Механика композитных материалов N1 2006

на стенки, центральный периметр ячейки, периметр люмена и т. д., а также угол фибрилл (рис. 3). Конфокальный анализ осуществлялся в трех точках по длине каждого древесного волокна. Из каждой партии образцов бумажной массы независимо выбирали две группы волокон: из волокон, не подвергавшихся испытаниям (NT), и испытанных в установке для усталост­ ного нагружения (Т). Поскольку в каждой выборке содержалось относи­ тельно большое число волокон (100— 150), то статистические различия ме­ ханических и топологических характеристик между группами можно было считать значительными.

Необходимо отметить, что в основе сравнения плоских неиспытанных сухих волокон и испытанных влажных волокон лежало следующее:

•уменьшение неоднородности бумажной массы из-за выбора только самых длинных волокон и их большого количества; предположение, что периметр ячейки одинаков для влажных и сухих волокон, волокна разбухают симметрично. Кроме того, периметр ячейки CP - Х/ТН, где площадь поперечного сечения X и толщина ТН

зависят друг от друга; величина СР принята относительно постоян­ ным параметром.

Гибкость. Анализ данных для волокон NT и Т, полученных при помощи конфокального микроскопа и установки для усталостного нагружения еди­ ничного волокна, осуществлялся на рабочей станции "Sun" в среде UNIX при помощи программ на основе языка С. Результат анализа — значения мо­ дуля упругости Е (ГПа) и размеров в поперечном направлении (мкм). Одновременно, используя среды MS-DOS и Windows, вычисляли макси­ мальный момент инерции / (мкм4). По этим параметрам вычисляли мини­ мальную величину гибкости Flex = 1/(£/) 1/(1(Г15 Н м2).

Результаты, полученные на установке

Успешные испытания. Успешными были испытания 195 волокон из 431 в серии I тест, фракция R14; X, В, D; 60 циклов, 88 из 210 — в серии II тест, фракция R28;X; 60 циклов; 12 из 18 — в серии III тест, фракция R14;X; 1000 циклов. Успешно испытанными считались те волокна, которые выдержива­ ли по меньшей мере 20 циклов при 60-цикловых испытаниях и более чем 60 циклов в испытаниях с планируемой продолжительностью 1000 циклов.

Причиной большинства незавершенных испытаний явились разрушения вблизи эпоксидных капелек; в некоторых случаях происходило проскальзы­ вание в эпоксидной смоле. Зачастую эпоксидная смола не образовывала каплю правильной формы, что вызывало высокую концентрацию напряже­ ний вокруг нее. Помимо этого, некоторые волокна обладали пониженной прочностью. Это было особенно заметно в партии волокон D.

•I тест: большинство волокон выдерживало 60 циклов, хотя успешны­ ми принимались и испытания более 20 циклов.

II тест: чуть более половины волокон (58%) успешно прошли испыта­ ния, выдержав 60 циклов.

а

Рис. 4. Успешные испытания. Пояснения в тексте.

•III тест: 78%.

Типичные кривые сила—перемещение F(u), полученные при успешных испытаниях (достижение 60 и 1000 циклов), показаны на рис. 4. Из пред­ ставленных данных видно, что наклон кривых, соответствующих каждому циклу нагрузки (от 10 до 25 мН), возрастает. Это обусловлено увеличением осевого модуля упругости и соответственно уменьшением приращения удлинения. Испытание также считалось успешным, если волокно разруша­ лось по одной из указанных причин по достижении по крайней мере 20 уста­ лостных циклов (рис. 5) (I, II тесты) и после 60 циклов при III тесте.

Неудачные испытания. Испытания, сопровождающиеся разрушением волокон до достижения 20 циклов, считались незавершенными (рис. 6). Можно выделить три характерных вида разрушения: проскальзывание в эпоксидной смоле, разрушение волокна вблизи эпоксидной капельки и раз­ рушение в центральном сечении волокна. Как видно из данных табл. 2, в ис­ пытаниях I теста при высоких уровнях энергии D в большинстве случаев происходит разрушение волокон самих по себе, в то время как при низком уровне энергии X увеличивается вероятность разрушения вследствие про-

Табл. 3

Связь угла фибриллы с центральным периметром ячейки (I, И,, и III тесты)

тии волокон, было наибольшим из всех рассмотренных. III тест на 1000 цик­ лов показал наибольшее изменение угла фибрилл и наименьший периметр ячейки вследствие наиболее продолжительного действия осевого нагруже­ ния (см. рис. 7). Следует отметить, что пластические необратимые деформа­ ции накапливались в среднем в диапазоне между 50 и 95 циклами и кумуля­ тивная работа волокна после этого не возрастала. Это позволяет предположить, что структура волокна окончательно формировалась между 60 и 70 циклами.

Установка для усталостного нагружения единичного волокна моделирует процесс размола нагружением волокон древесной целлюлозы различными типами напряжений. Из экспериментов, проведенных для изучения поведе­ ния волокон под действием осевого растяжения [6], следует, что угол фиб­ риллы, центральный периметр ячейки и периметр люмена уменьшаются при усталостном нагружении. Дальнейший анализ волокон бумажной мас­ сы при помощи конфокального микроскопа показал, что эти параметры уменьшаются также у неиспытанных волокон при их размоле, причем угол фибрилл имеет более слабую тенденцию к уменьшению. Основной целью размола является улучшение гибкости волокон для производства бумаги. Полученные результаты свидетельствуют, что эта гибкость при осевом на­ гружении возрастает за счет уменьшения периметров ячейки и люмена, уменьшающих статический момент сечения волокна и за счет уменьшения угла фибрилл (см. табл. 3).

Табл. 4

Значения кумулятивной работы А, модуля упругости Е и длина волокон / (I, II и III тесты)

Отмечено (I, II, III тесты), что волокна, прошедшие низкоэнергетичес­ кую обработку — Х-волокна — обладают наибольшей кумулятивной рабо­ той при нагружении растяжением (табл. 4) по сравнению с высокоэнергетичными В- или D-волокнами. Однако модуль упругости возрастает при переходе от X- к D-волокнам (см. табл. 4), а как было отмечено выше, стати­ ческий момент сечения уменьшается (см. табл. 3). Таким образом (рис. 8 и табл. 5), гибкость возрастает и угол фибрилл уменьшается с увеличением энергии размола. Кроме того, у низкоэнергетичных волокон модуль упру­ гости и накопленная работа уменьшаются при переходе от 14-й к 28-й фрак­ ции, одновременно уменьшается и статический момент сечения и, следова­ тельно, гибкость возрастает.

III тест, рассчитанный вначале на 1000 циклов, показал, что более корот­ кие волокна 8 группы, в которых структура формируется между 60-м и 70-м циклами, обладают максимальной прочностью и достигают значения мини­ мального модуля упругости, меньшего, чем для I, II тестов. Это является об-

5000

4000

3000

2000

1000

о

[1100/14/60][2300/14/60][3500/14/60] [1100/28/60] [1100/14/1000]

Рис. 8. Экспериментальные данные: 1 — статический момент сечения, 100 мкм4;

2 — гибкость, 1/(10-6 Н м2); 3 — модуль упругости ГПа/200; 4 - накопленная ра­

бота, мкДж/2.

получения

механической

целлюлозы

щей тенденцией, приводящей к увеличению гибкости волокна вследствие уменьшенного статического момента сечения (I, II, III тесты) и уменьшен­ ного модуля упругости (II, III тесты). Во всех трех тестах гибкость возраста­ ет при переходе от 14-й фракции к 28-й. Таким образом, появляется возмож-

ПРАВИЛА ДЛЯ АВТОРОВ

1.Общие положения

1.1.Журнал “Механика композитных материалов” публикует результа­ ты оригинальных экспериментальных и теоретических исследований свойств и поведения композитных материалов, а также матриц и волокон.

Особое внимание уделяется следующим проблемам:

-разрушение и усталость композитных материалов (их виды и причины, длительная прочность, кинетика разрушения на всех его стадиях, механизм разрушения контактных областей между компонентами в композитах, ме­ тодика расчета и технология изготовления материалов с оптимальными ха­ рактеристиками сопротивления разрушению);

-методы оптимального проектирования композитных материалов и кон­ струкций из них;

-прогнозирование длительных свойств;

-вопросы старения, неразрушающий контроль;

-механические аспекты технологии;

-композиты в гражданском строительстве и инфраструктуре;

-механика нанокомпозитов.

1.2.Рукопись статьи представляется в двух экземплярах, подписанных всеми авторами, и обязательно идентичной электронной версии. Статья дол­ жна начинаться с инициалов и фамилии авторов, затем дается ее название на русском и английском языках (в заглавии аббревиатуры не допускаются). Кроме основного текста статья должна содержать: аннотации и ключевые слова на русском и английском языках; полное название учреждения, в ко­ тором выполнена работа; выводы или заключение. К рукописи прилагаются сведения об авторах (полное имя и отчество, место работы, занимаемая дол­ жность, ученая степень и звание, домашний адрес, e-mail, факс и телефон) с указанием лица, с которым следует вести переписку.

1.3.Датой поступления статьи в журнал считается дата получения редак­ цией всех перечисленных материалов.

1.4.Авторские права на статьи, публикуемые в журнале “Механика ком­ позитных материалов”, передаются редакции журнала.

1.5.Рукописи не возвращаются. Все поступившие в редакцию статьи проходят рецензирование. Редакция оставляет за собой право производить редакционные изменения рукописей. Просьба редакции переработать ста­ тью не означает, что статья принята к печати: после переработки она вновь рассматривается редколлегией.

1.6. Корректура должна быть прочитана автором и выслана в редакцию не позже чем через сутки после получения. Автор обязан отметить опечатки и

проверить формулы, рисунки и таблицы. Исправления другого рода не допу­ скаются.

1.7. Авторы получают 20 экземпляров оттисков статьи на русском языке и один оттиск — на английском. По желанию авторов им может быть выслана электронная версия статьи на русском языке в формате PDF.

2. Требования к оформлению рукописей

Журнал “Механика композитных материалов” выходит на русском языке. Одновременно в редакции осуществляется его перевод на английский язык (Mechanics of Composite Materials).

2.1.Рукописи необходимо представить на литературном русском и/или английском языке. Авторы обязаны предъявлять повышенные требования к изложению и языку рукописи. Рекомендуется безличная форма изложения.

2.2.Статья должна быть написана сжато, аккуратно оформлена и тщатель­ но отредактирована для облегчения восприятия материала. Редакция оставля­ ет за собой право сокращать статьи независимо от их объема.

2.3.При упоминании иностранных фамилий в тексте в скобках необходимо указать их оригинальное написание (за исключением общеиз­ вестных фамилий, встречающихся в энциклопедиях, и фамилий, на которые даются ссылки в списке литературы). При упоминании иностранных учреж­ дений, фирм, фирменных продуктов и т. д. в русской транслитерации в скобках должно быть дано их оригинальное написание. Для улучшения ка­ чества перевода статьи на английский язык желательно приложить список используемых в статье терминов на английском языке.

2.4.Заглавие статьи отражает тематику исследования в конкретной сжа­ той форме. Оно не должно звучать, как заглавие монографии. Следует избе­ гать словосочетаний “К вопросу...”, “О проблеме...” и т. д. В оптимальном варианте заглавие включает основные ключевые слова к работе.

2.5.Реферат является конкретным изложением содержания статьи с основ­ ными фактическими сведениями и выводами. Внимание концентрируется на

новых результатах. Текст реферата начинается с изложения сути работы. За­ главие не должно повторяться в тексте. Следует избегать фраз типа “ автор статьи рассматривает...” и т.п. Описание ранее опубликованных данных и об­ щеизвестных положений и формул в реферате не приводится. Текст реферата составляется по следующему плану: автор(ы), ключевые слова, тема, пред­ мет, характер и цель работы, методика проведения работы, выводы. Объем текста реферата определяется содержанием статьи, количеством сведений и их научной ценностью и не должен превышать 1 страницы.

2.6. Текст статьи печатается через два интервала (без помарок и вставок) на белой бумаге стандартного размера (формат А4, 210 х 297 мм) с полями 3 см с левой стороны. На странице — не более 30 строк по 60—65 знаков в строке. Для печатания используется принтер с крупным и четким шрифтом (12— 13 кегля).