3.4.2Исследование влияние наномодификации в матрице и наличия дефекта на границе раздела фаз на деформационно-прочностные свойств пкм.
Все результаты по анализу деформационно-прочностных свойств моделируемого ПКМ получены с помощь программного комплекса ANSYS 16.0 с применением конечно элементного анализа [15].
При непосредственном контакте связующего с поверхностью волокон в зоне действия адсорбционных сил возникают процессы, изменяющие состав матрицы и ее структуру и создающие напряженность в граничной зоне. Это приводит к преимущественному зарождению трещин и их прорастанию по границе контакта матрицы с поверхностью волокон.
Разрушение межфазного материала требует затраты энергии: на сдвиг в зоне контакта волокон с матрицей (межслойный сдвиг); на отрыв волокон от матрицы и преодоление сил трения в контактной зоне (выдергивание волокон); на разрушение самих волокон.
Включение в композит наночастиц позволило решить несколько проблем:
повысить жесткость матрицы в межволоконном пространстве и в композите;
улучшить совместимость компонентов ПКМ;
уменьшить влияние поверхности на процесс кристаллизации термопласта;
снизить уровень остаточных напряжений в зоне контакта порожденных усадкой матрицы в процессе охлаждения и – особенно охлаждения и различием в модулях упругости;
достичь равномерного перераспределения напряжений с матрицы на волокна и одновременного эффективного поглощения энергии ударного разрушения.
Методика построения МКЭ модели развития дефекта на границе раздела фаз в стеклопластике на основе термопластичной поликапроамидной матрицы, модифицированной наночастицами слоистого алюмосиликата монтмориллонита
Рассматриваемая модель имеет дефект в виде поры, которая находится на границе раздела "волокно-матрица".
При простом нагружении композита вдоль оси (y) (продольное растяжение) происходит закрытие поры. Поскольку реальные композиты зачастую подвергаются более сложному воздействию (например циклическая нагрузка), в данной работе рассматривается более сложный случай чем простое продольное растяжение. Нагрузка была задана в виде деформации (рассматривались три сличая поведения модели при значениях 100%, 50% и при 25% от разрушающей деформации), поперечная деформация была принудительно ограничена из-за чего закрытие трещины остановлено.
Исходные данные, для расчета разрушающих напряжений представлены в таблице 3.1. Дополнительные сведения, учтенные при моделировании[15], представлены в таблице 3.2.
Таблица 3.7 Исходные данные.
Параметр |
Волокно |
Матрица 0% Cloisite30B |
Матрица 9% Cloisite30B |
Модуль упругости Ех+, МПа |
50000 |
3000 |
6000 |
Модуль упругости Еу+, МПа |
80000 |
3000 |
6000 |
Коэффициент Пуассона μ |
0,2 |
0,3 |
0,27 |
Объемное содержание % |
40 |
60 |
60 |
Таблица 3.8 Дополнительные сведения.
Параметры |
Значения |
τадг, МПа |
36,5 |
Разрушающее перемещение, мкм |
2,5 |
Наличие адгезионного взаимодействия на границе волокно – матрица было учтено при расчетах, путем введения в модель максимальной деформацией соответствующей пределу достижимого τадг [9].
Приложенная нагрузка была задана в виде максимального процентной доли от разрушающего перемещения рисунок 3.19.
а б в
Рисунок 3.32 Схема деформирования матрицы а – 25%, б – 50%, в 100% от разрушающей деформации волокна.
Методика построения модели в программном комплексе ANSYS:
Подготовка модели (Preprocessing)