Ананьин С.В., Ананьева Е.С., Маркин В.Б. Композиционные материалы. Часть 2

Подождите немного. Документ загружается.

ность волокна вблизи разрушенных концов. Эти напряжения сдвига вызываются

градиентом нагрузки на волокно, которое имеет более высокий эффективный на-

клон кривой деформации, чем матрица, что следует из баланса сил в направлении х

(рисунок 3.4)

При нагружении композиционных материалов с металлической матрицей во-

локно деформируется упруго, а матрица — пластически, в этом случае

упругая де-

формация в матрице ограничена величинами нормального или сдвигового напряже-

ния течения матрицы.

Растягивающее напряжение нарастает линейно от концов волокна при постоянном

напряжении сдвига. В случае композиционного материала с прерывистыми волок-

нами может быть определена минимальная критическая длина армирующей фазы,

при которой напряжения могут возрасти и достигнуть величины разрушающего на

пряжения.

Рисунок 3.5 - Растягивающие напряжения на концах волокон:

1 — растяжение; 2—сдвиг.

Заметим, что как только напряжение растяжения в разрушенных волокнах

достигнет величины, соответствующей напряжению для неразрушенных волокон,

напряжение сдвига становится равным нулю (рисунок 3.5), как в случае композици-

онного материала, в котором отсутствуют разрушенные волокна.

Свойства в поперечном направлении и

напряжения сдвига для композицион-

ных материалов, армированных волокнами, значительно менее чувствительны к по-

ведению матрицы, чем свойства в продольном направлении. Для композиционных

материалов с пластичной металлической матрицей, армированной высокопрочными

хрупкими волокнами, текучесть и пластическое течение матрицы являются основ-

ными свойствами, определяющими поведение композиции. Однако волокна вызы-

Напряжение на волокне

Расстояние от конца волокна

вают значительное повышение модуля упругости композиционного материала,

обычно в 2 раза для композиции бор — алюминий (50 об. % волокон бора, располо-

женных под углом 90° к оси армирования). Примерно так же увеличивается модуль

сдвига.

3.2 Типы армирующих компонентов в композиционных материалах с метал-

лической матрицей

Было установлено, что армирование волокнами дает возможность получить

наиболее эффективное упрочнение в системах с металлической матрицей. Арми-

рующие волокна рассматриваются с точки зрения их ценности в сочетании с тремя

классами конструкционных промышленных металлов: низкотемпературными спла-

вами, такими, как алюминиевые, сплавами

для работы при средних (промежуточ-

ных) температурах — титановыми и высокотемпературными сплавами, например

жаропрочными сплавами на никелевой или ниобиевой основах. Хотя требования к

армирующим компонентам изменяются в зависимости от используемого сплава-

матрицы, некоторые их свойства являются почти универсальными.

1. Высокая прочность волокна, необходимая для обеспечения прочности

композиционного материала, а также упрощения операций

его изготовления и обра-

ботки.

2. Высокий модуль упругости. Это свойство важно для металлических мат-

риц в связи с тем, что волокно будет принимать на себя нагрузку без интенсивного

пластического течения матрицы. Относительно низкий модуль упругости стеклян-

ных волокон обусловливает их значительно меньшую эффективность по сравнению

с некоторыми другими волокнами, используемыми

для армирования металлических

матриц.

3. Легкость изготовления и низкая стоимость. Эти инженерные соображения

очень важны при разработке крупногабаритных конструкций.

4. Хорошая химическая стабильность. Это свойство сильно зависит от вы-

бранного сплава-матрицы, так как система имеет специфические условия изготов-

ления и должна работать в определенной среде. Однако стабильность на воздухе и

сопротивление

взаимодействию с материалом матрицы важно для любого типа во-

локон.

5. Размер и форма волокон. Для композиционных материалов с металличе-

ской матрицей в случае изготовления в твердом состоянии предпочтительны волок-

на круглого сечения и большего диаметра. Эти волокна значительно проще внедрять

в металлическую матрицу композиционного материала посредством пластической

деформации. В то

же время, обладая меньшей поверхностью, они менее реакцион-

носпособны при использовании методов изготовления композиций, связанных с

применением жидкого металла.

6. Воспроизводимость или постоянство свойств. Эти характеристики всегда

очень важны для хрупких или высокопрочных материалов. Во многих случаях, как

описывалось ранее, прочность композиции зависит от прочности пучка волокон и

является скорее функцией

распределения прочности волокон, чем их вида или мак-

симальной прочности.

7. Сопротивление повреждению или истиранию. Некоторые хрупкие волок-

на особенно чувствительны к действию влаги (например, Е-стекло) или истиранию

(например, Аl2О

или SiC). Эти свойства служат помехой при стандартных операци-

ях получении композиционных материалов. Высокие остаточные сжимающие на-

пряжения, как в случае волокон бора, защищают волокно от повреждений поверх-

ности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Практикум по полимерному материаловедению /Под

ред.П.Г.Бабаевского. - М.: Химия, 1980 256 с.

2. Лосев И.П., Тростянская Е.Б. Химия синтетических полимеров М.:

Химия, 1977,376с.

3. Николаев А.Д. Технология пластических масс М-Л.: Химия, 1977, 376с.

4. И.З.Черкин, Ф.М.Смехов, Ю.В.Жердев Эпоксидные полимеры и

компози-

ции. - М.: Химия, 1982. 230 с.

5. Х.Ли, К.Невилл Справочное руководство по эпоксидным смолам. - М.:

Энергия, 1973, 415 с.

6. М.В.Соболевский, О.А.Музовская Свойства и области применения крем-

нийорганических продуктов - М.; Химия, 1975

7. М.И.Бессонов, М.М.Котон, В.В. Кудрявцев, Л.А.Ланус Полиимиды - класс

термостойких полимеров

8. М

.М.Котон Ароматические полиимиды ЖПХП1995 - №4

9. В.Е.Панин и др. Новые материалы и технологии конструирования новых

материалов Л.: Наука 1993

10. З.В.Михайлов, Л.Н.Седов Ненасыщенные полиэфиры М.: Химия. 1977,

231 с.

11. Э.Л.Халингев, М.Б.Соковцева Свойства и переработка термопластов Л.:

Химия, 1983

12. П.Г.Бабаевский Термопласты

конструкционного назначения -М.: Химия.

1975

13. Современные композиционные материалы /Под ред.Л.Браутмана и

Р.Крока - Мир. Москва, 1970, 672 с.

14. Волокнистые композиционные материалы с металлической матрицей /

Под ред. Шоршорова М.Х. – М.: Машиностроение, 1981.

15. Ю.С.Липатов Физико-химические основы наполнения полимеров -М.:

Химия, 1991-200 с.

16. Г.Д.Андриевская Высокопрочные ориентированные стеклопластики - М.:

Наука, 1986, 370 с.

17. Ю.А.Горбаткина Адгезионная прочность в системах полимер-волокно -

М.: Химия, 1987 -192 с.

18. Отчет о НИР "Разработка методов радиационно-химической модифика-

ции свойств полимерных композиционных материалов". -Барнаул,1988

19. Композиционные материалы. Справочник под ред.Васильева В.В. -м.:

Машиностроение, 1990, 128 с.

20. Композиционные материалы. Применение композиционных материалов

в технике М.: Машиностроение, 1978, 511с