта реакции. К композитам этого типа относятся алюминий—сталь и титан—бе риллий. Алюминид железа и бе- риллид титана, по-видимому, очень хрупки, и в них развивается множество близко расположенных трещин, однако пластическое течение в волокнах быстро снижает концент рацию напряжений, 1вызываемых этими очень короткими трещинами. [c.183]

Концентрация напряжений, вызванная наличием одного или нескольких концов волокон, заслуживает серьезного внимания. Райли [72] установил, что прочность композитов, армированных короткими волокнами, не может превышать величины, соответствующей напряжению в волокнах, равному /7 Ну, независимо от длины волокон. Он рассмотрел простую гексагональную упаковку и пришел к выводу, что даже в лучшем случае конец волокна будет окружен только шестью неразорванными волокнами. Они должны нести нагрузку центрального волокна после его разрыва, и поэтому, если пренебречь взаимодействиями с другими волокнами, кроме непосредственно соседних, каждое неразорванное волокно должно нести после разрыва свою собственную нагрузку плюс в от нагрузки, которую несло центральное волокно. В результате получается, что наблюдаемая нагрузка на волокна может составить лишь af. Эта теория находится в некотором противоречии с теорией Келли и Тайсона [48, 54], которые установили, что прочность композитов с разрывами в арматуре должна определяться уравнением [c.459]

Рассмотрим кратко разрушение однонаправленных композитов при сжатии вдоль волокон [13]. В течение долгого времени основным механизмом разрушения однонаправленных композитов при сжатии вдоль волокон считали местную потерю устойчивости волокон, вслед за которой происходят разрушение волокон и растрескивание матрицы. Различными способами было показано, что разрушающие напряжения должны иметь порядок модуля сдвига матрицы или (для достаточно податливой матрицы) порядок модуля сдвига композита. Этот вывод получил экспериментальное подтверждение на моделях однонаправленных композитов, а также на некоторых промышленных композитах с толстыми волокнами и достаточно податливой матрицей. К этим экспериментальным результатам следует относиться с осторожностью. Они получены на очень коротких образцах, для которых критическая сила общей потери устойчивости имеет порядок модуля Сдвига композита. Кроме того, для получения на опыте сдвиговой формы потери устойчивости необходимо, чтобы все волокна были параллельными и идеально прямыми. [c.160]

Материалы, содержащие короткие волокна, длина которых примерно в сто раз больше двух других их размеров, называются коротковолокнистыми композитами. Сами волокна могут быть расположены либо параллельно, либо хаотично. Кроме того, длины волокон могут меняться от дюйма до микродюйма (для нитевидных кристаллов). Поскольку прочность волокна растет с уменьшением его длины и диаметра, такие композиты представляются весьма перспективными. Попытки использовать их возможности привели к созданию новых материалов — композитов, армированных усами (нитевидными кристаллами), и эв-тектоидных композитов металл — металл. [c.64]

В зависимости от вида композиционного материала выбирается тот или иной специфический метод его механической обработки. Композиты с термопластичной или термореактивной матрицей, с металлической матрицей, армированные короткими или непрерывными волокнами, с органическим, неорганическим или металлическим армирующим компоиеитом требуют различных методов обработки. Нами рассматриваются три основных категории материалов термопласты, реактопласты и высокомодульные композиционные материалы — борно-, арамидно- и углеродио-эпок-сидиые. Для всех процессов механической обработки, сопровождающихся образованием стружки (пыли), необходимо предусматривать устройства ее отвода. [c.410]

В работах [39, 40] с помощью данных методов решены периодические краевые задачи механики композитов с дисперсными включениями, короткими волокнами и пластинчатыми частицами. В монографии [41] на основе метода конечных элементов развит метод локальных приближений, позволивший определить толщину переходного слоя, окружающего частицу наполнителя. Метод конечных элементов использовался в [1] для определения модулей упругости и анализа распределения напряжений в ортогонально армированных волокнистых композитах. Методы имитационного моделирования на ЭВМ процессов разрушения композиционных материалов на макро— и мик — роструктурном уровнях рассмотрены в [42]. Чрезвычайно [c.20]

Представляет интерес оценка эффективности использования в проекте оболочки пространственных структур армирования. С этой целью аналогичная предыдущей задача оптимизации решена в несколько измененной постановке вместо слоистого пакета в качестве конструкционного материала рассматривается пространственно армированный композит, структура которого является суперпозицией трех элементарных структур изотропной 5и, реализующейся, например, в случае дисперсного армирования композита короткими волокнами, равновероятно ориентированными в пространстве композита (см. раздел 1.7), и двух двумерных структур армирования — 545г (углы укладки арматуры ф= 45° сбалансированы по статистическим весам) и 5до (армирование в окружном направлении оболочки). Таким образом, данная структура армирования [c.240]

Усиление связи особенно важно для композитов, упрочненных AI2O3. Этот О кисел плохо смачивается многими металлами, за исключением металлов с очень высокой реакционной способностью, например циркония. Но в последнем случае волокно может оказаться поврежденным. Связь в композите должна быть достаточно прочной, чтобы нагрузка могла передаваться от волокна к волокну. Это особенно важно в случае, когда упрочнителем служат короткие усы. Следовательно, должна быть оптимальная степень химического взаимодействия, так как реакция, с одной стороны, увеличивает силу связи, а с другой — приводит к уменьшению прочности волокон или усов из-за разъедания их поверхности. Этот вопрос обсуждался Саттоном [44] применительно к модель- [c.126]

Важная часть исследования динамического разрушения композитов — их реакция на высокоскоростное ударное нагружение, перпендикулярное плоскости армирования. Результирующее разрушение зависит от многих факторов, таких, как геометрия, скорость удара, свойства составляющих материалов и т. д. Растрескивание, разрушение волокон и образование отверстий — это некоторые из возможных способов разрушения. Здесь будет описана реакция армированных волокнами композитов на два типа таких нагружений. Одна методика использует тонкую летящую пластинку, осуществляющую очень короткий импульс (0,12—0,22 мкс) при очень высокой скорости удара (до 2400 м/с), а другая методика использует пневмопушку, способную стрелять шарами различного диаметра при скоростях до 350 м/с. [c.324]

Первоначально внимание было сосредоточено на высокомодульных волокнах типа I (НМ). Было обнаружено, что композиты на основе таких волокон обладают низкой межслойной сдвиговой прочностью, в некоторых случаях она была равна всего лишь 15 Н/мм . В дальнейшем было установлено, что поверхностная обработка волокон путем их окисления может приводить к сугде-ственному повышению межслойной сдвиговой прочности композитов. Характерная для этого случая величина прочности приведена в табл. II для Графила HM-S (S — surfa e treatment — поверхностная обработка). С использованием волокон типа II можно получить совершенно хрупкие композиты, не обнаруживающие разрушения в виде межслойного сдвига при изгибном испытании по схеме короткой балки. Установлено, что волокна типа III в необработанном состоянии обеспечивают удовлетворительную меж-слойпую сдвиговую прочность. [c.366]

Методы исследования микроструктур поверхностей раздела бороалюминиевых композитов, в которых достигается высокая степень разрешения, показывают, что вряд ли можно провести промышленную термообработку Тб композитов такой системы и не повредить при этом борные волокна. Ожидается, что температура термообработки (- 530 °С) вызовет образование боридов алюминия на поверхностях раздела. Должно быть, следует использовать более низкие температуры и достаточно короткие продолжительности термообработки, которые приводят к иной прочности и микроструктуре матрицы, чем те, которые обозначены как состояние Тб. [c.429]

Рассмотренные выше формулы для определения прочности композита справедливы, когда армирующие волокна непрерывны. Если же композит армирован короткими дискретными волокнами, то нужно учитывать так называемый концевой эффект , связанный с концентрацией напряжений. Для однонаправленных дискретных волокон, напряжение на каждом волокне вдоль его длины неравномерно, оно возрастает от конца к середине. Поэтому прочность при растяжении таких материалов зависит от относительной величины - средней длины волокна [c.86]

Для изготовления ЬСМ, применяемых при температурах ниже 200 °С, используют полимерные матрицы. К таким композитам относятся стеклопластики, армированные короткими стеклянными волокнами в матрице из полиэфирной смолы. Стеклопластики применяют для изготовления корпусов автомобилей, лодок, некоторых бытовых приборов. В качестве матриц также используют термореактивные полимеры, в которых поперечные связи между основными цепями формируют жесткую структуру с трехмерной сеткой. Такими полимерами являются эпоксидные смолы, которые благодаря поперечным связям имеют более высокую термостойкость. На рис. 28.5 схематически показан способ изготовления такого композита. Волокна сматывают с бобин, подвергают поверхностной обработке, улучшаюш ей адгезию, протягивают в ванну, где их покрывают полимерной смолой. Смола скрепляет воловша в плоский жгут— ленту. Готовые ленты собирают в слоистый листовой материал (аналог фанеры) или же наматывают в более сложные формы. Собранный в листы или намотанный материал отверждают термообработкой. Слои можно накладывать поочередно с разным направлением волокон и формировать в композите клетчатую структуру арматуры. Это придает материалу жесткость. [c.869]

Этот метод состоит в нагружении трехточечным изгибом балки с отношением пролет/толщина L/h, выбранным так, что межслой-ное разрушение инищ1ируется вдоль срединной линии раньше, чем наступает разрушение от растяжения в нижних наружных слоях балки (рис. 4.1). Именно простота данного метода сделала его очень популярным средством паспортизащш композитов. Хотя в основном трехточечный изгиб использовали для контроля качества изготовленного композита, его применяли и для оценки свойств новых полимерных матриц путем сравнения со свойствами некоторой базовой матрицы, например эпоксидной. Испытание короткой балки применяли, кроме того, для оценки методов отделки и поверхностной обработки волокон, совместимости системы волокно— смола и хрупкости смолы. [c.195]

Распределение прочности коротких участков волокон. Путем обработки результатов прочностных испытаний волокон строятся функции плотности вероятности f(o/b) или вероятности G Ofb) разрушения волокон в некотором интервале напряжений. Прочность хрупких волокон определяется наличием в них дефектов, распределение по интенсивности которых связано с длиной волокон. В силу этого если исходные функции g Ofb) и G(Ofb) построены при испытании волокон некоторой длины то они и характеризуют прочность волокон соответствующего размера. Но при имитационном моделировании композита требуется знать распределение прочности коротких участков волокон критической длины (/с (min) ) Для этого волокна представляются в виде цепочек, состоящих из tif звеньев, где пр = Lfllf. (min) [163]. Если вероятность разрушения одного звена цепи , то вероятность неразрушения всех Пр звеньев [c.147]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...