Волокнистые упругие композиты

ВОЛОКНИСТЫЕ УПРУГИЕ КОМПОЗИТЫ [c.195]

При разработке промышленных композиционных материалов следует ориентироваться на средние физико-механические показатели, приведенные в табл. 26.6 для композитов на основе стекловолокна и полиэфира. Прочность и модуль упругости композитов меняется в основном линейно с содержанием стекловолокнистого (или гибридного волокнистого) наполнителя. Подобные параметры для стекловолокнистых композитов представляют обычно в виде таблицы с указанием цены, массы, формуемости и качества поверхности изделий. Такие величины для основных видов АП можно найти в гл. 7. [c.501]

ЭФФЕКТИВНЫЕ МОДУЛИ УПРУГОСТИ КОМПОЗИТОВ С ВОЛОКНИСТЫМИ и ПЛАСТИНЧАТЫМИ НАПОЛНИТЕЛЯМИ [c.166]

Как указывалось выше, настоящая работа ограничивается рассмотрением линейно упругого поведения композитов при статическом нагружении. За исключением разд. II, где излагаются некоторые общие результаты, везде рассматриваются только волокнистые и гранулированные композиты. Чтобы ознакомиться с теорией слоистых материалов, читатель может обратиться к гл. 2. [c.66]

Равенства (10) и (II) выражают эффективные упругие свойства композитов. Так как коэффициенты и не известны заранее, приведенные выше результаты имеют ограниченное практическое значение они дают эффективные упругие модули композитов лишь тогда, когда можно каким-либо способом оценить величины и Возможны различные аппроксимации коэффициентов концентрации средних напряжений, и деформаций простейшие из них приводятся в разд. III для. гранулированных и волокнистых композитов с изотропными фазами. [c.70]

Модели, предлагаемые для определения коэффициентов концентрации средних напряжений и деформаций, а следовательно, и эффективных модулей волокнистых композитов, по существу, таковы же, как для гранулированных композитов. Однако анализ таких композитов сложнее, ибо они имеют большее число эффективных упругих модулей (предполагается трансверсальная анизотропия). Поэтому здесь приводятся только окончательные результаты исследований. Ради удобства эффективные модули снабжаются индексами L и Т. Индекс L относится к модулю Юнга вдоль волокон, а индекс Т к модулю поперек волокон. Индексы модуля сдвига р, определяют плоскость, в которой происходит сдвиг. Например, — эффективный модуль сдвига для деформаций в плоскости, перпендикулярной волокнам. Величина отрицательное отношение поперечной деформации к продольной при растяжении в продольном (поперечном) направлении. (Некоторые авторы дают разные определения величины v. p, поэтому читателю надо быть осторожным.) Коэффициенты Пуассона модули Юнга связаны соотношением [c.79]

Свойства волокнистых композитов при нагружении сжатием обнаруживают значительные отклонения от правила смеси [48, 66] так, у композита алюминий—нержавеющая сталь непосредственно после изготовления предел упругости выще в 2 раза, а предел микротекучести — в 5—8 раз (в зависимости от объемной доли упрочнителя). Диаграммы деформации композита алюминий—нержавеющая сталь при сжатии для различных значений объемной доли упрочнителя приведены на рис. 16. Показано, что разрушение происходит в фазе , т. е. путем сдвига (выгибанием), и. не связано с отслаиванием (отрывом) проволоки по поверхности раздела. В соответствии с этими данными был пред- [c.247]

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]

Трактовка микронапряжений в рамках классической теории упругости опирается на модель, изображенную на рис. 43. В такой постановке распределение остаточных микронапряжений было исследовано в [34]. Предполагалось, в частности, что матрица дала усадку на 1%, а волокна вообще не сократились. Это соответствует волокнистому композиту с эпоксидной матрицей, испытавшему после отверждения перепад температур примерно в 150° С. [c.156]

Развитие теории прочности даже для однородных изотропных материалов уже было трудной задачей. Она еще более усложняется, если материал анизотропен и состоит из двух разных материалов, которые, как правило, сильно отличаются по свойствам. Большинство теоретических работ но прочности волокнистых композитов устанавливает тот иЛи иной критерий для определения упругой прочности композита. Некоторые исследователи полагают, что все волокна имеют одну и ту же прочность, в то время как другие считают, что хрупкие волокна обладают статистическим распределением прочности. Материал матрицы рассматривается как упругий, или по крайней мере принимается, что его свойства не зависят от времени. [c.268]

Свойства бериллия также исследовались для определения возможностей его использования в качестве волокнистого армирующего материала для композитов с полимерной матрицей, если он сам имелся в достаточном количестве в форме пластичной проволоки. Высокий модуль (на 40% больше, чем у стали) и низкая плотность (на 30% меньше, чем у алюминия) сделали его привлекательным конструкционным материалом для авиации, и можно было надеяться, что пластичность проволок улучшит ударные свойства композита. В работе [62] опубликованы некоторые результаты по растяжению бериллиевой проволоки диаметром 0,005 дюйм. Она разрушалась вязко даже при комнатной температуре после удлинения примерно на 1—3%. Позднее [36] исследован более детально предел упругости проволоки и определено ее остаточное удлинение при различных уровнях нагружения. Кроме того, исследованы также свойства длительной прочности проволоки при комнатной температуре. Данные показывают уменьшение прочности с ростом продолжительности действия нагрузки, однако результаты имеют большой разброс. [c.278]

В настоящее время, по-видимому, нет другой теории, связывающей длительную прочность композиционных материалов, изготовленных из хрупких волокон и вязкоупругой матрицы, с вязко-упругими свойствами материала матрицы. Были предложены еще две теории (будут обсуждены позднее в настоящем разделе) для оценки длительной прочности волокнистых композитов, но они [c.294]

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]

Результаты испытаний по определению характеристик механических свойств бороалюминия при растяжении вдоль волокон приведены в табл. 8.2. На ряде образцов наблюдался подрост трещины, стартовавшей из области перехода сечений, перпендикулярно продольной оси образца, расслоение вдоль волокон и основной долом происходили уже в захватной части образца. Такой характер разрушения обусловлен концентрацией касательных напряжений в области изменения сечения. Результаты испытаний таких образцов не учитывались. Разрушающие напряжения и деформации определялись по максимальной нагрузке, модуль упругости — по углу наклона диаграммы деформирования на линейном участке. Отметим, что существенный разброс значений прочности является характерной особенностью волокнистых композитов с высокой степенью армирования — поданным [1], коэффициент вариации прочности бороалюминия может достигать 21...23 % при объемном содержании волокон 54 %. [c.234]

Однонаправленный волокнистый композит. Расчетные значения эффективных технических постоянных композитов с квазипериодической структурой приведены в табл. 4.1. Для композитов с содержанием волокон С/ = 0,4, 0,55 и 0,70 даны значения эффективных упругих постоянных волокнистого композита с периодической структурой (когда параметр структуры к равен нулю) [11, 16] и относительные отклонения от этих значений для композитов с различной степенью разупорядоченности структуры (к = 0,7 и к = 1), вычисленные с использованием формул (4.34) и (4.38) в сингулярном приближении метода периодических составляющих. [c.82]

Рассмотрим результаты численного решения задачи о закритическом деформировании волокнистого композита тетрагональной периодической структуры с упругими волокнами и упругопластической маг трицей при нагружении в поперечной плоскости. Краевая задача для ячейки периодичности, состоящая из уравнений равновесия (9.43) при отсутствии массовых сил, геометрических соотношений (9.42), определяющих уравнений (9.20) для матрицы при активном нагружении (Х = 1) и линейных соотношений связи приращений напряжений и деформаций для волокна и при разгрузке матрицы (х = 0), а также граничных условий [c.261]

С каждой неоднородной средой теория эффективного модуля связывает некоторую эквивалентную однородную среду. При этом, если все компоненты композита являются изотропными, эквивалентная среда оказывается, вообще говоря, анизотропной. Так, для слоистого композита эквивалентная среда, как было установлено в гл. 5, является трансверсально изотропной, а для волокнистых однонаправленных композитов и композитов с ортогональным армированием, как было установлено в гл. 6, эквивалентная среда является ортотропной (с числом незаёисимых упругих постоянных от 6 до 9) или трансверсально изотропной. [c.234]

В данном томе излагаются методы определения характеристик материала по характеристикам его компонентов (теория эффективных модулей), анализируется линейно упругое, вязкоупругое и упругопластическое поведение композ1Щионных материалов, рассматриваются конечные деформации идеальных волокнистых композитов, описывается применение статистических теорий для определения свойств неоднородных материалов. Далее приводятся решения задач о колебаниях в слоистых композитах и о распространении в них воли, критерии разрушения анизотропных сред, описание исследования композиционных материалов методом фотоупругости. [c.4]

Некоторые примеры вычисления эффективных комплексных модулей были даны Хашином для гранулированных [46] и волокнистых [47, 48] композитов как при предположении о малости затухания, так и без этого предположения. Рисунки 9 и 10 показывают зависимости от частоты вещественных и мнимых частей комплексных модулей продольного сдвига Сд = Од 4- iG" полиизобутплена (при температурах выше Tg), армированного жесткими параллельными волокнами. График зависимости комплексного модуля сдвига (Уг = 0) от частоты взят из приведенных кривых, построенных Тобольским и Катсиффом [117]. Эти характеристики были получены с использованием упругого модуля сдвига Ga для так называемой модели цилиндрического массива [45] [c.154]

Покажем теперь, как проведенный выше анализ может быть применен к решению задачи для упругой кохмпозиционной среды. Для доказательства мы используем теорию эффективной жесткости Геррмана и Ахенбаха [53], в которой приближенным энергетическим методохм выводятся дифференциальные уравнения, учитывающие особенности структуры слоистых и волокнистых композитов. Рассмотрим, в частности, однонаправленный двухфазный композит, в котором поперечные волны распространяются в направлении волокон (скажем, в направлении оси х). Предполагается, что решение имеет вид [c.179]

В заключение коснемся работы Хегемира [52], в которой детально изучались стационарные и нестационарные колебания в слоистых и волокнистых композитах. В этой работе основное внимание уделяется анализу явлений рассеяния в упругих материалах, однако приводится и решение для нестационарных волн в вязкоупругих слоистых композитах, распространяющихся перпендикулярно слоям. Это решение было получено при помощи принципа соответствия и обращения преобразования Лапласа. [c.182]

Рис. 19. Кривые ползучести и упругого последействия для однонаправленных стеклоэпоксидных волокнистых композитов при 6 = 30°, температуре 73 1 °С и влажности 21 1%. Для случая (1) показаны теоретические результаты, полученные методом суперпозиции (косые крестики) и следующие из нелинейной теории (темные кружки). По оси абсцисс — время в часах, по оси ординат — деформация в процентах, значения напряжений в правой части рисунка указаны в фунт/дюйм . По данным работы [63].

Итак, три основные гипотезы, упомянутые выше, состоят в следующем во-первых, волокна распределены непрерывно-, во-вторых, волокна являются нерастяжимыми в третьих, композит в целом несжимаем. Малхерн и др. [22] использовали эти же гипотезы в своей теории, предназначенной для описания армированных волокнами пластических материалов. Все математические модели, основанные на этих трех предположениях, мы называем идеальными волокнистыми композитами независимо от того, является ли их поведение упругим, пластическим, вязкоупругим или каким-либо еще. Пипкин и Роджерс [26] показали, что многие особенности механического поведения подобных материалов не зависят от вида связи напряжений с деформациями. В настоящем обзоре мы сосредоточиваем наше внимание именно на таких общих характерных чертах. [c.289]

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]

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]

И ЭТО может обусловить увеличение поверхностной энергии [13]. Точные измерения действительной величины поверхности отсутствуют, так что вклад данного эффекта количественно не оценивал ся. Вряд ли, однако, он может быть определяющим в отношении вязкости разрушения. В металлах поле напряжений перед трещи-. ной приводит к локальному пластическому течению. Форма этой-так называемой пластической зоны изображена на рис. 14, а. В ор--тотропном материале, главная ось которого перпендикулярна тре- щине (например, в ориентированных волокнистых композитах), зона пластической деформации, соответствующая этому полю напряжений, более сжата, как показано на рис. 14,6. Олстер [30]i проверил это экспериментально, нанеся на композит бор алюми-ний до приложения нагрузки фотоупругое покрытие. Оказалось, что в этом композите волокна ведут себя вплоть до разрушения упруго, а матрица— упругопластически. Следовательно, матрица, [c.283]

В предыдущих исследованиях, о которых здесь упоминалось, материал матрицы предполагался упругим. Однако во многих практически важных случаях связующим является полимер с вязкоупругими свойствами, которые могут быть описаны соотношениями линейной теории вязкоупругости. Наличие разрывов в волокнах (вследствие их неравнопрочности) приводит к возникновению локальных сдвиговых напряжений в матрице, которые, как можно предположить, релаксируют. В результате все более длинные части волокон около разорванных концов не могут нести нагрузку. Такая последовательность разрывов, следующих один за другим, наводит на мысль о существовании временной зависимости процесса разрушения волокнистых композитов даже для однонаправленных, нагруженных в направленииТволокна. Дадим здесь краткий обзор модели Розена [56], на которой основывается и наша, с тем чтобы применить ее к анализу вязкоупругой матрицы. [c.286]

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]

Обсуждаются способы расчета эффективных вязкоупругих свойств композитов на основании свойств составляющих их компонент при помощи методов, рассмотренных в [1], а также в свете работ [2, 3] по стеклопластикам и работы [4] по стекло- и углепластикам на эпоксидных связующих. Как показано в [1], для области линейной вязкоупругости подобный расчет можно довольно легко выполнить при помощи известных численных или аналитических упругих решений. Для иллюстрации отдельных аспектов анализа вязкоупругих свойств композитов будем опираться на использованные в [2—4] уравнения микромеханики Халпина — Цая [5] для упругих однонаправленных волокнистых композитов. [c.181]

Подобный метод анализа остаточных напряжений следует, конечно, рассматривать как ориентировочный. Автору известна только одна экспериментальная проверка теории термореологически простых сред применительно к эпоксидным смолам при нестационарной температуре. Причем эксперимент был выполнен при постоянных напряжениях и при температуре значительно выше Tg [17]. Следовательно, насколько известно автору, точность расчета при помощи модели термореологически простой среды остаточных напряжений в полимерах, находящихся в условиях стеснения деформаций и охлаждаемых ниже Tg, неизвестна. Изменения Do и ао от температуры могут иметь значительный эффект, однако это до сих пор также не изучалось. Только в последнее время решению задачи определения остаточных напряжений в волокнистых композитах пока еще в упругой постановке стало уделяться серьезное внимание [18]. [c.195]

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]

Применение углеродных, стеклянных, арамидных и борных волокон, содержащихся в материале в количестве 50-70%, позволило создать композиции (табл. 1.1) с удельной прочностью и удельным модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов Кроме того, волокнистые композиты превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, вибро-устойчивости, пп-мопоглощению, ударной вязкости и др тим свойствам. [c.14]

Форм) ла (7,7) позволяет оценить величину модуля нор.мальной упругости однонаправленного волокнистого композита в направлении армирования по известным концентрация.м и модулям упругости матрицы и волокон [c.80]

Четьфе упругие константы Е , Еу , v , полностью описывают упругое поведение однонаправленного волокнистого композита при плоском напряженном состоянии. [c.82]

В общем случае диаграмма растяжения однонаправленного волокнистого композита (рис. 7.3) должна состоять из трех основных участков [ - матрица и волокна деформируются упруго П - матрица переходит в упруго-пластическое состояние, волокна продолжают дефор.миро-ваться упруго III - оба компонента системы находятся в состоянии пластической деформации. В зависимости от свойств компонентов композита участки И и III на кривой могут отсутствовать. [c.83]

Эффективные упругие свойства однонаправленных волокнистых композитов с квазипериодической структурой [c.83]

Таким образом, полученные результаты математического моделирования позволяют сделать вывод о возможности равновесного протекания взаимосвязанных процессов упругопластического деформирования и разрушения, сопровождаемых локальными явлениями упругой разгрузки и повторного нагружения, в структуре однонаправленных волокнистых композитов при заданных программах деформирования. Возникающая при зтом нелинейность диаграмм макродеформирования может быть на столько велика, что имеет место ниспадзг ющая ветвь, а значения компонент тензора макронапряжений могут не только снижаться до нуля, но и в отдельных случаях менять знак. [c.153]

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]

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]

Расчету эффективных модулей композита с включениями различных геометрических форм начиная с первой половины бО-х гг. посвящено значительное число работ (в основном советских и американских исследователей). В числе первых и простейших выражений для эффективных модулей композита с включениями цилиндрической формы зависимости, полученные в работах [2, 143]. Более точные результаты на базе решения задачи теории упругости для сред, армированных двоякопериодической системой параллельных изотропных цилиндрических волокон, получены Г. А. Ваниным [24]. Несколько позже подход, использованный в указанной работе, был развит на более общий случай полых волокон с покрытиями [25]. Далее приведем выражения пяти констант ионотропного волокнистого композита, полученные в упомянутых работах и использованные нами в качестве эффективных модулей исходного структурного элемента при решении частных задач рационального армирования конструкций. [c.29]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...