На главную

Решебник методичек Тарга С.М. 1988, 1989, 1983 и 1982 годов по теоретической механике для студентов-заочников.

Статья по теме: Короткими волокнами

Предметная область: материаловедение, композиционные материалы, металлы, стали, покрытия, деформации, обработка

Скачать полный текст

В композициях с короткими волокнами полимер является непрерывной фазой. Продольные растягивающие напряжения передаются на волокна через сдвиговые напряжения в матрице [3, 17, 39 — 50]. Сдвиговые напряжения в матрице максимальны у концов волокон и постепенно уменьшаются до нуля к их середине. Растягивающие напряжения в волокнах равны нулю на концах и постепенно возрастают до постоянного значения в средней части волокна. Следовательно, участки волокон вблизи их концов несут значительно меньшую нагрузку, чем центральные участки. Сумма длин концевых участков волокна, необходимых для достижения максимального значения растягивающих напряжений в них, часто называется критической, или неэффективной длиной LKp, так как концевые участки являются неэффективными в сопротивлении нагрузке. Другими словами, волокна должны иметь длину не менее, чем LKp, чтобы напряжение растяжения в них достигало максимальных значений. Критическая длина волокна зависит от отношения модулей упругости обеих фаз, прочности сцепления между фазами, прочности при сдвиге матрицы и прочности при растяжении волокон. При высокой прочности адгезионной связи, когда разрушение происходит не по 'границе раздела, а по волокнам или матрице, и матрица разрушается пластически, критическая длина волокон равна:[18, С.271]

Перекрестная укладка одинакового числа слоев в двух направлениях образует композиционные материалы с ортотропией в осях, направленных вдоль биссектрис угла между волокнами в соседних слоях. Материалы с переменным углом укладки по толщине одинакового числа слоев в направлениях 0, 60 и 120° условно называют материалами звездной укладки (1:1: 1). Они являются изотропными в плоскостях, параллельных плоскостям укладки слоев. Трансверсально-изотропными являются и многонаправленные материалы, в которых одинаковое число слоев укладывается в направлениях, я/n, 2л/п, ..., л, (п ^> 3), а также хаотически армированные в одной плоскости короткими волокнами. При использовании в качестве арматуры обычных однослойных тканей получаются композиционные материалы со слоистой структурой (тек-столиты). Возможны различные комбинации структур: ткань может быть уложена так, что направления основы во всех слоях совпадают или между направлениями смежных слоев образуется некоторый заданный угол. Кроме того, угол укладки и число слоев по толщине материала могут изменяться. В зависимости от этого можно выделить три основных вида слоистых структур: симметричные, антисимметричные и несимметричные. К первому виду относятся материалы, обладающие симметрией физических и геометрических свойств относительно их срединной плоскости, ко второму виду — материалы, обладающие симметрией распределения одинаковых толщин слоев, но угол укладки волокон (слоя) меняется на противоположный на равных расстояниях от срединной плоскости. К несимметричным структурам относятся материалы, не обладающие указанными выше свойствами.[1, С.5]

МаСЛов Б. П., Нелинейные упругие свойства материалов, армированных однонаправленными короткими волокнами, Прикл. механика, 12, № 10 (1976).[2, С.353]

Получение оценок эффективных упругих модулей для компо- ; зиционных материалов, армированных короткими волокнами, — I задача чрезвычайно сложная. Для композитов с ориентирован- / ными короткими волокнами оценки были найдены Халпином / и Пагано (Халпин [61], Халпин и Пагано [63]) с использованием , уравнений Халпина — Цая.[2, С.91]

Оценки для эффективных упругих модулей композитов, армированных произвольно ориентированными короткими волокнами, были найдены в работах Нильсена и Чена [123] и Хал-пина и Пагано [62]. Для того чтобы получить выражение модуля Юнга для композита, армированного случайно ориентированными волокнами, Нильсен и Чен [123] осреднили значение модуля Юнга для композита с параллельными волокнами, определенное для произвольного направления, по всем возможным направлениям. Из-за громоздкости вычислений они не указали аналитического выражения для эффективного модуля Юнга, но представили обширные графические результаты.[2, С.92]

Первоначально при выборе матрицы и волокна для всех систем предполагали использовать те же основные принципы, что и для модельных систем. Джех и др. [22] показали справедливость правила смеси для композитов как с непрерывными, так и с короткими волокнами, избрав для этого систему медь — волокно. Медь ,и вольфрам, по существу, взаимно не растворимы и не взаимодействуют химически; соответственно они не образуют соединений. Таким же образом Саттон и др. [38] на модельной системе серебро — усы сапфира убедительно продемонстрировали эффект упрочнения нитевидными кристаллами. Степень взаимодействия между серебром и усами сапфира даже меньше, чем между медью и вольфрамом, поскольку расплавленное серебро не смачивает сапфир. Для улучшения связи с расплавленным серебром те же авторы напыляли на поверхность са'пфира никель. Однако связь между никелем и сапфиром была, вероятно, чисто механической, а на поверхности раздела никель — сапфир твердый раствор не образовывался. Поэтому не удивительно, что Хиббард [21] в обзоре, -представленном в качестве вводного доклада на конференции 1964 г. Американского общества металлов, посвященной волокнистым композитным материалам, счел необходимым заключить: «Для взаимной смачиваемости матрицы и волокна необходимо, чтобы их взаимная растворимость и реакционная способность были малы или вообще отсутствовали». Это условие, как правило, реализуется для определенного типа композитных материалов, а именно, ориентированных эвтектик. Во многих эвтекти-ках предел растворимости несколько изменяется с температурой, что, вообще говоря, является причиной нестабильности, хотя в известной степени и компенсируется особым кристаллографическим соотношением фаз. Однако в большинстве практически важных случаев это условие не выполняется. После конференции 1964 г. основные успехи были достигнуты в области управления состоянием поверхности раздела между упрочнителем и матрицей. Ни серебро, ни медь не являются перспективными конструкционными материалами. Что же касается реакций между практически важными матрицами и соответствующими упрочнителями, то они очень елож-ны и могут приводить к самым разнообразным типам поверхностей раздела.[3, С.13]

Композиционные материалы с короткими волокнами занимают промежуточное положение между композициями с дисперсными наполнителями и композиционными материалами с непрерывными волокнами, обладающими высокими механическими характеристиками. Поэтому прежде чем переходить к анализу свойств коротко-волокнистых композиционных материалов, следует коснуться свойств материалов с непрерывными волокнами, теории усиления которых развиты и проверены в наилучшей степени.[17, С.87]

Большое внимание уделяется исследованию композитов с короткими волокнами, особенно систем с нитевидными кристаллами. Считается, что эти системы позволят использовать чрезвычайно высокую жесткость, присущую лишь нитевидным кристаллам, при одновременном повышении вязкости композита. Возможность реализации потенциально высоких свойств таких композитов определяется, очевидно, поверхностью раздела.[3, С.60]

К сожалению, из-за сложности задачи более строгая обобщенная теория композитов с короткими волокнами не была создана. Помимо трудностей, которые обусловлены неоднородностью напряженного состояния у концов волокон, значительные сложности возникают из-за наличия множества геометрических переменных. Влияние некоторых переменных (обычно в сочетании с одной или двумя другими) исследовали и оценивали количественно. К этим переменным относятся: содержание волокон, отношение модулей волокна и матрицы, отношение длины волокна к диаметру, величина зазора между концами волокон, форма конца волокна, наличие близлежащих разрывов в других волокнах, потеря связи и возникновение пластического течения.[3, С.62]

Хотя эти работы внесли существенный вклад в основные представления о композитах с короткими волокнами, развитый в них механический подход является чрезмерно упрощенным. Поэтому рассчитанные по этой модели распределения напряжений сдвига на поверхности раздела не согласуются с экспериментальными данными (рис. 13).[3, С.60]

Таким образом, не вызывает сомнения, ,что напряженное состояние на поверхности раздела в композит.ах с .короткими волокнами крайне сложно. Действительно, в, этом :сдучае напряженное состояние на поверхности раздела может быть наиболее жестким, поскольку, помимр значительных осевых, радиальных и тангенциальных нагрузок, поверхность должна противостоять воздействию еще большего сдвигового напряжения.[3, С.65]

... отрезано, скачайте архив с полным текстом ! Полный текст статьи здесь



В ПОМОЩЬ ВСЕМ СТУДЕНТАМ!!!
Задачи по теоретической механике из сборников Яблонского, Мещерского, Тарга С.М., Кепе. Решение любых задач по материаловедению, термодинамике, метрологии, термеху, химии, высшей математике, строймеху, сопромату, электротехнике, ТОЭ, физике и другим предметам на заказ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тарнопольский Ю.М. Пространственно-армированные композиционные материалы, 1987, 224 с.
2. Браутман Л.N. Механика композиционных материалов Том 2, 1978, 568 с.
3. Браутман Л.N. Поверхности раздела в металлических композитах Том 1, 1978, 440 с.
4. Браутман Л.N. Разрушение и усталость Том 5, 1978, 488 с.
5. Геракович К.N. Неупругие свойства композиционных материалов, 1978, 296 с.
6. Портной К.И. Структура и свойства композиционных материалов, 1979, 256 с.
7. Фудзии Т.N. Механика разрушения композиционных материалов, 1982, 232 с.
8. Тарнопольский Ю.М. Пространственно-армированные композиционные материалы. Справочник, 1987, 224 с.
9. Андреева А.В. Основы физикохимии и технологии композитов, 2001, 193 с.
10. Арзамасов Б.Н. Конструкционные материалы, 1990, 687 с.
11. Симамура С.N. Углеродные волокна, 1987, 304 с.
12. Симамура С.N. Углеродные волокна, 1987, 304 с.
13. Бокштейн С.З. Строение и свойства металлических сплавов, 1971, 496 с.
14. Карабасов Ю.С. Новые материалы, 2002, 736 с.
15. Любин Д.N. Справочник по композиционным материалам Книга 2, 1988, 581 с.
16. Арзамасов Б.Н. Конструкционные материалы, 1990, 687 с.
17. Бабаевского П.Г. Промышленные полимерные композиционные материалы, 1980, 472 с.
18. Нильсен Л.N. Механические свойства полимеров и полимерных композиций, 1978, 312 с.
19. Ашкенази Е.К. Анизотропия конструкционных материалов Изд2, 1980, 248 с.
20. Кулак М.И. Фрактальная механика материалов, 2002, 305 с.
21. Нарусберг В.Л. Устойчивость и оптимизация оболочек из композитов, 1988, 299 с.
22. Овчинский А.С. Процессы разрушения композиционных материалов, 1988, 280 с.

На главную