4. Характеристики весовой эффективности композиционных материалов.

Во многих областях техники, а особенно в авиакосмической отрасли, к материалам предъявляется требование повышенной весовой эффективности. Это означает, что конструкционные материалы, имея высокие прочностные характеристики, в тоже время должны быть легкими. Это позволяет значительно снизить вес

Рис. 3.20. Иллюстрация к расчету удельной эффективной работы разрушения.

а – вид надрезанного образца для испытания на изгиб сосредоточен-ной нагрузкой Р (скорость деформирования ~0,1 мм/мин); S – пло-щадь поперечного сечения; b, h – ширина и высота образца; l=0,5h – глубина надреза; L=(45)h – расстояние между опорами.

б – вид диаграммы деформирования в координатах нагрузка (Р) – прогиб () образца из хрупкого материала; ОА – участок линейно-упругого деформирования; Р_с – критическая величина нагрузки, соответствующая скачку трещины («катастрофическое разрушение») – участок АВ.

в – вид диаграммы деформирования в координатах Р –  образца, проявляющего некоторую пластичность при нагружении; ОА – учас-ток линейно-упругого деформирования; Р_с – критическая величина нагрузки, при которой происходит образование трещины; участок АВ – докритический рост трещины, возможный при приложении внешней нагрузки; участок ВС – скачок трещины; участок СD – ста-бильное развитие трещины, возможное при приложении внешней нагрузки; точка D – окончание процесса разрушения.

той или иной конструкции. Характеристиками весовой эффективности являются – удельная прочность (П) и удельная жесткость (Ж), которые рассчитываются следующим образом: П =  /g ; Ж = Е / g . В этих выражениях  - предел прочности на разрыв, Е – модуль нормальной упругости,  - плотность, g = 9,8 м/с². Размерность этих характеристик – единицы длины, например [км]. Оценивая композиционные материалы с точки зрения этих характеристик, можно выбрать такие из них, которые сочетают в себе высокую прочность, жесткость и малый вес. На рис.4.1 приведены указанные характеристики для различных видов композиционных материалов. Анализируя эти данные, можно увидеть, что лучшими являются полимерные композиты: матрица из эпоксидной смолы, армированная волокнами углерода или бора. Однако, применимость таких композитов ограничивается предельной температурой их эксплуатации ( 400⁰С).

5. Дисперсноупрочненные композиционные материалы и их классификация.

Структура дисперсноупрочненных композиционных материалов представляет собой матрицу с равномерно распределенными в ней включениями дисперсных (мелких) частиц наполнителя, которые призваны исполнять роль упрочняющей фазы. Матрица и наполнитель, разделенные границей раздела - компоненты данного материала. Используемый в этом случае наполнитель является нульмерным. Дисперсные частицы наполнителя вводят в матрицу специальными технологическими приемами. Очевидно, что частицы не должны активно взаимодействовать с матрицей и не должны растворяться в ней вплоть до температуры плавления. Механизм упрочняющего дейст-

Рис. 4.1. Сравнительные данные по показателям характеристик весовой эффективности некоторых композиционных материалов.

1 – Аl^*;

2 – Ti^*;

3 – Ti-Be_{(проволока 50%об.)} ;

4 – Ti-SiC_{(волокно 50%об.)} ;

5 – Al-B_{(волокно 50%об.)} ;

6 – эпоксидная смола-С_{(волокно 50%об.)} ;

7 – эпоксидная смола-B_{(волокно 50%об.)} ;

*не относится к композитам, приводится для сравнения.

вия от включения дисперсных частиц в матрице, отличается для разных типов дисперсноупрочненных композиционных материалов. Ниже будут рассмотрены особенности поведения при нагружении композитов следующих типов: 1) пластичная матрица – хрупкий наполнитель; 2) хрупкая матрица – пластичный наполнитель; 3) хрупкая матрица – хрупкий наполнитель.