/
ISBN: 5-94836-032-6
Текст
материя
и техно
Ф МЭТТЬЮЗ
Р РОЛИНГС
Композитные
материалы.
Механика
и технология
о л о ги й
Ф МЭТТЬЮЗ, Р РОЛИНГС
Композитные
материалы.
Механика
и технология
Перевод с английского
С.Л. Баженова
Рекомендовано Институтом
химической физики РАН
в качестве учебника для студентов
физических и материаловедческих
специальностей
ТЕХНОСФЕРА
Москва
2004
федеральная программа "Культура России"
Поднрограч.ча "Поддержка полиграфии и книгоиздания России")
ф Мэттьюз. Р Ролингс
Композитные материя ты
Механика и технология
Т^Гферя.2004 - 408с ISBN 5-94836-032-6
Первый учебник по композитным материалам на русском языке
Рассмотрены особенности механического повеления и технологии по-
тхяения композиционных материалов на основе керамических, поли
мерных и металлических матриц Анализируются композиты, усиленные
непрерывными и короткими волокнами, а также наполненные компо
зиты Большое внимание уделено механизмам разрушения влиянию ок-
ружающей среды и vcraiocTHoMV поведению композитов
Написанная известными специалистами в области материаловедения
книга полезна всем кто интересуется вопросами механического по-
ведения композиционных материалов — научным и инженерно техничес-
ким работникам, аспирантам студентам старших курсов университетов
ISBN 5-94836-032-6
ISBN 1 85573 473 7 (англ.)
ORIGINAL ENGLISH LANGUAGE
EDITION PUBLISHED BY
Woodhead Publishing Limited,
Abington Hall,
Abington Cambridge CB1 6AH, England
© 1999 All Rights Reserved
© 2004 ЗАО «РИЦ «Техносфера»
перевод на русский язык,
оригинал-макет, оформление
Предисловие авторов 1।
Предисловие редактора перевода 12
Глава 1.
Обзор 13
1 1 Введение 13
12 Определения и классификация 16
13 Композиты в природе 21
1 4 Матрица и волокно 22
1 5 Факторы определяющие свойства композита 26
1 6 Преимущества композитов 28
Литература 36
Общая 36
Специальная 37
Задачи 37
Глава 2.
Волокна н граница раздела волокно—матрица 38
2 1 Введение
2 2 Натуральные волокна
2 3 Искусственные волокна
2 4 Искусственные органические волокна
2 4 1 Арамидные волокна
2 4 2 Полиэтиленовые волокна
2 5 Искусственные неорганические волокна
2 5 1 Стеклянные волокна
2 5 2 Волокна окиси алюминия
2 5 3 Борные волокна
2 5 4 Углеродные волокна
2 5 5 Волокна на основе кремния
2 6 Частицы и усы
2 7 Граница раздела
2 7 1 Смачиваемость
2 7 2 Межфазная связь
2 7 3 Методы измерения адгезионной прочности
Литература
Общая • .....
Специальная
Задачи • '
38
38
41
44
44
48
49
49
51
54
55
64
67
68
71
72
76
82
82
83
83
Otjoeiei<ue
So—ые материалы с металлической матрицей
3 I Введение
3 2 Технология изготовления
3 2 I Твердофазное формование
3 2 2 Жидкофазное формование
3 2 3 Осаждение
3 2 4 Создание композита методом in situ
3 3 Реакции на границе раздела
3 4 Свойства металлокомпозитов
3 4 I Физические свойства
3 4 2 Механические свойства
3 5 Примеры металлокомпозитов
3 5 I Мулыпифиламентпые сверхпроводники
3 52 Алюминий усиленный частицами карбида кремния
Литература
Общая
Специальная
Задачи
Глава 4.
Композиты с керамическом матрицей
4I Введение
4 2 Блочные керамики
4 2 I Технические керамики
4 2 2 Стекла
4 2 3 Стеклокерамика
4 3 Технология получения композитов
4 3 I Прессование смеси
4 3 2 Формование из раствора
4 3 3 Жидкофазная технология
4 3 4 Золь-гель технология
4 3 5 Осаждение из газовой фазы
4 3 6 Процесс Ланксида и методы m srtu
4 4 Свойства композитов
4 4 2 Композиты ° МаЛ>ИиСЙ 0КИСИ алюминия
44 3 кими матрицами
УглеР°л Углеродные композиты
Литература
Общая
Специальная
Задачи
84
84
85
85
88
91
93
93
97
97
99
111
111
115
118
118
119
119
120
120
122
122
123
126
127
127
127
130
131
131
133
135
135
143
150
163
163
164
165
Глава 5.
Композиты на основе полимерных матриц 166
51 Введение 166
5 2 Полимерные матрицы 167
5 2 1 Термореактивные смолы 167
5 2 2 Термопласты 173
5 2 3 Каучуки 177
5 3 Технология получения армированных пластиков 179
5 3 1 Ручная укладка 179
5 3 2 Прессование 180
5 3 3 Намотка 185
5 4 Свойства армированных пластиков 187
5 4 1 Волокнистые композиты на основе
эпоксидных смол 187
5 4 2 Композиты на основе матрицы ПЭЭК 194
5 4 3 Композиты на основе каучука 199
Литература 199
Общая 199
Специальная 199
Задачи 200
Глава 6.
Жесткость и прочность
6 1 Введение
6 2 Нагрузки и деформации
6 2 1 Нагрузки
6 2 2 Структурные объекты
6 2 3 Деформации
6 3 Напряжения и деформации
6 3 1 Напряжение
6 3 2 Деформация
6 4 Связь напряжения и деформации
6 5 Изгиб пластин
6 6 Изотропные материалы
6 7 Главное напряжение и деформация
6 8 Тонкостенные цилиндры и сферы
6 8 1 Цилиндр с закрытыми концами
6 8 2 Сфера
6 9 Критерий разрушения
Литература
Задачи
201
201
201
201
201
202
202
202
205
205
207
208
209
212
212
212
214
214
214
Глава 7. Жесткость композитов 7 2 СмтХви «напряжение-деформация» 7 3 Внеосевое нагружение 7 4 Жесткость ламинатов 7 5 Матрицы А В и D 7 6 Использование определяющих уравнений Литература Общая Задачи Глава 8. Микромеханизмы разрушения 8 1 Макромеханика и микромеханические модели 8 2 Модели микроструктуры 8 2 1 Продольная жесткость 822 Поперечная жесткость 823 Модуль сдвига 8 2 4 Коэффициент Пуассона 8 3 Моделирование прочности 8 3 1 Продольная прочность (й|т) 8 3 2 Прочность при продольном сжатии (<71С ) 8 3 3 Прочность при поперечном растяжении (<Г2Т) 8 3 4 Прочность при поперечном сжатии (д1с ) 8 3 5 Разрушение при внутрислоевом сдвиге (т12) 8 4 Влияние температуры и влаги Литература Общая Задачи Глава 9. 215 215 216 219 227 234 237 238 238 238 239 239 239 239 241 243 244 245 245 248 249 251 251 252 253 253 253
Прочность композитов 9 1 Введение 9 2 Прочность стоя 9 2 1 Критерии предельного состояния 9 2 2 Критерий ЦаяХилла 9 3 Прочность ламината 9 3 1 Инициация разрушения о д9п 2 КатастР°*ическое разрушение 9 4 Дополнительные факторы 9 4 1 Влияние температуры и влаги >42 Краевые напряжения 254 254 255 255 259 263 263 265 267 267 267
Глава 10.
Композиты, армированные короткими
волокнами
10 1 Введение
10 2 Преимущества коротковолокнистых
композитов
269
269
10 3
10 4
10 5
10 6
10 7
Длина волокон
Ориентация волокон
Распределение напряжения в волокнах
Критическая длина волокна
Жесткость и прочность
10 7 1 Жесткость
10 7 2 Прочность
Литература
Общая
Специальная
Задачи
Глава 11.
Механика разрушения
11 1 Введение
11 2 Энергетический анализ
113 Концентрация напряжения
11 4 Дополнительные параметры, характеризующие
вязкость разрушения
114 1 Зона предразрушения
114 2 Раскрытие трещины
11 5
11 6
117
11 8
269
270
272
278
280
286
286
291
300
300
300
301
302
302
302
305
Инициация разрушения
Удар
Медленный рост трещины
Механизмы диссипации энергии
118 1
118 2
1183
1184
118 5
1186
1187
118 8
Введение
Искривление фронта трещины
Отклонение плоскости трещины
Отслоение волокон
Извлечение волокон
Запаздывающая диссипация энергии
Микрорастрескивание
Фазовый переход
Литература
Общая
Специальная
Задачи
308
308
309
311
312
314
318
318
318
320
322
323
326
327
329
330
330
331
331
Глава 12.
Ударная стойкость 332
12 1 Введение 332
12 2 Ударные испытания 332
12 3 З'дарное повреждение 334
12 4 Остаточная прочность 338
12 5 Эпоксидные и термопластичные матрицы 342
Литератсра 342
Специальная 342
Задачи 342
В 1 Введение
В 2 Методы испытания
13 з Однонаправленные композиты
В 4 Многослойные ламинаты
В 5 Влияние частоты
В 6 Влияние свободных краев
и концентраторов напряжения
13 8 Композиционные материалы на основе ткани
139 Гибридные композиты
13 10 Влагопоглошение
1311 Влияние ультрафиолета и кислот
1312 Влияние среды
Литература
Общая
Специальная
Задачи
Глава 14.
Соединение деталей
14 1 Введение
142 Механическое соединение
14 2 1 Механизмы разрушения
14 2 2 Соединительные элементы
14 2 3 Прочность при смятии
14 2 4 Сравнение металлов и композитов
14 2 5 Влияние количества отверстий
14 26 Анализ полей напряжения
14 3 Клеевые соединения
14 3 1 Механизмы разрушения
343
343
343
344
347
348
349
350
350
351
352
353
353
354
354
354
354
. 355
. 355
356
. . 356
359
360
361
363
364
364
364
14 3 2 Обработка склеиваемых поверхностей 365
14 3 3 Анализ распределения напряжения 365
14 3 4 Результаты испытаний 36g
14 3 5 Свойства адгезива 36g
14 3 6 Общие соображения при проектировании 369
14 4 Ремонт 37Q
14 4 1 Введение 379
14 4 2 Методы ремонта 370
14 4 3 Починка при помощи болтового соединения 372
Литература 373
Специальная 373
Задачи 373
Глава 15.
Методы неразрушаюшего контроля 374
15 1 Введение 374
15 2 Ультразвуковые методы 375
15 3 Рентгеншрафия 381
15 4 Вибрационные методы 386
15 4 1 Общие методы 386
15 4 2 Локальные методы 387
15 5 Тепловые методы 390
15 6 Акустическая эмиссия 391
15 6 1 Методы анализа сигналов 392
15 6 2 Локация источника микроразрушения 396
15 6 3 Акустоультразвук 397
Литература 397
Общая 397
Специальная 398
Задачи 398
Приложение
А1 Матрицы и детерминанты
А 2 Детерминанты
А 2 1 Вычисление детерминанта матрицы 2x2
А 2 2 Вычисление минора
А 2 3 Вычисление детерминанта матриц (3x3)
А 2 4 Правило Сарруса
А 3 Свойства матриц
А 3 1 Равенство матриц
АЗ 2 Сложение матриц
А 3 3 Умножение матрицы на число
А 3 4 Умножение матриц
А 3 5 Матричная форма записи системы уравнений
14 Ю Оглашение
I w,
A.3 6a Транспонирование матриц . 403
A 3 6 b Нахождение присоединенной матрицы 403
| A.’ 6C Обратная матрица 404
Предметный указатель 405
Список дополнительной литературы 407
Предисловие авторов
Настоящий учебник создан на основе курса лекций, читаемых в течение
многих лет в Центре Композиционных Материалов при Имперском Кол-
ледже Эти лекции были отредактированы и расширены авторами, кото-
рые желают поблагодарить коллег, внесших большой вклад в написание
лекций, а именно Доктора Дж М Ходжкинсона и Профессоров А.Дж
Кинлока, П Л Пратта и Дж Дж Вильямса (все из Имперского Коллед-
жа) Докторов П Т Куртиса и Д Дори fDERA Фарнборо) Без их заме-
ток эта книга не была бы написана
Цель книги состоит в изложении современного состояния науки и
технологии композиционных материалов В настоящее время наибо-
лее широкое распространение приобрели волокнистые композицион-
ные материалы на основе полимерных матриц, которые рассмотрены
очень подробно, однако две главы посвящены описанию композитов
на основе металлических и керамических матриц В книге описаны
методы вычисления жесткости и прочности и даны примеры использо-
вания этих методов для определения характеристик композитов В зак-
лючительных главах рассмотрены механические характеристики,
усталостные свойства и стойкость к действию окружающей среды, а
также методы неразрушающего контроля
РД Роулинг и ФЛ Мэттьюз
Имперский Колледж. Лондон
Предисловие редактора перевода
Гпиание нового класса материалов называемых композиционными. -
нз наиболее крупных достижении в области материаловедения за
последние десятилетия Большой интерес к этим материалам вызван вы-
соким уровнем их конструкционных свойств прочности жесткости,
жаропрочности усталостной (циклической) прочности и т д Одним нз
наиболее важных свойств композиционных материалов является их вы-
сокое сопротивление распространению трещин Это свойство позволяет
в новых конструкциях существенно повысить надежность н весовую
эффективность снизить материалоемкость кроме того возможно полу-
чить и другие преимущества
К настоящему времени на русском языке опубликовано несколько
монографий в которых рассмотрены свойства композиционных мате-
риалов однако все такие кнши рассчитаны на узких специалистов В
отличие от этих работ настоящая книга представляет собой первый
учебник по композиционным материалам, публикуемый на русском
языке Он рассчитан на студентов-материаловеде в а также инжене-
ров и ученых, желающих получить основы знаний о композиционных
материалах. Книга написана весьма просто и не должна вызвать зат-
руднений при чтении Несмотря на простоту изложения, она дает очень
качественное и вместе с тем широкое представление об изучаемом
предмете
Большим достоинством книги является то что в ней рассмотрены трн
основных класса композиционных материалов
1) армированные непрерывными волокнами
2) армированные короткими волокнами и
3) наполненные дисперсными частицами
Рассмотрены композиционные материалы на основе всех трех ос
™Г™’ а "МеНН0 металлических и кера
занной отечестве1,1,ь1х и зарубежных книг по ука
деталей из этихе Иеяосг,1точно «вешались технологии изготовления
ния об их с ЭТеРИЩЮВ а Пу6ликовались главным образом свеле-
не,юХ в нТ " Да'",аЯ Же С“'6оя™ °' т-Х
ион:йх~:не только “(в --
начиная с формования основиьТ™™ К0Мпгаишюннь1х «^Риалов,
чая технологией псиучеГХ^в
ГЛАВА 1
ОБЗОР
1.1. Введение
В настоящее время интенсивно ведется разработка легких, высоко-
прочных и неторогих конструкционных материалов В результате многие
материалы достигли предела своих свойств Как следствие, ученые,
перед которыми стоит задача существенного улучшения свойств, вы-
нуждены создавать принципиально новые материалы примером ко-
торых являются композиты
В действительности композиты — не такие уж и новые материалы
Композитами называют материалы, состоящие из двух или более ком-
понентов или фаз, а под эту классификацию подходят, например, из-
вестные древним цивилизациям саманные кирпичи, делавшиеся из
армированной соломой глины Бетон также подходит под это опреде-
ление поскольку он состоит из смеси камней, скрепленных цемен-
том Кроме того встречаются композиты и в природе, как. например,
кости, раковины моллюсков или древесина Свойства кости и древе-
сины будут обсуждаться ниже
В последние сорок лет происходил быстрый рост производства ис-
кусственных композитов на основе высокопрочных волокон и различ-
ных полимерных матриц Согласно прогнозам, их производство будет
возрастать н далее (рис I )). причем будет увеличиваться относитель-
ная доля композитов на основе металлов и керамик
Рис. 1.1. Схематическая диаграмма, иллюстрирующая изменение относительной роли четырех основных типов конст-
рукционных материалов (керамик композиционных материалов полимеров и металлов) с течением времени Шкала
времени нелинейная (Ashbv 1987)
Развитие инженерным мягориялоя
Толчком к развитию композиционных материалов явилась разра-
ботка в начале 1960-х годов углеродных волокон в Великобритании и
борных волокон в США Эти волокна имеют высокий модуль упруго-
сти, и их появление привело к существенному увеличению жесткости
композитов по сравнению со стеклопластиками и расширило область
их применения Одним из ключевых преимуществ композитов по срав-
нению с традиционными материалами явились высокие удельная проч-
ность и жесткость (параграф 1 6) Использование этих материалов в
авиации стимулировало их применение в других областях, например,
в спортивной технике Аналогично, разработка высокопрочных воло-
кон карбида кремния (SiC) и окиси алюминия (А12О3), сохраняющих
свои свойства даже при очень высоких температурах привело к разви-
тию композитов на основе металлических матриц и керамик.
Разработка композитных материалов требует знакомства с несколь-
кими смежными науками Например, для создания коррозионно-стой-
1 С авторами вряд ти можно согласиться Они переоценивают роль английс-
ких и американских ученых в создании нового класса материалов - компози-
ционных материалов Создание современных композиционных материалов на
взгляд переводчика имело несколько основных ступеней
1 «Стихийное» создание композиционных материалов типа саманного кир-
пича
2 Создание фанеры и ее авиационного варианта, называемого дельта-древе-
синой Фанера является искусственным многослойным композиционным
материалом состоящим из однонаправленных слоев натуральной древе-
сины
3 По видимому главной ступенью создания современных композиционных
материалов следует считать создание А К Буровым и его сотрудниками в
конце 30-ых годов однонаправленного стеклопластика состоящего из не-
прерывных стеклянных волокон и полимерной матрицы В отличие от
дельта-древесины, стеклопластик является искусственным материалом, сде-
ланным нз искусственных волокон и искусственной матрицы
4 Создание Буровым стеклянных волокон специально для создания компози-
ционных волокон В конце Второй Мировой войны пластины из стекло-
пластика использовали в авиации вместо дефицитного в СССР алюминия
В Великобритании аналогичные работы были начаты примерно на 15 лет
позднее, а вскоре после этого — и в США
5 Создание нового типа волокон (углеродных) в Великобритании специаль-
6
7
но для композиционных материалов
Разработка новых замаслнвателей для покрытия волокон
Применение разработанных волокон для создания композиционных ма
риалов на основе керамических и металлических матриц
В настоящее время исследование свойств композитов стало отдельной наукой,
которой посвящены более десяти научных журналов. По мнению -«ж
по своему значению разработка современных композиционных ч* >.
XX веке может быть сравнима лишь с созданием ралио, взрывом атомной бом
Вы пуском ракеты, синтезом полимеров и созданием мл*«
кото
ния
композитного материала нужно знание химии и материаловеде-
Пг^дание несущих конструкций из композита требует так-
же знаний Поэтому „ьнейшей разработки компози-
тов И Дивного проектирования игтелий из нттхнеобходимо чтобы
Гпеш™ разбирались во всех перечиненных областях знаний
1.2. Определения и классификация
Как было определено композиты состоят из двух или более отдельных
компонентов. Однако для того чтобы материал можно было считать
композитом должны выполняться три дополнительных условия Прежде
всего доля каждого компонента не должна быть ниже некоторого зна-
чения, равного скажем 5% Во-вторых свойства составляющих ком-
понентов должны существенно различаться Вследствие этого свойства
композитов должны заметно отличаться от свойств исходных компо-
нентов. Только при выполнении этих условий материал можно считать
композитом Поэтому например инженерные пластики содержащие
помимо полимера малые количества пластификаторов, красителей и
ультрафиолетовых стабилизаторов, данному определению не удовлет-
воряют и следовательно композитами не являются В-третьих искус-
стенные композиты обычно производятся путем смешения различных
составляющих компонентов Таким образом, сплавы, имеющие двух-
фазную микроструктуру которая образуется при их твердении из гомо-
генного расплава или при последующей термообработке в твердом со-
стоянии этому определению не удовлетворяют (рис | 2а) Однако если
керамические частицы каким-либо способом смешаны /
•пченный материал уже можно считать композитом (рис 1 2b)
На микроуровне композиты состоят нз двух и, к
компонентов. Непрерывная фаза которая ^Лее рапичнЬ1х
более высокую долю по объему материала
Часто ’но не всегда) имеет
называется матрицеи Час
Мучшенкя свойств матри-
сталлическую или поли-
то считается, что наполнитель вводят для
иы Композит может иметь керамическую,
мерную матрицу
Механические свойства этих трех классов ком
сличаются (таблица 1 1) Так полимеры име™ °В зна™тельно
сокую прочность и жесткость, керамики про^^^ьно „евы
металлы имеют промежуточные прочность *ССТКИ " хрупки,
же весьма пластичны м°ДУЛь упругости а так
Рис 1.2. (а) - Фотография микроструктуры отливки сплава Со-Сг-Мо-
Si (HaJsiead, Rawlings, 1986), (b) - сканирующая электронная фотогра-
фия алюминиевого сплава (2014), усиленного частицами карбида крем-
ния Белые частицы - вторая фаза в матрице алюминиевого сплава
(любезно предоставлено D J В Greenwood)
I
Второй компонент называют наполнителем или армирующей фазой,
роль которой состоит в увеличении механических свойств матрицы В
большинстве случаев наполнитель более прочен и имеет более высо
кую жесткость по сравнению с матрицей Однако имеются и исключе-
ния из этого правила, например, композиты, состоящие из керамики,
наполненной частицами пластичного металла, а также полимеры, на-
полненные каучукоподобными частицами Наполнитель в одном из
измерений, как правило, имеет небольшой размер, обычно менее 500
мкм а иногда и меньше микрона Форма наполнителя наряду с его
размерами является одним из основных параметров, определяющих
механические свойства композита Кроме размеров, на механические
свойства композита существенно влияет и форма наполнителя, части-
цы которого могут быть сферическими, кубическими, плоскими и тд
По форме различают два типа наполнителя - волокна и частицы Клас-
сификация композиционных материалов, основанная на этих призна-
ках, представлена на рис 1 3
В наполненных композитах частицы имеют приблизительно рав-
ные размеры во всех трех измерениях Размер частиц на рис 1 2Ь равен
приблизительно 10 микрон Распределение частиц, как правило, явля-
ется случайным (рис 1 4а), однако плоские частицы могут иметь ори-
ентацию. и это также используется для классификации
Волокна характеризуются длиной, которая, как правило, намного
превышает их диаметр, причем отношение длины волокон к их диа-
метру может сильно варьироваться Для получения композитов ис-
пользуют непрерывные или короткие волокна со сравнительно неболь-
шим отношением длины к диаметру (блок С) Короткие волокна могут
быть случайно ориентированными или иметь преимущественное на-
правление ориентации (рис 1 4Ь и 1 4с) Если непрерывные волокна
(рис I 4d) уложены в одном направлении, композит называют одно-
направленным Если в качестве наполнителя используют ткани, компо-
зиты называют двуосноармированными (рис 1.3, блок D)
Еще одним классом армированных композитов являются многослой-
ные композиты, которые делятся на ламинаты и гибриды (блок Е) Ла-
2 Интересно отметить, насколько различно роль матрицы понимают специа
листы в области композитов на основе керамических (металлических) и поли-
мерных матриц Согласно авторам настоящей книги, роль наполнителя состо-
ит в увеличении свойств матрицы Специалисты по композитам на основе
полимерных матриц считают, что функция матрицы состоит в склеивании в
локон Столь различное понимание отражает различную роль матрицы и вол-
КОН в этих композиционных материалах В армированных пластиках
компонентом являются волокна, а роль матрицы вторична, а в р Р°
металлах и керамиках - наоборот (Прим перевод)
Композиционные материалы
1 3 Композиты в природе
|а)
Рис 1 4. Примеры композитов (а) — наполненный случайно распреде-
ленными частицами (Ь) - однонаправленный, короткие волокна (с) —
случайно ориентированные короткие волокна, (d) - однонаправлен-
ный, непрерывные волокна
минаты состоят из нескольких однонаправленных слоев, уложенных в
различных направлениях и имеющих определенную последователь-
ность укладки слоев Обычно ламинат содержит от 4 до 40 слоев, ори-
ентация волокон в которых определенным образом изменяется по тол-
щине пластины К примеру, последовательная укладка слоев в двух
перпендикулярных направлениях создает поперечноармированный ком-
позит со схемой укладки 0/90°
Гибридами называют композиты, армированные волокнами различ-
ного типа В настоящее время гибридные композиты используются
довольно широко и экзотикой уже не являются Смешение различных
волокон может производиться как на уровне одного слоя, так и путем
чередовании слоев на основе различных волокон Гибридные компо-
зиты используют преимущества различных волокон Например, смесь
стеклянных и углеродных волокон позволяет создать относительно
недорогой композит, обладающий повышенной жесткостью, — благо-
даря низкой цене стекловолокон и высокой жесткости углеродных
волокон Некоторые гибриды наполняют одновременно волокнами и
частицами
1.3. Композиты в природе
Древесина является примером естественных волокнистых компози-
тов. Продольные полые ячейки древесины состоят из спиральных во-
локон целлюлозы (углы спирали могут быть различными). Эти волокна
соединяются лигнином. Примером удачного использования древеси-
ны является средневековый большой лук. В нем растягиваемая повер-
,агь из эластичной белой заболони (внешней части древе-
хность делалась из _ из темной иен1ра;1ьной части древе.
с’ииы' имеющей повышенную прочность при сжатии В результат.
изделие, имеющее замечательную прочность, гибкость и же.
"Т, также являются композиционным материалом, состоящим в|
основном из органических волокон, мелких неорганических кристал
тов воды и жиров Доли этих компонентов варьируются в зависимос-
ти от типа кости, вида животного и его возраста Типичная доля сухо-
го обезжиренного коллагенового волокнистого материала составляет
35 % веса кости
Коллаген - это фибриллярный белок, расположенный на внешней
поверхности волокон На микроуровне кость представляет собой ком-
позит на основе коллагеновой матрицы, армированной мелкими стер-
жнеобразными гидроксиапатитовыми кристаллами размером порядка
5 х 5 х 50 нм Этот композит является основным «строительным бло-
ком» кости На макроуровне различные типы костей являются компо-
зитами с различной укладкой коллагеновых волокон Так, во внутрен-
ней части кости волокна уложены беспорядочно, а во внешней — они
ориентированы и формируют слоистые ламели
Длинные кости, такие как бедренная, имеют внешнюю оболочку с
высокой плотностью и низким содержанием жира Такая костная ткант,
называется плотной или кортика,оной Кортикальная кость имеет хо
™ СВ°ЙСТВа * П₽0ЧН“;ТЬ пр“ " лежит в пре
делах 46-156 МПа, а модуль Юнга равен примерно 20 ГПа Внутри
кортикальной оболочки кости находится более мягкая и пористая Z-
бекуирная костная ткань Она имеет тпсумр™,,,,.. , ристая тра
узлы которой соединены стержнеобразным или ° ЭТУЮ структуру’
(РИС 15) Прочность при сжатии и^^ю’га э™ВЫМ Материа'1°м
стной ткани равен 5-20 МПа и 0 02 - 1 7 гп ” “ВУХ ™пов ко'
Можно привести и другие примеры естеегаенХ^омпГ™0
материалов, однако, древесина и кость весьма ™ композиционных
телями этого класса материалов Кроме тот Г Ыми "Рустави-
уровень свойств который Должнь/и^ ХХвХн ™
для того, чтобы конкурировать с естественными"ом™зигам ""“Я
1.4. Матрица и волокно
Ha-
Некоторые композиты имеют необычные физические свойства
пример, композиты состоящие из непрерывных волокон Nb $
зоной матрицы, являются сверпроводниками Однако т.,.' И Брон'
композитов имеют конструкционное назначение, и почт.
эт°му для них
Рис. 1.5. Сканирующая электронная фотография, демонстрирующая тра-
бекуллярную костную ткань (любезно предоставлено 1 М Thomas)
первейшее значение имеют механические свойства Заметим, что ме-
ханические свойства имеют большое значение даже для композитов
неконструкционного назначения По этой причине в этом разделе об-
суждаются механические свойства волокон и матрицы Свойства во-
локон и материалов в блоке, из которых получают волокна, приведены
в таблице I 2
Уже отмечалось, что волокна обычно делают из прочных и жестких
материалов Это подтверждается представленными в таблице 1 2 дан-
ными Можно задать вопрос, почему нельзя сразу использовать высо-
кую прочность и жесткость этих материалов в блоке, не делая из них
волокна Иногда так и делается - например, таковы изделия из кера-
мического карбида кремния (StC) и окиси алюминия (А12О3) Недо-
статком этих материалов является их хрупкость И хотя изделия из
керамики могут иметь относительно высокую прочность, для них ха-
рактерно внезапное разрушение Кроме того, прочность идентичных
Деталей из этих материалов часто сильно различается Разброс проч-
ности керамик обусловлен поверхностными дефектами, которые име-
ют различный размер Разрушение однородно нагруженного тела на-
чинается у самого крупного дефектом Чем больше дефект, тем ниже
Глава 1 Обзор
Модузн Юнга
ГПа МПа
2000
алюминия волокна (Saffl RF) 382 332
в блоке 290 3100
Углерод волокна (1М) 10 20
в блоке 76 1700
Стекло волокна (Е) 76 100
в блоке Полиэтилен волокна (S 1000) 172 0 4 2964 26
в блоке (ПЭВП) Карбид кремния волокна (MF) в блоке 406 410 3920 500
волокна и блочный материал испытывались на растяжение и изгиб соответ-
ственно
пряность образца (рис 16) Нечем меньше размер образца тем мень
ше размер дефектов и тем выше прочность Поэтому прочность мел-
кой керамической частицы или тонкого волокна выше, чем проч
ность большого образца из того же самого материала
Как будет показано в следующей главе, механические свойства во-
локон определяются их структурой Например, свойства органическо-
го арамидного волокна зависят от степени ориентации молекул Ана-
логично, прочность углеродных волокон сильно зависит от степени
ориентации кристаллитов графита вдоль оси волокна
При выборе типа армирующих волокон помимо их прочности
необходимо учитывать множество других свойств волокон Прежде
всего это гибкость волокон, от которой зависит их технологичность
Например, от гибкости волокон зависит, можно ли из них делап
ткань или нет Сама гибкость зависит от модуля Юнга и диаметра
волокна F
гибкость«------,
E(D
(11)
где Е( — модуль Юнга и D — диаметр волокна
Согласно уравнению (1.1), толстые волокна, сделанны
го материала, недостаточно гибки из жестко-
Ясно, что одиночные волокна не могут использоватъс
ционных целях из-за их малого диаметра Можно испол" 6 КОНС1РУК’
^“вать высо-
I 4 Матрица ц волокна
Длина трещины (мкм)
Рис. 1.6. Влияние длины трещины на прочность при разрыве хрупкого
материала. Напряжение при разрыве рассчитано по уравнению =
Уаа17 где = 10 МПа м12. ст - прочность, а — длина трещины, а
параметр Y, зависящий в общем случае от отношения длины трещины к
размеру образца, полагался равным единице
кую прочность волокон путем их переплетения и изготовления вере-
вок К сожалению, область такого применения волокон чрезвычайно
ограничена Кроме того, повреждение поверхности волокон заметно
снижает их прочность Но эти недостатки могут быть преодолены пу-
тем склеивания волокон При этом защищается поверхность волокон
и упрощается технология производства изделий Склеивающий мате-
риал является матрицей Объемная доля наполнителя в этом случае
ограничена множеством факторов Например, в случае наполненных
композитов содержание частиц обычно не превышает 40 % по объему
материала из-за технологических трудностей и хрупкости композита
при высоком содержании наполнителя Впрочем, современные техно-
логии позволяют создавать волокнистые композиты с более высокой
Долей волокон. Верхний предел степени армирования, равный при-
близительно 70 об %, ограничен необходимостью избегать взаимного
контакта волокон, который ведет к их повреждению1
Из наличия адгезии между волокном и матрицей следует, что при-
кладываемую нагрузку несут оба компонента Поскольку в большин-
стве случаев волокно имеет более высокие жесткость и прочность,
именно оно является основным несущим элементом Считается, что
функция матрицы состоит в передаче нагрузки волокну
1.5. Факторы, определяющие свойства композита
Технология изготовления композитов и их свойства в значительной
степени зависят от соотношения долей матрицы и волокон, а также их
свойств Соотношении количества матрицы и наполнителя обычно опи-
сывают их массовыми (и) или объемными (v) долями, причем чаще
используются объемные доли (глава 8)
Массовые и объемные доли волокон и матрицы определяются сле-
дующим образом
Объемные доли v, = Руи и v = VJV (1 2а)
Массовые доли w, = WJW< и = WJIV (1 2b)
Здесь V объем, ~ масса i nnnpvri-т m г
йлппкин „ * индексы m, f и с относятся к матрице,
волокну н композиту ихмветственно
Заметим, что выполняются соотношения
+ «„ = 1
cBJ-M образом, объемные и массовые
доли компонентов взаимо-
Масса к”------
РИЦЫ W = „ Поскольку масса'
w ~pv, имеем
композита равна сумме масс наполни™., ,
---- - аполнителя (волокон) и мат-
и ъем связаны соотношением
рХ = Р,И + р у
1 щ*
“ Р, И р„ - плотность волокон и матрицы
со°таетственно Аналогично,
р. р<(К/К) + р„(Ит/р) =
Р, V. + л v
1 г
(13)
65-70 о6$ является обычной
основе арамидных нХХХТ»“°' Сеченне- “Хть, по
кон (прим пер ) волокон, содержащие до ч?Мп°зиты на
%°6%воло-
Легко показать, что выполняются следующие равенства
1
Рс Р,+ Рт’ ° 4)
Ж ру р
W, = —L = £L_L = £lv
Wc РУ д '•
и аналогично
W -И'п'-РХ-./У.
" К ру^ р " (15)
Если известны удельная масса волокон и матрицы, с помощью приве-
денных соотношений можно перейти от массовых долей к объемным
и обратно
Согласно уравнению (1 3), плотность композита определяется сум-
мой удельных масс компонентов с учетом их объемных долей Этим
уравнением описывается не только плотность, но и некоторые другие
свойства композитов В общем виде это уравнение, называемое «ира-
еилом (или законом) смесей», выглядит так.
Л = *л + ^. (16)
где Хс — некоторая характеристика композита, v - объемная доля ком-
понента, а нижние индексы m и f относятся к матрице и волокнам
соответственно
Впрочем, поскольку взаимодействие компонентов обычно имеет
синергетический нелинейный характер, большинство свойств компо-
зитов описывается не относительно простым правилом смесей, а бо-
лее сложными функциями, зависящими от множества параметров
Особенно сильно на свойства композита влияют химические свойства
и прочность границы раздела между волокнами и матрицей Для пере-
дачи нагрузок от матрицы к волокну адгезионная связь должна иметь
достаточную прочность В то же время, чтобы композит был не слиш-
ком хрупким, граница раздела не должна быть излишне прочной (гла-
ва 11) В противном случае волокна не отслаиваются от матрицы, что
подавляет диссипацию энергии при отслоении и выдергивании воло-
кон, а значит, приводит к снижению энергии разрушения материала
Таким образом, адгезионная прочность должна иметь некоторую сред-
нюю, не слишком низкую и не слишком высокую, величину
Другие параметры также могут серьезно влиять на свойства компо-
зитов Прежде всего, это форма, размер, ориентация и распределение
волокон, а также некоторые характеристики матрицы, такие, как, на-
пример, размер ее зерна Вместе с объемной долей матрицы эти пара,
метры определяют микроструктуру композита
Следует отметить, что даже для тех свойств композита, которые
определяются микроструктурой материала и не описываются прави-
лом смесей объемная доля наполнителя является главным парамет.
ром А иногда ее считают и вовсе единственным параметром, опреде-
ляющим свойства композита При разработке материала следует
учитывать что технологически ее достаточно легко изменить и поэто-
му свойства композита могут варьироваться в зависимости от предъяв-
ляемых к ним требовании
При изготовлении материала серьезной технологической пробле-
мой является необходимость однородного распределения волокон по
объему материала В идеале, композит должен быть гомогенным Но
достигнуть этого довольно трудно Гомогенность - это характеристика,
определяющая степень отличия физических и механических свойств
некоторого малого объема материала от его средних свойств По воз-
можности неоднородности системы необходимо избегать, поскольку
она снижает прочность, определяющуюся самой слабой частью ком
позита — ведь разрушение начинается в наименее прочной области
материала
Ориентация наполнителя влияет на степень изотропии системы На-
полненные частицами композиты обычно являются изотропными, и их
упругие свойства одинаковы во всех направлениях Впрочем, даже если
частицы нс одинаковы по размерам, композит может вести себя как изот- ;
ройный материал Например, таков композит, армированный беспоря-
дочно ориентированными короткими волокнами (рис 1 4с) В некото-
рых случаях при изготовлении композита происходи! ориентация волокон
вследствие которой материал становится анизотропным (рис 1 7).
В некоторых композитах на основе непрерывных волокон, напри-
мер, в однонаправленных или поперечно-армнрованных, анизотро-
пия материала желательна, поскольку --------- -
г...~ армированных, анизотро-
пия материала желательна, поскольку волокна могут быть направле-
ны вдоль оси приложения внешней нагрузки Важнейшее преимущество
таких композитов состоит в возможности варьировать степень анизот-
ропии материала при помощи различных способов укладки слоев
Таким образом, свойства композитов определяются множеств м
факторов Это следует иметь в виду при изучении теооети...,-
лей Ж*..——----
лей поскольку многие из этих фактор.
- .... теоретически*
>ов моделями не vu J °Де'
^итываюгся.
1 6. Преимущества композитов
В наше время композиционные материалы довольно ширОк
зуются в конструкционных целях Первые композиты на ° Исполь"
^Нове поли-
Рис. 1.7. (а) фотография демонстрирующая изменение степени ори-
ентации коротких стеклянных волокон в матрице полнэфирэфнркето-
на по толщине прессформы (Ь) и (с) — демонстрируют возрастание
степени ориентации волокон при увеличении объемной доли наполни-
теля (а) н (с) - 18 об % стекловолокон (b) - 11 об % волокон (Fnednch
et al 1986) (MFD - направление течения расплава)
мерных матриц, применявшиеся в военной авиационной технике во
время Второй Мировой Войны4, начиная с конца 40-ых — начала 50-
ых годов использовались и в гражданских целях, особенно в корабле-
строении А сегодня армированные пластики широко используют в
авиационной и спортивной технике, автомобилестроении, электрони-
ке и медицине Широкое распространение получили и композиты,
наполненные минеральными частицами, благодаря более низкой сто-
имости наполнителя Области применения композитов на основе по-
лимерных матриц приведены в таблице 1 3
В последнее время вместо металлов стали широко использовать ар-
мированные пластики на основе термореактивных (эпоксидных и поли-
эфирных) и термопластичных матриц. Это обусловлено более высоки-
4 Стеклопластики использовались лишь в Советском Союзе, что было обус-
ловлено дефицитом алюминия, чего не было в Англин и США.
то Глава I Обзор
1Л_ „ —
_________—------ Примеры
Область техники
Аэрокосмическая
Автомобильная
Кораблестроительная
Химическая
Домостроение
-------гТ'Т^ТТнтенны хвосты самолетов вер-
крьыья Фюзеляж очнь|е механизмы сиденья,
TOTeTHB^SX панели топливные баки корпуса
Пр““нъ«телей, носовые обтекатели выхлоп
«mira такси антикрылья, кронштейны,
Хиборн» панели фары бамперы пластины пру-
хин шестерни подшипники
корпуса палубы мачты машинные кожухи внут
ренине панели
трубы цистерны сосуды внутреннего давления бун
керы, клапаны насосы рабочие колеса
внутренние и внешние панели, стулья столы, ван
ны души лестницы
Электротехника
Спорт И ОТДЫХ
панели корпуса, переключатели, изоляторы про-
ВОДНИКИ
корпуса двигателей дома-фургоны трейлеры. гольф-
клубы ракетки защитные шлемы лыжи луки для
стрельбы серфинги удочки каноэ бассейны трамп-
лины для прыжков, оборудование детских площадок
ми механическими свойствами композитов, определяемыми характе-
ристиками стеклянных, углеродных и арамидных волокон (таблица 1 2)
Сравнение таблиц 1 1 и 1 4 показывает, что по прочности и жестко*
сти армированные пластики в обшем-то не превосходят традицион*
ные материалы Более того, по сравнении с металлическими сплавами
зачастую они имеют меньшее удлинение при разрушении Главное же
преимущество армированных пластиков связано с их меньшей плот-
ностью р при одинаковой прочности и жесткости Это преимущество
композитов становится очевидным, когда рассматриваются модуль
Юнга и предел прочности материалов в расчете на единицу массы
Эш характеристики называют удыьным модулем упругости (£/„) и ,,л
нои прочностью (dT/p) материала Более высокие удельный ?
удельная прочность композитов означают, что, благодаря Ь1°ДУЛЬ И
ванию таких материалов общий вес изделия может бьщ, ВДольз°
Это особенно важно в космической и спортивной техн/ УМеиьшен
играет далеко не главную роль а также в движущихся е ГДе цена
портной технике где сокращение веса означает не гольк4”*'В 1,1анс“
эффективности, но н снижение энергозатрат и общей п Повышение
"оимости
1 4. Свойства органопластиков
а
S
Ц
h
вдоль волокон । 93
поперек । 93
Заметам что не всегда удельный модуль упругости и удельная проч
ность материала определяют его потенциальную эффективность Дей
ствительно величина удельного модуля позволяет сравнить материа
лы используемые для изготовления стержней, к которыь
прикладывается растягивающая нагрузка Если удлинение стержня н.
должно превышать некоторое критическое значение самым легкиь
будет стержень из материала с наиболее высоким удельным модуле»
Е/р Но с другой стороны при сжатии длинного стержня его несуща»
способность ограничена потерей устойчивости В этом случае нац
меньший вес будет иметь стержень изготовленный из материала t
наибольшей величиной FVp Наконец, если рассматривается изгиб
панели, то минимальный вес будет иметь панель с максимальной ве-
личиной FQ/p
Таким образом, не существует единственного показателя эффектив-
ности способного охарактеризовать материал Сравнивать материалы
необходимо при помощи диаграмм эффективности (рис 1 8), в которьо
I 6 Преимущества композитов 33
по одной оси откладывается одна характеристика материала (на рисун-
ке это модуль Юнга), а по второй - другая характеристика (плотность)
В данном случае используются двойные логарифмические координаты
На рис 1 8 представлены три определяющие линии, характеризующие
материалы при трех описанных способах нагружения Рассмотрим оп-
ределяющую линию вдоль которой величина Еы/р является констан-
той Эта тиния соответствует опертой панели нагруженной централь-
ной силой Изменение силы смещает эту прямую вниз или вверх по
диаграмме Все материалы которые лежат на рис 1 8 на данной прямой,
имеют одинаковую эффективность, эффективность же материалов, рас-
положенных выше этой линии более высока Положение на диаграмме
армированных пластиков по сравнению с полимерами показывает, что
по всем трем критериям композиты более эффективны А сравнение со
сплавами показывает, что большинство композитов имеет преимуще-
ство относительно определяющих линий Е'а/р и Ею/р, однако относи-
тельно критерия Е/р различия не столь выражены
Похожие диаграммы могут быть построены и для других комбина-
ций характеристик материалов, например, «прочность-плотность* или
«прочность—модуль Юнга» Все такие диаграммы демонстрируют пре-
имущество композитов по сравнению с другими материалами однако
представить их в данной книге не представляется возможным из-за
ограниченности объема В большинстве случаев удельная прочность и
удельный модуль достаточно хорошо описывают материал, однако
иногда нужно учитывать и другие показатели эффективности
При обсуждении характеристик керамик в блоке было отмечено,
что они имеют достаточно высокие прочность и жесткость, но излиш-
не хрупки (таблица 1 1) А вследствие хрупкости существует значи-
тельная вероятность катастрофического разрушения изделия, кроме
того, внешне идентичные образцы могут сильно различаться по проч-
ности Таким образом, одна из самых главных целей материаловедов
состоит в увеличении вязкости разрушения керамики с помощью ар-
мирования, и, как следствие, снижении чувствительности к трещинам
и более надежной работе под нагрузкой Как будет показано в главе
11, вязкость разрушения материала может быть охарактеризована кри-
тическим коэффициентом интенсивности напряжения Чем ниже
величина АГк, тем более хрупким является материал Таблица 1 5 ил-
люстрирует увеличение вязкости разрушения армированных компози-
тов на основе керамических матриц в сравнении с исходными керами-
ками Увеличение вязкости разрушения часто имеет большое зна гение,
например, при использовании хрупких материалов это позволяет сни-
зить вес изделия В данном случае эффективность материала описыва-
J4 Нава I Обзор
1итов с керамической матрицей
Таблица 1.5 Свойст компози __________
» Юнга Пронность.
ГПа М11а
МПам™
25% усов S.С
Боросиликатное стекло (пирекс)
Пирекс+40% AljO}*
ЛАС* стеклокерамика
ЛАС* +50% SiC*
Муллит
Муллит+20% усов S1C
340
390
86
135
ТОО 4,5
900 8.0
70 0,7
305 3,7
160 1,1
640 17,0
244 2,8
452 44
непрерывные волокна
» ддС - литайалюмосиликат |
<отя показателями М₽, V’/P " ^/Р параметры KJp и
характеризуют материал при растяжении и изгибе стержня соответ
ственно, а величина ~~ при изгибе пластины 1
Армированные керамики, кроме того, более прочны и жестки |
свойства с успехом используются для изготовления режущих инстру
ментов Резцы, изготовленные из армированной усами S1C окиси алю-
миния А12Оч имеют более высокую скорость резания и служат дольше
по сравнению со стандартными инструментами
Кроме того, для режущих инструментов, работающих на высоких
скоростях, важно сохранение свойств при больших температурах Теп
лостойкость конструкционных материалов снижается в ряду «керами
ка—металл—полимер» Значит, для успешного применения армирован
ной керамики при высоких температурах необходимо, чтобы введение
волокон не приводило к снижению механических характеристик По*
этому волокна должны иметь высокую теплостойкость и не слишком
активно вступать в химические реакции с матрицей В настоящее вре-
мя лучшие высокотемпературные характеристики имеют углерод-угле-
родные композиты, которые в инертной атмосфере могут использо-
ваться при температурах более 2000°С
Свойства металлов могут быть улучшены короткими или
чепрерыв-
ными волокнами а также частицами Наиболее часто с чтл» 1
лии целью ИС'
пользуют карбид кремния или окнсь алюминия И хотя в
время существует лишь несколько примеров промышлецноНаСГОЯШее
зования таких композитов (таблица 16), их разработка по ° ИСПОЛЬ‘
В последнее время происходит развитие транспоргцЬ1хЛ°ЛЖает1;я
которых применяют легкие металлы, особенно алюминнг средств’ в
1 и его ciuia-
Таблица 1.6. Некоторые примеры использования
ми и металлическими матрицами
композитов с керамически-
Область техники
Металлическая матрица
Применение
Керамическая матрица
Аэрокосм ичес кая Системы догорания топлива, тормоза теплозащита, носо- вые обтекатели стрингеры антенны
Автомобильная тормоза поршни
Машиностроение теплоизоляция режущий инструмент волочильные фильеры для производства проволоки
Электротехника Сверхпроводники, кон- такты проволока, электроды
Медицина протезы фиксирующие пластины
вы Модуль Юнга алюминия относительно низок и, следовательно,
его жесткость можно повысить армированием С другой стороны, боль-
шими достоинствами металлов являются их пластичность и высокая
деформативность, поэтому снижение этих свойств в результате арми-
рования крайне нежелательно Действительно, как следует из таблицы
1 7, армирование алюминиевых и титановых сплавов действительно
приводит к существенному возрастанию модуля Юнга, однако при этом
значительно снижается деформативность, т е деформация материала
при разрушении
Таблица 1.7. Свойства композитов с металлической матрицей
Модуль Юнга, ГПа Предел текучести МПа Прочность при растяжении, МПа Деформатив- ность. %
Al-Cu-Mg (26I8A) 74 416 430 2.5
Al-Cu-Mg +20% Al,О, 90 383 0,8
Al-Zn-Mg ~70 273 11,5
Al-Zn-Mg +25% A1J), 80+ 266 1,5
Титан 120 200 400 25
Титан+35% SiC 213 1723 <1
Ti-Al-V 115 830 1000 8
Ti-AI V+35% SiC 190 1434 0,9
Глам 1 Обзор
- его наполнителя чаше всего используют S.C
в качестве Дикость Введение этих волокон пр4
МО имеюшие высо|С| 10 ТС''!'*^к0СТи материала эта особенность а^
вол,т к возрастанию в дизельных двигателях Вообш*
мированных основе металлической матрицы, п,
первой «™ЬЮИЗ"Хтао была композитная вставка в пор
Рис 19. Композитная вставка (выглядит черной) в поршень дизельного
двигателя (любезно прелоставлено An Metal/Toyota)
Заметим что композиты основные преимущества которых опреде-
ляются физическими характеристиками, производились и раньше
Например серебро и медь наполненные частицами вольфрама или)
молибдена используются для изготовления контактов мощных элект-
ропрерывателей Материал контакта имеет высокие теплопроводность
и электропроводность которые обеспечивает металлическая матрица,
а также относительно высокую температуру' плавления, низкий коэф-
фициент трения и высокую износостойкость - благодаря твердост
коротких керамических волокон Эти композиты используются также
в качестве электродов для сварки
Литература
Общая
Agarwal В D and Broulman L. J (1990) Analysis and Perfn™,
Composites, 2nd edn John Wiley and Sons. nuance of Fibre
Chawla, К- K. (1987) Composite Materials, Spnnger-Verlag
Hams В (1986) Engmeenng Composite Malenals Institute of Metals
Задачи yf
Специальная
Ashby М F (1989) On the Engineering Properties of Materials Acta Metal), 37
1273
Ashby M F (1987) Technology of the 1990 advanced materials and predictive
design Phil Trans R Soc Land , A322. 393
Fnednch К Walter R. Voss, H and Karger Kocsis J (1986) Composites, 17
205
Halstead, A. and Rawlings R. D (1986) Inst Phys Conf Ser No. 75 Ch 10. p. 989
Hull D (1981) An Introduction to Composite Materials. Cambridge University
Press.
Задачи
1 1 Сравните механические характеристики трех основных классов
конструкционных материалов — керамик, металлов и полимеров
Как частицы и волокна влияют на свойства этих материалов9
I 2 Объясните, какие композиционные материалы Вы использовали
бы для изготовления следующих деталей
(а) стрингеров, несущих растягивающую нагрузку при комнат-
ной температуре в транспортной технике,
(Ь) высокоскоростного режущего деревообрабатывающего инст-
румента,
(с) детали вакуумной печи, работающей при 2100°С,
(d) детали дизельного двигателя, работающего в условиях износа.
Таблица 2 I Состав и свойства некоторых натуральных волокон (Hodgson,
ГЛАВА 2 ВОЛОКНА И ГРАНИЦА РАЗДЕЛА ВОЛОКНО-МАТРИЦА 2.1. Введение Как было описано выше, существует два основных класса композиций онных материалов - волокнистые и дисперсно-наполненные В пос леднее время большее внимание уделяется разработке и исследовании волокнистых композитов Общий путь разработки волокнистых ком позитов состоит в создании новых высокопрочных волокон, по воз 1489)
Плотность Целлюлоза Хемицемюлоза Лигнин т/м’ % % % , е 40 “>0 20 ДеР™ 5 14 14 ДЖУГ ' 71 22 ’ Пенька Сизаль 0 7 74
Модуль Прочность Удельный Удельная . МПа модуль прочность ’°”” ГПа/(т/м’) МПа/(т/м’) ; S7 - Пенька 460 757 Сизаль П 530 24
обеспечивающей требуемые свойства материала Дш комп0^
пользуются и натуральные волокна, особенности которых будут
рогко описаны ниже, однако основное внимание в этой главе уд
разработке, структуре и свойствам искусственных волокон Своист э
наполненных композитов обсуждаются на примере материала, Уси
ленного частицами карбида кремния Кроме того, обсуждаются осо
бенности поведения межфазной границы включая смачивание, при
роду адгезионной связи и методы измерения адгезионной прочности
2.2. Натуральные волокна
Читателю наверняка знакомы различные натуральные волокна, широко,
используемые при производстве тканей и веревок, такие, например,
как волокна хлопка, шелка шерсти, джута и льна Они могут имет»
животное или растительное происхождение причем растительные во
зокна сами по себе являются композитами, состоящими из микрофиб
риал целлюлозы а также аморфной матрицы лигнина или хемицеллю-
лозы (таблица 2 1) Отношение длины к диаметру этих волокон очень
велико (больше 1000), их прочность и жесткость по сравнению с совре
менными искусственными волокнами невысоки (таблицы 21 и 2 2)
В синтетических композитах используются и растительные
на, однако наиболее широко распространенными нагура_11Ьнь1
локиами является асбест Асбест - это обобщенное название
ликатных волокнистых минералов, обычно его получают Рада си"
из хризотила
имеющего химическую формулу
волокон длиной
прочных (табли-
- минерала группы серпентина
Mg,Si2Os(OH)4 Он встречается в виде шелковистых
до нескольких сантиметров, очень гибких, жестких и
на 2 3)
Другие формы асбеста используется гораздо реже Из них наиболее
известен кроцидолит, называемый также синим асбестом Волокна си-
него асбеста не очень длинные, имеют высокую жесткость и проч-
ность Их недостатком является недостаточная гибкость (таблица 2 3)
Асбест часто используется в сочетании с цементными и гипсовыми
матрицами Он не корродирует даже под действием наиболее хими-
чески активных цементов как при их таердении, так и в течение всего
срока эксплуатации, если температура не превышает 600 и 400°С для
хризотила и кроцидолита соответственно Большим недостатком асбе-
ста является его опасность для здоровья, допустимая концентрация
асбеста в воздухе во многих странах ограничена Так, в Великобрита-
нии ПДК (предел допустимой концентрации) равен двум волокнам на
миллилитр воздуха для всех форм асбеста, за исключением кроцидо-
лита (его допустимая концентрация еще ниже, 0,2 волокна на милли-
литр) Поэтому, несмотря на высокие механические, физические и
химические свойства асбеста, область его использования постепенно
снижается В настоящее время интенсивно ведется поиск волокон,
способных заменить асбест
I
I
40
Глава 2 Волокна и граница раздела волокно-матрица
2 3 Искусственные волокна 4 [
Таблица 2 3. Свойства волокон асбеста.
Свойство Хризотил Кроцидолит
Модуль Юнга ГПа 160 190
Прочность при растяжении МПа 3100 3500
Плотность, т/м’ 2 56 3.43
Удельный модуль, ГПа/(т/м’) 62 5 55 4
Удельная прочность МПа/(т м ) 1211 1020
Максимальная рабочая температуры °C 600 400
2.3. Искусственные волокна
Сейчас разработано большое количество искусственных волокон, ис-
пользуемых в композиционных материалах типичные характеристики
таких волокон приведены в таблице 2 2 Нужно заметить, что приве-
денные значения жесткости и прочности имеют оценочный характер,
ведь даже соседние волокна в одной комплексной нити имеют значи-
тельный разброс свойств Если же волокна получают в различных тех-
нологических процессах, их микроструктура и свойства отличаются
еще сильнее Кроме того, прочность волокон может снижаться при
транспортировке хранении и в процессе производства композицион-
ных материалов Как показано в параграфе 1 4, прочность волокон
снижается при увеличении диаметра и длины волокна, что также при-
водит к разбросу прочности (рис 2 1)
Большинство искусственных волокон деформируется линейно-уп-
руго (рис 2 2) Вследствие этого их деформация при разрушении свя-
зана с прочностью соотношением e=oTf/Er где и £f ~ предел
прочности и модуль Юнга соответственно Исключением являются
арамидные волокна, в некоторых марках которых перед разрушением
образуется шейка
Как уже было сказано, одной из наиболее важных характеристик
волокна является удельный модуль упругости, и поэтому' в таблице 2 2
волокна расположены в порядке его увеличения Заметим, что поря-
док следования волокон изменится, если вместо высокомодульных
(ВМ) углеродных волокон взять высокопрочные (ВП) углеродные во-
локна В таком случае углеродные волокна окажутся выше борных
Тем не менее, данная таблица дает довольно точное представление о
соотношениях свойств различных волокон Помимо удельного модуля
Упругости в таблице представлены и другие показатели эффективнос-
ти Обратим внимание, что порядок следования волокон может изме-
Глава 2 Волокна
“ граница раздела воЛок
ма три
о
<Ь)
,F«- 2.1.
средний
диаметра
3
Диаметр
В°ЛОКОН
(а) —
««аме^^даление вд.п
5 е~ , —
" а»«».«ь„я (ВМ1)
г°л1цине
н°сщ от
ниться, если их расположить в порядке возрастания другого показате-
ля эффективности. Механические свойства различных волокон можно
описать графиком (рис. 2 3), на котором по одной оси отложена удель-
ная прочность, а по второй - удельный модуль упругости
Заметим, что технология получения волокон, особенно высокомо-
Дульных, зачастую компаниями-производителями не раскрывается
Поэтому ниже будут даны лишь общие представления о технологии
производства, структуре и свойствах волокон. Волокна одного типа про-
изводят различные компании, и подробное обсуждение их особеннос-
тей выходит за пределы возможностей данной книги В связи с этим на
рис 2.3 свойства различных волокон представлены интервалами, даю-
щими представление о диапазоне их свойств, преимуществах и недо-
статках
„ „ ,, ,„аница раздела волокно матрица
Глава 2 Волокна и границ р
Таблица 2.4. Свойства
синтетических органических волокон
3000
ГП
i
1 I
= 1000
Стеклянные
11 Асбестовые
Борные
Окись алюминия
Углеродные
о । 1 u—1—1—и—1—1----~—
20 60 100 140 200
300
Удельный модуль упругости Е/р (ГПаДт/м3))
Волокна
Плотность
Р’
(т/м1)
Модуль
Юнга Ег
(ГПа)
Прочность при EJp д^/р
растяжении
4,, (МПа}
Рис 2 3. Диаграмма характеризующая удельную прочность и удельны
модуль упругости волокон различных типов Для сравнения включи
асбест Данных для усов SiC и углеродных волокон полученных из ви
козы, нет, поскольку их свойства нс типичны для соответствующих
пов волокон
АРАМИДНЫЕ
Кевлар-29
Кевлар-49
Кевлар-149
Технора НМ50
Тварон
Тварон НМ
ПОЛИЭТИЛЕНОВЫЕ
Спектра 900
Спектра 1000
( 44 1,45 1 47 1 39 1,44 1.45 59 130 (46 74 80 115 2640 2900 2410 2990 2800 3150 41,0 89 7 99 3 53,2 55,6 79.3 1833 2000 1639 2151 1944 2172
0 97 0.97 117 172 2585 2964 121 177 2665 3056
2.4. Искусственные органические волокна
Как видно из таблицы 2 4, арамидные и полиэтиленовые волокна име1
высокие прочность и жесткость Предел прочности и модуль Юнп!
арамидных волокон ниже соответствующих свойств асбеста однаЦ
их удельные характеристики (д„ /р и £f/p) сопоставимы или даже выш<
вследствие более низкой плотности Недостатком органических вело
кон являются значительно более низкие характеристики в попереч
ном направлении ио сравнению с продольными Еще одним недостач'
ком этих волокон является низкая прочность п™ —
свойств органических волокон обусловлена их мозГ" АнизотроПМ2
тайней прн изготовлении Объемы производства ап-Г 1ЯРИ°Й °рИСН
по сравнению с другими органическими волокнами очТ1ЫХ BQ•"oKOI,
нако в последние годы возрастала относительная доля t В“ики>
вых волокон Поэтому обсудим свойства этих двух ™„„.1ЮЛИЭТ,’лено’
лее подробно ™"ОВ «Мокон бо-
2.4.1. Арамидные волокна
Производится несколько марок полиарамидных во
кевлар фирмы Du Pont, тварлон фирмы Akzo и техно^'”1 “Пример,
Фирм.., Т__’
'Рчы Teijin.
из которых наиболее известен кевлар По химической структуре ара-
миды аналогичны нейлону, с дополнительными бензольными кольца
ми в полимерной цепи, увеличивающими жесткость молекулы (рис
2 4а и 2 4Ь) По другой классификации полиарамид может называться
ароматическим полиамидом или полифенилентерефталамидом
Жесткая арамидная молекула остается практически прямой даже в
растворах и расплаве, поэтому такие полимеры называют жесткоцеп-
ными Цепи ориентированы практически параллельно длинной оси. а
их центры распределены беспорядочно Эту структуру называют нема-
тическим жидким кристаллам схематически она показана на рис 2 5а
Степень ориентации молекул увеличивается в процессе формования
волокна в фильере, а также при последующей механической вытяжке
(рис 2 5Ь) Общая схема производства такова Раствор полиарамида в
некотором растворителе (вроде серной кислоты) выдерживается при
низкой температуре, а затем экструдируется (продавливается) при по-
вышенной температуре через коагуляционную фильеру для удаления
1 Химическая структура и свойства перечисленных волокон практически со-
впадают По видимому, имеются незначительные различия в технологии их
производства В России производятся арамидные волокна марок СВМ. армос
и терлон Терлон по химической структуре н свойствам аналогичен кевлару-
49, в то время как СВМ и Армос отличаются от него По своим свойствам
(прочности и адгезии к эпоксидным матрицам) СВМ и, особенно, армос за-
метно превосходят кевлар-49
2 Воло*"0
,pflHU«c волоки
Рис. 2.4. Молекулярная структура нейлона (а), полиарамида (Ь) и поли «п
лена (с)
, е стачкгл» арамида (а) - нематический жидкий кристалл'
Ж£зе ориентации
растворе, ки>
„ результате получают волокна с относительно невысо
растворителя V * модален Юнга (приблизительно 850 МПа и 5 ГП*
кими прсннос * волокна подвергают холодной вытяжке. ПР»
соответственно) ция волокон и механические свойств»
которой из таблицы 2.4
увеличиваются до показ
2 4 Искусственные органические волокна 47
Молекулы полиарамила имеют плоскую структуру показанную на
рис 2 6 Внутримолекулярные связи здесь сильные ковалентные, а меж-
молекулярные - относительно слабые водородные Плоские листы
уложены так, что образуется ориентированная радиально-симметрич-
ная структура волокна кевлар-49, показанная на рис 2 7 Структура
низкомодульного кеалара-29 аналогична кевлару-49 однако она более
дефектна и менее ориентирована Путем термообработки она может
быть преобразована в структуру волокна кевлар-49
Арамидные волокна имеют относительно высокую теплостойкость
Температура стеклования полиарамида равна приблизительно 360°С,
он практически не горит и не плавится Термодеструкция волокон
происходит при 425’С, в течение ограниченного времени волокна мо-
гут использоваться даже при температуре 300°С Недостатком арамид-
ных волокон является деструкция под действием солнечного света
Коэффициент теплового расширения арамидных волокон отрицате-
лен и невысок по модулю (-4 х Ю-'' К) и при повышении температуры
они практически сохраняют свою длину Следует отметить также низ-
кие электро- и теплопроводность кевлара, а также его высокую тепло-
емкость
а! 1980)
граница разила волокно-матрица
48 , ш«т 2 Волокна и гран
Рис. 2.7. Трехмерная структура волокна ксвлар-49 Покатаны июбр
женные на рис 26 плоскости, уложенные с образованием раднальн:
симметричной складчатой структуры (Dobb et al 1980)
2.4.2. Полиэтиленовые волокна
В конце 1980-х годов в продаже появились различные полиэтилен!
вые волокна в том числе марки «спектра» (фирмы Allied Signal) ,
•дайнима* (фирмы DSM) Как видно из рис 2 4с, по сравнению!
полиарамидом молекула полиэтилена имеет более простую структур'
основой которой являются углеродные С-С связи Теоретически м0
дуль упругости полностью распрямленной молекулы полиэтилена рз
вен 220 ГПа Хотя столь высокие значения пока не достигнуты из-Х
дефектов структуры, однако и полученное значение 172 ГПа достатгЯ
но близко к пределу Полиэтилен имеет самую низкую плотность сре
ди всех имеющихся в настоящее время волокон, поэтому его удельнШ
характеристики выше чем, например у кевлара Недостатком поли
этилена является низкая температура плавления (-135°С) в <
чем он имеет значительную ползучесть, особенно при выс связи
растрах Из-за этого использование полиэтиленовых волок * теМ"
чено температурой 100 С Волокна подвергают плазменно~ Н OrpdH"
для повышения адгезионной связи с матрицей в компо " °®pa6oTlte
чения прочности Адгезия в этом случае возрастает и И Увел1’
части боковых атомов водорода на полярные группы заменН
2.5. Искусственные неорганические волокна
Наиболее известными неорганическими волокнами являются стеклян-
ные и углеродные Их дальнейшее развитие с целью улучшения свойств
все еще продолжается
2.5.1. Стеклянные волокна
Структура стекла будет подробно обсуждаться в главе 4 Здесь же
отметим, что стекло это аморфный материал со структурой, имею-
щей ближнии порядок Оно однородно, а механические свойства оп-
ределяются главным образом составом и поверхностной обработкой
Имеется несколько типов стекол, например кварцевые, оксинитрид-
ные, фосфатные и тд, однако в композиционных материалах ис-
пользуются лишь кварцевые Однако даже в пределах этой группы
состав и свойства стекол изменяются весьма значительно Составы
некоторых стекол, используемых для производства волокон, приве-
дены в таблице 2 5
Е-волокна широко применяются в электротехнике Это стекло ос-
новано на эвтектике тройной системы CaO Ai .O,- SiO2 В эту компо-
зицию вводятся добавки В О замещающего SiO2, и добавки MgO
замещающего СаО В О понижает температуру размягчения компози-
ции и существенно расширяет температурный диапазон формования
волокон, тем самым облегчая технологические условия их получения
Таблица 2.5. Состав и свойства стеклянных волокон
Е-стекло % S-стекло % AR-стекло %
SiO2 54 65 64
TiO 3
ZrO, 13
А1Д 14 25 1
в.о, 9
MgO 5 10
СаО 18
14
Na2O
Модуль, ГПа 70 80 75
Прочность, МПа 2200 2600 1700
Плотность, т/м} 2,54 2,49 2,70
50 /лв« 2 Волокна U граница раздела оолокно-матрица
После вытекания расплава стекла через фильеры его быстро расв»
i чтобы диаметр волокон уменьшился примерно до 10 мкм. Фи
X пластина обычно имеет несколько сотен отверстии, и поэта,
одновременно формируется соответствующее количество волокон, с
бранных в комплексную нить Для уменьшения повреждаемости г.
верхность волокон покрывают замасливателем, в качестве которо
могут использоваться не только крахмал и масло, но и эпоксаднт
или фенольные смолы, входящие в состав матрицы После этого н>
со скоростью до 50 м/с наматывают на катушку. В дальнейшем
могут резать на стекломаты длиной 2,5-5 см, наматывать на опраа
для получения однонаправленной ленты, называемой также ронина.
или скручивать для получения стеклоткани. Предел прочности пог
ченных волокон лежит в пределах от Е,/50 до Ef/20, где Е( — моду
Юнга стекла
Помимо замасливателя, на поверхность волокон наносят активны
сложные органосилоксаны, увеличивающие смачивание волокон I
улучшающие их адгезию к матрице Химическая структура силоксана
подбирается, чтобы соответствовать матрице Их состав для волокон
которые используются в композитах с полиэфирной и эпоксидно!
матрицами, различен
S-волокна, называемые в Европе также R-стеклом, основаны в)
тройной системе SiOy-А12О>—MgO По сравнению с Е-волокнамн, 5
волокна имеют более высокую жесткость и прочность (таблица 25)
Кроме того, S-стекло более теплостойко Недостатком этих волокон
являются более строгие требования к температурному диапазону фор
мования, и поэтому они более дорогие S-волокна в последнее время!
значительной степени замещаются углеродными и арамидными bJ
локнами, имеющими более высокие механические свойств
Е-волокна хорошо работают в нейта пкик.м о
нако они нестойки к действию сильн” “tZT. Г™’™’ °',
По этой причине были разработаны хим??? - ШеЛ0ЧНЫх сред
как С-стекло (химически стойкое) E-CR cme/JnT^ СТеКЛа’ TaKJ,e
иостойкое) и AR-стекло (щелочностойкое! AR <элек?окоРРозиоИ-
тано для замены асбеста в цементных магрицах“вет2 РМРа6<>'
розионной стойкости В него вводят ZrO Под дХтоЛ “ КОР'
цемента из поверхностного слоя волокон постепенно вы? Щелочног°
и он обогащается подавляющим коррозию ZrO Пове Вается s,or
ZrO, очень порист, и поэтому процесс деструкции по1?°С™ЫЙ СЛОЙ
кращается, и за десять лег в цементе потеря прочност?™0 не пре
тать 50% К тому же ZrO, затрудняет формование „ “°*ет дос™'
для компенсации его влияния увеличивают содержан КЛОВолокон> и
Ие СаО и Na.O
2.5.2. Волокна окиси алюминия
Окись алюминия (А12О2) имеет несколько кристаллических форм,
часть которых метастабильны Различные кристаллические формы
окиси алюминия обозначают как a, S, у и р- AI.C), Наиболее широко
используется а-форма — например в свечах зажигания двигателей
внутреннего сгорания Кристаллы с-формы имеют гексагональную
плотноупакованную Структуру, показанную на рис 2 8 Волокна А12О3
имеют, как правило именно a-форму, однако некоторые волокна
содержат и другие кристаллические формы, например, S-форму Во-
локна окиси алюминия поликристалличны и, помимо А12О могут
содержать некоторое количество других окисей Чаше всего в состав
волокон вводят S1O;, содержание которого может достигать 20 %
Если содержание SiO2 составляет несколько процентов, окись алю-
миния называют безосновнои Волокна А12О3 склеивают огнестойким
связующим и в форме прессованных волокнистых слоев (матов) или
жестких пластин используют для теплоизоляции в высокотемпера-
турных промышленных печах В последнее время их стали использо-
вать в композитах на основе металлических матриц в частности, алю-
миния и его сплавов
Окись алюминия имеет высокую температуру плавления, более
2000"С В расплавленном виде у нее низкая вязкость, и поэтому из
расплава волокна получить не удается. Используемый метод произ-
водства ближе к технологии «золь-гель» с последующей высокотемпе-
ратурной обработкой. На первой стадии процесса получают пластин
О Кислород
• Алюминий
Вакансия А1
Рис. 2.8. Кристаллическая ^.Тбольшк №лте-
ная плотноупакованиая структура) Решг с с и Cj> рас_
ство вакансий атомов алюминия (окол гр атомов кислорода
положенных между гексагональными слоями (А и В) атом
ный материал, содержащий вз^ь мелких частиц окиси алюмини,
воде a также стаб.шизируюШне добавки (дефлоккулянты) и полим,
ры изменяющие вязкость материала Экструдируя этот материал ,
рей фильеры. формуют волокна, которые затем высушивают. По.
этого «сырые» волокна подвергают термообработке при которой И
ляются добавки, н происходит обжиг, сопровождаемый образование
монолитного материала с заданными размерами зерен и «пределе,
ной пористостью Этим способом на фирме DuPont производят во
локна марки А1 О FP Эти волокна на 99% состоят из a-формы ои
си алюминия имеют диаметр 10-20 мкм н размер зерна приблизителы
0.5 мкм При комнатной температуре у них хорошие механическ»
свойства, но при повышенных температурах они ползут и, к тому ж.
имеют тенденцию к росту размеров зерна
Промышленно производят и модифицированные волокна а -окна
алюминия Как описано в главе 4. А1 О, наполняют микрочастицам!
циркония содержащими несколько процентов стабилизатора окна
иттрия Цирконий вводят для улучшения характеристик при комната
температуре и повышения теплостойкости Волокна модифицировав
ной цирконием а-окиси алюминия имеют промышленную марку Z.T/,
При «сырой» технологии формования волокон используют вязки!
концентрированный раствор окиси алюминия Параметры раствора
особенности формования различны три производстве непрерывных]
коротких волокон Так при производстве непрерывных вотокон ис'
пользуют фильеры диаметром 100-200 Мкм и ’
вязкость (10-100 Н сек м’), в то время как пт р имеет большую
волокон используют гораздо менее вязкий паст П0ЛуЧении коротки
сек м2 Р ВОр с Узкостью 2 F
После формования волокна высушивают и
пературной обработке При этом удаляются вь1с°котем
материал кристаллизуется с образованием раздир1* аобакки, а затей!
миния Микроструктура волокна зависит от соста Х $°₽М Окис“ алю
держания двуокиси кремния), газовой фазы пр/™ (<Ко6енно от со
мени н температуры обработки Для иллЮсГ°МП°31ВД’и
кристаллизации и соответствующих изменений свРаЦ,1и "Роцесса
поведение волокон .саффил» и «сафимакс» (рис ,'СТв Рассмотрим
имеют диаметр 3 мкм и содержат 4% S.O, Они PJ ’ волокна
длине, причем волокна сафимакс более длинные (,, 'ai0Jc« по своей
первой стадии процесса термообработки образует 'Мср,|° 0 5 М) На
алюминия Степень кристаллизации - только ™ Нов!
'"РМа ОКИСИ
h Кристаллы
Модуль упругости Прочность при Плотность Пористость Кристалличность Размер кристаллов
(ГПа) растяжении (МПа) (т/м3) (мм’/г) (%) (им)
Рис, 2.9. Влияние термообработки на C^J/KTJW'йсвойства во ,око1
алюминия (саффил) (Dinwoodie. Horsfall. 198/)
меткие размером 6 нм Особенностью микроструктуры является бод
шое количество нор, благодаря которым материал имеет низкую плс
носгь. Дальнейшее нагревание приводит к образованию Гфазы, ко^
рая затем переходит в 5-фазу Одновременно происходит увеличен
прочности и вязкости материала Термообработка приводит к noq
пенному увеличению доли «-формы окиси алюминия, плотности
жесткости, а также размера кристаллов до 200 нм и, как следстц
этою уменьшению прочности Максимальная температура при ед
рой могут использоваться волокна р-формы окиси алюминия, раз
900‘С, а волокна S-фазы более теплостойки и используются до 1600Х
В настоящее время они используются главным образом для упрочит
ния металлов Волокна 5-фазы используются в высокопрочных мал
риалах, а «-форма - в тех случаях, когда главную роль играет твед
дость. как, например, в износостойких материалах Област
применения р-формы еше не определены, но. вероятно, они бу-
использоваться в случаях, когда требуется пониженная плотность w
териата
2.S.J. Борные волокна
Борные волокна делают методом химического разложения газообм
ного грихлорида бора при котором атомы бора осаждаются на наш
ваемую подложку Температура разложения высока, и подложка д^
на иметь высокую температуру плавления Обми^ Д-тожка до U
используется нагретое вольфрамовое^ Падта*в,
мкм Процесс непрерывный, и длина волп'*0 ЛИаметром пРимерно 1
выделяется в результате реакции К°Н достигает 3000 м Бг
2ВС1Л + ЗНЛ = 2В1 + 6НС1Пгаз)
Таким образом, образуется борное покрытие
но 50 мкм с чрезвычайно малым размером ?ГОЛЩиной приблизится*
ствует в двух кристаллических формах а иы?? 2-3 Бор суш.
тетрагональной Считается, что первая преоб.д^^^еской -
чем их структура и свойства сильно зависят 8 ВОЛ°№ах при
ти осаждения Взаимодействие бора с вольфпамТ*а^ и скорое
жег приводить к образованию боридов волХма ’ ^«ККой МО
После получения, волокно отжигают для
ных напряжений и химически обрабатывают ^“^ия остаточ
постных дефектов и, как следствие, увеличен? '^Ния „
•этого волокно иногда покрывают дополнится.? "Юности г?'’*
ки инертного вещества для уменьшения степ ““ СлОем ОСЛ'
цей Если волокна используют для армирований |*аКЦии ХИМИчес
X» с матри-
^Ыхспла
ВОВ, покрытие обычно представляет собой слой карбида кремния
толщиной 0,25 мкм
Борные волокна имеют очень высокий модуль Юнга (таблица 2 2 и
рис 2 2), однако используются они не слишком широко из-за их вы-
сокой стоимости (объем производства в США составляет 50 000 кт в
гол) Замена вольфрамовой подложки на менее дорогой и более лег-
кий материал сделала бы борные волокна экономически более при-
влекательными Вместо вольфрамовых волокон пытались использо-
вать углеродные но оказалось, что они имеют существенный
недостаток. В течение процесса осаждения борное волокно может уд-
линяться на 5%, в результате чего разрушается углеродная подложка.
Это, в свою очередь, ведет к появлению дефектов и локальному изме-
нению скорости осажления
2.5.4. Углеродные волокна
Угтеродные волокна производят многие компании, и объем общеми-
рового производства превышает 12000 тонн в год (таблица 2 6) Но,
несмотря на ботьшой объем производства, углеродные волокна все
еще относительно дороги Например, они стоят больше, чем синтети-
ческие органические волокна аналогичной прочности Тем не менее,
производство углеродных волокон продолжает увеличиваться К при-
меру, производство углеродных ПАН-волокон за 1982-1991 гт увели-
чилось почти на порядок величины (рис 2 10)
Структура и свойства различных углеродных волокон сильно раз-
личаются, к тому же постоянно появляются новые виды Например,
недавно были разработаны полые и спиралевидные волокна Первый
тип волокон предназначен для повышения ударной вязкости армиро-
ванных пластиков, а второй способен к удлинению в несколько раз
без потери жесткости (рис 2 11). Количество производимых в настоя-
щее время углеродных волокон столь велико, что здесь мы описываем
только некоторые технологические особенности и соотношение «струк-
тура—свойства» Прежде всего, кратко опишем кристаллическую струк-
туру углерода
Углеродные материалы существуют в двух кристаллических фор-
мах, соответствующих структуре алмаза и графита Кроме того, угле-
род существует в аморфном и частичнокристаллическом состояниях
В углеродных волокнах микрокристаллы имеют структуру графита Гра-
фит состоит из плоских, гексагонально уложенных слоев атомов угле-
рода, схематически показанных на рис 2 12 Взаимодействие атомов в
этих слоях — сильное ковалентное (-525 кДж/моль) Эти слои уложе
ны в последовательности АВАВ, как показано на рис 2 12. Межслое
! Таблица 2.6. Объемы производственные углеродных волокон на декабрь 1
। (Lin. 1992)
Волокна Регион Компания Торговая марка Объемы (тонн в год)
ПАН Азия Тогау Соь Тогауса 2250
Toho Rayon Besfiglit 2020
Mitsubishi Rayon15 Pyrofil 500
New Asahi Carbon Hicarbon 450
Taiwan Plastics Tairyfil 230
Korea Sleel Kosca 150
Средняя Азия Afikim Carbon Ac if 100
Америка Hercules Magnamite 1750
BASF1- Ceilon 1485
Amoco Thomel 1000
Akzo Fortafil 360
Counaulds-GrafiF Graft] 360
BPAC Hitex 40
Zoltek Panex ПО
Европа Textron Avcarb 100
Counaulds-Grafil Grafil 350
Akzoc Тепах 350
Soficab Sign PK-Carbon Тогауса 300
Sigrafil 25
— 230
Kureha Chemical Osaka Пое Kureha 900
й
1216
wbdxa uas Donacarbo
Mitsubishi Chemical Dialead
Nippon Oil Granoc
New Nippon Steel -
Tonen Forca
Peloca Carbonic
Amoco Thomel
Америка
1566
JOU-
SO"
50
12*
12
12
««ci 230
* Угольный пек, в остальных случаях нефтяной пек
‘Группа Тогау обшее производство 2550 тонн, 21% объемов мирового
волства ПАН волокон u ПР°И
1 Группа Toho Rayon имеет общие об1>емы производства 3855 тонн хи*
мов мирового производства ПАН-волокон н объе
d Сырье и техническую помощь обеспечивает Mitsubishi Rayon
вая связь атомов определяется слабым ван-дер-Ваальсове
действием <<10 кДж/моль) Из-за такого различия внуКИМ взаим0
межслоевых связей кристалл графита является сильно Грислоевь1х 11
Теоретический модуль упругости графита равен прибли ИЗО1Р°пнь1М
И11пельно 1000
Рис. 2 10 Объемы производства углеродных волокон на основе полиак-
рилонитрильного прекурсора (ПАН-волокна) (Lin, 1992)
ГПа в плоскости слоев и только 35 ГПа в перпендикулярном направ-
лении Ориентация кристаллитов вдоль оси волокна позволяет полу-
чить волокна с высоким модулем упругости Благодаря относительно
низкой плотности (=2000 кг/м’) такие волокна имеют очень высокую
удельную жесткость (рис 2 3)
Сублимируется графит при температуре 3700°С, однако на воздухе
он начинает окисляться уже при температуре 500°С Если углеродные
волокна защищены от кислорода, то они могут использоваться и при
температурах, превышающих 2500°С Углерод — хороший электропро-
водящий материал, в зависимости от обстоятельств это может быть
как достоинством, так и недостатком Например, благодаря этому свой-
Рис. 2.11. Новые углеродные волокна lai - „„„
(Ь) - спиралевидные волокна получншД, ,е У^РОДные воло.
(Lin 1992) У1е “рением из газовой ф.и
Рис. 2.12. Кристаллическая
стРУКтута графита
ству можно исследовать углепластики методом вихревого потока (гла-
ва 15) Углеродные волокна производятся из различных материалов,
называемых прекурсорами Механические свойства волокон очень силь-
но зависят от прекурсора и условий карбонизации, поскольку они
определяют степень дефектности кристаллов Существует три основ-
ных типа прекурсора.
Нагреванием целлюлозных волокон получают графитовые волокна
Процесс разложения [пиролиза) целлюлозы весьма сложен, но основ-
ная потеря веса и усадка происходит в температурном диапазоне от
200 до 400°С Этот процесс приводит сначала к карбонизации, то есть
постепенному образованию аморфной углеродной структуры, а затем
и к графитизации, те кристаллизации волокна, при более высокой
температуре Образующиеся волокна имеют кристаллическую струк-
туру, однако степень ориентации кристаллитов низка На этой стадии
волокна имеют низкие прочность и жесткость, причем жесткость име-
ет порядок величины модуля кристалла графита в с-направлении.
Последующая вытяжка примерно на 50% при температуре 2700-3000°С
приводит к ориентации микрокристаллитов и уменьшению пористос-
ти, в результате чего увеличивается модуль упругости и прочность во-
локна (таблица 2.7). При этом базальные плоскости ориентируются
преимущественно параллельно оси волокна, хотя их ориентация и да-
Таблица 2.7. Свойства углеродных волокон
Плотность [т/м3) Модуль Юнга, (ГПа) Прочность при растяжении, (МПа) Деформация при разрыве (%)
ВИСКОЗНЫЕ
Standard 1,60 40 500 1,25
НМ 1,82 517 —
ПАН
HS 1,80 230 4500 2,0
1М 1,76 290 3100 1,1
нм 1,86 380 2700 0,7
ПЕКОВЫЕ
P-25W 1.90 160 1400 и,У
P-75S 2,00 520 2100 0,4
P-120S 2,18 827 2200 0,3
„ „ „ гпанииа раздела волокно-матрица
60 Пава 2 Волокна и граница р
— при столь высоких температурах,
"волокна получаемые из полиакрилонитрильного прекурсора (у
неродные ПАН-ваюкна. рис 213а). имеют более высокую степень ор»
ентаиии кристаллитов Степень выхода углерода из ПАН прекурсор
также выше, примерно 50% Детали технологии являются коммерч
кой тайной, но известно, что процесс имеет три стадии, а конечна
структура чувствительна к скорости нагревания
Первая стадия процесса включает вытяжку и окисление Вначад
полимерные ПАН-волокна вытягивают на 500-1300% для ориентащи
молекул, а затем нагревают на воздухе под нагрузкой при температур
200-280“С Это приводит к внутримолекулярным перестройкам, и об
разуется так называемый лестничный полимер Появляются химичес
кие сшивки между ориентированными молекулярными цепями, и об
разуется трехмерная сетчатая структура, не позволяющая молекулах
изгибаться и терять ориентацию при дальнейшей термообработке (рис
2 13b) Затем начинается окисление, при котором атомы кислорода
занимают примерно 2/3 возможных мест (рис 2 13с) и выделяют
молекулы воды Образующееся вещество иногда называют окси ПА
Ном Нагреванием оксиПАНа в азотной или аргоновой атмосфере по»
900-1200-С получают низкомолульные высокопрочные углероде во-
локна Они имеют кристаллическую струит™ п„ Родные во
очень мелкие и ориентированы параллельил Ричем кристаллиты
ют высокую пористость, а их плотность - лш1|ьВ0ЛОКНа ^°локна име
трафитовых колец приведена на рис 2 Uc'c*"3 КГ^М' Структура
карбонизации выделяется крайне ядовитое ОТМеТич ь- что при
Нагрев в атмосфере аргона при 2800»С вещество HCN
волокон, при которой увеличивается жесткостьВ°ЦИТ К гРаФитизации
I ет до 2000 кг/м5 (плотность графита 2260 кт/мИ “ОТНость возраста
। структуры углеродного ПАН-волокна приведена М°Дель трехмерной
упругости увеличивается при возрастании темпер!"С 114 Модуль
I как показано на рис 2 15 Свойства волокон мо^“ ^'«изации
I помощью изменения температуры графитизации ч Ва₽Ьир°ват
вания получения высоких прочности и жестка аметим, Чт„ я
''•А.исзи взаик. и требо-
I чипы, и возрастание модуля упругости при высоких "° пРощв
провождается снижением прочности Совершенство ТСМПС₽а1Ур <>₽е
। производства за последние двадцать лет привело к °Ва'1,,с г«Хцо с0'
। личению прочности и деформативности ПАН-волокон 'ПСЛЬ110Ч. И
I основных их типа высокомодульные (ВМ), среднемодуВы₽ал11,'Ча|0]?,Ве”
| сокопрочные (ВП), как показано в таблице 2 7 Разрабо^"’1* ,рн
।
s ^CHlv
4 CH
Рис. 2.13. Изменение химической структуры мри лестничный полимер,
ных ПАН волокон, (а) - полиакрилонигр^М 0КС11ПАНа,
<с) окисление лестничного полимера и ° . bLX колеи
карбонизация оксиПАНа и образование граф
Рис. 2.14. Модель
ных волокон привела к созданию так называемых выакугЬфор чатив-
ных волокон, у которых деформация при разрыве достигает 2% На
рис 2 16 приведены диаграммы растяжения различных углеродных
волокон Они деформируются упруго вплоть до разрушения Заметим
что при разрушении выделяется энергия запасенная при растяжении
и равная плошади под кривой «напряжение-деформация
Волокна подвергают поверхностной обработке для улучшения их
адгезионной связи с термореактивными и термопластичными матрич-
ными полимерами Для этого волокна окисляют, в результате чего
поверхность становится более шероховатой, а затем покрывают замас-
ливателем, обеспечивающим связь с матрицей
Получаемые из нефти и угля пеки (смолы) содержат сложную смесь
высокомолекулярных алифатических и ароматических гидрокарбонов
содержащих большое количество атомов углерода Поэтому их исполь-
зуют как сырье для получения углеродных пековых волокон Пек нагре-
вают до 350°С и он полимеризуется, в результате чего молекулярная
масса возрастает приблизительно до 1000 В результате формируется
Рис 2.!6. Диафнммы напряжение деформация различных углеродных
ПАН волокон (Hysol Grafil Ltd)
упорядоченная жидкокристаллическая мезофазная структура. 1^
НЫЙ олигомер экструдируют из вращающегося сосуда через 10р. '
фильерную пластину Этот процесс - формование из расплава - ор|
тирует мезофазную структуру горячего пека После окисления
дотвращаюшего плавление и слипание волокон, их карбонизую,
температуре до 2000 °C В результате получают низкомодульные у
родные волокна, причем выход углерода достигает 80%. Степень!
филиации изменяют температурой последующей термообработки!
может достигать 2900’0 В результате получают волокна с весью
вершенной структурой микрокристаллов графита, обладающих ы.
кой степенью ориентации базальных слоев Таким образом полу
высокомодульные пековые волокна, имеющие высокую плотность
пример, волокна P-120S в таблице 2 7)
Особенностью углеродных волокон является низки и или даже
рицательный коэффициент теплового расширения (КТР) Величв
КТР зависит от технологии изготовления, степени графитизацм
ориентации кристаллитов Высокомодульные углеродные волокна id
ют отрицательный КТР - приблизительно -1,4x10 Ь/К Эта осой
ность используется для создания полимерных композитов с мал
или нулевым коэффициентом теплового расширения
Следует отметить, что помимо условий карбонизации и стет
ор нтации, есть и Другие структурные параметры, влияющие наев
тные деЛектм аПРИМер’ 310 поР>’стость, микротрещины, поверх»
тные дефекты и примеси
2.5.5. Волокно но основе кремния
Самыми современными в этом классе являются xiemu/inojuduCM4W4
новые (МПДС) и гидридополисилилазановые (ГПС) волокна Эти воя
на имеют аморфную структуру и состоят из атомов Si, С, N и О о
находятся на стадии экспериментальных исследований, поэтому!
сих пор мало что известно о композитах на их основе Напротив,
локна карбида кремния S1C, используемые для армирования керамик
исследованы весьма подробно Связь атомов в молекуле SiC коваЛб
тная, и из-за этого волокна карбида кремния имеют высокий мода
упругости (таблица 2 2) Впрочем, они имеют высокую плотность.]
поэтому их удельные характеристики ниже, чем у углеродных и по®
этиленовых волокон (рис 2 3, таблица 2 8) Исключением япляюТ
усы S1C (параграф 2 6)
Существует два метода производства волокон SiC Первый основ1
на осаждении из газовой фазы, а второй на разложении пп к т>сор
Заметим, что первый способ аналогичен описанному выше метой
2 5 Искусственные неорганические волокна
Таблица 2.8. Свойства волоком карбида кремния
Плотность Р, (т/м1) Модуль Юнга, Е(, (ГПа) Прочность при растяжении (МПа) f,/p д„/р
Никалон 2,60 250 2200 96,2 846
CVD моноволокноъ 3,05 406 3920 133,1 1285
CVD моиоволокнос 3,00 400 3450 133,1 1150
Тиранио 2,40 280 2000 116,7 833
Усы 3,20 700 10000- 218,8 3125
Прочность варьируется в широких пределах от 2000 до 20000 МПа
b С вольфрамовой подложкой
С углеродной подложкой
производства борных волокон Волокна SiC получают разложением
силана
CH SiClJ -> SiC 1 + ЗНС1Т
В качестве подложки обычно используют вольфрамовое волокно
Может использоваться и углеродное волокно, при этом оно ие рас-
трескивания при осаждении, как при получении борных волокон
Получаемое волокно состоит из мелких кристаллитов /5-формы SiC,
плоскости (111] которых ориентированы преимущественно вдоль его
оси (рис 2 17) В случае использования вольфрамовой подложки дли-
тельная эксплуатация при температуре выше 1000°С приводит к реак-
ции SiC с вольфрамом, в результате чего образуются хрупкие W2C и
Ws Si,, отрицательно влияющие на прочность волокна Эти волокна,
называемые также монофиламентами, имеют сравнительно большой
диаметр (100-150 мкм) В зависимости от диаметра и типа подложки
(углерод или вольфрам) плотность волокон может достигать 3350 кг/
м’ Из-за большого диаметра и высокого модуля Юнга волокна карби-
да кремния недостаточно гибки (уравнение 1 1). и поэтому получение
тканого материала на их основе является проблемой
Волокна чувствительны к поверхностным дефектам, и для сниже-
ния повреждаемости при зрении их покрывают тонким слоем пироли-
тического углерода
Второй способ получения SiC аналогичен методу, используемому
для получения углеродных пековых волокон Первая стадия получе-
ния волокон «никалон» состоит в пиролизе полидиметилсилана при
высоком давлении (~ 100 атм) в автоклаве После этого при более низ-
кой температуре проводят вакуумную обработку и получают поликар-
2.6. Частицы и усы
Класс наполнителей гораздо обширнее класса волокон, поскольку почти
любой материал может быть измельчен в порошок Впрочем, это не
означает, что все порошки производятся таким образом Есть и другие
методы, как, например, осаждение из раствора или газовой фазы, а
также гель-золь технология Из-за большого количества имеющихся
порошков мы даже не будем пытаться рассматривать их, зато проил-
люстрируем свойства самых распространенных усов S1C
S1C существует в виде монокристаллических усов Морфология и
размеры усов различаются очень сильно, даже если они производятся
по одной технологии Типичная длина усов равна нескольким десят-
кам микрон, а диаметр не превышает одного микрона (рис 2 18)
Их обычно растят из перенасыщенной газовой фазы при высоких
температурах, и поэтому по составу они чище, чем волокна никалон
Рве. 2.17. Растровая электронная фотография разрушенного волокш
SiC, полученного методом химического осаждения из газовой фаз»
Видна подложка вольфрама и тонкая структура мнкрозерен Мелки
частицы на поверхности появляются из-за образования небольшой
количества S1C в газовой фазе (G Hoefang Р S Sidky)
босилан с относительно низким молекулярным весом - около 1500
Из полученного олигомера формованием из расплава получают во
локна. которые затем окисляют на воздухе при температуре 200°С пт
поперечной сшивки материала Затем температуру постепенно полни
мают до 1300°С, в результате чего образовываются
ты 0-формы SiC размерами около 2 нм Помимо ч г кРистал-™
vmnMO 31С, остается Гнгпг,
род, а также иепрореагировавшие кремний и углеро В
атомов кислорода находится в форме S1O Даль ей еР°ЯТНо, част
ка приводит к росту кристаллов карбида кремния термообработ-
ва микрофаз Типичный состав волокон «иикалон ИЗМенени,° соста-
31% С и 10% О меу) 59% Si,
Волокна, выпускаемые под торговой маркой
дят аналогичным способом из полититанокарбоси”'1'^0’’ пР»изво-
5% титана Считается, что титан препятствует кри И “'^«ат до
этому образующиеся волокна - аморфные Однако^™1’331111*1 и по-
ние является метастабильным, и при нагревании ЗМ°р$к°е состоя-
нается кристаллизация. Диаметр волокон никалон иачи-
мкм соотзетст. енно, намного меньше моноволокон ТИранн° ~ ц g
дением из газовой фазы ’ 1Юл7чснн>.
’осаж-
Рис. 2.18. Скаиируюшая электронная Vaughn, 1987)
локна Silar-SC-9, (b) - волокна SCW-1 1
„ди тиранно Поскольку усы яштяются монокристаллами и практик,
кине'содержат примесей, при повышенных температурах их стр№
™ более устойчива Кроме того, усы S.C производят пиролизом рн
вой шелухи. Шелуха содержат целлюлозу, 15-20 вес.% SiO2> а тац
другие органические и неорганические компоненты. Летучие проад
ты удаляются нагревом в отсутствии кислорода при 700 С Дальне^
Шее повышение температуры до 1500-1600»С в инертной среде ведет,
формированию SiC
ЗС + S1O, -> SiC + 2СО
Наконец, полученные усы нагревают до 800“С для удаления сво-
бедного углерода. Приблизительно 10 % частиц SiC имеют форму ycoi
а остальные частицы - пластинчатую форму. Полученный прода
разделяют, в результате чего получают усы и 5-10% плоских частиц
Чувствительные методы анализа выявляют присутствие SiO2 и углеро
да на поверхности полученных этим методом усов (рис. 2.19)
Усы SiC используются (параграф 4.4 1) для улучшения свойст
матричного материала Однако по сравнению с частицами SiC он,
имеют ряд недостатков Например, на их основе трудно сделать гс-
могенный материал, поскольку усы имеют тенденцию к образова-
нию переплетенных агломератов Кроме того, они ориентируются,«
из-за этого материал становится анизотропным Считается, что усв
опасны для здоровья человека, и, кроме того, они гораздо дорож
частиц Как правило, (это относится не только к SiC), частицы при-
близительно в 5 раз дешевле усов и в 10(1 mi п»,
„ ’ ' 1ии Раз Дешевле непрерывных
волокон По этим причинам, и особенно »-> ,, ....
иеооенно из-за опасности для здоро-
вья, активно ведется поиск альтернативы v™, ,
ипа.пвы усам и интерес к ним сни-
жается Так, возможно пластинчатые час™,,., со
мкм (рис 2 20) с некоторой потерей пр^Х™
заменить усы в композитах на основе керамически'01"10031™ СМ0Г1ГГ
2.7. Граница раздела
Как уже было описано, для повышения адгезии
компонентов в композите волокна подвергают псГ ГрЭНице Раздела
Сотке Причины этого кратко описывались в главе₽1Ш°СТН'* обра‘
важности этой проблемы опишем их еще раз ' ’ °ИНа1!о из за
и по-
Приложенную к матрице нагрузку нужно передать
этому оно должно быть надежно связано с матрицей^0'04'
разрушения композита тоже зависят от прочности го °СОбенности
Слабая адгезия снижает жесткость и прочность композита'1111 Ра^ела
чивает более высокую вязкость Напротив, повышение про Н° ибсспе-
Н°СГ11гра-
2600
2600 -
2400 -
27 Гран“Ч“ Раздела
1нтенсивность (произвольные единицы)
3000
Энергия связи (эВ)
Рис. 2.19. Исследование усов SiC (Silar-SC 9) методом электР°н““5^
троскопии, обнаруживающее присутствие SiO2 и С на поверхности
локон (Homeny, Vaughn, 1987).
Рис. 2.20. Сканирующая электронная фотография пластинчатых части
SiC (любезно предоставлено A.Selcuk)
нины раздела увеличивает жесткость и прочность, но часто приводи!
к хрупкому разрушению композита Свойства границы раздела влия
ют и на другие характеристики материала, такие, например, как пол-
зучесть, усталостное поведение и стойкость к действию химически
активных сред
Свойства границы раздела играют большую роль в композитах на
основе непрерывных или коротких волокон, усов и частиц
В некоторых композитах из-за химической реакции между матри-
цей и волокном на границе раздела появляется отдельная фаза Одна-
ко чаще граница раздела может рассматриваться как плоский стой
толщиной порядка нескольких атомов, в котором состав изменяется
от матрицы до волокна. Таким образом, граница раздела обычно пред-
ставляет собой область скачкообразного изменения состава кристал
лической н молекулярной структуры, механических и других свойств
материала. Характеристики границы раздела определяются п
перехода от матрицы к волокну и поэтому специфичны для”3™*'”
пары «матрица—волокно» Помимо химического взаимодейст^*’0'*
свойства границы раздела влияет также поверхностная шеоох ВИЯ ““
волокна. 1 Ховатосгь
2.7.1. Смачиваемость
Адгезионная связь обусловлена взаимодействием волокна „
(раздел 2 7 2) Очевидно, адя появления адгезии фазы долХ?""
непосредственный контакт В процессе создания композиХаХ
часто находится в жидком состоянии Ключевую роль при соХ
межфазного контакта играет смачиваемость твердой поверхшХ"
торая определяет степень взаимодействия с жидкостью При хорош а
смачиваемости жидкая матрица растекается по наполнителю оХ
вая неровности поверхности и вытесняя воздух.
Смачивание возможно, если вязкость матрицы не слишком высока
и при этом уменьшается энергия системы Рассмотрим изменение сво-
бодной энергии при распространении тонкого слоя жидкой матрицы
по поверхности подложки Поверхность границ раздела «твердое тело -
газ», «жидкость -газ» и «твердое тело-жидкость» характеризуются сво-
бодной энергией в расчете на единицу площади ую и у соответ-
ственно Увеличение площади поверхности пленки жидкости на вели-
чину ЙТ приводит к возрастанию энергии из-за образования новых
поверхностей «твердое тело-жидкость» и «жидкость-газ» При созда-
нии этих поверхностей энергия возрастает на величину (у„ йл + у
ЙЛ) При этом одновременно уменьшается площадь контакта твердой
фазы с газом, и энергия уменьшается на величину у, ЙЛ Для самопро-
извольного распространения жидкости по поверхности твердой под-
ложки необходимо, чтобы при этом уменьшалась суммарная энергия
Это условие выполнено, если выполняется неравенство
/„ ОЛ + й-4 < у, ЙЛ.
Деление на ЙЛ дает
Кж + Гжг < Ъ
Определим коэффициент смачиваемости следующим образом
КС = У„-(у„ + у„) (21)
Для гарантированного смачивания твердой подложки жидкостью этот
коэффициен должен быть положительным. Как следует от уравнения
2 1, если величина у, близка или меньше, чем сумма у, + Ую, подлож
ка смачиваться не будет Таким образом, эпоксидная смола, имеющая
7» = 0,04 Дж/мдолжна хорошо смачивать окись алюминия (у„ » ,
Д*/мО и не должна смачивать полиэтилен (у, - 0.03 Дж/м )
Приведенный анализ демонстрирует важность величии повеР_^
тных энергий, но не дает параметра, характеризующего непосред
ные условия смачивания На рис. 2.21 изображена капля
u„fl раздела волокно- матрица
Глава 2 Волокна и границ
степени загрязнения поверхности и наличия поверхностно активных
веществ (так называемых аппретов). Теперь обсудим основные осо-
бенности различных механизмов адгезионной связи.
(а) Механическая связь
Образование механической связи двух поверхностей показано схема-
Геердое тело тически на рис 2 22а Ясно, что связь тем сильнее, чем более неров-
ной является граница раздела Кроме того, на образование связи мо-
жет благоприятно влиять усадка матрицы, приводящая к сжатию
наполнителя.
Механическая связь наиболее эффективна, если внешняя сила па-
аллельна границе раздела, друптми словами, если она является сдви-
говой с другой стороны когда граница раздела растягивается, проч-
ность низка, если только нет большого количества поверхностных
Идементов, таких, как обозначенные буквой А на рис 2 22а Чисто
механическая адгезионная связь встречается в композитах встречается
очень редко обычно она существует в сочетании с другими механиз-
мами
Жидкость
Газ
7„
Твердое
Рис. 2.21. Капля жидкости, находящаяся в равновесии с твердойц
ложкой. в - краевой угол смачивания; уп, ужг и уп - поверхноср
энергия контакта «твердое тело—газ», «жидкость—газ» и «твердое щ
жидкость» соответственно
нанесенная на твердую поверхность. Можно показать, что энергия,]
нииы равна поверхностным силам, действующим на пленку жидка
в расчете на единицу длины. Таким образом, размерность энергии (Д
м1) совпадает с размерностью поверхностных сил (Н/м) В состояв
равновесия сумма горизонтальных компонентов сил равна нулю.
Г„= r„ + 7„ cos в-
где 6 краевой угол смачивания (рис 2.21) Отсюда получаем
cos0 = £n_2™
7жг
(2:
Величина в является энергетической характеристикой смачивания №
контактного угла 180» капля сферическая и имеет лишь точечный ко»
такт с твердым телом Смачивание в этом случае отсутствует. ДР1‘
крайний случай е= 0 соответствует идеальному смачиванию При 14»
межуточных значениях е (0 < е < 180») качество смачивания возрастай
при уменьшении е Часто считается, что жидкость не смачивает ДО
верхность, если 6 > 90°
2.7.2. Межфазная связь
Если матрица хорошо смачивает волокно, образует™
н^уется их взаимная связь
Это связь может иметь различную природу то, оцн^менНс
может действовать сразу несколько механизмов образования межфаз-
ной связи Например, связь может иметь механическую э ф
тическую или химическую природу, ее механизм может изм61^013
течение времени изготовления композита или при его экс еНяться Б
Например, электростатическая связь может заменя ться химия?Уа1аци1’
протекании химических реакций. Тип связи зависит от сит^°Й П₽И
ОТ
(Ь) Э хектростатическая связь
Электростатическая связь образуется между матрицей и наполните-
лем, если одна поверхность заряжена положительно, а другая - отри-
цательно (рис 2.22b). Это ведет к электростатическому притяжению
поверхностей, величина которого зависит от величины поверхностно-
го заряда Электростатическое взаимодействие действует эффективно
только на малых расстояниях — порядка атомного размера Поэтому
необходимо, чтобы матрица и наполнитель находились в близком кон-
такте. Поверхностное загрязнение и адсорбированные газы уменьша-
ют эффективность этого механизма связи
(с) Химическая связь
В композиционных материалах химическая связь формируется между
некоторыми химическими группами на поверхности волокна (X на
рис. 2 22с) и совместимыми группами (отмеченными буквой R) в мат
рице Неудивительно, что общая сила химической связи зависит от
количества связей на единицу поверхности и их типа
Считается, что химическая связь может образоваться за счет нек
торых аппретов Например, силаны обычно используются для Р
вания связей между окисными группами на поверхности стеки "'
лекулами полимерной матрицы На одном конце ( С*"
молекулы водородная связь формируется между оксидными
в°локно-.
U гР°воЧа роздело
Межслоевой слой
Наполнитель
Рис. 2.22. Продолжение
ними группами стекла и частично гидролизованным силаном, а на
другом конце (В) она реагирует с совместимыми группами полимера
(рис 2 22d)
Силан
Рис. 2.22. Схематический рисунок, иллюстрирующий образование ме*'
фазной связи (а) - механическая связь (А - точки зацепления); (Ь) "
электростатическая связь, (с) — химическая связь (R и X представляю*
совместимые химические группы), (d) - химическая связь, обусловлен'
ная силановыми аппретами, (е) — полимерная связь; (f) - диффузиоН'
ная связь.
(d) Диффузионная связь
Между атомами или молекулами матрицы и наполнителя может про-
ходить взаимная диффузия, в результате которой образовывается диф-
фузионная связь Для полимерных матриц этот тип связи может рас-
сматриваться как следствие «переплетения» молекул (рис 2 22е)
Прочность связи в этом случае зависит от многих факторов, включая
длину переплетения, степень сшивки и число молекул на единицу
поверхности
Для металлических и керамических систем интердиффузия компо-
нентов может образовывать новую фазу различного состава и структу-
ры (рис.2.220- Межфазный слой может иметь механические свойства,
отличные от свойств матрицы и наполнителя, и влиять на характери-
стики границы раздела. В композитах на основе металлических мат-
риц интердиффузный слой часто хрупок и имеет примерно стехиомет-
рический состав АВ, А2В, AjB, например, СиА1г
Одной из главных причин, по которой в композитах иа основе ке-
рамических и металлических матриц образуются интердиффузные слои,
является высокая температура формования. При высоких температу-
рах скорость диффузии, описываемая коэффициентом диффузии Z)d,
экспоненциально возрастает согласно уравнению Аррениуса
? Глава 2 Волокна и граница раздела волокно матрица
P= D, tKp(-QJRT},
гае Q ~ энергия активации, _ константа, R — газовая постоя^
Т - температура Соответственно, температура сильно влияет щ
эффициент диффузии При типичном значении Qa = 250 кДж,/.,
величина D, при температуре 1000°С в 2 х 10й раза больше, чем
комнатной температуре Диффузионная длина х и, следовательно, •
шина диффузионного слоя зависит от времени I и температуры
величина дается соотношением
x = jDot .
(1
Интсрдиффузный слой может изменяться в течение эксплуатацй
особенно при повышенных температурах Уже сформированные ц
могут продолжать расти, и в таком случае формируются многое»
ные интердиффузные слои
2.73. Методы измерения адгезионной прочности
Адгезионная связь значительно влияет на наиболее важные мехаш
ческие характеристики композитов, поэтому разработаны разли
ные методы измерения этой характеристики. Помимо проблем, св
занных с множественностью методов испытания, сложное!»
возникают также при интепппетяит.,, ’ „о-™
рпретации результатов, поскольку разр
шение может оказаться не ад^„п , ,.м
огезионныл|. В самом деле, существу1
вероятность разрушения не гоанм.ил У
ны, те разрушение может “ ВОЛОКНа ИЛИ
особенно сложна, если два различит, ™ОНный хаРактер. Ситуаи
слоем материала С. В этом случае есг^'атериала А и В склеиваю®
С и С-В и три материала (А, В и ДйВе алгезионнь1е границы А
разрушиться когезионно ’ каЖдый из которых мож£1
Можно сказать, что с практической точки
является ли разрушение адгезионным или к Зрсния не имеет значения
испытаниях определяется прочность самою Скольку ПР”
испытания воспроизводят условия службы, н0аб0ГО ЗВена В самом дел”’
информации о типе или прочности границы ° П1о5ом случае отсутстВ®
ничивает наши знания. Раздела иесомкецИо огра
(а) Испытания одиночного волокна
Наиболее простое испытание состоит в вытаски
локна из блока матрицы, как показано на рис
прост, однако он весьма трудоемок, особенно для а' ТаМт 0Г°
волокон Впрочем, полученные результаты no31J().,uJ“"Kllx и С|,осо6
«лают опр,. «Руцких
Л11,ь как
2.7 Граница раздела 77
<а)
Полимер
Волокно
Напряжение
А
Рис. 2.23. Испытание одиночного волокна (а) - вытаскивание одиноч-
ного волокна, (Ъ) ~ сжатие для определения прочности границы разде-
ла При сдвиге, (с) - сжатие для определения прочности границы разде-
ла при растяжении
сдвиговую прочность границы раздела, так и энергию разрушения.
Энергетический подход более подробно обсуждается в главе 11
Сдвиговая прочность границы раздела может быть также определе
на испытанием образца, состоящего из блока матричного материала с
отдельным коротким волокном, ориентированным вдоль оси растяже
ния, как показано на рис 2 23b. При сжатии вблизи концов волокна
появляются сдвиговые напряжения из-за различий в упругих свои
ствах волокна и матрицы (см главу 10). Сдвиговые напряжения в ко
нечном счете ведут к отслоению кончиков волокна, и вели тина
жет быть оценена по величине сжимающего напряжения стс>
котором происходит отслоение.
г, 2,5 сс.
Сложности этого метода испытания состоят в определении н
сдоения и, следовательно, величины ос, оно обычно делае1\
йым наблюдением, а это возножно лишь для прозрачных
„зде.,а волокно-матрица
„ — I
У? обусловлено растягивающими напряжен,
Отслоение может ^чным волокном, как показано най
ми при сжатии "Хазна отслоение может произойти вс.,
2 23с При такой геомирии^ напряжений, возникающих из-за»
стане поперечных растягаваю^ и ма1рицы При этом,
лилия в коэффициента'гку растажении связан с величин
ХИ"^ений соотношением
= Сц-»
Г - константа зависящая от коэффициентов Пуассона и моду»
волокна и матрицы Как и в уже описанном методе испытан,
^сложно определить начато отслоения и, сответственно, велич,
а Кроме того оба способа требуют точного выравнивания волов
вдоль оси приложении нагрузки
Еще один метод состою в растяжении образца в форме галтели, q
держащей отдельное волокно Под нагрузкой волокно дробится, и поо
многократного дробления длина получающегося фрагмента равна так в
зываемой критической или неэффективной длине волокна (глава 10),,
которой можно рассчитать сдвиговую прочность границы раздела.
(Ь) Испытание композитов
Информацию об адгезионной прочности можно получить также пуп
механических испытаний образцов композитов на кручение, растя»1
ние и на трехточечный изгиб. Мы не будем обсуждать все перечне»
ные способы испытаний Остановимся лишь на трехточечном изгиб
и методе Иосипеску
Самым простым и наиболее широко используемым способом и
пытаний является метод трехточечного изгиба Геометрия образца, мей
нагружения, а также распределение сдвиговых, растягивающих и с»
мающих напряжений при трехточечном изгибе приведены на рис. 21'
аксимальное растягивающее напряжение достигается на нижв|
поверхности балки (рис 2.24b), величина которого задается формул^
_____________3 PS
2BD' '
(2
где В, D и S определены на рис. 2.24а, D и В толщина и шири
образца соответственно, S - расстояние между внешними точка)'
нагружения
Максимальное растягивающее напряжение достигается на нижней п
верхносги балки (рис. 2.24b), величина которого задается рмулой 2 5
При испытании однонаправленного материала ^этам методом м
жег быть определена адгезионная прочность пр ении, если в
Рис. 2.24. Метод трехточечного изгиба, (а) - геометрия образца, (Ь) -
распределение растягивающих напряжений, (с) - сдвиговые напряже-
ния, (d) — укладка волокон при определении прочности при попереч-
ном растяжении; (е) — укладка волокон при определении сдвиговой
прочности
локна ориентированы поперек длины образца (рис. 2 24d), а величина
Р в уравнении 2.5 равна приложенной силе
Для определения сдвиговой прочности рассмотрим распределение
сдвиговых напряжений. Максимум сдвиговых напряжений находится
в центральной плоскости образца (рис. 2 24с), и его величина опреде-
ляется формулой:
в0 Главе 2 В°^“°
мзд(ла воло^о^рица
.раницо рчзчсли
3/_
0 А ВО
Сравни» это уравнение с
г О
Oi
формулой 2 5. получаем
(2.
гл₽1Ует ЧТО отношение максимальных сдвигов.
Из этого уравнения с ед . нваюи1ИМ зависит от отношения J
напряжений к макснммьнь ‘ толстых образцах это отнощ
ние достаю копотких и толстых образцов при укч
шення Из за этого разрушение коре
„ гЛпязпа (пне 2.24е) является сдвиговым m
ке волокон параллельно оси образца ф р
условии t/в < D/2S. Этот метод испытания называется короткоба»
ныи изгибают межсюевьсч сдвигом К сожалению, и предел прочная
при поперечном изгибе, и сдвиговая прочность при короткобалочна
изгибе зависят от объемной доли волокон, и i юэтому определенные т(
ким образом характеристики не могут рассматриваться истинными ве
чинами прочности границы раздела
Образны в методе Иосипеску имеют двойной V-образный надре
Под действием пары сил (рис 2 25) в середине образца возникак
условия чистого сдвига, а изгибающие моменты равны нулю, Пракп
чески, однако, существует некоторая неоднородность сдвигового к
пряжения и вероятны малые нормальные сжимающие напряженш
Однако этот метод испытания позволяет получить надежные данные
сдвиговой прочности композита
(с) Метод микроиндентации
метод использует стандартное оборудование для испытания Hi
твердость Преимущества этого способа испытаний состоят в том, чт.
I
Сила
|р Нагружающий захва»
Образец
^нс ^-25. Метод Иосипеску
образец может быть очень малым и нужно лишь отполировать одну из
его поверхностей Индентор нагружается силой Р по центру волокна
что приводит к его сдвигу на границе с матрицей. Как следствие, во-
локно вдавливается в матрицу как показано на рис 2.26
Для образца разумной толщины смещение сдвига меньше толщины
образца, и сдвиговая сила г, дается формулой
г, = pi/AnuR'Ep
где RhE- радиус и модуль Юнга волокна соответственно. Для стан-
дартного пирамидального индентора смещение сдвига и может быть
рассчитано по формуле
и - (b-a) ctg 74°,
где а — половина длины диагонали углубления на волокне, b - половина
диагонали углубления в матрице Этот метод особенно удобен для ком-
Рис. 2.26. Метод микроинденгацин (а) * схема нагружения (Ъ) ска-
нирующее электронное изображение волокна SiC вдавливаемого в ли-
-----------------~™>ь-лпкепамнческую матрицу (Marshall, 1984)
тий алюмосил нкап <ую
стсклокерамнческую
I Температура термообработки (°C)
Рис. 2.27. Адгезионная сдвиговая прочность, определенная методом мик
роиндентаиии для стеклокерамической матрицы «Silceram*, армировав
ной волокнами SiC в зависимости от времени терм»м«бра6огки при 900°с
(а) и температуры термообработки в течение 12 часов (b). (Kim et al, 1991
Литература
] Общая
( Bracke, Р , Schurmans, Н and Verhoest, J (1984) Inorganic Fibres and Compos#
। Materials. EPO Applied Technology Senes Vo) 3, Pergamon
} Brandt, R. G , Fishman, S G , Murday, J. S et al (1989) Science of Compos#
l interfaces, Elsevier Science Publishers
Chawla, К К (1987) Composite Materials - Science and E
Research and Engineering Senes (eds В llschner and N J Matenali
KeUy A (ed) (1989) Cone.se Eneydopedm of Con.pos.te
Mdewski J V and Katz, H. S (1987) Handbook ofRelnf0Kme„.1 T”"
Nostrand Reinhold nts for Plastics, Van
Специальная
Anderson С. H and Warren, R (1984) Compos.tes, 15, 16
Bennett S C and Johnson D J (1978) Proc Sth London r„nk
Conf .Vol 1, Society for Chemical Industry p 377 Carbon and Graphite
Dinwoodie J and Horsfall, I (1987) Sixth International Conference „„ r
Materials ICCMandECCM.Vol 2 (eds F L. Matthews, NCR bXTm
Hodgkinson and J Morton), Elsevier Apphed Science, p. 2, 390 ‘ M'
' J°hnSOn’ ° J a"d SaV‘UC B P (,980) Fh'' Trans R°>’ S* Land
ТОЛ
Hodgson, A. A. (ed.) (1989) Alternatives to Asbestos - the Pros and Cons, published
for the Society of Chemical Industry by Wiley
Homeny, J and Vaughn, W L. (1987) MRS Bulletin, 12, 66
Kim, H S , Yong, J A., Rawlings, R D and Rogers P S (1991) Mat Sa and
TechnolJ, 155
Lin, S S (1992) SAM PE Journal, 28, 9
Marshall, D В (1984) J Amer Ceram Soc, 67, C259
Moreton, R., Watt, W and Johnson, W (1967) Nature (London) 213, 690
Задачи
2 I. Волокна окиси алюминия и карбида кремния SrC имеют плот-
ность 3 3 т/м3 и 2,6 т/м3 соответственно. При растяжении волок-
на ведут себя упруго вплоть до разрушения Прочность при рас-
тяжении и деформация при разрыве оксида алюминия равны 1500
МПа и 0.4 % соответственно, а волокон SiC - 2300 МПа и 1,0 %
Вычислить удельный модуль упругости и удельную прочность
волокон.
2 2. Однонаправленный композит испытывают методом трехточечно-
го изгиба. Образцы имеют толщину, ширину и длину 4x10x120
мм (образец А) и 4x10x50 мм (образец В) Расстояние между ниж-
ними точками нагружения на 10 мм меньше длины образца Обьяс
ните следующие экспериментальные наблюдения
(а) Образец А разрушился у растягиваемой (нижней поверхнос
ти балки на рис 2.24b) при силе 1164 Н
(Ь) Образец В разрушился путем сдвига в центральной плоско
сти при силе 2670 Н
ГЛАВА 3
КОМПОЗИЦИОННЫ^
МАТЕРИАЛЬ
С МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ
МАТРИЦЕЙ
3.1. Введение
В 1960-х - начале 1970-х голах были созданы борные волокна; эв
позволило приступить к разработке композитов на основе металли-
ческой (алюминиевой) матрицы Вначале существенным препятстви-
ем при производстве композитов было химическое взаимодействие бор
и алюминия при температурах выше 600'С, из-за чего довольно долго
удавалось делать лишь тонкие слои композита методом плазменного
распыления матрицы Впрочем, в дальнейшем разработка защитит
покрытий и создание инертных волокон карбида кремния и окиси
алюминия позволили использовать жидкометаллические технологии
(параграф 3 22) Заметим, что композиты с металлическими матрица-
ми (метагюкомпозиты) до настоящего времени развиты менее широ-
ко, чем армированные пластики, и продолжают интенсивно разраба-
тываться
У металлокомпознтов есть значительные преимущества по сравне-
нию с иеармированными металлами. Так, металлокомпозиты имею!
более высокий модуль упругости, прочность, теплостойкость, более
низкий коэффициент теплового расширения и меньший износ при
трении Благодаря этим свойствам диапазон использования мегалло-
композитов очень широк — таблица 3.1. А недостатками металлоком-
позитов являются меньшая деформагивностъ и более высокая цена,
чем у исходных металлов.
no3Hnj<VU,0KC1MnO1HTbl имеют ряд преимуществ и по сравнению с ком-
ми)1'нМИ На °СН<ШС полимерных матриц (армированными ппастика-
*есткосгь 'Ме₽ °НИ имеют6олее высокую трансверсальную прочность,
Кроме то Пр0ЧНОСП> при елвиге и сжатии, а также теплостойкость,
тоо и т»-Г0 °НИ НС ПОГЛ01ца|От влагу, не горят, имеют хорошую элек-
плопроводностъ, стойки к действию света и радиации.
3 2 Тех"°м™ ^В1пввлекия 8S5
Таблица 3.1. Применение композитов на основе металлической
аэрокосмической технике (Wei, 1992). ой матрицы в
— Матрица Волокна Применение
Да основе Си С камера сгорания ~
SiC носовой обтекатель
W теплообменник НАСП‘
На основе Fe W трубопроводы
На основе N1 и А1,О, лопасти, диски
интерметаллов W
На основе Ti и S1C корпуса, трубопроводы
интерметаллов Т1В2 лопасти, диски
TiC валы, сотовые конструкцииъ
На основе А1 SiC корпуса (насосов, приборов), механи- ческие соединения, спутники, элементы конструкции
А 1,0, фюзеляжи
С структурные элементы
SiC крылья, лопасти
На основе Mg А 1,0, структурные элементы
Направленно лопасти, кабели, теплообменник
отвержденные эвтектики НАСП , сверхпроводники
На основе Си Nb
На основе Ni карбидные
На основе Ti кремниевые
“Сверхзвуковой Американский Аэрокосмический Самолет
3.2. Технология изготовления
Все способы производства металлокомпозитов можно объединить в
несколько групп:
а. твердофазное формование
Ь. жидкофазное формование
с. осаждение из газовой фазы
<1. формование методом in situ.
3.2.1. Твердофазное формование
Сейчас металлокомпозиты производятся в основномч1ггельный
Дофазного формования, хотя в самое последнее *** гаер_
прогресс был достигнут в развитии жидкофазных . ме частиц
дофазном способе производства матрица находи
I
I
I
I
I
I
I
мет^шческои матриц
Г.а.о материй
1НЯ имеет большую плошадь повеРхнОсп,
или фольги При этом 1 Кота увеличивают давление,
высокой избыточной эне^'олн1)те,,ем, „ энергия системы yMeiii
ляется контакт .металла с емодалитиого материала станов,^
шлется Как следствие, „онолитизации могут быть Ра
энергетически выгодным Ме»диффузией матри^
личными но они всегда связан г ж,,„игя тг> 1
наполнителя При этом если матрицей является фольга, то метод щ
зывают диффузионнив а если частицы - то порошковой металлу^
На первой стадии диффузионного формования получают трехслов
ный материал, состоящий из однонаправленных волокон, неболыцИ(
количества полимерного связующего и двух слоев фольги (рис.3, la,
Иногда его уплотняют После этого материал разрезают и укладываю,
в определенной последовательности, в результате формируется мне
гослойный ламинат (рис 3 1с) Наконец, ламинат нагревают и прессу
ют, как показано на рис 3 Id Некоторые титановые сплавы склонны i
очень большим пластическим деформациям при повышенных тем
пературах. Такое поведение материалов называют сверхпластичностщ
Для титановых сплавов температура прессования подбирается таки»
образом, чтобы использовать это свойство матрицы
Диффузионная сварка довольно дорога, и. кроме того, этим мега
дом могут быть получены лишь изделия простои формы вроде труб,
пластан' Получение из пластины деталей более сложной геометричес-
кой формы требует еще одной технологической стадии, увеличиваю-
щей их стоимость и приводящей к снижению механических характе-
ристик. Достоинством твердофазного формования по сравнению с
жидкофазными технологиями является более низкая температура про-
цесса, позволяющая избежать нежелательных реакций на границе раз-
дела волокон и матрицы Особенно успешно метод диффузионной свар-
ки используется для создания композитов на основе волокон бора с
титановой, никелевой, медной и особенно алюминиевой матрицей.
Порошковая металлургия особенно удобна для производства ком-
позитов с короткими волокнами, усами или дисперсными частицами
В этом случае компоненты смешивают и прессуют при высоких тем-
пературах —- в результате происходит монолитизация материала Наи-
о.тее важной стадией получения гомогенного материала в этом случае
является смешение компонентов Смешение обычно проводят в инер-
стин ГСфе₽е' что^ы Уменьшить опасность взрыва и попадания ча-
необхолимаНИТеЛЯ " Мэтрицы в Дыхательные пути людей. Кроме того,
повепхностиЧИСТ0Та процесса' поскольку у частиц большая площадь
ют для ипя» На Которую легко еадится грязь. Обычно смеси дегазиру-
ения газов, адсорбированных на поверхности частиц.
Рис. 3.1. Диффузионное формование: (а) — исходные компоненты
слои армирующих волокон и матричной фольги; (Ь) и (с) с орк
ламината из слоев фольги и волокон (иногда уплотнение проводет с
ЗУ после сборки трехслойного материала), (d) ~ горячее пре
(е) и (f) — завершающие операции
, ие^ичесК°й матР^.
ные ^Р“а ,Ы ‘
. г„,н 3 методами ковки, пР0к>
^ризлы по^ метода обработки. надр,
Композит^ “^уют ср» У^й o6pa6oTKoH для пОл?1
и “ИХ«' вМеСК С ^ушени» оксидных слоев на.*
мер. горячу» "^ „делдя
ния требуемой Ф°Р бь1ТЬ получены матер*
тинах металла металлуР11"'' ' В|1рочеМ, обычно сте
Методом поре ^ия до 50о пр1) этом снижается Вя
",п~
Если пластична не ,|апрНМер, производят композит
можно получать волочением^ мсгалЛических волокон 3»,
состоящие из металлическом м р иультиволокнистых сверхпрово.
метод используется для получения мул
ников (параграф 3 5)
3.2.2. Жидкофазное формование
печется пазрабепка методов литья Осноь
R пар прян Ир ГОДЫ АКТИВНО веДСТСЯ Р I
HMe“oZpB этом состоят в необходимости смачивания во»
кон и избежании реакций с матрицей Наиболее перспективным m
собом из множества существующих является нанесение покрытия
защищающего волокна от химических реакций и увеличивающего к
смачивание Так, для увеличения смачиваемости волокон SiC их па
крывают слоем пиролитического углерода; при этом происходит не
большая потеря механических свойств В качестве альтернативной
метода пробуют модифицировать состав металлической матрицы. Со
общается о введении лития в состав алюминиевого сплава для компо-
зита, армированного волокнами окиси алюминия марки FP Alumina.
Литий улучшает смачивание волокон благодаря образованию на и>
поверхности шпинели 1д2О 5А12О. Заметим, что для некоторых метал
лов эти проблемы решить не удалось Например, жидкофазная техно-
логия не используется для получения композитов с титановой матри-
цей из-за высокой реакционной способности титана.
Простейший жидкофазный метод называется смешением в расплаве,
он состоит в смешении частиц, усов или коротких волокон с распла-
вом металла и формовании деталей по стандартной технологии литья
ри смешении в расплаве трудно получить однородный Материал из
за разницы в плотности матрицы и наполнителя. Качесгво смешения
улучшается при некотором охлаждении смеси вследствие увеличения
з 2 Технология изготовления 89
ВЯЗКОСТИ матрицы, и такую модификацию метода называ10т реолитк
м. При смешении в расплаве степень наполнения ограничена 2оХ
поскольку при более высоком содержании наполнителя трудно п^’
мешать смесь из-за резкого возрастания ее вязкости. Использование
реолитья ограничено еще сильнее, поскольку эта технология тоебуст
большого температурного диапазона твердения, в котором существует
«мягкое» состояние смеси. J
в других жидкофазных процессах в форму сначала помещают так
называемую волокнистую преформу, а затем подают жидкий металл
который постепенно пропитывает преформу. Если процесс проводит-
ся при атмосферном давлении, пропитка осуществляется в основном
за счет сил капиллярного поднятия. Более быстро пропитка жидким
металлом проводится при повышенном давлении. Для этого величина
прикладываемого давления Р должна превышать силы поверхностно-
го натяжения, обусловленные искривлением мениска жидкости во
фронте распространения жидкости
где г — радиус кривизны жидкости во фронте распространяющегося
металла, ужт — поверхностная энергия системы «жидкость-газ». Вели-
чина г примерно равна половине межволоконного расстояния. Это
уравнение описывает распространение металла вдоль оси волокон в
однонаправленной преформе. Поперечное проникновение металла и
пропитка коротковолокнистых материалов описывается более слож-
ными уравнениями
Давление на металл обычно подается механически или через газо-
вую фазу, однако существуют и другие методы, в том числе электро-
магнитные. Даже если металл подается под давлением, волокнистая
преформа не должна быть слишком плотной, чтобы не затруднить
процесс пропитки. Верхний предел степени армирования при этой
технологии равен приблизительно 30об.%. Давление должно быть до-
статочным для обеспечения пропитки, но и не слишком высоким, чтобы
не повредить волокна и не деформировать преформу.
Рис. 3.2 иллюстрирует последовательность технологических опера-
ций в методе литья с пропиткой, особенно удобным для производства
мелких изделий простой формы. В этом процессе в пресс форму по
мешают преформу (а), после чего подают требуемое коли юство м
талла (Ь). Затем прикладывают давление (70-100 МПа для алюминие-
вых сплавов), под действием которого металл пропитывае^ тве1>
(с). Для уменьшения пористости давление снимается лишь
дения металла (d), и, наконец, деталь извлекают из пре
(d)
Рис. 3.2. Литье с пропиткой (а) - в пресс форму вставляется префор
ма, (W - вводится нужное количество металла, (с) — прикладывало
давление. удаляется плунжер (d) и извлекается деталь (е)
Этим методом производятся автомобильные поршни из алюминии
усиленного короткими волокнами окнси алюминия саффил. Размер,
производимых этим методом деталей ограничены возможностями ме-
ханического пресс-оборудования и высокой стоимостью крупных де
1OJ1C п
Прессование при помощи давления газа позволяет делать более
крупные детали, чем при использовании механических прессов. Вто-
рое преимущество отказа от механического пресса состоит в ус коре
нии процесса формования Поэтому при использовании этого метода
можно использовать любые волокна, способные в течение некоторого
времени выдерживать контакт с расплавленным металлом. В таком
случае не требуется дорогостоящее покрытие волокон, а использоваться
могут самые разные волокна, такие, как, например, SiC, В, С и А1,0,
роме того создание давления при помощи газовой фазы уменьшат
повреждаемость волокон и уменьшает степень их разориентации Ш
сравнению с механическим прессованием.
3 3 иллюстрирует метод литья с пропиткой под давлением
ваемы.м газовой фазой. Преформа вставляется в форму, которая
Рис. 3.3. Метод литья с пропиткой под газовым давлением а — вставля-
ется заготовка и закрывается пресс-форма, b — вакуумирование, с —
подается газ
затем закрывается (а). Сосуд с расплавленным металлом вакуумирует
ся (Ь), после чего подается газ. Под действием давления газа расплав
ленный металл начинает поступать в форму (с). Давление газа снима
ется после твердения металла.
3.2.3. Осаждение
Весьма перспективен метод совместного распыления волокон 1
рицы. Он состоит в распылении с последующим осаждением
янногр метамз совместно с распыляемы*,,,
капель И агомизированног Капли металла сущ. *
~ нала— на нескольких м.ади^
ют в течение короткого вр мелкокристаллическую crpv
Сысттюс tr^djtchhc матрицы созда _
СТрое твердение м i Управление процессами ?
и затрудняет ее реакцию с напапни ми рт
пыления металла и подачи частиц позволяет создать композицИо^
материал с малой пористостью и однородным распределением часц.
(обычно <95%) Эта технология использовалась для получения
мнниевых еллавоа, усиленных частицам» SiC После распыления обь^
но проводят вторичную обработку композита
Были попытки применения и других методов осаждения для сц.
ния мегаллокомпозитов Например, химическое осаждение, осажде
из газовой фазы (чаще всего вольфрама), электроосаждение (глав
образом никеля) и плазменное напыление Во всех этих методах мят^
на осаждалась на волокнистую преформу, однако широкого расп*
ранения они не получили Их достоинствами являются низкая 1/°°
ратура процесса и отсутствие реакций с наполнителем И
ние используется для создания слоя, который затем °ГДа <ХаВД£’
дом твердофазного формования. Потенциальным преи^™'"'’' МеТ°’
фазного осаждения является способность газа к прон УШеСГВОМ 1а“-
плотаые преформы, что позволяет получать композите ХГ” ЧеРа
кой степенью армирования, чем при жидкофазных методах ВЫС°‘
3.2.4. Создание композита методом in situ
фронтальное твердение эвтектических сплавов может привести к обра-
зованию материала с двухфазной микроструктурой. где одна из фаз име
ет форму стержней, ориентированных параллельно направлению рас
пространения фронта (рис 3 5) На рис 3 5 схематически показана фазовая
диаграмма эвтектики, обе фазы которой являются твердыми растворами
с составами ст и /3 Заметим, что обычно твердым раствором является
лишь матрица, а армирующая фаза - интерметаллическим компаундом
или карбидом Фотография такого композита приведена на рис. 3.5Ф
Однонаправленный рост эвтектики осуществляется путем плавле-
ния материала посредством индукционного нагрева; для этого индук-
ционная катушка движется с определенной скоростью Наиболее важ-
ные параметры, определяющие микроструктуру эвтектики, - это
градиент температуры С на границе жидкой и твердой фаз, а также
скорость распространения границы раздела Rc Температурный гра-
диент должен быть таким, чтобы фронт эвтектики оставался плоским,
и скорость фронта превышала скорость зарождения новых фаз. Ти-
пичная величина градиента температуры G лежит в интервале 10-100
К/см Межволоконное расстояние Л1 связано со скоростью распрост-
ранения фронта соотношением
= С,
где С - постоянная, зависящая от типа эвтектической системы, а /,
обычно лежит в пределах 0,1-10 мкм
Отметим, что однонаправленные эвтектики не удовлетворяют дан-
ному выше определению синтетических композиционных материалов
Однако по своей структуре и поведению они аналогичны армирован
ным волокнистым композитам, и поэтому для полноты картины были
включены в настоящую главу
3.3. Реакции на границе раздела
В предыдущей главе отмечалось, что матрица может взаимодейство
вагъ с волокном, и в результате реакции образуется межфазный ело
В композитах на основе металлической матрицы межфазные слои * туг
а фазовая диаграмма
с- 3.5. Получение композитов методом in situ: о — фазовая диаграмма
эвтектики b - индукционный нагрев, с - двухфазная crpyKrv„a J -
Blank°^88jеКГ₽0нная Фотография композита / (N13A1) - сщу|о) р’ипУ
3 3 Реакции „а границе раздела 95
я в течение времени эксплуатации, но обычно они форми-
п‘”’вЛЯ изготовлении (рис. 3.6). Согласно уравнению 2 4 (х = Jg/)
₽уЮТСЯ "аимной диффузии х увеличивается пропорционально квад-
дЛ1'Иа корню из /, и толщина межфазного слоя должна возрастать
ратном ° кориевой зависимости. Однако хотя зависимость логарифма
согласи от логарифма времени обычно действительно линейна,
золвгин степени не всегда равен одной второй
п° у3а„,цо известно, что коэффициент диффузии De (уравнение 2 3)
ХОРен11Иально увеличивается с ростом температуры Поэтому при
ЭКСП°Н температурных жидкофазных методах образование межфазных
высоко кОлее вероятно, чем при низкотемпературных методах
слоев гор«'Лц*7
ния Отметим, что толщина межфазного слоя лучше согласу-
^^теоретическими оценками, если в уравнение 2 4 подставить ко-
^фициент межзеренной диффузии D., а не более низкое значение
Хффшшента Решеточной диффузии.
показывающая меж-
Рис. 3.6. Просвечивающаяэлекфоннаг, фотограф® нном ^окнами^
фазный слой MgO в магниевомполучен методом лит
окиси алюминия сафимакс Ко- /пЮбезно предоставлено
пропиткой под газовым давление
Ллм ’ К^^е м^риазы е ззе^ческоы Мат^
Межфюиые слои образуются ватеаствиехимззческой реакции^
ДУ мятежи волокна и матрииы например, титана и адю^
Игл-о.. |» появления межфазного слоя зависит от состава матрТ*
Например, алюминиевые сплавы практически не реагируют с bZ*
/ нами окиси алюминия если матрица не содержит литии или MarJ^
/ В случае сплавов AI-Li как отмечалось в параграфе 3 2 2.
' слой улучшает смачивание
Межфазные реакции нежелательны, если они снижают механ
кие свойства металлокомпозитов Влияние толщины межфазно
на механические свойства титанового сплава, армированного
локнамн SiC, показано на рис 3 7 Межфазный слой приводит
жению продольной прочности и ударных характеристик к К
Ясно, что появление излишне толстого межфазного слоя н iri°3iib
но если требуются высокие механическое свойства компо СЛаТе^
Прадшимя
Ймеречная
i
а
Mg-AljOi
"родальная
AI-SiC,,)
"оперечнал
as*
005
3-7- Влиянне ,0,,Ч"та Ч>1"’"'Г0 “*“»
• "ouer 1992) моноволокон SiC, покрыл:
34 Св°й^а МеПал
3.4. CBOi>^^ann
3.4.1. Физические свойства °ЗИТ°в
Свойства композитов на основе м
щества по сравнению с аоми^, ’11г1и'|гск(.й
галлами кратко описаны в пре^Х^ ПЛа^аТ^И *“ n«**My-
это описание р «ВДушей главе зДе 6’1очныМи
ти^^ СЬМЬ,ПР°^
варызруются при измененииА^Ичес«« констр^8 ^а-
йлемой КТР керамик в Иеско ' 470 иногл- '** СУ81ественно
керамичесюзми волокнамз, или ча НИ*е' и ^миро^^ "Ро-
нию. что иллюстр„руеТСя н "^ит кТ"* Мегхма
Армирование ^огичноХИХР’..ДаННЬ,ми Р«^ 8.еГО УМецьще.
металлов Например, теплоп^^ Иа теги«’- и элес-w,
"Робеть волокон ^"^носзг
^сНЫде, чем
’ чсм метал-
х 020
Теыперагура ('С)
гис. 3.8. Вли
магния 'ЯН"е аРм'Ро^ння на тепловое расширение алюминии и
*в Глава 3 Каипозиционкые материалы с металлической матРи
лической матрицы и, как следствие, теплопроводность метсц^
позитов ниже теплопроводности исходных металлов Хотя ap^j?^
Ние металлов приводит к существенному снижению теплопрОв
ти- она намного выше теплопроводности большинства под,, Ojpi<|c
армированных пластиков (табл 3 2) **Ч’0в (
Габлпы 3 2. Сравнение теплопроводности металлов, полимеров
пазите в армированных пластиков при комнатной температура МеТЯ'и,°К<а1
Теплопроводность,
Вт м ' град~‘
' 201
140
АЛЮМИНИЙ А1 15%А1,0, 0,2
Фенолформал^иа Фенольная смола/э 0,3
Эпоксид
Эпоксвд/604 стекловолокон . _ -ныв волокна 5-100'
Эпоксид/У1^^1 —
—-^^^ной доли волокон
Считается, что при выборе конструкционного материала необходи
мо рассматривать комплекс механических свойств. Это справедливо
для материалов функционального назначения, применяемых из-за и
физических свойств Например, отношение коэффициента теплопро
водности к коэффициенту теплового расширения, называемое солрь'
тиалением тепловой деформации, является важной характеристикой м
териалов для космической промышленности Там требуете,
чрезвычайно высокая стабильность размеров при изменении темпер!
туры (которая в космосе может изменяться на несколько сотен град
сов при смене дня и ночи).
I У армированного углеродными волокнами магния очень низке
I значение коэффициента теплового расширения в широком диапазон!
температур из-за почти нулевого продольного расширения углерод
ных волокон. Армирование углеродными волокнами позволило ук
личить сопротивление тепловой деформации магниевого сплава боле
чем на 6000%
I
3 4 Свойства металлокомпозитов
3.4.2. Механические свойства
(а) Упругие характеристики
Армирование металла позволяет значительно увеличить о
Юнга Это особенно важно для метилов с низким модулем^
например, алюминия и магния Согласно данным рис 39»
ние алюминия позволяет увеличить его жесткость более ’чРМИР°Ва’
Возрастание модуля особенно значительно при большой ыл Мвое'
пирующих волокон (рис 3 10) До сих пор говорилось Тп^м
модуле упругости, те. модуле при продольном нагружении вопХ
Поперечный модуль обычно меньше продольного, что подтверждав
данными, представленными на рис. 3 11.
Рис. 3.9. Влияние армирования на модуль Юнга ал
Рис. 3.W. Влияние степени наполнения на модуль Юнга алюминия
(Ь) Прочность и деформативность при комнатной
температуре
Для получения высокопрочных композитов необходимы прочные во
локна и такая .матрица, при которой граница раздела имеет хоро
характеристики
Если при получении композита образуется толстый межфазный слой
то высоких характеристик границы раздела достичь, как правило, и
удается Это является особенно серьезной проблемой для композита
на основе титановой матрицы и снижает не только их прочность (рис
3 7), но и усталостные свойства.
Большое различие КТР матрицы и волокон может быть как досто-
инством, так и недостатком композитов. Оно приводит к появлению
напряжений, которые могут вызвать пластическую деформацию мат
рицы и влиять на механические характеристики композита. Плотное^
дислокаций, появляющихся из-за пластической деформации матри
цы, может достигать 10м м ’. В результате происходит деформацией
Рис. 3.11. Влияние степени наполнения на продольный и поперечный
модуль упругости сплава Al—Li, армированного волокнами FP А12О3
(Champion et al, 1978).
ное упрочнение сплава. Однако, если композит подвергается термо-
циклированию, то периодическое растяжение/сжатие может приво-
дить к появлению микротрещин на границе раздела матрицы и волок
на, и в итоге механические свойства снижаются.
Прочность композита (как и жесткость) возрастает с увеличением
объемной доли волокон. Кроме того, при одинаковой степени напол
нения продольная прочность армированного материала выше, чем у
композита, наполненного частицами. Однако при высоких степ
армирования прочность часто уменьшается (рис. 3.12)
Прочность однонаправленного композита при растяжении
лом к оси волокон ниже его продольной прочности, ПРИЧ® волокон
Шую прочность композит имеет при растяжении попе исит от
(рис. 3.13). Как правило, поперечная прочность сильно завис
102 Г*а9а
Рве. 3.12. Влияние степени наполнения на прочность при растяжени
композита на основе алюминиевого сплава. Индексы «с» и «р» относя
ся к композитам, усиленным непрерывными волокнами и частицам
соответственно, «со — продольная прочность волокнистого металле
композита
Рис. 3.13. Рисунок, показывающий влияние угла между осью растяже-
ния и осью волокон на прочность однонаправленно армированного ти-
танового сплава (Ti-6A1-4V) (Metcalfe, 1974)
I свойств матрицы и ее адгезии к волокнам, но практически не завися
। от свойств волокон. Исключением являются органические волокна
। поперечные характеристики которых ниже свойств многих полимер
। ных матриц Как показано на рис. 3.13 и 3.14, различие между про
। дольной и поперечной прочностью возрастает с увеличением содер
жания волокон.
Удельная прочность и удельный модуль упругости металлокомпо-
зитов на основе алюминиевой матрицы значительно превосходят свой-
ства исходных сплавов. Рисунок иллюстрирует преимущества исполь
зования непрерывных волокон. Стоимость волокон и затраты пр
производстве композитов всегда высоки на ранних этапах разраио>.
затем они постепенно снижаются по мере увеличения о
водства Поэтому указать характерные цены композитов за
продолжительный период времени очень трудно. Тем не
I id Зависимость продольной и поперечной прочности от объем-
- волокон FPA1 О, при растяжении композита на основе ста
НОЛТ°Ь Различие между продольными и поперечными свойств»
“застает с увеличением доли волокон (Champion et al, 1978)
видно, стоимость волокнистых композитов остается выше стоимости
композиционных материалов, наполненных частицами или усами. Эм
вывод отражен на рис 3 15
Одним из главных недостатков армирования является утрата не
таллами пластичности В этом отношении очень характерен алюмя
ниевый сплав Так деформация при разрушении отожженного алю-
миния, как правило, превышает 40% Конечно, она зависит от состоя
и для некоторых сплавов может быть намного ниже (==10%), особен-
но если сплав находится в состоянии усталости Тем не менее, деформ!-
тивность композитов не достигает и этого значения (табл 3 3).
Армирование приводит также к значительному уменьшению вязкое
ти разрушения металла Критическое значение коэффициента интен
сивности напряжения К1С алюминиевого сплава в результате армирок-
ния волокнами SiC уменьшается с исходных 20—45 МПА м|/2 до
МПА м1Л Образование межфазного слоя на фанице раздела «волокне"
3 4 Свойства
мегпамокомпозитов
„трипа" УИ1“аеТ даФ°Рма™вность и вялость разрушения композита “1то заметь, иго причина снижения этих характеристик при Хи межфазного слоя до конца не ясна. Однородность распределения ^окон, их свойства, особенно поверхностные, степень чистоты мат Хы (примеси могут загрязнить поверхность порошков) и величина внутренних напряжений могут влиять на эти характеристики Тяйлиты 3-3- Деформативностъ при комнатной температуре алюминиевого сила и армированного 20об % коротких волокон окиси алюминия или усов кар- бида кремния
Матрица Волокна Удлинение (%)
"" А1 Окись алюминия 4,0
Д1-2, 5%Mg Окись алюминия 3,3
А1-10%М« Окись алюминия 1,3
AJ-12%Si-1»Cu-1%Ni Окись алюминия <1
6061 Al Карбид кремния 7,0
7075 Al Карбид кремния 4,2
2124 Al Карбид кремния 4.0
5083 Al Карбид кремния 0,6
(с) Свойства при повышенных температурах
Если нет реакции между волокном и матрицей и не появляются мик-
роповреждения из-за циклического изменения температуры, то повы-
Типичные наполнители
А - SiC. частицы или усы
В - моноволокна SiC или
бора
С - высокомодульные
углеродные волокна
Удельный модуль упругости (ГПа/(т/м3))
Рис. 3.15. Сравнение удельной прочности и удельного модуля
ти композитов на основе алюминиевых сплавов с стм i«•<TV1*
характеристиками исходных алюминиевых сплавов ( eest.
Mr^^^UWCK0UMan^
С г — г ffaH!*03^0**
104 Гми композита сохраняются и Лри
Юши >• "Г’оЧН<Тм „ 117) Хорошие высокотеьцС1
“НШ1^мпераП^' JH0B£ металлических матриц ()Л
"ИТОВ ПРИ
до сих ПОР <*>***“"„ расшжении с постоянной скор '
„ю испытала >«’’"* 2,, эксплуатации деталь может нахо
движения сватов- Одна* < ^мени, „ поэтому мы ;|0
ся пол нагрузкой в ге риала Повестью или крипом назыв?
рассмотреть д,нны образца под действием постоянно,,
постепенное ^стадийная кривая ползучести Meiu
НаЛР“^0№ 3 № Линейная часть кривой ползучести между
ками В и*С соответствуй так называемой стационарной ползу,
тТполз^ести с постоянной скоростью Зависимость скорости
ояарной патэучести металлов от температуры Ги напряжения ст об.^
описывают формулой
ё = tjrcxpl-QjW’
(31)
!?^внсимость прочности алюминия и композита на его основе
I Аг^е₽аг>ры Испытани« (точки - J Dinwoodie et al, 1985; квадраты'
*- Ackermann et al, 1985)
Рис. 3.17. Температурная зависимость модуля Юнга магния, армиро-
ванного 25об % борных волокон Для сравнения приведены также дан-
ные неармированного металла (Huseby, Shyne. 1973)
где Q — энергия активации процесса ползучести, R — универсальная
газовая постоянная, £, н л - константы.
Рассмотрим влияние волокон на ползучесть композитов На прак-
тике классическая трехстаднйная кривая ползучести существует для
металлокомпозитов, армированных непрерывными волокнами, толь-
ко при условии, что матрица н волокна имеют близкие точки плавле-
ния и их скорости ползучести сопоставимы Реально трехстадийные
кривые ползучести наблюдаются лишь при использовании в качестве
арматуры металлических волокон, а также в некоторых композитах,
полученных по технологии in situ Однако даже в этих случаях стаци-
онарная ползучесть не слишком хорошо описываются уравнением 3.1,
поскольку значения энергии активации Qc, и показатель степени п
зависят от напряжения и температуры.
Типичная кривая ползучести металла, армированного непрерывных^
керамическими волокнами, представлена на рис. 3 18Ь Отличия в п
зучести обусловлены тем, что даже при высоких кмпе|М1Я',^яы1)
ползучести волокон пренебрежимо мала по сравнению со е_
ползучести матрицы. А это значит, что деформация волоко
3 4 Свойства металдокомпозитов
20вес.«У«в
KOU 3<arapU1(t4
то скорость ползучести не снижается до нуля В
ноМ иаПрЭВЛеН1^аких случаях матрица может течь вокруг волокон
0311 ом аеле’ 8еДЬ Ви коротких волокон скорость стационарной ползу-
, цспользованИ уменьшении отношения длины к диаметру
^^ГсТобразоваНИЯ пор и микротрешин вблизи кончиков
Чпзокон А ПОСЛВ Начинается третья стадия ползучести (область C-D
„«окон ИЛИ Ус°в ползучести композитов, армированных усами и
наР,,с 3 18а) пкиами имеет три стадии, как показано на рис 3 19
ТоР<^’мИ ^полненных систем стадия стационарной ползучести
птя некогорь» на’ третья область - ускоряющаяся ползучесть.
Ганиче® 44 ^показатели степени п для этих композитов намно-
Заметим ^наполненного металла (4).
rt) ВЬ11Пе Р ’
... Усталостное поведение
<d> снижение прочности материала под действием
ycWa^ и83ЫВ!Гусгалостного разрушения заключается в медлен^
^ки действием переменного напряжения, который
Разрушение композ гораздо меньше, чем при крат-
цпклических нагрузках исслед испытаниях разрушение
т=б1вк
о=52МРа
IQ8 Глав в J *
браня
Рве. 3.18. Кривые ползучести (а) - классическая
места металлов и композитов на их основе, (Ь) у си1Мци-
ползучеста металла, армированного непрерывными кер
лотами
Время (к 'О
дг 6061, армиРованноГ°
Рис. 3.19. Три стадии ползучести
SiC (Nieh, 1984)
ству является упругой В результате, вместо достижения стационар*4
состояния, скорость ползучести постепенно снижается до нуля,
показано на рис. 3 18Ь Впрочем, поскольку режим стационарной п
зучести отсутствует, уравнение 3.1 к композитам не применимо
Если металл наполняют частицами, короткими волокнами или Ус
ми, или если однонаправленный композит нагружается в трансве
+ LMO
О IM0+0 2V.
• 26I8A **"
х 261ВА+0,2Чс«|,фил
Увеличение предела ''
прочности, %
30 ‘
91
46
106
циклов до разрушения
N4>ивые алюминиевых сплавов и композитов, состояпК1
1987) миния и 20% волокон окиси алюминия саффил (Harris, W®
' 10 Гза.а у КомпоиМзохные С "maumea№i> ^Pu^
*** частиц, кластеров несвязанных частиц или хрупких Ину&р
лических слоев. Несмотря на появление этих дефектов, арМир^ Ч
«Сталла приводит к существенному увеличению усталостной Пп”аЧ
"и (табз 34) В литературе есть также сообщения о снижении *^0'
постной прочности в результате армирования На рис. 3.20 ПУ1
зависимость усталостной прочности от количества Пиклов ИЬеЗсц.
кия (так называемая S У кривая) Две нижние прямые (а) Со НадРЛ({.
юг обычному поведению, то есть существенному увеличен^
гной прочности в результате армирования Верхние 'Ста4ос
описывают небольшое снижение усталостных свойств Прябтые о
,в ^юмннив Ь'
Га&тииа 3.4 Возрастание усталостной прочности аомипг,»
отитов по сравнению с исходными металлами (10’ цикл^н^ МС,Та"Ь!°Ко
All2Si3Cu-IN:20T окиси алюминия
6061 Тб Al^OtSiC (усы)
Mg(AZ9I)+l6% окиси алюминия (саффил)
Mg(AZ9t)+25% окиси алюминия (саффил)
" П^еры «emajUOKOMnB3umoe
3.5. Примеры металлокомпозитов
Ниже подробно описаны свойства двух производимых „„
систем Эти примеры иллюстрируют области исполХ, ₽°МЫШленн°
ства композитов с металлической матрицей. юва,<ия и свой-
J.5.7. Мулыпифиламентпые сверхпроводники
Сверхпроводящим компонентом в таких композитах являт
металлический компаунд NbjSn или V3Ga. У сверхпроХи “(в ?₽'
мс овала или тонкой ленты) должна быть достаточно боты^ ( Ф°Р'
однородные свойства. Промышленно производятся и лен™4™™11
здесь будет рассмотрен сверхпроводник овальной формы попеоеч^
сечение которого приведено на рис. 3.21 ’ "сречное
Nb.Sn чрезвычайно хрупок, и поэтому получить волокна обычны
МИ способами, вроде экструзии или волочения проволоки не удается
Волокна получают с помощью твердофазной диффузионно-контроли
руемой реакции между волокнами ниобия и матрицей из сплава меди
Рис. 3.21. Сверхпроводящий композит с 41070 моноволошалш дна
ром приблизительно 5 мкм. (а) - поперечное сечение, (Ь)
удалена травлением (J A.Lee).
- аегпаллч“ескои матриц
| матери^-,ы с
<112 Глава J ^"<’1и“‘“"'НЫ нь,й как бронзовый
м Этот npo“ecc' " стадИи процесса в бронзов^
и олова (те бронзой/ & На первой отвеРстия вставляю,.
иллюстрируется рис * и в полней< ягивают при поВь,
заготовке сверлят о^ сечения (рис. 3
оби-евые п₽рт“?^. дая уменьшения и скпацЬ1ваЮт в пара,,
Посте’гого полученный ‘’^“ХпчествО волокон Пучок стеру
t Г^чок чтобы уветичись няя поверхность КОТо
и <рис 3 22с) меднм
покрыто тонким своем тан^ ^„^туры сверхпроводника в Про_
дочка необходима для ««" к(,мп031ГГ повторно вытягивают
цессе эксплуатации После составил несколько микрон. Цг
чтобы диаметр ниобиевых в нагревают до температур,
конечной стадии произвол из 6р0НЗы продиффундировали в НИо
600-800-С, чтобы атомы ft реакции сформировался сверху
бий, и в результате твер до КОН1И не проходит> и о6
водящий NbjSn ^^fl ФФУоД менее 2 микрон на пол1од(1
hZoZZ»^ ™ор',с“,° в“ толщина слоя NbjSn 33
непрореаги ро й Д11ффузии, и поэтому определяется теми
висит от степени взаимном ли
ратурой (которая экспоненциально влияет на коэффициент диффт
согласно уравнению 2 3) и временем термообработки (уравнение 24
Диффузию олова из бронзы в медную оболочку предотвращает низ
бий гии тантал, нанесенный на ее внутреннюю поверхность. У Nb,&
кристаллическая решетка А15, это — мелкозернистый поликрис
таллический материал с размером зерна менее 0,2 микрон (рис 323)
Его сверхпроводящие свойства зависят от толщины слоя и размер-
зерна На рис 3 24 приведена зависимость размера кристаллические
зерен от толщины слоя для некоторых мультифиламентных сверхпрь
водников Толщина слоя менялась изменением условий термообрг
ботки Диапазон оптимальных свойств сверхпроводящего слоя пока
зал прямоугольником
Мультиволокнистые сверхпроводники используются главным образ»
для изготовления обмотки магнитов. Механические свойства компози
та важны поскольку он находится под нагрузкой не только при нам№
ке магнита, но и в течение всего времени эксплуатации. Под действие»
токов величина растягивающих напряжений в композите может доел
МПа Механические свойства мультиволокнистого сверхпре»
°ЧеНЬ высокн по Двум причинам. Во-первых, различие меж!
п„Л,еНТаМИ ТСПМ0Г° бронзовой матрицы и Nb,‘
термообпябпПОЯКпНИЮ В1|утренн,(х напряжений при охлаждении пос
1КИ ри этом сверх- проводящие
волокна сжаты, и ДС<М
Термообработка
Рис. 3.22. Схематический рисунок, иллюстрирующий «бронзов
получения мульти волоки истых сверхпроводников, (а) — сверлят
стия в блоке бронзы и в них вставляют ниобиевые ПРУ™- ^,ывают
вытяжка заготовки, (с) — полученные стержни разре
и повторно вытягивают, (d) ~ термообработка.
114 Лол> J Компо»ч“‘”"‘
^с^аЛ-1иЧеСК°й матрицей
Рис. 3.23. Просвечивающая электронная фотография, иллюстрип
мелкие кристаллические зерна слоя Nb,Sn. полученного бронзой
тем Видна трещина в слое Nb,Sn, остановленная ниобиевой
кой (West, Rawlings, 1979)
200
S.
10 20 30
Толщина реакционного слоя (мкм)
Рис. 3.24. Зависимость размера зерен от толщины слоя Nb,Sn для муль-
тифиламентных сверхпроводников полученных бронзовым путем. Пря-
моугольник показывает область оптимальных сверхпроводящих свойсп
материала (West, Rawlings, 1979)
50
мания сжатия достигает 0,6%. Поскольку волокна Nb(Sn разрываются
при деформации 0,2%, растлгиоакяцая деформация композита при Р^'
рушении сверхпроводящих волокон достигает величины 0,2 + 0,6 -
%. Во-вторых, пластичные непрореагировавшие центральные облаем
3 5 Примеры металлокомпозитов
„биевых волокон останавливают микротрещины в Nb,Sn на границе
"Г* жкой (рис 3.23) По этим причинам механические свойства ком
сП® „ значительной степени определяются объемной долей волокон
'so + непрореагировавший Nb), толщиной слоя Nb,Sn и величиной
'ачапьного сжатия волокон.
у.5.2. Алюминий, усиленный частицами карбида
кремния
длюминий И его сплавы широко используется в транспорте. Большой
интерес представляет создание композитов, обладающих более высо
КИМИ свойствами, чем у исходных алюминиевых сплавов Поскольку
армированные непрерывными волокнами металлы очень дороги, многие
кампании разрабатывают композиты, усиленные усами, дисперсными
частицами или короткими волокнами.
Карбид кремния производится в форме усов и частиц, причем час-
пшы дешевле и менее опасны для здоровья. Поэтому в последнее де-
сятилетие наиболее интенсивно разрабатывались наполненные ком-
позиты на основе алюминиевых сплавов и частиц карбида кремния.
Эти композиты делают различными технологическими методами, вклю-
чая литье, сораспыление и порошковую металлургию Выше были опи-
саны модуль упругости (рис. 3.10), прочность (рис. 3.12) и тепловое
расширение композитов (рис 3 8)
Наполнение металлов керамическими частицами позволяет сни-
зить их тепловое расширение (параграф 3.4 I). КТР наполненного
алюминия может быть различным в зависимости от содержания час-
тиц SiC Как следствие, существуют композиты Al-SiC(;) (индекс р
означает, что наполнитель имеет форму частиц, рис 3 25), тепловое
расширение которых полностью соответствует расширению обычных
металлов и сплавов.
Армированный усами S1C алюминий имеет трехстадийную кривую
ползучести (рис 3.19), в то время как в наполненном частицами SiC
композите стадия стационарной ползучести довольно коротка, а до-
минирует третья стадия (рис. 3.26). Выше отмечалось, что показатель
степени в уравнении 3.1 для усиленных металлов превосходит анало
гичный показатель исходных матричных металлов, что иллюстрирует
ся данными рис. 3 27 Композиты, усиленные усами и частицами, имеют
примерно одинаковые высокие значения коэффициента л (« мед_
Прямых), причем композиты, усиленные усами, ползут немно
леннее, чем наполненные частицами. дрппость и
У некоторых алюминиевых сплавов предел текучести, т
прочность зависят от условий кристаллизации метаста
мет<илической матриц^
55 При”еры Me^oKoMno3umoe
яа<мГм 'ы
и г,.. Л
Рис 3.26. Кривая ползучести композита А1 2014 - 13% SiC.,.. Дом*
третья стадия ускоряющейся ползучести (McLean, 1990)
Рис. 3.27. Влияние напряжения на скорость стационарной ползучести
алюминия марки 6061 и композиционных материалов на его основе.
Композиты более чувствительны к изменению напряжения (Nieh, 1984)
Кристаллическая структура также зависит от состава и условий высо-
котемпературной обработки После некоторого времени термообра-
ботки механические свойства металла достигают максимума, а затем
снижаются Обычно наполнитель ускоряет процесс кристаллизации
металла, и пик свойств композита достигается быстрее. Такое поведе-
ние объясняется влиянием дислокаций, появляющихся из-за тепло-
вых напряжений в металлической матрице и являющихся зародыша-
ми кристаллизации. Влияние времени термообработки на твердость
композита и исходного матричного сплава иллюстрируется рис. 3.28.
Детали из композита А1~SiC^, могут быть получены различными мето-
дами. В некоторых случаях можно использовать суперпластичность алю-
миния На рис 3 29 показана панель самолета, сделанная этим методом.
Сборку сложных металлических деталей часто проводят путем свар
ки. Поскольку сварка сопровождается местным плавлением материала,
она заметно изменяет микроструктуру и свойства композита, о это
причине детали из металлокомпозитов собираются, как правило, с
Мощью болтов Однако для композитов Al-SiC^,, возможно и испол -
вание твердофазных процессов диффузионной сварки и сварки
„„„„обработки, показывающие более высокую
Рис. 3.28. Кривые терм® I’ щ ^„„ния и SiC|pl (Suresh et а
роста кристаллизации ком
1989)
Рис. 3.29. Панель самолета, полученная благодаря суперпластичносп
алюминия в композите Al SiC(p( (предоставлено компанией Bntr
Aerospace)
Литература
Общая
Begg, A. R (ed) (1992) Metal Matrix Composites, Arnold.
Bracke, P. Schurmans, H and Verhoest, J (1984) Inorganic Fibres and Сотре?
Materials. EPO Applied Technolog)’ Senes, Vol 3, Pergamon Press
^ereti R. K. and Aisenault R. J (eds) (1991) Metal Matrix Composites Fol 1-
ng and Interfaces, Vol 2 Mechanisms and Properties Academic Press.
Data CoX.on,^s7' ° L С°тР°^ *
Md« C J K№haw’J P (1972) Me,al Ma,nx composnes, CRC Press-
The Metals Society* LonAn”0^ S°lld'/iaI for High Temperature Sen»
Задачи | | 9
Tava М and Arsenault, R J <1989) Metal Matnx Co„,„ 4
nx Comp™« ~ nermmiechanicai
™ В and Jones, G (1990) Meta! Matrat Compos^ E^ie
° ichnology
Специальная
. Larmann L, Moore, E and Langman, C A. J (iqrs\ д,,. ,
Malenah’ ICCM/V’ TMS-A1ME Warreiilate'* Conf On
Champion. A R Krueger. W H. Hartman, H. S. and Dhingra А к по», „
^18 Int Conf on Composite Materials, ICCM/2, TMS-AIlX\t^„k
Clvne т w (1987) Fabncation and microstructure of metal matn, .
p^c 6th Int Conf on Composite Materials, Vol. 2. Elsevier, p 1 comPosites.
Clyne. T W. and Flower, H M (1992) Proc 7th World Titanmm Cen/San D.ego
USA, TMS ®u-
Dmwoodie, J, Moore, E. and Langman, C A. J. (1985) ftuc M r„„f „
composite Materials. ICCM/V. IMS-AIME Warrendale, USA f
Feest, E A. (1988) Metals and Materials, Institute of Metals Vol 4 n 77a
w and Blank. E (1988) Met Tram. A. 19A, 987 ’ P tUnk’
Hams. S J and Wdks. T E (1987) Proc 6th Int Conf on Composite Materials Vol
2, Elsevier, p 113 ’
Huseby. I and Shyne. J (1973) J Powder Mel, 9, 91
McLean. M (1990) Bull Japan Inst Metals, 29, 199
Metcalfe. A. (1974) Fibre Reinforced Titanium Alloys, Composite Matenals Vol 4
Academic Press, New York Nieh, T (1984) Metall Trans., ISA, 139 ’
Suresh, S , Christian, T and Sugimura, Y (1989) Scripta Met, 23, 1599
Wet. W (1992) Metals and Materials, 8, 430
West. A. W and Rawlings, R D (1977) /. Mat ScL, 12, 1862
West, A. W and Rawlings, R. D (1979) / Mat ScL, 14, 1179
Willis, T C (1988) Metals and Materials, 4, 485.
Задачи
3.1. Нарисовать типичные кривые ползучести для (а) блочного метал-
ла, (Ь) металла, армированного непрерывными керамическими
волокнами и (с) металла, наполненного керамическими частица
ми Скорость стационарной ползучести алюминиевого сплава, уси
ленного 20% частиц SiC, при температуре 350‘С и напряжении
МПа равна 1,5 х 10-7с_|. Вычислите скорость ползучести,
напряжение увеличено до 60 МПа. (Универсальная газ0В^ ’
стоянная равна 8,3 Дж/моль К, а показатель степени п в ур
3-2. Обсудите различные жидкофазные методы произволе
зитов с металлической матрицей. Нужно отметить
и недостатки методов.
ГЛАВА 4
композиты
с КЕРАМИЧЕСКОЙ
МАТРИЦЕЙ
4.1. Введение
технические керамики, напр|.
В настоящей главе рассматриваются
мер, окись алюминия, нитрид кремния, стекло, стекло-
'’’nZ описании керамик в главе 1 отмечалось что они
прочны и жестки, но чрезмерно хрупки (табл. 1.1). Таким о^
одна из основных целей создания композитов на основе керамически
матриц состоит в увеличении вязкости разрушения материала. Часто
при этом возрастают также прочность и жесткость. На рис 4.1 прнве
лены схематические кривые деформирования блочной керамики ц
композитов иа ее основе Площадь под кривой напряжение—удлщ^
ние равна энергии разрушения образца. Наполнение керамики частица
ми и непрерывными волокнами приводит к увеличению вязкости рщ
рушения, причем в случае волокон оно особенно значительно. Блочнш
керамика и композит, наполненный частицами, разрушаются катал
рофически Напротив, армированная волокнами керамика последа
тижеиия максимальной наарузки сохраняет значительную долю несу
щей способности. Таким образом, армирование керамик приводить!
только к возрастанию вязкости разрушения, но и к изменению харак
тера разрушения, которое перестает быть катастрофическим. Недо-
статком армированных композитов является их высокая стоимость
которая превышает цену как блочных, так и наполненных керамит
Механизмы увеличения вязкости разрушения композиционных мате
риалов подробно описаны в главе 11
Разработка композитов с керамической матрицей началась поздно
других типов композитов. Это обусловлено высокими температура^
получения и эксплуатации керамик (параграф 4.3), вследствие чего is
целесообразно армировать лишь теплостойкими волокнами. По этой
причине армирование керамик пластичными металлами, утрачивав
щими прочность и жесткость при не слишком высоких температура
Рис. 4.1. Схематические кривые сила-смешение для блочной керамики
и керамических композитов, иллюстрирующие более высокую энергию
разрушения композита.
большого интереса не представляет, и разработка композитов на ос-
нове керамических матриц началась лишь после появления теплостой-
ких керамических волокон и усов карбида кремния.
Вторая причина, которая сдерживала разработку армированных ке-
рамик, связана с различием коэффициентов теплового расширения
матрицы и волокон, вследствие чего при охлаждении понизился на-
пряжения и может растрескиваться матрица. Аналогичные напряже-
ния появляются и в композитах с пластичной металлической матри
ней. Однако в металлах тепловые напряжения снимаются вследствие
пластической деформации, что невозможно в композитах с керами
ческой матрицей Характер напряжений зависит от соотношения ве
личин коэффициентов теплового расширения (КТР) волокон и
Рицы, поскольку от него зависит, растягивается или же СЖН” в
матрица при охлаждении Этот вопрос будет подробно юужд
главе 11 Если КТР наполнителя oR больше, чем у я“маТ.
волокна могут отслаиваться, а при Оу < может растре а
Рица В случае а > а.. в осевом направлении волокна „гянута
матрица сжата. В перпендикулярном направлении ма
Глава 4 Комлозияа
^ай
е волокон Ситуация изменяете,
и. каксладсз^^^^^ГнаблЮД^^Хно, чтобы
ра^ги^,^,, отслоения волокон, КТР воЛо.
жать микрорастреокинаик" й1ИЗКими
кои и матрицы должны
„ керамики
4.2. Блочные ^комО с керамическими материала-
Большинство читателей «Р^’^ее представление о технологии по-
ми Поэтому необходимо д ьа стекол и керамик, прежде чеи
лучения, структуре и свой^®а*
изучать композиты на их
4.2.1. Технические керамики
как правило, имеют кристаллическую струк-
Технические Хе" "южную, чем структура простых металлов, приме-
™ алюминия, приведенная на рис 2 8. Характер
химических связей в кристалле может быть ионным, ковалентным или
смешанным ноино-ковалентным (табл 4 1) Ковалентные связи силь-
нее ионных. Следствием высокой энергии связи атомов является очень
высокая температура плавления керамики, иллюстрируемая табл 41
Сильные связи и сложная кристаллическая структура делает керамику
хрупкой и относительно прочной
Из-за высоких температур плавления литьем из расплава керами-
ческие изделия делают очень редко Современные технические кера-
мики типа окиси алюминия обычно получают методом порошковой
технологии Первая стадия процесса состоит в прессовке порошка и
связующего в форме, в результате чего получают относительно плот-
ную и прочную зеленую заготовку, которая не рассыпается при пере-
носке и способна сохранять свою форму Важно, чтобы зеленая заго-
товка была однородной по плотности, поскольку в противном случае
обожженная керамика будет непрочной. Степень однородности зави-
сит от формы детали и направления прессовки. Наиболее однородный
материал получают при гидростатическом сжатии, когда давление при
ложеио по всем трем направлениям.
Прочность зеленых заготовок невысока. Однако ее можно увели-
чить путем высокотемпературного обжига, в результате которого вы-
горает связующее и монолитизируется порошок. Формование и обжиг
могут быть объединены в одну технологическую операцию Такой про-
цесс дороже двухстадийного, однако в этом случае керамика имеет
более высокие характеристики Одноосное прессование и гилпо • - ти-
ческое сжатие при повышенных температурах называют горячи.» п ес
42 Бпоччые керамики 123
.4 1- ТИП связи (если приведен один тип, связь определяется им более 'ния
^70%) и « влияние на температуру плавле
Связь Температура плавления (‘С)
Ковалентная 2500“
SiC Si, Ч Ковалентная 1900
Ионная 801
MgO so, up, Ионная 2620
Ионно-ковалентная 1713
Ионно-ковалентная 2045
^блимируется
сованием и горячим гидростатическим прессованием сопл еют^нно Как
при одностадийном, так и при двухстадийном процессе керамика со-
стоит из беспорядочно ориентированных микрозерен, и поэтому иа
макроуровне она изотропна
Альтернативным методом производства керамики является влаж-
ная технология На первой стадии этого процесса готовится взвесь
керамических частиц в жидкости, как правило, в воде. Эту взвесь
называют раствором Изделия получают из раствора различными
методами, включая литье в форму, которую делают из пористого ма-
териала тапа гипса поглощающего жидкость Затем деталь высуши-
вают, чтобы она приобрела некоторую прочность и ее можно было
извлечь из формы
4.2.2. Стекла
Атомы в кристаллических материалах имеют регулярно упакованную
структуру, о которой говорят, что она имеется дальний порядок Струк-
тура стекол гораздо менее упорядоченная Стекла имеют ближний по-
рядок (рис 4 2Ь> Различие кристаллического и стеклообразного со-
стояний можно понять на примере материала, который может
существовать в обоих состояниях Таким материалом является кварц
(SiO2)
Если расплавленный кварц охлаждают очень медленно, он крис
^изуется при некоторой температуре Тм, называемый темперу
Р°и плавления. Удельный объем материала при температуре
Ния '^меняется скачком как показано на рис 4 За. При этом
скрытая теплота плавления, что проявляется в виде экз' ,ддд
П11ка На кривой дифференциального сканирующего кал
кваряа (a) - кристаллический кварц.
Рис. 4.2. Двумерная структур» _ _,иевое стекло, о - атомы кисло-
(Ъ)- сетка аморфного кварнаД _ (Anderson et al, 1990)
рода, • атомы кремния, •
(рис 4 3b) Переход из жидкого состояния в твердое сопровождается
изменением атомной струны Кварц может существовать в различ-
ных штлотропных формах Его структура имеет дальний порядок; она
представляет собой сетку, в узлах которой находятся ионы кислорода
Решетка может быть кубическая или гексагональная, причем ионы
кремния находятся в вершинах тетраэдра между ионами кислорода
как показано схематически на рис. 4.2а
Если расплавленный кварц охлаждается сравнительно быстро, ионы
не успевают занять места, соответствующие дальнему порядку кристал-
лической решетки Тепловыделение на ДСК кривой в этом случае опи-
сывается штриховой линией на рис 4.3. Температура Т называемая
температурой стеклования, зависит от скорости охлаждения в отличие
от температуры плавления Следует отметить, что при температуре
плавления Тм не изменяется наклон температурной зависимости удель-
ного объема и не выделяется скрытая теплота плавления. Это указыва-
ет на то, что при Гм структура кварца не изменяется и в интервале
между Тм и Г он является переохлажденной жидкостью. Наклон кри-
вой зависимости удельного объема изменяется при Г, однако скачка
величины удельного объема не происходит Отсутствие пика на ДСК
кривой показывает что при Г не выделяется скрытая теплота плавле-
ния остояние стекла ниже Г, которое называют стеклообразным,
ь похоже на жидкое Это подтверждается отсутствием регулярной
НЯ РИС ^аметим» 470 эта жидкость имеет чрезвычайно
что xanfi™ ЗК0СТЬ И ПРИ приложении нагрузки не изменяет форму
•по характерно для твердых тел
Температура
Рис. 4.3. Кривые, показывающие соотношения между _ъ’ [ель.
таллическим и стеклообразным состояниями, (а) “ завис г1Санипу-
иого объема от температуры; (Ъ) — кривые дифференциал-
ющей калориметрии (ДСК)
Поскольку структура сетки стекла являегся Р^ать p»®4'
и»пуры на рис 4 2а и 4 2Ь), стекло может ле gcipaIl.
НЫе примесные атомы. Эти атомы могут преРь и да пример°м
виться в нее Первые называются м0С>и^Ка"”^тся сетео6р<11>'юшиМи
является натрий (рис 4 2с). и вторые назы
например, бор коТОрым o6«4HO * неГ0
Когда из соответствующих компоненте . _сгъпав стекла
ЛЯ}от на переплавку стеклоотходы, получен
мат/’ш,и
126 Глава 4 Композиты с керазшее
ользуют различные технологи.
можно делап изделия Для этого н прессование При форм0.
; ческие методы, в том числе раздув. ^е1р0М является вязкость стек-
вании важным технологическим па^
ла, зависящая от температуры и с
4.2 3. Стеклокерамика
. cm f высокую энергию П0 сравнений
Стеклообразное вещество имеет поэгому оно является метастабиль-
с кристаллическим состоянием кристаллизоваться и об
ны.м При некоторых условиях иИЧИ называют мелкозеРНИс.
ратовать стеклокерамику стек- которЬ1е образуются „ри
гые П™исталдиче»№ ^кта Подчеркнем, что далеко Не
высокотемпературной обработ )нку1 п()скольку „
все стекла могут уходить в с а другие, наобо^
стекла слишком устойчивы и не риг,
кристаллизуются слишком легко Только некоторые составы поддают-
ся контролируемой кристаллизации-
Типичная степень кристалличности стеклокерамик составляет от
50% до 98об % Свойства материала зависят от свойств и объемных
долей стеклообразной и кристаллической фаз. Стеклокерамики имеет
повышенную прочность по сравнению с исходным стеклом и могут
обладать необычными физическими свойствами. Например, некото-
рые составы системы ЦО-А1,О.-SiO2 имеют чрезвычайно низкий ко-
эффициент теплового расширения.
Достоинством стеклокерамики является то, что из стекла можно
формовать изделия относительно недорогими технологическими ме
Температура стеклования
диапазон
Жидкотекучее состояние
^Ис 4 4 Т
^ная зависимость вязкости натриево-кварцевого стек.®
г"”“”
изделие можно
п₽°изводствд
чего путем термообработки это ---------- можно подвер-
.аМ>с п0СЛе13ации Это стандартный метод производства стеклоке-
р кри'^и'екоторых слУ4351* используют и порошковый метод, как
Libi0’’ к° В „ технической керамики. Порошкообразное стекло прес-
прп п°^1СН1ая требуемую форму, после чего заготовку подвергают
с)10Т. Натурной обработке, в результате которой происходит
высс^^^'^аллизания. Как правило, получаемые методом обжига
обжиг и КРИ ВЫсокие механические свойства.
)|Иелия имею
4.3. Технология получения композитов
4.3-1- Прессование смеси
Этот метод является модификацией порошкового метода получения
технических керамик. Порошок матричного компонента смешивают с
наполнителем в форме частиц или усов и добавляют небольшое коли-
чество связующего. Затем смесь прессуют и термообрабатываюг. Иногда
изделия получают в одну стадию путем термопрессования.
Проблемой может явиться получение гомогенной смеси двух ком-
понентов, особенно при высоких содержаниях наполнителя. Допол-
нительные затруднения могут возникать с усами, которые имеют тен-
денцию к формированию агломератов, что значительно снижает
плотность заготовки. Кроме того, усы могут повреждаться при смеши-
вании и, особенно, при холодном прессовании.
4.3.2. Формование из раствора
Из-за трудности получения гомогенного материала смешением, осо
бенно при использовании усов, иногда используют растворную техно
логию Упрощенная схема такого процесса представлена на рис.
Необходимо, чтобы компоненты не агрегировали и были оанорО^°
распределены по объему жидкой смеси. Этого достигают изменени^
pH водного раствора. Качество диспергирования улучшают
шиванием и сверхзвуковой вибрацией. После этого деталь мо ею
мопать методом литья. Альтернативная технология состоит смесь
ним, в результате которой удаляется вода, после чего высуш' -
подвергают холодной прессовке и обжигают, а иногда
Рячей прессовке. пли экструзией,
Некоторые керамики формуют из раствора литьем темпера1у-
П0Ие чего изделие выдерживают при слегка поВЫ 2Н,0 и
Ре Примером является гипс, который получают кисл0Ты с гид-
РО,’ образующегося в результате реакции фос наполнять час
Роксщом алюминия. Растворы таких керамик м
Рис. 4.5. Упрощенная схема получения изделий методом смешения в
жидком растворе
I типами, усами или короткими волокнами, и формовать детали стан-
дартными технологическими методами Недостатком получаемых этим
методом изделий является их пористость и, как следствие, невысокая
прочность
Смешением в жидком растворе получают композиты, усиленные
частицами, усами и короткими волокнами. Композиты, армирован-
ные непрерывными волокнами, этим способом получить не удалось.
Теперь мы рассмотрим метод получения однонаправленных волокли
стых композитов Он был разработан в Великобритании приблизи-
тельно в 1970г. для получения композитов на основе стеклянных мат-
риц Пучок непрерывных волокон пропускают через взвесь стеклянные
частиц в воде и наматывают на оправку, получая однонаправленный
слой, как показано иа рис. 4.6 Полученный материал разрезают и
собирают в многослойный ламинат, который затем прессуют при по
Горячее
прессование
Рис. 4.6. Получение волокнистых ламинатов на основе стеклянной или
стеклокерамической матрицы путем пропитки волокон жидким раство-
ром и последующим горячим прессованием (Prewo, 1989)
вишенной температуре При получении стеклокерамических компо-
зитов стекло кристаллизуется при горячей прессовке, однако для это-
го может потребоваться и дополнительная высокотемпературная обра-
ботка Рис 4 7 демонстрирует высокое качество композита, получаемого
этим технологическим методом.
Рае 4.7. Поперечное сечение поперечно ар Р распюро
Итого материала, полученного пропиткой вол
(I Davies)
й матрицей
I 4.3.3. Жидкофазная технология
л.л. m.uoKoV пко)Ьазиые методы, испсмьзуемые
В предыдущей главе описаны Ге меташшческих матриц (параграф 3.2 2)
получения композитов на основе шя композитов с керамиЧес
Модификации этих методов для п ннченИый успех. Это обусл '
кими матрицами пока имела с вмокном вследствие ВЬ1Со'
лено химическими Реакииям“ м^ки „ низкой скоростью проПИ11Г
кой температуры плавления керамики пказался жидкой,,
Наиболее успешным оказался жидкофаЗНм,
высоковязкого расплава й р„с 4.8. Преформа и Л
метод изготовления тру®, иллюсщ то п „ W-
I ки стекла всташгяютея в цилиндрическую пРесс;фоР^ Под деисш,.
ем высокой температуры и давления жидкое стекло авится и ПроПи.
тывает преформу. После охлаждения из пресс-формы извлекает^
Некоторые керамики получают пиролизом полимерного прекурсора
Этот метод может использоваться для производства композитов, ар.
мированных непрерывными волокнами Для этого преформа пропи-
тывается расплавом полимера, после чего его пиролизуют при высо-
кой температуре. Температуры пиролиза относительно низкие, обычно
600-1000‘С, что исключает ухудшение свойств армирующей фазь1
Однако выход керамики при пиролизе низок, обычно менее 60% и
поэтому требуется несколько циклов пропитки и пиролиза для П0Лу
чения материала с высокой плотностью. Как будет показано в пара
4 3 Технология получения композитов 131 *у
способом получают углерод-углеродные композиты,
гсзФс 44 3’ "но получать и другие материалы. Например, пироли-
Гнако иМлГасгиРола WV[ додекаметилциклогексасилана получают SiC.
# Золь-гель технология
вставляет собой взвесь мелких коллоидных частиц раз-
Золь-Фаза ]00 НМ) которые образуются в результате протекающих в
цером меНе* 1(чеСких реакций Примером является осаждение гидро-
раств°Ре хи раствора ZrOCl2 в результате реакции с аммиаком
«,па ииркония
ZrOCl2 + NH} + ЗН2О = 2NH„C1 + Zr (ОН)4
„зуется в результате потери некоторого количества жидко-
^С1Ь и поэтому он имеет более высокую вязкость. В настоящее
c™ золем, £тся большой интерес к золь-гель технологии получе-
Вр№1Я П МИКИ и он несомненно будет распространяться на производ-
но композитов с керамическими матрицами.
вязкости (рис.
Куски стекла
нужного размера
Извлечение оправки и
Плунжер гр>6ь
Нагрев и
прессование
Pljc 4 8 Изг
питкой (Prewo, 19ВД)еТ°Нк0СТеНноЙ трубы методом формования с про
За исключением производства усиленной цирконием окиси алю-
миния (параграф 4 4 1), золь-гель технология композиционных мате-
риалов все еше находится на экспериментальной сталии. Жидкий золь
легко проникает внутрь преформы из-за своей низкой
4 9а) После этого золь высушивают при не слишком высокой темпе-
ратуре, чтобы избежать повреждения преформы. Этим методом мотуг
быть получены изделия сложной формы Его недостатками являются
большая усадка и низкий выход матрицы, вследствие чего процесс
пропитки приходится повторять. Кроме того, в некоторых реакциях
керамика образуется при более высоких температурах, чем нужно дм
высушивания растворителя. К примеру, Zr (ОН)4 кальцинируется при
температуре приблизительно 550"С, в результате чего образуется дву-
окись циркония ZrO2
Однородное распределение частиц наполнителя или усов можно
получить, смешивая их с матрицей в гель или золь состояниях. После
этого материал сушат, кальцинируют если необходимо, прессуют и
обжигают Более часто материал получают горячим прессованием (рис
4 Я>). В этом случае качество смешения матрицы и волокон выше, чем
пРи стандартном смешении или при растворной технологии, 01^
На Финальной стадии обжига теряются преимущества низкотем
’И’ной золь-гель технологии.
4.3.5. Осаждение из газовой фазы осаждения
Aw получения композитов используют Ра1’’"ч^ЫатоМарное распиле
из т^овой фазы, включая химическое оса ен
Рис. 4.9. Схема золь-гель
смешение с наполнителем
технологии
в золь или
(а) - пропитка преформы,
гель состояниях
ние и плазменное напыление Выбор метода зависит от состава мафи.
цы и наполнителя формы наполнителя, требуемых свойств компози-
та Как правило, химическое осаждение позволяет лучше контролиро-
вать состав и имеет более высокую скорость получения материала (за
исключением атомарного распыления), но обычно требует более вы-
соких температур, чем другие методы осаждения Мы подробно рас-
смотрим этот метод, поскольку он довольно широко используется га
практике
Химические реакции в газовой фазе могут приводить к осаждению
твердого вещества на поверхность нагреваемой подложки. Химичес-
кое осаждение используется для получения борных волокон, волокон
SiC (глава 2), создания покрытия на поверхности волокон и осажде-
ния матрицы на волокнистые преформы В последнем случае процесс
называют химическим осаждением матрицы Основные стадии хими-
ческого осаждения матрицы показаны на рис 4 10 Исходные реаген-
ты могут быть твердыми, жидкими или газообразными веществами
Жидкости и твердые реагенты нагревают, чтобы поднять давление naps
и увеличить концентрацию газообразных реагентов Г азообразные ре-
агенты увлекаются потоком несущего газа и переносятся в реактор, где
они проникают в нагретую преформу, реагируют между собой, и пР°
111
Газообразные
Несущий газ и
газообразные реагенты
I Осаждение на .
। нагретую преформу I
РЕАКТОР
сток
РЕАГЕНТЫ
(Твердые или жидкие)
Р„с. 4.10. Упрошенная схема процесса химического осаждения матри-
цы из газовой фазы
реакции осаждается, образуя матрицу Скорость осаждения мат-
рицы относительно мала и не превышает 2,5 мм/час. Из реактора дол-
жен непрерывно удаляться газообразный поток, состоящий из несу-
щего газа, остатков реагентов и некоторого количества продуктов
реакции
Наиболее широко метод химического осаждения матрицы исполь-
зуется для производства углерод-углеродных композитов, однако он
использовался для получения и других композитов с керамическими
матрицами, включая карбиды (например В.С, S1C, ТаС и Т1С), нит-
риды (BN и Si N4), TiB и А1гО3 Две типичных реакции приводятся
ниже
TiCl4T + 2ВС13Т + 5HJ = TiB2i + 10НС1 Т ,
S1C1J + СН4Т = SiC 1 + 4НС1 Т
4.3.6. Процесс Ланксида и методы in situ
Процесс Ланксида состоит в образовании керамической матриц111 ре
акцией между расплавом металла и газом Например, в результате ре
акции расплава алюминия с кислородом образуется окись алюмину
Рост керамики происходит в направлении от поверхности мет<^,
показано на рис 4.11а. В этом случае можно обойтись без
просто поместив частицы на слой жидкого металла. Услови
пешною получения композита являются отсутствие ₽еа™” |ИКОр
нителя с газом и смачивание наполнителя образующейся
Фронт матрицы распространяется с постоянной ск0^ д||ффузи-
процесс лимитируется скоростью химической реакции, ^одит путей
ей реагентов Диффузия жидкого металла, видимо, прои
Рм 4 11 Процесс Ланксида (а) - получение композита, (Ь) проник-
нокиие жидкого металла по границам зерен.
быстрого проникновения по границам зерен керамической матрицы,
условием чего является неравенство угг > 2 у^, где у^г и у^. поверх-
ностные энергии границы зерен и раздела жидкий металл — керамика
соответственно (рис 4 11b) Скорость роста матрицы при этой техно-
логии низка, обычно примерно 1 мм/час, и тем не менее ею удается
получить детали сложной формы толщиной до 20 см.
В настоящее время разрабатываются новые технологические мето-
ды получения композитов путем химических реакций in situ. Их при-
мером является реакция
2A1N+B,Oj -> A1;O,+2BN
Такие реакции имеют перспективу создания хороших материалов с
гомогенным распределением наполнителя, причем изделия могут быть
дешевде исходных компонентов, поскольку, например, BN весьма до-
рог
Если реакция сильно экзотермична, она может быть самораспрост-
раняющейся, то есть, будучи инициирована в одной точке, она рас-
пространяется на весь образец. В этом случае могут развиваться высо-
ера1уры, при которых образуются Метастабильные структуры
,еоом самораспространяющейся реакции, позволяющей получать
Позиционный материал, является:
4Д1 +3TiO,+3C -> 2Al2O3+2TiC
4.4. Свойства композитов
п данном разделе будут рассмотрены окись алюминия, усиленная уса-
ми SiC или частицами диоксида циркония, стеклокерамика, армиро-
ванная непрерывными волокнами SiC, и композит угперсщ-углерод.
Эти материалы были выбраны в связи с тем, что они представляют
материалы на основе матриц трех различных классов, охватывают три
основные формы наполнителя (частицы, усы и непрерывные волок-
на), отличаются по технологии производства и иллюстрируют диапа-
зон свойств, характерных для композитов с керамической матрицей.
4.4.1. Композиты с матрицей окиси алюминия
Окись алюминия представляет собой наиболее широко используе-
мую техническую керамику, которая имеет множество применений,
начиная от электрических выключателей до протеза сустава бедрен-
ной кости
(а) Окись алюминия, армированная усами SiC
Армированную SiC окись алюминия обычно делают методом жидкого
раствора, схема которого представлена на рис 4 5 Типичное содержа-
ние усов равно 10-25 %, причем усы имеют тенденцию к ориентации
поперек оси прессования. Матрица состоит из мелких случайно ори-
ентированных микрокристаллов а-окиси алюминия. Из этого компо-
зита делают режущие инструменты для дерево- и металлообработки,
что позволяет существенно повысить их производительность по срав-
нению с инструментами из традиционных карбидных материалов.
Плотность SiC немного ниже плотности окиси алюминия и поэто
му армированный материал имеет более низкую плотность по сравне
нию с блочной матрицей. Например, наполнение окиси алюминия
25% усов SiC приводит к снижению удельного веса от .9 ДО J
Модуль Юнга этого композита возрастает до 400 ГПа (за п . шению
шение плотности и увеличение жесткости приводит к
Удельного модуля упругости материала.
Хотя возрастание жесткости весьма желательно,
ным является значительное увеличение прочности механических
•Дения керамики. Сообщаемые в литературе зна
136 Глава 4 Композиты с кера*иче
ЙР SiC окиси *Л,ОМИНИЯ’ ,1СПОЛЬЗуем<>й
Таблица 4.2 Свойства усиленной ^нга (Sandvik, Sweden)
для изготовления режущего мнстрИ
----------------------——— 0
% SiC
Плотность, т/м’
Модуль Юнга, ГПа
Удельный модуль, ГПа/(т/м’)
Прочность при изгибе, МПа
Коэффициент Вейбулла
Коэффициент интенсивности
Кк МПа м,/3
KTPxlO* К 1
4,5
8.0
3,9
340
87
300
6
7 15 —— 25
зТ~ 3,8 3,7 "
340 350 390
89 92 105
650 700 900
8 10 13
5,5 6,0 8,0
8,0 7,0 6,0
т шячительный разброс, причем максималь-
свойств композитов имеют знаI композитов опия
. ~г,. и вязкости разрушения композитов прибли-
ные значения прочности и вязкий и
ные значе i значении для окиси алюми-
зительно на 50 % выше нсти«п ___
ния (рис 412) Имеются сообщения, что коэффициент интенсивности
напряжения, описывающий сопротивление материала росту трещи-
ны, увеличивается с длиной трещины Это объясняется тем, что усы
S.C соединяют берега трещины и увеличивают тем самым трещинос-
тойкость керамики Кроме того, усы приводят к искривлению пути
трещины и их вытаскиванию из матрицы (подробно это описано в
главе 11) Наконец, следует обратить внимание на то, что некоторые
производители режущего инструмента в качестве одной из характери-
стик керамики используют так называемый коэффициент Вейбулла
(см уравнение 8 16) Значения этого коэффициента для композитов
равны или больше, чем у блочной окиси алюминия (табл. 4 2). Это
отражает тот факт, что композиционные материалы менее чувстви-
тельны к влиянию дефектов, и что размер дефектов контролируются
производственным процессом
Температурная зависимость вязкости разрушения и прочности уси-
ленных усами композитов подобна зависимости для блочной окиси
алюминия. Другими словами, улучшение свойств керамики при ком-
натной температуре сохраняется и при более высоких температурах
(рис 413) Рис 4 13 иллюстрируют температурное поведение компо-
зита при кратковременных испытаниях При длительных нагрузках,
механическое поведение материалов описывают сопротивлением л<м-
зучести ис 4 14 демонстрирует существенное снижение скорости пол-
зучести при 1500°С в результате введения 15% усов SiC. Показатель
1 я в уравнении (3 1), характеризующий чувствительность ско-
200
«Г на ПООЧНОСТЬ (а) и вязкость
Рис. 4.12. Влияние содержания усов S1C н ^^„иния Экс-
разрушения (Ь) композитов на основе матри aTVPHbK источим
периментальные данные взяты из различны
ков
наклону прямы-' на
рости ползучести к приложенной нагрузке, показатель лежит
Рис 4 14 Для мелкозернистой окиси алЮМИНИЯтель(.теуют, что ползу’
в пределах от 1 до 2 Данные значения n ^ют, что ДифФУ
честь контролируется диффузией атомов. РеД сть композиии°н
знойный механизм ползучести определяет пал
„j-твуюший о сохранении повышенной вяз-
Рис 4 13 График, св1Иетс'„1 SiC-окись алюминия при повышенных
кос™ разрушения
температурах (Wei вес
Рис. 4.14. Зависимость скорости ползучести от напряжения
частиц SiC снижает скорость ползучести окиси алюминия (Cho s
Porter, 1985)
4 4 Свойства композитов 139
материалов при небольших напряжениях в температурном интер-
" . 1200- 1300°С. Напротив при высоких напряжениях в этом ин
Lane и при температуре 1500°С показатель степени равен примерно
" что может быть следствием кавитации материала на границе раздела
зерен
Окись алюминия используется для изготовления труб, которые дол-
жны быть коррозионно-стойкими Введение усов S1C в керамику уве-
личивает ее коррозионную стойкость.
Как и большинство других керамик, окись алюминия склонна к
разрушению под действием быстрых изменений температуры. Однако
введение усов S1C снижает коэффициент теплового расширения (табл.
4 2), увеличивает теплопроводность и вязкость разрушения материала.
Вся совокупность этих изменений увеличивает стойкость материала к
тепловому удару. Хорошая стойкость к тепловому удару композита,
армированного усами S1C, демонстрируется измерениями остаточной
прочности образцов после их закалки путем опускания в воду из рас-
каленной печи. Результаты таких экспериментов приведены на рис.
4 15 После одного цикла закалки прочность армированной 20 об.%
SiC окиси алюминия не падает, если разница температур между печью
и жидкостью равна 900°С. Даже после 10 циклов потеря прочности
была несущественной. Прочность блочной окиси алюминия упала бо-
Рис. 4.15. Влия
МИНИЯ И КОМ1
1987).
«•ого удара на прочность при изгибе окиси алю-
. алюминия-20 об % усов SiC (Tiegs, Becher
140 Глава 4 Композиты скачком температур
лее чем на 50 % после един»
700°С „ Лзгокисыо циркония
х>ги-№ннаЯ ° ?
(Ь) Опись аианиния.} тея серьезно поднять, напзд
» окиси алюМИн,|Я ’ „о содержание тонкодИ(.
Свойства блочной ою ^коння О % Д
нив ее частицами ддуокис ,.я7Гпиале PaDH **>)
пХй двуокиси циркония и^₽циркония при повышенных Wle.
В равновесном состоянии дву „ „ри боле низких Чо1№
ратурах имеет т^^^ении композита частицы мотуг
клинную (гл) Поэтов "р ождается увеличением их объема
рейти из t в m фор*». ч™ еиием микротрещин в матрице окиси
приблизительно на 3 % и микрорастрескивание матрицы может при-
алюминия Контролируем0^ разрушения композита, что подр0бНо
водить к увеличению вяэк^ 0д[ИКО микрорастрескивание ведет не
обсуждается ниже в гла®^ „„пушения, но и к нежелательному сни-
“ куве.—ювя^льствует ₽ис 4 ,7
ЖеИзменС'Х«ь.Д»УО-си U,,P“ МОЖН° ВВВДеН,ад
кеес^^Хой^'^^"^’ На1'РИМеР 3 М0ЛЬНЬКЙ
V О Еси в результате этого частицы двуокиси циркония после ох-
лаждения до комнатной температуры сохраняют тетрагональное со-
стояние они находятся в так называемом метастабимном состоянии
Вероятность t -> m перехода зависит не только от количества стабили-
зирующей окиси, но и от размера частиц. Присутствие матрицы окиси
Рис. 4.17. Прочность и вязкость разрушения композита в зависимости
от объемной доли частиц двуокиси циркония при наличии в них t -> m
перехода, приводящего к микрорастрескиванию матрицы окиси алю-
миния (Claussen. 1976)
Киленной^Тсти^иы^ электронное изображение окиси алюминия,
Thompson) ЦаМИ ДВУ°КИСИ циРкония (любезно предоставлен»
алюминия вокруг частиц затрудняет связанное с переходом расшире-
ние частиц В результате стесняющего действия матрицы, вероятность
перехода в мелких частицах меньше, чем в крупных.
Выбором концентрации стабилизирующей окиси и размера частиц
можно получить композит, наполненный метастабильными частица
ми в t-состоянии Однако под влиянием концентрации напряжения
вблизи кончика трещины частицы переходят в моноклинное состоя
ние Это ведет к возрастанию вязкости разрушения, величина к P
го 4A'r, описывается следующей формулой:
ДК,Т «ИДс Е^1'2, &
W Р- объемная доля метастабильных частиц матричной
увеличение объема при переходе, £т _ модуль ы ^11С
окиси алюминия, и г — длина микротрещины в и
11 25) (позита в зависи-
Изменение прочности и вязкости разрушен1011П,уеТся рис 4 18.
Мости от концентрации двуокиси циркония илл
Рис 4 18 Прочность и вязкость разрушения G,e окиси алюминия в за-
висимо™ от объемной доли частиц двуокиси циркония при наличии»
них t -> m перехода (Becher, 1981)
Обратим внимание, что описанный переход может обеспечивать уве-
личение не только вязкости разрушения, но и прочности композита.
Как следствие, данный механизм упрочнения является более жела-
тельным
Нужно проявлять осторожность при использовании усиленной цир-
конием окиси алюминия в жидких средах Некоторые жидкости ини-
циируют переход частиц из метастабильного в моноклинное состоя-
ние вследствие чего появляются микротрещины, через которые
жидкость проникает вглубь материала. Например, образование тре-
щин и утрата способности к упрочнению по описанному выше транс-
формационному механизму приводят к значительной потере механи-
ческих свойств композита в 20% растворе HCI (рис. 4 19). Этот рисунок
’также показывает постепенное возрастание концентрации иттрия в ра-
створе HCI. Неустойчивость частиц двуокиси циркония обусловлена
растворением стабилизирующей окиси иттрия. Возможно, использо-
вание других стабилизирующих окисей в будущем повысит кислотоус
тойчивость композита, однако в настоящее она явно недостаточна.
Время (месяцев)
Рис 4.19 Прочность усиленной окиси алюминия в зависимости от
объёмной доли частиц двуокиси циркония под действием 20 об. % HCI
(Thompson, Rawlings, 1992).
4.4.2. Композиты со стеклокерамическими
матрицами
В композитах этого класса в качестве наполнителя используют глав-
ным образом непрерывные волокна. Вначале использовали углерод-
ные волокна, однако в настоящее время усилия исследователей почти
полностью сконцентрированы на непрерывных волокнах SiC марок
тиранно и никалон (параграф 2.5.5).
Стандартный метод производства композита основан на пропитк
нити, состоящей из нескольких сотен параллельных волокон, взвесью
частиц в воде (рис. 4.6). Состав исходного стекла, размер ча^ти1'
рошка и температура термообработки должны тщательно под ^og_
мя получения т ребуемой микроструктуры и свойств маТеР™^стекла1
ходимо, чтобы спекание частиц произошло до кристаллиз^^^ Как
поскольку кристаллизация значительно увеличивает е^керамик1(
следствие, возрастает пористость и снижается п₽0^^Сн(1е адгезии на
Методы измерения адгезионной прочности и в- & компрзитах
механические свойства композитов описаны в глаа ноСТЬ зависит от
с° стеклокерамической матрицей адгезионная пр дай вЫСОко-
’“’мического состава матрицы и волокон, а таК*аллизации На рис-
Температурной обработки при спекании и Кри
Н‘1 Глава 4 Композиты с кера „веской матрицей
228 приведены результаты измерения адгезионной прочности меТо.
лом микроивдентации при различных временах и температуру
мообработки для стеклокерамики, армированной волокнами SiC. рй'
сунок демонстрирует, что адгезионная прочность и, слеДоватедЬНо
прочность и вязкость разрушения композита, могут управляться дет'
нологией термообработки
Дчя получения композиционных материалов в качестве матря
использовали целый ряд стеклокерамик. наиболее исследованной
которых является шлшиаиачкитлат (ЛАС) Поэтому мы будем ил И3
етрировать поведение композитов на примере ЛАС системы Сосп*0
грех типичных стеклокерамик этого типа приведены в таблице 4 3 р41
идя кристаллическая фаза в ЛАС-стектокерамике представляет
fl-форму сподюмина Максимальная рабочая температура блочн С°^°®
разное равна приблизительно Ю00°С для системы ЛАС I .. i эПА,Ь'Х
ЛАС III 1200 С Для
Таблица 4.3. Составы литииашчхшикшпнои (ЛАС) стеклокерамики
Основные составляющие Основные добавки Мелкие добавки
ЛАС 1 Li;O-Al,O,-MgO-SiO; ZnO.ZrO BaO
ЛАС II ЦО-А1гО -MgO-SiO, Nb.O, ZnO,ZrO;,BaO
ЛАС 111 b,O-Al,O,-MgO-SiO; Nb;Os ZrO,
Модуль Юнга ЛАС-сгеклокерамнки при комнатной температуре
менее 100 ГПА. в то время как модуль S1C волокон превышает 200
ГПА Поэтому армирование приводит к значительному увеличению
Таблица 4.4. Модуль упругости композитов SiC-JIAC (a) Prewo, 1986, (b)
Brennan Prevo, 1982 (с) Fareed et al, 1987
O6%S1C Модуль Юнга (ГПа) Ссылка
Эксперимент Расчет0
ЛАС о
ЛАС-1 46 (однонаправленный) 86 133 143 (а)
ЛАС-11 46 (однонаправленный) 130 143 (а)
ЛАС-11 44 (однонаправленный) 136 141 (а)
ЛАС-111 ~50 (поперечноармированный) Ц8 '40 (3-D плетеный) 79-111 141 (Ь) (с)
„ьной жесткости керамики, что подтверждается представлен
’Сбл.ше 4.4 данными Значения модуля упругости ОДНо^-
6^композиционных материалов дОВОЛЬНО хорошо о,~‘рав-
’"’"пом с“есей <УРавнение 1 6> В композитах с более слож
Сш аРм1,Рования В03раСТаНИе модуля Юнга менее значило
' ^формальность волокон SiC выше, чем стеклокерамической мат
Ь1 следовательно, при растяжении растрескивание матрицы ппТ
„слит раньше разрушения волокон Композит должен содержав
полное количество волокон, чтобы нести нагрузку разрушенной
^шы Начало растрескивания матрицы приводит к уменьшению
наклона кривой сила-деформация (точка М на рис. 4.20 и 4 21а) Н
дазм возрастает, пока не начинается разрушение самых слабых воло-'
кои (точка F), после чего она начинает снижаться. Детали процесса
зависят от состава матрицы и способа испытания. Например интен
сивное микрорастрескивание матрицы наблюдается при растяжении
композита SiC-ЛАС II (рис 4.21 а) и надрезанных образцов SiC-ЛАС I
(рис4 20) В то же время, при растяжении ненадрезанного SiC-ЛАС I
матрица не растрескивается и разрушение является катастрофичным
(рис 421b)
Вязкость разрушения композитов при комнатной температуре оце-
ненная исходя из значений критического коэффициента интенсивнос-
ти напряжения (табл 4 5) и по площади кривой нагрузка-смещение
р“с. 4.20. Кривые нагрузка-смещение при изгибе ®'”B^Pnnan Prevo.
мнных образцов SiC-ЛАС I при комнатной температуре (»
1982)
I
, Рис. 4.21. Кривые напряжение-деформация при растяжении компози-
тов SiC-ЛАС II (а) и SiC-ЛАС I (Ь) при комнатной температуре (К. М
Prewo, 1986)
Таблица 4.5. Критический коэффициент интенсивности напряжения компо
зитов &С-ЛАС (Brennan, Prevo, 1982)
, —----------------------------------------------------------------
Кк (МПа м'0)
I ЛАС ’ ‘ “
। 1 + *50%SiC (однонаправленный) П.0
ЛАС II + -50%SiC (поперечноармированный) Ю-0
1 10mm------------1
Рис, 4.22. Разрушенный образец однонаправленного композиционного
материала, демонстрирующий отслоением волокон (любезно предос-
тавлено J Davies)
(напряжение-деформация) на рис. 4.20 и 4.21, значительно выше, чем
у блочной стеклокерамики В этих и других вязких стеклокерамических
композитах, армированных непрерывными волокнами SiC, наблюдает-
ся интенсивное отслоение и вытаскивание волокон из матрицы как ил-
люстрируется рис 4 22. В главе 11 показано, что отношение максималь-
ной энергии, расходуемой на вытаскивание волокон (^„3 к
максимальнеи-энергни- отслоения волокон (И7,,^) дается формулой
„ ЗЕ(
Подстановка в это уравнение типичных значений модуля Юнга Е,и
прочностист1Г волокон SiC показывает, что это отношение равно не
скольким сотням и основным механизмом диссипации энергии я^
ется вытаскивание волокон. Еще одна причина увеличения вязк^
Разрушения связана с наличием высокопрочных волокон i ’
Ня|ощих противоположные берега трещины и таким Ра
дующих ее распространению. „волокно способствует
'етносигельно слабая граница раздела матрица поскольку
доению волокон и повышению вязкости разрушения.
кг/>амЧ“ес‘°
148 Глав a 4 Композиты с
лри этом возрастает энергия, расходуемая при ВЫТ^в от^^0*1
Как было показано выше, адгезионная прочность зависит от услОвий
термообработки (рис 2 26) и состава матрицы При термообработке 8
некоторых стеклокерамических композитах появляется о огащенны%
углеродом межфазный алой Этот слой снижает адгезионную прОч_
ность и повышает вязкость разрушения. В содержащих ниобий ком-
позитах SiC-ЛЛС II и SiC-JIAC 1П образуется аналогичный слой MejK
козернистых частиц карбида ниобия NbC.
Когда при растяжении начинают разрушаться самые слабые волок-
на, матрица нагрузки уже практически не несет, и продольная проц
ность однонаправленного композита <т1Т описывается (более подр^
но см параграф 8 3 1) соотношением
Предел прочное™ волокон SiC довольно высок (<5Т,- 2000 МПа), и
при типичной объемной доле волокон V, - 0,5 прочность однонапрад.
ленного композита должна быть приблизительно равна 1000 МПа, что
намного выше, чем у блочной матрицы. Прочность около 1000 МПа
была получена для ряда стеклокерамических композитов, и, в частно-
сти, для композитов SiC-ЛАС, что подтверждается данными таблицы
4 6. Заметим, что прочность ведет себя симбатно модулю Юнга, при-
чем поперечноармированные композиты по сравнению с однонаправ-
ленными имеют более низкие свойства Преимуществом поперечно-
армированных материалов является меньшая степень анизотропии
Из-за низких адгезионных свойств границы матрица—волокно, свя-
занных с наличием обогащенного углеродом слоя, прочность одно-
направленного композита при нагружении под углом к оси волокон
значительно ниже, чем при нагружении строго вдоль волокон. Попе
Таблица 4.6. Прочность композитов SiC-ЛАС при комнатной температуре
Степень наполнения 40-50об.% (Minford, Prewo, 1986).
Метод Прочность (ГПа)
ЛАС Изгиб 180
ЛАС-1-SiC (однонаправленный) Изгиб 620
ЛАС I-S1C (поперечноармированный) Изгиб 350
ЛАС-11-SiC (однонаправленный) Изгиб 830
ЛАС-11-SiC (однонаправленный) Растяжение 520
ЛАС-111-SiC (однонаправленный) Растяжение 620
ЛАС-11-SiC (поперечноармированный) Растяжение 370
ЛАС III SiC (поперечноармированный) Растяжение 260
° Своистеа ком” °*™ мЛ
МОЖ" COC“ Менее 5% - -о Про.
Ссм^м механические свойства композитов
"“ь
£да да .да™" к»"»™ н, »,wt „
Хно ^аТЬСЯ- ОПИСаНО ВЫШе’ М~а » композиХТдг
^кивзется до начала разрушения волокон Кислоро^еп^ С
Гешины достигает волокон и реагирует с углеродным слт!
^строфически СНИЖаеТ их механические характеристики j£“’ 410
становится более хрупким, уменьшается количество вытаскХ
волокон и снижается прочность. Температура, при которой 2!“
четкие свойства начинают снижаться, зависит от комп!
натериала и условий испытаний, но обычно это происхода^пТ"0
—» да 800°С <р„. 4.23). Пр„ „шше„ит
Небыстро снижается даже при низком содержаниикиХ^ в
водае, что иллюстрируется данными табл 4 7 для о/
ЛАС II при 900°С. л ч. / для композита SiC-
По сравнению с другими конструкционными материками устало-
иное поведение керамик исследовано не столь подробно Естестве!
но, сто композиты на основе стеклокерамических матриц исследова-
,еско~>
ISO Глава 4 Композиты с керамит
на прочность композитов S1C
Таблица 4.7. Влияние концентрации кис® Р°
ЛАС при 900°С (Mah cl al. 1985)
Давление кислорода (Па) Парчиаль»01 давление (атм) ~ (МПа)
~~ 521
2х 10‘ 0,2 586
0.1 664
1 х 10' 0,01
1 х 10’ 0.001 1010
1 х 10’
натной температуре они имеют довольно
ны еще меньше При №М скоМу нагружению. Например, после Ю3
высокую стойкость к ии™' енных SiC-ЛАС композитов (табл. 48)
циклов прочность олионап^ сравнению с прочностью при крат
снижается не более чем на согласноданным табл 4 g после 103 цик.
довременных ис^™ная г1рОчность снижается, если прикладывае
лов нагружения 1ряжения микрорастрескивания матрицы. В
п^вноГда >'стагочнаЯ ПРОЧН°СТЬ п₽акТИчески не
X™ м что керамика ЛАС I не растрескивается вплоть до разрух
НИЯ о чем свидетельствует линейный характер ее диаграммы нагруже-
ния а ЛАС II и ЛАС III растрескиваются при 270 МПа и 320 МПа
и отеегсшенно
Влияние микрорастрескивания матрицы еще более существенно, если
испытание проводится при повышенных температурах в присутствии
кислорода воздуха. Если максимальное напряжение превышает напря-
жение микрорастрескивания, композиты разрушаются хрупко из-за
проникновения кислорода через микротрещины Усталостная стойкость
материала гораздо выше, если максимальные напряжения ниже напря-
жения микрорастрескивание.
Поперечноармированные композиты SiC-ЛАС II и ЛАС III удается
разрушить менее чем за 105 циклов нагружения, если максимальное
напряжение достигает 70% величины предела прочности Если же мак-
симальное напряжение ниже 70% предела прочности, остаточная проч-
ность материала не снижается и остается равной исходной прочности
(табл. 4.8).
4.4.3. Углерод-углеродные композиты
В настоящее время производят целый ряд композитов, состоящих из
углеродных волокон различного типа и углеродной матрицы, причем
ч^галостное поведение композитов SiC-ЛАС при 900°С (Prewo
I901" __ " Прочность и^’ при растяжении м с, (МПа) Макс, напряжение (МПа) К-во циклов Остаточная прочность (МПа) ~ ' —
ЛАС1 авленный) 261 207 0,79 1,9x1с2
(йИ°ваПр 261 207 0,79 2,2x1с2
261 172-138 0,66-0.53 10s* 286-226
^„“пра^ниый) 550 355 0,65 10s* 485
(ОДНОН£* и 55Q 310 0,56 10s* 525
550 275 0,50 10s* 485
550 225 0,41 10s* 620
ЛАС III (однонаправленный) 575 456 0,79 5x10'
575 421 0,73 5x10s
575 357 0,62 10s* 462
575 315 0,55 10s* 480
575 280 0,49 10s* 602
575 223 0,39 10s* 538
ЛАС 11
(ноперечноармиров) 325 361 1,10 6x10'
325 285 0,88 1,2x10s
325 280 0,86 1,5x10s
325 280 0,86 3x10s
325 262 0,81 102
325 256 0.79 3x10*
325 245-210 0,75-0,65 3x10s* 385-315
ЛАС III
(понерсчноармиров) 269 181 0,67 10s
269 179 0,67 3x10’
269 179 0,67 5x10s
269 — 186-163 0,69-0,61 10s- 291-227
“Образец после 10’ циклов не разрушился
Структура и
•"пользуются как короткие, так и непрерывные 110Л0]™лах она мо-
иойства матрицы могут варьироваться в широких данологи-
*е< быть кристаллической или аморфной в зависих
52 Глава 4 Композиты с
Ktra»»i^K
_цИЯ пор «кже может вар,,,,,
ческих условий производства KoHU^ &iax, от nPeHeCiI С*™° мал°й
роваться в чрезвычайно ШИРоК>‘Кпп^ьа композитов могут варьИро.
до 80об% Свойства углерод углей' пОСКольку можно исполь3о
‘ваться в чрезвычайно широких пр да удержание, варьироВать
ватъ различные типы волокна, из
структуру матрицы и долю пор- коМ„озиты
(а) Пористые пор от 70 до 90% Пр,
Углерод-углеродные композит теплоИЗоляции при повышенных тем
меняются главным образом для в вакууме или в инертной аг
пературах Эти материалы "с""3 температуре 400°С начинается
мосфере, поскольку на воздухе уж
их окисление. композитов используют рубленые низко.
Для получения пори около двух миллиметров По
модульные углеродн сора. Композит делают из раствора,
лучаемые из вис* феналЬНой смолы, связующего и воды, к ко-
состоящего из волокон, фсн^1
торым добавляют отходы уже использованных волокон. Элу смесь пе-
решивают и зшшвают в форму, после чего вакуумируют адя удале
ния воды В результате образуются маты, волокна в которых
ориентированы преимущественно перпендикулярно направлению от-
качки, как показано на рис. 424 и 10.21 Затем материал сушат и кар-
бонизируют матрицу при температуре -950 С При использовании фе-
нольной смолы выход углерода составляет приблизительно 50%
Заключительные технологические фазы состоят в окончательной вы-
сокогемперагурной термообработке и вакуумировании материала для
удаления летучих продуктов. Конечный продукт чрезвычайно чист и
содержание углерода в нем превышает 99,9%
Свойства композита определяются главным образом концентраци
ей пор, причем из-за ориентации волокон он анизотропен (рис. 4.25)
Свойства композита, содержащего около 90% пор, представлены в таб-
лице 4 9 Его прочность низка по сравнению с другими углерод-угле-
родными композитами, однако для теплоизоляции она вполне доста
точна. Отметим, что этот материал анизотропен и, в частности, его
теплопроводность различна вдоль и поперек направления ориентации
волокон. Рассмотрим теплоизоляцию печи Теплопроводность панели
минимальна в направлении, перпендикулярном стенке, что обеспечи
вает хорошую теплоизоляцию печи. В то же время, высокая теплопро-
водность в плоскости панели позволяет получить однородное распре-
деление температуры в печи
4 4 Свойства
Рис. 4.24. Ориентация волокон в пористом углерод-углеродном компо
зите, (а) - система координат; (Ь) — поверхность образца в плос^^™
ху, перпендикулярной направлению вакуумирования, (с) поверхн(
образца в плоскости zx, параллельной оси вакуум про
ентирована пол углом 55° к нижнему срезу фотографии (л
доставлено J. Davies).
„апч**0
Глава 4 Композиты
материала с плотное
Т16.ИОИ 4.9. Свойств» пористого _________
гыо 170 кг/м' (Cales’* Lfd 1 —----
1.03
0.48
3.0x106
Моауль Юига (МПа)
Прочность при сжатии (МПа»
Прочность при изгибе (М "
прочность ПРИ растяжении (М>
Коэфф теплового расширен
0-|000“С (К‘>
Электропроводность ---__
обозначения с«ттяегс'”кИ Р"0
9,57
0,60
0,15
0,08
2,8x10*
1.1x10’
4,1x10’
Рис. 4.25. Прочность при трехточечном изгибе пористого углерод-угле-
родного композита в зависимости от плотности и ориентации волокон,
, * и у - оси растяжения/сжатия при изгибе (обозначения соответству-
ют рис 4 24)
(Ь) Пютные уыерод-углеродные композиты
Для получения плотных углерод-углеродных композитов используют
как короткие, так и непрерывные волокна Короткие волокна (как
правило, полученные из вискозного или пекового прекурсора) ис-
пользуют, когда нужно сделать крупную деталь, требуется изотрон
ность или высокая межслоевая прочность материала. Непрерывные
волокна используют, если требуется высокая прочность или опрел*
ленная степень анизотропии материала Плотные углерод-углерод-
ные композиты применяют для получения дисковых тормозов само
„ „ гоночных автомобилей, деталей газовых турбин
Спанов И уплотнений выхлопной системы), носовых обтекателей’
^уших балок ракет, а также медицинских имплантантов, вводимых
постные ткани
МатрИНУ в углерод-углеродных композитах делают двумя методами
_ ж11дкофазной пропиткой волокон с последующим пиролизом и к™
Ионизацией, и химическим осаждением из газовой фазы При пиод
„изной технологии в качестве прекурсора можно использовать люб™
низковязкую жидкость, способную пропитать волокна и имеющ™
выход углерода не менее 40% На практике используют два типа пре-
курсора. а именно термореактивные смолы и пеки (смолы)
Использование термореактивных фенольной, фурановой и поли-
имидной смол на стадии разработки углерод-углеродных композитов
было обусловлено большим опытом работы с этими смолами полу-
ченным при разработке армированных пластиков на их основе Обыч-
но эти смолы полимеризуют при относительно низких температурах
(- 25О°С). в результате чего формируется трехмерно-сшитый аморф
ный материал Его карбонизуют при температуре порядка 1000°С, в
результате чего получают аморфный изотропный углерод Выход угле-
рода обычно равен 45 - 65%, но в некоторых случаях он может дости-
гать 80% (табл 4 10) Для снижения пористости композита требуются
несколько циклов пропитки и карбонизации Один цикл может длить-
ся три дня. поскольку образующиеся при пиролизе газы должны уда-
ляться достаточно медленно, чтобы избежать появления дефектов Для
графитизации стеклообразной углеродной матрицы необходима тем-
пература более 2500°С
Используемые для получения углеродной матрицы нефтяные пеки
(смолы типа битума) являются смесью полиараматических гидрокарбо-
нов, которые термопластичны и при нагревании переходят в текучее
Таблица 4.10. Выход углерода при пиролизе термореактивных смол и нефтя-
ного пека
Материал
Фенольная смола
Фурановая смола
Полиимид
Полифенилен
Пек
Пек (ЮОатм )
% выхода
45
60
80
80
50
80
< „й м‘'тр“и‘"‘
156 Глава 4 Композиты с керамизеск
ур и не улетевших атомов y[Jle
состояние Выход углерода из пека (те продуктов равен ириблизи-
рода) при атмосферном давлении ле является образование
тельно 50% Особенностью пеков ггртнНЫх жидкокристаллически,
мелких (0.1 мкм в диамегре) °Рие длительном нагревании ме30.
струкпр. называемых мезофазами '^орядоченные области Ламе.,,
фазы сливаются и образуют ьР'"» аз облегчает формирование гра.
лярная упорядоченная сзР'хтуРа мКомпоз11Ты. получаемые из пекового
фита при нагревании до 25 удельный вес по сравнению с м;гц.
прекурсора имеют более вые° ^„вных матриц (рис 4 26)
риалами получаемых из атМОСферном давлении летучих про.
Выход углерода из пека да(чие от термореактивнЬ1Х смол. выход
дуктов равен примерно увеличении давления, и при Iqqq
углерода значительно возра^ этой прнчине термообработка
атм он достигает 90* (г° иСПОльзуется весьма широко
при высоких давлениях давления при химическом разложении га-
^Ь,6°ото лырогарбона можно регулировать кристаллическую струк.
зообразного гидрокаР []ригодны пропан. бензин и други(.
рткарб^нХадиии0ННО используется метан, который разлагается по
следующей упрошенной схеме
СН.Т = с I + 2Н/
Рис 4 2S иллюстрирует влияние давления и температуры на струк-
т>ру получаемого углерода При низких давлениях и температурах об-
Рис. 4.26. Зависимость плотности углерод-углеродного композита от
температуры термообработки, демонстрирующая более высокую плот-
ность материала, получаемого из пекового прекурсора (Bunas, McAllister
Рис 4 27 График демонстрирующий увеличение выхода углерода из
нефтяного пека с ростом давления (Latchman et al, 1978)
разчется слоистый пироштическии углерод, имеюшии высокую плот-
ность Размер зерен пиролитического углерода настолько мал, что при
исследовании обычными методами типа рентгеновской дифракции он
кажется некристаллическим При более высоких температурах образу-
ется плотный пиролитический графит При других условиях образу-
ются нежелательные структурные формы углерода, как, например, сажа
(рис 4 28)
При химическом осаждении углерода его структурная форма и эф-
фективность процесса образования матрицы зависят не только от тем-
пературы и давления, но и от характеристик подложки типа ее шеро-
ховатости. величины удельной площади поверхности, морфологии и
размера пор Заметим, что поры должны иметь открыто пронипае
мую структуру а их размер должен быть мелким дтя успешного осаж
Дения за разумные времена
Имеются три основных метода химического осажления углерода,
именно изотермический, метод температурного градиента и метод
енга давления (рис 4 29) При и:ютермическом ме™-’е ™ 'осаждение
поддерживают при постоянной температуре около поток газа
проводят при пониженном давлении 0,6-6 кПа (5-50 торР не-
определяется удельной поверхностью и морфологией п^|В1ушественно
Достатком этого метода является осаждение углерода ^„„роианию
на внешних областях волокнистой преформы, ведущее чтобы об-
мнроницаемой коры Эту кору нужно удалять мех досго-
легчитъ дальнейшее проникновение углерода в
Рис. 4.28 Влияние
лученного метолом
давления и температуры на структуру углерода, по-
химического осаждения (Kotlensky, 1973)
Рис. 4.29. Методы химического осаждения, (а) изотермический; (Ь)
метод теплового градиента, (с) - Метод градиента давления (Savage, 1988)
инсгвами данного метода являются относительная простота и возмож-
ность одновременной обработки нескольких преформ.
При использовании метода теплового градиента на внутренней части
преформы поддерживается более высокая температура. Это достигай®
подложки на индуктивном нагревательном элементе,
м креПЛеНИЯ ис 4 29b. Поверхностная корка при этом методе не об-
^оказ3110 на Р‘ сКорость осаждения максимальна на внутренней по-
»’* егсЯ' п0СК°ЛЬ ки и осаждение происходит радиально начиная с внуг-
^яости пол °* обра3иа. Обычно процесс проводят при атмосферном
Ве.'111ейповерХНпературе внутренней поверхности П00°С. Величина теп-
^енин и темп *Ha тшательно контролироваться, и поэтому метод
> получения лишь одной детали.
11СПо№зуе'ГСЯ ддиента давления также получают одну деталь, однако
Цетолом гр ее широко, чем первые два метода. В этом слу-
оц РаСПР°СТраНе т в преформу по действием избыточного давления,
чае газ ПРОНИ , е гомогенный депозит, чем при изотермическом
^обеспечивает
методе обсуждению механических свойств плотных углерод-
Лерейдем *мпозиТов Кривые напряжение -смешение при изгибе
угЛеро.1нь1Х ко материалов, полученных пиролизом термореактив-
композииионн иведены на рИС. 4.30. Механические свойства чувстви-
смолой, "Р* пирОлИза При низких температурах пиролиза
даЬНЫЛппосу образуется стеклообразная углеродная матрица, имею
(ииже 25W > ю к волокнам в результате получают хрупкий
тая хорошую «ха
400 -
0
О
2600 X
300
100
| 200
8.
2800°C
2000 С
1000 С
02
04
Смещение (мм)
^точечном изгибе
Рис. 4.30. Кривые напряжение-смешенипр<>пи'^°^<в’ысо-
углерод-углеродного композита. а рую мтем пиро™ композита
жидкой термореактивной смол • улучшить св
котсмпературная обработка позволя
(Tanaka et al, 1978).
ой л,«ЯР“Н£’Й
«160 Глава 4 Композиты с керамичесв ПРГ1СП
ятрине тр«я1'И,1Ы легко прора.
композит поскольку образтюшиееяд:
\ стеют в волокна При более выеомп РазРУШения^Это являе,Ся
имеет более высокую ПРОЧН<1СП'[|Ь1 „ снижения Р ИЦц
; следствием графитизации;,аПяГоге.зоен>.е волокон
раздела с волокном что из пекового прекурсора
| Композиты с матрицей пол уШении ведут себя аналогично
I осаждением из газовой фазы’^р^ыМ пиролизом терморе.
| материалам полученным вы
активной СМОЛЫ (рис 4 30) зависит не только от технологии
Механическое повеаеНИе длиной доли и формы волокон Это издо-
потечения матрицы ио и от „ напряжение-деформация однонап-
сгриртется схематическими Т трехмерно (30) армированных тка-
равленных (1-D) лв}'мер“°м‘'оз11Ш1онных материалов, представленных На
ных углерод-углеродных ко^ иомпозгтг прочен, но излишне хрупок,
рис 4 31 Опнонаправлеги^ повышенную вязкость разрушения и I
в то время как 3- D комп 2 р матерИал имеет промежуточные
(.тхииитеило невысок ] D и j.p материалами Низкую вязкость разру.
свойства по сравнен» к0МП03ИШ10нных материалов приписывают
шения сво„ материала, обусловленным хрупкостью
маХ^ежсчоевые свойства могут бьгть увеличены путем введения в
г—у мелких частиц. затупляющих кончик растущей трещины и изме-
няющих направление ее роста Эю пример гибридного композиционного
" Свойства композитов
а который может иметь вдвое более высокие ме
'cnfP"^1 ПО сравнению с исходным композитом *Иоевые харак-
Сметные свойства углерод-углеродных композитов аня„
чГтвам композитов на основе углеродных волокон „ аНалогичны
С80Диы (рис 4 32) Послс ОЧеНЬ большого количества п П°ЛИМерн°й
’^,я микрорастрескивание матрицы может приводить
Ч|1к> И появлению мелкой пыли к ее выкра-
Углерод-углеродных композитов является чпе
веская теплостойкость Их характеристики при повышен^Г^"0
' ррах особенно впечатляют, если рассматриваются улеп" М"е’
Д,ЙС 4 33) Пргшагательное-.высокогщотныеХХ^^-
6ы отличить эти композиционные материалы о^7 '
(ГКрод хтлеродных материалов Плотность
анионных материалов фактически весьма невысока и л t
пионе ,400 1700 кт/мз Недостатком плотных углерод
композитов является невысокая стойкость к Действию
ш,дае покрытия могут поднять диапазон рабочих темпепТ
позитадо 1400'С. хотя в процессе разработки находятся и поють^Г
способные защитить материат до температуры 1800«С крытня’
Для тепешной работы покрытия оно должно удошгетворять следу-
гошим требованиям (1), быть механически, химически и термич^г
(b)
100
50
углерод-углерод, углелластиГ *
угпеРод-углеродовиге=2ВЗ
»|«™а< гикО„к :605
о
10»
10' 10’ 10’ io1 10* 10‘
количество циклов
РиС’ 4.32. Сравнение усталостных характеристик ,де2)
мпозитов и углепластиков, (а) кручение, (Ь) из
р»с 433 Удельная плотность в зависимости от температуры д щ №
Хуглеродиых композитов и других теплостойких материалов. Мате
„им Слэйс-шаттла получают из низкомодульных вискозных волоков.
АСС - сделан из углеродной ткани, высокопрочный углерод-угтерод
ный композит делают из однонаправленных слоев углеродных волоков
с включением слоев ткани (Buckley, 1988)
совместимым с композитом, (2) иметь хорошую адгезию с компози
ционным материалом, (3) предотвращать диффузию кислорода и (4) 1
предотвращают диффузию атомов углерода к поверхности Большин
ство защитных покрытий имеет сложную структуру, поскольку нале
гением единственного слоя этим условиям удовлетворить очень труд
но Идя иллюстрации проблемы рассмотрим тепловую совместимость
композита и покрытия Рис. 4 34 показывает, что коэффициенты теп-
лового расширения большинства керамик, которые могли бы исполь-
зоваться для защиты от кислорода воздуха, намного больше, чем)
углерод-углеродных композитов Большие различия в коэффициеи
тах теплового расширения композита и покрытия ведут к растрески
вапию покрытия при охлаждении и, как следствие, к потере защитил
свойств По этой причине в качестве первичного защитного слоя обычно
используют SiC или Si,Nfl имеющие относительно низкие коэффи®
енты теплового расширения Однако даже эти покрытия могут тр«
каться, и поэтому требуется второй защитный слой Этот слой обычно
содержит стеклообразующие частицы (например, SiC или В) в сои®
Рис. 4.34. Тепловое расширение керамик, которые могли бы использо-
ваться в качестве первичного защитного слоя в углерод-углеродных ком-
позиционных материалах (Strife, Sheehan, 1988)
матрицы и/ил и представляет собой дополнительный слой стек.
рой слой обеспечивает заполнение трещин в первичном покрыт
повышенных температурах расплавленным стеклом
Литература
Общая
International (1987) Engineered Materials Handboo
Mazdiyasni. K_ S (ed) (1990) Fibre Reinforced Ceramic Mamx Composites
Mostaghaci, H (ed ) (1989) Processing of Ceramic an
164 Глава 4 Композиты с керамической м&пр
rrwranuc »"d Мс,а1 Ма,ПХ Com₽osites
Proc Int Symp on Advances in Processing e »
Halifax, Canada, 1989, Pergamon Press
Специальная
Becher, P F (1981) J Am Ceram Soc 64, 37
Krennan, J J and Prewo, К M (1982) J M#
Bucklev, J D (1988) Ceramic Bulletin 67, 364
Bums R L andMcAUrster. L E <1976) Proc ™l ‘°П^ PaI° АЙО.Ц^
Chokshi, A H and Porter. 3R (1985)/^ Ceron, 5bc, 68, C-!44
Claussen (1976) J Amer Ceram Soc 59, 49
с я а с г- p кГл f К et al (1987) Structure and propertie® ,
braid SiC/LAS-llI composites ICCM VI/ECCM 2 London. UK, Composite ^0
and Technology Elsevier
Fritz. W, Huttner, W and Hanwig. G (1979) Nonmetalhc Materials and СОЯ1Лоа,
at Low Temperatures Plenum Press. New York. p 245 «ЗРОЭД,
Huttner, W. Keuscher, G, Huttrnger. К and Nietert, M (1982), )n Cemm
Surgery, (ed P Vincenzim). Elsevier, p 225 ™<s
Latchman. W L, Crawford S A and McAllister, L E (1978) Proc Int c
Composite Mats Met Soc AIME, New York onJ on
Kalensky W V (1973) in Chemistry and Physics of Carbon, Vol 9, (eds p ,
and P A Thrower) Marcel Dekker. Inc. p 173 ' L Walker
Mah. T, Mendiratta, M G, Katz, A. P et al (1985) J Amer Ceram Soc 68
Minford, E and Prewo К M (1986), in Materials Science Research Vol ю C
E Tressler, G L. Messing, C G Pantano and R E Newnhami di *R
561 ' rlen“ni Press, p
Prewo, К M (1986) J Mat Set, 21, 3590
Prewo К M (1987) J Mat Sei, 22, 2695
Prewo, К M (1989) Fibre reinforced glasses and elasc
Glass-Ceramics (eds M H Lewis), Chapman and h111, London G,asses
Savage, G (1988) Metals and Materials, 4, 544
Stnfe J R. and Sheehan, J E (1988) Ceramic Bullettn 67 369
Tanaka, H er al (1978) Trans Japan Soc Comp Mat 4 37
T^ T N and Becher, P F (1987) J Amer Ceram Soc, 70 C 109
Thompson, I and Rawlings R. D (1992) J Mat Set, 27, 2823 2831
Wei, С C and Becher, P F (19851 Am c
'•Г Г (1985) Am Ceram Soc Bull, 64, 298
Задачи
ЗаАачИ
обсу^ь *™яние среды на характернее
щих композиционных материалов: ,еРистики следую.
(О оксид алюминия, усиленный двуокисью ЦИ№п
(и) ЛАС-ксрамики, армированной непрерывн Р Ия’
(,«) Плотного углерод-углеродного композита”™ В°Локнами SiC;
i2 Какой композит с керамической матрицей и
Вы бы выбрали для изготовления следую,„и, КаКИМ "Раинам
(i) Режущего инструмента, Деталей.
(„) Теплоизоляции печи, работающей в инепт г
(in) Головного обтекателя ракеты. ₽™°й а™°сфере;
ГЛАВА 5
КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ
ПОЛИМЕРНЬ,Х МАТРИЦ
5.1. Введение ционньВ материалов чаще Всего Пр„.
В качестве матрицы для к остранение объясняется высоким каче-
меняются полимеры Их распр относительной простотой и дешева
ством получаемых композите» оологии производства композитов
ной производства В самом д 'иированнылпластиков) не требуют на-
с полимерными нл1) высокой температуры Как следствие
линия высокого давл изготовлении несущественна, а оборУДо.
потеря свойств воло дства, относительно просто
“по • армированные пластикиразвиваются очень
бьЛо и уже сейчас широко распространены Вообще, не считая бе
тона^наибольшие объемы производства сегодня имеют как раз ком-
позэты армированные стеклянными волокнами (стеклопластики)
Классификационная схема полимеров приведена на рис. 5 1 В каЧе.
стве матрицы в композитах используются три класса полимеров - тер-
мореактивные смолы, термопласты и каучуки К термореакгивным (т.е
отверждаемым путем химических реакций при повышенных температу.
рах) относятся эпоксидные, полиэфирные, полиимидные и фенольные смо-
лы Отметим, что все они существуют во многих формах, могут иметь
различную химическую структуру, различаться типом отвердителя и со-
держать различные наполнители, благодаря этому диапазон их свойств
очень широк
Главными недостатками армированных пластиков являются их низ-
кая теплостойкость, высокий коэффициент теплового расширения (и
следовательно, значительное изменение размеров), чувствительность
к радиации и влаге Поглощение воды из окружающей среды входите
этот список, так как может приводить к снижению механических ха-
рактеристик, увеличению размеров, появлению внутренних напряже-
ний и снижению температуры стеклования матрицы
Впрочем, необходимо заметить, что эти недостатки характерны не
для всех армированных пластиков Например, у углепластиков очень
низкий коэффициент теплового расширения, а эпоксидные смолы
весьма стойки к действию радиации.
р„с 5.1. Классификация полимеров, используемых в качестве матоип »
^'позиционных материалах
5.2. Полимерные матрицы
5.2.1- Термореактивные смолы
В настоящее время около трех четвертей всех армированных пласти-
ков производятся на основе термореактивных матриц. Термореак-
пшные полимеры — это смолы, которые легко образуют химические
связи при отверждении Отверждение осуществляется с помощью на-
девания полимера или путем введения катализатора — отвердителя.
Структура поперечносшитого полимера схематически показана на
рис 5 2а В нем полимерные цепи связаны сильными ковалентными
связями Это ограничивает подвижность цепей и, как следствие, тем-
пература стеклования может быть очень высокой (значительно пре-
восходящей комнатную температуру). Термореактивные смолы при
комнатной температуре довольно хрупки, у них низкая вязкость разру-
шения Кк~ 0,5-1,0 МПа м'/2. Еще одной особенностью поперечносши-
того полимера является постоянство его формы даже при очень высо-
ких температурах При нагревании такой полимер может
лкзруктировать или загореться, но в любом случае он сохраняет свою
форму (подобно каучуку).
Преимущества поперечносшитых полимеров демонстрируются дан
ними таблицы 5.1. Благодаря сшивкам увеличивается жесткость, п
скольку слабые Ван-дер Ваальсовские связи между полимерными ц^
пям" заменяются прочными химическими связями. Кроме то ’ °
сравнению с термопластами, термореактивные смолы могутн
МТЬСя пРи более высоких температурах, поскольку у смолы
1051 зсмпература размягчения и меньшая ползучесть, а
^мически более стойкие, чем большинство термопла
Рис 5.2. Структура полимеров (а) - попсречносшитые, (Ь) — линей
ные, (с) — разветвленные
Далее мы рассмотрим свойства некоторых термореактивных смол
более подробно Начнем с полиэфирных смол, поскольку именно они
производятся в наибольших объемах
Полиэфирные смолы появились в 1942 году Они состоят из ненасы-
щенных (имеющих двойные связи между углеродными атомами) ли-
нейных полиэфиров, растворенных в стироле Стирол — это мономер
который может образовывать поперечные сшивки цепей под действием
свойств термореактивных смол и термопластов
1НСНИ1-
Терморективные Термопласты
растяжении (МПа) 1р°^ГразР>1иеНИЯ 1 3-6 0 20 180 05 1 0 1 0-4 8 40-190 1,5-6,0
0 02-0 2 0 7-6 5
с*.'11
/ ' тьиая темперагхра 50-450 25-230
пероксидов Благодаря пероксидам, в свою очередь, по-
рргииче свобо1НЬ)С радикалы В результате формируется трехмерная
датяюто^и помзанная На рИС 5 3 Потиэфирные смолы относилель-
Ш1Г°Я П1 у них ни ткая вязкость - а это является достоинством при
Н°Н технологических процессах Их недостатком же является боль-
хсалки при отверждении (достигающая 4-8%)
шая степень
-----_—--------Ненасыщенный полиэфир
Свободный радикал
R
Стирольный расворитель
п обычно равно 2 или 3
Ф) ' откР»лс"нЫЙ
Рис 5.3. Полиэфир (а) составляющие с
поперечносшитый полимер
I 70 Глава 5 Композиты на основе полимере
- „ «„„ее высокая вязкость по сравне
Эпоксидные смолы дороже, у них 60/1 геаней Для их отъеп»,
нию С полиэфирами это заполняет пр Большим преимущ.'
дения может требоваться температура и может W-
ством эпоксидных смол является то создавать препреги ’ а
несколько стадий отверждения Это „плпитянныу .... 113
слоев ткани или однонаправленных ваток храниться ЛТИЧно
отвержденной эпоксидной смолой Препр „ ’ ®Ь1чНо
при отрицательных температурах, в течение Д долгого вре.
мени перед формованием детали и последующим доотаерадением СМо.
лы Как правлю, усадка при отверждении эпоксидной смолы paSHa
1—5%, то есть она меньше усадки полиэфирных смол
Эпоксидные смелы, как и полиэфиры, могут иметь различные Со.
ставы Перед отверждением они представляют собой линейные поли,
меры с небольшой молекулярной массой (рис. 5 2Ь и 5 4а,Ь) Их отвер.
жление проводят с помощью полиамидных или полиаминных
катализаторов При этом активные группы отвердителя реагируют
эпоксидными или гидроксильными группами смолы, в результате чего
образуется трехмерная полимерная сетка В примере, приведенном
рис 5 4с, удиаминного отвердителя четыре активных атома
_ ’ Кс1АДЫЙ
из которых способен реагировать с эпоксидной группой Механичес
кие свойства эпоксидной смолы зависят от ее состава и типа ™.
отверди-
теля Обычно эпоксидные смолы жестче, прочнее и более хр к
чем полиэфиры - табл 5 2 По сравнению с полиэфирами у эпоксш
ных смол также более высокая теплостойкость ВД
Таблшв 51 Типичные свойства термореактивиых смол
Эпоксиды Полиэфиры Фенолы Полиимиды
плотность (т/м*) Модуль Юнга (ГПа) Прочность при 1,1-1,4 2,1-6,0 1,1-1.5 1,3-4,5 1,3 44 1,2-1,9 3-3.1
растяжении (МПа) Вязкость разрушения 35-90 45-85 50-60 80-190
4 (МПа м1л) Чс (кДж/м1) ктр (10 ‘ К 1) 0,6-1,0 0,2 0,5 0,3-0,39
Температура стеклования СС) 55-110 120-190 100-200 45-110 14-90
о. / \
/\т-я-сн~сн’
CHJ
(в)
диэминный отвердитель H,N—R—NH,
он
ОН
.я—-сн—сн,
СН,—СН—R—
< /
N—R’—N
-R—CH—СН2
СНа—СН—R—
он
он
Рис. 5.4. Эпоксиды (а) - общая структура, R может иметь различные
формы, (Ь) - конкретный пример химической структуры э.юк
смолы, (с) - отверждение при помощи диаминного отаердитем
Фенольные смолы появились раньше других термореактивных смол
однако благодаря низкой цене и неплохим свойствам широко приме-
няются до сих пор Фенольные смолы плохо горят, и в последнее вре-
мя диапазон их применения вновь возрос из-за введения более стро-
ил требований к огнестойкости, задымлению и токсичности
материалов. Смолы отверждают реакцией между фенолом и формаль-
дегидом Характеристики смолы зависят от соотношения реагентов и
используемого катализатора (рис. 5.5). Некоторые смолы, называемые
одностадийными или резолями, содержат все необходимые компонен-
ты включая катализатор, и для отверждения их достаточно нагреть.
Ри Юрячем формовании в них не требуется добавлять отвердитель. В
яальные смолы, называемые двухстадийными или новолаками, вво-
®ть отвердитель необходимо.
Дин из главных недостатков фенольных смол заключается в виде
1И ЛетУчих продуктов при их отверждении Как следствие, что ь
сжать появления пор, при производстве приходится использоват
ВЫс°кие давления
Пашичиды дороже ла,иэфиров и эпоксидных смат поэтому 0
используются менее широко Основным достоинством "олиимцд
является их высокая теплостойкость Полиимтыная цепь сРавнцте
Шестка благодаря наличию кольцевых структур (рис 5 6) Коль
обусловлИвают также относительно низкий коэффициент тенлОв Ua
расширения и высокую теплостойкость полиимидов некоторые из «, Г°
могут использоваться при температуре 425 С в течение нескольких ча ***
или даже при 500 С в течение нескольких минут (табл 5 2) Под CQ8
Другим термореактивным смолам полиимиды весьма хрупки ° Ио
>д°бн0
рис 5 6 Структура полиимада.
5 2 Полимерные матрицы 173
Формаладвгид * фенол дегндрокифеннлметан
Он
Новолак
М
Метилолфеноп
ОН
НОН, С
Формальдегид
ОН
СнгОН
ОН
нон,с<^
Резоль
он
1Ь> НОн’Г>
Н0^с<Хсн
/ I ’[ I^oh
1971)5’5' Фе,,0Льные смолы _
новалаки (Ь) - резоли (ВШтч,С1.
52.2 Термопласты
ПпЯ высоких температурах термопласты являются вязкими жидко-
Хи Эго позвозяет делать из них детали твердеющие при охлажде-
Термопласты можно многократно надевать, формовать и охлаж-
и благодаря этому их отходы можно пускать во вторичную
ереработкх Впрочем при переработке иногда происходит неболь-
шая потеря свойств - вероятно, из-за снижения молекулярной массы
полимера
Наиболее известными термопластами являются акрилы, нешон (по-
шамид) natucmupoi пошэтилен полипропилен и полиэфирэфиркетон
Свойства некоторых из них приведены в таблицах 5 1 и 5 3
Большим достоинством термопластов является гораздо более высо-
кая вязкость разрешения по сравнению с термореактивными смола-
ми Свойства термопластов (как и у смол) определяются их молеку-
тярнои структурой У термопластов линейная структура полимерной
цепи (рис 5 2Ь) И хотя они не сшиты и не образуют сетки, цепи
могут быть разветвленными (рис 5 2с) В отличие от сшитой сетки,
разветвленная цепь является изолированной Связи между цепями в
термопластах ооус ювлены слабыми Ван-дер-Ваальсовскими силами,
которые легко разрываются при нагревании Это и является причиной
текзчести термопластов при высоких температурах
Если цепи термопласта имеют относительно простую структуру и в
иих отсутствуют большие боковые группы, то они лыко склхтыюю ея
и образуют кристаллические области Процесс кристаллизации при
охлаждении полимерного расплава происходит следующим образом
Сначала образуются мелкие штастинопоаобные ламели со «.да
той кристаллической структурой Каждая ламель быстро рас _
ся на лентоподобные кристаллические фибриллы. разд“® пление
Монками аморфного полимера Продолжающееся р ^^_^
приводит к возрастающей разориентании ламеле
^ерных
Глава 5 Композиты на основе пР-
Таблица 5.3. Свойства термопластов
Полипропилы
пмш Нейлон 6.6 Поли^ —- fi-1,2 0,9 '
Плотность (т/м’) 1»2
Модуль Юнга ,4-2 8 ”'2’4 1,9-1,4
(ГПа) 7°
Прочность при 60 70 «- 70 25—38
растяжении (МПа) 30 100 ’° 1,0 100-600
Деформация при
разрушении (^)
Вязкость разрушения
К,с (МПа м") КТР (10* К ') 15 50-90 90
Температура стеклования ( С) 90-105 150
Температура плавления, ( О 261 175
ЛО тех пор, пока не образуется сферическая структура аморфно-крис-
таллического сферолита (рис 5 7)
Размеры сферолитов могут изменяться от субмикронов до несколь-
ких миллиметров Чем медленнее охлаждается полимер, тем крупнее
сферолиты Большинство термопластов частично кристалличны, од-
нако степень кристалличности варьируется в зависимости от молеку-
лярной структуры полимера Например, у линейного полиэтилена вы-
сокой плотности (ПЭВ/Т) благодаря простоте и регулярности цепей
степень кристалличности может достигать 90%. Напротив, у полиэти-
лена низкой плотности (ПЭНП) разветвленная структура, препятству-
ющая регулярной упаковке цепей, необходимой для кристаллизации
Поэтому степень его кристалличности не превышает 60%. Наконец,
молекула полиметилметакрилата (ПММА) содержит нерегулярно рас-
положенные боковые бензольные группы, поэтому он аморфен
Более детальное описание термопластов начнем с поликарбоната
Поликарбонат - аморфный полимер, характерной особенностью цепи
которого является наличие -ОСОО- групп и бензольных колец (рис
5 8) У поликарбоната хорошие ударные свойства и достаточно высо-
кая теплостойкость — он может эксплуатироваться при температурах
до 140 С Другие особенности этого полимера состоят в том, что он
оптически прозрачен и может формоваться при помощи стандартных
методов прессования и экструзии
Рис 5.7. Модель роста сферолита (Bassett, 1981)
Неиюн - общепринятое название синтетических полиамидов. Его по-
лучает полимеризацией аминокислот или поликонденсацией диаминов
с двухосновными кислотами Изменяя состав реагентов, можно получить
различные молекулярные полимерные структуры с широким диапазо-
ном свойств Структура нейлона описывается числом углеродных ато-
мов, приходящихся на одну кислотную и одну аминную группу Таким
образом, прямая цепь алифатического нейлона обозначается как нейлон
х, гае х - количество углеродных атомов в мономерной единице В ней
лоне ху первое число х обозначает количество углеродных атомов на
одну аминную группу, а у — на одну кислотную (рис 5 9) Наиболее ра^
пространен нейлон 6 6, температура плавления которого равна
. сп’Г' v uorn кооошие жест-
своиства сохраняются приблизительно до 150 С. У нею к од)а.
кость, прочность и деформативность (табл. 5.3), причем па^ этого
няет пластичность и при низких температурах НеД°С^™ке сГО свой-
полимера является значительное водопоглошение, нзме них НИже
"на Нейлоны 11 и 1.2 меньше впитывают воду, ОДостойкоСП,.
температура плавления и, как следствие, меньше теп'3^ крмоплас-
В этой книге не представляется возможным оги’^оэ1ОМу теперь мы
ТЫ| используемые в композиционных материалах ।|оследнее время
кратко опишем термопласты, появившиеся в сам лежит в ин-
Степень кристаллизации полиэфир'>ФиР1'еГП^“ благодаря которой
тервале 20—40%. У него жесткая цепь (рис-
Рис. 5.8. Структура некоторых термопластов (а) поликарбонат, (Ъ)~
полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), (с) — полиэфиркетон (ПЭК); (d) - моно-
меры акрилонитрил бутадиен-стирола (АБС), (е) — привитый сополи-
мер стирол-акрилонитрила (САН)
Пример
Нейлон 6 (поликапролактам)
IC— (Сн,),—NH),
О
две цифры (первая цифра обозна- Нейлон 6 6 (гекамезилендиамин)
' »'У’ чает количество атомов С в ами-
„огруппе и втора» количество ато- [NH—(СН,),—NH—с—(СН,).—ст
м08 С в кислотной группе) || ц*
________________________ ° О
Рис. 5.9. Система обозначений нейлонов (синтетических полиамидов)
„ературы стеклования 'Г и плавления Тм довольно высоки, 143"С и
щ С соответственно Механические свойства ПЭЭК сохраняются до
т С а использоваться он может даже до 230 С. Кроме того, он стоек
к действию многих растворителей, пластичен и имеет высокое значе-
ние критическою коэффициента интенсивности - 6 МПА м,л.
у родственного ПЭЭК полиэфиркетона (ПЭК} еще более высокие
значения Г и Тм (162'С и 373"С соответственно) благодаря меньшему
количеству атомов кислорода на одно бензольное кольцо (рис. 5 8Ь,с).
Полимерная цепь может образовываться с помощью объединения
различных мономеров — сополимеризации. В результате получается со-
глмчер со свойствами, отличными от характеристик исходных поли-
меров При этом различные компоненты сополимера могут выпадать в
отдельные фазы Фактически это приводит к образованию компози-
ционного материала, который может использоваться в качестве мат-
рицы для получения армированных пластиков. Примером такого со-
полимера является акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС), полимерная
цепь которого состоит из трех различных мономерных единиц (рис.
5 8d) Составляющими фазами АБС являются привитой сополимер
атрол-акрилонитрил (САН, рис. 5.8е) и слегка сшитый бутадиеновый
эластомер Эластомерная фаза выделяется в виде тонкодисперсных
частиц, привитых к матрице САН. Мягкие частицы бутадиена затуп-
ляют вершину трещин и, как следствие, увеличивают вязкость р РУ
шения полимера , емых
Соотношение фаз может регулироваться для получения тр> У
свойств увеличение содержания эластомерных частиц пов
кое1ь, но снижает прочность полимера.
$•2.3. Каучуки ЗИЛЬС-
^атУральный каучук получают из дерева Hevea ® ‘ _ Полиизопрен
гевея); более чем „а 98% он состоит из полиизопрена.
178 Глава S Композиты на основе позимериых матриц
существует в двух кристаллических формах причем натуральный
Чук состоит главным обратом из его cis формы
В настоящее время синтезированы различные искусственные
ки' °бъем производства которых намного превосходит добычу
рального каучука Некоторые синтетические каучуки получают из &
тааиена (рис 5 Sd). например бутадиеновый, стирол-бутадиен .
(СБ/С) и нитрия-бутадиеновыи (НЬЮ ~ Р1,с 5 10 Широко испо-
югся также сополимеры СБК и НБК
Натуральный каучук (цис изопреновый)
М
- -сн,—сн—сн2 сн2 сн- -
I
CN
Нитрил-бутадиеновый -Jп
каучук (НБК)
Рис. 5.10. Структура каучуков (а) — натуральный каучук (цис-изопре-
иовый), (Ь) - бутадиеновый каучук, (с) - стирол-бутадиеновый кауб*
(СБК), (d) - нитрил-бутадиеновый каучук (НБК)
К0Л1
в каучуках создается система поперечных сши-
в^какизаиии мпоцентом обычно является сера Увеличение
|1^ива,01и,’М введет к возрастанию жесткости и прочности кау-
,lVecrBa clW
5 з Технология получения армированных
пластиков
ст большое количество способов получения армированных
гаков ' от прсстььх ручных, пригодных для получения отдельных
11 "'га до автоматизированных методов изготовления крупных партий
И1'С1СЙ Выбор же способа производства зависит от таких факторов,
Стоимость, форма, количество деталей и требуемые свойства
5.3-1 Ручная укладка
При ручном производстве волокна укладывают в форму, предваритель-
н обработанную антиадгезивом (для предотвращения прилипания
детали) Кроме того, иногда форму покрывают слоем геля для созда-
ния декоративной или защитной поверхности Используются различ-
ные армирующие материалы, такие как ткани, ровинги или короткие
волокна Жидкая термореактивная смола смешивается с отвердителем
н наносится на волокна при помощи щетки или ролика Чаще всего
используются полиэфирные смолы, отверждение которых происходит
при комнатной температуре Большое внимание уделяется вязкости
смолы, а также времени, в течение которого не происходит заметного
увеличения вязкости
Ручная укладка требует минимального набора оборудования, одна-
ко это весьма трудоемкий процесс Она удобна для производства от-
дельных изделий или коротких партий и может использоваться для
производства больших изделий — например, корпусов лодок шли пла
вательных бассейнов Главными недостатками этого метода являются
низкая степень армирования — около ЗОоб% — и трудность удаления
воиушных пузырей, из-за которых механические свойства композита
невысоки
У метода распыления те же преимущества, что и у ₽у,|Н0Й J Ь[ВНЫе
И исключением того, что в нем нельзя использовать непрер
волокна, и. кроме того, скорость производства при Pac’J1‘L' п11СТОлет
"1е Короткие волокна, смола и отвердитель загружаю какипр(,
который распыляет смесь в форму Форма готовится oloeM геля.
Ручной выкладке, то есть покрывается антиадгези е[)ИЯ дада-
аспыляемый композит необходимо прикатывать
чеинпгп _-------------„ гпяякой поеерхности детали
180 Глава 5 Композиты на основе полимерных
Существуют модификации этих
>кмЛа на предварительно сформован арм11роваН(|ад <>о
полимера. Этот способ используется для и Ле1а-
лей например сливов и ванн повышенно! про остц
5.3.2. Прессование
(а) Штамповка
Этот метод широко используется для производства больших Пагт
деталей — от метких домашних изделий до панелей Крупных тп &
портных средств Материал штампуется при помощи нагретых (Ь °
как показано на рис 5 11 Давление прессования зависит от х
ристик материала и может достигать 50 МПа. однако обычно
превышает 10 МПа В результате материал принимает контуры °Н° **
формы и если температура достаточно высока, быстпо пРесс-
РЖдастсд
Рис. 5.11. Штамповка
юность процесса зависит от материала, размеров детали и
пХ*,,Тев„лилось ЛИ предварительное отверждение смолы (это со-
гого. nP°l) Как правило, длительность производства лежит в пре-
<аст Скольких секунд до нескольких минут Штамповкой можно
Х.*'оТ зДелйс хорошего качества и добиться большой точности
"а1'Ч"Т1’ однако стоимость стальных пресс-форм сложной конструк-
рзЛ,ер0В 6ьЛъ очень большой
М°^тамповки особенно хорошо подходят заготовки двух типов -
' и пастообразные заготовки Заготовки состоят из волокон и
,“гЯ^нн содержат и все необходимые добавки - отвердитель, анта-
cM<Vlbl и краситель Это уменьшает количество требующихся дополни-
адКЗИР компонентов позволяет производству быть более чистым, кро-
получаются детали одинакового качества Поскольку все
'\ iHCHTbi предварительно смешаны срок хранения листовой заго-
К й ограничен тремя-шестью месяцами при комнатной температуре
Пастообразная заготовка также содержит все необходимые компо-
£НТЬ1 ОдНако в этом случае используются лишь короткие волокна
Вя кость исходной смеси волокон и матрицы похожа на тесто или
замазю а ее количество точно соответствует объему конечной детали
Срок годности пастообразных заготовок меньше, чем листовых.
(Ь) Методы формования использующие газовое давление
Мы рассмотрим три метода формования - вакуумное, автоклавное и
формование в газовом мешке
В отличие от штамповки для вакуумного формования, называемого
также формованием в вакуумном мешке, требуется лишь одна формую
шая поверхность а прессование производится атмосферным даалени
ем Принцип этого метода иллюстрируется рис 5 12а Нагретая зато
тонка содержащая пропитанные матрицей волокна, закрыта ги кои
мембраной которая под действием атмосферного давления начин
сжимать заготовку по мере откачки воздуха Вакуум поддержива
процессе отверждения связующего _ при
Автоклавное формование является модификацией мк^Мсн1(хеН|)Я
чем в автоклав подается давление выше атмосферного ДЛ ИЗВОДСТВе
пористости деталей) Используется оно, например. 5 j2b>,
космической техники Пресс-форма помешается вавтоклгаза д0
снабженный нагревателем и позволяющий создавать д
приблизительно 50 атм , газом обычно является при нем
Принцип работы мешка давления аналогичен a деШевле,
создается давление выше атмосферного, однако э поверх заго-
поскольку не требует автоклава Гибкий мешок
Заготовка
Пресс-форма
?— Воздух
(с)
Рис. 5.12. Открытые пресс-формы лля формования газовым давлением
(а) - вакуумное формование, (Ь) — автоклавное формование; (с) - фор-
мование в газовом мешке
товки, вылож иной на пресс форму В то время как в мешок подается
газ под давлением, заготовка прижимается к пресс-форме (рис. 5.12с)
(с) Низкое давление, закрытые пресс-формы
В рассмотренных выше методах используется открытая пресс-форма,
на которую укладывается заготовка, а затем механически подается дав
ление с помощью второй пресс-формы или вакуумного мешка (мешка
МЫ опишем методы, в которых волокна укладыва-
ния) ТеПеР*ормУ. а затем подается матрица для пропитки воло-
^’1е8закРь,1У'° ^скпии смолы низковязкая смола вводится в закры-
ме^де большим давлением и затем отверждается. Благодаря
^ф0РмуПОЯ ИЮ можно использовать недорогие пресс-формы, сде-
15 КОМУ ЛавЛСН1 из стеклопластика, прочности которого хватает для
аниые наПр1'Ммы детали Такие пресс-формы позволяют изготавли-
^ранения Ф°Р^ детали сложной формы и больших размеров без
*омПОЗИ™д0рог0стояшего оборудования. Однако, поскольку ма-
„сольз°вани" ы имеет низкую теплостойкость, отверждение дол-
тернал пРесс ся медленно, чтобы избежать разогрева детали, ведь при
жН0ПРовОЛИ^мпераТуры может быть повреждена форма Фактически
вВЬЛ11£НИ зводства весьма долог, и для больших деталей он может
инкл ПР°* нескоПЬКО дней, поскольку пропитка волокон происходит
составлять детали, производимые методом инжекции смо-
neiieHHO neKUI v , .
лоиведены в таблице 5 4
" м «Ьикапия этого метода состоит в откачке атмосферного возду-
N рго-сЬормы, в результате смола затекает в форму под действи-
хэ из npett ’
атмосферного давления
1 Вместо использования медленно отверждаемой смолы, можно сме-
„,а1ьдва быстрореагируюших компонента прямо перед пропиткой.
Компоненты смешиваются при высоком давлении в камере быстрого
и затем вводятся в форму, давление в которой обычно не
превышает 10 атм (рис 5.13) После этого матрица быстро отвержда-
ется, так что полный цикл этого процесса, называемого методом уско-
ренной инжекции матрицы, составляет 1-2 мин
Мтивд 5.4, Детали, изготавливаемые методом инжекции связующего (Stark,
Вгепдат, 1987)
Обметь техники Детали .---------
Промышленность решетки солнечных батарей, плас™”Ы ?^^01делки
тельных ванн, лопасти вентиляторов,
транспортных средств, водяные
Отдых весла каноэ, телеантонны авго6усных ос-
конструкции сидения, ванны, секции крыш, и
тановок Л|ОКОВ кабин, Д»е-
Аэрокосмичсская ребра жесткости лопастей, крыш
Ри , рпужин, автомобиль
Автомобильная противоударные шлемы, пластины
ные корпуса —
,jfjx матриц
„лг no*u*eP"
Глава 5 Композиты на основ
Рис. 5.13. Схема ускоренной инжекции матрицы
Важно знать достоинства различных технологических методов, а
также при каких условиях имеет преимущество тот или иной способ
Поэтому мы кратко опишем основные особенности основных техно-
логических методов Ручная выкладка может использоваться для про-
изводства сложных или больших деталей в небольших количествах
свойства полученных таким образом изделий могут сильно различать-
ся Общая стоимость ручной выкладки невысока, но она трудоемка и
медленна, поэтому на рис 5 14 ей соответствует область А. Оборудова-
ние для штамповки (параграф А) сравнительно дорогое, но скорость
производства деталей довольно высока Этот метод особенно хорош
для производства большого количества деталей, форма которых огра-
ничена геометрией стальной пресс-формы (область С) Метод инжек-
ции смолы занимает промежуток между этими двумя предельными
случаями - область В Он используется для производства относитель-
но мелких партий простых деталей, а также крупных партий изделий
сложной формы
(d) Палтрузия
Длинные пруты постоянного сечения можно производить методом
палтрузии В этом методе непрерывные ровинги пропитываются смо-
лой во время прохождения через ванну с жидкой смолой (рис. 5.15)
Пропитанные волокна затем протягивают через нагретую форму, в
который пучок уплотняется и приобретает требуемый профиль
Рис. 5.14. Диаграмма, показывающая области использования различ-
ных технологических методов при производстве автомобильных дета-
лей (Johnson, 1987)
метол напоминает экструзию Однако, поскольку в нем происходит
вытягивание пучка, термин «палтрузия» используют вместо «экстру-
зия» Отверждение матрицы происходит в нагретой форме, но иногда
его завершают в печи Палтрузия - это непрерывный процесс, и, в
зависимости от размера и сложности сечения, скорость может дости-
гать нескольких метров в минуту. Характеристики палтрузии пред-
ставлены в таблице 5 5 Сравнение стоимости изделий, производимых
методом палтрузии с другими процессами приведено в таблице 5
5.3.3. Намотка
При намотке пропитанная связующим веществом нить или ле
непрерывных волокон наматывается на оправку (рис
намотки может управляться компьютером, который ° ,|ас мож-
лавку слоев волокон под определенными углами. W°BXaHII4ecKHMH
но получить многослойную структуру с требуемыми* и при
характеристиками Волокна могут пропитываться та^ при
палтрузии - в этом случае процесс называют eMJ™ которых состо-
сЛои намотке используются препреги, преимуше процесс
111 в том, что частично отвержденная матрица 0[) менее чист
намотки. Метод влажной намотки более дешев, ств0 цамотки со-
•ю сравнению с сухой намоткой. Главное прей
Рис. 5.15. Схема, иллюстрирующая процесс палтруэии.
метода палтрузии и получаемых ею деталей (Мали
5х.Хара^РисТИКИ
<>,987>
jins’
Скпе»^Рм”Р°ВаНИЯ
Нярхчю* смолы
Прочность
Граоемкосп.
Производительность
формующая система и система натяжения оппеп/
ляют предельные размеры деталей “^не-
прямые стержни с постоянным сечением возмп»
но получение искривленных секторов ’
Без ограничений
Стеклянные, арамидные, углеродные и гермоп™-
тичные
40-80% для всех ровингов, 25-50% дая матов в соче
танин с ровингами. 55% для тканых ровингов 40-
70% для двуосных материалов и матов
Полиэфиры, винил эфир и эпоксиды
От средней до высокой для однонаправленных ма-
териалов
От низкой до средней
Связана с формой и толщиной, до нескольких мет-
ров в минуту
поит в высокой скорости укладки пропитанных волокон, обычно ле-
жащей в пределах от 50 до 350 кг/час
Однако при намотке существуют определенные ограничения на
форму изделия Они связаны, во-первых, с трудностями намотки де-
шей с отрицательной кривизной поверхности и, во-вторых, с тем,
что после отверждения смолы удаляется оправка По этим причинам
намоткой обычно изготавливают трубы, сосуды внутреннего давления,
емкости для хранения жидкостей и некоторые детали аэрокосмичес-
кой техники, вроде вертолетных лопастей
5.4. Свойства армированных пластиков
В этом параграфе мы более подробно рассмотрим композиционны
материалы с термореактивными, термопластичными и каучуковьт
матрицами В качестве примеров выбраны термореактивная э
ная смола и термопласт полиэфиэфиркетон (ПЭЭК) Это не
'фостраненные полимеры, однако, именно на их основе HP*}
композиты с максимальными механическими характери
5.4.1. Волокнистые композиты на основе з
СМОЛ стекло-
сих пор наибольшие объемы производства с0*Ракя арамн№е
^стиками хотя для армирования все чаше нсп
Таблица 5.6. Сравнение стоимости и эффективности
материалов на основе полимерной матрицы
различных технологических процессов производства композиционных
Процесс Типичное время цикла Стоимость оборудова ния ( 1000) Стоимость пресс-форм (о) Стоимость продук та, производимого за цикл (о) Стоимость про- дукта, произво- димого за час (о) Эффективность'
Штамповка 3 мин 50 5000-20000 1-5 20-100 365-1428
Автоклав 8 час 150 1000 10-100 1.25-12 8.3-79
Намотка 4 часа 20-100 1000 10-100 2.5-25 119-250
Вакуумная инжекция 10-60 мин 5-10 300-1000 1-10 6-10 1000-1200
Формование в мешке 1 час 5 100-500 1-4 1-4 200-800
Распыление 3 час 5 100-500 5-25 2-8 400-1600
Ручная укладка 5 час 0 100- 500 5-25 1.5 10000
Палтрузия 0,5-3 м/мин 50-100 2000-10000 3/м 90-540 2884-5400
Стоимость продукта х 10*
’Эффективность процесса общие капиталовложения
I 90 Глава S Композиты на основе полимерны
пгниых стеклопластиков на q.
Таблица 5.7. Сравнение свойств однонапР-'®1 волокна 50 80об %) лри °'
ве эпоксидной и полиэфирной смет (содержание ии ком.
натной температуре
----------------------—--__ Эпоксиды
----------------------_--__--____________Гб~20
Плотность (т/м’)
Модуль Юнга лри растяжении (ГПа) 30—55
Модуль Юнга при изгибе (ГПа)
Прочность прн растяжении (МПа) 600- 1165
Прочность при изгибе (МПа) 1000 1500
Прочность при сжатии (МПа) 150 825
Межслосвой сдвиг (МПа) 30-75
Полиэфиры
M^.iT
12-40
10-35
140 690
205 690
140-410
Более высокие механические характеристики стеклопластика На
основе эпоксидной матрицы обусловлены сильной адгезией стеклово-
локон к эпоксидной смоле и ее низкой пористостью, поскольку при
отверждении смолы (в отличие от полиэфира) летучие вещества не
выделяются Кроме того, эпоксидные матрицы прочнее и жестче За-
метим, что для повышения адгезии и улучшения смачиваемости стек-
ловолокон используются аппреты, одними из наиболее эффективных
являются силаны Низкая пористость стеклопластика обеспечивает
высокую сдвиговую прочность композита Для армирования исполь-
зуются как Е-. так и S-волокна. Высокопрочное S-стекло обеспечива-
ет более высокие механические свойства (табл 5 8)
Таблица 5.8. Сравнение механических свойств однонаправленных композитов
иа основе эпоксидной смолы (Dow Chemical)
Прочность, МПа Модуль Юнга ГПа Плотность т/м3
Растяжение Сжатие
Е-стекло 1165 490 50 1,99
S-стекло Углеродные 1750 495 60 1,99
(высокопрочные AS4) Углеродные 1480 1225 145 1,55
(высокомодульиые HMS) 1275 1020 205 1,63
Арамидные 1310 290 85 1,38
но И
зави-
Прочность стеклопластика снижается под дей
„,Хт поверхности волокон через дефекты в матрице
матрины и волокна, а также диффузией чепе-, ’ Грани«е
^ « только изменять прочностьА'тР-
потерю прочности под действием влаги
’Тксти ОТ вида используемого аппрета, прочность при изгип
Хоюэпоксида может изменяться от 540 до 705 МПа. ПоеГк^
Н11Я в воле в течение 72 часов она падает до 225-470 МПа
Силан реагирует со смолой посредством R-,pyilribI ( '
асостеклом - через М-группу. где М - это, как правило атоХ?’
(да aj в присутствии воды происходит гидролиз ковалентной
М-0. как показано на рис. 5.18а Под действием сдвигового нТпмХ
Н1Й волокно может скользить относительно матрицы без нарушения
связей и, следовательно без разрушения границы раздела - р„с 5 Гяь
Изменения в матрице и на границе раздела «матрица-волокно» под
ействием вдаги ведут к изменению механических свойств композита
В поперечносшитой эпоксидной смоле существует множество участ
да. гае к ней с помощью водородной связи может присоединиться
молекула воды Вода действует как пластификатор и на несколько де
Рис. 5.17. Влияние аппретов на прочность стскл0ЭП0|^с1У^)П™эток-
"ячения в воде. Volan А. метакрилатохромик хлорил, _ ' у.
пР°пнламин; Z-6040, глицидоксипропил триметок
4086, 3,4-эпоксициклогексилэтил триметоксисилан ( .
Рис 5 18 Влияние силанового аппрета на адгезию (Plueddemann, 1974)
(а) - тщюлиз ковалентной связи М-О, (Ь) сдвиговое смещение гра
НИНЫ раздела «стекло полимеро без разрушения адгезионной связи (Hull,
Рис. 5.19. Влияние воды на температуру стеклования Тя шести отверж-
денных эпоксидных смол- • — расчет; о ~ экспериментальные данные
(Kaelble et al, 1988).
снижает температуру стеклования 7 эпоксидной смо-
^П^Тснижение Т может улучшать свойства материала при
сГ Р"с 5 19 пераТУРс- н0 значительно снижает характеристики при
^ати°й Натурах. Следует напомнить, что эпоксидные смолы име-
^coi01*16” пектР составов и, как следствие, различные температу-
щиРокИЙ С'й а также различное поведение под действием воды.
рь1 стеК'л0В^ердилель определяет скорость, с которой вода диффун-
^апри^Р’ ° и от него зависит скорость потери механических свойств
всмоЛЬ
коМП°311Та _ования, кроме стекловолокон, широко используются уг-
д,я армиаиндные волокна В самом деле, жесткость и прочность
;|еродные нИИ сжатии углепластиков на основе эпоксидных матриц
при РасТЯ*еанап0ГИчные характеристики стеклопластика, в то время
выше чем свойства этих материалов близки. У углепластиков мень-
кахсдви поэтому их удельные свойства гораздо выше соот-
удель характеристик стеклопластиков; недостатком углеплас-
вет"^'является значительно более высокая цена. Плотность легких
Т"К0В ных волокон еще меньше, и благодаря ей у органопластиков
ГеГвысокие удельные характеристики (несмотря даже на меньшую
Меткость арамидных волокон) по сравнению с углеродными Проч-
есть органопластиков при сжатии относительно низка Большим до-
стоинством эпоксиорганопластиков являются очень высокие ударные
свойства композитов (рис 5.20). Благодаря чрезвычайно высоким ущель-
ным свойствам, эпоксиорганопластики и эпоксиуглепластики широко
используются в аэрокосмической промышленности.
эпоксид эпоксид
Рис. 5.20. Сравнение ударных характериспж^^
основе эпоксидной матрицы (Weeton е
композитов на
(, „0^““-'M°"'PUU
194 Гчава 5 Композиты на основ
ове матР^ ПЭЭК
5.4.2. Композиты на & качестве матрицы испоЛь
Как уже было сказано наибадее ^наКО в последнее время возр^
зуются термореактивные пол,<ме^ цЗМ — благодаря их неограниченно,
интерес к термопластичным ‘маТ^оТОВЛения, возможности вторичного
му сроку хранения, простоте изг. вЯЗКоСти разрушения
использования отходов и отНОСительно дорогой термопласт с
Полиэфиэфиркетон (ПЭЭ ^^ами Он весьма перспективен ддя
хорошими механическими сво^ характеристики, а цена мате,
использования в тех отрасЛЯ\апример углепластик на основе ПЭЭК-
риала играет меньшую р<мь° конк>рирует с эпоксиуглепластиками и
матрицы все более в авиационной промышленности ПЭЭК
сплавами ,АЬСи’полимер, механические характерисги-
- эго частнчнокршта криСталличностн и размера сферолитов
ки которого особенности определяются тепловой предысто-
Эти микрострук армирующих волокон Например, при чрезвы
СноХ^м.охлаждении - со скоростью выше 1000 С/мин - удается
получить аморфную матрицу, в то время как при обычных скоростях
охлаждения степень кристалличности равна 20-40% Сферолиты зарож-
лаются как в ПЭЭК-матрице, так и на ее границе с волокном Скорость
образования кристаллитов на границе раздела матрицы с волокном за-
висит от наполнителя Даже для одного типа волокон например, угле-
родных, скорость зарождения зависит от марки волокна
Одно из главных достоинств термопластов по сравнению с термо-
реактивными смолами - высокая вязкость разрушения (табл 5 1)
ПЭЭК имеет высокую вязкость даже в сравнении с другими термо-
пластами и вязкость его разрушения в результате армирования сни-
жается ненамного (табл 5 9)
5 4 ^вааршровтиых^тшов
уже было сказано, что механические свойства эпоксидных смол е
у „ХПСЯ под действием влаги Напротив ПЭЭи Смол силь’
«.О»»,
т Рй МОГУТ использоваться до 120“С. Материалы для ЭК‘мат-
^,ки кроме того, должны иметь высокую стойкостьТХ^и
жидкостей - ™плива, гидравлической жидкости, емзд и "
^рпезей В отличие от аморфных термопластов полисульфХ и ~
„„зфиримуиа. нестойких к действию жидкостей, частичнокрХХ
М1Й ПЭЭК при комнатной температуре стоек к действию LwZZ
жидкостей, за исключением концентрированной серной кислоты
Большим недостатком полимеров по сравнению с металлами
рамикамн является их горючесть Летучие продукты разложения пп
димеров часто содержат большое количество водорода, который пол’
держивает процесс горения Однако у ПЭЭК и других ароматических
термопластов (содержащих бензольные кольца в структуре молекулы)
относительно низкое отношение количества водородных атомов к уг-
леродным и поэтому при разложении не выделяется большого коли-
чества горючих летучих продуктов и ПЭЭК трудно зажечь Характери-
стикой воспламеняемости материала является так называемый
критический кисюродныи индекс (КИ), равный процентному содержа-
нию кислорода в смеси кислорода и азота, при котором начинается
горение материала Значения кислородного индекса для некоторыхаро-
матических термопластов представлены в таблице 5 10 Высокое зна-
чение кислородного индекса — 35% — для ПЭЭК является чрезвычай-
но большим достоинством, атмосферный воздух содержит 22%
кислорода, и поэтому ПЭЭК и композиты на его основе негорючи в
нормальных условиях
Таблица 59. Сравнение вязкости разрушения ПЭЭК в блоке и армированного
ПЭЭК ((а) - Fnednch ei al 1986. (b) - Dyson 1990)
ПЭЭК ЗОоб % стекловолокон 20 ЗОоб % стекловолокон или ЗОоб % углеволокон
Ск (кДж/м2) Испытание надрезанных Образцов по Изоду 6,6
(кДж/м') К (МПа м'лу 12,8* 14,8"
Таблица 5.10. Критический кислородный индекс горючести (КИ) ароматичес-
ких термопластов (Clegg, Collyer, (985)
КИ (%)
Поликарбонат 25
Полисульфоп 30
Полифениленсульфид 44
Полиэфирсульфон 36
Полиэфирэфиркетон 35
Mt матриц
Рис 5.21. Влияние температуры на жесткость и прочность композици-
онных материалов с матрицей ПЭЭК (Напсох, 1989)
Помимо плохой горючести, композиционные материалы на основе
матрицы ПЭЭК благодаря высоким Т и Тм сохраняют свои механи-
ческие характеристики при больших температурах Так, например,
прочность и модуль упругости ПЭЭК, наполненного непрерывными
углеродными волокнами и короткими стекловолокнами (при степени
наполнения 30%) даже при 150°С снижаются не более чем на 40% от
соответствующих характеристик при комнатной температуре.
Выше описывалось изменение прочности и жесткости композитов
при кратковременном нагружении Если композит находится под на-
грузкой в течение длительного времени, необходимо рассматривать
его ползучесть, как правило, скорость ползучести уменьшается с уве-
личением степени кристалличности Ползучесть ПЭЭК и других тер-
мопластов значительно снижается при армировании, что иллюстриру-
ется рис 5 22, на котором приведена зависимость модуля ползучести от
времени под нагрузкой. Из рисунка следует, что при 100°С ненапол-
ненный ПЭЭК под напряжением 3 МПа удлиняется на 2% за время
104 сек В то же время, армированный 30% углеродных волокон ПЭЭК
Рис. 5.22. Зависимость модуля ползучести от времени, иллюстрирующая
снижение ползучести ПЭЭК в результате его армирования углеродны-
ми или стеклянными волокнами (Alger. Dyson, 1990)
при той же температуре в течение того же самого времени под
ГО большим напряжением 17 МПа удлиняется ЛИ“Ь ™мдаМЦИ0ННЫх
Наконец, рост усталостных трещин в IW Т1„ппгп-Эодогана
материалах на его основе описывается уравнением Р
их мошрьи
Глава 5 Композиты па основе поли*еР
da
aV ' ’
где da/AN - увеличение длины трешины за один цикл, ДЛ' — амгцц^.
изменения коэффициента интенсивности напряжения, Л и т
статггы Рис 5 23 показывает, что армирование ПЭЭК короткими
лянными волокнами уменьшает скорость роста усталостной трец^*'
Например, при дА'{ = 4 МПа м'" скорость роста трещины в комп
онных материалах как минимум вдвое меньше, чем в блочном
Армирование короткими углеродными волокнами приводит к
лее сильному снижению, и при том же самом ДК' величина
da/dA'cHiDKaercxB 10-100 раз по сравнению с исходной матри
с. . Линейная зависимость логарифма скорости роста усталост-
ной трещины log(da/dN) от log(AA'J) в соот ветствии с уравнением Пари
рдогана для ПЭЭК и композитов на его основе Композиционные
материалы имеют более низкую скорость роста усталостной трещины
(Fnednch et al, 1986).
Липц
5.4.3. Композиты на oatW№ -
тированные и наполненные каучуки и
£ например, в конвейерных поясах, авгомоб^’широ-
" лодках, электрокабелях ^ьнЫх Щина> Р°
Самым обычным композиционным материал
;ОВОЙ матрицы является резина, т.е каучук °м «а основе
,,и сажи Сажа представляет собой очень мелкиеННЬ|И частица-
цЫ с низкой степенью 1рафитизации. Размер час РОДнь,е частн-
ая при наполнении они имеют тенденцию к ' Мкм'
Сажа увеличивает жесткость, прочность и сопроти °*ерИроваНи,°
„стиранию, что имеет большое значение для мит. Каучука к
Например. в автомобильных шинах содержанХжиТы™
сгавляет 65 вес % Еше одно преимущество резины по сравнению’
каг,уком состоит в способности сажи поглощать солнечный^
рафиолет, тем самым уменьшая вызываемую светом окислительную
деструкцию каучука. 3
Помимо сажи, для снижения горючести каучуки наполняют части
нами тригидроксила алюминия. Например, в резиновую изоляцию
высоковольтных электрокабелей вводят до 70 вес.% этого наполните-
ля. который в некоторых случаях позволяет эксплуатировать кабель
при температурах более 100СС.
Во многих случаях композиты на основе каучука можно считать
гибридами, поскольку в них может одновременно использоваться сажа
и непрерывные волокна. Например, конвейерные ленты армируют
стальной проволокой для повышения их прочности, что позволяет
увеличить длину конвейера Стальная проволока или другие непре-
рывные волокна также значительно увеличивают механические свой-
ства шин
Литература
Общая
Phillips, L N (ed ) (1989) Design with Advanced Composite Matenals. Design Council
and Springer-Verlag
Richardson, T (1987) Composites A Design Guide, Industnal Press Inc, New York.
Специальная
Alger, M S M and Dyson, R W. (1990) Thermoplastic Composites, in inp^-nt
Polymers, (ed. R W Dyson), Blackie, p. 1 цоот Materials
Anderson, J. C , Leaver, К D . Rawlings, R D and Alexander,
Science, 4ih edn , Chapman and Hall.
I
. е „а,^^ MamPUH
L 200 Глава 5 Композиты на основ
W л„;да. Cambndge University
Bassett. О С (1981) Principles of Po!>mer /ti°^ie„ce Wiley. P 469
Billrneyer F W (1971) Textbook of M>'"er perfonnance Plastics, 2 (2), |
Clegg D W and Collyer A. A (198» ™ /даМ FK 4m Technical Bulletln
Dow Chemical Company Electrical l°m
296-396 484 . gaiger-Koests. J (1986) Composite |7
Fpednch К. Waller R Vos H an
205 composites wrth Thermoplastic Matnces
Hancox. N L. (1989) High Рег,оп.™"Хй. (ed A. Kelly). Pergammon Press, p
Concise Encyclopedia of Composite Matenab, Cambridge Solid State Scierw
Hull D An Introduction to Compos
of cured resins, in Epox) Mins l
^’E“ XTs (.963) SPE Annual Ted, Conf. Los Angeles, USA. paper
M^n J D and Sumerak. J E (.987) Pultms.on, In Composites. Vo! 1, Enn
Matenals Handbook. ASM International, p 533
Hueddemann. E P (ed ) (1974) Interfaces in Polymer Matrix Composites, Academe
Press, New York
Quinn J A. (1989) Met and Mal 5, 270
Stark E В and Breitigam. W V (1987) Resin transfer moulding matenals. m
Composites. Vol 1 Engineered Matenals Handbook, ASM International, p 168
Weeton, J W Peteis, D M and Thomas, К L (1987) Engineers' Guide to Composite
Matenals, ASM
Задачи
5.1 Изделие должно быть сделано из стеклопластика. По предвари-
тельным данным, в качестве матрицы нужно использовать эпок-
сидную смолу или ПЭЭК Изделие, вероятно, будет эксплуати
роваться в сырых условиях при температуре до 100°С. Какую
матрицу Вы выбрали бы9 Объясните свой выбор.
5.2 . Деталь сделана из ПЭЭК, армированного 18 об.% коротких стек-
ловолокон В детали обнаружена трещина длиной 2 мм. Вычис
ления показали, что катастрофическое разрушение произойдет,
когда трещина вырастет до 14 мм В процессе эксплуатации де-
таль испытывает циклические нагрузки с частотой 5 Гц и ампли-
тудой изменения коэффициента интенсивности напряжения в
кончике трещины 3,5 МПа м|/г независимо от ее длины. Оцени-
те, выдержит ли она эксплуатацию в течение 20 дней. Исполь-
зуйте данные рисунка 5.23.
ГЛАВА 6
ЖЕСТКОСТЬ
И ПРОЧНОСТЬ
6.1. Введение
четкость и прочность относятся к числу важнейших характеристик
любых изделий В самом деле, ко многим деталям так или иначе при
клааывается внешняя нагрузка, а это означает, что такие дети до™.
ны удовлетворять двум условиям. При соотетстаужадих нагрузках они
во-первых, не должны ломаться, а, во-вторых, удлинение не должно
превышать некоторого допустимого предела. Эти условия выполнены,
^и материал, из которого сделана деталь, имеет достаточную проч
„ость н жесткость
В данной главе мы рассмотрим методы вычисления жесткости и
прочности композиционных материалов. Большинство этих методов
выведено с помощью основных принципов механики, и поэтому они
рассмотрены вначале. Лишь после этого анализируется поведение ком-
позитов
Для простоты рассмотрено поведение плоских образцов, поскольку
детали из композитов часто имеют именно плоскую форму
6.2. Нагрузки и деформации
6.2.1. Нагрузки
Мы рассмотрим два основных типа нагрузки - оыы и моменты сил
Силы могут быть подразделены на растягивающие, сжимающие и сдви-
говые, а моменты сил - на изгибающие и крутящие. Все они могут
действовать по отдельности или совместно (в зависимости от ситуа
ими)
6.2.2. Структурные объекты
При анализе удобно моделировать поведение реальной стРукт^’ моде1ь
рым идеализированным элементом Каждый такой ')Лег'1с"^ п.монаНы на
ное упрощение реальной ситуации. Эти упрощения часто основан,
геометрических размерах детали. Рассмотрим |||>ям'™ ктаКому элемен-
торого намного больше его поперечных размеров. щие силь1. егс>
ту приложены продольные растягивающие или ежт
емент, подвергнутый изгибаю^
называют стержнем Тот же самый эле
му моменту сил, называют балкой н ширина которого намного
Мембраной называют элемент» лежат в его плоскости. Есдц
больше толщины, а приложенное моментам, его называю^
этот же элемент подвергается изги
пластиной можно считать мембранами, если цд
Цилиндрические детали вЫШает толшину стенки. Если Же
диаметр постоянен и намного ее называют оболочкой; в этом
диаметр детали изменяется по по’веление сложнее, чем пластину
случае описывать ее механиче
6.2.3. Деформации
^истиной выше нагрузки приводит к характерной
^нХ^сХия. называемые носким напряженным состоянием и
^Тлормацией При плоском напряженном состоянии напряжения,
перпевдикулярные плоскости приложенных стин считаются нулевыми -
например, в случае пластины при простом изгибе При плоской дефор.
мадии деформация, перпендикулярная плоскости прикладываемого на-
пряжения, постоянна
6.3. Напряжения и деформации
6.3.1. Напряжение
Чтобы рассчитать удлинение деталей различного размера, силы пересчи-
тывают на единицу плошади Таким образом, нормальным напряжением
(растягивающим или сжимающим) о называют силу, деленную на попе-
речное сечение образца Аналогично определяют и сдвиговое напряже-
ние т(рис. 6.2). Таким образом, напряжение имеет размерность «сила/
площадь», т.е. Н/м2 или Паскаль (Па) Изгибающий момент вызывает
появление напряжений, которые линейно изменяются по толщине балки
- от растяжения до сжатия Поперечная сила (нормальная к продольной
оси балки) приводит к появлению одновременно сдвиговых и нормаль-
ных напряжений (рис. 6.2 и 2.24). Крутящая сила вызывает сдвиговые
напряжения, линейно возрастающие по мере удаления от оси цилиндри-
ческого стержня (рис.6.2). Отметим, что сдвиговые напряжения при кру-
чении легко рассчитываются лишь для простых деталей вроде цилиндри-
ческого стержня - рис. 6.2. Для пластин обычно используются силы и
моменты, рассчитанные на единицу ширины (рис. 6.3).
63 Но«Ря»се„йя
“ дс''"'Р-М01)и,(
Нагрузта
Растягивающая сила
Рис. 6.1. Нагрузки и вызываемые ими деформации
РИС. 6.3. Нагрузки, действующие на пластину Сит.. -.
на ширину N = P/W-,M = MJW напряжение расХыХ™™
6.3.2. Деформация
Деформация является безразмерной мерой удлинения; она может быть
упругой (мгновенно обратимой), запаздывающе-упругой (обратимой
ПО истечении некоторого времени), неупругой (необратимой, завися-
щей от времени) Существует два типа деформаций — нормальные (ра-
стюкение/сжатие) и сдвиговые, в соответствии с двумя типами напря-
жения Определение так называемых инженерных деформаций, те.
рассчитанных на начальную длину образца поясняется рис. 6.1 Знак
нормальной деформации е~ 8/1 считается положительным при растя-
жении и отрицательным при сжатии. Сдвиговая деформация по опре-
делению равна у= ф,+02, где ф1 и ф,— изменение геометрических углов
тела под действием приложенных сдвиговых напряжений как показа-
но на рис 6 1.
При изгибе радиус кривизны связан с деформацией формулой
е = y/R = ку,
где к - кривизна. Отклонение может быть определено по кривизне
стандартными математическими методами.
Для кручения, показанного на рис. 6.2, сдвиговая деформация равна
У= гв/1
6.4. Связь напряжения и деформации
Обычно при решении задач известно напряжение, которое
ися исходя из прикладываемых нагрузок, и необх0ДИМ°-'^1ре1ВеНия
ветствующие деформации. Существует несколько ‘n0<'’ упругих
таких задач в зависимости от видов напряжений ДМ *
Глава 6 Жесткость и вронность
Деформаций напряжения и деформации связаны упругими констана,
которые считают характерисгак.тми материма Ч
^_,я простейшего случая одноосного нагружения напряжение и
Формация связаны модулем Юнга Е Де-
о - Ее нлц е = а/Е „
. <6Ь
напряжение н деформация связаны при
Аналогично, сдвиговое
ши модуля сдвига 6
г = Gy или
Г' т/б (6.2)
Любая продольная деформация в направлении приложенной силц
сопровождается изменением поперечных размеров (это явление назы.
вают эффектом Пуассона) - рис 64
При растяжении образца в направлении оси х сокращение его попе-
речных размеров описывается так называемым коэффициентам Пуассона
е = ~Г*,
Если напряжения преложены в двух поперечных направлениях, сум-
марная деформация зависит от обо.тх напряжений
ст, pg pg. . g.
f = £ E ’ ' E E
(63)
Эпт уравнения применимы для линейно-упругих материалов, в которых
напряжение пропорционально деформации Про такие материалы го-
ворят. что они описываются законом Гука Впрочем, поведение мате-
риалов является линейным далеко не всегда, особенно в случае сдви-
говых нагрузок.
Часто нужно решить обратную задачу - определить напряжения
исходя из известных деформаций. Это легко делается решением урав-
нений 6 3
Продольное растяжение,
поперечное сокращение
Рис. 6.4. Эффект Пуассона.
Продольное сжатие,
поперечное расширение
Е .
Е ,
6.5. Изгиб пластин
(64)
Эффект Пуассона проявляется также и При изгибе
чае напряжения линейно убывают по толщине пласт ® ЭТом Слу'
„„я на одной поверхности до сжатия на другой Как I’"’1 ” растяже'
жением связано боковое сокращение, а со сжатием - g?’ВИДели’с растя‘
Результат этого проявляется в изгибе пластины в наппаТ Расширение
дикулярном направлению главного изгиба (рис 6 5) еиии’"ерпен~
Обобщая результаты, можно связать деформации и искривления
появляющиеся при приложении изгибающего момента, соогношеТм
с, = z/Rx = zkx. м
е = z/Ry = zky,
где z - расстояние от плоскости симметрии (по толщине пластины)
При приложении крутящего момента сдвиговые напряжения опреде-
ляются формулой
у = zk
'ла ла
Рис. 6.5. Изгиб пластины. Растяжение верхней поверхности' в
поперечному сокращению и вследствие этого пластин
двух направлениях.
.„Ий индекс. появляющийся при сдяи
Обратим внимание на двойной ниж” индекс соответствует направлению
говых напряжениях Первый нижний '^еННЯ а второй — направлению
нормали к плоскости сдвигового наг
приложенного напряжения (рис Ь ..равнения 6 3. соответствую
Если мы подставим эти вЫра*СНаМ11
шие напряжения опишутся формула
<т4= (£?/(!
a^(£i/(l-^)(^.+ *>> (6s)
...хиии можно найти в учебниках по теопи.
Методы определения смешен! риц
упругости
6.6. Изотропные материалы
Приведенные выше уравнения описывают изотропные материны,
например неармированные металлы или полимеры В этих материа
лах упругие константы £ бир не зависят от направления сил. Друг„.
ми словами, если мы возьмем лист металла со случайной ориентацией
зерен и вырежем из него несколько образцов, как показано на рис
6 6. определенная путем растяжения величина Е будет одинаковой дщ
всех образцов
Особенность изотропных материалов состоит в том, что связь на-
пряжения с деформацией в них описывается лишь двумя независимы-
ми упругими константами Обычно используют Е и ц, а модуль сдвига
связан с этими константами уравнением
Рис. 6.6. Образцы, вырезаемые из изотропного листа.
(6.6)
6 7 Главное нп^
иоп₽—
<1 цЧ^6'1' -*ена, как показано на приведенном ниже рисунке.
^ТрН» иаГ₽1ппмаЦИИ, если материал изотропен, Е = 70 ГПа и р =
Д'13 «рлИТЬ ЛсФо₽ на направление приложения сдвиговых на-
О^ОбратИ^ ”«имаНИ
300 МПа
150 МПа
500 МПа
По условиям задачи а- 500, ст---300 (сжатие) и т = 150.
Используя уравнения 6 3, имеем
500x10* 0,3(300x10*)
£‘~ 70x10’ 70x10’ ~-8'43х1° (Растяжение),
-0,3 x 500x10*
70x10’
(-300x10*) ,
+ ~7~0х10’ = 6,43х1° <сжатие>'
Используя уравнения 6 2 и 6.6, вычисляем сдвиговое напряжение
/ = VG = 2т« <|+Р)/£= 5,57 х 10 ’
6.7. Главное напряжение и деформация
При наличии сложного напряженного состояния критерии разруше-
ния изотропных материалов обычно оперируют так называемыми глав-
ными напряжениями и деформациями Главные напряжения вычис-
ляются исходя из напряжений в некоторой системе координат Если
деталь имеет сложную геометрическую форму и напряжения непосто
янны, необходимо вычислить главное напряжение в нескольких точ
ках и найти абсолютный максимум _
Для вычисления главного напряжения в некоторой точке не
ДИмо знать сдвиговые и нормальные напряжения, действую
некоторый малый элемент материала в системе координа
смотрим вторую систему, ориентированную под углом
“ — „ 7 «Р.Я-»=”"—
сывается уравнениями
ст_ = ст cos’8 + ar sin‘0 + г„ s,nl> с№б
а = a sin’s + ст cos'S - sine с№в
т_ = -о; smftcosS + омпй cosS + ^(cos^ - sin>0
Дифференцируя уравнение 6 7 по ft можно показать, что Максиму,
ные, т е главные нормальные напряжения описывается соотнощеНие^
ст г =^2£с±1((ег, -<т,.)2 +4гХГ2.
,г 2 2
(6 8а)
^Ис 6 7 Эл
осям х-у (а); (ю _ в п°'3рлинатах п-гп' ориентированы* под углом в к
зуются для опренепРии„ЯЖеНИЯ На ,1’анях треугольников А и В исполь-
связи напряжений в двух системах координат
6.7. Главное напряжение и деформация
сдвиговое напряжение равно
= L(«tj-o,)2+<T'1.
жУйлХ 2
(686)
заметим, что приложение лишь сдвигового напп»
появление главных нормальных напряжений Вызы«^
иие нормальных напряжений (<, и а ) в ^оборот, прИМене.
напряжений Явление едвиговых
диалогичные уравнения могут быть написаны
ния деформаций. Это может быть сделано заменой n₽eo6Pa3o“-
форманию и заменой сдвиговых напряжений н ^Пря*ений ™
формацию)/? На (Сиговую де-
,fcos!e+£>s,n?e +
6,' «
= £ sm20 + £>cos2fl ~
£я *
— V 2 sine cose
T. ”
. lv 2 sine cose
2/x>’
(6.9)
' Г„ = Л sine cose + S sin0 cose + К, (cosJfl - sin26)
Для изотропных материалов направления главных напряжений и глав-
ных деформаций совпадают.
Часто удобно записывать преобразования 6.7 и 6.9 в сокращенной
форме, используя матричные обозначения (см Приложение). Прини-'
мая матричные обозначения, мы получаем:
<т — 1<т
кт ху
^пт~ Т ^яу»
(6.10)
(6.П)
I
ех,= К- £/ 2Г^'
и матрица преобразований
т2 п2 2mn
Т= п2 т2 -2тп
-тп тп (т2-п2)
(6.12)
и
(6.14)
(6.15)
ПОД внутри
6
112 Глава 6 *
,Ь.1Я напряжения, и
1ТЬсЯ >’ w
М°*еТ ”С,,0) н и сфер*
для деформации „идИНДР то11КОстенных зрубах и
8 тонкостенное « еР.
6'°‘ ,иасушесТВУ^.мдавяеНиеМ₽
Двуосные11 Р^кдх с вНУД* хоНЦаМИ
е»= Е Е
El
£‘~ £ <6 13) в (6.14). п°лучаем
Подставив уравнение (
е‘~ Et
Рис. 6.8. Напряжения в
ним давлением
6.8.2. Сфера
стенке цилиндра, находимся
„ей остаются теми же са
Поскольку сфера симметрична,
i в любой системе координат в i
6.8 Тонкостенные цилиндры и сферы гп*
ть ЧТО растягивающее напряжение в стенке тонкой сферы
МО^^ОДШИНОЙ (равно
\=pR/2r.
(6.16)
^ВЬНИСЛ«П>
давлен \
Д ИзУРав'
^рцмеР 6-г" „сходной длины 2м, диаметром 500 мм и толщиной
Дрытая Труба находится под внутренним давлением величиной 0,5
_.,к.и 20 мМ 1 ел„чение длины и диаметра трубы под действием
’ итога оавен 1 ГПа и коэффициент Пуассона 0,45.
Модуль IVHia р
„тения 6.15 имеем
„рП А 0,5xiPli^2-(0,5-0,45)=0,3125xl0’,
1х10’х20
Et
е" " Et
4,838x10’.
Изменение ^нЫ 0 3125 х 10> х2 м = 0,615 mm.
<D + X D связано с изменением длина, окружности
Изменение »иам^
г + SC= я (1^80
Ю.
С (l+<)= лР (1 + р
Таким образом, ®= . + ® Ми ес=® ’
l+£s= 1 + D D
ял— eD _ д «8 х 10"’х 500=2,419 мм.
во сЛ е,. И 611 учение диаметра - 4,838
Таким образом, уви -------
Рис. 6.9. Напряжения в стенке сфе
' нне ц главную деформацию, эти величин
Определив главное напряжение разрушится или не ра-1ру
можно использовать для опре^Н”шение происходит из-за начал,
шится материал Как правил о, ^териала
пластического течения или несколько критериев Раэ
Для "^"«"^Хсиг <”' типа материала (хрупкий или wia
рушения, выбор которых завн .^мерного) Универсам
стичный) и напряжения всех материалов, не существует.
"7. — **“ —««
т ,.ип,Л.ш, да»™' ™»=°™т Л» «.
тижении максимальным главным напряжением критического значе-
ния, равного пределу текучести при одноосном растяжении ст, те
а, = а <6.17)
Более сложный критерий, называемый критерием фон Мизеса, по-
лучен из анализа энергии сдвиговой деформации:
(ст, - а,)1 + (ст, - о-,)2 + (°) - = 2<ТЛ
(6.18)
где ст,, а2 и а, - главные напряжения.
В условиях плоского напряженного состояния, возникающего на-
пример, при двуосном нагружении тонких пленок, уравнение 6.18 сво-
дится к виду
°’ + ~ = °2- (6 19)
Литература
Benham. Р Р and Warnock, F V. (1982) Mechanics of Solids and Structures, Pitman.
Crandall, S. H . Dahl, N C and Lardner, T J. (1978) An Introduction to the Mechanics
of Solids, McGraw Hill
Задачи
6 1 Сфера имеет диаметр 250 мм и толщину стенки 10 мм. Она изготовле-
на из изотропного материала с модулем упругости 70 ГПа и коэффи-
циентом Пуассона 0,33 Вычислите изменение диаметра сферы под
действием внутреннего давления 0,75 МПа
6 2 Предел текучести тонкого полимерного листа при одноосном
растяжении равен 56 МПа. После приложения к полимеру на-
пряжений ст, = 40, ст = 20 и гч. = 25 МПа он разрушился
Модуль упругости Е = 3 ГПа и р — 0,35. Определите критерий
разрушения полимера (критического главного напряжения или
фон Мизеса).
ГЛАВА 7
ЖЕСТКОСТЬ
КОМПОЗИТОВ
7.1 . Введение
Обсуждение механических свойств композитов естественн
с простейших волокнистых однонаправленных материалов ‘{ЗГ”1”
развитые для описания однонаправленного слоя могут ис 0ДЫ'
ся также для многослойных ламинатов и даже композитов^?’
ваиных короткими волокнами. ’ рмиро-
Существенной особенностью однонаправленного композита явля
ется анизотропия его свойств (рис. 3.11 и 3.14) Заметим, что металлы
со случайной ориентацией зерен изотропны, и, в частности, их модуль
упругости не зависит от направления растяжения.
Однонаправленный слой изотропен в направлениях, перпендику-
лярных оси ориентации волокон (рис. 7.1). Другими словами, если
провести механические испытания в направлениях «2» или «3» (пер-
пендикулярных оси волокон), то характеристики будут совпадать Та-
кие материалы называют поперечноизотропными. Ясно, что свойства
слоя в продольном направлении «1» сильно отличаются от его свойств
в других направлениях. Такие материалы называют ортотропными.
Выбранные оси (1-2-3) часто называют главными осями.
Рис. 7.1. Ориентации главных осей однонаправленного композита
Глава 7 Жесткость композитов
7Л. Соотношения „напряжение деформацИя>)
Соотношения «напряжение-деформация* (называемые также оПрел
ляюшими уравнениями) мопт быть выведены из соответетву "''
выражений для изотропного материала (уравнения 6 2 и 6.3) РассМо'Л
рим однонаправленный сдой, показанный на рис 7 I Если напРавЗ
ния приложенных напряжений совпадают с главными осями Матеп
Ла (1 и 2 на рис 7 1), деформ&нии описываются выражениями
(71)
J.2-
7,2 G.:’
где Е - модуль Юнга в продольном направлении (1),
г - модуль Юнга в поперечном направлении (2),
G ~ модуль сдвига в плоскости - ,
„“и Ц,,- коэффициенты Пуассона,
Следует подчеркнуть, что используемая здесь система индексов не
является общепринятой, и используются разные способы обозначе-
ния коэффициентов Пуассона.
Коэффициент р12 определяет поперечную деформацию (в направ-
лении «2») при приложении продольной (вдоль оси «1») нагрузки. Оче-
видно, что из-за высокой жесткости волокон р2| должен быть гораздо
меньше р,2 Это подтверждается теорией упругости, согласно которой
До
£ц
— или А12=А2,—L
Е22 Е22
(7 2)
Из Е„/Ее» 1 следует, что цп >
Уравнение 7 1 позволяет выразить напряжения исходя из деформа-
ций
= £||С| + ^21ЕПЕ2
'"Ai2^21 1’А|гА21
Рис. 7.2. Пуассоновское поперечное сокращение
поперечном растяжении (6)
при продольном (а) и
о _ | £22E2
IA12A21 l-AnAi, (7 3)
Т|2 = •
Обратим внимание на аналогию между уравнениями (7.3) и (6.4)
Значения упругих констант для углепластика, стеклопластика и ор-
ганопластика приведены в таблице 7.1. Как будет показано ниже, час-
то упругие константы однонаправленного слоя можно вычислить, ис-
ходя из свойств волокон и матрицы.
Обратим внимание, что свойства однонаправленного композита оп-
ределяются четырьмя независимыми упругими константами, £н, Еп,
(или /х,,) и Glr Напомним, что изотропный материал характеризуется
лишь двумя константами В отличие от изотропного материала, модуль
сдвига композита нельзя рассчитать из Е и р - см. уравнение 6.6
Таблица 7.1. Типичные значения упругих констант однонаправленных компо-
зитов на основе зпоксадной смолы
Материал Объемная доля Е„(ГПа) Е^ГПа) ►и 6и(/77а)
волокон vf
Углепластик (волокна AS) 0,66 140,0 8,96 0,30 7,10 8,35
Углепластик (волокна 1М6) 0,65 200,0 11.10 0.32 0,26
4,10
Стеклопластик 0,46 35,0 8,22
(Е-волокна) Органопластик 0,60 76,0 5,50 0.33 2,35
(волокна кевлар-49)
, ,^г быть записаны в матричной
7 1 и 73 могут быт
Для удобства, уравнения
форме.
S <7.
(7.4)
гае
еи = <е,, ег, Г,,}
Определим матрицу податливости в в
(1
Ап
Обратим внимание, что 5|2 = 521, и уравнение 7 3 может быть записано
в виде
a'1=Q е”' ( 7.5)
где матрица жесткости имеет вид
АзЛ, о
<2 = 1-АцАв Ап£22 I-A12A21 *22 о
0 * 12^21 0 G|2
Обратим внимание, что Ql2 - Q;l
Первый столбец матрицы S определяет деформацию, вызываемую
напряжением единичной величины, приложенным вдоль оси 1. Ана-
логично, второй столбец матрицы Q определяет напряжения, необхо-
димые для того, чтобы вызвать деформацию единичной величины по
оси 2, и так далее. Из свойств матриц (см приложение) очевидно, что
Q = S-'
Пример 7.1.--------—----------------------------------------
Рассмотрим углепластик, упругие характеристики которого соответ-
ствуют таблице 7.1:
73 Внеосевое
"“гружение 210
£„ 138Д £»=8-96;G„= 7,10 ГПа, д , '*»
цсп0Льэуя уравнение 7 2, находим = 0,0195 пп °
ния „ уравнения 7.4 и 7.5, определяем матр^, ™ значе-
кости «‘тливости и жад.
7,25 -2,17 0
S = 10 ’ -2,17 111,61 0 ГПа
0 0 140,84
Q =
138,81
2,70
О
2,70
9,01
0
0
О
7,10
ГПа
7.3. Внеосевое нагружение
В следующих главах будут рассматриваться многослойные ламинаты
или мастины Их делают путем последовательной укладки однонап-
равленных слоев в определенной последовательности. В некоторых
слоях направление волокон не совпадает с направлением прикладыва-
емой нагрузки нагружение этих слоев называют внеосевым.
Рассмотрим внеосевое нагружение однонаправленного слоя, как
показано на рис 7 3 Прикладываемые напряжения, как и прежде,
параллельны краям пластины (осям х-у), а главные оси материала (1 и
2) направлены под углом в к осям х-у.
Отметим, что для описания напряжений и деформации однонап-
равленного композита можно использовать уравнения 6.7 и 6.9. Для
этого нужно заменить ои на о,, ат на аг и г „ на г,, (аналогично и для
деформаций) Таким образом, можно написать
где
°12 1°1> аг Г12>
ч, = Ч.
- . 1 >
С12~ 1б’1.6’2>2 Z'lZ J
73 Внеосевое нодаже„ие
(7 8)
НО необходимо определить деформации исходя из напряже-
°6ь1 наоборот. Это можно сделать, если известны упругие характе-
ра) или e₽liaJKL Они уже определены в координатах 1-2, однако
рпстики й х_у задача не решена. Прежде чем ее решать, вы-
относительн математические преобразования.
^Гурав«-’й7ба^
Таким образом- получи
т2 "
Т= п2 т
-гни мп
а = r'QRs12
Используя уравнение 7.7, имеем
а = T'QRfn = T-QrTR'b,
и, наконец, записываем ответ в виде
<т = Q е1Г
«ооияняе что мы вернулись к ew {«,. ,
Тс Т> >Т™р « еда- <
(7 9)
Е, уи) вместо
обратное преобразование, то из урав-
нений 7.6 и 7 7 получаем
а„ - Т °ч
(7.6а)
(7.7а)
q = Т 'QRTR1
Ее элементы имеют вид.
сч=Т £^'
где матрица обратного преобразования
Гтг п2 -2^ 1
Г1 = п2 w2 2тп г Г
\тп ~тп (т2-п )]
Таким образом, уравнение 7 5 может
имеет вид:
быть переписано
в виде
& Глава 7 Жесткость композитов
х з + (О - Qn + 2<Ып'т>
. 4- io - Q,+ 2ft3)wn’,
е1,-т,-е11-^>',’т + (е'1
пятся из уравнения 7 5.
Величины (?„,(?„" тл находя * характеристики однонаправленного
Таким образом, зная угол мы‘можем вычислить его внеосевую
материала (0 в главных осях' называть материал «обобщенно
жестхосп, В общем случае «ы g _0. материал назЫва°
ортотропным слоем» В слУ4 ’
ют «частично ортотропным слоем»
ХТаг^иала, свойства которого описаны в примере 7.1, вычистим
Хину жесткости слоя при ориентации волокон под углом 45" к осям
"""Хчае 0=45°, cosO = апб = 0,7071 и m = и = 0,7071 Учить,.
вая пример 7 I, получаем
ft, = 138,81,
ft, =2.70,
ft,=°-
0,2=2-70.
&.= 9-01,
о„=о,
013= о,
о„= о,
Q„ ~ 7,10 (единицы ГПа)
Используя уравнение 7 10, определяем элементы матрицы Q:
(2„ = 138,81 х0,25 + 2 (2,70 + 2 х 7,10) 0,5 х 0,5 + 9,01 х 0,25
= 45,41 ГПа.
Повторяя вычисления для других элементов, получаем
45,41 31,21 32,45
Q= 31,21 45,41 32,45
ГПа.
32,45 32,45 35,60
Величина Qtl в примере 7 2 равна модулю упругости композита в на-
правлении растяжения. Очевидно, есть большое уменьшение модуля
по сравнению с исходным значением для однонаправленного слоя (ft,)
(глава 10, рис 10.13).
Если мы ищем деформации исходя из напряжений, обращением
уравнения 7 9 получаем
ex,=Q '<7^ или еч. =Sff,,
(7.11)
3 ^Heoceeo*
"«ткни, и.
meS - преобразованная матрица податливое™
быть вычислены аналогично элементам Q ЛеМеИ1Ъ1 ^Рой могут
S11=S,X+(2S,2 + S1j)„V+s „<
S22 = 5„п4 + (2512 +S„)n’m1 +Snm\
5,2 =(s„ +s22- sn)n’m’+Sn(m.+n4)
S5, = 2(25.. + 2522 —4512
Si, = (25.. -25,2 - 53J)m’n +(2S,2 -2Sn +S31)mn\
523 = (25,. -25,2 -S33)Wh’ + (2S12-2S22 +S33)m’„.
Пример 7.3. ----------------------------
Для материала, свойства которого описаны в примере 7.2, вычислим
матрицу преобразования податливости
Из примера 7.1 имеем
7,25 -2,17 0
S = 10-’ -2,17 111,61 0 ГПа
0 0 140,85
Из уравнения 7.12 получаем
5и=|7,25 х 0,25 + (-2 х 2,17 + 140,85) х 0,5x0,5 + 111,61x0,25)
= 63,84x10’ ГПа '
Повторяя вычисление других элементов, получаем
S = 10’
63,84
-6,58
-52,18
-6,58 -52,18
63,84 -52,18 ГПа ’.
-52,18 123,20
Пример 7.4.-----------------------------
Рассмотренный в примере 7.2 слой нагружен, как показано на р ун
ке ниже. Вычислим соответствующие деформации.
Имеем <т= 2 МПа, af = = 0.
63,84
-6,58
-52,18
-6,58
63,84
-52,18
-52,18
-52,18
123,20
I
2
0
О
Производя умножение, получаем
Е = 63,84x10“’—х 2 МПа = 127,7x106
‘ ГПа
=-13,2x106
Гг) = -104,4x106
Пример 7.4 показывает, что, помимо ожидаемого растяжения в на-
правлении приложения силы и бокового сокращения, появляются также
сдвиговые деформации Вид деформированного слоя приведен на рис
7.4 Это явление не наблюдается в изотропных материалах. Сдвиговая
деформация, которая появляется при приложении растягивающего на-
пряжения ст, определяется элементом . Аналогично, при приложе-
нии напряжения ст, возникает и сдвиговая деформация, определяемая
элементом 5и. Напротив, сдвиговая деформация не появляется, если
Su =Sa =0. Этот случай реализуется, если волокна параллельны или
перпендикулярны оси растяжения, то есть 0 = 0 или 0 — 90” (пример 7.1)
При некоторых условиях, зависящих от величин £,,, Еп и б12, элементы
и Su МОГУТ равняться нулю и при промежуточных значениях утла 6.
Для материала, упругие характеристики которого описаны в примере 7.1,
S и Su отличны от нуля при всех значениях угла в.
Пример 7.5. —— ------------------------
К рассматриваемому в примере 7.2 слою приложены напряжения, как
показано на рисунке ниже. Обратим внимание, что знаки вертикаль-
ного сжимающего напряжения и сдвигового напряжения отрицатель-
ны (согласно принятой системе обозначений, рис 6.7) Вычислить на-
пряжения, действующие вдоль осей 1-2 и деформации в осях х-у.
11 226 Глава 7
жесткость композитов
Имеем ст, = 5, ст = _6 5 Т„ = _ZJ МПа
Используя уравнение 7 6, получаем напряжения в осях 1-2;
Здесь
Г 0,5
0,5
-0,5
0,5
0,5
0,5
1,0
-1,0
о
и
-2,5} МПа.
-6,5
а =(5
Следовательно,
ст = 0,5 х 5 - 0,5 х 6,5 - 1,0 х 2,5 = -3,25 МПа,
ст, = 0,5 х 5 - 0,5 х 6,5 + 1,0 х 2,5 = 1,75 МПа,
= -0,5 х 5 - 0.5 х 6,5 + 0 х 2,5 = -5,75 МПа,
таким образом,
д = {-з,25 1.75 -5,75) МПа.
Теперь можно вычислить напряжения в осях 1-2, используя уравне-
ния 7 1 или 7.4. Упругие характеристики берутся из примера 7.1.
-3,25x106 0,0195x1,75x10'
е' 138,0x10'
8,96x10'
= -27,36х10“6,
-0,Зх(-3,25хЮ6)
138,0x106
1.75Х106
8,96x10’
= 202,38x10 б.
/|2=.^10; = -809,86х10-ь
12 7,10x10’
Наконец, получаем деформации в осях х-у, используя уравнение 7.7а,
где
0,5 0,5
Т' = 0,5 0,5
0,5 -0,5
-1,0’
1.0
о
и
Ё|2 = I06 (-27,36 202,38 -404,93).
7 4 ^сткость .
'"ь ло*“натов
Следовательно. W
^=104 492,44 - 317.45
1( наконец, получаем
^ = Ю'61492,44 - 317,45 229,74)
Можно также определить деформацию используя матрицу
мера 7 3_________________________ ПрИ’
-—-------- ’ -----------------------------------_________
7,4. Жесткость ламинатов
Многослойные композиты, называемые также пластинами или лами
патами, являются наиболее широко используемым классом компози
цнонных материалов Их делают путем последовательного сложения
однонаправленных слоев в определенных направлениях для получе-
ния требуемых жесткости и прочности Ламинаты используются в ка-
честве обшивки крыльев и хвостов самолетов, корпусов и палуб судов,
емкостей для хранения воды. Полученные методом намотки цилинд-
рические сосуды внутреннего давления также могут считаться лами-
натами, если отношение радиуса к толщине цилиндра достаточно ве-
лико (> 50). Ламинаты делают укладкой однонаправленных препрегов
и последующим отверждением под давлением при повышенной тем-
пературе Часто используют также сухую ткань, которую пропитывают
жидкой матрицей, а затем отверждают матрицу Этим методом осо-
бенно часто делают композиты стекло/полиэфир Пластины обычно
состоят из 4—40 слоев толщиной 0,125 мм Как правило, из всех воз-
можных схем укладок наиболее часто используются поперечноарми-
рованная, укладка под углом и квазиизотропная
При создании ламината нужно выбрать последовательность уклад-
ки слоев. Как будет показано ниже, от этого зависит его жесткость
при изгибе.
Существует принятая система обозначения укладки Например, че
тырехслойный поперечноармированный ламинат с последовательное
тью слоев 0°, 90", 90°, 0° обозначается (0/90), Индекс s означает, что
ламинат симметричен относительно его середины. Пластины, зга
чаемые (0/45/90), и (45/90/0). состоят из тех же самых слоев, но р
личаются последовательностью укладки. „„илнап-
Выше была решена задача об упругом деформирован
рааленного слоя, когда силы лежат в его ГИС^Г^щния много-
зультаты будут использованы для описания деф°
слойного ламината
могут быть разложены на дВе
В общем случае нагружающие силь плоскости» пластины
составляющие, одна из которых нахОД^овамИ, пластина может одКо
вторая перпендикулярна ей. Другими г[о(н;1Я деформация равна су.
вМ’енно растягиваться и изгиб"“ ^формации «в плоскости» Ыо„
перпозиции постоянной по толш меняюшихся по толщине к,„
«• —» XX «<-" ~
показано на рис. 7.5. Из коорднната, нормальная к плоскости
ной Например, е, z , „^ьной плоскости (рис. 7.5).
пластины и отсчитываемая от цени >
Рис. 7.5. Две компоненты деформации пластины £° — «в плоскости»
£ = гк - деформация изгиба, изменяющаяся линейно по толщине пла
СТИНЫ
Таким образом, имеем
(713)
или
Еп = Е> + zk. (7.14)
Предположим, что все слои в пластине имеют одинаковую деформа-
цию «в плоскости». Тогда для любого слоя, и, в частности, для /-того
(рис.7.6), с учетом уравнения 7 9 имеем:
% =QX + zQ;k, (7.15)
TOeQj — матрица преобразования жесткости для слоя.
Силы, действующие на ламинат в расчете на единицу ширины равны
где - толщина у-того слоя.
^=ix
р
где О', - может быть найдено из
(7.16)
Эту операцию можно
пример Ny или Nx :
уравнения 7.15.
повторить ДЛЯ других кпмп„
других компонент силы, на-
N =
V,
N
У
TV
p hj _ hj
=2 jQe'<fc+ fQkrt
7 3' lT
(7.17)
я /-ТОГО слоя.
Заметим, что й — йЛ, = Г — ТОЛШИ^вляет проблемы, поскольку Б
Вычисление интегралов не прел ~ ТакиМ образом получаем
пределах слоя С, к и Q не зависят от
Учитывая, что Г и к не зависят от/, имеем
n=b"£q,
/=t */-| *~1
i
ИЛИ
N = Ae°+Bk (7.18)
Приложенная к слою эквивалентная сила создает изгибающий Мо.
мент относительно центральной плоскости ламината. Для х-компо-
иенты Л/ = от г с, где т - расстояние от центральной плоскости до
середины’слоя.’Складывая моменты сил для всех слоев, получаем дей-
ствующий иа пластину' внешний момент (рис. 7.7)
Mt и выражаются аналогично. Используя уравнение 7.13, получаем
М,
Му
М.\
=м=£
h) h!
jQ e°zydz + Jq k zj dz
A,-i h,.
или
M = Bf + Dk (7.19)
Соотношения 7 18 и 7 19 называют определяющими уравнениями плас-
тины, которые можно записать в виде
NlfA ВТГе0
MJ [В Dj[k
(7 20)
Элементы матриц А, В и D имеют вид
74 *есп,кос"’ь ™«и„отов
1
В”~ 2
[h2~hl
(7 21)
Пример 7.6.------------------------------------------
Д'* иллюстрации вида матриц А. В и D рассмотрим ламинат 7о77
ШИЙ ИЗ двух однонаправленных слоев толщиной 1мм волокна
рых ориентированы под углом 45» к его краям. Материал тот же Z°'
в примерах 7.1 и 7.2. ' то и
Для слоя (1) имеем
Л,= 0, йЛ,= -1.
Аналогично, для слоя (2),
йу=1. ^, = 0.
Воспользовавшись результатами примера 7.2, имеем:
45,41 31,21
32,451
Q,=Q2= 31,21 45,41
32,45 ГПа.
|^32,45 32,45
35.60J
Используем уравнение 7.21
Л,=£е„, I*,-*,J
А =
(7.21)
в =
и
62,42
90,82
64,90
64,90
64,90 ] кН/мм-
71,2°]
62,42
64,90
2
20,81 21,63]
30,27 21,63 мм.
21,63 23,73
il75 10-н)’не^'0П
И, наконец,
Г30.27
D=l 20,81
21,63
диалогично, получаем
Brt
Z i
2
или
поскольку (2„,
в результате, и—
90,82
„ь КОЯЛ^1""09
7 ЖестК°стЬ
232 7 **
ТО
о ю-е»1*е-.1‘
An "r,,L
имеем „ - 90,82 кН/мМ __ /мм2,
таким образом^ * д5 4( ГПа МН/м
At 1Г)00 М»*а
Заметим, что 3 }, 21 = 62,42 « т В ’
п ймеР 7Д‘„ аМцнат толщиной 6 мм состоит из даух слоев. Верхний
W ,слОЙиЬ1Й Л ый слой толщиной 2 мм ориентирован под утлом 4У к
AJoнап₽авле”*, а нижний слой толщиной 4 мм ориентирован парил
cS^M п1’аСТИН*Латериал тот же, что и в предыдущем примере. Найта
п ОСИ **
^цы В И ^ ппинаты верхней и нижней поверхностей слоев от-
0Преьно'«Р®ОдЙНЫ лаМИИЭТа СПМ (П'
мслоя(2) 1.
Г сь результатами примеров 7.2 и 7.1, имеем
Воспользовавшись Резу
[45 41 31,21 32,45^
31,21 45,41 32,45\гПа,
32,45 32,45 35,60]
(пример 7.2)
Q.=
Г138.81 2,70
О Д 2,70 9,01
°’ о о
°
0 ]ГПа.
7,10]
(пример 7.1)
(~3)]+Gj3 ('l)1
I __
= 2Q„,+4C^
получаем __ _ _ э ,<45,41 + 4 ><1 ЗХ.81 = 6463 kWM”’
А,1=2<2п,+42|ь 70 = 73,23 кН/мм-
- +4п =2x31,21+4x2JU
А12=2е,1, + 42^
ц получаем матриПУ
Таким образом.
646,10
73,23 б4’90
73,23 126-90
64,90 64,90
^90 кН/мм-
99,61
А =
Аналогично,
В" "jXGr, W-ff.,1
= 4~Q.,,+Q,J
Например.
Blt — —4 x 45,41 + 4 x 138,81 — 373,6 кН/мм
Аналогично вычисляем остальные элементы
373,6 -114,0
В= -114,0 -145,6
-129,8 -129,8
-129,81
-129,8 кН.
-114,0
И, наконец
3 I
=||ёч[(-1)’-(-з)’]+ё„1[з3-(-1)’]|
=| 1260^+286,,, I
получаем:
°и =у *45,41 +-у х 138,81 = 1689,1 кН мм
и
D =
1689,1
295,7
281,2
295,7
477,7
281,2
281,2
281,2
374,8
кН мм.
7.5. Матрицы А, Ви D
При рассмотрении однонаправленного композита отмечалось, что не-
которые элементы матрицы упругости описывают появление сдвиге-
75 Моприцыл „ „
4 я- в и О 21-
« напряжений при приложении растягив» W
Хузки (см п₽имеР 7 4 и следующее за нимТв ИЛИ с^ак>щЕЙ
нределяюших уравнений 7.18 и 7.19 обнаруживХТ^
Х>, и в ламинате аналогичные
Напишем уравнения 7 18 и 7.19 в матричном вцце
Можно сделать следующие замечания:
Элементы Л1Э и связывают нормальные напряжения «в плоскости»
ламината со сдвиговыми деформациями.
Элементы £и, й12 и Ви связывают нормальные напряжения «в плоско-
сти» пластины с ее кривизной, или изгибающие моменты с нор-
мальными деформациями
Элементы и Вг1 связывают нормальные напряжения «в плоскости»
пластины с кручением, или крутящий момент со сдвиговыми де-
формациями.
Элемент В33 связывает сдвиг «в плоскости» с кручением пластины, или
крутящий момент со сдвиговыми деформациями
Элементы Dl} и Dr связывают изгибающие моменты с кручением пла-
стины, или крутящие напряжения с кривизной.
Описанные выше эффекты могут быть нежелательными. Их можно
устранить путем специальной укладки слоев. Проанализируем уравне-
ния 7.21
Если А1} = А1} = 0, нормальные напряжения не приводят к появле-
нию сдвиговой деформации и наоборот - см пример 7 4 Это услови^
выполнено, если все слои имеют ориентацию волокон 0 и
(однонаправленный или поперечноармированный ламинат ,
схема укладки сбалансирована, то есть для каждого слоя с ор
+б имеется слой с ориентацией -6. Ламинат не о язан _
Ричным. Примеры балансированной укладки. ( /
^дка, (0/+45/~45°); (90/4-25/—25°)s.
I Изгиб ламината под действием нормальных напряжений не поЧй_
I ляется, если матрица В нулевая. Эю условие выполи но, если плас^
; на симметрична относительно центральной плоскости см. прц^
: 7 6. На практике обычно используются пластины с симметричной пос.
j ледовательностъю укладки слоев
Кручение пластины пол действием изгибающего момента не ll0il„
ляется, если Z>13 = Z>, = 0 Эго условие выполнено в однонапразд,
ных и поперечно-армированных ламинатах, а также при балансиров
ной антисимметричной укладке, когда для каждого слоя с <>pneirraU1,
+в имеется слой равной толщины с ориентацией —6, расположен С-
на таком же расстояние от средней плоскости ламината. При
схеме укладки ламинат несимметричен и В * 0. Примеры (+зп/
— угловой ламинат и (+45/—45/0/90/0/+45/~45‘ ).
Часто используются симметричные ламинаты, для котоп
а, * 0. Однако эти элементы очень малы для толстых ЬИ йц 11
симметричных ламинатов (см пример 7.8) Кроме того б
циальные случаи, когда обсуждаемые эффекты желательны ? С™
пример, в обшивке самолетов с направленными вперед крыл ’ М’
схема укладки слоев выбрана правильно, такие крылья ММИ ^ЛИ
чиваться кромкой вниз при их продольном изгибе вверхТ^ ПОВ0Ра'
ем аэродинамических нагрузок Р Юд действи-
Пример 7.8.-------—-------—-------------______________
Симметричный ламинат толщиной 4 мм составлен из
решенного материала, упругие свойства которого опи.7 °ЛНОнагн
7 1 Слои волокон уложены поочередно под углами +45^' -45"^
шина слоев изменяется, как показано ня „„ 3 и 45. Тол-
Определим элемента, и дщ, этих
25 мм
+45
-45
0,125мм
(Ь)
Из уравнения 7.21 имеем
76 ^ользо,^
°'з=з&,зДЛэ-л;\1К
дм слоев +45” ё„ = C2J = 32,45 ГПа (п™
710, для слоев -45” по величине •>„ Р Мер 7 2) Со™.
ют знак минус Очевидно, D = д а<1еН11я С,эир ВН° Мнению
Ламинат (а) 13 U» Же, Но ИМе.
-32,45(1 О3) +32,45(2
Ламинат (Ь)
•41)’)
!3-13)} = 129,80кНмм
232.43(MJ)
32.«<Ч>.5>--0') + з2.45(|, ^,) и4 _
+ 32,45(2’ -1,5’) = 64,9 кН мм. ' ’
Аналогично для (с) £)
_Л'45кН мм и тия (d) d3 = 16 23 мм
Аа™“ мо^Хь иочти^а^Г Характерисп,ки нластины «в 1иос.
ш называют квОЗиШотропны;* 3°?К,Пн0Г0 «атерита. Такие ламива-
лают ламинаты со схемам пример, такими свойствами обла-
зь. что для этих маГ " W90/+45^ " <0/±60») Можно
w л зтих материалов
<4=4
^13 ~ ^23~0.
6 Использование определяющих уравнений
До^ Вычисления матриц А. В и D разработаны, это является
пР°грам УТ°МИ гельн°й процедурой. К счастью, такие вычисления легко
•'Июцгиу И₽у,отся и существует несколько пакетов программ, позво-
вь,числять эти матрицы.
238 Глава 7 Жесткость композитов
пользоваться не только для пл0^
Определяющие уравнения могут исп геометрической фОв
ких пластин, но и для материалов <более сл анал113а деформироваНИя
мы. Например, их можно испол радиуса к толщине являете»
достаточно большим (> 50) Кро ов „ 1и1аСтин, сделан
пользовать для описания изотропных подставить m Н
ных из опоев ткани Для этого достаточно^ООТВ«-
ствующие величины в матрицу жесткости Точно также могут
анализироваться сэндвич-панели. если подставить в матрицу соответ-
ствующие значения жесткости и толщины центрального слоя.
Литература
Общая
Aganval В D and Вгоштап. L 3 (1990), Analysis and Performance of Fiber
Composites, 2nd cdn . Wiley
Задачи
7 1 Однонаправленный слой углепластика толщиной 1 мм имеет сле-
дующие упругие характеристики Еп = 38,0, Еп = 8,0, G]2 = 4.2
ГПа и р|; = 0,25 Вычислить матрицы жесткости и податливости
72. Волокна в слое, описанном в задаче 7.1, ориентированы под углом
30“ к оси х, как показано на рисунке Вычислить деформации в
осях 1-2 и х-у, если к слою приложено сдвиговое напряжение 100
МПа Деформации определить, используя (а) матрицу преобразо-
вания и (Ь) непосредственно из матрицы податливости.
7.3 . Вывести элементы матрицы преобразования податливости для
внеосевого нагружения однонаправленного композита.
7 4 Ниже изображена конфигурация сэндвич-пластины Характерис-
тики слоев толщиной 0,125 мм приведены в задаче 7.1, а их ори-
ентация обозначена на рисунке. Вспененный материал централь-
ного слоя пластаны имеет следующие свойства: Е - 1 ГПа, р ~
0,3. Вычислить матрицы А, В и D
ГДАВА 8
МИК₽ОМ&Анизмы
разрущЕНия
8J. Макромеханика и микрОмвханичаскиа
модели
В предыдущей главе были получены уравнения, описываю,.,и,
_ поведение волокнистого слоя В них использовав XX
ческие упругие характеристики слоя. В настоящей главе макро^Х
ристики композита будут определяться из свойств волокон и матрицы
на основе некоторой модели, описывающей микроструктуру материа-
ла. Иногда такой микроанализ не слишком точен, однако и в этом
случае он позволяет выявить факторы, определяющие характеристики
композиционных материалов.
8.2. Модели микроструктуры
8.2.1. Продольная жесткость
В главе 7 однонаправленный слой рассматривался как элементарный
•строительный блок», являющийся основой многослойного ламината
На разработку моделей, описывающих характеристики однонаправ-
ленного слоя, исходя из свойств волокон и матрицы, были потрачены
значительные усилия Наиболее успешно такие модели описывают
продольный модуль упругости композита £1Г Рассмотрим однонап-
равленный материал, нагруженный вдоль волокон, как показано на
рнс 8.1. В случае идеальной адгезионной связи волокон и матрицы
они деформируются совместно, и деформация равна
ec = f[=ero, (81)
где индексы с, f и m относятся к композиту, волокнам и матрице
соответственно.
Волокна и матрица несут нагрузку, пропорциональную их пл
л,,
®е Л - площадь поперечного сечения, а о напряж
Пава 8 Микромеханизмы разрУшени
g| однонаправленный композит, нагруженный вдоль волокон
Аналогично, для композита
р = ст 4
в условиях равновесия Л = Л + " *« уравнения (8.2) получу
<тс4 = а,А,+ 4 (8.3)
Относительная доля площади поперечного сечения волокон и матрицы
В однонаправленном композите равна их объемной доле (параграф 15)
Ц =^/4-Ч„= 4М
Следовательно, уравнение 8 3 можно записать в виде
4 Ч = ai vr + V (8.4)
Если волокна и матрица деформируются линейноупруго, напряжения
описываются уравнениями
<^ = £«4 0) = ^^ ^ = ^т-
Подставив эти выражения в уравнение 8.4, получаем
Е е• = £. £, г, + Етev .
с с til tn m ш
Наконец, используя уравнение 8 1, получаем продольный модуль ком-
позита
Е = £.. = Ev + £ v . (8.5)
с If I f m m
Это уравнение представляет собой правило смесей Если используются
различные волокна, оно имеет вид
£п = 1vfl + £f2vf2+.„. (8.5а)
Пример 8.1.-----------------------------------------------------
Однонаправленный композит состоит из 65% об. углеродных волок°н
(модуль упругости 240 ГПа) и эпоксидной матрицы (4 ГПа). Вычис
лить продольный модуль композита.
S 2 Mode„u MUKIt
Кра^'Р>^)ры
Используем правило смесей (уравнение 8 53
£„ = Е, vr + £т рг
По условиям задачи v, = 0,65, следователе , _ . ,
£„ = 0,65 х 240 + 0,35 х 4 = i5fi’ ” ’ ’ Тогда
______—- ~. 14 '«Лии
результаты вычислений очень хорошо (в преде тах 5 ' ~ '
с экспериментальными данными, полученными П1Г ’ СогласУотся
позита Соответствие результатов при сжатии неско.т ₽аСТЯЖени» «вг-
они довольно чувствительны к методу испытан “'° Хуже’пос«льку
степени выравнивания волокон ’ 0боРУДованию и
Пример 8.1 показывает, что при вычислении модуля vnnv
позита можно пренебречь жесткостью полимерной ма™,Т" *°М'
что для композитов с металлическими или керамическим/. ИМ’
этого делать нельзя матрицами
8.2.2. Поперечная жесткость
Для определения поперечной жесткости £й рассмотрим однонаправ-
ленный композит, к которому приложена нагрузка, как показано на
рис 8 2а Опишем композит простейшей моделью, представленной на
рис 8 2Ь Длины элементов, соответствующих волокнам и матрице, про-
порциональны их объемным долям. В рассматриваемой модели силы,
приложенные к волокнам и матрице, равны внешней силе.
Поперечное удлинение композита 8с в рассматриваемой модели
равно сумме удлинений матрицы 8:Т и волокон <5(:
+ 8,
или
(а) ~ однонаправленный композит, нагруженный поперек на
Равнению укладки волокон, (Ь) - модель.
ес 1С = £,/,+ «•„ 4,
и
„ I, L
et =е, —+f™ 7.
4 'з
Учитывая, что
/г//с = vr и
получаем
Как и прежде, материал считаем упругим Е - а/е, откуда получаем
<Т , 4. V
----= го‘
f Е, Е„
Учитывая, что Ос = О, = <4,. получаем поперечный модуль композита
1 I _ V| | Vm
£, ^22
Обычно полагают что поперечный модуль упругости волокон Et равен
их продольному модулю; однако это справедливо лишь для изотроп-
ных волокон. Аналогичное предположение часто используют и для
анизотропных волокон - из-за трудности, а иногда и невозможности
экспериментального измерения их поперечного модуля упругости
Модель, используемая при выводе уравнения 8.7, довольно груба,
что приводит к ошибкам вычисления модуля упругости. Для более
точных оценок используются сложные методы теории упругости или
компьютерные расчеты методом конечных элементов Тем не менее
простейшая модель позволяет выявить влияние характеристик воло-
кон и матрицы на поперечную жесткость композита. Еп, в отличие от
сильно зависит от жесткости матрицы Ег
Пример 8.2.-------------------------------------------------------
Сравнить продольную и поперечную жесткости двух композиционных
материалов на основе одной и той же матрицы и различных волокон
Отношение EJE^ для этих композитов равно 50 и 25 соответственно, а
доля волокон vf= 0,5.
Используя правило смесей
£„= Etv, + Envr
получаем
Е22 Е, Ет •
получаем
Ьь = .*< +v
Е22 Е,1Ет
Используя условие £/£т = 50
£„/£„ = 50 х 0,5 + 0,5 = 25,5,
EJEn =0,5/50 +0,5 =25,5/50
или
£„/£„ = 1,96,
£„/£„ = 25,5/1,96=12,8
Аналогично, для £/£т = 25
£,,/£т = 25 х 0,5 + 0,5 = 13,0,
EJEn =0,5/25 +0,5 =13/25,
W = 1.92,
£„/£22 = 13,0/1,92=6,77
Таким образом, увеличение модуля упругости волокон в два раза при-
водит практически к удвоению продольного модуля композита, одна-
ко в поперечном направлении модуль практически не изменяется
8.2.3. Модуль сдвига
Модуль сдвига б|2 однонаправленного композита «в плоскости» воле
кон может быть вычислен при помощи модели, использованной л
получения поперечного модуля В этом случае сдвиговое напря '
в волокнах равно сдвиговому напряжению в матрице
Анализ, аналогичный проведенному в параграфе
1 и, V™
~ ----1
с.2 G, G_
(8.8)
матрицы 6„ ЭксПе-
Величина G12 сильно зависит от величины MQa'^ дОВОльно труАн0, и
РИментадьно модуль сдвига волокон G( измер
244 Глава 8 Микромеханизмы разрушения
его часто оценивают из продольного модуля упругости волокон и
коэффициента Пуассона цг Однако, поскольку коэффициент Пуас.
сона определить довольно трудно, часто при опенке г считают вели-
чину равной некоторому характерному значению
Заметим, что используемая модель столь же груоа_ что и модель
используемая для определения поперечного модуля. Для более акку-
ратных оценок требуется довольно сложный математический анализ
8.2.4. Коэффициент Пуассона
Модель, использованную для вычисления поперечного модуля, мож
но применять и для определения главного коэффициента Пуассон
Однако нагрузка теперь приложена параллельно волокнам.
Поперечная деформация модели иллюстрируется рис 8.3. Разд
ные компоненты деформации получаем из осевой деформации и со **
ветствуюшего коэффициента Пуассона
4 = /,(^), = -4Л£г
4 = 4 = “ 4 А £е
6 = 8, + 6т (см вывод Ев), а продольные деформации
матрицы равны е[ = tm - С, Следовательно,
'<Аг = 'гА+'.Л„
или
волокон и
(8.9)
Ат = А -+А„ ‘f-
*с *с
Учитывая, что t,/tc = у, и /у/. = vm, получаем
Ат^АЧ + АЛг (810)
Рве. 8.3. Модель для оценки коэффициента Пуассона
63 М°<^иРов
8.3. Моделирование прочности “
Прочность композита определить значительно
Это связано с несколькими факторами. А име^'Чем *^<хль
рактером разрушения и необходимостью испоХ^
методы. множественностью механизмов разруб CI3"«WcX
рвением волокон, матрицы или границ^^ «миозита (pajC
прочность алияет локальный характер разр^н^ сото, «а
напряжения- обусловленная особенностями упа1Х,И '““'««Рация
ДЬ1 определения продольной прочности гораздо т Мег°'
ных И сдвиговых характеристик очнее- чем попереч-
8.3.1. Продольная прочность (а )
Для получения максимальной прочности волокнисто
обходимо, чтобы он имел высокое содержание возО°Г° К0МПМита не-
кие происходило вследствие разрыва волокон а не*0" " Р£ируше~
днее условие выполнено, если объемная доля волокон ^"№w- Не-
минимального значения, приблизительно 0,1 ыше некоторого
Процессы, происходящие при увеличении нагрузки зависят
объемной доли волокон и от соотношения деформации при разруше-
нии волокон и матрицы Различные механизмы разрушения показаны
схематически на рис. 8.4 ......
Если деформация при разрыве волокон е, больше деформации при
разрушении матрицы ет, при очень малых степенях армирования пос-
ле растрескивания матрицы ее нагрузка передается волокнам, и они
разрушаются сразу вслед за матрицей. Используя уравнение 8.4, проч-
ность композита описывается формулой
^T=<y1'v(+^md-vr),
(8.11)
где с* — напряжение в волокнах при деформации, <оот<тст ующей
разрушению матрицы, a <tm — прочность матрицы Соотношение 811
аналогично правилу смесей, однако величина в* (эффективная проч-
ность) меньше прочности волокон. При больших степенях наполне-
ния, после разрушения матрицы волокна продолжают нести нагрузку,
вследствие чего прочность композита равна
(812)
<^ir=<^fve мат
Критическая точка перехода от разрушения из-за растрескивания
Рицы к разрушению из-за разрыва волокон равна
(813)
Глава 8 Микромеханизмы разр>шеН
Начало Катастрофическое
разрушения разрушение
Множественное разруше-
ние матрицы до разруше*
ния композита
(Ь) низкое *•
Множественное разрушение
волокон до разрушения ком-
позита
(с) £»><«* низкое v,
Композит разрушается в
результате разрушения
матрицы
высокое v,
Композит разрушается в
результате резрушения
ВОЛОКОН
Рис. 8.4. Переходы механизмов разрушения при изменении соотноше-
ния между деформациями разрушения волокон и матрицы (cf и е ), и
при изменении объемной доли волокон. Волокна заштрихованы
<(><nv высокое v(
Для композитов на основе полимерных матриц (армированных плас-
тиков) af » и г/ обычно очень мало (== 0,1).
Если § < гт, то при большом содержании волокон их разрыв при-
водит к разрушению матрицы, и, согласно (8.4), прочность композита
описывается соотношением
Чт = + °т*О - х). (8.14)
где <тт* — напряжение в матрице при деформации разрушения воло-
кон. Для армированных пластиков вторым членом можно пренебречь.
При чрезвычайно малом содержании волокон после их разрыва
матрица способна нести дополнительную нагрузку, и прочность ком-
позита определяется формулой
°1т - ^ш(> ~ Vf)
(815)
83 M°^PoeWl№
можно показать что изменение механизм п *43
ри очень низкой объемной доле волокон Рвения про^
Для большинства армированных пластик™
ма точную оценку прочности композита, однаТГ**8 12 весь
дерыей из композиционного материала "^ЧЮваХ
несушей способности надежнее использовать X Критс₽и« потери
НИЯ (волокон или матрицы). ВДЧало его расрескнР
Описанный анализ пренебрегает разбросом по
„окон и вариацией прочности по длине волокна (Т™ С°“дних
не является универсальной характеристикой она i Р°ЧНОСГЬ волокна
волокна к другому и зависит от длины измеренш'т"'^" ОДно'
выбор d, далеко не столь очевиден, как кажется на ГаКИМ °б₽Мом’
для корректного определения этой величины необ“ГЛЯД- и
вать статистический подход. димо использо-
Bo-
Известно, что прочность хрупких материалов имеет зн
разброс, который может быть описан функцией распредеХХ?
булла Распределение прочности большого количества волокон тХ
может быть описано этой функцией. Распределение Вейбулла хасак
теризуется двумя величинами, соответствующими нижнему а и верх
нему а„ пределам прочности. Последняя величина эквивалентна тео-
ретическому пределу прочности волокна при отсутствии внутренних
или поверхностных дефектов, ответственных за снижение прочности
На рис. 8.5 приведена описываемая распределением Вейбулла вероят-
ность разрушения G(a) в зависимости от величины приложенного на-
пряжения
ni
G(<t) = 1- 1-
( 8.16)
где G(<T) ~ вероятность разрыва волокна при напряжении, равном или
меньшем с, а = а - а,, а показатель степени а) = //2г, г - радиус
волокна, / — его длина, а показатель степени т, называемый коэффи
циентом Вейбулла, обратно пропорционален величине разброса проч
кости.
Часто прочность оценивают путем растяжения параллельного^
ка волокон Экспериментально установлено, что прочность
меньше средней прочности элементарных волокон <т, п₽иче”волокон
ние ц/ст зависит от дисперсии (степени разброса) п₽°™°^" г1роч.
Очень хрупкие волокна, которые обычно имеют большой nji)|(g
мости, описываются величиной ш, равной от 2 ДО 5 ₽° и Сред.
каких волокш^|^^шяет лишь 50~65% от их средней пр®4
нее значение т для стекловолокон равно 5-15, а прочность пучка ран
на 65-80% средней прочности волокон Когда т бесконечно, все во-
локна имеют одинаковую прочность и прочность пучка равна прочно-
сти индивидуальных волокон
8.3.2. Прочность при продольном сжатии (о1С)
Множественность механизмов разрушения при растяжении, включа-
ющая разрушение волокон, матрицы и границы раздела, наблюдается
и при сжатии композита Причем в этом случае дополнительно появ-
ляется возможность потери устойчивости волокон и сдвигового разру-
шения матрицы
Обычно описание продольного разрушения волокнистых компози-
тов при сжатии начинают с работы Розена. Он рассмотрел возможность
потери устойчивости волокон по аналогии с потерей устойчивости стер-
жня при сжатии. На условия потери устойчивости волокон влияет ок
ружающая их матрица, и критическое напряжение потери устойчивое
ти зависит от упругих свойств матрицы. Продольная прочность композита
при этом механизме разрушения описывается формулой:
0'ic =G-/<1 ~vr)
83 Мо^мрова
"Робости
согласной 17) прочность при сжатии А 0П№пр (8.17)
^рииы G. •’ содержанием волокон vr Соо™^я м^пем СДВИ1а
ментально определенными значениями прочноХ Э^Р«
тишком хорошее, причем экспериментальные 8 не
намного ниже теоретических Это может означав 7^ Пр<*нос™
ние композита не связано с потерей устойчивости вп ЛИб° !№руше-
положения при выводе формулы были слишком v„ Н’ли6° "РЗД-
дополнительной причиной снижения прочности Р°ЩеННЫми
«данных углеродными волокнами и кевларом-49 “Мпозитов- арм,ь
иостьволокон При выводе уравнения 8 17 предпола™»’ ТТ”"
на и матрица изотропны, однако углеродные волокна и кевпаХ
анизотропны и имеют низкую поперечную и одвитовую жесткостьТ"™
ТОГО, волокна кеалар-49 имеют низкую прочность при сжатии и X”
щенке композита происходит из-за разрушения (пластически/
ння) волокон Еше одной причиной низкой прочности при сжатии мо
жет быть продольное растрескивание композита.
тече-
Критические деформации композита при сжатии часто близки к
разрушающей деформации при растяжении, однако результаты зави-
сят от метода испытания.
8.3.3. Прочность при поперечном растяжении (д,})
Простой и надежной формулы для описания прочности при попереч-
ном растяжении не существует. В отличие от продольной прочности,
которая определяется почти полностью волокнами, поперечная проч-
ность зависит от многих факторов, включая свойства волокон, матри-
цы н границы раздела, пористости и внутренних напряжений Попе-
речная прочность армированных пластиков обычно ниже прочности
матрицы Таким образом, в отличие от поперечного модуля, армиро-
вание приводит к снижению поперечной прочности композита
Поперечная прочность однонаправленного композита при низкой
адгезии между волокнами и матрицей определяется лишь прочностью
матрицы В первом приближении отслоенные волокна можно пред-
ставить как цилиндрические отверстия. Если матрица не чувствитель
на к влиянию трещин, при квадратной упаковке волокон поперечная
прочность композита описывается формулой
^т = ^11-2^1.
При vf = 0 785 волокна начинают соприкасаться, и
*астся до нуля Аналогичные формулы могут быть по
пять еше большего снижения
ПК схем укладок волокон Можно ожида ряЖения вблизи от-
поперечной прочности из-за концентрации тсчением матрицы
верстий, если она не нивелируется пластич ,1ей поперечная
При наличии адгезии между волокна сти границы раздела
прочность композита зависит также и от .концентрация на
Если граница раздела не разрушается, суш показывает .
пряжения в матрице Вычисление полей напр посепе
концентрация растягивающих напряжений максимал осередине
междо'волокнами. а их величина равна приблизительно 0 при v, = 0,5
И хотя разрушение матрицы должно зависеть от особенностей трехос-
ного напряженного состояния очевидно, что концентрация напряже-
ния должна привести к примерно двукратному снижению прочности
по сравнению с исходной матрицей Необходимо отметить, что проч-
ность хрупких матриц определяется влиянием дефектов типа трещин,
и поэтому описание прочности материала путем учета концентрации
напряжения может привести к значительным ошибкам
Подход теории упругости, учитывающий концентрацию напряже-
ния. нельзя применять для матриц, которые при нагружении ведут
себя нелинейно Уменьшение поперечной прочности в этом случае
можно описать концентрацией деформации, которая максимальна в
области между волокнами Коэффициенты концентрации деформа-
ции, достигающие пятерки, особенно велики в области между волок-
нами
Исследование разрушения однонаправленных композиционных
материалов показывает, что поперечные трещины зарождаются пре-
имущественно в областях наиболее плотной упаковки волокон и рас-
тут по границе раздела матрица/волокно Микротрещины часто за-
рождаются перед магистральной трещиной путем отслоения волокон
в областях максимальных радиальных растягивающих напряжений в
матрице
Другие механизмы поперечного разрушения включают отслоение
волокон, предшествующее когезионному разрушению матрицы или
волокон Поперечное разрушение волокон весьма типично для ара-
мидных волокон, имеющих сильно ориентированную анизотропную
структуру Иногда таким образом разрушаются композиты на основе
анизотропных углеродных волокон
Поперечная прочность имеет большое значение для конструкцион-
ных материалов, и поэтому значительные усилия тратились на разра-
ботку матриц, позволяющих снизить влияние концентрации напряже-
ния В принципе, существует две возможности снижения концентрации
напряжения при поперечном растяжении. В композитах с полимер-
8 4 Влияние пенне
теМП^и.лиги Л
„ой матр1«'ей это достигается введением в нее оч
ых части» которые увеличивают вязкость пЛ, Ь Мелю« каучуке
„ого снижения прочности и жесткости Эт^?1^Ия 6ез 'УЩествен-
тивен в композитах с низкой степенью наполнен^? п“бенко ^к-
оосгоит в использовании промежуточного слоя и» °₽°Й механизм
матрииЫ и волокна, который МОЖет существенно
вито напряжения вблизи волокон Такой подход К0Нце‘п*-
тован также и для композитов с металлической матрицей
8.3.4. Прочность при поперечном сжатии (а )
Каки при поперечном растяжении, при поперечном растяженш
„ость предсказывается весьма неточно Это обусловлено сушеною’
„„ем двух конкурирующих механизмов разрушения Первый меха™
обусловлен сдвиговым разрушением матрицы или разрушением гра-
ницы раздела матрица волокно как показано на рис 8 6 В этом слу-
чае прочность ниже, чем при продольном сжатии, но выше, чем при
поперечном растяжении Второй механизм разрушения состоит в по-
перечном сдвиговом разрушении волокон, при котором поперечная
прочность приближается к прочности при продольном сжатии
Рис 8 6 Сдвиговое разрушение однонаправленного композита при по-
перечном сжатии
8.3.5. Разрушение при вну трислоевом сдвиге (tl2)
Прочность однонаправленного слоя при сдвиге зависит от направле-
ния приложения силы Существуют два различных механизма сдвиго-
вого разрушения, соответствующие на1ружению композита параллельно
н перпендикулярно волокнам Во втором случае прочность при сдвиге
заметно выше, поскольку разрушение связано с разрушением воло-
кон В первом случае гораздо более вероятны разрушение матриц
или границы раздела Прочность в этом случае определяется сво
ми матрицы, главным образом ее пределом текучести
Прочность при сдвиге зависит от концентрации напряже НИЗКих
зи волокон и пор, а также от прочности границы ралпе'^ не зависит
в коэффициент концентрации напряжения праюиче стагь пр11
от степени наполнения, однако он начинает быстро
п ь Для композиционных материалов
повышенных v,, превышающих о.о зы наг1ряжения г,, ниже, чем
с хрупкими матрицами из-за кончен граи р1(1ЯНИС концентрации на-
сдвиговая прочность блочной матр"“всннЫМ. когда волокна начина-
пряжения становится особенно с'^омпозита на основе пластичных
ют касаться друг друга ПрочН° ности блочной матрицы, потому
матриц приблизительно равны пр бедствие ее пластическо-
что концентрация напряжения^ пор Из.за описанных слож-
го течения То^ °™“ промоделировать разрушение при сдВиге
ностей серьезных попыток и
не предпринималось
8.4. Влияние температуры и влаги
Как уже отмечалось, углеродные и арамидные волокна имеют очень
Хй или даже отрицательный коэффициент теплового расширения
а. Из-за этого в однонаправленном композите при охлаждении после
отверждения матрицы могут появляться значительные остаточные на-
пряжения вследствие температурного сокращения матрицы В попе
речном направлении эти напряжения могут быть сопоставимы с проч-
ностью матрицы вследствие чего при расчетах прочности необходимо
учитывать напряжения, возникающие при охлаждении композита
Вторым следствием различия КТР волокон и матрицы является
различие коэффициентов расширения композита в продольном («J и
поперечном (ц) направлениях Если объемные доли примерно равны
н v - г, выполняются следующие соотношения
+^En,vJ,
(8 20)
а, = (1+у, + (1 + v„, )агп vm - «,ц2 (8 21)
Анизотропия теплового расширения (а, * oQ приводит к появлению
остаточных межслоевых напряжений в дополнение к остаточным внуг-
рислоевым напряжениям, о которых говорилось выше
Полимерные матрицы в процессе эксплуатации поглощают воду и
увеличивают свой объем Некоторые волокна, как, например. Кевлар,
также поглощают воду Этот процесс может быть охарактеризован ко-
эффициентом набухания Д определяемым как коэффициент пропор-
циональности между деформацией материала и объемом поглощен-
ной влаги Можно показать, что для гомогенного материала
коэффициент Д равен.
р=-р-
р ip.
Задачи
(8 22)
где Р - плотность материма, и р* -
Для однонаправленных полимерных композит
углеродными или стеклянными волокнами, коз*^’ а₽миР°ванного
направлении волокон (/3) может считаться рани, набуханВД в
ный коэффициент набухания (Д,) зависит w 'м "»j Поперек
ма1рипы Д,. определенного как описано выше и мо^*™ На6ухан™
ся следуюшим образом ’ ег Рассчитывать
Рт
(8 23)
где индексы m и с относятся к матрице и композиту соответственно
Литература
Общая
Hull D, (1981) An Introduction to Composite Materials, Cambndge University
Press
Задачи
81 В однонаправленный стеклопластик вводят углеродные волокна
таким образом что полная объемная доля волокон остается не-
изменной и равной 0,50 Вычислить долю углеродных волокон,
при которой продольный модуль упругости композита увеличи-
вается вдвое Модули стекловолокон, углеродных волокон и мат-
рицы равны £70 ГПа, 300 ГПа и 5 ГПа соответственно.
8 2 Вычислить модуль сдвига (6,,) однонаправленного композита,
содержащего 65 об % волокон Волокна и матрица изотропны и
имеют коэффициент Пуассона 0 3, £J=250 ГПа и £,=5 ГПа
ГЛАВА 9
ПРОЧНОСТЬ
композитов
9.1. Введение
В главе 7 была определена связь «.напряжение деформация» для од
ненаправленною слоя и многослойною ламината Полученные урав
нения можно использовать для определения напряжений в отдельных
слоях при нагружении ламината Сравнивая эти напряжения с пред,
лом прочности стоя, можно определить, потерял ли он несущую спо-
собность
Существует несколько определений потери несущей способности
материала Эго определение очевидно, если материал хрупкий и раз-
рушается путем разделения на две части Однако для волокнистых
композитов возможны более сложные случаи и потерей несущей спо
собности мы будем называть неспособность детали выполнять функ-
ции, для которых она была разработана
При таком определении потеря несущей способности может озна
чать не только разрушение материала, но и потерю устойчивости ла-
мината при сжатии, чрезмерное удлинение (определяемое в основном
жесткостью, а не пределом прочности) или даже растрескивание мат
рнцы Например сосуд с жидкостью при растрескивании матрицы
окажется неспособен выполнять свои функции из-за вытекания жид
кости через трещины в его стенках
Как и для изотропных материалов (глава 6), разрушение композита
будет описываться некоторым критерием Для композитов существует
несколько таких критериев, причем ни один из них не является уни-
версальным Прежде чем переходить к рассмотрению ламинатов, рас
смотрим отдельный слой
Представим слой в виде параллельно уложенных непрерывных во-
локон, имеющих идеальную адгезионную связь с матрицей В главе 8
отмечалось, что имеется пять основных механизмов разрушения слоя
Слой может разрушиться под действием продольного или поперечно-
го растяжения/сжатия, а также сдвига. Каждый из этих механизмов
разрушения может явиться следствием разрушения волокон, матрицы
9 2 Прочность слоя
ниЦЫ Р^ела Типичнь'е значения прочности армированных
17 „в при основных способах нагружения приведены в таблице
^также главу 5)
у] (СМ
, I Типичные значения прочности однонаправленных композитов
п0лимерной матрицы (ту - 0,5, прочность приведена в МПа)
на с*-11 _______________________________
Продольное Продольное Поперечное Поперечное Сдвиг
n^l’ растяжение сжатие растяжение сжатие
5^полиэфир углерол-эпоксил шмид-эпоксид 650-950 600-900 20-25 90-120 45-60
850—1500 700-1200 35-40 130-190 60-75
110-1250 240-290 20-30 110-140 40-60
Прочность материала в главных осях (т е. параллельно и поперек
волокнам) может рассматриваться как параметр, определяющий, раз-
рушился ли слой Если рассматривается один из слоев в многослой-
ном ламинате, нужно определить напряжения в его главных осях и
сравнить их с прочностью материала.
9.2. Прочность слоя
Прочность может быть определена с помощью критериев разрушения,
которые обычно делятся на три класса Первый составляют простей-
шие критерии предельного состояния, второй - критерии, которые
учитывают взаимодействие различных компонент напряжения при
станом напряженном состояний, третий - гибридные критерии, ко-
торые объединяют предельные критерии и критерии многоосного на-
пряженного состояния Здесь мы обсудим лишь критерии первых двух
классов
9.2.1. Критерии предельного состояния
(а) Критерии максимального напряжения
Критерий максимального напряжения состоит из пяти
соответствующих пределам прочности при основных
*ения Этот критерий гласит, что материал разрушается,^ превЫШаст
вана из компонент напряжения в главных DC’D'vJlaT^.J14ecKH он вы-
соответствующее значение предела прочности. а1™ста0
нолняется, если удовлетворено хотя бы одн° нераве
„ . <кт .или ги2^
2 <ти, или ст, < ст,с, или <т, > <Г1Т. или 5 2С
Глава 9 Прочность композитов
„цзтельныи знак, и материал раз,
(Сжимающие напряжения имеют огр_ jy) Д'(Па)-
рушится, если —200 МПа, а п
„,м<ои деформации
(Ь) Критерии максим просто заменяет напряжение На
Критерий максимальной дсФор”а^яти неравенствах Согласно этому
деформацию в описанных вы хотя бы одна из компонент де.
критерию, композит разру шитс . критическое значение
формация в главных осях пре
(9.2)
енств необходимо определить напряжения в
Для анализа этих нера“ ии нагрузки под углом в к волокнам как
главных осях при приз нСПОЛьзуем уравнения 7 6 Подставляя
показано на рис у I ш
_ - Т = о полунаем .
v a=acos^. a,-o;sin2e, т12 =-a sin0cos0 (93)
Теперь можно использовать неравенства 9 1 для определения напря-
при котором произойдет разрушение Используя уравнения
9 3 определяем, что имеются три возможных механизма разрушения
При следующих напряжениях
о — разрушение волокон,
а — , ~ поперечное разрушение,
* sin26
—:-------— сдвиговое разрушение.
sinflcosG
Очевидно, в процессе нагружения композит разрушится при достиже-
нии минимального из трех критических значений разрушающего на-
пряжения
Рис. 9.1. Одноосное растяжение однонаправленного композита под уг
лом 6 к оси волокон.
9 2
П^хоспь с„ад 15S.
Зависимость величины разрушающего нигт„ 'Ш
сдена на рисунке 9 2. Каждый механи^Х"^'"" °*?«при-
дельной кривой. Разрушение волокон наибол^^ ’***’**« от-
мал Поперечное разрушение, обусловленное Da™ ВДдаУ™л е
танины раздела, вероятно при больших значений™ Матрнцы и™
Bbie разрушение вероятно при промежуточных значевд!®' “ С‘“'И'°’
Рисунок 9.2. Зависимость разрушающего напряжения а от угла в. Сплош-
ные линии — критерий максимального напряжения, пунктирная линия
— критерий Цая-Хилла
Пример 9.1.-------------------------------------
Однонаправленный композит растягивается пои углом 5° к оси воло-
кон Определить напряжение, при котором материал разрушается со-
гласно (а) - критерию максимального напряжения, (Ь) - критерию
максимальной деформации. Свойства композита:
= 76.0, Еп = 5,5, Ga = 2,35 ГПа,
01Т=125О, 6^ = 30. ?12 = 50,
Д„ = О.ЗЗ;
а,с = 1000, б2С = 100 МПа
(а) Вычислим напряжения в главных осях материала, используя урав
нение (9.3):
^гпипози^08
25В Глава 9. Прочност ко.
. = -а sine cose,
CTi=ff,cos’e, ^sinftr'! ’
где в = 5” иЛ разрушения записывается в вцде
При этих уровнях кр^Р^^
0. = cr cos’ea Цг °> *
r =-tr Sine cose 2?,г-
° ’ »игтва получаем три величины, минимально
иР™"л^ —М Ра3₽УШеНИЯ- ПВД“ в= 5” "°-
ЛУЧаеМ ,^250/cosS- = 1260 МПа,
ЗО/яп? = 3949 МПа-
а = 50/sin5”cos5° = 575 МПа.
Следовательно, материал разрушится при напряжении 575 МПа вслед-
ствие сдвига
(Ь) Определим нормальные деформации в главных осях, используя
уравнение 7.1
1 Аз,
или, используя результаты части (а)
<71 <7, (cos3 б Sill2 б'l
е'=т~^1т=Н—h
С11 < г11 -°a J
е2 =-А12—+*^-
2 р р
^Tl |с22
cos2 в sin2 в
Еп
Сдвиговое напряжение получаем в виде
С11 Си
sm2e^
J
Теперь определим критические деформации композита предполагая,
что он деформируется линейноупруго
С,т =1250/(76 х 10’) = 0,0164,
^г = 30/(5,5 х 10») I 0,0055,
92 слоя
Ят = 50/(2,35 х 10’) = 0,0218,
е;с= -1000/(76 х 10’) = -0,0132,
= -Ю0/(5,5 х 10’) = -0,0182.
Очевидно, минимальная из этих величин соот
„у разрушению Вычисляем значения разрушаю, сдвиг°во-
дяя С, получаем щего напРяжения о,.
Аналогично для имеем
?2С
°‘ = ып£ = б210МПа
+
Таким образом, минимальное разрушающее напряжение равно 575
МПа, определяемое критерием максимального растягивающего напря-
жения.
Эти критерии довольно просты, но хорошее согласие с экспери-
ментом наблюдается, если угол в близок к 0° или 90°. Эго обусловлено
тем, что при промежуточных значениях углов значительны обе компо-
ненты напряжения ст, и <г2. Эти напряжения складываются, что может
привести к снижению разрушающего напряжения, не учитываемому
критерием максимального напряжения.
Заметим также, что критерии максимального напряжения и макси-
мальной деформации могут не совпадать в случае нелинейной связи
напряжения и деформации. Это имеет место для сдвигового нагруже-
ния и, следовательно, предположение о линейности, сделанное в при-
мере 9.1, может не выполняться. В таких случаях критерий макси-
мальной деформации лучше согласуется с экспериментом, чем критерий
максимального напряжения.
9.2.2. Критерий Цая—Хилла
Существуют несколько критериев, учитывающих совместное влияние
Различных компонент напряжения при сложном напряженном сос
-щпозиточ
260 Глава 9 Прочность ко.
„гласив с экспериментом лишь При
янии Зачастую они хорошо согла^ „ пр„ определенном способе
одной комбинации волокон внугренним давлением) Из всего
нагружения (например. ^CMan,.,M лишь критерии Цая-Хилла,
класса таких критериев «“^хороШО описывает экспериментальные
который наиболее ,,зв1'с”1 й области
данные в достаточно шг ₽° обобщением критерия Хилда, опи-
Критерий Пая Хилла ^„„ых материалов, который, в свою
сываюшего разрушение фонМизеса для изотропных материалов
очередь, связан с КРИТ^Р ие критерий Цая-Хилла имеет вид
(глава 6) В наиболее обшем
(94)
Нтопой член мал по сравнению с другими и поэтому им обычно пре-
стают, а критерий разрушения записывают в виде
(9 4а)
Параметры, описывающие пределы прочности в уравнениях 9 4 и 94а
выбирают так. чтобы они соответствовали способу нагружения Так.
если материал растягивается и сг, — растягивающее напряжение
<7, = сг|Т Аналогично, если а, — сжимающее напряжение, <т, = <т1с
Следует отметить, что при использовании критерия Цая-Хилла не
обходимо рассматривать только одно неравенство, в то время как в
критерии предельного напряжения необходимо рассматривать пять
неравенств Таким образом, в этом случае необходимо рассматривать
только одну величину предела прочности Другая особенность этого
критерия состоит в том. что в отличие от критерия предельного на-
пряжения, он не определяет механизм разрушения Как будет показа
но ниже, это может иметь значение при рассмотрении разрушения
многослойных ламинатов Напротив, для однонаправленного компо-
зита при нагружении вдоль одной из его главных осей критерии мак-
симального напряжения и критерии Цая Хилла предсказывают оди-
наковое разрушающее напряжение
Как и выше, для иллюстрации работы критерия рассмотрим одно-
направленный слой к которому приложено растягивающее напряже-
ние ег под углом е к оси волокон (рис 9.1). Подставляя уравнение 9 3
в уравнение 9.4, критерий Цая—Хилла приобретает вид
a cos’ в sin’ e
92
^ecoseV
(95)
Зависимость рассчитанного no уравнению (9 5)^ '
>,я от угла » приведена на рисунке 9 2 напР!1же.
„амание. что в этом случае имеется единая
’ отдельных кривых, как в случае критерия прадад'Т КРИВая’а *
1 07 ____________________________ильного напряжения
Пример 4J-. _________
Реи1им поставленную в примере 9 1 задачу, используя кпит
Хилла Д*я этого подставим в уравнение 9 5 соотв»™ РИЙ Цад'
НИЯ прочности композита ствующие значе-
tfco£e? ^cos^esm^ Г cr.sin^y f a sinecose 2
1250 125O2 30 J V » J =’
Подставляя в = 5°, получаем
<7 = 520 МПа
Заметам, что это значение несколько ниже значения а = 575 МПа
полученного на основании критерия максимального напряжения, что
объясняется учетом совместного влияния различных компонент на-
пряжения при двухосном напряженном состоянии Анализ относи-
тельного вклада различных слагаемых в уравнении (9.5) показывает,
что доминирующим является последнее слагаемое, учитывающее вклад
сдвигового напряжения Это показывает, что разрушение обусловлено
в основном сдвиговым напряжением в согласии с критерием макси-
мального напряжения
Пример 9.3.
Определите, разрушится ли слой, нагруженный как описано в приме-
ре 7 5, если он удовлетворяет (а) критерию максимального напряже-
ния, (Ь) критерию Цая Хилла, Значения прочности композита при
одноосном наттружении равны
Зт = 2100, Э1С = 1800, = 35, ст2С = 210,= 90МПа
Находя напряжения и деформации в главных осях, как показано в
предыдущих примерах, получаем
<7, =-3,25, <7=1,75, т12 =-5,75 МПа,
z «л_л эпэ де х Ю ь у = "*809,86 х 10
€, = -27,36 х 106, Ej = 202,Зе х ю , у12
,а> Сначала необходимо найти деформации при разрушении, маге_
СвУЮщие данным одноосным напряжениям. Предпола
^U1 Глава 9 Прочность композите
1=^ значения модулей упругости, таК11(.
риал является линейноупругим-
же как в примере У 5. получа _ 1зооо х
о =-1800/138 х 1°’- •
' 35/8.96х 10- 0-0039 = 3900 х ЮЛ
г. да.»
„„» «-»"“ »-
чениям деформации полу чае
= 1300/27.39 = 475 15,
= 3900/202,38 = 19,27,
ЯЛг = 12700/809,86 = 15.68
Таким образом, разрушение не должно произойти а к критической
величине ближе всего сдвиговая деформация
(Ь) Подставим вычисленные напряжения и соответствующие значения
предела прочности в левую часть критерий Цая-Хилла (уравнение 94)
/-,375? (-3.25x175) Jl^V 7^75? = ода58
[-1800/ (-1800)2 I 35 ) V 90 )
Таким образом, левая часть неравенства значительно меньше едини-
цы и, следовательно материал разрушиться не должен.
Мы показали, как критерии разрушения позволяют предсказать,
произойдет или не произойдет разрушение материала при некотором
наборе напряжений Большой интерес представляет также вычисле-
ние разрушающих напряжений Используя критерий предельного на-
пряжения это можно сделать определением минимального отноше-
ния предела деформаций к вычисленной величине деформации
В примере 9 3а это отношение равно 15,68 (для сдвиговой дефор-
мации). Другими словами, для того, чтобы материал разрушился, де-
формацию нужно увеличить в 15 68 раз Использовать критерий Цая-
Хаиа для этой цели немного сложнее Предположим, мы имеем набор
напряжений ст,, о) и т|2 (и соответственный набор напряжений о;, ст и
которые определяют коэффициент R'
к»*”Тпр'—
<^УеМ В КаЧеСТВе ИЛЛЮС^а«ИИ пример 9 3 R
, д.«“ 4”"
X = 0 00658
К7
R ' 12,33
"Таким образом для разрушения слоя приложенные напвяж
^хны быть увеличены в 12,33 раз. "“"Ряжения
9.3. Прочность ламината
9J. /• Инициация разрушения
рассмотрим поперечно-армированный слой (0/90»), к которому в на-
правлении продольного слоя (0») приложена постепенно увеличиваю-
щаяся нагрузка При относительно невысоких нагрузках в слое 90» по-
являются трещины, ориентированные поперек направлению
приложенной силы Количество этих трещин постепенно увеличивает-
ся до тех пор, пока не достигается предельная концентрация. В резуль-
тате растрескивания слои 90» практически полностью теряют свою же-
сткость что проявляется в изменении наклона диаграммы растяжения
напряжение-деформация ламината (рис. 9 3). Инициация поперечного
растрескивания слоя является начальной стадией разрушения
Подобное поведение наблюдается и в ламинатах со схемой укладки
(+6), в которых появляются трещины вдоль волокон. Растрескивание
вызывается сдвиговыми напряжениями при малых значениях в и по-
перечными напряжениями при больших в.
Растрескивание ламината можно предсказать, дополнив классичес-
кую теорию улрутости ламинатов критерием разрушения Выбор кри-
терия при этом имеет большое значение и, как было отмечено, многие
из них применимы только к определенной ситуации (способу натру
жения и геометрии).
Начнем с учредительных уравнений пластины (уравнение
N
М
£°
к
А В
В D
(97)
Решение уравнения 9.7 определяет деформацию в 1,е*ттР оженные
кости ламината (£*) и ее кривизну (к), если извести
силы (N) и их моменты (М)
КОМПО№т"в
Глава 9 Прочность к
изменение наклона кривой напряжение-деформация при рас.
^ Линни поперечного слоя в композите со схемой укладки (0/90»)
ТрССЛ-г’смз
А1 В'
В’ D1
N
М ’
(9.8)
А'= А« + [В*Г,
В1 = В* - [D*J
D1 = [D*J',
А* = А ',
В* = А 'В.
D* = D ВА В
Деформация пластины найдена в координатах х—у (см. рис. 7.7).
Следовательно, деформации слоев могут быть найдены путем пре-
образования уравнения 7.7.
«12 = Теч. (”)
Наконец, напряжения в слоях получаем из матрицы жесткости (7 5)
ст = О е <910)
°U V Ь|
Рассматривая напряжение в слоях совместно с некоторым критерием
разрушения, можно анализировать их растрескивание и разрушение
Пример 9.4.------------------------------------;
6-слойный ламинат (общей толщиной 0,75 мм) со схемой укладки (
0»), формируют из однонаправленных слоев углепластика, описанн
93 n'~^Bomo
пример»1 9 3 и 7.5. Определить осеюе
ривести к растрескиванию слоев сотласнГк^»'
навРяЖСНИЯ РИТерИюм»симадьното
Используя приведенные в примере 7 5 vnnvru
,£ = 138 0 ГПа, £а = 8,96 ГПа, Gu = 7,l е харакгеРистики слоя
определить матрицу А (В = 0, поскольку ламинат симм^' ““ М0*ем
И11У D можно не рассматривать, потому что Нап^И'ШЫЙ’ нэт'
ojp,,) С ломошью определяющих уравнений (9 7" “ плоско-
лить деформации, после чего, используя преобразоХГмщ ВЫЧИС
напряжение деформация (уравнение 9.10), получаем „ “ связь
главных осях слоев. апряжения в
Предположим, что к ламинату приложена сила N = цу Н/
дельно слою 0°. Возникающие деформации равны е« - о Цб!?™^
0,1615%, Г„° = 0 Напряжения в слоях иллюстрируется приведенным
ниже рисунком (величины в МПа).
Теперь можно сравнить эти напряжения с соответствующими зна-
чениями прочности примера 9.3
ап = 2100, о2С = 210, Гп = 90МПа
Соответствующие коэффициенты запаса прочности равны:
продольное растяжение (слой 0°), Я = 2100/212,4 = 9,89;
поперечное сжатие (слой О”). R - 210/10,33 = 20.33,
сдвиг (слои +30°), Я = 90/19,53 = 4,61.
Таким образом, растрескивание слоев +30° начнется пол действием сдай
говых напряжений, если увеличить прикладываемую нагрузку в 4.61 раз.
9.3.2. Катастрофическое разрушение
Заключительная стадия процесса разрушения ламината со схем' Г
ладки слоев (±0) часто совпадает или лишь немного выше н
ния начала растрескивания Напротив, при других схем^ Оком
тастрофическое разрушение происходит при немного
напряжении.
0—
b „ ™o растрескивание приводит к снижению жесткости слОя в
™ наценки Однако, если поврежденный слой не 0ГСад.
поперечном на (И ламината, он будет вносить некоторый
ИЛСЯ ХХть Величина этого вклада зависит от степени растру.
X "па волокон и матрицы, а также характера прикладываем
"Х исследования процесса разрушения обычно используют мегсд
постедовательных приближений, определяя напряжения при помощи
подхода описанного в параграфе 9.3 1 При этом постепенно уведи,
чивают нагрузку или деформацию до тех пор, пока не начинается раз.
рушение волокон, которое считается конечным этапом процесса раз-
рушения Вычисления проводятся в следующей последовательности.
1 Выбрают некоторые заведомо низкие нагрузки, не приводящие к
растрескиванию ламината.
2 Определяют деформацию и кривизну пластины и, как следствие,
напряжение и деформацию всех слоев (в главных осях).
3 Анализируют при помощи некоторого критерия разрушения по-
ведение слоев
4 Если ни один слой не растрескался, увеличивают нагрузку, со-
храняя их относительные величины, чтобы началось растрески-
вание одного из слоев
5 . Уменьшают жесткость поврежденного слоя и повторно определя-
ют матрицы А, В и D
6 . Повторяют операции 2 и 3.
7 Повторяют операции 4, 5 и 6
8 . Повторяют шаг 7 до тех пор, пока не произойдет катастрофичес-
кое разрушение материала, т.е. разрыв волокон в одном из слоев
Заметим, что результаты вычислений зависят от критерия разрушь
ния Как мы видели, критерии предельного напряжения и дефоРма
ции определяют механизм разрушения Таким образом, перед шагов1
известно, какие жесткости нужно уменьшать, если используется кря
терий предельного напряжения или деформации. Если использует111
критерий Цая—Хилла, механизм разрушения определяется из относи
тельных величин слагаемых в уравнении 9.4.
В случае растрескивания слоя необходимо выбрать коэффициент о
сывающий степень снижения его жесткости. Заметим, что в наст°® д
время отсутствуют единый подход к выбору такого коэффициента-
положим, что некоторый слой растрескивается под действием
него растяжения. В этом случае можно считать жесткость слоя Ев
эффициент п21 равными нулю. Однако даже после растрески
ДоПОШительные фактвры
может сохранить часть своей жесткости, которая
50 или 90% Некоторые исследователи считает ска*ем, на
рошо описывает поведение углепластика а это™ ПеРВа” Величина х°-
Самый простой (и довольно неточный) подход стекл°п-тастика.
врожденный слой считается полностью разрушен^Г7 “ ТОМ’ ЧТО ло’
А, В и D матриц соотвегстгуицие места ямякися
9.4. Дополнительные факторы
9.4.1. Влияние температуры и влаги
Некоторые высокопрочные волокна, и особенно углеродные и кевдап
имеют малый или даже отрицательный коэффициент теплового рас’
ширения Как последствие, охлаждение материала после отверждения
матрицы приводит к сжатию волокон и растяжению матрицы в на-
правлении укладки волокон.
Очевидно, что при комнатной температуре слои окажутся напря-
женными. потому что поперечное сокращение слоя ограничено слоя-
ми, имеющими другую ориентацию волокон. Эти напряжения, называ-
емые остаточными, могут составлять существенную долю от поперечной
прочности матрицы. Поэтому остаточные напряжения должны учиты-
ваться при определении поведения ламината под нагрузкой.
К появлению аналогичных напряжений приводит поглощение вла-
ги полимерной матрицей. Эти напряжения следует учитывать анало-
гично остаточным напряжениям, однако подробное рассмотрение этого
вопроса выходит за границы данной книги.
9.4.2. Краевые напряжения
Классическая теория пластин рассматривает лишь пластины неограни
ченного размера и пренебрегает краевыми эффектами. Однако ламина
ты имеют края, обусловленные не только конечностью их ширины,
и отверстиями. Вблизи краев пластины для напряжений «в плоек
•°.- ° 'Т,,.) не удовлетворяются условия равновесия, и не х°®
сматривать распределение напряжения по Т0ЛШИНе_"'“ ш1астины
мальных (.т,) и сдвиговых (т„, г„) напряжении по голо' ые
(Рис 9.4) развита специальная теория " ИСПОЛ1^™ MOtyI быть пр-
Расчеты методом конечных элементов. Эти напр межслоевую
Паточно высокими и превышать относительно ни' (растяже-
прочность ламината. Величина и характер этих нап ... едовэтельно,
Ние ади сжатие) определяются схемой укладки уменьшать
Сбором схемы укладки можно уменьшить их величину
"Сроятность расслоения вблизи краев ламината.
I Рис. 9.4- Напряжения вблизи свободного края ламината. се тп, г, (не
рассматриваемые классической теорией) но толщине (z) пластины
Проиллюстрируем эту ситуацию на примере поперечно-армиро-
ванного композита, растягиваемого вдоль слоя 0°. При схеме укладки
| (0/90") г нормальные напряжения у краев, параллельных оси растяже-
| ния, являются растягивающими, а при схеме (90/0'), эти напряжения
I являются сжимающими Очевидно, эта схема укладки является более
1 предпочтительной
I
I с
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
ГЛАВА 10
КОМПОЗИТЫ, АРМИРОВАННЫЕ
КОРОТКИМИ ВОЛОКНАМИ
10.1. Введение
В предыдущих главах обсуждались механические свойства к<ш„,
тов, армированных непрерывными волокнами Однако ЮЗИ-
время все шире распространяются композиты, армированньХ^
КИМИ волокнами Их свойства сильно отличаются от свойств мате™/
лов с непрерывными волокнами. В этой главе рассматриваются моле’
ли описывающие механическое поведение коротковолокнисшх
композитов. В основном будут рассматриваться материалы на основе
полимерных матриц Это связано с тем, что об армированных пласти-
ках, в отличие от композитов с металлическими и керамическими мат-
рицами, имеется больше информации.
10.2. Преимущества коротковолокнистых
композитов
В главе 2 отмечалось, что непрерывные волокна, как правило, дороже
других наполнителей. Кроме того, процессы получения композитов,
армированных непрерывными волокнами, гораздо более медленные.
Ручная выкладка, намотка, автоклавное и вакуумное формование при-
меняются для получения небольших партий относительно дорогосто-
ящих изделий из высокопрочных композитов на основе термореак-
тивных матриц и непрерывных волокон. Эти методы не предназначены
для получения больших партий изделий. Весьма производительным
процессом является палтрузия, но она может применяться лишь для
изготовления стержней постоянного профиля. Во многих случаях по-
лучение максимальной прочности или жесткости изделия не является
главным требованием. Для производства больших партий изделий слож-
ной формы желательно использование прессования, штамповки или
инжекционных методов.
Применение этих методов возможно при использовании коротких
волокон. Некоторые технологические методы не позволяют использо
Ьа1ь непрерывные волокна по технологическим причинам, а при ДРУ
ГИх процессах происходит интенсивное сдвиговое деформировани
270 Глава 10 Композиты, армированные короткими волокнами
материала в процессе смешения компонентов, что ведет к
нию волокон Повреждение волокон особенно значительно
жекционном формовании и экструзии. П^и Иц.
10.3. Длина волокон
показано,
* „ отметить что не существует характерной для всех компе-
Хны волокон, ниже которой они могут считаться <.коРОТЮ1,
’" списания длины рассматривают параметр, называемый кр1ь
(или неэффективноеё) длиной волокна. В параграфе 10.6 6удст
'что критическая длина волокна зависит от механических
хавактеристик матрицы и волокон, поэтому она изменяется в зависи-
мости от типа композита К примеру, волокна длиной 5 мм можно
считать короткими в одном композите и практически непрерывным,,
- в другом Механическое поведение очень коротких волокон всегда
определяется влиянием их концов, и поэтому армирование ими срав.
нительно малоэффективно
Промышленно выпускаемые короткие волокна обычно имеют стан-
дартную длину, варьирующуюся в зависимости от метода формования
изделия Типичная длина волокон, используемых для производства
полимерных композитов, приведена в таблице 10.1. Обратим внима-
ние, что при формовании детали длина волокон может значительно
уменьшиться по сравнению с исходной длиной.
Таблица 10.1. Длина коротких волокон
Материал Исходная длина (мм) Длина после формования (мм)
Полиэфир, эпоксид* 50 50
Полиэфир** 25 25
Полиэфир*** 12 < 4
Термопласты 3 < 3
•пропитка рубленых матов
••пластины, полученные инжекционным формованием
•••детали сложной геометрической формы, полученные инжекционным фор
мованием
10 м,ИТЫВая’ что В1Пичнь1й диаметр волокон равен приблизительно
КМ’ П° величине отношения длины к диаметру короткие волокит
ильно отличаются от частиц. Причем это свойство сохраняется и после
ллк'г» 0В^1 Я В результате которого может происходить дробление во-
орма волокон в композите, в котором полимерная маТР1013
10 J ^ина напряжения е s.
ня а волокнах 27 |V
была удалена выжиганием, приведена на рис ю ь v
чеи методом инжекционного формования и Ком™зит полу
кон вполне очевидно. Начиная мина во^окопТХв^Г
стогоа*<ма распределения волокон по даинам „ривеХ 6 Ги
г„стограмма показывает, что после формования « „ '°1Ь
рожденных волокон. Степень дробления волокон зав “
ных технологических параметров процесса, например X? ~
скорости сдвига, вязкости расплава и объемной доли^Хн
экструзии волокна могут повреждаться столь же сильно ХЛ™
инжекционном формовании. Например, после зкетрудИрооани^Т
плава полипропилена, содержащего 26вес.% стекловолокон адин^
мм. через отверстие диаметром 3 мм, средняя длина волокон снижает
ся до 0,5 мм, хотя длина некоторых волокон может составлять 2 мм
Таким образом, в материале волокна могут иметь большой разброс
длин в зависимости от типа волокон, матрицы и метода формования.
Отметим, что даже волокна длиной 50 мкм сохраняют некоторую спо-
собность к армированию.
^C‘ W-1. (а) — Фотография, иллюстрирующая разброс волокон по дли-
нам после инжекционного формования. Термопластичная матрица была
Удалена выжиганием, (Ь) - гистограмма распределения волокон по дли-
Нам начальная длина волокон 6 мм (Pennington, 1979).
Рис. 10.1. Продолжение
10.4. Ориентация волокон
Помимо длины волокон, еще одной чрезвычайно важной характерце
такой является их ориентация. Влияние ориентации на свойства ко-
ротковолокнистых композитов значителЛго, хотя и не столь велико,
как в композитах на основе непрерывных волокон.
Степень ориентации волокон зависит от метода формования При
использовании непрерывных волокон жесткость и прочность компо-
зитов могут управляться схемой укладки слоев. Армированные рубле-
ными матами листовые материалы по своим методам формования изот-
ропны в плоскости пластины. Однако свойства этих материалов в
плоскости листа и в перпендикулярном направлении (по толщине)
сильно различаются, и поэтому их называют случайно ориентирован-
ными е плоскости листа (2 D)
С другой стороны, при некоторых методах формования, гце еушс
ствует течение материала, неизбежно изменение ориентации волокон
Так происходит при формовании деталей сложной геометричеек
формы При формовании изделий переменного сечения, особенно ес
104 Орие,таЧШ1 волокон 273у
было несколько точек инжекции материала.
лична в разных местах. В этом случае свойства мате^™ волокон раз-
но изменяться в различных областях ОДНОП) и ^ГСрих1а “«гут замет-
Изменения ориентации волокон связаны со “ Изделия-
напримср, длиной и диаметром волокон мио*«этюм факторов,
рней орехе фтлфМЫ и особенностями течения
нии при многих технологических процессах pacZT, Ф°Р“°,И’
вергаетея продольному удлинению и сдвигу Влияние ЛОД'
на ориентацию волокон схематически нллюстрируетеяТс ТзТ”
удлинении расплава волокна пт^и^^ „ „д,,^’®^
НИЯ, в результате чего может быть достигнута высокая степеньТрХ
танин вдоль направления течения. При сдвиговом течении матеХ
есть тенденция к вращению волокон в направлении сдвига. Вязкость
матрицы также влияет на ориентацию волокон, поскольку от нее за-
висят поля сдвиговых и продольных деформаций потока
(С)
Рис. 10.2. Схематическое имтбровеште изменения ориентации волокон
"Ри течении потока; (а) случайное начальное распределение, (0) враще-
ние при сдвиговом течении; (с) ориентация волокон при удлинении
(Hull, 1981).
короткими волокнами
[74 Глава 10 Композиты, армированные
mita при литье армированного короткими
Типичные картины линий одно 1<ли 11нжекци
стеклянными волокнами поли^” ,03 рассмотрим литье через одно
НЫХ окна представлены на отверстие ои значите^
отверстие При прохождении расплава через к wu>Ho
удлиняется Вначале заполняется приповерхностная область формы, ко_
X образуй жесткую «кожу. Затем форма постепенно заполняете,
м~ом. который течет в основном через ее центральную
(рис 10 За) В результате устанавливается течение материала, связанное с
существенным удлинением в поверхностных слоях. Заполнение и твер.
дение центральной области происходит, когда форма заполнена практи-
чески целиком при условиях, отличных от условий поверхностных обла-
стей В результате создается поток, показанный на рисункеЮ.ЗЬ. Волокна
во внешнем слое ориентированы вдоль направления потока, в то время
как в центральной области оии имеют случайную ориентацию.
В случае инжекции через два отверстия линии тока имеют более
сложную структуру Есть «инжекция» потока через каждое окно, и в
центральной области формы волокна из двух потоков не смешивают-
ся, создавая ослабленную зону, которую называют линией сварки (рис.
10 Зс и 10 3d) В некоторых случаях поток может отразиться от дна
формы в результате чего эта область оказывается обогащенной волок-
нами (рис. 10.3с) Концентрация волокон может оказаться увеличен-
ной также вблизи инжекционных отверстий.
Изучение степени ориентации и длины волокон в различных обла-
стях пластины, полученной инжекцией через два отверстия, обнару-
жило значительное изменение этих параметров (рис. 10 4) Асиммет-
рия графиков обусловлена, возможно, различием течения материала
через инжекционные отверстия Изменение ориентации волокон в пла-
стине графически иллюстрируется рисунком 10 5 На этом рисунке
сплошные линии соответствуют волокнам, ориентированным в этих
направлениях, а штриховые линии представляют волокна, направлен-
ные по толщине пластины. Каждая линия соответствует 10% общего
количества волокон, а длина линии пропорциональна длине волокон.
Очевидно, что даже при самой простой форме детали существует
сложное распределение ориентации волокон. Как следствие, жесткость и
прочность материала сильно варьируются в соответствии с изменени-
ем ориентации волокон. Для деталей сложной формы очень трудно
заранее предсказать распределение волокон по ориентации, и, как след-
ствие, невозможно точно определить механические свойства различ-
ных частей детали. Поэтому механическое поведение материала обыч-
но описывают более простыми методами, рассматривающими
усредненные свойства композита.
Окно
Отвержденная поверхностная Продвижение фронта потока
область
Рис. 10.3. Линин тока при литье армированного короткими стеклянны-
ми волокнами полипропилена, (а) схематическое изображение процес-
са заполнения формы, (Ь) литье через единственное окно; (с, d) литье
через два окна (Akay, Barkley, 1985)
ты ррм-^ппые короли
Композиты. ар* г
волокнами
Глаоа Ю
Угол (град.)
(Ь)
Рис. юл. Распределение волокон по 1,3
ванного короткими стеклянными волок^““ 00)„м и дном п*с-
линии сварки, посередине между ин*с (Akay Barkley, 1985)
тины, (Ь) на линии сварки, у дна пластины (Акау,
Рис. 10.5. Ориентация и длина волокон в рай»чИУ точках пластаны
из армицопанного короткими стеклянными виижиамв ’"“""Р®®*’*'*
Штриховые линии прелстимжп волокна, направленныепо
пластины, длина линии пропорциональна длине волокон ( У’
-2Тв Гяа.а 10 Композиты. армироеонпыо коротки —оми
10.5. распределение напряжения в волокнах
„„„ анализе механического поведения армированных непрерывными
Z.H композитов в главе 7 влиянием концов волокон пренебре-
ТТои уменьшении отношения длины волокон к их диаметру /д,
X длина Л - диаметр), влияние концов волокон возрастает, а эф
Активность армирования снижается. Помимо влияния на жесткость
прочность концы волокон играют большую роль в разрушении ко-
ротковолокнистых композитов. Они влияют и на разрушение компо-
зитов, армированных непрерывными волокнами, которые при удли.
нении могут дробиться
Рассмотрим низкомодульный материал с одиночным волокном в
его объеме Предположим, что внешняя сила приложена вдоль волок-
на Если волокно имеет хорошую адгезионную связь с матрицей, при
растяжении вместе с матрицей будет деформироваться и волокно. Де-
формация матрицы и волокна различна из-за разницы в жесткости,
особенно вблизи кончиков волокна, где он деформируется намного
меньше, чем матрица (рис 10.6b) В результате различия осевых де-
формаций на границе раздела появляются сдвиговые напряжения, дей-
ствующие вдоль оси волокна. Сдвиговая прочность границы раздела
относительно низка и для полимерных матриц ее типичное значение
равно 20 - 50 МПа. Поскольку волокно может иметь достаточно боль-
шую длину, оно постепенно нагружается до напряжений, сравнимых с
его прочностью.
Результаты аналитического решения задачи о распределении на-
пряжения по длине волокна показаны на рис. 10.7. При решении пред-
полагалось, что волокно и матрица имеют идеальную адгезионную связь
и деформируются упруго. Растягивающее напряжение в кончике во-
локна равно нулю и максимально в его середине, а сдвиговое напря-
жение максимально у кончика волокна и снижается почти до нуля в
его середине Именно благодаря сдвиговым напряжениям происходит
возрастание растягивающего напряжения в волокне Теоретическое
решение было подтверждено экспериментальными исследованиями ме-
тодами фотоупругости и рамановской спектроскопии. На рис. 10.8 пред-
ставлено распределение осевого растягивающего напряжения в оди-
ночном полидиацетиленовом волокне при различных деформациях
матрицы. Экспериментальное распределение напряжения в волокне
подтверждает теорию (рис. 10.7).
(в)
Растяжение
Нагрузка
отсутствует
(Ь)
Рис. 10.6. Деформация низкомодульной матрицы вокруг волокна (а)
непрерывное волокно; (Ь) короткое волокно.
Рнс» 10.7. Изменение растягивающего напряжения в волокне и сдвиге
вого напряжения на адгезионной границе (Сох, 19 )-
Гл»'»
(10.4)
8
=0 99%
О
(10.8)
(Ю.2)
(10.3)
(10.5)
(10.6)
(10.7)
Г
10 6 Критическая длина волокна 28 I
F( = <г„дП74»
Гг = 1<ти +
F’=ClDdX „«вводе
Условия равновесия запись**3*
((к*)
04
38
1.8
3,5
0,2
0,7
0,5
1,8
0,005
I/O
190
20
20
35
35
105
40
140
10
е норотк^ <’0№К"а
,0Л1Ы- ог
Матриио
Си
N
Эпоксид
Эпоксид
Поликарбонат
Полиэфир
Полипропилен
Окись алюминия
Ко*»"3'
= 155%
По мере увеличения деформации гга ьапостыл напряжение в во-
е максимальное значение которого равно пределу его прочности
сунок 10.9а). Это напряжение достигается при критической дли-
локня h' Критическая длина волокна 1с определяется как мини-
длина, при которой возможно его разрушение и напряжение
М^^г величины ^(рис.10.91».
11 растягивающая сила в волокне =
...... ;е силы на границе раздела = mDlJI,
иван ЭТИ два уравнения, получаем.
Прир3-,ИВ"
lt = o„»/2T
едении неэффективной длины в уравнение 10.4 в качестве
При вычи подсгавля6м адгезионную *а wwyc прочность или проч-
величины СДВиге. Типичные значения ( и отношения IJD
ность матрицы при Л»
Приведены в таблице 10.2.
диина 1**1
1ИИ волокнавдольеголликывр»
вение осевой ^’“985).
5==-2Г^—
10.6. Критимеска ^^^олокие о^'
। „ мания волокна у ^еИие в в^
^Я формулой .
°” юн^вояокна- гв.ива^^йсии^*
иаР^Х7 "иг^ 'К‘,ИЧ^)ВОЛО,ОШ
L-X1- — ”/в ________________
Волокно
окись алюминия
Ьолчфримовое
борное
борное
углеродное
углеродное
стеклянное
стеклянное
SiC
------'-------------- чем В непрерыв-
Среднее напряжение в ко=мв— Ш
ном. Величина среднего на"^^ юии1е на волокно Вс
рис. 10.10 показаны силы, дейст^
сил определяется соотноше
Гweo
,0. км.о^. К«РО^ —
«•— Напряжение
-«I— Напряжение
л
Рис. 10.9. Влияние нагрузки и длины на распределение растягивающего
напряжения в волокне: (а) / > /0 ; (Ь) /= /„ . Распределения соответству-
ют двум различным деформациям матрицы е„ и е„ (е„ * £«Л 0V
предел прочности волокна.
<ттг = 4т(//2 - х)/О (10 9)
Заметим, что х измерялось от середины волокна, а сдвиговое напря-
жение г считалось постоянным.
Имеются три возможных соотношения между длиной волокна и
неэффективной длиной'
(а) / < /,
(Ь)/=/с,
(О / > /
Распределение напряжения по длине волокна для этих трех случаев
представлено на рис 10.11.
(а) /<
В этом случае напряжение в волокне не достигает предела его прочно-
c™. и разрушение композита может быть связано с разрушением мат-
рицы или отслоением волокон. Максимальное напряжение достигает-
ся в середине волокна. Подстановкой х = 0 в уравнение 10 9 получаем
°гт = 2г//Д.
(10.10)
Среднее напряжение в волокне ап определяем исходя из площади под
кривой зависимости напряжения от длины. Деля ее на длину волокна,
Случаем
Рис. 10.11 Распределение |mctmimi>i»ukto напряжения в коротком ь-
лоте; (а) / < /„; (Ь) / - (с) I > /0. Максимальное напряжение {а,} 8
среднее напряжение (а„) определяются уратятенняин 10.10-10.15
а„ = (l/2[2rI/DI})/t= tI/D. (Ю И)
№)/=/„
В этом случае напряжение достигает прочности волокна в точке х - О
^=^=2^0. °°
Среднее напряжение в волокне равно
(с) IУ k
10 6 Крит
°тг=Ч/д
U'№CK°’‘ длина
волокна
(10.13)
Максимальное напряжение достигается я „
на «'«тральной облас™^
an = 2rfyo.
Среднее напряжение определяется уравнением
Srr=K/-/c) + /c/2]aI//,
(10.14)
<Ъ “ П -
Согласно уравнению 10.15 и рисунку Ю 12 ' '
коротком волокне близко к напряжению в Вепревы™** HanpsareBltt «
дайна волокна значительно превышает кпитач,,-ВОЛОКНе-ес™
мер, при / = 5/. среднее напряжение Зп = ДЛИНу НапРи-
Рвс- 10.12, Опюшение среднего напряжения в коротком волокне а„ к
напряжению в не|||^1«аиюы волокне S„ в зависимое™ от длины.
10.7. Жесткость и прочность
Рассмотрим механические свойства композитов, армированных корот
кими волокнами Эти композиты по своей структуре можно разделить
на три класса
(а) Ориентированные системы
В композитах этого класса волокна ориентированы в одном направле-
нии В случае полимерных матриц это может быть достигнуто ручной
укладкой жгутов волокон Волокна могут ориентироваться также и пРи
формовании, например, при экструзии и палтрузни.
(b) 2-D композиты
В этих материалах волокна беспорядочно ориентированы в плоскости
пластины В армированных рублеными матами листовых материалах
единицей армирования является прядь волокон В меньшей степени
это справедливо и для литых пластин, в которых размер лучка зависит
также и от замасливателя, которым покрывают волокна.
(с) Случайно ориентированные волокна
На практике получить композит с истинно случайным распределени-
ем волокон чрезвычайно трудно Хотя при литье термопластов в це-
лом волокна могут быть иметь случайную ориентацию, при течении
может происходить их ориентация. Различные области детали могут
иметь различную степень ориентации волокон, что может существен-
но влиять на конечные свойства изделия
10.7.1. Жесткость
Коротковолокнистые композиты имеют более низкий модуль упруго-
сти по сравнению с материалами на основе непрерывных волокон
Волокна различаются по длине и имеют сложное трехмерное распре-
деление ориентации В общем случае описать распределение волокон
не удается, н существующие модели позволяют описать жесткость ком-
позитов для случаев однонаправленно и случайно ориентированньп
волокон и
(а) Ориентированные системы
Модуль упругости однонаправленного материала описывают прави
лом смесей, в которое вводят параметр эффективности армирования
Чы
'°'7 *<сИтесВ№ и
прочность
(10Л6)
где nL “ ' " ltanhKl/2W/w'/i)₽N’ U° 12)
p = ISGJE.jyin^R/D)!’" (10.18)
пьный модуль Юнга композита, 2R - расстояние между
- про» _ модуль сдвига матрицы, I - длина волокон.
> £ эффективный модуль коротковолокнистого матери-
“ E(„po~..l “ ПЛ^РМ»-!'
Рассчитанные по уравнению 10.17 значения в m
10 з При очень большой длине волокон коэффииХадСНЫ ' та6лице
ся к единице, и уравнение 10.16 сводится к правилу сме^йТбТТ
фициент эффективности высок, если длина волокна Г> Г п
системы углеродное волокно-эпоксид неэффективная щтинарта
мм (таблица 10.2). и t?l становится выше 0,9, если / > 1 мм ’
Таблица Ю.З.Значения параметра эффективности ц (Hull, 1981) hL
Материал Длина волокна, 1 (мм) Диаметр, D (мкм) Объемная доля vz
Углерод-эпоксид 0,1 8 0,3 0,20
1,0 8 0,3 0,89
10,0 8 0,3 0.99
Стекло-нейлон 0,1 И 0,3 0,21
1,0 11 0,3 0,89
10,0 11 0,3 0,99
Экспериментальные результаты для углепластиков, армированных
короткими волокнами, подтверждают теоретические выводы. Соглас-
но данным таблицы 10 4, при увеличении длины волокон от 1 до 6 мм
коэффициент эффективности (существенно не увеличивается. Заме-
тим что представленные в таблице 10.4 экспериментальные значения
коэффициента эффективности несколько ниже теоретических, что
объясняется неидеальной ориентацией волокон.
Еше один способ описания упругих констант композита ( .
и т.д.) состоит в использовании уравнения Халпина ая.
иости продольный модуль описывается формулой.
(10.19),
£„ = £.„ (|+ ° WJA1 “ w)’
уимвп 10.4. Экспериментальные значения ъо<ффнижт •Иппиккц „„
ориентированных углепластиков на основе коротких волокон и эпоксидной см "
модуль Е„ «ычиклмт при Е, - 390 ГПа (Dingle, 1974)
Объемная доля Теория Эксперимент _
Ч <ГПа> £п (ГПа)
0,49 194 155
0,32 128 112
0,42 167 141
где
>7 = KtyEJ ~ ЧЛ(Е</£в) +°i- (10.20)
но- фактор формы волокон, который в данном случае равен 21/D,
Ранее предлагалось, что эффективность армирования уменьшается
вследствие разориенгации волокон. Величина этого снижения Moxei
быть оценена путем измерения модуля композита при его нагружении
под углом к оси волокон. Результаты таких измерений прик/хны на
рис 10 13 Модуль упругости снижается при увеличении угла, однако
это снижение не столь сильно, как в случае непрерывных волокон.
4
6
Qweranw, в0ЛвК0к
10 7.
(Ь) Неориентированные системы
Неориентированные системы имеют распмлр
еКтаиии Эффективность армирования в это волокои по
еНтированных композитах Учет этого произ'^™ НИ*е’
фипиенга эффективности ориентации; ’ ю,’"“
А = ПЛ Е, ц + Em (1 - ч).
Значения коэффициента г)о, рассчитанные в поелпо '‘° 21)
поведения матрицы и волокон и равенства их дефор“И УПРУГОГО
в таблице 10.5. При переходе от случайного распХеТениЛ™^™
„и к случайному трехмерному распределению коэ^Х тХек
тивности армирования снижается почти вдвое. ФФ
Таблица 10.5. Значения коэффициента эффективности п для некто™.,,
ориентации волокон (Krenchel, 1964) °' некоторых схем
Рис. 10.13. Зависимость модуля Юнга стеклопластика на основе и®
сидной смолы от угла между направлением нагружения и осмо вам*
(Kaier et al, 1975, 1977, 1978)
0,80
0.87
0.84
„ оря'
О
0,375
0,2
Однонаправленная - продольная
Однонаправленная — поперечная
Случайная в плоскости (2-D)
Случайная трехмерная
(с) Переменная ориентация волокна
В композитах, полученных инжекционным формованием, ориентация
волокон изменяется по сечению детали Вследствие этого нужно очень
осторожно подходить к измерению свойств таких материалов, причем
общепринятый подход решения этой задачи пока не создан. Измере-
ние механических свойств путем растяжения вырезанных из детали
стержней может дать недостаточную информацию о материале, по-
скольку характер ориентации волокон может отличаться от детали к
детали, и нагрузка может быть приложена под различными углами к
ми ориентации волокон.
В попытке решить эти проблемы был предложен метод, при кото
ром определяются нижняя и верхняя границы свойств композита для
Различных ориентаций волокон в детали При этом подходе опрелеля
101 характеристики образца, например, модуль в направлениях вдоль
поперек направления инжекции материала. Верхняя и нижняя
Цы 100-секундного модуля ползучести представлены на ₽‘^ ,
секундным модулем ползучести называют напряжение, к
ходимо приложить к образцу, чтобы он удлинился
Рис. 10.14. Температурная зависимость верхней и нижней границы 100-
секундного релаксационного модуля при деформации 0,10% полиами-
да (нейлона), армированного короткими стеклянными волокнами
(Darlington, Smith, 1978),
секунд)- Согласно данным рис. 10.14, использование характеристик
изотропных образцов может привести как к существенной недооцен-
ке, так и к переоценке свойств детали, поскольку верхняя и нижняя
границы свойств материала сильно различаются.
В деталях сложной трехмерной формы ориентация волокон в од-
ном направлении по всему объему маловероятна. Весьма вероятна си-
туация, когда ориентированные в одном направлении волокна балан-
сируются другими областями, в которых материал ориентирован в
другом направлении. Таким образом, характеристики композита мож-
но определить усреднением свойств по областям с различной ориеи
тацией волокон. Такой подход позволяет получить вполне приемле
мое согласие между экспериментальными данными и результатами
расчетов методом конечных элементов для деталей довольно сложной
формы. На рис. 10.15 представлены данные, показывающие, что верх-
няя и нижняя границы существенно отличаются от эксперимента®
ных данных.
'О7*«иковдьияр()ч(10сть И|!
Верхняя граница,
стеклопластик
Отклонение (мм)
Нихн"« граница
стеклопластик
Расчеты
Стеклопластик
° Стержни
v Диски 90‘
△ Диски О*
“ Среднее
напряжений
ПП
О Стержни
Эксперимент
Рис. 10.15. 100 секундные зависимости силы m
пропилена (ПП) и ПП, армированного сгекловдлоХмГч П°™'
тальные данные для армированного пп ми d№pnMeH-
расчета методом конечньЛеме™ ио^Р‘~ми
ЕОЛОК" ‘в =-^5:
Jx Стеклопластик
•ПП
Об
10.7.2. Прочность
(а) Ориентированные системы
Описанная выше концепция среднего напряжения будет применена
для описания прочности ориентированных композитов. В ориентиро-
ванных композитах возможны два механизма разрушения - разруше-
ние волокон и их отслоение от матрицы. Волокна отслаиваются и вы-
таскиваются из матрицы, если I < /с, поскольку в этом случае напряжение
в волокнах недостаточно для их разрушения (рис. 10.11а) Среднее
напряжение в волокне определяется уравнением 10.11, а продольная
прочность композита может быть описана правилом смесей
оп = (r//D)v, + 5Тт(1 ~ ц), (,оИ>
где Чъ ” прочность матрицы.
В случае / > /с напряжение в волокне может достигать предела проч-
ности. Распределение напряжения в волокнах в этом случае соответ
П’вует рисунку 10 11, а среднее напряжение в волокнах определяется
Уравнением 10.15. Подставив среднее напряжение в правило смесей,
получаем прочность композита:
- ц) или
(Ю.23)
Глава 10 Композиты, армированные
Чг = еп|1-(//2/>)ч + «1
г„ = 2г//д/1 - (//2/1/0, + ст;
“IT
где o’ - напряжение в матрице при разрушении волокон. Испод^И
это уравнение для анализа влияния длины волокон на прочность 2/
териала Рис 10 16 показывает, что для коротких волокон длиной /<-
5/ прочность композита значительно ниже, чем при использован
непрерывных волокон Прочность возрастает при увеличении длин^
волокон, и при длине выше 10/ она достигает прочности композит?1
армированного непрерывными волокнами. d
Рис. 10.16. Влияние длины волокон на прочность композита.
Экспериментальные данные подтверждают выводы, сделанные на
основании анализа уравнения 10.23. На рисунке 10.17 приведена за-
висимость прочности от длины волокон для стеклопластика на основе
эпоксидной смолы при следующих параметрах системы ” 1,8 ГПа,
<тТл, = 91,5 МПа, D = 12,7 мкм и р, = 0,26). Наилучшее согласие с
теорией наблюдается если неэффективная длина /с равна 12,7 мм
Обратим внимание, что прочность приближается к прочности компо-
зита, армированного непрерывными волокнами, при /= 10/. При длине
волокон / прочность коротковолокнистого материала составляет при-
близительно 50% от прочности композита, армированного непрерыв-
ными волокнами (уравнение 10 23)
Рис. 10.17. Влияние длины волокон на прочность
армированной ориентированными коооттими ™ 3,’0KcvvlHuit смолы,
ми Штриховые линии соответствуют уравнеии£'мп?НЫМИ В0Л1Жка‘
значениях /. (Hancock, Cuthbertson, 1970) ° 23 п₽и рами'1ньи
Разброс по длинам можно учесть, складывая вклады в прочность
волокон различном длины. Самый простой подход состоит в суммиро
вании первых членов в уравнениях 10.22 и 10.23, учитывающих вкла-
ды волокон длиной ниже и выше I соответственно-
ctit = +^(2т/уО)(1 - /Д)ц + dm(l - ц) (10.24)
где Su + Sv = vf
При фиксированных значениях г, I, 1с и D согласно уравнениям
10 22 и 10.23 продольная прочность композита пропорциональна объем-
ной доле волокон Это утверждение остается справедливым и при на
личии разброса волокон по длине (уравнение 10.24). Линейное увели-
чение прочности композита при возрастании ц весьма типично для
композитов с полимерной и керамической матрицей. Пример такого
поведения приведен на рис 10.18.
Нелинейная связь напряжения и деформации может быть следствием
множества факторов, например, ползучести полимерных и металли-
ческих матриц или разброса волокон по длинам. Дисперсия длины
волокон приводит к снижению наклона кривой напряжение дефор
мация с ростом деформации. Другими словами, эффективность арми
Рис. 10.18. Линейная зависимость предела прочности композита медь-
вольфрам от объемной доли волокон диаметром 0,2 мм при температу-
ре 600“С Цифрами отмечена длина волокон в миллиметрах (Kelly, Tyson
1965)
рования уменьшается при увеличении нагрузки как показано на ри-
сунке 10.9. При низких напряжениях нагрузку несут все волокна, од-
нако вклад самых коротких при увеличении напряжения снижается.
Такое поведение иллюстрируется рис. 10.19
Рис. 10.19. Типичная кривая напряжение-деформация для нейлона, ар-
мированного ориентированными короткими стеклянными волокнами
(Bowyer, Bader 1972).
7 *есИкость ц .
При изменении угла мехцу воЛоЮими „ ®
ть1, армированные короткими „ непрям " Ю наг»«ния компт„
алогично (рис. 10.20). Поэтому волокнам,,, Мдаг °™я
,1ИЯ поведения прочности однопал^ "^"^нные Л1Я Описа’
непреры»ных волокон, применимы и к ко™“ К0МП03и«>в на основе
лам Эти критерии (максимального нанпХ?''0'™^™^ материа-
р^но описаны в главе 8, и эдесь их
Угол между осью нагружения и направлением укладки волокон (град)
Рис. 10.20. Зависимость предела прочности композита иа основе эпок-
сидной матрицы от угла между стеклянными волокнами и осью нагру-
жения (Kaier et al; 1975, 1977, 1978).
(Ь) 2О -композиты
Примером композитов со случайно распределенными волокнами «в
плоскости» пластины являются высокопористые углерод углеродные
материалы. Их структура иллюстрируется рис. 4.24. Волокна случано
распределены в плоскости ху, однако имеют преимущественьую
ентацию в перпендикулярных плоскостях zx и zy аспред
о 60 100
Угол ориентации (град)
0.8
Угол ориентации (град)
(Ь)
Рис. 10.21. Распределение волокон по ориентации в пористом углерод
углеродном материале, (а) случайное распределение в плоскости ху; (Ъ)
В плоскостях гх и гу волокна имеют преимущественную ориентацию
под углами 0-30' и 150-180" (Davies, 1992)
, ^миоованные короткими волокнами
Гмво Ю Кохтзиты
-г- О 61
08
локон по углу ориентации описывается рис. 10.21. Ориентация воло-
кон в плоскости ху отсутствует, однако в плоскостях zx и гу они ори-
ентированы преимущественно под углами 0-30° и 150-180°.
В разделе 4.4 3 отмечалось, что прочность композита понижена,
если материал растягивается перпендикулярно плоскости ху. Рассмот-
рим диаграммы сжатия композита и свяжем их с микроструктурой
материала. Если материал сжимается по оси Z, на диаграмме наблюда-
ется протяженное плато (рис. 10.22а). В области АВ деформация обра-
1 2
го? v-
"'’“‘"'«тн
1 О
06
| Об
00
(а)
04
ё
02
00
О 04
<5
02
06
10
12
Относительная деф,риг1.„,
ОТ™“—.Аефоризд,
<Ы
Рис. 10.22. Связь напряжения и деформации при сжапш высокопорис-
того углерод-углеродного материала, (а) сжатие параллельно z-оси, (Ъ)
сжатие вдоль осей х или у (Davies, 1992).
тима и связана с упругой деформацией волокон, ориентированных
преимущественно вдоль оси г. Плато ВС связано с прогрессирующим
разрушением этих волокон, а область CD соответствует упругой де-
формации волокон и матрицы в плоскости ту Кривые сжатия образца
вдоль х или у-направлений (рис. 10.22b) имеют лишь две области
деформирования. Область АВ связана с упругой деформацией мате-
риала в плоскости ху, а ВС — с разрушением волокон в этой плоско-
Глава Ю. Композиты.
^рмировонные короткими волокнами
г-тиоуют различие механических свойств мате-
сги Эти лунные лемонстр " локон v „ в перпендикулярном напраВ-
риала в плоскости укл
лении композиты на основе полимерной матрицы. Арми-
рассмотрим 21>-ком * является прядь волокон, состоящая обыЧНо
руюшим элементом пряди в плоскости пластины рас.
из 400 "аР^еЛЬН‘’,Хочно вследствие чего в этой плоскости она явдя.
пределены ’ ной Неэффективная длина таких прядей
ется практически выше неэффективной длины моноволокон. Эго
примерно в zu Р пучка по сравнению с Диаметра
отражает бол „е, прядь вытаскивается из матрицы при
моноволокиа Как еледс^ монов£)локна
601НЯ Г Ю23 приведена типичная кривая деформирования компо-
зита на основе полиэфирной матрицы, разрушающейся при удлине-
нии приблизительно 2 %. На кривой можно отметить три характерные
точки При малых деформациях материал деформируется линейно. При
деформации 0,3% наблюдается отклонение от линейности вследствие
разрушения поперечно-ориентированных волокон. При деформации
0 7% происходит второе изменение наклона кривой вследствие рас-
трескивания матрицы Дальнейшее удлинение ведет к прогрессирую-
щему отслоению волокон и разрушению матрицы вплоть до катастро-
фического разрушения материала при деформации 1,5—2,0 %.
Рис. 10.23. Кривая растяжения композита, состоящего из полиэфирной
смолы и 17об.% волокон (Johnson, 1979).
iO ~f \L/
u
"н^сущ"^ “дайной
- ,^СТВУСТ оДнако
предсказывающей прочность г- .
Тс°Ри ’ воЛОКон «в плоскости» пластины,
cpBevrTaU эМпирические подходы, основанные на использовании пра-
ПреДел прочности композита оТс описывается формулой
е,с1а С а = К, ПА,т>г (1025)
оэфФиЦ'4еНТ °Риентационной эффективности (уравнение
пе Яо v коэффициент эффективности армирования, описывае-
К -- <7|TI”l’°")~<r'm(l-U,)
O^ITlHenpepmH) ~ «Т'^ (1 - Ц )
(10 26)
1/,13ффиииенты n0 и К, определены лишь для нескольких схем ориен-
волокон- Реально наблюдается отклонение от теоретических
значений, и поэтому уравнение 10.26 используется сравнительно не-
часто
(с) Переменная ориентация волокон
к этому классу относятся композиты, получаемые мстодом и„
„иного формования. Как отмечалось выше, течение может XX
к ориентации волокон, которая изменяется по объему детали Хедж
тер ориентации волокон зависит от количества точек инжекции (рис
10 3) и от условий процесса, влияющих на течение расплава Обычно
детали имеют области с локальной ориентацией волокон Прочности
литьевых материалов вдоль и перпендикулярно направлению инжек-
ции приведены в таблице 10.6. Обратим внимание, что в отличие от
армированных материалов, композиты, наполненные стеклосферами,
практически изотропны.
Пока не развиты надежные методы предсказания ориентации воло-
кон. самый безопасный метод описания свойств состоит в определе-
нии верхней и нижней границ прочности материала. Эти границы со-
ответствуют прочности композита вдоль и поперек направлению
преимущественной ориентации волокон, а расчет детали осуществля-
ется исходя из нижней границы прочности. Конечно, такой подход к
проеетированию может приводить к излишней перестраховке при рас-
чете конструкции. При расчетах детали более предпочтительным яв-
ляется использование упругопластического анализа разрушения, а не
критериев максимального напряжения или максимальной деформа
цпи
(d) Дефекты
Как и другие материалы, композиты обычно содержат дефекты, кото-
рые могут приводить к заметному снижению их механических харак-
теристик Например, армированные пластики содержат небольшое
количество мелких пор, которые приводят к значительному сниже-
нию прочности материала (рис. 10.24). Обычно содержание пор не
превышает 5%, хотя специальными методами содержание пор может
быть снижено до 0,5% Детектирование дефектов в композитах мето-
дами неразрушаюшего контроля будет рассмотрено в заключительной
главе этой книги
Литература
Общая
Chawla, К. К (1987) Composite Materials - Science and Engineering, Sponger-Verlag,
New York.
ASM (1987) Engineered Materials Handbook, Vol. 2, Composites ASM International.
Специальная
Akay, M and Barkley, D (1985) Composite Structures, Vol. 3, p 269.
Bowyer, W || and Bader, M (1972) J Mat Sa., 1, 1315
Cloud. P J and McDowell, p r
properties, Plastic Des Forum ’ ' ™ Пе EAas
3“6<,чи JO1
Cox, H L (1952) Bril J Арр/ Phys $
parlington, M. W and Upperton p
VA^. VO! з’. ;nd97Sm,'h- ° '< <">78) le, 35
SeX>ne L^on2Un*vePrei ”“Й' CoUege of
Dingle. L. E. (1974) Aligned diswntlnu„,K _ hno10® and
Carbon Fibres their Compm^A^'°* ,
Hancock. P and Cuthbertson, R c < "
Hull. P . (1981) An Introduction to ' 5- ™
Johnson, A F (1979) Engineering p U"^ Press
federation, London 7 CRJ> Bnnsh рЫ|и
Kaier L, Narkis, M. and Ishar, о (ютеч „ ,
Sc. . 17, 234. (1978) PDlm Eng & ’S- 5«- 532. U977)
Kelly. A. and Tyson, W. R. (1965) Fibre-strenm',,,. л
Denols, (cd V F Zackay), Wiley and Sons 7 578 ,n "«* Strength
Pennington, D (1979) PhD Thesis, University of Lrvcmool
Krenche! H (1964) Fibre Reinforcement, Akadermsk Forlan с к
Potter R T (1989) Concise Encyclopedia of Cnmn . 4Knhai!en
Xamon Press, P 248. °Z C°m₽»"e «огепоб. (ed. A
Young R ’ Gallons, C and Batchelder. D N (19RS1 м
m all polymer composites, 6th Int Conf on Def Field and^?T °f f,bre slrain
rract., Cambridge, UK.
Задачи
10 1 Однонапранленный композит содержит 40 об % углеродных
локон длиной 2 мм и диаметром 7 мкм и 60 об.% поликарбонат
ной матрицы. Предел прочности волокон и адгезионная проч
ность границы раздела матрицы и волокон при сдвиге равны 2 5
ГПа и 12,5 МПа соответственно. Вычислить критическую длину
волокна /с и оценить прочность композита при растяжении, если
напряжение в матрице при разрушении волокон равно 30 МПа
102 Объясните, почему жесткость армированных короткими волок-
нами композитов ниже, чем жесткость композитов с ненрерыв
ними волокнами при той же самой доле волокон.
Вычислить продольный модуль упругости Еи композита, если
содержание волокон равно 42 об.%, модули Юнга волокон и мат-
рицы равны 390 ГПа и 5,5 ГПа соответственно, а коэффициент
эффективности Т1[ равен 0,84.
ГЛАВА 11
МЕХАНИКА
РАЗРУШЕНИЯ
ц.1. Введение
,„й главе даются обшие представления о механизмах разру
В "Ти методах увеличения вязкости разрушения композиционна
“т~в При рассмотрении первого вопроса предполагается, что
является линейно-упругим, и поэтому можно использовать
М механику разрушения (ЛМР). Этот подход предполагает
ПЫИРЙНУЮ McXdHMKJ
™ вХиапе всегда имеются трешины, и рассматриваются условия,
X которых они начинают распространяться. Основной характеру,
такой материала при таком подходе является энергия Gc, которую
необходимо затратить на создание новой поверхности в процессе рас-
пространен™ трешины. Часто рассматривают не непосредственно эНер.
гию (вязкость) разрушения, а связанный с нею параметр называе-
мый критическим коэффициентом интенсивности напряжения.
11.2. Энергетический анализ
При растяжении материала производится механическая работа, кото-
рая запасается в образце в виде энергии упругой деформации. В про-
цессе распространения трещины происходит освобождение этой энер-
гии с одной стороны, и ее расход на создание новой поверхности - с
другой
Рассмотрим упругий образец, содержащий трещину длиной а. При
приложении к нему силы Р нагрузка возрастает пропорционально де-
формации как показано на рис. 11 1. Из этой кривой можно опреде-
лить податливость образца С, определяемую как
С=и/Р, (111)
где и — удлинение
Если длина трещины увеличилась на da, площадь ее поверхности
возросла на величину В da, где В — толщина образца. Пусть изменения
силы и смещения равны dP и du соответственно. Рассмотрим измене
ние упругой энергии образца
Начальная энергия равна работе, производимой в
деформировании образца. Эта работа равна вдощад„ СИЛ°Й При
смещение на рисунке 11.1: Щ = (1/2) Ри ади ™>Д кривой сила-
Конечная энергия равна площади под птакти™„-
сунке 11 1 </2 = (1/2)(Р + йР) (и + “рИОИ ~ «а ₽и-
При увеличении длины трещины внешняя работа равна V3 = <₽ +
+ dp/2) da Таким образом, изменение упругой энергии
НО dG - и 1 + V2 из - (1/2)А - (1/2)(р + d/>) (и + du) + (р +
+ dP/2)da = (l/2)(Pdu- ийР) ’ (P +
Определим скорость высвобождения упругой энергии G.
1 сШ _ 1 f da dPA
В d7~BV da^doj' <и-2)
Дифференцированием уравнения 11.1 получаем
pJd£ = pd«_udP
da da da
Подставим соотношение 11.3 в уравнение 11.2
dC = “2 АС Ul йС
2В da~ 2ВС2 da 2ВС da
(ИЗ)
(114)
Величину dC/da можно найти экспериментально, определив зависи-
мость податливости С от длины трешины а. При старте трешины вы-
полнено условие
G= Gc,
^304 Глава Н Механика разрушения
где G( называется критической скоростью высвобождения упругоц ЭНе
гии Как следует из уравнения 11 4, Gc можно определить, если изм^
рены величины Ри 6/1 при начале роста трещины и известно dC/<^
Упругая энергия расходуется на создание новой поверхности п °
распространении трещины Для идеально хрупкого материала велич₽И
на Gc равна удвоенной поверхностной энергии (у) в расчете на едини
цу площади'
Сс=2Г = (U.S)
Деформация большинства материалов вблизи кончика трещины «
ется неупругой. Поскольку при пластической деформации Marer^
происходит дополнительная диссипация энергии, обычно Л и, ада
намного
превышает величину 2у и
Рассмотрим двухконсольную балку (ДКБ), показанную на рис
Прогиб упругой балки с заделанным концом под действием п 2
женной к ее концу силы описывается формулой:
4а'Р
и = - ,.
EBD
Таким образом, податливость двухконсольной балки равна
г_ 8с' dC 24о2
EBD da EBD'
Используя уравнение 11.4, получаем
с _ ПР2а2 _ ЗЕО'и2 = £/1ЛЗ Л
ЕВ2В' 16а4 В а) ( II.6)
Рис. 11.2. Образец в виде двухконсольиой балки (ДКБ).
3 Кощ
1це^ ^ения
При увеличении длИНЬ1
фиксирована нагрузка В, „ уменьшав™?"1’ С увел.,.,
и Можно выбрать такую геоме™ ’ ™ Фиксивом» ’ ли
постоянной и не зависела™^
ценной силе. Пример таких испыгаЛ^^ п₽и постоянной 6b““
^ае величину G можно определиП3 ВХм
с_3(1 + д),>
2EB DB
ше Р. Е и р - сила, модуль Юнга „ коэффициент п
ственно, / и б - размеры образца (рис Ц ъ в 1уассона соответ-
вычетом глубины бокового выреза. с Т0Л1цина образца за
Рис. 11.3. Образец с трещиной, ис илыккмыи методом четырехточеч-
ного изгиба, для которого G не зависит от длины трещины а Боковой
вырез определяет направление распространения трещины.
11.3. Концентрация напряжения
В некоторых случаях невозможно определить податливость образца и
необходимо рассматривать локальные напряжения вблизи кончика
трещины Трещина является концентратором напряжения, и при при-
ближении к ее кончику напряжения возрастают, как показано на рис.
114 Согласно теории упругости, напряжения в точке (г, 0) около кон-
чика трещины описываются уравнениями
<7 , =-7£=COS^(l+Sin^COs|e),
2 2 2
а =-^cos^d-sinlecosle), !!
г 2 2
I Рис. 11.4. (а) Система координат, (b) зависимость напряжения в кончи,
ке трешины от г
г =-Д=(СО8- 0sin|flcos^fl)
” TzT 2 2 2
1 где К — коэффициент интенсивности напряжения. Все компоненты на-
пряжения в кончике трещины прямо пропорциональны К. Обратим
| внимание, что при приближении г к нулю напряжения стремятся к
бесконечности. Величина Л" увеличивается при возрастании нагрузки,
| следовательно, одновременно увеличиваются и локальные напряже-
। ния. Трещина начинает распространяться, когда К достигает значения
. Л^, которое называют критическим коэффициентом интенсивности но-
' пряжения. Величины бс и Кс характеризуют вязкость разрушения ма-
териала. Можно показать, что они взаимно связаны, и для изотропно-
| го материала в условиях плоского напряженного состояния выполняется
соотношение
= EGC (11.8а)
Соответствующее уравнение для плоской деформации имеет вид
„ . EG <
= (11.8b)
' Разница между уравнениями 11.8а и 11.8b незначительна, поскольку
типичное значение коэффициента Пуассона р равно 0,2-0,35, и, сле-
довательно, величина /? не превышает 0,1.
Для бесконечной пластины, содержащей трещину длины 2а (рис.
115), имеем
К2 = па2а. (11.9)
| Следовательно, вязкость разрушения описывается формулой
па‘а
Е
(11.Ю)
Обратим внимание, что при начале пасппт™
равно пределу прочности материала а и G= с маНеНИЯ '1рещинь1 о
115, получаем F Gc Используя уравнение
(11.11)
Это уравнение называют критерием Гриффица.
Если длина трещины сравнима с шириной образца, в уравнение
11 9 вводят поправочный множитель.
№ = У2<т2о, (11.12)
где У - коэффициент, зависящий от длины трещины и размера образ-
ца Значения коэффициента У для методов испытания, иллюстрируе-
мых рисунком 11.10, приведены в таблице 11.1.
Для анизотропных материалов уравнение 11.8а записывается в виде
(11.13)
гае 5и и т. д - элементы матрицы податливости (глава 7). Величина
коэфициентов У примерно такая же, как и в случае изотропного мате
Риала
Таблица 11 1. Значения поправочного ксоффиии нечную ширину образца учитывающего ко. '' ~—-
Ф'Р иг ДКТ ОКТ нот н/о=0Д ЧИ ОКТ
S/D = 4 S/D^
0,05 0 I 3,17 3,20 3,97 3,99 4 05 4,42 3,60 3,43 3,05 3,44 3,24
0,15 3,25 3,99 5.05 3,41 2,97 3,19
0,2 3 30 3,98 5.92 3,49 3,02 3.26
0,25 3,37 3,96 7,10 3,68 3,16 3,42
0,3 3,48 3,96 8,69 112,4 3,97 3,41 3,69
0,35 3.62 3,97 10,86 121 0 4,38 3,79 4,08
04 3.81 4,01 13,94 132,3 4,97 4,33 4.65
0 45 4,06 4,10 18,44 153,8 5,81 5,11 5,46
0.5 4,38 4,23 25.16 182,3 7,03 6,26 6,65
0,55 4,80 4,43 35,36 246,5 8,82 7,95 8,40
0,6 5,32 4,71 51,03 302,8 11,47 10,49 11,00
ЦТ центральная трещина при растяжении (рис. 11 10а),
ДКТ- двойная краевая трещина при растяжении (рис 11.1Я>),
ОКТ одиночная краевая трещина при растяжении (рис П Юс),
НОТ - нагружение в одной точке (рис II 10g)
ЧИ - чистый изгиб
ОКТИ - одиночная краевая трещина при изгибе (рис 11 10d) (Williams, 1984)
11.4. Дополнительные параметры,
характеризующие вязкость разрушения
11.4.1. Зона предразрушения
Катастрофическому распространению трещины предшествует микро-
разрушение в кончике трещины (рис. 11.6). Если некоторый процесс
микроразрушения (например, отслоение волокон и т.д.) начинается
при напряжении о; „ размер области протекания этого процесса rD оп-
ределяется из уравнения 11.7:
Kl
(11 К)
Линейная механика разрушения может использоваться, если размер
зоны предразрушения rD намного меньше размеров образца В и О
Согласно рисунку 11.7, для тонких образцов вязкость разрушения имеет
аномально высокие значения. Общий критерий применимости рас-
сматриваемого подхода можно записать в ваде
B,D*a>2HW. (П15)
Для корректного определения величин или Gt образец должен быть
тем толще, чем выше вязкость разрушения материала (прочность счи-
тается неизменной).
11.4.2. Раскрытие трещины
Помимо параметров Gc или 1Q, величина взаимного смещения бере-
гов растущей трещины также характеризует вязкость разрушения ма-
териала. Раскрытие трещины в ее кончике обозначают символом &
При растяжении образца берега трещины удаляются до тех пор, пока
не достигается критическое значение <5С, после чего начинается рас-
пространение трещины. Критическое раскрытие кончика трещины 8С
часто используется для описания вязкости разрушения металлов. Связь
между 5с и вязкостью разрушения 6С описывается формулой
йс = Gt/<TB = XcVt&J.
и„ко ₽в’1»’в“'и“Я
. „ Мех"11"'0
Гла“> 1
на-
вс
Толщина образца
Ряс. 11.7. Зависимость критического коэффициента интенсивности
пряжения от толщины образца.
Обычно величину 6 измерить непосредственно в кончике трещины не
удается, и поэтому измеряют смещение основания трещины И, а за-
тем вычисляют S по формуле, приведенной на рис. 11.8.
М
г1**'
а»
SSSSSSSL
С1
!Л/
;(1У а) |
/И
ее КО1
смеш«’ием
10}
1 5. Инициация разрешения
триМ, как иожно определить вязкость разрушения при инипи-
рдссм0 трещины. Величина К, может быть определена путем испы-
цро₽а',И,разцов с различными длинами трещины а. Измерив разруша-
ртИМЯ ° ря)кецне Of, можно построил, величину оД1 в зависимости
щщее на”' дданы трешины <г' (уравнение И VI) Если вязкость раз-
от обРаЧ” 1Шйется константой материала, зга зависимость имеет вид
Плинии. из наклона которой вычислят коэффициент К<. Ее-
1,ряМ°й пи СПР1Тания полиэфирной смолы, армированной случайно
зульта™ и ми стеклянными волокнами, приведены иа рис. 119
0риетпЧРов® на прямой, получаем 1^=5,5 МПа м’« и Gc= 5 кДж/
ысхоДЯ »’3 н вязкость разрушения неармированной полиэфирном
> м ^Хного ниже: 0,6 МПа м* и Gc= 0.12 кДж/м-.
160
140
120
* 100
о
о ОКТ
• НОТ
60
40
20
500 500
100
о
200 iUU ’
К.=5 6 МП»»'"
“•* (*‘Ч тс
г П01даФ1ч>н(*
-да«‘,ь,МИ „„„-но JgV"
Рис. 11.9. Определение коэффициента
смолы, армированной случайно ориентированны™.. _
локнами, исходя из наклона прямой (любезно предоставлено
hams).
11.6. Удар
Многие механические свойства материалов зависят от скорости де
формирования, причем, как правило, при увеличении скорости на
гружения вязкость разрушения снижается Ударная стойкость комцо.
зита при высоких скоростях нагружения может быть определен
стандартными методами, используемыми для испытания изотропн Я
материалов например, испытанием по Изоду При этих испытани^
нужно использовать образцы стандартного размера, поскольку р^у
тэты зависят от размера и формы образца
Используем описанный в пара!рафе II 2 энергетический подх
Из уравнения 11 4 имеем
U\ = СВОф,
(И 17)
ГДе0 = C/(dC/d(a/ОУ) - коэффициент, аналогичный описанному выше
коэффициенту Г Значения ф для трех методов испытания, иллюстри-
руемых рисунком И 10. приведены в таблице 11 2 Для определения
величины Gl строят зависимость энергии разрушения при ударе Ul от
ВОф и определяют наклон прямой как показано на рисунке Н.ц
116 Пар
Таблица 112. Значения калибровоч
w трех способов уДарНЬ1х испытан» ° Коэ*ииента „
из D ширина образца (Ша1ж , - Дл„На (ура^ ц
------------------ ’*• ^на обра,
Калибровочный коэффициент Г? "
_______________У 4 ф -
a/D L/D-S
Tos 1,383 0,782 0.576 1.996 ' VD = 10Г U> = 12.
0.1 015 1,101 0.789 1,424 3.231 ~ 1.748 1.234 3.846
02 0,469 0,624 1,005 2.070
025 03 0 35 04 0 45 05 0 55 Об получе 0.402 0,354 0,318 0,287 0,260 0,234 0.210 0,187 но интерполяцией 0,520 0 446 0.389 0,343 0,302 0,266 0,234 0,205 значений' 0,781 0,639 0.538 0,461 0,398 0,345 0,298 0.257 0,222 У 0,942 0,761 0,633 0,535 0.455 0.388 0.331 0,280 0.239 1,438 1,100 0,880 0,724 0,605 0,500 0,430 0.362 0,304 0,255
к^ибровочныи коэффи^ ударных и1ттшш ~
о/Р L/D 4 2/0 = 6 2/0=7 2/0 = 9 6/0 = 11
0.05 01 1,738 1,060 1,990 1,165 2,125 1,230 2,500 1,360
015 0,748 0,834 0,874 0,953 1 050
0,2 0,600 0,624 0,670 0,730 0810
0 25 0,511 0,540 0,555 0,600 0,679
03 0,452 0.480 0,489 0,519 0,587
0 35 0,410 0,438 0,447 0,473 0,525
04 0,387 0,410 0,420 0,441 0,478
0,45 0.370 0,391 0,398 0,419 0,440
05 0,360 0,379 0,385 0,399 0,411
Калибровочный коэффициент ф дм одиночной краевой трещины
a/D L/D = 4 2/0 = 8 2/D= 16 I/O = 24
0.04 12,50 24,99 49,96 74,93
0.08 0,1 5,93 4 57 11,83 909 23,62 18,14 35,41 27,18
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 1.77 0,87 0,48 0,28 0,18 0,12 3,46 1,64 0.84 0,44 0,25 0,13 6,83 3,18 1,55 0,76 0,38 0,15 10,21 4,71 2,27 1,08 0,51 0,17
11.7. Медленный рост трещины
Медленный рост трещины может происходить при значениях К, не
достигающих критического значения /Сс Зависимость скорости роста
трещины v от величины К обычно описывают эмпирической форму-
лой
ъ = АК\ (11-18)
гае п - константа.
Зависимость о от К может быть измерена различными методами,
но удобнее всего использовать образцы, в которых критическая сила
не зависит от длины трещины Например, можно использовать метод,
изображенный на рис 11.3 Зависимость скорости медленного роста
11 7 Медленный рост трещины 3
ицЫ о ОТ К часто используют дм описания влияния окружающей
тре111 риС 1112 иллюстрирует влияние различных жидкостей на свой-
среЯЬ’ ценной двуокисью циркония окиси алюминия. Отметим, что
СТ83 У тированном значении К в зависимости от типа жидкости ско-
при Ф1 шииы может изменяться на два десятичных порядка величи-
рость4^
н11' 11 1S позволяет предсказать срок службы детали под на-
’1 _ Спок службы I, состоит из времени зарождения трещины t, и
[рузкой критического размера |р, при котором начинается
Устойчивый рост
Rawlings, 1992)
Любая деталь всегда имеет внутренние дефекты и поэтому време-
нем зарождения трещины можно пренебречь
Время роста трешины длиной о„ до критического размера at может
быть получено интегрированием уравнения
Выразив Л'с помощью уравнения 11 12, получаем
1 2 / (2-ЯУ/2
-т------------т(°о -°C
Обычно а » о„ и л > 10, и поэтому вторым членом можно пренеб-
речь
1 2
AY'a" п-2
Аналогично выполняются усталостные испытания, в результате ко-
торых получают зависимость удлинения трещины за один цикл нагру-
жения (do/dA) от амплитуды изменения коэффициента интенсивнос-
ти АЛ' Такие кривые для композита с полимерной матрицей приведены
на рис 5 23 Для определения срока службы материала можно проин-
тегрировать эту зависимость, как описано выше для случая медленно-
го роста трещины под действием статической нагрузки
В этой главе критический коэффициент интенсивности напряже-
ния и вязкость разрушения обозначались символами и Gc, в то
время как в предыдущих главах использовались обозначения и Glc.
Нижний индекс определяет способ распространения трещины. Ин-
декс I означает, что образец растягивается и трещина раскрывается
перпендикулярно ее плоскости (рис И 13а) Индексы II и III соответ-
ствуют сдвиговому и антисимметричному сдвиговому распространи
нию трешины (рис 11 13 b). Коэффициенты интенсивности при этих
механизмах разрушения обозначаются А"|1( и А(1ИС (рис. 11.13с).
Разрушение композиционного материала может быть весьма слож-
ным, даже если образцы имеют относительно простую форму, а на-
грузка является растягивающей Как иллюстрируется рисунком 11 W,
в композиционном материале одновременно могут реализоваться все
три механизма роста трещины.
!а1Мсм1 |Ь)М<№11
в матрице
(b> Растрескивание при изгибе
Рис. 11.14. Схематическое изображение механизмов ми^орадп™1™
в однонаправленном композите с хрупкой матрицей при растяжении
(а) и изгибе (b) (Evans, Marshall, 1990)-
11.8. Механизмы диссипации энергии
11.8.1. Введение
В этом параграфе будут рассмотрены механизмы поглощения энергии
пои разрушении композита Подчеркнем, что диссипация энергии
обычно осуществляется сразу несколькими механизмами, хотя один
из них может быть доминирующим Как будет показано ниже, дисси-
пация энергии зависит от следующих факторов
(а) размера, морфологии и объемной доли наполнителя;
(Ь) прочности границы раздела фаз;
(с) свойств матрицы и наполнителя,
(d) наличия фазовых переходов в наполнителе
Вследствие чувствительности механизмов диссипации энергии к этим
параметрам, доминирующий механизм зависит от типа материала, в
некоторых композитах ситуация настолько сложна, что основной ме-
ханизм поглощения энергии определить не удается.
11.8.2. Искривление фронта трещины
Наполнитель, находящийся в области кончика трещины, изменяет гео-
метрию ее фронта, снижает концентрацию напряжения в матрице и,
как следствие, препятствует распространению трещин ы Различают два
основных механизма изменения геометрической формы трещины, а
именно искривление фронта и отклонение трещины
Искривление (изгиб) фронта трещины обусловлен высокой прочно-
стью наполнителя (рис. 1115) Фронт трещины изгибается между час-
тицами наполнителя как показано на рис 11 15, в результате чего ко-
эффициент интенсивности напряжения К уменьшается в области между
частицами и увеличивается на частице При нагружении величина Кв
наполнителе возрастает до тех пор, пока она не достигает критической
величины, и тогда трещина прорывается через частицу и начинает рас-
пространяться
Влияние изгиба фронта трещины увеличивается с долей наполни-
теля и зависит от взаимодействия трещины с наполнителем, которое
определяется его вязкостью разрушения и адгезионной прочностью
(рис 11 16) Как следует из рис 11.16, степень изгиба тем выше, чем
больше отношение длины к толщине частиц.
Рис. 11,15. Увеличение вязкости разрушения вследствие искривления
Фронга трещины, (а) фрон трещин приближается к волокнам, (о) изги
Фронта между волокнами.
Объемная доля наполнителя
Рис. 11.16. Теоретические кривые демонстрирующие влияние объем
ной доли прочности и отношения длины к толщине (Л) дискообразных
частиц на вязкость разрушения композита (Faber, Evans, 1983)
11.8.3. Отклонение плоскости трещины
Введение наполнителя часто приводит к появлению множества неров-
ностей на поверхности разрушения Это означает, что фронт трещины
становится неплоским, как схематически показано на рис 11 17а и 11 17b.
Рассмотрим распространение трещины под действием нормальных
растягивающих напряжений, т е по моде 1 В этом случае отклонение
плоскости трещины приводит к появлению сдвиговой (мода II) и ан-
тисимметричной сдвиговой компонент деформации (ill). Критичес-
кие значения KliC и обычно значительно выше, чем и поэтому
появление сдвиговой компоненты в распространении трещины спо-
собствует возрастанию вязкости разрушения композита Считается, что
основным механизмом увеличения вязкости разрушения является по-
явление компоненты антисимметричного сдвига (III).
К неплоской форме поверхности разрушения может привести вли-
яние наполнителя на поле напряжений вблизи кончика трешины
Например, неровности могут появиться вследствие остаточных напря-
жений, обусловленных различием коэффициентов теплового расши
рения матрицы и наполнителя. Амплитуда неровностей поверхности
Я5:12
(С)
Рис 11.17. Механизмы отклонения фронта трещины (Faber. Evans, 1983)
Разрушения возрастает при увеличении отношения длины частив
’олшине (рис 11 17с и 11.18) а также при увеличении
Наполнителя Отметим, что иязкость разрушения возрастает лишь п
степенях наполнения ниже 0,2 (рис. 11.18).
Рис. 11.18. Теоретические кривые, демонстрирующие влияние объем-
ной доли наполнителя и отношения длины к толщине стержнеобраз-
ных Частин на вязкость разрушения композита (Faber, Evans, 1983)
11.8.4. Отслоение волокон
Отслоение наполнителя (рис 11 19) связано с созданием новой повер-
хности Площадь отслоения может быть очень большой, и поэтому
общая энергия образования новой поверхности может быть весьма
значительной При отслоении могут появляться и другие каналы по-
глощения энергии Вычислим энергию отслоения волокна И^, счи-
тая, что она равна энергии, освобождаемой при разгрузке волокна
Пусть отслоение происходит на длине / волокна диаметром D. Тогда
- W х (объем отслоенной части волокна),
где )F= а!/(2£() - удельная плотность энергии деформации волокна
(те энергия единицы объема) С учетом объема отслоенной части
волокна получаем:
... nD1 <4 4г1г Y,
И'п = -— I <т-------d/
8£, Ц D )
Энергия максимальна, если растягивающее напряжение равно пре-
делу прочности волокна аТГ Это условие выполнено, если длина во-
локна / становится равной половине критической длины 1С
/=£=£п£
2 4г
’,гии"П^трт,Иии
Рис И 19 Отслоение частиц
тревдиТ"' WC"M"W«W,
где г сдвиговая прочность границы рВДсла .
выражение оцениваем величину максимальна Исп°лиуя это
локна “ftpa6°™ доения во-
48Е
(И 19)
В расчете на единицу площади композита
том объемной доли волокон и равна:
энергия отслоения с уче-
W =
*v Dfmax)
£тЛц
12Е,
(1120)
Анализ этого уравнения показывает, что вязкость разрушения ве-
лика при большой доле волокон, их высокой прочности и большой
неэффективной длине /с. Последнее условие выполнено, если низка
адгезионная прочность границы раздела волокон и матрицы. К этому
же выводу приводит и анализ выражения, описывающего критическое
высвобождение энергии, поскольку отслоение преобладает над разры-
вом волокон при выполнении неравенства
(ед <1
(Gc), 4’
где индексы i и f относятся к границе раздела и волокнам соответ-
ственно
11.8.5. Извлечение волокон
На рис 11.20 показаны волокна, торчащие из плоскости
Очевидно такой характер поверхности разрыва может иметь а в
отслоения волокон и последующего их вытаскивания ни(.
случае непрерывных волокон для этого необходимо во-
Вычислим работу И'. производимую “P*11™" При извлечении во-
"окна диаметром D на расстояние / (рис _ сил ^ния. Отме-
локна производится механическая ра ота
тим что сила трения может быть достаточно высокой, поскольку ПОс
ле отслоения волокно сбрасывает с себя продольную нагрузку, и
пуассоновского поперечного расширения оно защемляется матрицей
Производимая работа равна произведению средней силы трения на
расстояние
Wp = (средняя сила) х (расстояние) =
При выводе этого уравнения предполагалось, что в процессе извлече-
ния волокна сдвиговое напряжение не изменяется Если длина волок-
на превышает критическую длину, растягивающее напряжение в нем
достигнет предела прочности, и волокно разорвется Поэтому макси-
мальная длина извлеченного волокна равна IJ2 Подставляя / = //2
получаем оценку максимальной работы извлечения волокна
пйГ'т nD2ffr.l
= -у- =------™ волокно
о 1о
(•)
Направление распространения
трещины
(Ь)
xwvnV Извлечение волокон, (а) схематический рисунок; (Ь) повер-
q разрушения стеклокерамики «силсерам», армированной волок
нами ыс (любезно предоставлено Н S Kim, PS Rogere и R. D Rawlings)
мрещины
рис. 11.21. Диаграмма извлечения волокна из матрицы (а) схема экспе-
римента, (Ь) кривая сила-смещение Энергия отслоения равна площа-
ди треугольника ОАВ, а энергия извлечения - площади фигуры OBCD.
Теперь можно сравнить энергии, рассеиваемые при отслоении и
вытаскивании волокна из матрицы. Деля уравнение 11.19 на 11.21,
получаем
^Р(макс) _ 3Ef
^ГЧмакс» ^Tf
Подставляя в это уравнение значения модуля Юнга и прочности
углеродных волокон (P-75S) и волокон карбида кремния (никалон)
(таблицы 2 7 и 2 8), отношение оценивается как 743 и 341
соответственно Таким образом, энергия извлечения волокон намного
выше энергии отслоения. Экспериментальная диаграмма извлечения
одиночного волокна из хрупкой матрицы приведена на рисунках 1121b.
Она подтверждает, что вытаскивание волокна является более энерго-
емким процессом, поскольку энергия отслоения равна площади треу-
гольника ОАВ, а энергия извлечения волокна - площади фигуры OBCD.
В случае коротких волокон отслаиваются все волокна, кончики
которых^удалены на расстояние менее IJ1 от плоскости разрушения
Если длина превышает /, то оно разрушится и из матрицы будет из-
племена лишь его часть, равная /// от полной длины При этих услови-
ях энергия извлечения равна
/ яО^Т
W = -£---— на волокно
F 1 12
С другой стороны, если / меньше или равна /с, длина извлеченных
волокон будет изменяться от 0 до //2. и средняя работа равна
.. ЛО' г
И' = ---- на волокно
F 24
Можно отметить, что в обоих случаях диссипируемая энергия меньше
максимального значения, определяемого уравнением 11 21.
Извлечение волокон происходит и при разрушении композитов иа
основе непрерывных волокон, которые при растяжении дробятся из-
за наличия дефектов Поэтому перед разрушением волокна имеют не-
которую характерную длину, и диссипация энергии описывается теми
же уравнениями
Разрушение волокон является еще одним каналом диссипации энер-
гии Выделение энергии при разрушении волокон может быть оцене-
но исходя из распределения напряжений в них непосредственно перед
и после разрушения Этот вклад в энергию разрушения прямо пропор-
ционален vJE
11.8.6. Запаздывающая диссипация энергии
Рассмотрим материал, схематически изображенный на рис. 11.22а, в
котором некоторые волокна не разрушены и соединяют противопо-
ложные берега трещины. При распространении трещины ее берега
постепенно расходятся, нагружая соединяющие волокна, в результате
чего снижается концентрация напряжения в кончике трещины и зат-
рудняется процесс разрушения
Интересная особенность этого механизма состоит в том, что про-
цесс диссипации энергии происходит не в зоне предразрушения в кон-
чике трещины, а сзади фронта трещины При увеличении длины тре-
щины размер зоны предразрушения остается приблизительно
постоянным, и поэтому вклад процессов предразрушения в вязкость
материала постоянен Напротив, с ростом длины трещины размер зоны
запаздывающего разрушения возрастает, и вязкость разрушения уве-
npu
и тРещщ1Ы
ТТЛ' ёТОИПчы диссип~-------------
4 w ^нергцц
ж
н
tc)
Рис 11.22. Механизм запаздывающей лмсипапч.«
‘ берега ™ы. (bT
сплошное прорастание трещины керамики, (с) не-
личивается до тех пор, пока не стабилизируется размер зоны запазды-
вающего разрушения Увеличение вязкости разрушения при росте тре-
щины описывается так называемой R-кривои, пример которой приве-
ден на рис 11 23. Обратим внимание, что предельное значение вязкости
разрушения соответствует постоянной длине зоны запаздывающего раз-
рушения, в которой стабилизируется количество соединяющих воло-
кон В образцах малого размера и в композитах с протяженными обла-
стями соединяющих волокон катастрофическое разрушение может
произойти до достижения стационарного состояния.
Помимо соединяющих волокон, к увеличению вязкости разруше-
ния может вести любой микропронесс, ограничивающий относитель-
ное смещение берегов раскрывающейся трещины. Примеры таких
механизмов приведены на рис 11.22b и 11.22с.
11.8.7. Микрораапрескнвание
Вязкость материала может быть увеличена путем микротрескивания
’ериала. Появление микротрещин приводит к снижению эне
Формации в кончнке магистральной трещины, так как
микротрещин может снижать концентрацию напряжен^^^
затуплению трещины и изменять направление ее рас
Рис. 11.23. Л-кривая волокнистого композита
В хрупких кристаллических матрицах микроразрушение может быть
следствием различия коэффициентов теплового расширения соседних
зерен, этот механизм наблюдается не только в композитах. Главная
причина микрорастрескивания в композитах - это остаточные тепло-
вые напряжения, которые появляются из-за различия в коэффициен-
тах теплового расширения матрицы и наполнителя Тепловые напря-
жения уже обсуждались в параграфах 3 4 2 и 4.1, но теперь мы
рассмотрим их более подробно.
Рассмотрим появление тепловых напряжений на примере сферичес-
кой частицы При охлаждении композита после формования в напол-
нителе и матрице появляются напряжения Если давление в сферичес-
кой частице радиусом г равно ст, в матрице на расстоянии R от центра
частицы появятся радиальные и тангенциальные напряжения величи-
ной ~ar'/F? и + от5/2Л9 соответственно, где ст дается соотношением
____________Да ДГ____________
[(1+Am )/(2£ J] + [(1 - 2//f) / Ef ] •
Да - разница коэффициентов теплового расширения частицы и матрицы,
ДГ - разница температур между температурой формования и комнатной
температурой, д- коэффициент Пуассона, Е - модуль Юнга, а нижние
индексы f и m относятся к наполнителю и матрице соопк'тинснно.
При Of > am величина ст отрицательна и, следовательно, в матрице
тангенциальные напряжения являются сжимающими, а радиальные -
растягивающими. Распространение трещины облегчается, когда трещина
открывается под действием растягивающего напряжения, и поэтому
большинство матриц растрескивается под действием растягивающих
Рис. 11.24. Распределена
вокруг сферических част„„Н,:‘П',я*'-™я и
соответствуют сжимаК)щ^ «, > 0
и Раояги^^,
соопет.
^ряжений Как следствие, при а, > а. в
ные микрспрешины как показано на рис. 1124а. Наоборот ecZT
величина а положительна, матрица растянута в тангенциальном
тении и в ней появляются радиальные трещины, как показано на рис
П 24b Неконтролируемое радиальное растрескивание может привожп,
к чрезвычайно интенсивному растрескиванию матрицы.
Изменение объема вследствие фазового перехода в частицах также
может инициировать появление микротрещин, как описано в главе 4
для окиси алюминия, армированной частицами двуокиси циркония
параграф 4 4 1). Независимо от механизма микрорастрескивания, вяз-
кость разрушения определяется главным образом плотностью и раз-
мером микротрешин Согласно рис. 4.17, вязкость разрушения может
снижаться, если микрорастрескивание является слишком интенсив-
ным Кроме того рис. 4.17 показывает, что увеличение вязкости со-
ровождается снижением прочности, поскольку микротрещины ведут
к появлению крупных дефектов, которые, согласно уравнению 11.12,
риводят к падению прочности.
11.8.8. Фазовый переход
Метастабтьныи наполнитель под действием напряжений
магистральной трещины может испытать Пп й) Поскольку
рейти в состояние с более низкой энергией m шашя компо-
чри этом поглощается упругая 3Hepn,^™^“TlU0 6ерегов трешины
ВДта возрастает Переход приводит так „„пяпи за счет фазо-
отческий пример повышения вязкости разруби»
Трещина
Матрица
Преобразующаяся
Нелреобраз» „ тсбрэзова„. частица
ванная
Рис 11.25. Возрастание вязкости разрушения при фазовом переходе
метастабильных частиц в кончике трешины в зоне шириной г„.
вого перехода представляет собой ZTA-композит, в котором частицы
двуокиси циркония после охлаждения имеют метастабильную тетра-
гональную форму Как отмечалось в параграфе 4 4.1, при распростра-
нении трешины частицы переходят в моноклинное состояние, и вяз-
кость разрушения увеличивается на величину
Д^^О.ЗчЛгЕгЛ
где ц - объемная доля метастабильных частиц двуокиси циркония, Дс
- увеличение объема при переходе, £т - модуль Юнга матричной оки-
си алюминия, и г0 - ширина зоны перехода за фронтом трещины (рис
11 25) Так как частично возрастание вязкости обусловлено процесса-
ми, происходящими сзади кончика трещины, можно ожидать, что воз-
растание вязкости характеризуется К-кривой, похожей кривую на рис.
11 23 В отличие от микротрастрескивания, при этом переходе может
возрастать не только вязкость разрушения, но и прочность (рис. 4.18).
Литература
Общая
Ewalds, Н L and Wanhill, J Н (1984) Fracture Mechanics, Arnold.
Rooke, D P and Cartwright, D J (1976) Compendium of Stress Intensity Factors,
HM Stationery Office
Sih, G C and de Oliveira F (eds) (1984) Fracture mechanics methodology, m
Engineering Applications of Fracture Mechanics, Vol. 1, Nyhoffi
Специальная
Задачи jjj
Evans A G and Marshall, b в I loom .
composes, in Fibre Ke,nfcrced c^> Meehan,cal bch
publicalion, p 1 m,c Composites (V c
Faber. KT and Evans, A. G(1WM, „ ' S M^nn
Knot. J F (W3)Fandb^o/)frTO^fc‘’''’>.S«
Thompson, I and Rawing r d ButlerwonlB
WUharns j G 09M) Fraclm Mechon'a ™' Scl ». ®3, M1
W1U,ams,J G WW) Proc. Im. Mech £'
l>yasm),
matrix
Задачи
! j 1 Определить скорость освобождения упругой ™f„u „
Для стандартной двухконсольной бштки (phcZTa
на G описывается уравнением U 7НОК " величи-
G =
\1Р-д'
EB2D' ’
Определите величину G для образца, форма инорого показана иа
приведенном ниже рисунке, если известно, что критическая ве
личина С для этого образца не зависит от длины трещины Угол
а = 11”. (Примечание: величина С постоянна, если отношение
&/1У является константой Предположите, что постоянная равна
к, и вычислите произведение Dok при значениях отношения a/Do,
лежащих в диапазоне от 5 до 20).
112. Обсудите влияние размера образца на вязкость 1»»™
Критический коэффициент интенсивности напряжения ооре^
ленный для композита с хрупкой матриц .. ц 2j
Испытывались образцы в = 6мм Корректно
следующих размеров: 0-30 мм. растрескивается
ли была измерена величина Кс, ее
при напряжении aD 35 400 МПа?
12 2 Ударные
ГЛАВА 12
УДАРНАЯ
СТОЙКОСТЬ
12.1. Введение
„ может подвергнуться случайному удару
Деталь в процессе эксп^атац^^^ свойства материала в
Для ее дальнейшей рабо шком сильно Однако некоторые
результате удара снизились имер углепластики. весьма чув-
волокнистые композита снижается прочность композита
ствительны к удару Особенно "нияд- р
ПРИ ”Гв“ТХ при конструировании деталей из
ХоХнных материалов допустимой считается предельная дефор-
ма”более 0,4%, что составляет менее трети от разрушающей
^=,онно ударную стойкость материала характеризуют резуль-
татами испытаний по Изоцу и Шарли Эти испытания достаточно хо-
рошо описывают стойкость композитов к югиянию дефекгов^Однако
эти методы дают лишь ограниченную информацию об остаточных пос-
леударных свойствах материала Оказалось, что для этой цели более
информативно испытание падающим грузом (моделирующее падение
рабочего инструмента) и баллистический удар щаром, выстреливае-
мым из воздушного ружья
12.2. Ударные испытания
В настоящее время все более широкое распространение приобретают
ударные испытания падающим грузом или маятником, при которых
производится запись зависимости силы от времени Испытываемь
образец при этом подвергается воздействию, моделирующему уело
вия эксплуатации Низкоскоростной удар со скоростью нескольк
м/с и энергией около одного Джоуля моделирует удар падаюши^
инструментом, а удар небольшим шариком с высокой скорост
(примерно 80 м/с) моделирует воздействие частиц грунта по корпУ
гоночного автомобиля Обычно смещение ударника пересчитав
исходя из скорости удара, однако некоторые машины прои
прямое измерение смещения В обоих случаях получают диагра
вреМЯ-сила, которые могут быть преобразованы в диаграммы п
щенная энергия-время. д «граммы погло-
Типичные диаграммы зависимости силы от
п0 концам образцов приведены на рисунке 12 1 Пло1Хь^од°кр^й
иредставляет собой изменение импульса ударника. Есш, обр~
разрушился (рис 12 1а), максимум силы соответствует моменте оста
нов™ маятника, а вторая часть кривой соответствует движений
„ика в обратном направлении При изгибном разрушении (рис 12 1Ьт
ударник назад не отражается, а его энергия расходуется на разрушение
композита При сдвиговом разрушении (рис 12 1с) происходит изме
нение жесткости композита Ударник при этом может отразиться но с
меньшей скоростью Результаты испытаний (рис 12 2) показывают
что процесс разрушения зависит от геометрии образца и условий его
закрепления Испытания многослойного ламината со схемой укладки
(0/90) (рис 12 3) и сотовой конструкции, имеющей внешние слои из
композиционного материала (рис. 12 4), показывают, что максимум
нагрузки соответствует разрушению поверхностных слоев
Поглощение энергии зависит от скорости удара причем измене-
ние скорости может привести к изменению механизма разрушения
В широком диапазоне скоростей растяжения механизм разрушения
углепластика остается неизменным, в то время как свойства стекло-
пластика зависят от скорости (рис. 12.5). Аналогичные результаты
получены и при усталостных испытаниях Композиты на основе уг-
сродных и арамидных волокон в этих условиях нечувствительны к
скорости деформирования, а разрушение стеклопластика чувствитель-
но к скорости
12.1. Диаграммы время-сила при ударе падающим грузом Обра-
зец оперт в его концах (любезно предоставлено DRA, Famborough)
Рис. 12.2. Диаграммы время—сила при ударе падающим грузом Обра-
зец лежит на цилиндрической опоре (любезно предоставлено DRA,
Farnborough)
Время (мс)
Рис. 12.3. Диаграммы сила-время и энергия-время при ударе падаю-
щим грузом по поперечноармированному углепластику (Adams, 1985)
12.3. Ударное повреждение
Различные формы повреждения материала при ударе показаны схема-
тически на рис 12 6 На рисунке приведены также формулы, описы-
вающие поглощение энергии, типичные величины поглощаемой энер-
гии для углепластиковой пластины толщиной 2 мм, и площадь
поверхности разрушения. При ударе пластина изгибается, и повреж-
дение может иметь сдвиговой или изгибный характер Оценка отно-
шения энергии расслоения к энергии упругого изгиба приводит к вы-
воду, что расслоение характерно для коротких и толстых образцов и
для материалов с низкой межслоевой сдвиговой прочностью, а разру-
шение при изгибе — для тонких пластин с большим расстоянием меж-
ду точками опоры Перфорация может происходить не только при боль
шой энергии удара, но и при баллистическом ударе с очень высокой
рис. 12.4. Кривые зависимости силы от времени при ударе падающим
грузом по сотовой структуре с внешними слоями органопластика на
основе кевларовых волокон Два максимума связаны с разрушением
верхнего и нижнего слоев органопластика (Wardle, 1982)
Рпс. 12.5. Влияние скорости растяжения на деформацию при разруше-
нии стеклопластика и углепластика (Kawata, 1981).
СКоР°стью, при которой ламинат не успевает деформироваться вслед
33 Ударником
Одним от основных каналов поглощения энергии удара является
УпрУгое деформирование волокон. Эта величина характеризуется пло-
под кривой напряжение-деформация. Волокна с высокой пре-
(Z- энергия создания новой поверхности)
падаюшим грузом и механизмы поврежда-
(яюбезно предоставлено DRA, Farnborough)
Рис 12.6. Схема испытания
емости материала при ударе
дельной деформацией как, например, стеклянные и арамидные, име-
ют большую энергоемкость Поэтому ДЛЯ повышения ударных свойств
углепластика в него добавляют стеклянные или арамидных волокна
Стой этих волокон помешают на поверхности пластины, где макси-
мальны напряжения при изгибе Кроме того, эти слои защищают уг-
пепластик от поверхностного повреждения
Если удар привел к поверхностному повреждению композита, моадго
произве^сХвек ,у иную починку детали Однако внутренне рас-
слоение внешним осмотром обнаружить часто не удается
обширное повреждение ламината (рис 12 7), и поэтому
использовать методы неразрушающей диагностики материала Обыч
но наиболее сильно повреждается задняя часть ламината, что затру
няет обнаружение дефекта Расслоения могут быть обнаружены сверх
звуковыми методами, которые будут описаны в главе 15
Ультразвуковые дефектоскопы позволяют определить контур
врежденной зоны и могут дать информацию о глубине зоны повре
дения, однако осматривать этим методом крупные детали сложи
формы весьма трудоемко Информацию о зоне повреждения мо
получить также рентгеновским методом, однако для этого нео хо
использовать специальный краситель, который проникает в деталь ли
при наличии поверхностных трещин
повреждение 337
Рис. 12.7. Множественное расслоение ми™,,,. л
удара падающим грузом (любезно предоставлено0^™^^
Как уже отмечалось, композит не всегда способен поглотить энер
гию удара путем изгиба. Например, при ударе мелкими частицам" на
поверхности ламината появляются зоны микроразрушения Однако
если ударник имеет достаточно большую энергию, он может пробите
ламинат как схематически изображено на рис 12.8 На передней по
верхности пластины в результате удара образовалась каверна глубина
которой равна приблизительно половине ее толщины, а задние слои
отслоились и изогнулись
Поиск формы образцов и условий испытания, наилучшим образом
моделирующих поведение композита при ударе, продолжается но ясно
что чем сложнее поведение материала при ударе, тем ближе условий
испытаний должны быть к реальной ситуации
Рис 12.8. Повреждение состоящей из 64 слоев углепластиковой пласти-
ны при проникающем баллистическом ударе (Cantwell, 1985)
12.4. Остаточная прочность
Различные виды повреждения по-разному влияют на остаточную проч-
ность композита при сдвиге, растяжении и сжатии Расслоения при-
водят к сильному снижению прочности при межслоевом сдвиге (рис
12 9). н остаточная сдвиговая прочность материала может быть оцене-
на исходя из величины плошади расслоения Разрушение при ударе
падающим грузом или шаром, выстреливаемым из воздушного ружья,
зависит главным образом от энергии удара, даже если скорость и им-
пульс удара сильно различаются Поведение остаточной прочности при
растяжении и при изгибе приведено на рис 12 10 и 12 11 соответ-
ственно Как видно из данных рисунка 12 11b, композиты на основе
полимерной и керамической матриц ведут себя похожим образом
Максимально поврежденным композит оказывается при минималь-
ной энергии, достаточной для перфорации ламината, поскольку при
этом сильно повреждена задняя часть образца Отметим, что остаточ-
ная прочность при изгибе снижается сильнее, чем при растяжении
При очень высоких скоростях баллистического удара шар перфориру-
ет ламинат, не принося ему больших повреждений, и не теряя много
энергии Повреждения вдали от отверстия оказываются не слишком
значительными и поэтому прочность снижается не слишком сильно
Размер зоны повреждения и, как следствие, степень снижения проч-
ности при изгибе, зависит не только от энергии удара, но и от свойств
Рис. 12.9. Влияние энергии удара на остаточную прочность при меж-
слоевом сдвиге углепластика [(0/90)4 (любезно предоставлено DRA.
Farnborough)
Рис 12.10. Влияние энергии удара иа остаточную прочность при растя-
жении утлепластика со схемой укладки [(0/90) J, (любезно предостааге-
но DRA, Farnborough)
Рис. 12.11. Влияние энергии удара па остаточную прочность при изги-
бе (а) углепластика ((0/90),1, (любезно предоставлено DRA, Рагпоог gro,
(б) армированного волокнами S1C алюмосиликата кальция (
имеется пороговое значение
композита При ударе падающим грузо изгибе не снижается (рис
энергии удара, ниже которого ПР°^“ ,не1,гии возрастает при увели-
12 12) Величина порогового наче
чении вязкости разрушения матрицы
Рис 12 12 Влияние пластичности матрицы на остаточную прочность
при’изгибе углепластика с двумя различными схемами укладки слоев.
Удар произведен падающим весом (любезно предоставлено DRA,
Farnborough)
И±45)2/О.].
-[О, + 45!/-451/0!],
Влияние расслоения на остаточную прочность углепластика иллю-
стрируется рисунком 12 13 Даже при небольших энергиях удара (1-2
Дж) прочность при сжатии снижается довольно сильно, в то время как
прочность при растяжении практически не снижается Снижение ад-
гезионной прочности Гранины раздела позволяет повысить вязкость
разрушения композита при растяжении, но при этом одновременно
снижается остаточная послеударная прочность при сжатии из-за по-
явления больших областей расслоения
Степень повреждения композита, определяющая его остаточную
прочность, зависит от уровня статической нагрузки при ударе. Оче-
видно, наличие статической нагрузки должно приводить к снижению
остаточной прочности Рис. 12.14 показывает, что при небольших ста
тических нагрузках снижение остаточной прочности при растяжении
незначительно, однако, если растягивающее напряжение превышает
остаточную прочность композита, разрушение оказывается кадастре
фическим. Похожие результаты были получены при ударе в условиях
статического сжатия
прочность ламината [(0;/+45)°|Т^™Лебуда®7КИ ®0ЛОКОН “ «ваточную
но предоставлено DRA, Famborough) V₽ пада1°шим грузом (любез-
Рис- 12.14. Влияние растягивающей нагрузки на остаточную прочность
DRa^Fq И^а после УДаРа падающим грузом (любезно предоставлено
ностиССЛОеНИе материала приводит к значительному уменьшению проч-
н в Р^льтаге удара. Тем не менее, после 106 циклов усталостного
Раэц НИЯ дальне*’шего снижения прочности поврежденных при ударе
ииклич°В на®людалось- Видимо, при не слишком больших амплитудах
нагрузки не происходит рост отслоений. Прежде чем при-
Угверждение в качестве общего правила, данное предположение
с Сейчас, однако, кажется, что ус-
нужно исследовать более основательно сеи у
_ v посту послеударных трещин
гадостное нагружение не приводит к росту у
12.5. Эпоксидные и термопластичные матрицы
В настоящее время матрицы в высокопрочных армированных пласти-
ках. как правило, являются эпоксидными Однако термопласты по срав-
нению с эпоксидами имеют ряд преимуществ Например, они имеют
более высокую вязкость разрушения и имеют меньшее время формова-
ния Недостатком термопластов является относительно низкая стой-
кость к влиянию окружающей среды Имеются и исключения Напри-
мер. частичнокристаллический ПЭЭК не чувствителен к воздейстаию
растворителей и имеет высокую температуру плавления (глава 5)
При низкоэнергетическом ударе по углепластику с матрицей ПЭЭК
появляется небольшая вмятина с типичными признаками сжимающего
разрушения и микроразрушения по полосам сдвига Изучение места
повреждения при помощи дефектоскопа показывает, что композиты на
основе матрицы ПЭЭК расслаивается гораздо меньше, чем композиты
с эпоксидными матрицами Однако, в случае ПЭЭК наблюдается не-
большое расслоение продольных слоев (0°), отсутствующее в случае эпок-
сидных матриц Видимо, под действием поперечного растяжения про-
исходит адгезионное отслоение матрицы ПЭЭК от волокон, а сдвиговые
трещины в этой матрице растут менее интенсивно, чем в эпоксидной В
углепластиках на основе эпоксидной матрицы область расслоения весь-
ма протяженна, в то время как в случае матрицы ПЭЭК расслоения
образуются лишь непосредственно вблизи точки удара Из-за ограни-
ченности области повреждения остаточная прочность углепластика на
основе матрицы ПЭЭК при растяжении и сжатии значительно выше,
чем в случае эпоксидной матрицы
Литература
Специальная
Adams, D F (1985) Composites, 16, 268-278
Cantwell, W J (1985) Ph D Thesis, Imperial College. University of London. Kawata,
К (1981) Proc Japan-USA Conf on Composite Materials, Tokyo.
Wardle M (1982) Proc ICCM IV, Oct 1982. Japan Soc Composite Materials,
ong, W C (1990) M Sc Dissertation, Centre for Composite Materials, Impenal
College, London
Задачи
12.1. Обсудите различные методы ударных испытаний. Опишите ти-
пичное поведение образца и его повреждение.
СЛАВА 13
ВЛИЯНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ
СРЕДЫ И УСТАЛОСТЬ
13.1. Введение
Особенности разрушения композиционных материалов при циклическом
усталостном) нагружении обсуждались в параграфах 3.42, 4.42 и 542
усталостная трещина зарождается и медленно растет до тех пор, пока ее
длина не достигнет критического размера, при котором происходит быс-
трое разрушение Предел прочности при усталостных испытаниях ниже,
чем при статических испытаниях с постоянной скоростью.
Усталостное разрушение армированных пластиков существенно отли-
чается от поведения гомогенных металлов или полимеров. Это связано с
многообразием механизмов разрушения композитов (разрушение воло-
кон, матрицы и границы раздела). Усталостное поведение зависит от типа
волокон и матрицы, их прочности, а также структуры композита.
13.2. Методы испытания
Рассмотрим особенности усталостных испытаний композиционных ма-
териалов Главное требование при испытании состоит в том, чтобы
механизм разрушения образца совпадал с механизмом разрушения
летали в реальных условиях. Использование образцов с сужением обыч-
но исключает разрушение в захватах испытательной машины при ста-
тической нагрузке, но не при усталостных испытаниях, когда образцы
в виде параллельных стержней часто имеют наибольшее время жизни
несмотря на разрушение в захватах.
Сужение образцов обычно производят по ширине, а толщину ос-
тавляют неизменной, поскольку уменьшение толщины искажает схе-
МУ укладки ламината Исключением являются однонаправленные ма-
териалы Заметим, что при усталостных испытаниях однонаправленных
композитов утолщение часто отслаивается от рабочей части образца
вследствие постепенного роста продольных трещин.
Если цикл нагружения включает сжатие, проводить испытания до-
вольно сложно в связи с необходимостью исключить потерю устойчи-
йсти образца Как и при статическом сжатии, этого добиваются ис-
344 Глава 13 Влияние окружающей среды и усталость
пользованием коротких образцов или специальных поддерживающих
направляющих Недостатком коротких стержней постоянного сечения
является влияние захватов на распределение напряжения в рабочей
части образца Уменьшение ширины образца еше более усиливает вли-
яние захватов Типичные размеры образцов равны примерно 10 мм по
ширине и длине и минимум 1.5 мм по толщине
Если цикл нагружения не включает сжатие и не нужны направляю-
щие предотвращающие потерю устойчивости образца, желательно ис
пользовать длинные образцы В настоящее время отсутствует стандарт
на форму поддерживающих направляющих, и исследовательские ла-
боратории использует свои собственные устройства Направляющие
проектируются таким образом, чтобы с одной стороны не поддержи-
ваемая рабочая часть образца была достаточно длинной и не был по-
давлен какой-либо механизм разрушения, и не происходила потеря
устойчивости образца с другой Кроме того, необходимо снизить тре
ние между образцом и направляющими, для чего обычно используют
тефлоновую пленку
Очень удобно проводить усталостные испытания на изгиб, посколь-
ку не требуются направляющие и можно использовать маломощное обо
рудование В этом случае необходимо снизить трение в нагружающих
роликах, и, возможно, предусмотреть наличие возвращающих роликов
Усталостные сдвиговые испытания проводят нечасто Обычно для
этого используют метод короткобалочного изгиба, причем испытатель-
ная установка при этом имеет не только нагружающие, но и возвра-
щающие ролики Другие способы определения усталостных сдвиговые
свойств также являются модификацией статических методов Напри
мер, используют растяжение ламинатов со схемой укладки +45° или
так называемый рельсовый сдвиг В последнем случае несколько из-
меняют образцы, поскольку время их жизни при усталостных испыта-
ниях зависит от качества поверхности свободных краев.
13.3. Однонаправленные композиты
Область применения однонаправленных композитов весьма ограин
чена из-за их низкой прочности в направлении, перпендикулярном
оси волокон Примерами их использования являются вертолетные
лопасти и пружины подвески Тем не менее, усталостные характерис-
тики однонаправленного материвла должны быть известны, напри-
мер, для расчета свойств многослойных ламинатов Типичные зависи-
мости прочности при растяжении однонаправленных композитов от
логарифма количества циклов нагружения (S-N кривые) приведены
на рис 13 1 При увеличении количества циклов наиболее сильно сни-
Рис. 13.1 S-N диаграммы для одноншпяо
сидной матрицей (Curhs, 1987) ₽ Менных композитов с эвок-
мется прочность стеклопластика, а наименее сильно - углепластика
метшего прекрасные усталостные свойства.
Поскольку в однонаправленных композитах практически всю на-
грузку несут волокна, казалось бы, при усталостном растяжении пове-
дай материала должно зависеть исключительно от волокон. Однако
реальности усталостная стойкость композита определяется свойствами
матрицы. в особенности ее удлинением при разрушении Как след-
ствие зависимость разрушающей деформации композита от Колыче-
ва циклов нагружения является болев ri .hneiwmimmft чем зависи-
мость прочности Волокна имеют разброс прочности, причем наименее
рочные волокна разрываются при относительно невысоких нагруз-
ит Вблизи точек разрыва деформация матрицы высока, и это ведет к
росту усталостных трещин
Микротрещины могут появляться также в областях разориентации
кпокон мест повышенной концентрации матрицы или вблизи пор
Иг рост приводит к постепенному отслаиванию волокон, в результате
-'о они перестают нести нагрузку, а соседние волокна оказываются
Сгруженными и разрушаются. Непосредственно перед катастрофи-
’гадгм разрушением композита матрица обычно сильно расщеплена,
° Чсгвие чего большинство однонаправленных материалов после
>||[епия напоминают щетку Скорость процесса разрушения мат-
Г1ЦЬ1 Ивисит от амплитуды деформации. В случае очень жестких во-
11 Деформация относительно низка, усталостное разрушение мат
рицы происходит медленно и прочность композита снижается не столь
резко, как в случае менее жестких волокон Влияние жесткости воло-
кон на форму S-N кривой иллюстрируется рисунком 131 Жесткость
волокон возрастает в ряду стеклянные — арамидные — углеродные во-
локна. Таким образом, естественно ожидать, что органопластик дол-
жен иметь промежуточные усталостные характеристики по сравнению
со стекло- и углепластиком Однако усталостное поведение органо-
пластика осложнено расщеплением арамидных волокон. В результате
этого S-N кривая на рис 13 1 при высоких срокам службы более кру-
тая, чем ожидалось.
В последнее время проводились интенсивные работы, направлен-
ные на разработку высокопрочных углеродных волокон. В результа-
те, сейчас широко производятся углеродные волокна с разрушающей
деформацией 1,8%, а волокна с деформативностью более 2% произ-
водятся иа лабораторном уровне и вскоре появятся в продаже. Рис
13 2 показывает, что увеличение прочности углеродных волокон при-
водит лишь к незначительному улучшению усталостных свойств ком-
позита Это объясняется тем, что усталостное поведение композита
определяется не прочностью волокон, а свойствами матрицы и гра-
ницы раздела
Одновременно с волокнами, продолжалась разработка полимерных
матриц с более высокими характеристиками. Основная цель работы
состояла в увеличении вязкости разрушения матриц при сохранении
их теплостойкости, особенно во влажных условиях. Разработка таких
полимеров позволила поднять статическую прочность композита, од-
Рис 13.2. S-N кривые, иллюстрирующие влияние свойств волокон на
усталостную прочность однонаправленного углепластика (Curtis, 1986)
Рис. 13.3. Влияние свойств матрицы на усталостные характеристики
однонаправленного углепластика на основе эпоксидной матрицы (Curtis
1986)
нако усталостные свойства при очень больших количествах циклов
нагружения снизились, что проявляется в резком снижении S-N кри-
ных на рис 13 3 Невысокие усталостные свойства композитов после-
днего поколения могут быть обусловлены не только пониженными
усталостными свойствами пластифицированных матриц, но и специ-
фикой процессов разрушения Таким образом, одним из основных
направлений разработки композитов следующего поколения может быть
улучшение их усталостных свойств.
13.4. Многослойные ламинаты
При увеличении доли слоев, ориентированных под углом к оси растя-
жения. статическая прочность ламината уменьшается вследствие сни-
жения доли продольных волокон. Одновременно увеличивается на-
клон S-N кривой (рис. 13 4), поскольку слои, ориентированью под
углом к оси нагружения, легко растрескиваются.
Наименьшее удлинение растрескивания имеют поперечные слои
Нагрузки они практически не несут, и поэтому на статические
осевые характеристики их растрескивание почти не влияет. Это отно-
сится и к слоям, ориентированным под углом ±45° к оси нагружения.
Однако в случае усталостного нагружения внутрислоевые трещины
ннициируюг постепенное расслоение композита, ведущее к потере его
слостности. Как следствие, возрастает проникновение агрессивных
и резко снижается прочность при сжатии. Кроме того, трещины
J48 rMmu^oKPy^^Uy~mb
Рисунок 13.4. S N кривые (0/±45“) углепластика при различной доле
продольных (0°) волокон Усталостные характеристики композита сни
жаются при уменьшении доли продольных волокон (Curtis, 1987)
инициируют постепенное разрушение волокон в продольных слоях,
что приводит к некоторому снижению прочности Тем не менее, уста-
ламината при циклическом растяжении все же
слоями и прочность при увеличении ко-
лестное разрушение
определяется продольными
личества циклов снижается
весьма умеренно хотя и сильнее, чем в
однонаправленном материале
13.5. Влияние частоты
При усталостных испытаниях армированных пластиков частота нагру-
жения должна быть не слишком высокой, чтобы не происходил разог-
рев материала Основным источником тепла является полимерная мат-
рица. имеющая гистерезис кривой нагружения, а в случае арамидных
волокон и сами волокна Ламинаты с высокой долей продольных во-
локон имеют небольшое удлинение и незначительный гистерезис кри
вой растяжения, и поэтому их можно испытывать с частотой до 10 Гц
В ламинатах с малой долей продольных волокон тепла выделяется боль-
ше, и частота нагружения не должна быть выше 5 Гц.
Дефекты и трещины являются дополнительными источниками теп-
ловыделения. В идеале, температуру образца при усталостных испыта-
ниях нужно контролировать, чтобы исключить разогрев. Это обычно
делают путем использования дорогостоящего термографического обо-
рудования, хотя температуру можно контролировать также при помо-
щи термопар, датчиков температуры или термочувствительных покры-
»—^^краевиынцет
щй. особенно если область разогрева известна как п™
11С1,траторов напряжения п₽и наличии кон-
Если разогрев образца незначителен влиянием
а однонаправленных композитов можно пренебречьПиХ.™ СВ°Й’
^яется стеклопластик, чувствительный к
ужения (рис 12 5) Прочность этого композита изменяв к
чей на 100 МПа при десятикратном изменении скорости Пр^Га
ЭТОГО не совсем ясна, но полагают, что она обусловлена влиян ём
ь1аги на свойства стекловолокон, а не их ползучестью Бьшо Z ’ а
во. что скоростные эффекты зависят от окружающей среды Если мю
рИва ведет себя неупруго, свойства композита при нагружении ,"д
углом К оси волокон также зависят от скорости нагружения
Усталостные испытания рекомендуется выполнять при постоянной
скорости нагружения При небольшой амплитуде нагружения испыта-
иця можно проводить при относительно высоких частотах, а при зна-
ительной амплитуде частоту снижают
13.6. Влияние свободных краев и
концентраторов напряжения
При усталостных испытаниях краевые напряжения могут быть серьез
вой проблемой Обычно их пытаются снизить, чтобы избежать крае
вого расслоения образцов На краях ламината имеются как сдвиговые
гак и нормальные напряжения, обусловленные различием свойств со-
седних слоев (параграф 9 4.2). Величина этих напряжений зависит от
температуры, поскольку слои имеют различные коэффициенты тепло-
вого расширения и влажности композита. Опасность краевого рас
сюения. значительная и при статических испытаниях, при цикличес-
ком нагружении возрастает еще больше
Концентраторы напряжения (трещины, отверстия и т.д.) влияют на
усталостную прочность композита менее сильно, чем на статическую
В зависимости от схемы укладки при наличии концентратора напря-
жения снижение статической прочности может достигать 50%. При
усталостном нагружении вблизи концентратора напряжения появля-
ются локальные трещины, ослабляющие его влияние. Иногда появле-
ние этих трещин приводит даже к увеличению остаточной прочности
композита после нескольких циклов нагружения. Дальнейшее увели-
'шие количества циклов нагружения ведет к снижению прочности.
'w больших сроках службы усталостная прочность в расчете на не-
"’-’резанное сечение приближается к прочности материала без кон-
юратора напряжения, как показано на рис 13.5. Отверстие снижает
атическую прочность, однако после большого количества циклов
Log количества циклов до разрушения
Рис 13 5 Влияние отверстия на усталостную прочность тканого ком-
позита и ламината со схемой укладки (0/90°) (Curtis, Moore, 1985)
нагружения прочности образцов с отверстием и без него становятся
близкими
13.7. Сжатие
Самым большим недостатком композиционных материалов с поли-
мерной матрицей является их поведение при сжатии Информация об
усталостных свойствах армированных пластиков при сжатии весьма
ограничена Видимо, это связано с трудностью испытания, обуслов-
ленной необходимостью избегать потери устойчивости образца, и с
анизотропией этих материалов
Наихудшие условия эксплуатации композиционных материалов
состоят в периодическом изменении нагрузки от растяжения к сжа-
тию и тд При растяжении слои, ориентированные пол углом к оси
нагружения, растрескиваются при относительно невысоких деформа
циях, что инициирует постепенное расслоение композита. Если уста-
лостный цикл не включает сжатие, это не слишком опасно, так как
продольные слои продолжают нести нагрузку. В условиях сжатия,
однако, расслоение приводит к потере устойчивости слоя Таким об-
разом, время жизни материала в условиях периодического растяже
ния-сжатия намного короче, чем при сжатии—разгрузке или растяже
нии-разгрузке
13.8. Композиционные материалы
на основе ткани
Технология производства армированных пластиков из ткани проще,
чем из однонаправленных слоев Тканые композиты имеют более вы-
13 9 Гибридные композиты
соКие ударные характеристики и остаточную прочность после удара
Недостатками таких композитов являются пониженные жесткой и
точность Это обусловлено искривлением волокон в ткани и более
низкой их долей по сравнению с однонаправленными слоями Типич
ная объемная доля волокон в однонаправленном материале равна 0 6-
0.65. В то время как в тканых композитах она составляет лишь 0 5-
0.55 При усталост ных испытаниях прочность тканого композита мо-
жет снижаться даже более резко (рис 13.5), чем нетканых материалов
Это объясняется касанием поперечных волокон в ткани, инициирую-
щим усталостное разрушение матрицы В худшем случае предельная
деформация углепластика после миллиона циклов растяжения-сжатия
снижается до 0,3 % Таким образом, хотя композиты на осноае тканей
имеют технологические преимущества, их механические свойства, осо-
бенно в условиях усталостной нагрузки, ниже, чем у нетканых матери-
алов
13.9. Гибридные композиты
Как отмечалось в предыдущих главах, гибридные композиты содержат
два типа волокон (например, стеклянные и углеродные) Волокна сме-
шивают в пределах одного слоя или чередуют слои. Главные цели при
создании гибридов состоят в увеличении вязкости разрушения или
жесткости мазгриала Полимерные волокна придают композиту повы-
шенную вязкость разрушения, и их смешение с углеродными или стек-
лянными волокнами позволяет создать ударопрочный материал, ли-
шенный недостатков, характерных для органопластиков (например,
низкой прочности при сжатии) Кроме того, некоторые детали типа
вертолетных лопастей желательно делать из материала, имеющего строго
определенную жесткость, что может быт ь достигнуто путем смешения
стеклянных и углеродных волокон
Механические характеристики гибридных композитов определяются
волокнами с более низкой деформативностью. Если содержание этих
волокон мало, их разрыв не ведет к катастрофическому разрушению
материала Обычно, однако, разрушение низкодеформативных воло-
кон сразу же инициирует разрушение всего композита. В условиях
усталостного нагружения, как показано выше, поведение композитов
на основе различных волокон отличается довольно сильно Так как
усталостное поведение зависит прежде всего от удлинения, свойства
гибридных композитов определяются менее деформагивпыми волок-
нами Это связано с тем, что эти волокна обычно жестче и несут ос
ионную часть нагрузки. Менее жесткие волокна недогружены и при
Усталостном нагружении практически не повреждаются
13.10. Влагологлощение
Композиты иногда эксплуатируются в условиях повышенной важно-
сти и температуры Относительные важность может измениться из о
до 100 % Диапазон изменения температуры лежит в пределах от -40
до +70°С хотя в военных самолетах температура вблизи двигателя может
достигать 130'С и даже более Поэтому необходимо знать влияние тем-
пературы на свойства композиционных материалов
Как отмечалось в главе 5. большинство полимерных матриц поглоща-
ет атмосферную влагу Отметим, что органические волокна также спо-
собны поглотать воду Эпоксидные смолы поглотают от 1 до 10 вес.%
влаги и композит с 60 об % волокон может содержать от 0.3 до 3 % воды
Обычно содержание волы в композитах равно от 1 до 2 весовых %
Поглощение влаги лимитируется процессом диффузии, которая в
тонких пластинах является одномерным процессом, описываемым вто-
рым законом Фика
где с - концентрация воды, t - время. D — коэффициент диффузии и
х - расстояние от поверхности Для плоской пластины, поглощающей
воду через обе поверхности, ее масса возрастает пропорционально квад-
ратному корню из времени
— = (4/й)(О(/л-)|/2
л/т
где М - масса набранной воды за время /, Мт — ее максимальное
содержание и h - толщина пластины Скорость поглощения посте-
пенно уменьшается, и содержание влаги приближается к максимуму
Обычно существует максимальная температура и максимальная влаж-
ность выше которых закон Фика перестает выполняться. Некоторые
материалы не описываются им и в нормальных условиях. Для описа-
ния нлагопоглошения таких материалов были развиты специальные
модели
Поглощение воды приводит к набуханию материала, которое обра-
тимо и обычно не приводит к снижению свойств при комнатной тем-
пературе Однако вода пластифицирует полимерные матрицы, и при
повышенных температурах свойства снижаются, особенно при при-
ближении к температуре стеклования матрицы Снижение температу-
ры стеклования эпоксидной смолы под действием влаги иллюстриру-
ется рисунком 5 19
При растяжении температура „ Ш|ага практически не аднякст на
свойства продольных слоев, несущих основную натружу в “
ИСТЫХ ламинатах В то же время. они существенно «ХХ
ность при растяжении ламината со схемой укладки ±45“ и прочность
однонаправленного материала при сжатии. Например, при температу
рс 1ЖС и влажности 1,5% предел прочное™ при растяжении
нластика со схемой укладки ±45“ на 40% „иже соответствующих
характеристик сухого материала при комнатной температуре а дефоо-
мания при разрыве возрастает примерно вдвое
13.11 - Влияние ультрафиолета и кислот
Композиты часто подвергаются воздействию ультрафиолетового све-
тя, растворителей, паров, кислот и щелочей Определяющую роль в
зашите композита от этих воздействий играет матрица Эпоксидные
смолы к ним менее чувствительны, чем полиэфиры Однако еще более
высокую стойкость имеет практически нечувствительный к влиянию
среды термопластичный ПЭЭК.
Эпоксидные и полиэфирные смолы поглощают органические ра
створители более интенсивно, чем воду Особенно сильно свойства
стеклопластика с полиэфирной матрицей снижаются при совместном
действии кислоты и растягивающей нагрузки Это явление, называе-
мое коррозией под нагрузкой, обусловлено растрескиванием стеклян-
ных волокон под действием кислоты.
13.12. Влияние среды
Усталостные испытания длятся от нескольких дней до нескольких не-
дель, и поэтому образец в процессе испытаний может изменить свою
влажность. При комнатной температуре, как правило, влажность не
изменяется. Однако, если испытания проводятся при повышенной
температуре, необходимо принять меры для сохранения влажности
образца Один из способов решения этой проблемы состоит в прове-
дении испытаний в камере с контролируемыми температурой и влаж-
ностью К сожалению, этот метод чрезвычайно дорогостоящ. Еще один
способ состоит в испытании образца в полимерном мешке, в котором
при помощи раствора соли поддерживается необходимая влажность.
Влияние окружающей среды на усталостные свойства композита
зависит от чувствительности ламината к свойствам матрицы. Так, мно-
гослойные углепластики весьма нечувствительны к влаге при комнат-
ной температуре. Если же свойства композита чувствительны к харак
теристикам матрицы, усталостные свойства зависят от влажности,
причем снижение свойств тем сильнее, чем меньше доля продольных
волокон Данных об усталостных свойствах материалов при повыще11
ных температурах явно недостаточно, но даже имеющиеся данные
позволяют сделать вывод, что прочность при циклической нагрУзКе Во
влажных условиях снижается довольно заметно
Литература
Общая
Curtis Р Т (1985) CRAG fest methods for the measurements of the engineering properties
of fibre reinforced plastics, RAE TR85099 RAE, Farnborough (now DRA Aerospace)
Harns В (1977) Fatigue and accumulation of damage in reinforced plastics
Composites, 8(4) pp 214
Jamison R D, Schulte. К Rcifsmder. К L and Stinchcomb, W W (i983)
Characterisation and analysis of damage mechanisms in the fatigue of graphite-epoxy
laminates, ASTM STP836
Talreja, R. (1981) Fatigue of composite matenals damage mechanisms and fatigue
life diagrams Proc Roy Soc Land, A378, 461
Специальная
Curtis, P T and Moore, В В (1985) A comparison of the fatigue performance of
woven and non-woven CFRP laminates RAE TR85059 RAE, Famborough (now
DRA Aerospace)
Curtis, P T (1986) An investigation of the mechanical properties of improved carbon
fibre composite materials RAE TR86021 RAE, Farnborough
Curtis, P T (1987) A review of the fatigue of composite materials, RAE TR87031,
RAE Farnborough
Задачи
13 1. Опишите механизмы усталостного повреждения однонаправлен-
ных и мультислоистых армированных пластиков. Обсудите вли-
яние волокон, матрицы и границы раздела на механические свой-
ства материала и механизм повреждения
13 2 Опишите влияние воды и других жидкостей на полимерные мат-
рицы Как влияют процессы повреждения на усталостные свой-
ства армированных пластиков при повышенной температуре, при
повышенной влажности, а также в условиях их совместного дей-
ствия9
ГЛАВА 14
СОЕДИНЕНИЕ
ДЕТАЛЕЙ
14.1. Введение
В идеале у создаваемых конструкций не должно быть соединения отдель-
ных деталей Так делают, например, сосуды внутреннего давления (мето-
дом намотки) Однако обычно конструкции приходится собирать из от-
дельных деталей Это может быть связано с ограничениями размеров по
технологическим причинам, необходимостью разбирать конструкции при
транспортировке, осмотре и ремонте Существует два основных способа
соединения деталей - механическое и склеивание. Большой опыт накоп-
лен по созданию соединений деталей из композитов с полимерными
матрицами Так можно соединять и композиты с металлическими матри-
цами однако для материалов с керамическими матрицами этот опыт
использовать нельзя. В данной главе будут рассмотрены лишь методы
соединения композитов с полимерными матрицами.
Принимая решение о способе соединения, нужно обращать внима-
ние на условия эксплуатации изделия Если требуется разбирать кон-
струкцию, использовать склеивание нельзя. То же относится и к слу-
чаям. когда невозможно использовать оборудование для склеивания.
Напротив, механический способ не используется для соединения тон-
ких пластин, поскольку при сверлении появляются дефекты, из-за
которых может начаться разрушение материала
Перечислим основные преимущества и недостатки каждого из двух
типов соединения деталей'
(а) Механическое соединение
Преимущества
1 Не требуется поверхностная обработка.
2 При разборке детали не повреждаются.
3 Удобно проводить осмотр конструкции.
Недостатки
1 Отверстия являются концентраторами напряжения.
2 Приходится увеличивать вес конструкции
(b) Склеивание
Преимущества
1 Концентрация напряжения незначительна
2 . Конструкция имеет меньший вес
Недостатки
1 Невозможна разборка без повреждения летали
2 Окружающая среда может приводить к катастрофическому сни-
жению прочности склейки
3 Необходимо обрабатывать склеиваемые поверхности.
4 Затруднен контроль качества склейки.
Композиты часто соединяют внахлест, как показало на рисунке 14.1а.
Такой способ соединения особенно удобен для плоских пластин и труб,
которые можно соединять как склеиванием, так и механически (рису-
нок 14 1Ь). Другие способы соединения, вроде фланцевого, здесь ие
рассматриваются
14.2. Механическое соединение
Прочность механического соединения зависит от свойств соединяе-
мых материалов, типа соединительного элемента (винта, заклепки или
болта), его длины, величины стягивающей силы, диаметра отверстия
и податливости соединяющего элемента На прочность соединения
композиционных материалов сильно влияет стягивающая сила, на-
правленная по толщине соединяемых деталей Распределение напря-
жений вблизи соединения вследствие поперечного сжатия является
трехмерным, что затрудняет использование аналитических решений и
чрезвычайно усложняет расчеты методом конечных элементов.
14.2.1. Механизмы разрушения
Существуют четыре механизма разрушения соединения, схематичес-
ки изображенные на рис 14 2 Во всех случаях предел прочности
соединения рассчитывают исходя из величины разрушающей силы Р
(рис 14.1с) и площади поверхности разрушения композита.
Прочность при разрыве (рис 14 2а) рассчитывают на площадь пла-
стины за вычетом площади отверстия
(w-d)t’
(14.1)
Накладка
Одностороннее соединение
ДёусторонняГнаклздка
Односторонняя накладка
Односторонняя скошенная накладка
Двусторонняя ЮННООбркная „адад
I—c==s=—i
Ступенчатое соединение я замок
Двустороннее соединение
(а)
Клинообразное соединение в замок
Р Двустороннее сдвиговое
нагружение
Одностороннее
сдвиговое нагружение
Рис. 14.1. Способы соединения (Hart-Smith, 1987а), (Ь) склеивание и
механическое соединение; (с) способы передачи нагрузки; сдвиг по од-
ной и двум плоскостям
где t - толщина пластины, Pt ~ сила при разрыве, w и d ширина
пластины и диаметр отверстия (рис 14.2), <7,- предел прочности со-
Рис 14.2. Механизмы разрушения пластины с отверстием при механи-
ческом соединении (а) разрыв (Ь) сдвиг (с) смятие (d) скол
единения Чем меньше ширина, тем более вероятно разрушение путем
разрыва пластины
Прочность при сдвиговом разрушении рассчитывают (рис 14 2b)
из уравнения
<14 2>
где Ps — сила при разрушении Чем меньше величина е (рис. 14 2b),
тем более вероятно сдвиговое разрушение ламината Обычно при скле-
ивании длину нахлеста (склейки) е берут равной 4d
Прочность при смятии ршх-чтычакп на площадь отверстия (рис. 14 2с)
Прочность при смятии обычно равна или несколько выше прочности
композита при сжатии
При сколе разрушение является комбинированным, и одна часть
образца разрушается путем разрыва, а вторая — изгиба (рис 14.2d) Опи-
сать при помощи простой формулы такое разрушение не удается В
этом случае прочность композита принято рассчитывать на сечение
отверстия аналогично прочности при смятии
Прочность соединения максимальна, если отношение d/i не слиш-
ком мало и не слишком высоко При малых отношениях d/t (большая
толщина пластины) происходит разрушение заклепки, а при больших
значениях d/f (малая толщина) разрушается пластина В обоих случа-
4 2 Механическое соединение 359^
«х прочность соединения невысока Максимальную прочность
„сине имеет при отношениях d// в интервале от 1 до 3
Прочность соединения зависит от степени анизотропии материала
и ориентации волокон вблизи отверстия. В композитах с низкой сдГи
^ой прочностью разрыв не наблюдается даже при очень малой ши-
рине образцов (и 2d) и большой длине нахлеста (е > 10d) Приметам
являются однонаправленные композиты, которые всегда разрушаются
п0 сдвиговому механизму (рис 14 2Ь>. Ламинаты с большой долей слоев
±45 имеют высокую прочность при смятии и низкую концентрацию
напряжен™ вблизи отверстия. Как следствие, они относительно не
чувствительны к длине нахлеста е.
Прочность при смятии определяется прочностью композита при
сжатии и стеснением поперечной деформации, которую обеспечивает
болт Без этого стеснения композит расслаивается вблизи отверстия
При очень низких продольных нагрузках. Слои волокон +45“ и 90
обеспечивают эффективную поддержку несущих основную нагрузку
продольных волокон, и поэтому многослойные ламинаты имеют вы-
сокую прочность при смятии, прочность При смятии квазиизотроп-
ных стеклопластиков на основе рубленых матов и полиэфирной мат
рины выше, чем тканых композитов. Это относится и к другим
квазиизотропным ламинатам, прочность которых может вдвое пре-
восходить прочность ламинатов, этим свойством не обладающих
14.2.2. Соединительные элементы
Для соединения армированных пластиков пригодны почти все соеди-
нительные элементы, используемые для других материалов. Исключе-
ние составляют шурупы, которые часто срывают резьбу, а также само-
заклиниваюшиеся болты, принцип крепления которых основан на
создании поперечного растяжения, приводящего к расслоению ком-
позита Если требуется регулярно разбирать конструкцию, используют
витые вставки или что-то подобное.
Заклепки успешно используют для соединения ламинатов толщи-
ной до 3 мм, причем они могут быть как сплошными, так и полыми.
При этом необходимо стараться не повредить ламинат при сверлении
отверстия и при расклепывании Заклепки и болты с потайной голов-
кой ие могут использоваться для соединения тонких пластин. Для сни-
жения опасности продавливания головки заклепки угол конуса дол-
жен быть увеличен до 120° (вместо стандартных 90°).
Наиболее эффективное механическое соединение обеспечивают
болты, позволяющие создать контролируемое поперечное сжатие пла-
стины, предотвращающее ее расслоение. Завинчивание болта даже при
помощи рук позволяет значительно поднять прочность соедин
Значительная доля несущей способности соединения сохраняется ИЯ
если гайка ослабляется в процессе службы Для оптимальной пр Да*е
ста соединения углепластика доля слоев ±45" должна быть равна °
близительно 55%. а для стеклопластика несколько выше Болты (,Л₽И
лепки, предназначенные специально для соединения композит^
теперь производятся различными компаниями
14.2.3. Прочность при смятии
Если соблюдены геометрические условия, исключающие сдвиг или
разрыв, соединение разрушается путем смятия Приведенные на рис
14 3-14 5 максимальные значения прочности относятся к одиночному
соединению, нагруженному на сдвиг по двум плоскостям, как показа-
но на рис 14 1с В случае одностороннего соединения или неполного
соответствия диаметра болта и отверстия снижение прочности может
превышать 10%, причем стеклопластики и углепластики в этом случае
ведут себя примерно одинаково Анализ уравнений 14 1 и 14 2 показы-
вает, что при небольшой ширине соединяемых деталей и значитель-
Рис. 14.3. Зависимость прочности соединения углепластика и стекло-
пластика на основе эпоксидной матрицы от отношения w/d Плато иа
кривой cootwn таул смятию, а возрастающая область разрыву.
нОй длине нахлеста соединение должно разрушаться путем срыва, а в
случае значительной ширины и малой длины нахлеста весьма вероя
пН сдвиг При больших значениях w и е преобладает смятие Исюпо
чс„ие представляют собой композиты на основе рубленых магов, ко-
торые обычно (при содержании волокон примерно 20 об %)
разрушаются путем разрыва Переход от сдвига или разрыва к смятию
является явным в углепластике и весьма размытым в армированных
рублеными стеклянными волокнами полиэфирах Повеление стекло
пластика на основе непрерывных волокон является промежуточным
Прочность одиночного болтового соединения стеклопластика, уг-
лепластика. армированного короткими стеклянными волокнами по-
лиэфира и тканого гибридного стекло-углепластика, характеризуется
t 14 3 14 5 Содержание волокон в углепластике и стеклопластике
равно бОоб %, и поэтому свойства этих материалов можно сравнивать
Доля волокон в гибридном материале и коротковолокнистом компо-
сте значительно ниже Пересчет прочности иа равное содержание
волокон показывает, что прочности стеклопластиков на основе непре-
рывных и рубленых волокон близки. Прочность при смятии компози-
тов армированных рублеными волокнами и матами, превосходит свой-
ства тканых ламинатов
14.2,4. Сравнение металлов и композитов
Для металлов удельная прочность при смятии определяется как отно-
шение прочности при смятии к плотности материала. Типичные зна-
чения удельной прочности композитов при смятии (при объемной доле
волокон 60 %) можно вычислить исходя из уровня «плато» на рис
14 3 14 5 Результаты расчетов приведены в таблице 14.1. Отметим,
что удельная прочность при смятии композитов выше, чем металлов.
Таблица 14.1. Удельная прочность при смятии для одиночного отверстия
Плотность (тонн/м3) сь(МПа) Удельная прочность (тонн/м3)/(МПа)
Сталь S96 7,85 973 124
Алюминиевый
сплав L72 2,70 432 1VV
Углепластик* 1,54 1070 695
Стеклопластик* 2,10 900 428
Стеклопластик* 324
(ткань) 2,10 682
Рис. 14.4 Зависимость прочности соединения от отношения e/d Плато
соответствует смятию, а возрастающая область — сдвиговому разруше-
нию
Рис. 14.5. Зависимость прочности соединения от отношения w/d для
стеклопластиков с полиэфирной матрицей.
14.2.5. Влияние количества отверстий
Если ряд соединительных элементов находятся иа одной линии, пер-
пендикулярной оси растяжения, а расстояние между ними велико,
прочность соединения можно вычислить как для одиночного элемен-
та Взаимным влиянием соединительных элементов можно пренеб
речь если расстояние между ними не менее 4d для углепластика и
стеклопластика и 6d для армированного короткими волокнами и руб-
леными матами стеклопластика
Если отверстия находятся иа линии, параллельной оси растяжения,
нагрузка воспринимается лишь сравнительно небольшой областью
вокруг каждого отверстия Как следствие, такой способ соединения
менее эффективен, чем описанный выше На рис 14 6 приведена за-
висимость эффективности соединения (определяемая делением проч-
ности соединения на прочность ламината без отверстия) от отноше-
ния d/w Максимум на кривой соответствует наиболее эффективному
способу соединения при помощи одного ряда отверстий
Данные рис 14 6 показывают, что использование нескольких рядов
соединительных элементов не позволяет значительно повысить проч-
ность конструкции Например, прочность соединения при двух рядах
соединительных элементов лишь на 10% выше максимальной прочно-
сти при одном ряде Существенное увеличение эффективности соеди-
Рис. 14.6. Влияние конструкции на структурную эффективность батто-
вого соединения (Hart-Smith, 1987а)
нения может быть достигнуто путем использования сложных конфи-
гураций соединения а для ламинатов переменной толщины и путем
использования болтов различного диаметра
14.2.6. Анализ полей напряжения
В отличие из клеевых соединений теоретический анализ болтовых
соединений до недавнего времени практически не проводился. Эту
задачу можно решать двумя способами аналитическими методами те-
ории упругости и компьютерным расчетом методом конечных элемен-
тов При решении необходимо учитывать трение между болтом и от-
верстием, длину их контакта, наличие поперечных напряжений, а при
сдвиге и нелинейное поведение материала
Полный анализ всех перечисленных факторов аналитически невоз-
можен Однако задачу можно решать приближенно предполагая, что
распределение напряжений является двумерным Результаты расчетов
качественно согласуется с экспериментальными данными, хотя их раз-
личие может быть довольно значительным Улучшение согласия рас-
четов и эксперимента в будущем будет определяться прогрессом в раз-
витии критериев разрушения и использованием трехмерного анализа
распределения напряжения
14.3. Клеевые соединения
Если клеевое соединение двух деталей создают одновременно с отвер-
ждением матрицы процесс называют соотверждением Адгезивом в
этом случае является матричный полимер Хотя в настоящем разделе
такие соединения не рассматриваются, замечания о механизмах раз-
рушения, как правило справедливы и для соединений, полученных
методом соотверждения
14.3.1. Механизмы разрушения
Существует несколько механизмов разрушения клеевых соединений,
причем разрушаться может как адгезив, так и склеиваемые материалы
В свою очередь, разрушение композита может быть межслоевым, по-
перечным или нормальным как показано схематически на рис. 14.7 В
первых двух случаях разрушается мазрица или граница раздела, а в
последнем случае разрушаются также и волокна Кроме того, может
разрушиться граница адгезива и композита. Такое разрушение имеет
пониженную прочность, и поэтому его необходимо избегать путем
должной обработки склеиваемых поверхностей.
14.3.2. Обработка склеиваемых поверхностей
Эпоксидные и полиэфирные смолы имеют полярные группы и склон-
ны к образованию прочной адгезионной связи. Они не окисляются и
не корродируют во влажных условиях Для образования качественной
склейки с поверхности композита необходимо удалить грязь, масла и
остатки веществ, которые наносят на форму перед отверждением мат-
рицы Обычно это делают двумя методами; с помощью липкой ленты,
которую затем удаляют, или абразивной обработкой склеиваемых по-
верхностей и последующей протиркой растворителем
Липкую ткань (дакрон или аналогичную ей) удаляют с поверхности
деталей лишь перед склеиванием Для получения высококачественной
склейки необходимо, чтобы ткаиь после удаления не оставляла на по-
верхности своих компонентов Поэтому она не должна включать со-
ставляющие, облегчающие удаление, или композит нужно дополни-
тельно очищать от них. Более эффективным оказался второй метод
очистки поверхности, состоящий в абразивной обработке и протира-
нии растворителем В качестве абразива используют смесь частиц пес-
ка с окисью алюминия или стандартные абразивные пасты
14.3.3. Анализ распределения напряжения
Особенностью армированных пластиков являются высокая степень
анизотропии и низкие сдвиговые и поперечные характеристики (пер-
пендикулярно плоскости пластины). Сильное влияние на прочность
соединения оказывает поперечная прочность композита, особенно если
она нужна Влияют также остаточные тепловые напряжения, появля-
ющиеся при охлаждении после отверждения матрицы. При расчетах
прочности применяют как линейный, так и нелинейный анализ. Хотя
Шнеиный анализ весьма неточен, он чрезвычайно полезен для выявле-
ния роли различных факторов на прочность соединения Расчеты по-
казали, что прочность соединения максимальна, если выполнены сле-
дующие условия
- склеиваемые детали идентичны, а если это невозможно, равны их
жесткости при изгибе
продольная жесткость склеиваемых ламинатов высока, насколько
возможно,
— велика длина склейки.
- адгезив имеет низкий модуль упругости,
— склеиваемые пластины квазигомогенны, а волокна во внешних
слоях ориентированы вдоль оси нагружения
Нелинейный анализ клеевых соединений показал, что основным па-
раметром, определяющим прочность соединения, является предель-
ная деформация адгезива при сдвиге Менее прочный, но пластичный
адгезив позволяет создать более прочное соединение
При теоретическом анализе обычно предполагают, что адгезив де-
формируется упругопластично как показано на рис 14 8а Вблизи кра-
ев соединения напряжение в адгезиве постоянно и равно пределу его
текучести Если склейка достаточно длинная, вдали от краев напряже-
ние снижается (рис 14 8Ь), причем длина зоны пластического дефор
мирования (/ — s)/2 зависит только от свойств адгезива и не зависит от
длины склейки I
Трещина в клеевом соединении начинает распространяться при до-
стижении предельной сдвиговой деформации адгезива При увеличе-
нии длины склейки прочность соединения вначале возрастает, а затем
достигает максимума поскольку средняя часть склейки перестает пе-
редавать сдвиговые усилия, и на эпюре распределения сдвигового на-
пряжения появляется провал, как показано на рис 14 8Ь Для углепла-
стика оптимальная длина склейки равна 30/а (рис 14 8Ь) При
увеличении толщины склеиваемых пластин возрастают трансверсаль-
ные напряжения, которые могут приводить к их разрушению
Прочность односторонней склейки, в отличие от двусторонней, от
свойств адгезива практически не зависит В этом случае при растяже-
нии композит расслаивается, и прочность соединения определяется
его свойствами и длиной склеики При односторонней склейке транс-
версальные напряжения примерно на порядок выше, чем при двусто-
ронней Трансверсальные напряжения могут быть снижены путем уве-
личения длины склейки, и ее оптимальная длина равна примерно 80/а
При клинообразном соединении идентичных материалов сдвиговые
напряжения (рис 14 1) постоянны, и прочность максимальна, если
Рис 14 8. Кривая напряжение-деформация упругопластического мате-
риала (а) (Ъ) распределение сдвигового напряжения по длине склейки
для двойного клеевого соединения (Hart-Smith, 1987b)
используется хрупкий высокопрочный адгезив. Прочность соедине-
ния увеличивается с длиной склейки. Чем больше величина передава-
емой силы тем меньше должен быть угол клина. При различной жест-
кости склеиваемых материалов основная передача силы происходит в
зоне пластической деформации адгезива вблизи конца менее жесткого
материала
При ступенчатой форме соединения зоны пластического течения
адгезива появляются только вблизи первых ступеней Как и при двусто-
ронней склейке, увеличение длины ступеней вначале ведет к возраста-
нию прочности, а затем она достигает максимума, поскольку централь-
ная области ступеней перестает передавать нагрузку, как показано на
рис 14 8Ь. Дальнейшее увеличение величины передаваемой нагрузки
может быть достигнуто лишь путем увеличения количества степеней и
Уменьшением их тол шины. При склеивании различающихся материа-
лов анализ ступенчатого и клинообразного соединения должен учиты-
^гь различие их жесткости и коэффициентов теплового расширения.
14,3.4. Результаты испытаний
Экспериментальные данные о прочности клеевых соединений компо-
зитов ограничены н, например для стеклопластика на основе поли-
эфирной матрицы они просто отсутст вуют Прочность соединения при
одно- и двусторонней склейке может достигать 80 или даже 90% проЧ_
ности ламината
Хорошее согласие теоретических расчетов и эксперимента может
быть достигнуто лишь при учете нелинейного поведения и пластично-
сти адгезива Для односторонней склейки нужно учитывать и изгиб
пластины Пренебрежение этими факторами может привести к дву-
кратному расхождению с экспериментальными двнными
После Юь циклов нагружения прочность соединения может сни-
зиться до 30% от исходного статического значения Несмотря на более
высокую величину сдвиговых напряжений, при циклическом нагру-
жении соединение замком ведет себя лучше других типов соединения,
поскольку ниже концентрация напряжений
14.3.5. Свойства адгезива
Для аналитических методов необходимо определить связь напряжения
и деформации адгезива Для этого используют два основных метода
испытания ~ фанерный сдвиг и кручение тонкой цилиндрической склейки
(рис 14 9) Достоинствами первого метода являются простота изго-
товления и испытания образцов, а недостатком — непостоянство сдви-
гового напряжения по длине склеики Метод кручения тонкой цилин-
дрической склеики более сложен в исполнении, но лучше моделирует
чистый сдвиг
Рис. 14.9. Методы сдвиговых испытаний адгезива (а) фанерный сдвиг,
(Ь) кручение тонкой цилиндрической склейки (Adams, Wake, 1984)
Типичные значения модуля упругости и прочности при сдвиге эпок
сидной смолы равны приблизительно 1 ГПа и 50 МПа соответствен
„о Разрушавшая сдвиговая деформация пластичного адгезива у „ав-
иа приблизительно 200%. а у = 10% (определена иа рис 14.8а) ’
14.3.6. Общие соображения при проектировании
Эффективность одностороннего клеевого соединения ограничена транс
нереальной прочностью склеиваемого композита. Кроме того оиа за
висит от толщины склеиваемых пластин Если предотвратить изгиб
композита, прочность склейки возрастает до прочности двусторонней
склейки Величина изт иба может быть снижена путем увеличеиия тол-
щины пластин в местах склейки, как показано иа рис 14 10
Для соединения несущих большую нагрузку толстых пластин необхо-
димо использовать клинообразное или ступенчатое замковое соединение.
Делать такие соединения довольно сложно. Особенно трудно обеспечить
постоянную толщину адгезива в клинообразном соединении При ступеи-
чзгом соединении качественную склейку получить проще. В обоих случа-
ях желательно использовать пластичный адгезив, тк. при этом меньше
с.., . производственные дефекты Недавно рирабог.гниыс пласти-
фицированные акриловые адгезивы имеют лучшие характеристики в слу-
чаях. когда существенна роль трансверсальных напряжений Преимуще-
ство пластичных адгезивов по сравнению с хрупкими состоит в более
высокой статической прочности и усталостной стойкости.
Подготовка поверхности металла влияет на долговечность соедине-
ния с композитами На долговечность соединений композитов небла-
гоприятно влияет влага, причем снижение прочности (адгезива и мат-
рицы) может достигать 50% и даже больше.
Чтобы обеспечить надежность соединения, желательно использовать
адгезив, сдвиговая прочность которого приблизительно на 50% выше,
чем у композита. При расчетах соединения следует снизить результаты
лабораторных испытаний адгезива на 20% для учета неполного контакта
склеиваемых поверхностей При проектировании соединений крупных
конструкций нужно осторожно использовать результаты испытаний ма-
Увеличение толщины подавляет изгиб
Уменьшение толщины снижает трансверсальные напряжения
Рис. 14.10. Профилирование пластин для увеличения прочности клее-
вого соединения при односторонней склейке (Hart—Smith, 1987b)
лих лабораторных образцов, поскольку увеличение размеров может п₽1,
водить не только к увеличению концентрации напряжения, но даже и у
изменению механизма разрушения Как следствие, прочность соедине-
ния может быть значительно ниже прочное™ лабораторных образцов
Еше одна проблема связана с выделением поглощенной воды на
склеиваемой поверхности композита, и. как следствие, появлением
пор и снижением прочности склейки Для предотвращения этого пе-
ред склеиванием композит необходимо высушить, однако при ремон
тных работах это не всегда возможно Кроме того, в процессе эксплу-
атации композиты могут поглощать техническое масло, и при ремонте
может возникнуть необходимость их удаления из композита
14.4. Ремонт
14.4.1. Введение
Приводимые ниже рекомендации основаны на опыте ремонта авиа-
ционной техники однако они носят довольно общий характер и могут
применяться в других областях техники Часто ремонт связан с заме-
ной соединения и поэтому возможность его восстановления должна
предусматриваться уже на стадии проектирования конструкции.
Как уже отмечалось, в композитах появляются дефекты в результа-
те постепенного накопления мккроповреждений, воздействия окру-
жающей среды или случайных удвров Прежде всего, необходимо ус-
тановить размер и нахождение дефекта Обычно для этого применяют
ультразвуковые и рентгеновские методы
Цель ремонта состоит в восстановлении структурной целостности
поврежденной конструкции Способ ремонта зависит из типа детали и
предъявляемых к ней требованиям Кроме того, он зависит от вне-
шних условий Например в ангарах возможен капитальный ремонт, а
в полевых условиях возможности намного более ограничены
14.4.2, Методы ремонта
Методы создания клеевых соединений могут использоваться как для
косметического, так и для капитального ремонта Косметический ре-
монт применяется для устранения повреждений, которые не являются
критическими для работы конструкции При таких работах часто воз-
никает необходимость восстановления ровной поверхности детали. Для
этого иа поврежденное место наносится ремонтный состав и выравни-
вается по контуру детали Инжекционное заполнение используют для
устранения не слишком значительных расслоений. Для этого сверлят
несколько отверстий, в одно из которых под давлением вводят разогре-
тую СМОЛУ, имеющую пониженную вязкость, д0 тех поп
начнет вытекать из других отверстий К -юсстанаадиваемоГобла™
иногда прикладывают даадение, чтобы закрыть образовавшиеся
НЬ1 для устранения серьезных повреждений на детадь накладывавX
латы двух типов а именно, заполняющие и внешние (рис 14 н7
После опенки степени повреждения ламината возникает вопрос об
удалении из него влаги для улучшения качества склейки Предвави
тельное высушивание материала (в течение как минимум 48 часов пои
7б-93«С), медленный нагрев, невысокая температура отверждения и
выбор нечувствительного к действию влаги адгезива могут полностью
решить эту проблему При повышенных температурах эксплуатации
адгезивы отверждаемые при 120“С, более чувствительны к влажности
композита, чем отверждаемые при 175°С После высушивания содер-
жание воды в ламинате не должно превышать 0,5% Для ламината,
состоящего из 16 или более слоев, на это может уйти более 24 часов
(а) Внешние накладки
Этот метод состоит в приклеивании куска композиционного материала
на внешнюю поверхность ремонтируемой детали Поверхность детали
обычно не выравнивают Эта методика требует меньшей подготовитель-
ной работы, чем инжекционное заполнения Особенно широко этот
метод используют при ограниченном доступе к ремонтируемой детали
Область вокруг повреждения несет дополнительную нагрузку, что
необходимо учитывать при принятии решения о способе ремонта. От-
метим, что адгезив на границе с ремонтируемой деталью несет повы
шенные сдвиговые напряжения. Чтобы снизить сдвиговые напряже-
ния, производят ступенчатое изменение диаметра слоев накладываемой
заплаты Низкая трансверсальная прочность ламината налагает огра-
ничение на толщину, при которой возможна починка данным мето-
дом Как следствие, им можно чинить лишь относительно тонкие ла-
минаты Вероятность отслаивания накладки может быть снижена путем
Рис. 14.11. Способы ремонта, (а) восстановление путем заполнения тон-
кой панели. (Ь) внешняя заплата, (с) вставка для ремонта толстостен-
ных пластин, (d) двойной клин для ремонта толстостенных
(Robson, 1992)
дополнительного крепления при помощи болтов или заклепок, распо.
ложенных на расстоянии ие меиее 25 мм от отверстия
(Ь) Ремонт заподлицо
Этот метод применяют, «ли после ремонта поверхность детали должна ос-
таться гладкой. Обычно ремонтируемой детали придают клинообразную фор.
му обеспечивающую наиболее прочное соединение с вставкой Этот метод
используют для ремонта несущих большую нагрузку деталей, когда необхо-
димо снизил, концентрацию напряжения вблизи места повреждения На-
пример, для починки толстых пластин. так как внешняя заплата привела бы
к пмаюгюо трансверсальных напряжений и расслоению материала
Процедура придания ремонтируемой области клинообразной фор-
мы должна проводиться очень осторожно, чтобы композит не рассло-
ился и был выдержан требуемый угол клина Ориентация слоев встав-
ки должна со*'-•действовать схеме укладки поврежденного материала
Вставка может приклеиваться при помощи специального адгезива или
матричной смолы Соединение может иметь форму одиночного или
двойного скоса (рис 14 11) При двойном скосе меньше его длина и,
кроме того, стачивается меньший объем пластины Типичный угол
скоса равен 1 20 В качестве внешнего слоя рекомендуется использо-
вать не однонаправленный материал, а ткань или слой ±45°, что сни-
жает опасность поверхностного повреждения
14.4.3. Починка при помощи болтового соединения
Для крепления вставки может использоваться болтовое соединение
Болтовое соединение используют для ремонта толстых ламинатов, когда
клеевые соединения отслаиваются из-за высоких сдвиговых напряже-
ний Этот метод крепления используют, если не представляется воз-
можным сделать клин на поврежденной пластине.
При помощи болтов вставка может крепиться как на одной, так и
на двух поверхностях пластины (рис 14 12а). Если требуется исполь-
зовать болты с потайными головками, толщина вставки должна позво-
лять спрятать головки болта. Если нежелательно резкое изменение
толщины детали, заплата может иметь скошенные края.
При еще одном способе болтового соединения в поврежденное место
делается вставка, и болты крепятся, как показано на рис. 14.12. Про-
блемы такого ремонта возникают при ограниченном доступе к обрат-
ной стороне пластины, а также при монтировании крупных накладок
с большим количеством болтов
Использование болтов имеет некоторые особенности. Сверление
отверстий может быть весьма трудоемким процессом, причем при этом
Задачи 373
Вставка
Рис. 14.12. Ремонт при помощи болтового
накладка, (Ь) вставка.
соединения, (а) внешняя
может повреждаться ремонтируемая деталь. Болтовой ремонт нельзя
использовать для починки сотовых Конструкций и при низкой Проч-
ности при смятии ламинатов с некоторыми схемами укладки слоев
Литература
Специальная
Adams, R D and Wake, W С. (1984) Structural Adhesive Joints in Engineering,
Elsevier Applied Science
Hart-Smith, L J (1987a) Design and empincal analysis of bolted or nveted joints, m
Joining Fibre-Reinforced Plastics, (ed. F L. Matthews), Elsevier Applied Science
Hart Smith, L J (1987b) Design of adhesively bonded joints, in Joining Fibre-
Reinforced Plastics, (ed F L. Matthews), Elsevier Applied Science.
Robson, J E (1992) Ph D Thesis, imperial College, University of London.
Задачи
14 1 Опишите преимущества и недостатки механического соединения
ламинатов Опишите механизмы разрушения механическою соеди-
нения. Как механизм разрушения и прочность соединения зависят
от типа соединения, схемы укладки слоев и геометрии соединения?
14 Опишите прочность клеевого соединения при односторонней и дву-
сторонней склейке, ступенчатой и клинообразной склейке, обра-
тив внимание на распределение напряжения в соединении. Опи-
шите влияние механических характеристик адгезива и ламината на
прочность соединения. Обратите внимание на факторы, которые
могут уменьшать или увеличивать прочность соединения.
ГЛАВА 15
МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО
контроля
15.1. Введение
Любая деталь имеет дефекты появляющиеся при изготовлении, сбор-
ке и эксплуатации Решение вопроса о возможности дальнейшего ис-
пользования поврежденной детали зависит от многих факторов, в том
числе типа, размера и положения дефекта Прежде всего, необходимо
обнаружить и охарактеризовать дефекты Как следует из названия,
неразрушающими называют различные методы, позволяющие иссле-
довать материал, не прибегая к его разрушению
Методы неразрушающего контроля первоначально появились для об-
следования металлов Они используются для контроля качества выпус-
каемой продукции, периодического осмотра в процессе эксплуатации и
для исследовательских целей В исследовательских целях эти методы
использовались для композитов с керамической, металлической и по-
лимерной матрицами, однако в промышленности они используются пока
лишь для композитов с полимерной матрицей По этой причине в на-
стоящей главе будут рассматриваться лишь армированные пластики
Существует несколько инструментальных методов неразрушающе-
го контроля, а именно ультразвуковой, рентгеновский, вихревых то-
ков и проникающего красителя Метод вихревых токов можно приме
нять, лишь если волокна проводят электрический ток Используется
он для определения объемной доли и ориентации волокон. Красители
в композитах используют намного реже, чем в металлах, поскольку их
трудно удалить Поэтому наиболее часто для контроля армированных
пластиков используют ультразвук и рентген Армированные пластики
используют также в качестве поверхностного слоя в сотовых структу-
рах, причем слои композита и соты в этом случае склеивают.
Применение неразрушающих методов для обследования клеевых
соединении может иметь ограничения Клеевые соединения могут иметь
гри типа повреждений
(а) полное нарушение соединения,
(Ъ) локальное адгезионное разрушение,
(с) когезионное разрушение адгезива
Если обработка склеиваемых поверхностей была проведена правиль
по, полное нарушение склейки обычно ие происходит КогезиоХ ™
р)11|ение адгезива обнаружить непросто, тем не менее, эго часто удаХ
пр>< помощи ультразвуковых методов. Отметим, что обнаружить Хе
нИе сотовых структур может быть еще большей проблемой причем в
ЭТОМ случае вибрационные и тепловые методы имеют преимущества по
сравнению с ультразвуковыми и рентгеновскими Все эти методы ис
пользуют и ятя контроля многослойных ламинатов Их применяют как
для контроля качества при производстве, так и для регулярных эксплуа-
тационных осмотров. В последнем случае преимущество имеют вибраци-
онные методы, оборудование которых может быть портативным
Сосуды внутреннего дааления периодически проверяют путем со-
здания давления, превышающего эксплуатационное В этом случае цен-
ную информацию о состоянии материала можно получить методом аку-
стической эмиссии Так, акустоэмиссия регистрирует микроразрущеиие
материала под нагрузкой, хотя, строго говоря, методом неразрушающе-
го контроля она не является Однако она очень полезна при регулярном
контроле состояния материала, и поэтому включена в данную главу.
Комбинированный метод, совмещающий принципы акустической эмис-
сии и ультразвуковых методов, также рассмотрен в этой главе.
Поскольку разрушение композитов изучено менее подробно, чем
металлов, трудно оценить степень опасности дефекта Вследствие это-
го в настоящее время при решении вопроса об опасности обнаружен-
ного дефекта часто перестраховываются.
15.2. Ультразвуковые методы
Длина акустической волны описывается формулой-
Л = с//, (15 1)
где Л — длина волны, с — скорость звука и f ~ частота колебаний
Отметим, что скорость звука зависит от упругих характеристик мате-
риала Для композитов рабочий интервал частот равен 1—10 МГц, хотя
иногда используются частоты 500 кГц и 25 МГц. Человеческое ухо
неспособно воспринимать колебания частотой выше 20 кГц, и весь
описываемый интервал частот является ультразвуковым. Преимуще-
ством высокочастотных (следовательно, коротких) волн является воз
можность обнаружения мелких дефектов, поскольку минимальным
размер регистрируемых объектов примерно равен длине волны. Пре
имуществом низкочастотных волн является меньшее затухание, по
зволяющее им проникать на большую глубину. Таким образом, вы ор
частоты всегда определяется компромиссом между разрешающей сп
собностью и глубиной проникновения.
Имеются несколько типов ультразвуковых волн в твердых телах
(а) продольные волны растяжения-сжатия,
<Ь) сдвиговые или поперечные волны, в которых материал колеблет-
ся перпендикулярно направлению распространения,
(с) поверхностные волны, наиболее известным примером которых
являются волны Релея Материал в них движется по эллипсу, а
глубина проникновения ограничена одной длиной волны
На границе двух материалов волна частично отражается. Интен-
сивность отраженной волны зависит из угла паления и акустического
импеданса материалов Импеданс Z определяется плотностью матери-
ала р и скоростью волны с
Z = pc (15 2)
Энергия волны, прошедшей через границу раздела, равна
4Z,Z2
т (Z,+Z2)2’
где Z, и 2^ - импедансы материалов
отражения /R равен
(15 3)
Соответственно, коэффициент
Эти соотношения используются для инспекции клеевых соединений
При ультразвуковых испытаниях изучают прошедшую или отражен-
ную волну Для возбуждения волны используют пьезоэлектрические
датчики, преобразующие электрический импульс в акустические ко-
лебания Точно такие же датчики преобразуют прошедшую через ма-
териал акустическую волну в электрический сигнал Результаты расче-
та коэффициента отражения волны на границе воздух—композит при
помощи уравнений 15 3 и 15 4 приведены в таблице 15 1 Акустичес-
кая волна на транице воздуха и композита отражается практически
полностью Напротив, из воды в композит волна идет достаточно хо-
рошо. Для создания акустического контакта между датчиком и мате-
риалом обычно используют воду, различные масла или гели.
Чтобы не было помех, коэффициент отражения должен быть по-
стоянным Этого можно добиться погружением обследуемой детали
в ванну с водой Однако для крупных деталей такие ванны были бы
слишком большими и дорогостоящими Кроме того, их нельзя ис-
пользовать для плавающих сотовых конструкций Поэтому часто аку-
стический контакт создают при помощи струи воды, как показано
на рис. 15.1, причем ее течение во избежание помех должно быть
IS 2 Ультразвуковые методы
Таблица 15.1. Коэффициенты отражения и прохождения я™™
на границе воздух -композит и вода композит акустическом волны
Воздухуглепластик
Вода-утлепластик
Воздух-стеклопластик
Вода стеклогтласти к
Интенсивность (%)
Отражение ПрстжОение
99 97 о.ОЗ
77.7 72,3
99.89 0,11
З’.О 63,0
ламинарным Для этого же, особенно при регулярных эксплуатаци-
онных осмотрах, на поверхность композита или датчика наносят
слой смазки.
Самый простой способ обследования композита состоит в изуче-
нии прошедшей через материал акустической волны. Для этого на
противоположных поверхностях пластины с помощью кронштейна
устанавливают два датчика, один из которых излучает, а второй при-
нимает сигнал, как показано на рис 15 2а Этот способ исследования
называется методом проходящей волны К сожалению, задняя поверх-
ность пластины может быть недоступной, и в этом случае используют
единственный датчик, который и излучает, и принимает сигнал Сиг
нал может отражаться специальным акустическим зеркалом (рис. 15.2b)
или просто задней поверхностью пластины (рис. 15.2с). Методы, в
которых изучается отраженный сигнал, называют методами акусти-
/
Излучатель
Ламинарный
поток воды
Рис. 15.1. Использование струи воды для создания акустического кон
такта
С
(С)
Рнс 15.2. Методы проходящей волны (а), отражающего зеркала (Ь) и
отражения от задней поверхности (с)
ческого эха В качестве отражающего зеркала обычно используют стек-
ло. имеющее большой коэффициент отражения на границе с водой
Имеются три варианта ультразвуковых исследований, различающие-
ся степенью сложности используемого оборудования и называемые А-,
В- и С-сканерами Самым простым является A-сканер, принцип рабо-
ты которого иллюстрируется рисунком 15 3 Отклонение луча осцил-
лотрафа по оси Y пропорционально амплитуде ультразвукового сигнала
(отраженного от передней поверхности ламината, дефекта и задней по-
верхности соответственно), а ось X описывает время распространения,
пропорциональное пройденному волной расстоянию Таким образом,
A-сканер определяет глубину нахождения дефекта и дает представление
о его размере, который может быть оценен из амплитуды сигнала.
Если датчик движется вдоль образца и периодически регистриру-
ются A-сигналы при помощи запоминающего осциллографа, можно
получить информацию как о размере, так и о глубине расположения
дефектов. Принцип работы такого прибора, называемого акустичес-
ким В-сканером, представлен на рис. 15.4.
Наиболее полную информацию дает С-сканер В этом приборе датчик
перемещается по прямоугольной области как показано на рис. 15.5. Ин-
Рис 15.3. Принцип работы ультразвукового А-сканера
формация о положении датчика и амплитуде принятого сигнала записы-
вается, причем для увеличения контрастности изображения из амплиту-
ды сигнала вычитается некоторое предварительно установленное значе-
ние (ИччГинапный таким образом сигнал отражается на экране в виде
точки, яркость которой пропорциональна величине сигнала. Полученное
изображение сканируемой области характеризует отражение сигнала, как
показано на рис 15.5 и 15.6. Этот метод описывает форму дефектов, но
не позволяет определить глубину их расположения Возрастание затуха-
ния указывает на наличие расслоений, повышенную концентрацию пор,
присутствие инородных материалов, повышенную влажность и отслое-
ние адгезива Трещины, перпендикулярные к плоскости пластины, могут
быть обнаружены при помощи С-сканера высокого разрешения, но луч-
ше для этого использовать сдвиговые волны или рентген.
Исследование сотовых структур ультразвуковым методом не всегда
позволяет обнаружить отслоение задней поверхности структуры, если
к ней нет доступа и нельзя использовать метод проходящей волны.
Если отслоился передний слой композита, коэффициент отражения
резко возрастает, и волна в сотовую структуру практически не идет.
Обследовать заднюю поверхность сотовой конструкции методом акус-
тического эха в этом случае не удается и нужно использовать метод
Координата
рис. 15.4. Принцип работы ультразвукового В сканера
Движение датчика при
ось у
-------ось х
Рис. 15.5. Принцип работы ультразвукового С-сканера
проходящей волны В отличие от метода акустического эха, в случае
проходящей волны отслоение приводит к падению мощности сигнала.
Имеется несколько других ультразвуковых методов исследования,
однако мы упомянем лишь метод Фоккера, в котором измеряется сдвиг
резонансной частоты колебаний при распространении волны перпен-
дикулярно плоскости пластины (по толщине)
Обратим внимание, что необходимость создания акустического кон-
такта между датчиком и обследуемой структурой может представлять
Рис. 15.6. Рисунок, демонстрирующий расслоение углепласгикового ла-
мината в результате удара Расслоения показаны черным цветом (лю
безно предоставлено Р Cawley) ' ю
проблему, особенно в полевых условиях Однако сейчас уже разрабо-
таны специальные зажимы, обеспечивающие контакт датчиков с ком-
позитом при помоши воды
15.3. Рентгенография
Метод рентгенографии основан на измерении энергии электромаг-
нитной волны, прошедшей через исследуемый образец Интенсивность
волны (7) зависит из интенсивности падающей волны (/о), толщины
материала (х) и его свойств
/= / ехр (~рх), (15 5)
где д - коэффициент поглощения^ зависящий от длины рентгеновской
волны и плотности материала р Отношение р/р называемое массо-
вым коэффициентом поглощения, является константой материала Не-
которые типичные значения коэффициентов р и д/р приведены в таб-
лице 15 2 Коэффициенты поглощения возрастают при увеличении
атомного веса вещества и снижаются с ростом энергии волны. Как
следствие, глубина проникновения возрастает при увеличении энер-
гии рентгеновской волны
Массовый коэффициент поглощения сложного химического соеди-
нения описывается правилом смесей:
= (Р/Р>А W. + <Р/Р>В + -• (15 б)
где к — весовая доля, а индексы А, В относятся к соответствующим
элементам Полимеры состоят главным образом из водорода, углерода
в других легких элементов с низкими значениями р/р, и поэтому рен-
Таблица 15.2 Коэффициенты поглощения для некоторых химических эле-
ментов (Bryant, McIntire 1985)
Элемент Энергия радиации Коэффициенты поглощения
(MeV) Массовый р/р (кг/м‘) Линейный, р (м 'j
3 35 28 1 х IO*
Водород 0 15 2 65 22 2 х 10-1
Углерод 0.05 0 15 1,86 1,35 41,3 30,0
0 05 0 15 2 U 2,81 х 102
Кислород 1 37 2.81 х 102
Алюминий 0,05 0 15 3 57 1 38 96 4 37.3
Кремний 0.05 0,15 4 27 1 44 100 33,8
Железо 0 05 0,15 19.3 1 96 1520 154
Свиней 0,05 0 15 57,3 19 2 6500 2180
тгеновское излучение они поглощают слабо Поэтому для исследова-
ния армированных пластиков используют мягкий (низкоэнергетичес-
кий) рентген а для металлов и композитов с металлической матрицей
рентген должен быть более жестким Например, глубина проникнове-
ния рентгеновского излучения энергией 1 МВ для полимера и стали
равна 500 и 150 мм соответственно Стекло поглощает рентген сильнее
полимеров вследствие наличия в нем элементов с относительно боль-
шими атомными весами - кремния» кальция и алюминия (таблица
15 2) Принцип работы рентгеновского аппарата основан на различ-
ном поглощении рентгеновского излучения «нормальным» и дефект-
ным материалом, что приводит к различной степени почернения фо-
топленки
Особенностью углепластика является высокая прозрачность к рен-
тгеновскому излучению Поэтому необходимо использовать мягкий
рентген и высококонтрастную фотопленку Обычно используют рент-
геновские трубки, работающие в интервале напряжений от 5 до 50 кВ
В ламинатах рентгенография превосходно обнаруживает поперечные
трещины и инородные включения типа металлической стружки, а в
сотовых структурах — вставки в сотовое ядро и разрушение сот Мож-
но ее использовать и для обнаружения пор, хотя для этой цели оиа
менее чувствительна, чем ультразвуковые методы.
Углеродные волокна и полимерные матрицы имеют очень близкие
коэффициенты поглощения К счастью. „ облегчения уХи Z
„регов они обычно содержат небольшое количество стек^Сй ™
зываюших направление ориентации волокон Эти нити позволит
использовать рентген для определения напрагшения ориентации и «
витости волокон, а также для обнаружения нежелательных утолщений
и узлов Облучение под различными углами к плоскости пластины
позволяет определить схему укладки слоев
Отметим что низкое поглощение рентгена углепластиком может
быть его достоинством К примеру, он является идеальным материа-
лом ДЛЯ изготовления медицинских рентгеновских столов
Если трещины выходят на край пластины, форму расслоений изу-
чают, вводя в композит непрозрачные для рентгена жидкости К сожа-
чению, жидкости типа тетрабромэтана чрезвычайно ядовиты, что ог-
раничивает их применение Недавно для этой цели стали использовать
менее ядовитый иодид цинка.
Как отмечалось, стекловолокна хорошо поглощают рентген, и по-
этому рентгенография широко используется для определения ориен-
тации и распределения волокон в стеклопластике Этот метод также
весьма эффективен для регистрации пор и расслоений в стеклоплас-
тике из-за высокой контрастности дефектов.
Рентгенография более эффективно обнаруживает объемные дефекты,
чем трещины Согласно рис. 15 7, чувствительность метода зависит от
угла между направлением пучка и плоскостью дефекта Легче всего тре-
щину обнаружить, если пучок параллелен плоскости трещины, и труднее
всего, если он перпендикулярен плоскости трещины Ятя примера рас-
смотрим пластину толщиной 25 мм Как следует из данных рис 15.7, для
утла между пучком и плоскостью трещины 5 и 45° минимальная толщина
обнаруживаемой трещины равна 0,05 и 0,26 мм соответственно. Для ин-
спекции армированных пластиков рентген используется менее широко,
чем для металлов. Эго связано с высокой рентгенопрозрачностью компо-
зитов и с ориентацией межслоевых трещин преимущественно в плоско-
сти ламината Как следует из данных рис. 15 7 и 15.8, при такой ориента-
ции трещин рентгенография малоэффективна.
Самой современной формой рентгенографии является компьютерная
томография Недавние достижения в областях цифровой обработки ин-
формации позволили получать изображение объекта в режиме реального
времени т е. непосредственно в процессе облучения В настоящее время
разрешение компьютерных изображений ниже, чем при фоторегистра
иии. Тем не менее, использование компьютерной техники чрезвы шино
перспективно для быстрой инспекции деталей на сборочных линиях.
Рис 15 7 Зависимость разрешающей способности от толщины пласти-
ны 'при' различных значениях угла между плоскостью трешины и на-
правлением рентгеновского луча (Birchon, 1975)
Рис» 15.8. Рентгенография межслосвых трещин, (а) желательное направ-
ление луча, (Ь) нежелательное, ио реальное направление луча.
В компьютерной томографии расходящийся рентгеновский пучок
напраш!яют на пластину и регистрируют профиль интенсивности про-
шедшего луча Рентгеновский источник поворачивают, как показано
на рис. 15 9, а профили поглощения записывают через определенные
Рис. 15.9. Метод компьютерной томографии Диаграмма показывает три
положения рентгеновского источника и соответствующие профили по-
глощения, позволяющие восстановить контур дефектов.
интервалы времени. Компьютерный анализ полученных профилей
позволяет построить изображение объекта. Работающий на этой осно-
ве медицинский рентгеновский томограф имеет пространственное раз-
решение 1 мм и разрешение по плотности 0,02 %. Плотности челове-
ческих тканей и армированных пластиков близки, и поэтому
медицинские томографы успешно использовались для обследования
композитов. Производятся также томографы немедицинского назна-
чения, которые дешевле, но имеют более низкое разрешение.
Следует отметить, что рентген представляет опасность для здоровья.
Необходимость защиты сдерживает его использование, особенно в поле-
условиях, когда обеспечить необходимую защиту довольно сложно
15.4. Вибрационные методы
Мы рассмотрели ультразвуковой и рентгеновский методы детекции
дефектов в композитах, сотовых структурах и клеевых соединениях
При использовании ультразвука требуется контактная жидкость. что в
полевых условиях неудобно, а инспекция сотовых структур затруднена
распространением сигнала лишь через стенки сот По этим причинам
используют и другие методы контроля, как например, низкочастот-
ные вибрационные методы
Вибрационные методы делятся на общие и локальные. Общие мето-
ды основаны на измерении собственных частот и затухания колеба-
ний, причем одно измерение позволяет установить, имеет ли деталь
дефект или нет При использовании локальных методов определяют
Параметры колебаний детали в исследуемой области Использование
локальных методов требует большего времени, но позволяет опреде-
лить расположение и размер дефектов
15.4.1. Общие методы
Собственные резонансные частоты и коэффициент затухания колеба-
ний характеризуют всю структуру и не зависят от точки измерения
Похожим образом уже много десятилетий контролируют состояние
железнодорожных рельсов и колес Постукивая по колесу и слушая
издаваемый звук, делают вывод о наличии трещин К сожалению, этот
метод субъективен
Современное оборудование позволяет на основании похожих ис-
пытаний сделать объективные, быстрые и надежные выводы о состоя-
нии конструкции Если не требуется обнаруживать мелкие дефекты,
вся структура может быть проверена в течение нескольких секунд, что
делает этот метод контроля чрезвычайно привлекательным
Неверная последовательность укладки слоев, нарушение угла их
укладки и падение свойств под действием окружающей среды приво-
дят к легко регистрируемым изменениям частот резонансных колеба-
ний (рис 15 10) Отметим, что резонансные частоты чувствительны не
только к наличию дефектов, но и к размерам детали. Поэтому их мож-
но использовать не только для детекции дефектов, но и для контроля
размеров деталей
Колебания в армированных пластиках затухают гораздо быстрее,
чем в металлах, и поэтому при наличии дефекта коэффициент затуха-
ния изменяется менее сильно, как в металле. Тем не менее, коэффи-
циент затухания более чувствителен к дефектам в композитах, чем
резонансные частоты Кроме того, затухание слабо зависит от разме-
Рис 15.10 График, иллюстрирующий сдвиг основной частоты и второй
гармоники собственных изгибных колебаний углепластиковой трубы; (+)
- высококачественная труба, (•) — обрывы волокон, (А) - нарушения
ориентации волокон, () — пониженная доля волокон (Cawley et al, 1985).
ров пластины К сожалению, недостатков измерения коэффициента
затухания гораздо больше, чем преимуществ, и поэтому в обозримом
будущем этот метод вряд ли станет широко распространенным.
15.4.2. Локальные методы
Вероятно, самый старый метод инспекционного осмотра слоистых кон-
струкций состоит в их «прозвании» Он состоит в легком постукива-
нии по композиту и прослушивании возникающего звука. Дефектные
площади звучат иначе, чем бездефектные, и опытный оператор м
легко обнаружить расслоения и дефекты сотовых структур. д0 са ет
последнего времени, однако, такие испытания были весьма суб Г°
тивными. что сдерживало их использование
Изменение звука при простукивании вызвано уменьшением жест-
кости материала вблизи дефекта Как следует из данных рис 15 ца> в
дефектной зоне звук имеет меньшую силу и большую продолжитель-
ность. Особенно сильно снижается амплитуда высокочастотных сиг-
Рис. 15.11. Метод локального простукивания, (а) зависимость амплитуды
от частоты колебаний для дефектной и высококачественной клееной струк-
туры Амплитуда колебаний вблизи дефекта ниже, а длительность звуча-
ния выше, (Ъ) зависимость силы звука от частоты (Cawley et al, 1985)
налов (рис 15 11b) В настоящее время производятся приборы, позво-
ляющие объективно оценить качество структуры путем измерения за-
тухания и спектра резонансных колебаний
Анализатор Механического Импеданса разработан в Советском
Союзе приблизительно 30 лет назад и продается во всем мире Эта
техника регистрирует изменение величины механического импеданса
в диапазоне частот от 1 до 10 кГц Механический импеданс Z4 является
комплексным числом, характеризующим сопротивление внешнему
воздействию и определяемый следующим образом
(15 7)
где Р ~ прикладываемая сила и с — скорость в точке приложения
силы Величина импеданса нем ниже, чем крупнее дефект
Имеется несколько приборов, принцип работы которых основан на
резонансе отслоившихся слоев При некоторых частотах возбуждаю-
щего сигнала амплитуда колебаний оказывается значительно более
высокой, чем в бездефектном материале Этот метод может быть очень
быстрым и привлекательным способом инспекции композитов
Поскольку вибрационные методы используют частоты не выше 30
кГц, не нужна жидкость для создания акустического контакта между
датчиком и исследуемым мазериалом Кроме того, вибрационное обо-
рудование обычно является портативным, и эти методы очень удобны
в полевых условиях Они легко обнаруживают дефекты в сотовых струк-
турах и ударные расслоения в многослойных ламинатах (глава 12)
Углелластмковая
Рис. 15.12. Зависимость размера минимдзьн^ ^е^^наруживае
мого методом механического импеданса, от глуби» Р
фекта (Cawley, 1987)
Недостатком виброметодов является снижение чувствительности с глу-
биной дефекта что иллюстрируется рис 15 12 Методы локального
резонанса и простукивания имеют аналогичные недостатки
15.5. Тепловые методы
Традиционные тепловые методы основаны на регистрации стационар-
ных температурных полей Например, их используют для оценки теп-
лопроводности маний Однако для контроля композитов используют
другой подход, в котором изучается реакция материала на короткий
тепловой импульс Изучение отклика системы на тепловой импульс
называют переходной термографией
Если к ламинату подведено тепло, его температура постепенно воз-
растает Увеличение температуры определяется количеством тепла,
временем воздействия и свойствами материала Скорость распростра-
нения тепла зависит также от размера дефекта Отслоения приводят к
снижению скорости распространения тепла, что может быть зарегист-
рировано при помощи тепловой инфракрасной камеры
Тепловые методы делятся на одно- и двусторонние В односторонних
методах инфракрасная камера контролирует нагреваемую поверхность.
В этом случае дефекты снижают скорость распространения тепла, и
поэтому они имеют вид горячих пятен (рис 15 13а). Переходные про-
цессы можно изучать путем подачи тепла к одной поверхности и реги-
страции температуры на другой поверхности ламината Такие методы
называют двусторонними, и дефекты в этом случае выглядят холодными
пятнами (рис 15 13b) Аналогично изучают переходные процессы при
охлаждении, которое производят путем распыления охлаждающего аэро-
золя по исследуемой поверхности Чувствительность односторонних ме-
тодов снижается при увеличении глубины дефекта Двусторонние мето-
ды позволяют обнаруживать глубоко лежащие дефекты.
Преимуществом переходной термографии по сравнению со стаци-
онарными методами является более высокая чувствительность, посколь-
ку дефект часто незначительно влияет на стационарное распределение
температурь! Заметные температурные различия вблизи дефектов при
переходных процессах существуют приблизительно в течение секун-
ды, и их нужно записывать на камеру Чувствительность метода сни-
жается при увеличении теплопроводности материала Проблемы мо-
гут возникнуть, если поверхность имеет области с различной
излучательной способностью В этом случае образец окрашивают в
матовый черный цвет
Изучение переходных тепловых процессов имеет несколько при-
влекательных особенностей.
Рис. 15.13. Схематическое представление переходного теплового про-
цесса, односторонний (а) и двусторонний (Ь) методы (любезно предос-
тавлено С Hobbs)
(а) это неконтактный и неповреждающий метод, хотя нужно сле-
дить за тем, чтобы не перегреть поверхность;
(Ь) одним тепловым импульсом инспектируется большая площадь
пластины,
(с) может быть получено тепловое изображение поверхности.
Инфракрасная камера используется также в методе штрафуй,
в котором возбуждаются резонансные колебания и регистрируются появ-
ляющиеся горячие точки. Эти точки являются областями повышенного
тепловыделения в трещинах, противоположные берега которых при виб-
рации трутся. Этот метод основан на регистрации стационарного распре-
деления температуры и поэтому не подходит для материалов с высокой
теплопроводностью. Например, он успешно применялся для обследова-
ния стеклопластиков, однако для углепластика он недостаточно чувствите-
лен вследствие высокой теплопроводности углеродных волокон.
Тепловые методы позволяют быстро обследовать большую площадь
поверхности, однако они требуют значительных затрат на оборудование
15.6. Акустическая эмиссия
Если в материале происходит местное разрушение, образуются акусти-
ческие волны, распространяющиеся через материал. В некоторых случа-
ях, как, например, при разрушении льда, эти волны имеют большую
амплитуду и хорошо слышны. Однако в большинстве случаев акустичес-
кие волны имеют ультразвуковую частоту и низкую амплитуду, и позго-
му для их решстрации требуются чувствительные датчики Для регистра-
ции волн акустической эмиссии (АЭ) используются такие же датчики,
как н при ультразвуковых испытаниях Усиленный сигнал одиночного
MNKpupu (..гения схематически показан на рис 15 14 Метод акустичес-
кой эмиссии основан на анализе сигналов, которые образуются в про-
цессе нагружения Используют различные методы анализа сигналов, но
здесь будут описаны лишь наиболее широко используемые.
15.6.1. Методы анализа сигналов
Самый простой метод описания акустического импульса состоит в опре-
делении количества полупериодов колебаний, амплитуда которых пре-
вышает некоторое пороговое значение У Например, показанный на рис.
15 14 сигнал имеет двенадцать таких полупериодов Этот сигнал вызван
единственным микроразрушением, и часто считают лишь количество
событий Этот способ анализа называют подсчетом событии
Рис. 15.14. Сигнал акустической эмиссии, (а) усиленный одиночный
сигнал, (Ь) определение количества полупериодов, амплитуда которых
превышает пороговое значение, (с) подсчет случаев.
Акустические датчики чрезвычайно чувствительны и способны об-
наруживать самые ранние стадии микроразрушения (рис 15 15) Они
особенно полезны при испытаниях армированных пластиков Очень
информативен параметр, называемый коэффициентом Фелисити При
повторном нагружении образца акустические сигналы появляются при
напряжении, меньшем величины первого нагружения Это называют
эффектом Фелисити, а отношение напряжения появления сигналов к
первоначальному напряжению называют коэффициентом Фелисити
Чем ниже этот коэффициент, тем выше степень поврежденности ма-
териала (рис 15 16)
Метод подсчета количества событий очень прост, но ие позволяет
определить тип дефекта и степень поврежденности композита Более
полную информацию дает амплитудное распределения акустоэмисси-
онных сигналов, причем амплитуду обычно выражают в децибеллах
(дБ = 20 log (У/И), где У — порог регистрируемых сигналов) Анало-
гичную информацию дает гистограмма распределения импульсов по
их продолжительности
Амплитудное распределение сигналов может иметь нескольких пи-
ков, каждый из которых обусловлен определенным микромеханизмом
разрушения Рис. 15 17 демонстрирует изменение распределения ампли-
туды при увеличении нагрузки Как правило, наличие высокоамплитуд-
ных событий указывает на сильную степень повреждения композита.
Рис. 15.15. Зависимости количества сигналов акустической и
напряжения в зависимости от количества циклов нагружения^
миния, армированного 50% борных волоком Деформаш
(R S Williams, K.L. Remfsmder, 1974)
Рис 15 16. Уменьшение коэффициента Фелисити при увеличении на-
грузки (Fowler Gray 1979)
Количество событий
Амплитуда (дБ
Рис 15 17 Изменение амплитудного распределения акустических сиг
налов при трехточечном изгибе композита стальные волокна-эпоксид-
ная смола (Benhelot Billand 1983)
Следует обратить внимание на наиболее эиергетичные и продол-
жительные события Например я дефектных сосудах внутреннего дав
"ения высоко жертетнчные сигналы появляются значительно рань
ше чем в высокопрочных (рис 15 18)
ООО 1000 2000 3000 4000 5000
Длительное») (мкс)
Рнс 15.18 Гистограммы распределения продолжительности сигналов
при различных давлениях в высокопрочном и низкопрочиом сосудах
внутреннего давления из углепластика на основе эпоксидной матрицы
(Gorman Rytting 1983)
15.6.2. Локация источника микроразрушения
Акустическая волна может пройти довольно значительное расстояние
от источника разрушения, прежде чем она перестанет регистрировать-
ся прибором Снижение амплитуды волны определяется следующими
факторами
(а) геометрическим фактором, определяемым расстоянием до ис-
точника Для тонкой пластины амплитуда снижается обратно про-
порционально корню квадратному из расстояния,
(Ь) поглощением энергии материалом,
(с) зависимостью скорости распространения от частоты (дисперси-
ей) ведущей к увеличению длительности сигнала
Измеряя время прибытия сигнала с помощью нескольких датчиков
можно определить положение источника аналогично тому, как опреде-
ляется эпицентр землетрясений в сейсмологии Количество необходи-
мых датчиков зависит от размера и формы структуры Для одномерного
трубопровода достаточно двух датчиков (рис 15 19а), для плоской струк-
Рнс. 15.19. Определение положения источника акустического сигнала,
(а) одномерная структура с двумя датчиками, (Ь) положение датчиков
(о) иа поверхности сосуда давления (CARP, 1982)
15 6 Акустическая эмиссия 397^1
туры их требуется как минимум три, а для сосуда давления может по-
требоваться несколько, как показано на рис 15 19b Метод акустичес-
кой эмиссии может применяться как при испытаниях, так и в процессе
эксплуатации конструкции Он позволяет определить положение де-
фекта, но идентифицировать его тип и размер пока не удается
15.6.3. Акустоультразвук
Акустоультразвук является относительно новым методом неразруша-
ющего контроля, основанным на комбинации принципов ультразву-
ковой техники и акустической эмиссии В нем используют импульс-
ное возбуждение волны, как в ультразвуковых методах, а сигнал
анализируют, как в методе акустической эмиссии Длина регистриру-
емого сигнала, именуемого волновым фактором, уменьшается с ростом
количества дефектов Это демонстрируется рис 15.20, демонстрирую-
щим наличие корреляции между остаточной прочностью углепластика
и волновым фактором Положение дефекта может быть определено
путем перемещения двух датчиков по поверхности структуры
Рис. 15.20. Корреляция между результатами акусто-ультразвуковых ис-
следований и остаточной послеударной прочностью углепластика на
основе эпоксидной смолы (Williams, Doll, 1980)
Литература
Общая
Buying, К G (ed) (1989) NDE Handbook - Hon-destruclive Examination Methods
for Condition Monitoring, Butterworths.
Halmshaw, R (1987) Nan-destructive Testing, Metallurgy and Matenals Science Senes,
Arnold London
R К and McIntire P (eds)(1987) Nondestructive Testing Handbook, Vol 5.
Emission Testing American Society for Nondestructive Testing
Miller
Acoustic
Mix, P E (1987) introduction to Nondestructive Testing, Wiley
Специальная
Berthelot J M and BiUand J (1983) 1st Int Symp on AE from Reinforced
Composites Soc Plastics Industry- California USA.
Birchon D (1975) Non-destructive Testing Engineering Design Guides. Oxford
University Press
Bryanl L E and McIntire P (eds) (1985) Nondestructive Testing Handbook. Vol 3.
Radiography and Radiation Testing American Society (or Nondestructive Testing
CARP (Committee on AE from Reinforced Plastics) (1982) Recommended Practice
for AE Testing of CRP Tanks/Pressure Vesseb Soc Plastics industry
Cawley P (1987) NOT Int 20 209 Cawley P and Adams R D (1987) The non-
destructive testing of honeycomb structures by the coin-tap lest, in Proc ICCM
ECCM London 1987 (eds F L Matthews NCR Buskell J M Hodgkinson and
J Morton) Vol I Elsevier p 1 p 4|5
Cawley P Woolfrey A M and Adams R D (1985) Composites 16 23 Fowler, T
J and Gray, E (1979) Development of an acoustic emission test for FRP equipment,
ASCE Convention and Exposition Boston USA.
Gorman M R. and Rytting T H (1983) 1st Int Symp on AE from Reinforced
Composites, Soc Plastics Industry California USA.
Williams J H and Doll В (1980) Materials Evaluation 38 33
Williams R S and Reifsnidcr К L (1974) J Comp Mat 8 340
Задачи
15 1 Имеется ультразвуковое оборудование, способное работать при
частотах 1 и 10 МГц Определите длину волны при этих частотах,
если скорость звука в композите равна 4 км/с Какую частоту
следует выбрать, если требуется (а) детектировать мелкие де-
фекты и (Ь) ламйнат имеет большую толщину
15 2 Пластина толщиной 3 см из композиционного материала с мас-
совым коэффициентом поглощения 2,5 кг/м2 исследуется с по-
мощью рентгена с энергией 0,05 МэВ В композите имеется
сферическая пора диаметром 1 см, содержащая воздух Вы-
числите отношение интенсивности рентгена, прошедшего че-
рез дефектную и бездефектные области композита Плотность
воздуха и композита равны 1,3 и 1800 кг м 1 соответственно,
массовые коэффициенты поглощения кислорода и азота рав-
ны2,11и 1,94 кгм воздух состоит из 76вес % N, и 24вес % О,
ПРИЛОЖЕНИЕ
А. 1. Матрицы и детерминанты
Иногда бывает удобно представлять числовую информацию в виде двумерной
таблицы В математике такие таблицы, если они удовлетворяют некоторым
дополнительным условиям, называют матрицами Обычно матрицы обозна-
чают квадратными скобками
3 -2 51
[| 0 8
Матрица, состоящая из m рядов и п колонок, называется матрицей размерно-
сти (т х п) Таким образом, приведенная выше матрица имеет размерность (2
х 3) Квадратные матрицы имеют равное количество рядов и колонок, т е т =
п Матрицу, состоящую из одного ряда или колонки, называют вектором
11 ример--------------------------------------------------------
Матрица [4, 6, —|| имеет размерность (1x3) Такие матрицы называют также
вектор-строкамн Вектор-столбцамн называют матрицы вида
Г-1,21
-2,5
L
- Г2 61
Матрица К _ $ очевидно, является квадратной (2 х 2)
Для экономии объема при письме вектор-столбцов принято использовать
фигурные скобки Например, приведенный выше вектор-столбец записывают
в виде {—1 2 —2,5 0,8}
А.2. Детерминанты
Квадратные матрицы характеризуются некоторым числом, называемым де-
терминантом При неравном количестве строк и столбцов детерминант не
определен
А.2.1. Вычисление детерминанта матрицы 2*2
Простейшая квадратная матрица (2 х 2) имеет вид j Ее детерминант,
обозначаемый прямыми скобками ^|, определяется как разница произве-
дения диагоналей ad - Ьс Таким образом,
|>| 4x2 "Х2 3
Чтобы вычисляй, детерминант матриц большего порядка, введем понятие А-
полнителъного минора или просто минора
АЛЛ. Вычисление минора
Найдем минор элемента 6 первого ряда второго столбца матрицы
Г| 6 4j
2 '2 1 2
4 5 з]
(а) Удаляем ряд и колонку данного элемента в результате чего получаем мат-
рицу
(Ь) Вычисляем детерминант этой матрицы
2x3-1x4=2
(с) Полученное число является минором данного элемента если выбранному
элементу соответствует знак + на следующей диаграмме
В противном случае нужно поменять знак полученного числа Таким образом
для элемента «6» нужно поменять знак и минор элемента «6» равен —2
В общем случае знак элемента в i том ряду и /-том столбце матрицы (А )
определяется как (-!)'*<
АЛЛ. Вычисление детерминанта матриц (3x3)
Пример------------------------------------------
Вычислить
1 4 3
2 14
5 9
(1) Берется любой ряд (или столбец) матрицы
Для примера возьмем первый столбец
(2) вычисляются миноры для каждого элемента в выбранном ряду (столбце)
Минор элемента «I» равен
АЗ Свойства матриц 40^)
+Е
Минор элемента «2» равен
~t Э=-2ь
Минор элемента «II» равен
+|}
(3) Каждый элемент выбранного ряда (или столбца) умножают на соответ-
ствующий ему минор и полученные числа складывают В результате получают
величину детерминанта
(I х -29) + (2 х -21) + (II х 19) = -29 -42 +209 = 138
А.2.4. Правило Сарруса
Это правило позволяет быстро вычислить детерминант матрицы 3-его порядка.
Возьмем матрицу
а, с,
а, Ь2 с2
ai bi с3
Перепишем ее элементы и повторим первые два столбца
ai flj i>(
в2^^Ь2^^С2 О 2 t>2
Оз b3 4Cj 'а3 'Ь$
Детерминант равен сумме произведений чисел, лежащих на пунктирных линиях
минус сумма произведений лежащих на сплошных линиях.
А.З. Свойства матриц
А.З.1. Равенство матриц
Две матрицы А и В считаются равными если сети имеют одинаковый порядок
и все их соответствующие элементы равны те ав= Ь* для всех i и j
А.З.2. Сложение матриц
Если матрицы А и В имеют одинаковое количество рядов и столбцов, их
можно складывать (С = А + В) путем сложения соответствующих элементов с#
о + bv для всех значений i и J
А.3.3. Умножение матрицы на число
Умножение матрицы А на число (скалярное) к производится путем умноже-
ния всех ее элементов на соответствуюшсс число к и В = кА, если Ь = ка^
Пример------------- ~
[3 1 4] Г 6 2 8
3 О 2 L 6 0 4
12 4 2 4 8
5 2 7] [|0 4 К
А.3.4. Умножение матриц
Произведение матриц А и В определено лишь если количество столбцов мат-
рицы А равно количеству строк матрицы В Если А - матрица размерности (т
х л) а В матрица размерности (п х q) размерность матрицы С = АВ (ие
пугать с ВА) равна (т х q) Чтобы найти элемент с(1 матрицы С необходимо
каждый элемент i той строки матрицы А умножить на соответствующий эле-
мент/-того столбца матрицы В и все полученные произведения сложить
г.
Примеры------------------------------------------------------------
(а) (3 1 2]
-I
(Ь) Пусть А = Р ' 41 и
[4 0 5]
ГЗхб + 1х7 + 2х-2
[4хб+0х7+5х-2
6
В= 7
-2
11 , тогдв
Зх-| + 1 х 11 + 2 х81 [21
4x-|+Oxll + 5x8j"[l4
Гбх3+-1Х4 6х1 + -|х0 6х2 + -1х5]
ВА= ’><3 + 11x4 7x1 + 11x0 7x2+11x5 =
[-2хЗ+8х4 -2х1+8хО -2х2+8х5
й]
Г14 6 7
65 7 69
26 -2 36
8
Примечание
<> В общем случае пронвдн„е хип,„ц „ехта,ыугатито и АВ »ВА
(Ь) Выполняется дистрибутивный закон умножения А(В+С) = АВ + АС
(С) Главкой диаюналыо квадратной матрицы называют диагональ идущую от
верхнею левого угла к правому нижнему углу матрицы Матрица все элемен
ты которой на главной диагонали равны I а остальные аденилы равны О
называется единичной матрицей Ее принято обозначать символом I Напри!
мер единичная матрица размерности (3 х 3) имеет вид
10 0
0 I 0
0 0 1
Умножение матрицы на единичную оставляет исходную матрицу без измене-
ния то есть IA = А и AI = А.
А. 3.5. Матричная форма записи системы уравнении
[I 4 31 Гл] [x+4v + 32]
По правилам умножения матриц имеем I Р Г 2х + у-3*
[б -5 2][г] [бх-5у+2г]
Поэтому система линейных уравнений
х + 4у + 3z = 3
2.x + у ~ 3z = -5
6.x - 5у + 2z = 17,
может быть записана в виде
В обшем случае система линейных уравнений может быть записана в виде Ах =
b где А - квадратная матрица, а х и Ь - вектор-столбцы
А.З.ба. Транспонирование матриц
Транспонирование матрицы А состоит в замене се строк на столбцы Например, если
0
12
61 Г1 2 3
5 4 0 12
то транспонированная матрица А1 имеет вид $ $
Если А' = А, то говорят, что матрица А симметрична, а если А* ~~ А, то
юворят, что она антисимметрична
А.З.б.Ь. Нахождение присоединенной матрицы
Эта операция, называемая также нахождением взаимной или союзной матри-
цы, обозначается символом adj(A) и состоит в замене всех элементов квадрат-
ной матрицы иа дополнительные миноры и последующем транспонировании
полученной матрицы
Пример
Вычислим adj(A) если А -
б Сначала определим миноры элемсн-
ТОВ Например минор элемента I Р»>™ 4' sj°5 Таким о6Р"°« получи-
ем матрицу
5 14 4
-15 -21 12
14 14 -7
Транспонируя ее получаем присоединенную
[5 15 14
|4-21 14
4 12 -7
Присоединенную матрицу можно найти и другим способом А именно снача-
ла транспонировать исходную матрицу а затем вычислить миноры
Отметим что эта операция возможна только для квадратных матриц
А.З.6с. Обратная матрица
Эта операция над матрицами наиболее важна Обратную матрицу принято
обозначать А Эта операция производится делением adj (А) на детерминант
А Таким образом
. , _ adj (А)
1*1
Если |А| = 0 то обратная матрица не существует В этом случае говорят, что
матрица А сингулярна.
Пример
-1 3 4
2 I 6
4 0 5
Найдем матрицу' обратную А =
В предыдущем примере была опреде-
лена присоединенная матрица adj (А) Вычисляя детерминант, получаем JA| = 21
Тогда А-’ =
adj (А) 1
21 21
-15 14
2| 14
21 -7
Обратная матрица обладает очень важным свойством А именно, умножение
матрицы на обратную ей дает единичную матрицу АА 1 = I
И1 4 31 1 Г 3 1
2 1-3 -5
6 -5 2j [l?J
1аким образом операция обращения позволила нам решить систему линей-
ных уравнений и найти неизвестные х, у и z
Пр дметный указатель
Автоклавное формование 181
Адгезионная прочность 76
Акрилы 173
Анизотропия 28
Аппреты 73
Армированные пластики 29
Армирующая фаза 19
Асбест 38
Балка 202
Ближний порядок 49
Блочный материал 23
Бронзовый путь 112
Бутадиеновый каучук 178
Вакуумное формование 181
Влажная намотка 185
Волновой фактор 398
Волокна 19
Волокна карбида кремния 64
Волокна целлюлозы 21
Волочение 88
Вулканизация 178
Высокомодульные углеродные
волокна 60
Высокопрочные углеродные волокна 60
Вязкость разрушения 33
Гибридные композиты 160
Гибриды 19
Гидростатическое сжатие 122
Главные оси 215
Гомогенность 28
Горячее прессование 122
Дальний порядок 123
Двуосноармированные композиты 19
Двухконсольная балка 304
Деформативность 35
Диаграмма эффективности 32
Диффузионное формование 86
Диффузионная сварка 117
Жесткоцепные полимеры 45
Закон Гука 206
Импеданс 377
Инженерная деформация 205
Искривление фронта трещины 318
Испытание по Изоду 312
Кальцинирование 131
Камера быстрого смешения 183
Квазиизотропный ламинат 237
Кварцевые волокна 49
Кислородный индекс 195
Клинообразное соединение 366
Комплексная нить 50
Композиты 13
Компьютерная томография 385
Короткобалочный сдвиг 80
Кортикальная костная ткань 22
Коэффициент Пуассона 206
Коэффициент теплового расширения 97
Коэффициент Фелисити 394
Критерий Гриффитса 307
Критерий критического
главного напряжения 214
Критерий Цая-Хилла 259
Критическая длина волокна 78
Критическая скорость высвобождения
упругой энергии 302
Критический коэффициент
интенсивности напряжения 33
Кроцидолит 39
Ламинаты 19
Литийалюмосиликат 144
Литье с пропиткой 89
Матрица 16
Межслоевой сдвиг 80
Мембрана 202
Металлокомпозиты 84
Метастабильное состояние 140
Метод ускоренной инжекции
матрицы 183
Метод in situ 93
Механический импеданс 390
Механическое соединение 355
Микроструктура 28
Модификаторы 125
Модуль ползучести 195
Момент силы 201
Монофиламенты 65
Наполнитель 19
Натуральный каучук 177
Нейлон 173
Нематический жидкий кристалл 45
Нитриябугадиеновый каучук 178
Новалаки 171
Нормальная деформация 205
Неэффективная длина волокна 78
Обжиг 122
Оболочка 202
Определяющие уравнения 230
Отслоение волокон 147
Пековые волокна 63
Переохлажденная жидкость 124
Пиролиз 59
Пиролитический углерод 157
Плоская деформация 202
Плоское напряженное состояние 202
Плотная костная ткань 22
Поверхностные волны 377
Податливость 302
Ползучесть 106
Полиизопрен 177
Полиимиды 166
Полиметилыегакрнлат 174
Полипропилен 173
Полистирол 173
Полиэтилен 173
Полиэтилен высокой плотности 174
Полиэтилен низкой
плотности 174
Полиэфиркетон 177
Полиэфиры 166
Полиэфырэфиркетон 173
Полеречноизотропный
материал 215
Поперечносшитые полимеры 167
Поперечный модуль упругости 99
Порошковая металлургия 86
Правило смесей 27
Прекурсор 59
Продольный модуль упругости 99
Процесс Ланксида 133
Раскрытие трещины 309
Распыление 179
Раствор 123
Резоли 171
Ручная укладка 179
Сбалансированный ламинат 235
Сварка трением 117
Сдвиговая деформация 205
Симметричная укладка ламината 236
Сканер 379
Склеивание 355
Сополимеризация 177
Сопротивление тепловой
деформации 98
Стабилизирующая окись 140
Стационарная ползучесть 106
Стеклянные Е волокна 49
Стеклянные S-волокиа 50
Стеклянные С волокна 50
Стеклянные Е CR-волокна 50
Стеклянные AR-волокна 50
Стержень 202
Стирол акрилонитрил 177
СтиролбутадненовыЙ каучук 177
Ступенчатое соединение 369
Температура стеклования 124
Тепловой удар 139
Термопласты 166
Термореактивные матрицы 166
Трабекулярная костная ткань 22
Трехточечный изгиб 78
Углерод-углеродные композиты 34
Углеродные волокна 55
Углеродные ПАН волокна 60
Углерод-уьтеродные композиты 131
Угловая укладка 235
Удельная прочность 30
Удельный модуль упругости 30
Усталостное нагружение 343
Усы 67
Фанерный сдвиг 368
Фенольные смолы 166
Формование в вакуумном мешке 181
Формование из расплава 64
Химическое осаждение 131
Химическое осаждение матрицы 132
Частицы 19
Экзотермический процесс 134
Энергия разрушения 120
Эпоксидные смолы 1бб
R кривая 327
Список дополнительной литературы
1 Розен Б У , Дау Н Ф Механика разрушения волокнистых компо-
зитов, в кн Разрушение, т 7, ч_1, М , Мир, 1967, 300-360
2 Композиционные материалы (редЛ Браугман), тг 1-8, М , Мир,
1978
3 Рабинович АЛ , Введение в механику армированных полимеров,
М , Наука, 1965
4 Гузь А.Н О построении теории устойчивости однонаправленных
волокнистых материалов, Прикл механика, 1969, т 5. N 2,
236-238
5 Тарнопольский Ю М и Скудра А М Конструкционная прочность
и деформативность стеклопластиков, Рига, Зинатне (1966), 260
6 Ван Фо Фы Г А., Теория армированных материалов, Киев, Нау-
кова Думка, (1971), 230с
7 Неупругие свойства композиционных материалов (ред К. Герако-
вич), М Мир (1978)
8 Маневич Л И , Павленко А.В , Коблик С Г Асимптотический ме-
тод в теории упругости ортотропного тела, Киев, Высшая школа,
(1982) 153с
1 \
А й
Заявки иа книги присылайте по адресу
125319 Москва, а/я 594
Издательство «Техносфера»
е таП" knigi@technosphera.ru
sales@technosphera.ru
факс (095) 956 33 46
В заявке обязательно указывайте
свой почтовый адрес'
Подробная информация о книгах на сайте
http www tecfanosphera ru
Ло 4$^
О 1 Ж
• " иогщихЛ/ 1
<5 S <i
Ф Мэттьюз, Р. Ролингс
Композитные материалы Механика и технология
Компьютерная верстка -МВ Алексеева
Дизайн книжных серий -СЮ Биричев
Ответственный за выпуск - Л Ф Соловейчик
Формат 84 х 108/32 Печать офсетная
Гарнитура Ньютон
Печ.л 25 5 Тираж 2000 экз Зак N 2941
№1 плотность 65 г/м2
"тво «Техносфера»
>ская дом Ю строение 3
сны ООО «Европолиграфик»
L&c. '•
У1
ТЕХНОСФЕРА
мир
материалов
и технологий
Ф. МЭТТЬЮЗ, Р. РОЛИНГС
Композитные материалы.
Механика и технология