Композиты с дисперсными частицами

III. Энергия разрушения композитов с дисперсными частицами. . 18 [c.11]

IV. Модуль упругости композитов с дисперсными частицами. .. 29 [c.11]

V. Инициаторы трещин в композитах с дисперсными частицами 34 [c.11]

VI. Прочность композитов с дисперсными частицами. ...... 43 [c.11]

Из трех факторов, определяющих прочность, размер трещины больше всего зависит от дисперсной фазы. Вследствие различия в термоупругих свойствах отдельных фаз, их плохого сцепления и т. п. частицы и агломераты частиц могут служить источниками зарождения трещин и инициаторами разрушения. Теоретически и экспериментально показано, что размер трещин может быть доведен до минимума для получения высокой прочности, если в процессе изготовления композита выбирать дисперсию частиц малого размера. Таким образом, представляется возможным оптимизировать прочность композитов с дисперсными частицами, если определено влияние дисперсии на три фактора, определяющих прочность. [c.12]

Существуют различные классы композитных материалов, отличающиеся как областью применения, так и своими свойствами. Хотя прочностные свойства отдельных классов могут совпадать друг с другом, в этой главе будут рассмотрены только композиты с дисперсными частицами в хрупкой матрице. Понятие хрупкого поведения означает упругое состояние вплоть до разрушения и малую вязкость разрушения. Кроме керамики и перекрестно сшитых высокополимеров никакие материалы матрицы не подходят под это определение. Керамики являются наиболее хрупкими материалами и не обнаруживают текучести перед разрушением вплоть до температур, обычно превышающих половину их температуры плавления. Хрупким полимерам свойственна некоторая текучесть, но она пренебрежимо мала по сравнению с менее хрупкими полимерами (т. е. термопластами) и металлами. [c.12]

Хотя прочностные свойства композитов с дисперсными частицами как в полимерной, так и в керамической матрице подобны, цели их изготовления весьма различны. Композиты с дисперсными частицами в полимерной матрице изготавливаются и наиболее широко используются в технике, когда одновременно необходимы формуемость полимерной фазы и такие свойства, которые не присущи полимеру, но которые могут быть обеспечены наличием дисперсной фазы, обычно называемой наполнителем. Наполнитель выполняет две функции. Во-первых, это уменьшение объема более дорогого полимера. Стоимость сырья для различных фаз может различаться в 25 раз. Во-вторых, это получение улучшенных физических и термических свойств при изготовлении реального изделия, как видно из следующих примеров. [c.13]

Несколько композитов керамика —"дисперсная фаза разработаны специально для изменения свойств матрицы. Традиционные керамические материалы, например фарфор, строительные изделия из глины, огнеупорный кирпич и т. п., представляют собой сложные композитные материалы. Наличие различных фаз связано с высокотемпературным химическим взаимодействием между несколькими сортами сырья, использованными для изготовления каждого конкретного изделия. Каждая фаза и ее объемное содержание регулируются составом сырья, температурой изготовления и временем выдержки при этой температуре. Некоторые традиционные керамики, например цементный раствор и бетон, можно классифицировать как простые двухфазные композиты с дисперсными частицами, но многие другие представляют собой многофазные композиты. Изготовители новых керамических материалов [c.13]

Цель этой главы состоит в обсуждении известных данных по прочностным свойствам хрупких композитов с дисперсными частицами и в демонстрации возможных путей оптимизации их прочности. Для этого были использованы основные представления механики разрушения, связывающие прочность с тремя определяющими ее факторами, т. е. с энергией разрушения, модулем упругости и размером трещины. В следующих разделах сначала будет установ.ле-на зависимость действительной прочности материала от трех указанных факторов. Затем будет рассмотрено влияние дисперсии второй фазы на каждый из этих факторов. Из этого станет очевидной важность пяти параметров, зависящих от выбора двух фаз и технологии изготовления композитов. Наконец, будут рассмотрены и обсуждены прочностные свойства различных полимерных и керамических композитных систем в зависимости от трех определяющих факторов и пяти основных параметров композитов. [c.14]

Из механических свойств композитов с дисперсными частицами наиболее широко изучен и обсужден модуль упругости [23, 34, 44]. Сравнение теоретических моделей с экспериментальными данными показало, что модуль упругости композита и другие упругие постоянные можно вычислить с большой точностью, если известны упругие свойства матричной фазы (обозначаемые индексом т) и дисперсной фазы (обозначаемые индексом р), а также объемное содержание дисперсных частиц Ур. В общем случае дисперсная фаза либо уменьшает, либо увеличивает модуль упругости матричной фазы в зависимости от того, будет ли модуль дисперсных частиц меньше или соответственно больше модуля упругости матрицы. [c.29]

Для композитов с высоким или низким отношением модулей, т. е. если т л> Ъ или ш 0 (т = 0 при наличии пор в качестве второй фазы), верхняя и нижняя границы слишком различны, чтобы получить надежную оценку Ес- Это, в частности, имеет место для полимерных композитов с дисперсными частицами, когда ш > 20. В этом случае были использованы приближенные решения [30, 35, 51] и др. для сравнения предсказанных результатов с экспериментальными данными. Зависимость из работы [301 записывается следующим образом [c.30]

Как отмечено в [12], при изготовлении композитов с дисперсными частицами нельзя избежать образования пор. Практический опыт показал, что это особенно заметно для композитов, содержащих дисперсные частицы малого размера с объемным содержанием [c.32]

Большинство экспериментальных работ по определению влияния прочности связи по поверхностям раздела на прочность композитов с дисперсными частицами проведено на полимерных системах, в которых можно легко получить определенную степень связи путем предварительной обработки дисперсной фазы так называемыми разделяющими или соединяющими составами, причем первые уменьшают, а последние увеличивают степень связи по поверхностям раздела. [c.48]

Следует сделать окончательный вывод о том, что представляется возможным разработать микроструктуру композитов с дисперсными частицами для получения оптимальной прочности. Есть надежда, что читатель получил более полное представление о тех путях, которыми это может быть выполнено, и что этот обзор поможет зарождению новых научных идей. [c.56]

Композиты с дисперсными частицами в металлической матрице, разрушение границы раздела между частицами и матрицей 60, 68, 71—72 [c.478]

Сопоставление волокнистых композитов с композитами с дисперсными частицами [c.14]

Вид Характери- стика Композиты с дисперсными частицами Волокнистые композиты [c.14]

Композиты с дисперсными частицами [c.17]

Обычно наполнитель представляет собой частицы. В специальных случаях наполнитель может иметь вид чешуек. Композиты таких типов носят название композитов с дисперсными частицами. [c.17]

На рис. 2.13 для двух композитов с дисперсными частицами показаны зависимости отношения модулей упругости от объемного содержания частиц. В качестве связующего материала использована эпоксидная смола. Матрица содержит дисперсные частицы, средний диаметр которых составлял [c.38]

Рис. 2.13. Изменение удельного модуля упругости композита с дисперсными частицами в зависимости от объемного содержания частиц. Экспериментальные значения мелкие сплошные стеклянные частицы, рассеянные в эпоксидной смоле мелкие полые стеклянные частицы в эпоксидной смоле.

Помимо указанных имеются работы, посвященные композитам с дисперсными частицами. Для металлических систем использован подход, учитывающий дислокационные перемещения. Примером могут служить работы [5.52, 5.53], в которых рассматривались дислокации вокруг дисперсных частиц при низких уровнях напряжений и считалось, что [c.145]

Примерами композитов с дисперсными частицами могут служить полимерный строительный раствор и полимерный бетон. Эти материалы являются довольно хрупкими, поэтому их разрушение после возникновения трещины протекает за [c.199]

Отметим в заключение, что большое различие в термическом расширении может существенно повлиять на прочность композитов с дисперсией частиц большого размера вследствие наличия трещин, образующихся в процессе изготовления. Хотя одинаковые остаточные напряжения образуются и в композитах, содержащих дисперсные частицы меньшего размера, трещины в процессе изготовления не образуются и можно получить упрочнение стеклянной матрицы такими дисперсными частицами несмотря на большое, различие в термическом расширении. Таким образом, как отмечено ранее, можно получить оптимальную прочность композита путем введения дисперсной фазы, состоящей из частиц малого размера. [c.54]

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.

Уравнение разрушения Гриффитса не только устанавливает, что прочность тела связана с наличием трещины согласно анализу Инглиса, но показывает также, что реальная прочность материала зависит от размера трещины и двух характеристик материала. Таким образом, прочность материала определяется тремя факторами энергией разрушения у, модулем упругости Е и размером трещины с. Важное значение этого соотношения состоит в том, что представляется возможным проанализировать прочность материала в зависимости от этих определяющих прочность факторов. Для объяснения прочностных свойств композитов с дисперсными частицами необходимо исследовать влияние дисперсной фазы на каждый из указанных факторов. Прежде чем сделать это, обсудим две важные стороны концепции Гриффитса, так как они составляют основу этой главы. [c.17]

Для определения пригодности этой модели в [37] исследована энергия разрушения композитной системы стекло — А12О3. Среднее расстояние между частицами А12О3 изменялось путем изготовления различных композитов с дисперсными частицами одного из трех усредненных размеров, а именно 3,5 11 и 44 мкм, и трех объемных содержаний частиц, а именно 0,10 0,25 и 0,40. Результаты этого исследования приведены на рис. 5, где показана энергия разрушения каждого композита в зависимости от величины [c.23]

Подобными соображениями объясняется появление максимума, характерного для ряда композитов с дисперсными частицами наибольшего размера. Предполагалось, что энергия разрзчпения этих композитов зависела от двух конкурирующих особенностей первая вызывала увеличение энергии разрушения вследствие взаимодействия фронта трещины с дисперсной фазой, а вторая приводила к ее уменьшению вследствие ослабления матрицы дисперсными частицами. Поэтому было сделано заключение, что хрупкая дисперсная фаза может привести к увеличению энергии разрушения поликристаллической матрицы в том случае, когда размер дисперсных частиц существенно больше размера зерна матричной фазы. [c.27]

Рис. 13. Природа остаточных термических напряжений, расположение трещины II путь ра.зрушения (пунктирные линии) в композитах с дисперсными частицами (а — коэффициент термического расширения, у — энергия ра.зрушения, т ж р — соответственно индексы матричной и дисперсной фаз).

В заключение отметим, что прочность связи может существенно влиять на прочность композитов с частицами. В композитных системах с > р, к которым относятся все системы полимер — неорганические частицы, последние испытывают сжатие при охлаждении ниже температуры их изготовления, что помогает нести приложенную силу при низком уровне напряжений независимо от степени связи по поверхностям раздела. При более высоких уровнях напряжений у каждой частицы со слабыми связями но поверхностям раздела образуются псевдопоры, которые существенно уменьшают модуль упругости композита. Таким образом, оптимальная прочность композита может быть получена при достаточно прочной связи между поверхностями раздела двух фаз. Подход механики разрушения также подтверждает, что в тех случаях, когда не представляется возможным получить прочные связи по поверхностям раздела и а , > р, более высокая температура изготовления будет увеличивать уровень напряжений, при котором образуются псевдопоры, повышая таким образом прочность этих композитов. Как будет показано ниже, остаточные напряжения, возникающие вследствие различных термических расширений, могут быть также и вредными, особенно для композитов с дисперсными частицами большого размера. [c.52]

В основном наибольшее влияние дисперсной фазы состоит в увеличении размера трещины, который влияет на все пять параметров композитов, отмеченных выше. Это влияние обычно приводит к более низкой прочности по сравнению с прочностью матрицы без второй фазы. Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что размер трещины можно довести до минимума и тем самым получить оптимальную прочность композита при применении дисперсных частиц малого размера. Для этого требуется также незначительный разброс размеров частиц, а скопления частиц (агломераты) должны быть сведены до минимума посредством соответствующего метода введения дисперсной фазы. Как отмечено, модуль упругости композитов с дисперсными частицами зависит не только от упругих свойств двух фаз. Трещины, которые могут развиться в процессе охлаждения композита ниже температуры его изготовления, и псевдопоры, образованные под напряжением вследствие слабой связи по поверхностям раздела, приводят к более низким модулям упругости по сравнению с обычно вычисляемыми. Так как для получения оптимальной прочности необходим наибольший модуль упругости, наличие трещин может быть сведено до минимума, несмотря на большие остаточные термические напряжения путем изготовления композита с дисперсными частицами малого размера. Подобным образом можно избежать образования псевдопор при низком уровне приложенных напряжений путем обеспечения хорошей связи по поверхностям раздела между соединяемыми фазами. Следует отметить, что, хотя большие остаточные напряжения обычно нежелательны, они могут быть полезны в полимерных композитах для увеличения уровня приложенных напряжений, приводящих к образованию псевдопор, в тех случаях, когда невозможно получить хорошую связь по поверхностям раздела. [c.55]

В данной главе излагаются микромеханические теории, применяемые для предсказания прочности однонаправленных композитов при одноосном нагружении. В этих теориях заранее предполагаются известными необходимые для расчетов свойства компонентов и считается, что направление нагружения совпадает с главными осями однонаправленного композита. Рассматриваемые прочности связаны с сопротивлением либо нагружению в плоскости, либо изгибу, либо простому сдвигу. Обсуждение относится в первую очередь к волокнистым композитам с неметаллической матрицей, в которых все волокна уложены параллельно и в одной плоскости. Однако представленные здесь микромеханические теории можно перенести и на волокнистые композиты с металлической матрицей, если при этом не нарушаются основные допущения. Некоторые описанные ниже представления могут быть также приложены к композитам с дисперсными частицами. [c.107]

Отметим, что на рис. 2.12 представлены результаты, полученные по методу Поля, из которых можно видеть, что значения для верхней границы могут существенно отличаться от соответствующих значений для нижней границы. Аналогичный результат имеет место и в рассматриваемом случае. Следовательно, используя предложенный в данном разделе метод, можно получать лишь приближенную оценку для модуля упругости, точное же значение получить трудно. На рис. 2.13 сплошные линии соответствуют расчетам, проведенным по указанной ниже зависимости (2.52) при использовании подхода Уитни —Райли [2.6] применительно к композитам с дисперсными частицами. Результаты экспериментальных исследований довольно хорошо совпадают с результатами расчетов [2.13] [c.39]

Недавно были опубликованы несколько работ по определению энергии разрушения композитов, содержащих дисперсные частицы в полимерной матрице [9, 22, 40]. Связь между энергией разрушения и объемным содержанием дисперсных частиц, как отмечено в [40] и показано на рис. 6, наиболее существенно заметна в системе эпоксидная смола — А120з-ЗН20. Положение максимума на рис. б зависит от размера дисперсных частиц. Уменьшение энергии разрушения ниже этого максимума было объяснено неэффективным взаимодействием при близком расположении частиц, т. е., когда частицы были расположены слишком близко друг к другу, композит представлял собой сплошную среду и фронт трещины не взаимодействовал с отдельными частицами. Еще один результат этого исследования состоял в том, что аналогично системе стекло — А1аОз наибольший размер дисперсных частиц приводит к наибольшему увеличению энергии разрушения. [c.24]

Было исследовано также влияние размера частиц. В работе [52] по испытаниям различных композитов с тремя размерами дисперсных частиц показано, что Е не зависит от размера частиц в системе эпоксидная смола — А120з-ЗН20. В работе [6] приведен такой же результат для двух различных композитов керамика — дисперсные частицы с одинаковым термическим расширением обеих фаз в каждой композитной системе. Это как раз не тот случай, когда термические расширения двух фаз суш,ественно различались. Как будет рассмотрено и обсуждено ниже в настояш ей главе, остаточные термические напряжения могут вызвать образование треш,ин вокруг более крупных частиц, а эти трегдины существенна влияют на модули упругости композитов. [c.31]

Модули упругости хрупких композитов, содержащих дисперсные частицы, можно вычислить, если известны отношение модулей и объемное содержание дисперсной фазы. Нижняя граница, приведенная Хашином и Штрикманом, и решения типа, полученного Исаи, находятся в хорошем согласии с большинством экспериментальных данных. Поры, образованные в процессе изготовления, и трещины, возникшие вследствие различной термической усадки, существенно уменьшают модули по сравнению с расчетными величинами. Как будет показано в следующем разделе, в процессе приложения напряжений каждая частица дисперсной фазы может рассматриваться в качестве инициатора трещины. Трещина, образованная при нагружении, будет уменьшать модуль упруго сти перед разрушением. Таким образом, когда модуль упругости используется для расчетов при высоких напряжениях, его значения, измеренные при низких напряжениях, должны применяться с осторожностью. [c.34]

Уже говорилось, что композиты можно разделить на волокнистые и материалы с дисперсными частицами. В табл. 1.2 приведено сопоставление этих матералов по различным показателям [1.2]. [c.13]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...