- •Проектирование и прогнозирование механических свойств однонаправленного слоя из композиционного материала
- •1 Общие сведения
- •2 Компоненты композиционных материалов
- •2.1 Матричные (связующие) компоненты композиционных
- •2.1.1 Требования к матрицам
- •2.1.2 Термореактивные матрицы
- •2.1.3 Термопластичные матрицы
- •2.1.4 Металлические матрицы
- •2.1.5 Керамические матрицы
- •2.2 Армирующие материалы
- •2.2.1 Армирующие каркасы композитов
- •2.2.2 Структура и свойства нити
- •2.2.3 Структура и текстурные свойства текстильных
- •2.2.4 Тканые материалы
- •2.2.5 Трикотажные структуры
- •2.2.6 Плетеные структуры
- •2.2.7 Нетканые текстильные материалы
- •2.2.8 Стеклянные волокна и армирующие материалы
- •2.2.9 Углеродные волокна и армирующие материалы на их основе
- •2.2.10 Органоволокна (арамидные волокна)
- •Механические и теплофизические свойства нитей из органоволокон при различных температурах
- •2.2.11 Борные армирующие волокна
- •2.2.12 Карбид - кремниевые волокна
- •3 Основы микромеханики двухкомпонентных
- •3.1 Определение упругих характеристик однонаправленного слоя
- •3.1.1 Основные предпосылки
- •3.1.2 Определение продольного модуля упругости
- •Подставляя (3.2), (3.3) в (3.1), получим
- •3.1.3 Вычисление продольно-поперечного коэффициента
- •3.1.4 Определение поперечного модуля упругости и модуля
- •3.2 Прочность однонаправленного слоя
- •3.2.1 Механические свойства однонаправленного слоя.
- •3.2.2 Особенности разрушения композиционных материалов, армированных непрерывными волокнами
- •3.2.3 Характеристики прочности и виды разрушения
- •3.2.4 Прочность слоя при продольном растяжении и сжатии
- •3.2.5 Прочность слоя при поперечном растяжении, сжатии
- •3.2.6 Определение внутренних напряжений в компонентах
- •3.2.7 Прочность однонаправленного слоя при плоском напряженном состоянии [26, 28, 33]
- •4 Микромеханика гибридных композитов
- •4.1 Упругие характеристики гибридного композита
- •4.2 Прогнозирование упругих свойств гибридных
- •4.3 Прогнозирование прочности однонаправленного
- •Механические характеристики эпоксидной матрицы
- •Решение
- •Решение
- •Механические характеристики компонент гибридного материала Углеродное волокно
- •Матрица
- •Решение
Проектирование и прогнозирование механических свойств однонаправленного слоя из композиционного материала
Данное пособие призвано помочь студентам при изучении основ механики, конструирования и изготовления изделий из композиционных материалов.
Предназначено для студентов высших технических учебных заведений, изучающих курс «Композиционные материалы»: направления 652200 – двигатели летательных аппаратов, 651200 – энергомашиностроение, 552900 – технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств.
1 Общие сведения
Основные понятия и классификация композиционных материалов
Композиционными материалами (КМ) называют материалы, состоящие из двух и более нерастворимых друг в друге компонентов с четко обозначенной границей раздела и прочным взаимодействием по всей площади контакта [8, 11, 21, 30]. Один из компонентов КМ является непрерывной фазой и называется матрицей, в которой размещены нерастворимые в ней материалы другой природы, называемые армирующими или наполнителями [18, 20].
Композиционные материалы обладают комплексом свойств, которыми обладают компоненты, и свойствами, которыми отдельные компоненты не обладают.
Для обеспечения прочного взаимодействия между компонентами КМ матрица должна обеспечить хорошую смачиваемость всей поверхности распределенного в ней наполнителя, не вызывая химических реакций в них, должна обеспечить формуемость состава в монолитное изделие без нарушения формы и размера частиц наполнителя и их взаимного расположения в течение всего периода эксплуатации изделия.
Распределение наполнителя в матрице может быть хаотичным или подчиненным определенной схеме. В первом случае материал будет изотропным, во втором - анизотропным. К изотропным принадлежат КМ, содержащие в качестве наполнителя частицы сферической формы, чешуйки, рубленные волокна, равномерно распределенные в полимерной или металлической матрице. Заданную схему взаимного распределения арматуры в анизотропном материале легче достигнуть с помощью непрерывных волокон. По определенной схеме можно подготовить волокна в виде лент, тканей заданного плетения, трикотажа.
Рассмотрим классификацию композиционных материалов по различным признакам.
По типу матрицы композиционные материалы подразделяются на отверждающие (реактопласты), термопластичные композиционные материалы (ТКМ), композиционные материалы на металлической матрице.
По природе наполнителей композиционные материалы подразделяются на минеральнонаполненные (стекло, базальт), углероднонаполненные (углеродные волокна), органонаполненные (органические волокна), металлонаполненные.
По форме частиц наполнителя различают композиционные материалы с дисперсными наполнителями (порошки, микросферы, чешуйки), композиционные материалы, наполненные короткими волокнами (312 мм), и КМ с непрерывными волокнами.
По распределению наполнителей в матрице различают изотропные и анизотропные композиционные материалы. К первым относятся КМ с дисперсными наполнителями и наполненные короткими волокнами. Ко вторым - КМ с непрерывными волокнами.
Отдельную классификационную группу образуют гибридные КМ, армированные системами волокон различной природы (стеклянные, органические, углеродные и т.д.).