3.2 Прочность однонаправленного слоя
3.2.1 Механические свойства однонаправленного слоя.
Роль поверхности раздела на структурную целостность
и прочность композита
Определение эффективных упругих характеристик однонаправленного слоя по известным упругим свойствам армирующих волокон и матрицы является необходимым условием проектирования слоистого композита с заданными упругими свойствами.
Не менее важно при проектировании композита предсказание прочности однонаправленного слоя при различных видах нагружения по известным деформационным и прочностным свойствам компонент и адгезионной связи на границе волокно - матрица.
Идеализированный слой можно представить в виде волокон, равномерно распределенных в полимерной (металлической) матрице (рис. 3.9).
Рис. 3.9 Однонаправленный слой и направление его нагружения
(1, 2, 3 – оси координат)
Представленный на рис. 3.9 однонаправленный слой имеет место для волокон большого диаметра, таких, как волокон бора, металлических волокон и др.
Для большинства композитов отдельный слой состоит из нитей, погруженных в соответствующую матрицу. В свою очередь нить состоит из десятков и сотен волокон.
На рис. 3.10 изображена микрофотография поперечного сечения слоя "углеродные волокна - смола". Наглядно видно, что по толщине слоя содержатся несколько волокон. Расположение волокон неравномерное, случайное. В дальнейшем изложении мы будем придерживаться расположения волокон, изображенных на рис. 3.9.
Рис. 3.10 Микрофотография поперечного сечения слоя:
графитовые волокна - эпоксидная смола
(увеличение х 1000) [15]
Однонаправленный слой обладает тремя плоскостями упругой симметрии [ 11, 28]. Более подробно упругая симметрия рассмотрена в ч. 2 данного пособия.
Плоскости симметрии связаны с осями 1,2 и 3, как показано на рис. 3.9, которые называются главными осями материала. В дальнейшем мы будем рассматривать прочность однонаправленного слоя при растяжении, сжатии вдоль направления 1 и 2 и сдвиге в плоскости 1-2, межслойном сдвиге в плоскости 1-3.
Для прогнозирования несущей способности слоя очень важно знать характер деформирования его перед разрушением при различных видах нагружения. На рис. 3.11 представлены диаграммы деформирования некоторых волокнистых композитов. Кривые деформирования показывают, что:
- продольное растяжение линейно до разрушения;
- продольное сжатие обладает слабой нелинейностью;
- поперечное растяжение почти линейно до разрушения;
- поперечное сжатие и внутрислойный сдвиг обнаруживают
существенную нелинейность и относительно большую
деформацию до разрушения.
|
|
|
|
а |
б |
Рис. 3.11 Диаграммы деформирования однонаправленных
углепластиков при нагружениях в плоскости слоя [13]:
а - высокопрочные углеволокна - эпоксидная смола;
б - высокомодульные углеволокна - эпоксидная смола;
сплошные линии - растяжение; пунктирные линии - сжатие [13];
верхние рисунки относятся к продольному растяжению и
сжатию, а нижние - к поперечным
Необходимо отметить, что диаграмма продольного растяжения определяется практически только свойствами волокон, в то время как вид остальных диаграмм существенно зависит от матрицы.
Рис. 3.12 Кривые напряжение - деформация для слоя
стеклопластика (Е - стекло, 0,6 ) [ 13 ]:
х
- разрушение; - продольное растяжение;
- поперечное
растяжение; - сдвиг;
----- - начальный наклон диаграмм
Рис. 3.13 Сравнение диаграмм деформирования при растяжении
волокнистых однонаправленных композитов с эпоксидной
матрицей [13]:
1 - боропластик; 2 - углепластик; 3 - органопластик;
4 - стеклопластик; 5 - алюминиевый сплав
Механизм передачи нагрузки через поверхность раздела.
Роль влияния поверхности раздела на структурную
целостность и прочность композитов
Поверхность раздела включает в себя поверхность контакта волокна и матрицы и область матрицы, непосредственно примыкающую к границе контакта. Природа адгезии матрицы и наполнителя очень сложна и определяется тремя типами связей: химическими, электрическими и механическими. Но независимо от природы адгезии передача усилий от матрицы к волокну происходит под влиянием механических факторов.
В [14] предлагается следующее определение поверхности раздела:
Поверхность раздела - это область значительного изменения химического состава композита, обеспечивающая связь матрицы и упрочнителя, необходимую для передачи нагрузки между составляющими композита. Термин "значительное изменение химического состава" относится больше к композитам с металлической матрицей.
Физико-химические явления, происходящие на границе волокно - матрица для металлических и полимерных матриц имеют существенные различия, которые определяются их физической и химической природой взаимодействия.
Поэтому особенности физико-химического и механического взаимодействия на границе волокно - матрица в композитах на металлической и полимерной матрицах желательно рассмотреть отдельно.
Роль поверхности раздела в композитных материалах
с металлической матрицей [14]
Специфическая природа поверхности раздела в волокнистых композитах и особые виды физико-химического и механического взаимодействия на границе волокно- матрица являются важнейшими факторами, обеспечивающими высокие свойства волокнистых композитов. Волокнистые композиты характеризуются высокой степенью направленности поверхностей раздела. Например, в композите объемом 16,4 см3, содержащем 50% по объему волокна диаметром 7,6 мкм, площадь поверхности раздела равна примерно 41936 см2. Это еще раз подчеркивает особую роль поверхности раздела в структурной целостности композита.
Поверхность раздела непосредственно участвует в передаче внешней нагрузки к поверхностям композита. Внешнее нагружение передается от поверхности, к которой оно приложено, к прилежащему слою материала посредством сдвига. Этот слой материала, в свою очередь, передает таким же образом нагрузку далее в глубь композита (рис. 3.14).
Рис. 3.14 Сдвиговой характер внешнего нагружения
волокнистого композита [14]
Неравномерность сдвиговых и осевых напряжений по поперечному сечению имеет место в местах приложения внешних нагрузок и в непосредственной близости. На некотором удалении от мест приложения напряжения выравниваются. Тем не менее из-за различия уровней напряжений в компонентах (из-за различия их упругих постоянных) появляются поперечные напряжения между компонентами. Их знак и величина зависят от свойств компонентов, объемной доли упрочнителя, величины приложенной нагрузки, геометрических факторов. На поверхности раздела волокно - матрица и в непосредственной близости возникает сложное напряженное состояние.
На рис. 3.15 представлены схема волокнистого композита при гексагональном расположении волокон и напряженное состояние элемента матрицы, граничащего с поверхностью раздела.
Механические свойства композита зависят от степени совершенства связи на поверхности раздела между компонентами композита. Непрерывность всех поверхностей раздела и равномерность их прочности являются важными факторами, позволяющими поверхностям раздела выполнять свою основную задачу обеспечения структурной целостности композита.
При проектировании композита стремятся к совершенной связи между компонентами композита. Но эта совершенная связь не должна приводить к образованию химических соединений на поверхностях раздела, к диффузии компонентов композита, к их взаимному растворению.
Металлическая матрица в композитах должна иметь малую плотность и высокую пластичность. Как правило, такие матрицы склонны к образованию химических соединений с волокнами бора, карбида кремния, углеродными волокнами. Образующиеся при этом химические соединения, часто интерметаллические по природе, отличаются хрупкостью и малой прочностью. Подобные химические соединения снижают адгезионную прочность поверхности раздела и существенно снижают ее способность распределять нагрузку и сопротивляться разрушению в условиях сложного напряженного состояния.
а
б
Рис. 3.15 Схема волокнистого композита [15]:
а - гексагональное расположение волокон; б - напряженное
состояние элемента матрицы на поверхности раздела;
rr - радиальные нормальные напряжения; - окружные
нормальные напряжения; zz - продольные нормальные
напряжения; r - окружные касательные напряжения;
zr - радиальные касательные напряжения;
zz - продольные касательные напряжения
Помимо снижения адгезионной прочности поверхности раздела, химическое взаимодействие компонентов приводит к ухудшению основных свойств упрочнителя. На поверхности упрочнителя появляются неровности, нерегулярности в геометрии, которые существенно снижают первоначальную прочность упрочнителя и в целом композитного материала. Химическое взаимодействие матрицы и армирующего материала может сопровождаться их диффузией, что приводит к разупрочнению упрочнителя и уменьшению пластичности матрицы. Для уменьшения химического взаимодействия компонентов волокна упрочнителя покрывают барьерным слоем, который заметно снижает скорость реакций между волокном и матрицей. Для композиционных материалов на основе борных волокон и алюминиевой матрицы в качестве барьерных слоев используются покрытия карбидом кремния или нитридом бора. Тем не менее исключить полностью химическое взаимодействие и диффузию через поверхность раздела при длительном взаимодействии умеренных температур не удается.
В волокнистых композитах с полимерными матрицами скорости химического взаимодействия компонентов несравнимо меньше, чем у композитов с металлическими матрицами.
Компоненты композитов на основе неорганических волокон и различных смол имеют низкую реакционную и диффузионную способность. Связь между ними образуется в основном при механическом сцеплении при наличии шероховатости волокон и трения между волокнами и матрицей. Определенный вклад в адгезионную прочность на границе раздела могут вносить силы Ван-дер-Ваальса.