Структура и свойства полимерных волокнистых композитов

правленного (1, 3) и ортогональ­ но-армированного (2) стекловолокнита при растяжении вдоль (1, 2) и перпендикулярно (3) направле­ нию армирования.

при которой волокна в сло­ ях материала ориентирова­ ны под углом ±<р относи­ тельно главных осей сим­ метрии, частным случаем которой является " ортого­ нальная укладка слоев под

углом 0 и я/2, когда изменяется соотношение слоев, уложенных в направлениях главных осей. Как видно из рис. 3.8—3.10, с увеличением угла между направления­ ми нагружения и ориентации волокон в соседних слоях прочностные и упругие характеристики в направлении оси х монотонно снижаются, а вдоль оси у — возраста­ ют. Модуль сдвига в плоскости армирования увеличи­ вается и проходит через максимум, соответствующий значениям углов ± я /4, а затем уменьшается, возвраща­ ясь к исходной величине. При этом модуль упругости при межслойном сдвиге остается практически постоян­

ным [ 118].

При растяжении ортогонально-армированного ком­ позита вдоль направления укладки волокон разрушение происходит в слоях, армированных в перпендикулярном направлении. При достижении предельной деформации

(рис. 3.11).

Величина этой деформации определяется зависимо­ стью [35]:

EaVa°,5+ Ем(1 — Уа°.6) + е“ ^ ~ ^ ° ,Б <3- 1

Поэтому модуль упругости и разрушающее напря­ жение при растяжении ортогонально-армированных

132

композитов до потери монолитности рассчитываются по формулам:

где т — доля однонаправленных слоев композита в направлении на­ гружения; EXq, ЕУо— модули Юнга однонаправленного слоя компо­

зита.

После разрушения поперечных слоев модуль упруго­ сти и разрушающее напряжение при растяжении ортого­ нально-армированного композита определяются соглас­ но выражениям [68]:

где ог+дг0 и е+ х0— разрушающее напряжение и относительная дефор­

мация при растяжении однонаправленного слоя композита.

Регулирование свойств в ортогонально-армирован­ ном композите достигается изменением соотношения однонаправленных слоев, уложенных во взаимно пер­ пендикулярных направлениях (рис. 3.12). Прочность ортогонально-армированных композитов при сжатии не­ сколько понижается (рис. 3.13) с увеличением толщины

Рис. 3.12. Зависимость предела сплошности (/) разрушающего на­ пряжения при сжатии (2) и растяжении (3) ортогонально-армиро­

ванного эпоксистекловолокинта от коэффициента укладки волокон

т=Уьх/(Уах + Уау).

133

at,та

Рис. 3.14. Расчетная полярная диаграмма изменений прочности при растяжении эпоксикарбоволокнитов однонаправленной и ортогональ­ ной структуры^ армирования с соотношением слоев;

1 —: 1 : 0; 2 — 1 : 1; 3 — 1 : 2; 4 — 1 : 3.

однонаправленных слоев, поэтому целесообразно чере­ довать монослои минимальной толщины [68];

Изменение в ортогонально-армированных компози­ тах количества слоев, уложенных вдоль оси нагруже­ ния, позволяет регулировать степень анизотропии, одна­ ко при нагружении в направлении, отличном от ориен­ тации волокон, сохраняется значительная анизотропия свойств материала (рис. 3.14), и диаграммы напряже­ ние— деформация становятся нелинейными (рис. 3.15). Чтобы избежать этого, а также при необходимости точ­ ного согласования поля сопротивления материала с по­ лем напряжений, действующих на него при работе в конструкции, применяют разнообразную по сложности укладку [ПО] (табл. 3.9).

Прочностные и упругие свойства многослойных ком­ позитов могут быть рассчитаны по экспериментально определенным характеристикам однонаправленного материала или исходя из известных свойств и соотно-

134

шения компонентов. В первом случае получают более точные результаты, так как при этом учитывается сте­ пень реализации свойств волокон в композите. При рас­ чете предполагают, что однонаправленный слой при на­ гружении ведет себя упруго, а связь между напряже­ нием и деформацией описывается обобщенным законом

135

монолит, жесткость и прочность которого зависят от -свойств и расположения отдельных слоев.

Упругие свойства многослойных композитов с ориен­ тацией слоев по высоте в направлении произвольно вы­ бранных осей упругой симметрии рассчитывают по фор­ мулам [35]:

Коэффициенты матрицы жесткости Вц выражают через характеристики однонаправленного слоя по урав­ нениям:

щих с выбранными осями упругости симметрии, опре­ деляют с учетом поворота осей на угол ср относительно выбранной ранее оси х.

Для расчета прочности слоистых перекрестно-арми­ рованных композитов могут быть использованы урав­

136

нения, полученные, исходя из первого критерия проч­ ности и учитывающие макроструктурные напряжения в армирующих волокнах и матрице, возникающие при на­ гружении каждого i-го слоя в направлении армирова­ ния или под углом к нему, В том случае, когда опре­ деляющей является прочность армирующих волокон, выражение принимает вид [35, 68]I

Оя

Если определяющей является прочность матрицы, то используется соотношение:

где ffa и (Гм — разрушающие напряжения при растяжении соответ­ ственно армирующих волокон и матрицы.

В этой формуле

Ц7

Коэффициенты матрицы податливости ац выражают через характеристики однонаправленного слоя:

Результаты расчета упругих характеристик слои­ стых перекрестно-армированных композитов по приве­ денным выше зависимостям хорошо согласуются с экс­ периментальными данными. При расчете прочностных характеристик, особенно в направлении, отличном от ориентации волокон, сходимость результатов несколь­ ко хуже, что связано с большей чувствительностью прочности композитов к структурным несовершенствам и технологическим факторам формования материала.

Однонаправленные и ортогонально-армированные композиты обладают высокой прочностью и жесткостью

внаправлениях армирования, но низким сопротивлени­ ем сдвигу. Один из способов повышения прочности при сдвиге высокомодульных композитов — изменение схем армирования, позволяющее при небольшом снижении жесткости и прочности в направлении укладки волокон значительно увеличить сопротивление материала сдвигу

вплоскости армирования.

На практике эту часто встречающуюся задачу оп­ тимизации структуры композита в целях обеспечения необходимого сопротивления действию нормальных и касательных напряжений можно решать двумя путями: изменением угла разориентации отдельных слоев отно­ сительно оси х или изменением числа слоев, разориентированных на угол ±<р по отношению к той же оси. Например, применение схем армирования с противо­ фазной ориентацией при малых углах (до =Ья/12) при­ водит к увеличению модуля сдвига Gxy и модуля упру­ гости £„/4 примерно в 2,5 раза, модуля упругости Еу в 1,7 раза по сравнению с аналогичными характеристи­ ками однонаправленных композитов (табл. 3.10 и 3.11).

138

Таблица ЗЛО. Упругие и прочностные свойства эпоксикарбоволокнитов с перекрестно разориентированной структурой (V a=0,42)

При этом снижение модуля упругости Ех составляет всего около 20% [118].

Если же нагрузки действуют перпендикулярно пло­ скости армирования и композит работает на кручение, одного регулирования укладки в плоскости армирования недостаточно. В этом случае необходимо управление схемами армирования и по толщине материала. Жест­ кость при кручении слоистых неоднородных по высоте композитов определяют по уравнению [120]:

139

Йз формулы (3.21) следует, что при заданной схеме укладки волокон в плоскости армирования жесткость композита при кручении зависит от схемы укладки по высоте. Так, у карбоволокнитов, состоящих из 16 сло­ ев, в которых наружные слои уложены под углом ±я/4, модуль Gxl/=220 ГПа, что значительно выше, чем у композитов с ориентацией наружных слоев вдоль оси волокон {Gxy=\2>2 ГПа). Причем, чем больше наруж­ ных слоев уложено под углом я/4, тем выше жесткость материала при кручении. Укладка слоев под этим уг­ лом в середине композита малоэффективна. Таким об­ разом, с удалением от срединной поверхности и с уве­ личением количества слоев, уложенных под углом ср к выбранной системе координат, жесткость материала при кручении возрастает [120].

При выборе рациональной схемы армирования ком­ позита по высоте следует учитывать возможность появ­ ления начальных напряжений (вследствие анизотропии коэффициентов линейного термического расширения от­ дельных слоев) и в результате этого — коробления тон­ колистовых материалов. Для предотвращения коробле­ ния композита необходимо располагать слои симметрич­ но относительно срединной плоскости, причем разориентированные слои должны находиться к ней как мож-

Рис. 3.16. Диаграммы деформирования при растяжении карбостекловолокнитов (а) и карбооргановолокнитов (б) при углах разориентации углеродных волокон:

140