Леонов В.В., Артемьева О.А., Кравцова Е.Д. Материаловедение и технология композиционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

201

стать больше, чем при пространственном армировании с гексагональной

укладкой в плоскости (схема 5). Практически такой прием малоприемлем.

Следует иметь в виду, что равномерность упругих свойств по разным

направлениям вследствие повышения 

пp

нарушается, и в принципе с

повышением этого коэффициента происходит «возврат» к однонаправленной

структуре с незначительной «прошивкой» за счет косоугольно

ориентированных волокон. Таким образом, пространственное армирование

прямыми волокнами с повышением числа направлений укладки волокон

малоэффективно, так как существенно снижается суммарный объемный

коэффициент армирования, определяющий в основном степень

деформируемости и предельного сопротивления композиционного

материала. Повышение 

пр

при укладке основной части прямолинейных

волокон по плоской или однонаправленной схеме и малой их части по

другим, не совпадающим с ней направлениям, нецелесообразно, так как в

этом случае прямолинейные волокна, создающие пространственную

структуру, только выполняют роль связи между большими по

относительному объему семействами волокон в плоскости. Такие связи

лучше создавать за счет искривления волокон, так как эффект «сцепления»

арматуры за счет искривления волокон разных семейств увеличивается.

Кроме того, искривленные волокна занимают больший объем, и свободных

вакансий в материале становится меньше, чем в случае прямолинейных

волокон. Действительно, как видно из Таблица 11, в случае искривления

волокон 

пр

для большинства идеализированных схем близок к его значению

для слоистого композиционного материала. Увеличение диаметра

искривленных волокон в плоскости для схем армирования с прямоугольными

(схемы 8, 11, 12) и моноклинной (схема 9) укладками ортогональных к

плоскости волокон несущественно (в пределах 5 %) изменяет значение 

пр

полученное при одинаковых диаметрах волокон обоих семейств (d

= d

). В

гексагональной (схема 10) и моноклинной (схема 13) укладке волокон,

ортогональных к плоскости, увеличение диаметра волокон, искривленных в

плоскости, более существенно сказывается на изменении значения 

пр

(8—15

%). Для прямоугольных укладок прямых волокон при различных схемах

искривления волокон в плоскости (схемы 8, 11, 12) предельное значение 

пр

при d

= d2 всегда больше на 16—20 %, чем для квадратных укладок, когда

шаги между волокнами в двух направлениях равны, т. е. h

Случай пространственного армирования с криволинейной осью

волокна (переплетение двух нитей и прямое волокно между ними),

изображенный на схеме 14, не приводит к увеличению 

пр

по сравнению с

вариантом плоского искривления волокон (схема 8). Целесообразность

такого армирования может быть обоснована некоторым ожидаемым

увеличением сдвиговых свойств композиционного материала вдоль

прямолинейных волокон, так как криволинейные волокна вследствие

кручения наклонены к ним под углом. Другая схема пространственного

армирования криволинейными волокнами (схема 15) относится к

202

винтообразному или спиральному армированию вокруг цилиндрической

поверхности основного волокна, моделирующего жгут с оплеткой. В этом

случае для гексагональной схемы укладки прямых волокон при плотной

упаковке достигаются достаточно высокие значения предельных

коэффициентов армирования. Число спиральных нитей, «навитых» на ствол

прямого волокна при одном и том же значении 

пр

может быть различным,

меняется лишь их угол подъема . Для одной нити равного с волокном

диаметра (d = D) угол подъема  мал, и коэффициент 

пр

не является

наибольшим.

Случай  = 45°, примечательный с точки зрения ожидаемого

повышения сдвиговых свойств композиционного материала, рассмотрен при

больших значениях 

пр

(схема 15), но число навитых волокон при этом

существенно увеличивается с уменьшением их диаметра.

Сравнение схем армирования с прямыми и криволинейными

волокнами, согласно таблице, показывает, что повышение значения

объемного коэффициента армирования у материалов с искривленными

волокнами позволяет управлять упругими свойствами пространственно-

армированного композиционного материала во всех направлениях. Такое

управление в случае пространственного армирования одними

прямолинейными волокнами ограничивается резким снижением общего

объема арматуры в материале, соответствующим понижением его упругих

констант и предела сопротивления при нагружении.

Следует отметить, что идеализированные схемы предельного

наполнения композиционного материала волокнами были рассмотрены лишь

для сравнительных оценок. В реальных случаях, в силу технологических или

других условий изменяются расстояния между соседними волокнами, при

этом вводятся поправочные к 

пр

множители, отражающие при идеализации

геометрии структуры степень рассредоточения волокон. Так, при

одинаковых диаметрах волокон всех направлений и расстоянии между

ближайшими точками сечений двух соседних волокон, равным h, суммарный

коэффициент армирования с учетом 

пр

для идеализированной плотной

структуры находят по формуле:

пр

μμ

















Как видно, при расстояниях h, равных радиусу сечения волокна d/2,

объемный коэффициент армирования составляет 44 % от максимального при

плотной упаковке.

Экспериментальное определение суммарного коэффициента

армирования:

са

порс

ρρ

)μ(1ρρ







203

существенно зависит от разности плотностей арматуры 

и связующего 

при плотности композиционного материала  и относительного объема в

нем пор 

пор

Таблица 11

Предельные коэффициенты армирования 

пp

для некоторых типов

структур

Схема

армирования

Число

направлений

армирования

Укладка волокон

Доля волокон,

ортогональных

плоскости

укладки,  %



пр

1 2 3 4 5

Армирование прямолинейными волокнами

1 Гексагональная - 0,907

1 Прямоугольная - 0,785

Слоистая

(произвольная)

- 0,785

Прямоугольная в

трех плоскостях

33,3

785,0589,0

589,0



Гексагональная

трансвсально-

изотропная

30,2

785,0559,0

563,0



Косоугольная в

двух

ортогональных

плоскостях

0,680

383,00

)26,35(







(=090

)

Косоугольная в

двух

ортогональных

плоскостях с

прошивкой

0,536

393,0907,0

)26,35(







(=090

)

Искривление волокон в одной плоскости

Прямоугольная с

искривлением

вдоль одного слоя

23,7

785,0732,0

)728,0(740,0



204

Моноклинная с

противофазным

искривлением в

одной плоскости

25,7

785,0760,0

770,0



Гексагональная с

противофазным

искривлением

32,3

760,0701,0

702,0



Прямоугольная с

искривлением от

слоя к слою

15,1

777,0737,0

)589,0(744,0



Прямоугольная с

искривлением

через слой

11,3

777,0746,0

)629,0(754,0



Моноклинная с

искривлением

через слой

33,4

659,0572,0

)561,0(572,0



Пространственно-криволинейные волокна

Две нити с

кручением

Гексагональная с

переплетением

вдоль одного слоя

- 0,656

Одна нить в

оплетке (с

кручением)

1005

7,13



907,0720,0

734,0



(=012

)

Число нитей в

оплетке (с

кручением) п

= 824

Гексагональная

упаковка

комплексной

нити (жгут с

оплеткой)

374

3,36



0,772-0,874

(d=0,40,1D)

(=45

)

В скобках приведены значения



пр

при h = s.

Примечание. В числителе приведены значения 

пр

в случае использования

одинаковых диаметров волокон цилиндрической формы; в знаменателе — диапазон

изменений суммарного коэффициента армирования за счет варьирования диаметра

волокна в плоскости.

Контрольные вопросы:

1. Что такое предельные коэффициенты армирования?

2. Как определяются предельные коэффициенты армирования?

3. У каких схем армирования число направлений армирования равно 1?

4. Какая укладка волокон имеет место при армировании прямолинейными

волокнами КМ?

205

5. Какая укладка волокон преобладает при искривлении волокон в одной

плоскости КМ ?

Лекция24. Методы контроля свойств КМ

Основные особенности свойств композитов

Образцы для испытаний

Определение содержания арматуры в КМ плотности композита

ЧАСТЬ 5. КОНСТРУИРОВАНИЕ, ПРИМЕНЕНИЕ

И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

5.1. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СВОЙСТВ КМ

Конструкционные материалы для оценки их прочности и жесткости

подвергаются механическим испытаниям. По характеру воздействия на

материал методы испытаний разделяются на :

-прямые - разрушающие и методы, основанные на непосредственном

измерении перемещений и деформаций, т. е. методы механических

испытаний;

-косвенные - неразрушающие методы.

У неразрушающих методов испытаний выделяются три направления:

-контроль физико-механических характеристик,

-дефектоскопия элементов конструкций

-измерение напряжений.

Косвенные неразрушающие методы исключительно важны, но они

должны быть обоснованы и проверены при помощи прямых методов.

С помощью прямых методов испытаний получают сведения о

свойствах конструкционных материалов, необходимых при проектировании

разных конструкций.

Разработка и все расширяющееся применение композитов в

ответственных высоконагруженных конструкциях вызвали необходимость

обратиться к методам механических испытаний, так как методы,

применяемые для испытаний металлов, оказались недостаточными.

Непрерывно разрабатываются новые методы испытания, проверяются и

пересматриваются существующие. В настоящее время исследовательская

практика значительно обогнала методы испытаний, регламентируемые

существующими немногочисленными стандартами. Многочисленные

исследования композитов на основе разных методов создали обстановку

противоречивых суждений о конструкционных возможностях этих

материалов. Это усиливает необходимость в критическом анализе

существующих методов, их оценки и обобщении.

206

Наиболее перспективные прямые методы кратковременных

статистических испытаний композитов на растяжение, сжатие, сдвиг и изгиб.

Методы апробированы, в основном, на однонаправленных композитах

(укладка 0°). Если схема нагружения и расчетные формулы применимы

также для ортотропных материалов (укладки 0/90°, ±45°). Предпочтение

отдано нагружению в направлениях осей упругой симметрии материала.

Широкое применение намоточных конструкций привело к разработке

многочисленных методов испытания композитов на кольцевых образцах. Это

позволяет рассмотреть с единых позиций — по способу нагружения —

методы испытаний плоских и кольцевых образцов на растяжение, сжатие,

сдвиг и изгиб.

5.1.1. Основные особенности свойств композитов

Современные волокнистые КМ с однонаправленной, слоистой и

пространственной укладкой арматуры являются неоднородными

существенно анизотропными материалами. Для этого класса материалов

привычные термины - испытания на растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб —

становятся бессодержательными без указания направления между нагрузкой

и осями упругой симметрии исследуемого материала. Поэтому введены две

системы координатных осей: оси упругой симметрии материала (1, 2, 3) и

оси нагружения (х, у, z для плоских образцов; , z, r – для кольцевых и

трубчатых образцов). Предпочтительно пользоваться методами, при

реализации которых оси х, у, z, (или , z, r) и 1, 2, 3 совпадают.

Большинство слоистых и волокнистых композитов слабо

сопротивляются межслойному сдвигу и поперечному отрыву. Сопротивление

сдвигу характеризуется отношениями E

и П

/П

хz

, сопротивление

поперечному отрыву и сжатию перпендикулярно волокнам - отношениями

/П

, П

/П

Здесь Е

и Е

— модули упругости в направлениях х и z; G

— модуль межслойного сдвига; П

и П

— прочность в направлениях х и z;

хz

— сдвиговая прочность в плоскости хz . Оси х и у расположены в

плоскости укладки арматуры, ось z перпендикулярна этой плоскости; знаком

(+) обозначено растяжение, знаком (-) — сжатие.

Анизотропия и особенности строения вызывают трудности, прежде

всего, с установлением числа прочностных и упругих характеристик,

необходимых для полной паспортизации материала. Число определяемых

характеристик зависит от типов напряженного состояния и анизотропии. Для

ортотропного тела при двухосном напряженном состоянии следует

определить модули упругости Е

и Е

, модули сдвига G

и G

, коэффициент

Пуассона 

и прочности П

, П

и П

ху

. Для трансверсально изотропного тела

следует определить следующие характеристики: модули упругости при

растяжении и сжатии (Е

+(-)

и Е

+(-)

), модуль сдвига (G

), коэффициент

Пуассона (

), прочности при растяжении и сжатии в главных осях (П

+(-)

) и при сдвиге (П

) в двух плоскостях (в плоскости укладки волокон и в

плоскости изотропии).

207

Принципиальным является выбор схем нагружения, при которых

характеристики материала наиболее просто связаны с величинами,

определяемыми в эксперименте, выбор аналитического аппарата для

обработки эксперимента и оценка области применения расчетных

зависимостей. Так как в основе расчетных формул лежит аппарат теории

упругости анизотропного тела, необходима оценка погрешности перехода к

однородной сплошной анизотропной среде. Число структурных элементов

(волокон, слоев препрегов и др.) должно быть достаточным для этого

перехода). При изгибе, например, минимально необходимое число слоев для

совершения предельного перехода зависит от параметра

k =

(70)

Для свободно опертого стержня, нагруженного синусоидальной

нагрузкой, минимальное число слоев п зависит от k

следующим образом:

1 3 5 7

5 15 17 20

Для волокнистых композитов главные трудности состоят в создании

однородного напряженного состояния в расчетном (представительном)

объеме материала даже при простейших видах испытаний. Трудности

возрастают с повышением степени анизотропии материалов, т. е. материалов,

армированных высокомодульными и высокопрочными волокнами (боро-,

угле- и органопластиков). При испытаниях композитов измеряемая

деформация существенно зависит от граничных условий, т. е. от закрепления

и нагружения образца. Это явление, характерное для конструкций из

существенно анизотропных материалов, — специфическое проявление

принципа Сен-Венана. Согласно принципу Сен-Венана для изотропной

среды возмущения быстро затухают на расстояниях  от источника

возмущения, незначительно превышающих характерный размер образца H

(размер зоны возмущения имеет порядок  ~ H ). В случае анизотропной

среды возмущения затухают неодинаково в различных направлениях. В

направлениях наибольшей жесткости они затухают медленнее, а в

направлениях наименьшей жесткости — быстрее. В результате область

заметных возмущений вытягивается в направлении наибольшей жесткости.

Характерный размер области возмущений в этом направлении

2/1















(71)

где E

, G

— модули соответственно упругости и сдвига; i и j равны 1,

2, 3. Анизотропия упругих свойств предъявляет повышенные требования к

форме и размерам образца, исключению краевых эффектов — выбору

208

расстояния от захватов до рабочей части, способу передачи нагрузки и

закрепления образца, ориентации арматуры, углу вырезки образца.

Прочностная анизотропия при неправильном выборе схемы нагружения и

закрепления приводит к изменению механизма разрушения, например, к

расслоению или смятию — срезу образца в его опорной зоне. Важен вопрос

выбора ширины образца. Она должна быть достаточной для устранения

«эффекта, перерезанных нитей». Далее у образцов из косо-, перекрестно- и

ортогонально армированных материалов следует учесть взаимодействие

слоев арматуры и особенности напряженного состояния на свободных

кромках материала, т. е. кромочный эффект, который заключается в

возникновении около свободных кромок материала межслойных

напряжений, направление действия и величина которых зависят от типа

укладки арматуры. Из-за отсутствия возможности теоретической оценки

кромочного эффекта корректными можно считать только испытания

образцов с однонаправленной арматурой, уложенной параллельно

продольной оси образца.

Важным является и подход к технологии. Материал и конструкция

создаются одновременно; в то же время композиты крайне чувствительны к

силовой и температурной предыстории. Особого внимания требуют

технологические дефекты, в частности, пористость, искривления и

разориентация арматуры. Пористость проявляется при оценке свойств,

определяемых полимерной матрицей (например, прочности при сдвиге).

Однако не все методы испытаний одинаково чувствительны к влиянию

пористости. Например, при испытаниях однонаправленных углепластиков

наиболее чувствительным к пористости оказался метод трехточечного

изгиба, наименее чувствительным — метод растяжения полосы.

Влияние искривления волокон проявляется при определении

характеристики в направлении армирования. При испытаниях кольцевых

образцов измеряемый модуль

rθ

θθ

(72)

где E — модуль упругости материала при растяжении вдоль

выпрямленных волокон; Gr -— модуль межслойного сдвига; f— параметр,

характеризующий искривление армирующих волокон (при искривлении по

синусоиде

Aπf =

; А — амплитуда синусоиды; k — число полуволн на базе

l). Формула (72) учитывает только влияние сдвига. Для материалов,

армированных анизотропными волокнами, следует учесть также модуль

упругости Еr:

209

























232

rθ

232

f12

f32

f12

///

)()()(

(73)

Даже при малых искривлениях (f

 0,01) модуль упругости E



прочность П



у реальных материалов может быть значительно ниже, чем у

материалов с идеально прямыми волокнами. Модуль упругости материала в

направлении, перпендикулярном армирующим волокнам,

EEr

rθ





(74)

мало зависит от искривленности волокон, так как G

r

и Е

— величины

одного порядка. Аналогичным образом можно показать, что модуль сдвига

r

материала с начальными искривлениями волокон незначительно зависит

от степени искривления слоев. Все перечисленные особенности свойств

относятся к композитам с волокнистой и слоистой структурой.

Дополнительные трудности возникают при испытаниях пространственно-

армированных композитов, у которых поперечная связь обеспечивается

жестким каркасом вместо податливой матрицы.

5.1.2. Образцы для испытаний

При выборе формы и способа изготовления образцов из композитов

должны быть правильно смоделированы все условия и процессы

изготовления будущего материала, изделия или конструкции.

Способы изготовления материала, соответствующие им образцы

определенной формы и методы испытаний схематически показаны на Рис. 70.

В зависимости от способа изготовления образцы для механических

испытаний композитов делятся на плоские (стержни, пластины) и тела

вращения (кольца, трубы), а образцы в виде кольца (кольцевые) могут быть

разрезаны на сегменты.

210

Рис. 70 - Образцы и методы испытания

Образцы и методы (см. Рис. 70) по существу служат для паспортизации

монослоя. (Монослой это основной структурный элемент слоистых и

волокнистых композитов, плоский или изогнутый элемент материала,

состоящий из полимерной матрицы и одного слоя арматуры, уложенной в

одном направлении (однонаправленный монослой) или в виде ткани (тканый

монослой). Монослоями можно считать применяемые при изготовлении

композитов ленты-препреги, а также материалы с однородной по толщине

укладкой арматуры. Испытания монослоя необходимы не только для

паспортизации материала; результаты испытаний являются основной для

расчета материалов со сложными схемами укладки арматуры и гибридных

материалов.)

Для паспортизации плоских монослоев достаточно иметь образцы

одинаковой формы, но с различной укладкой арматуры. Для паспортизации

намоточных монослоев необходимо иметь образцы в виде колец и труб

(кольцевые и трубчатые). Кольцевые образцы из однонаправленного

материала служат для определения характеристик в направлении укладки

арматуры, трубчатые с углом намотки 90° - в направлении,

перпендикулярном направлению укладки арматуры. Кроме того, трубчатые

образцы с различной симметричной (относительно продольной оси образца)

укладкой арматуры используются для определения характеристики сдвига и

для изучения сложного напряженного состояния.

Образцы для механических испытаний композитов должны

удовлетворять (кроме технологических) следующим требованиям:

применимость для всех видов механических испытаний; простота и

Об

азцы

Пластина

ессование

Контактное

мование

Растяжение

Сжатие

Сдвиг

Изгиб

Испытания

Кольцо

(

)

Растяжение Сжатие

Изгиб

Кольцо

Плита

Труба

Намотка

Труба (90

)

Растяжение

Сжатие

Сдвиг