Волокнистые композиты, влияние

Волокнистые композиты, влияние на прочность степени армирования 301 [c.476]

Волокнистые композиты отличаются от других многофазных материалов прежде всего высокой степенью направленности поверхностей раздела между упрочняющей фазой и окружающей ее матрицей. Еще одно важное отличие некоторых типов композитных материалов — наличие градиента химического состава в направлении, перпендикулярном поверхности раздела. Обычно считают, что это второе отличие, т. е. существование градиента химического состава, неблагоприятно, хотя возможны особые случаи, когда взаимная диффузия компонентов приводит к желательному упрочнению твердого раствора. Для понимания механики поверхностей раздела И их влияния на поведение композита в целом необходимо учитывать, представляет ли композит континуум или дисконтинуум в отношении как механических свойств, так и химического состава. [c.43]

Рассматривая значение поверхностей раздела как фактора, определяющего механические свойства волокнистых композитов, необходимо иметь в виду два возможных подхода. Анализ проблемы может быть сведен либо к исследованию влияния состояния и прочности поверхности раздела на свойства композита в целом, либо, напротив, к исследованию влияния свойств композита в целом на поведение поверхности раздела. Ни один из этих подходов не является исчерпывающим они взаимосвязаны, так как поведение поверхности раздела влияет на характеристики композита, а последние, в свою очередь, влияют на поведение поверхности раздела. Поскольку в большинстве глав этой книги, в основном, принят первый подход, здесь целесообразно рассмотреть поведение поверхности раздела, главным образом, с другой точки зрения. [c.49]

Число научных публикаций, посвященных композитам с металлической матрицей, невелико. Поэтому для более полного анализа в ряде случаев проводятся параллели с другими композитными системами. Влияние поверхности раздела широко изучено в волокнистых композитах с полимерными матрицами с этими системами и проводится параллель, если не хватает данных по системам с металлической матрицей. [c.267]

Специалистам-технологам, имеющим дело с волокнистыми композитами, хорошо известно, что структурная целостность композитов определяется качеством поверхности раздела волокно — матрица. Поверхность раздела включает в себя поверхность контакта волокна и матрицы и область, непосредственно примыкающую к матрице (рис. 1). Однако для упрощения анализа принято считать, что толщина поверхности раздела равна нулю. Полагают, что природа адгезии компонентов на поверхности раздела определяется но крайней мере тремя типами связей химических, электрических и механических. Независимо от природы адгезии передача нагрузки происходит прежде всего под влиянием механических факторов. [c.43]

В процессе изготовления волокнистых композитов на поверхности раздела возникают остаточные напряжения. Для исследования этих напряжений и оценки влияния их на прочность адгезионной связи получили развитие как экспериментальные, так и аналитические методы. [c.65]

III. Влияние старения на воздухе и кипячения в воде на прочность полимерных волокнистых композитов..................................270 [c.228]

III. Влияние старения на воздухе и кипячения в воде на прочность полимерных волокнистых композитов [c.270]

В разд. VI рассмотрены неизбежные в волокнистых композитах остаточные микронапряжения и влияние окружающей среды на прочность композита. Глава содержит также некоторые заключительные замечания по рассмотренным вопросам. [c.109]

Определение скоростей и вида роста усталостных трещин в волокнистых композитах с учетом влияния на них окружающей среды (жидкостей, температуры), режима термообработки, остаточных напряжений, расположения волокон. [c.436]

Высокая прочность современных волокнистых композитов в направлении армирования хорошо известна и широко используется. Этого нельзя сказать об уровне понимания механизмов разрушения при растяжении и влияния на них свойств составляющих композит материалов. Однако существует ряд методов, учитывающих отдельные важные аспекты процесса разрушения, на основании которых можно создать рациональную теорию разрушения композитов при растяжении в направлении волокон. Показано, что прочность композита, состоящего из пластичных фаз, определяется из прочности волокон арматуры посредством правила смесей ). При вычислении этим методом прочности композита с хрупкими волокнами возможны ошибки, связанные со статистической природой прочности волокон и с эффектами, возникающими из-за значительного различия в модулях упругости волокон и матрицы. [c.39]

Влияние легирующих добавок на стабильность волокнистого композита [c.69]

Согласно феноменологическому подходу, используемому в настоящей работе, композит типа ВКМ рассматривается как однородный анизотропный материал, обладающий симметрией строения, характеристики разрущения которого зависят от свойств компонентов. Это позволяет уменьшить число экспериментальных данных, необходимых для оценки остаточной прочности элементов конструкций с дефектами. Предположение об однородности композита определяет также минимальный размер трещиноподобного дефекта, влияние которого на несущую способность может быть описано с помощью подходов механики разрущения. Для волокнистых композитов размер дефекта должен значительно превосходить характерный размер структуры материала — диаметр волокна. [c.235]

Аналогичным образом влияние сложного напряженного состояния может быть учтено при имитации разрушения волокнистых композитов и при других случаях получения и обработки материалов давлением, например при прокатке или сварке взрывом. [c.258]

Статистическая природа прочности армированных пластиков обусловливает влияние абсолютных размеров на прочность этих материалов в конструкции. В отличие от обычных конструкционных материалов у волокнистых композитов чувствительность к масштабному эффекту проявляется даже при статическом нагружении в условиях однородного напряженного состояния. Кратковременная статическая прочность при растяжении падает с увеличением площади поперечного сечения образца (рис. 1.3.2) уменьшение прочности наблюдается и при малых толщинах образца (рис. 1.3.3). [c.38]

Глава открывается кратким обсуждением наиболее распространенных методов определения вязкости разрушения композитных материалов. Затем рассмотрено разрушение композитных материалов, упрочненных волокнами и частицами, а также слоистых композитов, причем особое внимание уделено волокнистым системам направленной кристаллизации. Наряду с экспериментальными данными для каждого класса материалов представлена сводка соответствующих теоретических результатов. В конце главы приводится обзор данных по разрушению композитов и обсуждается влияние поверхности раздела. [c.267]

Разработан ряд прямых методов измерения характеристик напряженного состояния на поверхности раздела и адгезионной прочности. Поляризационно-оптический метод волокнистых включений наиболее надежен при определении локальной концентрации напряжений. Испытания методом выдергивания волокон из матрицы пригодны для измерения средней прочности адгезионного соединения, а методы оценки энергии разрушения — для определения начала расслоения у концов волокна. Прочность адгезионной связи можно установить по результатам испытаний композитов на сдвиг и поперечное растяжение. Динамический модуль упругости и (или) логарифмический декремент затухания колебаний применяются для определения нарушения адгезионного соединения. Динамические методы испытаний и методы короткой балки при испытаниях на сдвиг обычно пригодны для контроля качественной оценки прочности адгезионного соединения и определения влияния на нее окружающей среды. [c.83]

В волокнистых металлических композитах, за исключением композитов с направленной эвтектикой, волокно и матрица, как правило, не находятся в состоянии химического равновесия. Из всех факторов, воздействующих на усталостную прочность композита, вероятно, самым малопонятным является влияние прочности и микроструктуры на границе раздела волокна и матрицы. Увеличение прочности происходит в результате того, что посредством касательных напряжений усилия передаются через границу раздела волокна и матрицы, и высокомодульные волокна несут большую часть приложенных параллельно им нагрузок. Поверхности раздела играют и другую важную роль в сопротивлении разрушению, контролируя вид распространения трещин они могут отклонять распространяющиеся трещины и задерживать рост трещин. [c.396]

Полученные результаты следует рассматривать как предварительные, так как рассмотренные модели не воспроизводят пока некоторые специфические эффекты, которые сопутствуют продвижению макротрещины в волокнистом композите и которые могут оказывать решающее влияние на развитие разрушения и трещиностойкость композитов в целом. В первую очередь имеется в виду множественное растрескивание, накопление разрывов волокон в объеме, прилегающем к фронту трещины [108]. Эти процессы, приводящие к дополнительному "размазыванию и в ряде случаев предопределяющие повышенную трещиностойкость, анализируются в работе [109] также с применением элементов имитационного моделирования на ЭВМ, [c.252]

Один из наиболее значимых технологических факторов процесса мокрой намотки, позволяющих существенным образом влиять на формирование структурных и прочностных показателей, — натяжение волокнистого армирующего материала. В зависимости от типа армирующего материала, применяемого связующего, а также габаритов изделия характер влияния натяжения на структуру композитов может изменяться. [c.48]

Опубликовано много других примеров использования свободных колебаний и элементарной теории для определения комплексных характеристик монолитных и композиционных материалов. Так, Шрагер и Кери [99] применили крутильные колебания для изучения влияния температуры на характеристики бороэпоксидных волокнистых композитов, а Сираковски с соавторами [105] использовали свободные и вынужденные колебания консольных балок из армированного частицами алюминия [c.181]

В аналитических и экопериментальных исследованиях остаточных напряжений в волокнистых композитах используются два подхода — уже упомянутая выше модель коаксиальных цилиндров и модели регулярных типов расположения волокон. Первый подход основан на довольно простых математических соотношениях и поэтому применялся более широко [14, 27, 32]. Он был развит в работе [27] и позволил рассмотреть, наряду со свойствами, зависящими от температуры, влияние пластического течения в матрице, подверженной деформационному упрочнению. В этой и других работах пользуются не вполне определенным понятием температура релаксации внутренних напряжений имеется в виду температура, ниже которой влияние ползучести ослабевает и могут возникать напряжения значительной величины. Хекер и др. f27] устранили эту неточность, определив температуру релаксации внутренних напряжений путем сопоставления расчетных результатов с данными экспериментального определения остаточных напряжений в модельных композитах типа коаксиальных цилиндров. [c.66]

Установлено, что, независимо от характера влияния термических остаточных напряжений, возникающих а поверхности раздела при охлаждении, они неизменно снижают прочность волокнистых композитов при растяжении [27]. Причина заключается в том, что обусловленное ими напряженное состояние в целом отвечает растяжению (рис. 16) даже в тех случаях, когда радиальные напряжения являются сжимающими. Например, в случае осевого растягивающего нагружения пластическое течение начнется при меньшем, ло сравнению с 0жидаемы1м, значении приложенной нагрузки (естественно, если оно еще не началось при охлаждении). [c.68]

Поведение композитных материалов при нагружении в упругой и пластической областях невозможно понять, не привлекая сведений о природе и роли поверхности раздела, т. е. области, разделяющей фазы. Ниже представлен обзор последних результатов аналитических и зксперйментальных исследований волокнистых композитов и композитов, полученных направленной кристаллизацией. Особое внимание уделено строению поверхности раздела, прочности связи, эффективности передачи нагрузки, ста- бильностн поверхности раздела и влиянию способа нагрун ения. [c.231]

Поскольку системы алюминий—бор и титан—бор обладают перспективными свойствами и могут быть сравнительно легко получены, они исследованы более широко. Детальные сведения о характеристиках растяжения композита алюминий—борсик были представлены Крайдером и др. [49]. Кроме того, влияние поверхности раздела на характеристики растяжения изучал Меткалф [58, гл. 4], а Кляйну [58, гл. 5] принадлежит обзор по прочности волокнистых композитов при внеосном растяжении. [c.245]

У пругопластические характеристики, влияние иа состояние поверхности раздела в волокнистых композитах 238—252 [c.436]

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]

В процессе изготовления волокнистых композитов в компонентах и на границе раздела неизбежно возникают остаточные микронапряжения. Возникновение остаточных микронапряжений обусловлено двумя основными причинами (1) различием в коэффициентах термического расширения компонентов и (2) повьппен-ной температурой, необходимой для отверждения композита. Для исследования остаточных микронапряжений развиты и экспериментальные, и теоретические методы [10]. В настоящем разделе мы будем интересоваться величиной этих напряжений в связи с их возможным влиянием как на свойства матрицы в композите, так и на истинное напряженное состояние, вызванное приложенной механической нагрузкой. [c.156]

Большинство композитов, описанных в настоящей главе, есть непрерывные однонаправленные волокнистые композиты (НОВК), имеющие большую объемную долю волокон. В результате продольная прочность в основном определяется прочностью самих волокон. Таким образом, если волокна обладают свойством ползучести, то им обладают и композиты на их основе. В небольшом числе работ по композитам, армированным вольфрамом и бериллием, обнаружено разрушение при ползучести. С другой стороны, разрушение под нагружением может появиться как результат комбинации двух факторов статистической прочности хрупких волокон и временных свойств вязкоупругой матрицы. Такая комбинация создает вероятность непрерывного изменения напряженного состояния внутри композита, даже при испытании на разрушение. Эти изменения также приводят к явлению запаздывания разрушения. Поэтому очень важно рассмотреть как матрицу, так и волокно при изучении длительной прочности композита, причем нужно иметь в виду, что матрицы оказывают очень незначительное влияние на кратковременную продольную прочность композитов, но играют очень важную роль в его длительной прочности. Часть работ посвящена исследованию эффектов скорости деформации на прочность НОВК оказалось, что только армированные стеклом композиты, по-видимому, чувствительны к изменениям скорости. [c.269]

Если менять материалы, из которых изготавливается волокно, или метод их изготовления, то можно получить волокна бора с различными свойствами. Исследование механических свойств нескольких борных волокон было осуществлено в [22] полученные результаты дали большой разброс прочностных свойств для каждого типа волокна. Этот разброс есть следствие потери пластичности, когда дефекты в материале приводят к катастрофическому разрушению при относительно низких напряжениях. Гистограмма значений прочности на растяжение для двух типов непрерывных борных волокон показана на рис. 3. Один тип низкого качества, а другой — высокого. Приведены результаты для волокон в состоянии поставки и для протравленных волокон, в которых влияние поверхностных дефектов сведено к минимуму. При анализе временньгх свойств прочности волокнистых композитов, армированных борными волокнами, необходимо помнить о форме функции распределения прочности. [c.272]

Суммируя данные о влиянии скорости деформации на прочность однонаправленных волокнистых композитов, можно сказать, что, по-видимому, в интервале изменения скорости деформации, обычно используемом в стандартных испытательных машинах, изменения значений прочности не слишком велики. Эти изменения составляют 10 или 20% в зависимости от свойств составляющих и геометрии композита. При испытаниях с разными скоростями деформации наблюдались разные виды разрушения, однако в настоящее время не существует модели для предсказания прочностных свойств различных композитных систем при нагружении с переменными скоростями деформации. [c.321]

Эти результаты и другие показали, что способность к поглощению энергии волокнистых композитов строго ограничена. В работе [26] по исследованию бороалюминиевых композитов указано на то, что поведение композита при ударе определяется упругим поведением волокон причем наличие связи между волокном и матрицей сильно препятствует поглощению энергии благодаря возможному появлению расслаивания и вытаскивания волокон. Влияние связи волокно — матрица на величину энергии, поглощенной в течение ударного испытания, исследовалось рядом авторов. В работе [20] изучалась ударная энергия по Изоду композитов, сделанных из углеродных волокон RAE тип 1 (высокомодульные) и тип 2 (высокопрочные) и двух типов смол. Адгезия между волокном и смолой для некоторых образцов была улучшена обработкой части волокон методом Харуэлла [1]. Экспериментальные результаты показывают, что для необработанных волокон, в особенности типа 1, значение анергии удара вьппе. [c.323]

Обобш,енный закон Майнера (уравнение (5.71)) также имеет экспериментальные подтверждения. Браутман и Саху [30], исследуя слоистые волокнистые композиты с продольнопоперечными схемами укладки слоев, нашли, что в среднем поведение этих композитов удовлетворяет неравенствам (5.74). Кроме того, они предложили новую форму обобщенного закона Майнера, где учитывается влияние последовательности приложения разных уровней напряжений. Можно вывести предложенное ими уравнение, выражая размеры трещины в уравнении (5.71) через напряжения из упругих критических условий (см. (5.60), (5.61)). Для случая когда k и Кю не зависят от уровня напряжений и оо—начальная прочность, уравнение (5.71) преобразуется к виду [c.211]

Однонаправленные волокнистые композиты являются важным конструктивным элементом многих современных композиционных материалов. Сопротивление их растяжению часто решает вопрос о применении их в той или иной конструкции. При этом по разным технологическим обстоятельствам совершенно неизбежен обрыв отдельных нитей задолго до разрушения всего образца. Например, в стеклопластиках обрывы замечены уже при нагрузках, составляющих лишь 1/10 от предельных. В настоящем параграфе вначале рассматривается растяжение бесконечного упругого пространства с инородным упругим цилиндром, имеюшзйм сквозную щель (обрыв) вводится представление о зоне влияния обрыва и определяется его радиус. Это представление позволяет дать простой ответ на вопрос об оптимальной укладке нитей, а также дать простую оценку нижней границы объемной доли волокон, для которой разрушение композита будет идеально вязким, так что влиянием обрывов нитей можно пренебречь. [c.66]

Влияние степени разупорядоченности к на коэффициенты р и к более сильно для композита с ориентированными пластинчатыми включениями, чем для однонаправленного волокнистого композита, особенно в том случае, когда Уо е [0 0,5. [c.34]

При частоте ои = 10 с длина волны сдвига в волокнистой среде по сравнению с классической теорией возрастает всего на 0,15 %, а при о = 5 10 с она превышает классическую на 15 %. Дальнейшее уточнение требует учета большего числа членов в уравнении частот и влияния дифракционного рассеяния. При сравнении зависимости эффективных упругих характеристик от объемного содержания волокон в одноуровневых волокнистых композитах и таковых с двухуровневой структурой обнаружены аномалии. В частности, формула для модуля сдвига в последнем случае имеет вид [c.161]

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]

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 данном разделе рассматривается влияние поверхно1Сти раздела на структурную целостность композитов, основными показателями которой являются жесткость и прочность. В этой связи представляется целесообразным кратко охарактеризовать процесс изготовления волокнистых полимерных композитов. [c.46]

На практике не всегда так ясно определимы различные виды разрушения. Композиты могут разрушаться в результате комби- нации механизмов, особенно если матрица может стать хрупкой под влиянием локального напряженного состояния. В указанных моделях единственной функцией матрицы является создание барьера для распространения трещины, а статистические результаты применимы только к прочности хрупкой составляющей. В действительности матрица может нести часть нагрузки и может влиять на величину пика напряжений в композите вследствие ее способности к пластической деформации. Растрескивание частиц не может быть независимым, так как разрушенная частица может сильно влиять на изменение распределения напряжений в ее окрестности и, следовательно, трещины не могут распределяться случайно. Влияние концентрации локальной деформации вследствие разрыва волокна в волокнистом композите обсуждено в [3] в связи со статистическими моделями Гюсера — Гурланда и Розена, приведенными в [36, 37, 77]. Связанная с ними проблема образования больших критических трещин проанализирована статистическими методами в [56]. [c.102]

Усталостная прочность волокнистого эвтектического композита А1 — AlзNi в условиях изгиба была на воздухе меньшей, чем в аргоне [43, 44]. В этом случае различие приписывалось влиянию содержащегося в воздухе водяного пара на усталостную прочность алюминиевой матрицы. [c.433]

Исследования структуры и свойств мартенситно-стареющих сталей (гл. 6) проводили с целью разработки оптимальных режимов термообработки композитных конструкций, обеспечивающих повышение прочности изделий. Это имеет важное практическое значение при создании конструкций, работающих в агрессивных средах, при высоких давлениях и теплообмене. Исследования характеристик трещино-стойкости волокнистого бороалюминиевого композита (гл. 8) были предопределены необходимостью оценки несущей способности элементов ферменных конструкций космических аппаратов с учетом влияния технологических и эксплуатационных дефектов. Интенсивное развитие нанотехнологий, использующих новый класс материалов — ультрадисперсные порошки химических соединений, привело к резкому увеличению числа работ по их практическому применению для повышения качества металлоизделий. Результаты 20-летних исследований в этом направлении представлены в гл. 9. Широкие перспективы использования керамических материалов, в частности конструкционной керамики на основе оксида алюминия, а также проведенные исследования обозначили ряд проблем при изготовлении изделий — недостаточная эксплуатационная надежность, хрупкость, сложность формирования бездефектной структуры. Отсюда возникли задачи исследования трещиностойкости керамики в связи с влиянием структуры, свойств и технологии ее получения (гл. 10). [c.9]

Дж. Эшелби [14] решил задачу об упругом деформировании изотропной среды с включением эллипсоидальной формы, и на основе этого получил зависимости эффективных постоянных композита от объемного содержания в нем хаотически ориентированных вытянутых эллипсоидов. В работе [20] аналогичная задача решена для включений пластинчатой формы. Впоследствии Рассел [21] использовал решение Эшелби при исследовании влияния длины волокон в однонаправленном волокнистом композите на его эффективные характеристики. [c.17]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...