Прочность пучка волокон

Теперь поставим следующий вопрос. Пусть известно распределение прочности моноволокон, определенное на некоторой длине Lo. Требуется определить прочность пучка волокон длиной L. Если L < Lo (а для композитов, как будет показано ниже, выполняется именно это условие), то в силу вступают два противоположных фактора. G одной стороны, масштабный эффект при большом коэффициенте вариации выражен более сильно, поэтому средняя прочность на длине L растет по сравнению с прочностью, определенной на длине Ьц. С другой стороны, реализация прочности в пучке о оказывается ниже средней прочности и это снижение прочности увеличивается с ростом коэффициента вариации. Поэтому не вполне ясно, какому волокну следует отдать предпочтение, с большим разбросом прочности или с малым разбросом. Во всяком случае, предъявляемые иногда к поставщикам волокна требования ограничить дисперсию прочности некоторым узким пределом не могут считаться оправданными. [c.695]

Прочность пучка волокон (рис. 26, б) определяется критической нагрузкой, при которой разрушается достаточное количество волокон, так что оставшиеся волокна не могут больше выдерживать нагрузку. Распределение пределов прочности пучков из / нитей при большом у стремится к нормальному распределению с математическим ожиданием [c.99]

Отмечено, что вычисленная прочность увеличивается с увеличением расстояния между частицами хрупкой фазы. Как упомянуто ранее, полностью связанный агрегат разрушается при разрушении наиболее слабого объемного элемента. В случае пучка волокон перед его разрывом должно разрушиться некоторое количество волокон. Колеман показал, что прочность пучка волокон меньше средней прочности волокон, но имеет тот же самый порядок. Отмечено, что отдельное волокно в пучке может разорваться только один раз и что разорванное моноволокно не несет никакой нагрузки по всей его длине. В случае заключенных в матрицу частиц или волокон композитное тело разрушается путем статистического накопления разрушений элементов. Причем условие разрушения представляет собой критическое число разрушенных элементов в одном поперечном слое. В случае заключенных в матрицу волокон отдельное волокно может разрушиться больше одного раза, так как напряжение перераспределяется по его неразрушенной части при помош и матрицы. Фактически прочность моделей увеличивается в некоторой зависимости от количества элементов объема, разрыв которых происходит перед разрушением тела. [c.101]

Кружками обозначены средние экспериментальные значения в качестве принята прочность пучка волокон 1 — по статической модели 2 — по правилу смесей 3 — учет только волокон ( анализ"решетки ). [c.133]

Коэффициент р позволяет оценить вклад матрицы в повышение или снижение прочности пучка волокон в результате его введения в матрицу. Так, например, если матрица вносит какой-то вклад в прочность по отношению к пучку или даже если она просто принимает на себя часть нагрузки, наблюдаемый коэффициент р будет больше единицы. Если же матрица химически взаимодействует с волокнами, либо волокна ломаются в процессе изготовления материала, прочность композиции может быть ниже, чем прочность пучка волокон, в результате чего р будет меньше единицы. [c.108]

Прочность при растяжении промышленно производимых углеродных волокон измеряют на образцах пучков волокон, предварительно пропитанных и отвержденных по изложенному ниже методу. ) Для установления соответствия между прочностью пучка волокон и прочностью отдельного волокна необходимо принимать во внимание характер распределения по значениям прочности. Например, измеряемая таким методом прочность пучка углеродных волокон высокопрочного типа на основе ПАН, пропитанного эпоксидной смолой, соответствует прочности сухого пучка моноволокон длиной 0,6 мм [30]. [c.44]

Часто для армирования пластиков используются пучки, которые состоят из сотен элементарных волокон. При испытании такого пучка после приложения нагрузки происходят случайные разрывы отдельных волокон, имеющих наибольшее количество дефектов. Таким образом, прочность пучка волокон сильно зависит от разброса прочностных свойств отдельных волокон, который оценивается при помощи коэффициента вариации прочности элементарных волокон. [c.129]

Учитывая, что в процессе лавинного разрушения волокон напряжения изменяются в очень узком интервале (см. рис. 4.15), можно принять, что деформация армированного пластика в процессе лавинного разрушения волокон практически не меняется. Предельную деформацию волокон, соответствующую началу лавинного разрушения, в дальнейшем обозначим через евя- Из сказанного следует, что предельная деформация евк является очень важным параметром прочности пучка волокон и практически она равняется предельной деформации армированного пластика при нагружении в направлении армирования. Из тако го допущения вытекает методика экспериментального определения евн. [c.130]

Здесь р (о) = / (а) —плотность распределения прочности волокон. Из (20.4.2) находится величина а и в результате подстановки в (20.4.1) прочность пучка Оо = о . Величина о, всегда оказывается меньше средней прочности <о>. Для иллюстрации рассмотрим очень простой пример, когда плотность распределения р а) постоянна в интервале о (а , а+) и вследствие условия нормировки р = 1/ (о+ — 0-). [c.694]

Величина т вообще неизвестна, и пути ее экспериментального определения неясны. Во всяком случае она меньше, чем сопротивление композита разрушению при сдвиге. Принимая т = = 2 кгс/мм , о = 240 кгс/мм (ориентировочные оценки для углепластика), получим при d = 10 мкм, Zo = 0,3 мм. При разрыве композита поверхность разрыва напоминает щетку, из разлома матрицы, как щетинки, торчат кончики оборванных волокон. Средняя длина этих вытянутых кончиков равна неэффективной длине волокна. Результаты таких измерений показывают, что величина неэффективной длины в сильной степени зависит от технологии изготовления композита, определяющей величину т в формуле (20.5.5), для композитов углерод — эпоксидная смола величина 1а может достигать 0,5—1 мм. При этой длине большая дисперсия прочности волокон приводит к снижению прочности пучка за счет коэффициента реализации к, определяемого формулой (20.4.4), который не перекрывается увеличением средней прочности вследствие масштабного эффекта. [c.699]

Полимерная матрица следует закону Гука почти до момента разрушения, незначительные отклонения от закона упругости могут не приниматься во внимание. Как правило, удлинение матрицы при разрыве в несколько раз больше, чем удлинение волокна, поэтому качественная картина поведения такого композита в известной мере напоминает поведение композита с металлической матрицей при малом объемном содержании волокна возможно его дробление. Однако малая прочность матрицы по отношению к касательным напряжениям и довольно слабая связь между волокном и матрицей вносят свою специфику. В композите органическое волокно — эпоксидная смола, наоборот, разрывное удлинение смолы меньше, чем удлинение волокна. Ввиду малой прочности матрицы происходит ее дробление на мелкие частички, которые легко отваливаются, обнажая пучки волокон, которые уже относительно легко обрываются. [c.703]

Прочность пучка Х] уменьшается с увеличением длины волокон. [c.99]

При анализе модели хрупкого разрушения каждое волокно трактуется как цепочка, состоящая из п звеньев, каждое длиной б (неэффективная длина). Каждый слой (рис. 17) есть пучок таких звеньев, а композит — ряд таких пучков. Опытные данные по прочности, полученные для длинных волокон, могут быть сопоставлены с данными по более коротким волокнам [41], которые в свою очередь связаны с прочностью пучка звеньев из большого числа волокон [15]. [c.288]

Один из вариантов модели, в котором использован сдвиговый анализ, показан на рис. 2.12. Предполагается, что перемещение Uq, относящееся к области надреза с п волокнами, не зависит от координаты у. К ядру п перерезанных волокон примыкает группа т неповрежденных волокон, имеющих перемещение U и эффективно представляющих область концентрации осредненных по композиту напряжений. Не следует забывать, что целое число т неизвестно и может быть определено на основе различных критериев прочности. Другим моментом, о котором необходимо здесь упомянуть, является то, что числа перерезанных волокон п или неповрежденных т суть целые числа, если слой по толщине состоит из одного волокна, как у боропластиков (рис. 2.13, а). Тогда, если диаметр волокна достаточно велик, разумно использовать двумерную модель разрушения волокна. У углепластиков слой по толщине состоит из нескольких волокон ( i lO), и в качестве расчетной единицы целесообразно рассматривать пучок волокон, а не одно волокно (рис. 2.13,6). Другими словами, углепластик состоит из двух фаз пучок волокон, пропитанных связующим (отличается по свойствам от собственно волокна), и матрица, расположенная между пучками. [c.63]

Величина определялась экспериментально по методике определения прочности при растяжении плоских разрывных образцов и на том же оборудовании. Для каждого образца, содержащего 250 волокон диаметром 140 мкм, волокна отбирались с десяти произвольно выбранных шпуль. Концы пучков волокон закреплялись смолой для облегчения проведения испытаний, рабочая же часть оставаясь обнаженной. [c.108]

Для измерения прочности и модуля упругости при растяжении, плотности и линейной плотности углеродных волокон используют экспериментальные методы, описанные в японском промышленном стандарте JIS R 7601. Плотность измеряют по методу вытеснения жидкости или по методу определения градиента плотности в капилляре. Прочность и модуль упругости при растяжении измеряют как на образцах отдельных моноволокон, так и на образцах пучков волокон, предварительно пропитанных связующим и отвержденных. Второй способ полезен при испытании на растяжение углеродных волокон, используемых в углепластиках. Этим методом измеряют как прочность, так и модуль упругости при растяжении выпускаемых промышленностью углеродных волокон. Пос- [c.47]

Ионная металлизация. Используя этот метод, предварительно проводят плазменное травление поверхности углеродных волокон, а затем покрывают их поверхность алюминием [2]. Физическое осаждение позволяет нанести металлическую матрицу на каждое элементарное волокно в тонком пучке волокон. Из таких пучков формируют тонкие и гибкие листовые заготовки. Обработку поверхности осуществляют при температуре ниже точки плавления алюминия. Поэтому при ионной металлизации углеродные волокна высокопрочного типа могут взаимодействовать с алюминием, сохраняя высокую прочность. Метод не требует нанесения промежуточного покрытия, регулирующего реакционную способ- ность поверхности волокон, и позволяет непосредственно покрывать ее [c.244]

Использование композиционных материалов конструкционного назначения для наземных транспортных средств имеет своей целью снижение массы и повышение эффективности использования топлива. Эта же цель предопределила создание композиционных материалов повышенной прочности для изготовления изделий методом прямого прессования. Содержание рубленого стекловолокна в интервале 50. .. 65 % с малым количеством или в отсутствие другого наполнителя в полимерной матрице позволяет получать листовые формованные изделия, из которых можно изготовлять детали, обладающие относительно высокой, но в достаточной мере изотропной (сбалансированной) прочностью, например с пределами прочности при растяжении до 207 МПа и при изгибе до 400 МПа. Если же необходимо иметь более высокие направленные показатели, как в случае использования пучков волокон для армирования (например, при изготовлении бруса буфера, объемном усилении секций опоры радиатора, а также деталей боковых и задних дверей), можно использовать армирование непрерывным волокном, имеющим одноосную ориентацию, как уже было сделано для ЛФМ предел прочности при растяжении сГв = 345. .. 550 МПа и модуль упругости при изгибе и = 21. .. 34 ГПа могут быть достигнуты при измерении в направлении ориентации непрерывного армирующего компонента. [c.497]

Рис. 2.50. Зависимость отношения проч-ности пучка волокон к средней прочности волокон (<Тв/сг/) от параметра рас- 0.8 пределения Вейбулла от.

Тогда для прочности пучка с учетом исходной площади N волокон [c.111]

Однако, поскольку поведение исходного пучка волокон резко изменяется при нанесении полимерного связующего, это значение. Ос должно соответствовать его нижнему пределу. В композиционном материале волокно, которое разрывается при малой нагрузке, продолжает вносить определенный вклад в несущую способность материала, в противоположность пучку волокон без связующего. Распределение напряжений вблизи разрыва волокна изменяется, так как концы волокон способны передавать нагрузку, хотя и меньшую, чем средняя нагрузка на волокно. На расстоянии /с/2 (неэффективной длины) от каждого конца волокна обе половинки разрушенного волокна снова несут свою полную долю нагрузки. Более того, поскольку волокно разрушается по своему наибольшему исходному дефекту, оставшиеся куски волокна прочнее, чем исходное волокно. Что произойдет далее зависит от распределения прочности волокон и близости волокон друг к другу. На рис. 2.51 показана упрощенная схема изменения распределе- [c.111]

Если критическая длина волокна велика, например, при малой прочности связи между волокном и матрицей, максимальная нагрузка на композиционный материал примерно равна максимальной нагрузке на несвязанный (сухой) пучок волокон. Эта нагрузка может быть определена путем испытания пучка волокон с целью определения предела прочности или путем испытания некоторого количества индивидуальных волокон и расчета максимальной нагрузки, которую выдержит группа волокон. [c.32]

Казеин растворим в щелочи. Раствор казеина в виде густой вязкой массы подают на прядильные машины, где он превращается в волокно, проходя через фильеры и попадая в осадительную ванну с серной кислотой и сернокислыми солями. Затем пучки волокон режут на части длиной 90—100 мм (штапельное волокно) и высушивают. Обработкой казеинового волокна формалином достигаются увеличение прочности и уменьшение его способности к набуханию. [c.22]

Задача о прочности пучка волокон с различной прочностью его индивидуальных составляющих была полностью исследована в работе Даниелса (1945 г.), относящейся к текстильным нитям. Схема Даниелса с незначительным изменением была перенесена на проблему прочности при растяжении однонаправленного композита, армированного непрерывным волокном. В основу этой схемы полагаются некоторые упрощающие предположения, а именно, считается, что модуль упругости всех волокон одинаков. При выводе соответствующих формул, если число волокон весьма велико, нам нет необходимости даже вставать на вероятностную точку зрения. Представим себе пучок детерминированным, пусть Р(о)—отношение числа волокон, разрывающихся [c.693]

ИТ в том, чтобы оценить величину указанного предела. В отсутствие матрицы эта характеристика представляет собой прочность пучка волокон она принимает те же значения и при наличии матрицы, если прочность поверхности раздела при двиге равна нулю. Влияние роста прочности поверхности раздела зависит от свойств упрочнителя. Композиты, армированные непрерыв 1ы ми Волокнами, дисперсия прочности которых равна нулю (т. е. средняя прочность волокна в композите равна прочности пучка воло- кон), нечувствительны к прочности поверхности раздела. С ростом дисперсии прочности волокон все большее число волокон будет разрушаться в слабых точках, расположенных вне плоскости излома. В этих случаях передача нагрузки на неразрушенные участки должна происходить, по механизму, предусматривающему передачу нагрузки через поверхность раздела в матрицу. Когда поверхность раздела становится прочнее матрицы, сдвиг матрицы происходит легче, чем разрушение поверхности раздела, и даль- нейшее увеличение прочности поверхности раздела уже не. влияет на тип разрушения. Такой случай разрушения, не зависящего от состояния поверхности раздела, рассматривается теориями прочных поверхностей раздела. Поскольку продольные свойства дан- ного типа композитов. не зави >сят от состояния поверхности раздела, теории, предсказывающие значения этих свойств, не относятся к предмету настоящей главы. Обзор указанных теорий имеется в гл. 2, посвященной механиче ским аспектам поверхности раздела. [c.140]

ИЗ которого видно, что прочность пучка волокон в решающей степени определяется характеристическим отношением волокон и разбросом экспериментальных данных (величиной т). Зависимость отношения прочности пучка волокон и средней прочности волокон ав/а/ от параметра т приведена на рис. 2.50. Из рисунка видно, что для таких волокон как стеклянные, для которых т обычно лежит в интервале от 5 до 15, прочность пучка волокон может достигать значения только около 70% от средней прочности волокон. Можно ожидать поэтому, что прочность однонаправленного стеклопластика долл<на быть (исключая небольшое влияние полимерной матрицы) равна [c.111]

Аналитическое рассмотрение концепции прочности пучка волокон и ее связи со статистической вероятностью разрушения хрупких волокон выполнено Кортэном и др. [7]. Этот анализ основан, главным образом, на функции Вейбула, которая связывает функцию вероятности распределения дефектов в хрупком упругом твердом теле с размером образца. Поскольку этот вопрос не будет рассмотрен детально в данном томе, следует обратиться к т. 2 ( Микромеханика ). [c.32]

Воспроизводимость или постоянство свойств. Эти характеристики всегда очень важны для хрупких или высокопрочных материалов. Во многих случаях, как описывалось ранее, прочность композиции зависит от прочности пучка волокон и является скорее функцией распределения прочности волокон, чем их вида или максимйГльной прочности. [c.37]

Модель Даниэлса была введена впервые для описания прочности пучка волокон. Если волокна не закручены и трение между ними пренебрежимо мало, то модель справедлива с большой степенью точности. При необходимости можно учесть и то обстоятельство, что в действительности п — случайная величина. Однако при достаточно больших N это не внесет заметных изменений в результат. Хотя в основе модели Даниэлса лежит предположение о хрупком характере разрушения структурных элементов, ее следует отнести к моделям пластического типа. В самом деле, прочность образца по этой модели, как правило, имеет порядок средней прочности структурного элемента, а разброс прочности образца невелик. [c.128]

В основу многих исследований бьши положены зависимости, полученные Даниэльсом [235] и Колеманом [231, 232], которые связывают прочность пучков волокон с разбросом прочности исходных волокон. Основное предположение в этих подходах состояло в том, что прочность композита зависит только от свойств волокон. [c.33]

Так, например, для усов а-АЬОз Бреннер 1[27] установил, что их прочность при высокой температуре равна вв Q, где Q = l—0,llogi (/ — время в сек). Таким образом, если принять во внимание фактор времени 0 1, фактор разориентации 0 и фактор ослабления прочности пучка волокон а, то можно написать следующее выражение для прочности композиции [11] [c.171]

Ранее быДо предложено использовать в (2) и (4) вместо прочности отдельного волокна разрушающее напряжение пучка волокон. [c.130]

Существует интервал температур прессования, в котором понижение прочности борных волокон незначительно. Из сопоставления кривых на рис. 32следует,что понижение прочности композиций по мере повышения температуры прессования связано с разупрочнением волокон, которое обусловлено химическим взаимодействием. Особенно интенсивно это взаимодействие протекает при температурах выше 560° С. Пониженная прочность композиций, полученных при 480° С, обусловлена, по-видимому, недостаточно прочной связью между матрицей и волокном. Такая композиция работает как пучок параллельных волокон. Таким образом, для достижения максимальной прочности композиции в продольном направлении следует стремиться к созданию оптимальной связи слишком прочная связь, обусловленная интенсивным химическим взаимодействием, нецелесообразна, так как при этом снижается прочность волокон слабая механическая связь не обеспечивает надлежащей передачи касательных напряжений к волокнам. На поверхности вытравленных волокно бора обнаружен слой продуктов химического взаимодействия. На рис. 33 приведена серия микроструктур, полученных с помощью сканирующего микроскопа [c.79]

Из табл. 23 видно, что наиболее высокую прочность (148кгс/мм ) имели образцы с матрицей из нелегированного магния. По расчету прочность сухого пучка при содержании 67 об. % волокна должна составлять 134 кгс/мм Таким образом, прочность образцов превышает прочность пучка на 10%, и в данном случае коэффициент эффективности матрицы равен 1,1. Введение в магний 9% алюминия приводит к сильной деградации волокон, и для партии образцов № 2 коэффициент р существенно меньше единицы. Однако если в эту же матрицу вводить борное волокно, предварительно покрытое слоем нелегированного магния, то, как это видно по результатам испытания партии кольцевых образцов № 8, коэффициент эффективности матрицы может быть значительно повышен. Полученные значения р = 1,16 свидетельствуют о том, что магниевое покрытие предохраняет бор от взаимодействия со сплавом, содержащим алюминий, а более прочная по сравнению с нелегированным магнием матрица вносит свой вклад в прочность композиции. [c.110]

Рис. 2.14. Прочность пропитанного пучка волокон (микропластика) в зависимости от относительного содержания в нем полимера [36].

Для композитов ЭБП эта способность матрицы перераспределять напряжения может увеличивать предел прочности слоя с ориентацией 0° при комнатной температуре на 21,5 % напряжения распределяются и между слоями с ориентацией 90° и 45°. Такое улучшение свойств впервые было отмечено Цаем, Адамсом и Донером, которые сравнивали прочностные характеристики сухого пучка волокон и такого же пучка волокон в матрице, определяя фактор эффективности матрицы р. Изменение фактора эффективности в зависимости от температуры для композита ЭБП приведено на рис. 20.13, а зависимость р от структуры (выкладки) композита приведена на рис. 20.14. [c.318]

Одна из трудностей контроля разрывной прочности композиций с короткими волокнами, в особенности стеклопластиков на основе хрупких волокон и хрупкой полимерной матрицы, обусловлено тем, что хаотически распределенные волокна пересекают поверхность, образующуюся при вырезке образца, неконтролируемым способом. Поэтому даже при использовании образцов, изготовленных прессованием или литьем под давлением и не требующих дополнительной механической обработки, волокна выходят на поверхность под различными углами, что приводит к большому разбросу получаемых результатов. Это особенно опасно, когда волокна (например, в полиэфирных премиксах) распределены не индивидуально, а в виде пучков, содержащих до 200 элементарных волокон, скрепленных между собой перед измельчением. В работе [58] было показано, чтто размеры начального дефекта в полиэфирных премиксах близки к длине пучков волокон. Для учета этих эффектов были предприняты обоснованные и успешные попытки применить подход механики разрушения к композициям с короткими волокнами. С помощью испытаний при растяжении и изгибе образцов с надрезом в работе [58] были определены эффективные коэффициенты интенсивности напряжений Ki для промышленных марок полиэфирных премиксов и препре-гов, а также для ряда смол, наполненных хаотически распределенными рублеными стеклянными волокнами. В случае полиэфирных премиксов корректные показатели К < можно получать, нанося надрезы достаточно глубокие, чтобы препятствовать случайному зарождению трещин в местах выхода пучков волокон на [c.103]

Рис. 11. Прочность пучка как функция коэффициента вариации прочности волокна (по Кортену) oh/o — отношение прочности пучка к средней прочности волокон в пучке

Механические свойства при растяжении в композициях с реакционноспособными матрицами из медных сплавов оказались ниже, чем в композициях с нереакционноспособной нелегированной медной матрицей. Падение предела прочности при комнатной температуре изменяется в пределах от 7 до 62%. Наибольшее снижение свойств возникает в результате взаимодействия, связанного с процессами диффузии и рекристаллизации. Взаимодействие второго и третьего типов (выделение второй фазы и образование твердого раствора) вызывает относительно небольшое снижение свойств композиционного материала. Наиболее сильный вред оказывают легирующие элементы, имеющие малую растворимость в вольфраме при температурах пропитки. Однако все добавки приводят к снижению механических свойств. Потеря свойств композиционного материала происходит при получении образцов вследствие взаимодействия, которое имеет место в течение 1 ч при 1200° С, когда пучки волокон подвергаются пропитке расплавленной матрицей. [c.247]

На пластичность матрицы оказывают воздействие сжимающие е окружающие волокна, а на поведении волокон сказывается способность матрицы передавать нагрузки волокнам очень небольшой длины. Разрушающее напряжение волокон в композиционном материале часто рассчитывается по прочности пучка, состоящего из параллельных волокон [23, 88]. Прочность пучка зависит как от средней прочности волокна и ее распределения, так и от длины базы испытуемых образцов. Эта прочность в качестве величины ар входила в расчеты, проводимые по уравнению (6) Шеффером и Кристианом [78], показавшие хорошие результаты. Хорошее совпадение с экспериментальными данными получены также при использовании значений только средней прочности, которые обычно выше прочности пучка [5]. Была предпринята попытка установить соотношение между лрочностью композиционного материала, свойствами входящих в него компонентов и его структурой с учетом влияния концентраторов напряжений. Повреждения в волокнах, расположенных произвольно в композиционном материале, служат локальными концентраторами напряжений, вызывающими разрушение композиционного материала [74, 75, 103]. Модель такого типа хорошо описывает прочность боралюминия, изменяющуюся с увеличением повреждений в виде надрезанных и разрушенных волокон, являющихся концентраторами напряжений [50]. В этой модели особо важной становится роль матрицы, благодаря ее способпости передавать напряжения через участки, окружающие поврежденное волокно. [c.461]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...