1371
.pdfДинамика композитов с трещинами |
221 |
Рис. 29. Зависимость нормированного коэффициента минимальной плот ности энергии деформирования от отношения длины трещины к шагу между волокнами при различных скоростях трещины.
ская интерпретация критерия плотности энергии деформиро вания.
Влияние шага между волокнами иллюстрируется на рис. 29, на котором приведена зависимость величины eGmSmin/(<J2a) от отношения a/h при с/(с2)т, изменяющемся от 0,1 до 0,5. При болыпйх значениях a/h малое изменение приложенного напряжения а может привести к большим из менениям скорости трещины с.
5.2.3. Распространение трещины в ортотропных материа лах. Вычислим коэффициент плотности энергии деформиро вания 5 для трещины, распространяющейся в однонаправ ленном композите, который моделируется как однородная ортотропная среда (см. рис. 17). В случае линейно-упругого материала уравнение (103) сводится к виду
dW/dV = ЧзРцец. |
(121) |
222 |
Дж. Си |
Для выражения dW/dV только через величины компонент тензора напряжений а*, су и хху следует использовать соот ношения между напряжениями и деформациями (63):
dW _ |
1 |
Г c22a2x + cua l - 2 c l2axoy |
х ’у |
dV |
2 |
с11^22 ^j9 |
( 122) |
G12 |
Подставляя компоненты локальных напряжений, опреде ляемые уравнениями (73), в уравнения (121) и используя
соотношение |
(106), получаем |
|
|
|
|
|||
8G12S |
1 |
+ |
cos0) |
М3- |
М2 ( |
+ cos0) + |
|
|
Т ~ |
Н |
I |
v-i |
|
|
|
|
|
|
+ |
|
л/ M-I Н~ cos 0 |
+ cos о + |
|
|
||
|
+ |
Л^з[-|^-Vl^ 1 — C°S0 — |
V ^ 2 |
— COS0 ]2| , |
(123) |
|||
где Aj |
определено уравнением |
(76), |
a |
( /= 1 ,2 , |
5) |
|||
обозначают |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Л/2 = Л1 Т(ЛГ1 — |
|
|
||
|
|
|
Л/3 = |
М?(112 + М3)». |
|
|
||
|
12eu — С|2 (т),М2 + |
Ч2М3 ) — pc2], |
NS — MJG[2. |
(124) |
||||
Величины Mj ( /= 1 ,2 , 3,4) определены уравнениями (75). Влияние ортотропии материала на распространение тре
щины можно исследовать, вычисляя углы 0О, которые по предположению соответствуют траектории трещины или ве личине Smin в критерии плотности энергии деформирования. Как видно из выражений (78), у эпоксидного стеклопластика на основе Е-стекла модуль упругости Е\ (в направлении роста трещины) намного больше модуля Е2 (в направлении, перпендикулярном трещине), т. е. Е\ ^ Е2 . В табл. 2 приво дятся нормированные значения 4G1.,Sinin/AJ, направления про
растания трещины ± 0 О и значения безразмерной скорости
трещины C/V G 12/р. Благодаря высокой степени ортотропии свойств материала расчет предсказывает разветвление реше ния для всех рассмотренных скоростей трещины. Вероятно, этот результат неправдоподобен для реального эпоксидного стеклопластика на основе Е-стекла, в котором при растяже нии в направлении, перпендикулярном волокнам, развивается трещина, движущаяся параллельно волокнам, а не ветвя щаяся. В случае движущихся трещин с раскрытием, мень шим или приблизительно равным шагу между волокнами,
Динамика композитов с трещинами |
223 |
Таблица 2. Углы прорастания трещины и коэффициенты плотности энергии деформирования в случае однонаправленных эпоксидных стеклопластиков на основе Е-стекла (объемное содержание волокон 56,5 %)
c/VО 12/Р
0,0 |
0.1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0.5 |
0.6 |
0.7 |
0,8 |
± 00 |
36,6° |
36,6° |
36,8° |
|
4С? |2>Ьт1п |
0,9113 |
0,915 |
0,927 |
|
*1 |
||||
|
|
|
СО |
юо |
37,9° |
0,947 0,981
стГ со |
О |
•чг |
о о |
1,034 |
|
1 ,1 2 1 |
|
44,1° 49,2°
1,277 1,620
влияние неоднородности материала значительно и им пре небречь нельзя. Непригодность предположения об однород ной ортотропии в этом случае и подтверждает вышеприве денный пример.
В отличие от эпоксидного стеклопластика на основе Е-стекла металлокомпозит с алюминиевой матрицей и во локнами из нержавеющей стали проявляет значительно мень шую ортотропию свойств. Этот материал при 40 %-ном объем ном содержании волокон обладает следующими свойствами:
£, = |
12,6- 104 МПа; |
v12 = |
vI3 = 0,32; |
|
|
Е2= 10,6 • 104 МПа; |
V23 = |
0,36; |
(125) |
||
С,, = |
4,1 |
104 МПа; |
|
|
|
Cll/Gi2 = |
4,278; |
cl2/Gl2= |
1,813; |
c22/G12 = 3,804. |
(126) |
Из результатов, приведенных в табл. 3, видно, что при малых скоростях трещина движется по прямой линии, а при
■с « 0,5 VG|O/P происходит ее ветвление под углом 0О= 7,0° Наибольшие углы ветвления соответствуют наибольшим ско-
Таблица 3. Углы прорастания трещины и коэффициенты плотности энергии деформирования однонаправленного металлокомпозита с алюминиевой матрицей и волокнами из нержавеющей стали (объемное содержание волокон 40 %)
± 0о
4Gi2<Smln
c/V<Ju/p
0.0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0.8
о о |
о О О |
О О |
о о |
о о |
о О T-t |
со 03 о |
50,4° |
60,7° |
о |
|
о |
о |
о |
|
|
|
|
0,726 |
0,731 |
0,748 |
0,781 |
0,840 |
0,946 |
1,118 |
1,416 |
2,185 |
*1
224 Дж. Си
ростям трещины. Следовательно, как и ожидалось на осно вании интуитивных предположений, для композитов, модули волокна и матрицы которых отличаются незначительно, пред положение об однородной анизотропии становится более реа-. листическим.
6. Заключение
Композитные материалы обладают такими своеобразными характеристиками роста трещины, которые часто адекватно не объяснимы с помощью средств механики разрушения, ос нованных на предположениях об изотропии и однородности материала. С точки зрения описания анизотропии и неодно родности композитного материала принципиальное значение имеет учет свойств волокна и матрицы, а также кратность слоев с различной ориентацией волокон. Моделирование ло кальных видов разрушения должно подтверждать правиль ность масштабирования размера дефекта относительно микроструктурных параметров композита. Некорректный анализ напряженного состояния, независимо от используемого кри терия прочности, может привести к нереалистическим про гнозам. Это ясно видно на примере трещины, движущейся в однонаправленном волокнистом композите, который моде лируется как однородный ортотропный материал.
Кроме того, существует принципиальный вопрос, связан ный с методологией испытаний образцов из композитных ма териалов. Поскольку анизотропия и неоднородность материа ла сложным образом взаимосвязаны с размером образца, скоростью нагружения, микроструктурой материала и т. д., не ясно, каким образом результаты испытаний небольших об разцов следует использовать при проектировании крупнога баритных конструкций из композитов. Проведенные исследо вания дают веские доказательства того, что композитные об разцы следует рассматривать как конструкции в силу высо кой степени их неоднородности. Исследования в области раз работки соответствующих методов анализа напряженного со стояния и разрушения, которые обеспечили бы более надеж ный расчет композитных материалов в будущем, представ ляют большой интерес и находят широкое применение.
ЛИТЕРАТУРА
1. Arcisz М., Sih G. С. Moving cracks in orthotropic |
media. — Institute |
of Fracture and Solid Mechanics Technical Report |
IFSM 82-113, Le |
high University, Bethlehem, PA, USA, 1982. |
Composites — Ame |
2. ASTM STP 568. Foreign Object Impact Damage of |
|
rican Society for Testing and Materials, Philadelphia, |
PA, U. S. A., 1973. |
|
Динамика композитов с трещинами |
|
225 |
3. |
Sih G. С., Ravera R. S., Embley G. Т. Impact response of |
a |
finite |
|
crack in plane extension. — Internat. J. Solids and Structures, |
1972, 8, |
|
4. |
p. 977—993. |
a |
crack |
Sih G. C. A review of the three-dimensional stress problem for |
|||
|
ed plate. — Internat. J. Fracture Mech., 1971, 7, p. 39—61. |
|
|
5.Sih G. C. A special theory of crack propagation. — In: G. C. Sih (ed,) Mechanics of Fracture. Vol. I: Methods of Analysis and Solution of
Crack Problems. — Noordhoff, The Netherlands, 1973, p. 21—45.
6. Sih G. |
C., |
Chen E. P., Huang S. L., McQuillen E. J. Material characte |
rization |
on |
the fracture of filament-reinforced composites. — J. Composite |
Materials, |
1975, 9, p. 167— 186. |
|
7.Sih G. C. Fracture mechanics of composite materials. — In: Fracture of Composite Materials. G. C. Sih and V. P. Tamusz (eds.).— Sij'thoff and
8. |
Noordhoff, |
The |
Netherlands, p. Ill —130. |
|
|
||||
Sih |
G. |
C., |
Chen E. P. Effect of material nonhomogeneity on crack |
||||||
|
propagation |
characteristics. — Internat. |
J. Engng. Fracture Mech., |
1980, |
|||||
9. |
13, |
p. 431—438. |
|
in Composite |
Materials. — Martinus |
Nij- |
|||
Sih |
G. C., |
Chen E. P. Cracks |
|||||||
10. |
hoff, The Netherlands, 1981, p. |
15—81. |
of a |
cracked laminate. — Inter |
|||||
Sih |
G. C., |
Chen E. P. Sudden |
bending |
||||||
11. |
nat. |
J. Engng. Sci., 1981, 19, p. 979—991. |
|
|
|||||
Sih |
G. |
C., |
Chen E. P. Sudden stretching of a four-layered composite |
||||||
12. |
plate. — J. |
Engng. Fracture Mech., 1981, 15 (1, 2), p. 243—252. |
|
||||||
Sih |
G. C., |
Chen E. P. Moving |
cracks in layered composites. — Internat. |
||||||
13. |
J. Engng. Sci., |
1982, 20, p. 1181—1192. |
|
|
|
||||
Shi |
G. |
C., |
Madenci E. Crack growth resistance characterised by the |
||||||
|
strain |
energy |
density function. — Internat. |
J. Engng. Fracture Mech., |
|||||
|
1983. |
|
|
|
|
|
|
|
|
8 Прикладная механика
МНОГОНАПРАВЛЕННЫЕ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫЕ КОМПОЗИТЫ »
Л. Макаллистер, У. Лакман
Оглавление
1.Введение.
2.Многонаправленные волоконные каркасы. 2.1. Общие замечания.
2.2. Выбор волокон. 2.3. Проектирование тканых структур. 2.3.1. Ткани. 2.3.2. Многонаправленные структуры. 2.4. Изготовление многонаправленных структур. 2.4.1. Общие замечания. 2.4.2. Сухие тканые структуры. 2.4.3 Проколотые тканые структуры 2.4.4. Струк туры из предварительно полимеризованных нитей. 2.4.5. Намоточ ные структуры из подэлементов.
3.Уплотнение многонаправленных структур. 3.1. Общие замечания.
3.2.Методы пропитки жидкостью. 3.2.1. Выбор пропитывающего вещества. 3.2.1.1. Термореактивные смолы. 3.2.1.2. Пеки. 3.2.2. Про питка под низким давлением. 3.2.3. Пропитка под высоким давле нием. 3.3. Химическое осаждение из паровой фазы.
4.Свойства композитов 4.1 Влияние состава и технологии. 4.1.1. Об щие замечания. 4.1.2. Тип волокон. 4.1.3. Схемы армирования.
4.1.4.Тип матриц. 4.1.5. Влияние технологии. 4.1.6. Взаимодействие
волокон и матрицы. 4.2. Свойства типичных многонаправленных уг- лерод-углеродных композитов.
5. Области применения пространственно армированных углерод-угле- родных композитов.
Литература.
1. В ведение
Высокая температура сублимации, высокая прочность при температурах до 2800°С, хорошее сопротивление действию термических напряжений, химическая инертность — все эти качества графита привлекли внимание разработчиков изде лий, эксплуатирующихся при повышенной температуре в инертной атмосфере и скоростных газовых потоках. Однако применение монолитного поликристаллического и пиролити ческого графита во многих случаях ограничивалось малой предельной деформацией, чувствительностью к дефектам, анизотропией и нестабильностью свойств, трудностью изго товления крупных изделий сложной формы..S*
4> McAllister Lawrence |
Е. (Fiber |
Materials |
Incorporated, |
Biddeford. |
||
USA), Lachman Walter L. (Materials International, Lexington, Massachu |
||||||
setts, USA). Multidirectional |
carbon — carbon composites. — In: |
Handbook |
||||
of Composites, vol. 4. Fabrication |
of |
Composites. Ed. by A |
Kelley |
and |
||
S. T. Mileiko. — Amsterdam: North-Holland, 1983 |
p. 109—176. |
|
|
|||
|
© |
1983, |
Elsevier |
Science Publishers В. |
V» |
|
Многонаправленные углерод-углеродные композиты |
227 |
Успехи технологии углеродных волокон в конце 50-х годов явились основой для получения действительно конструкцион ных графитовых материалов. А в I960 г. две промышленные лаборатории, поддерживаемые Лабораторией материалов ВВС США (AFML), продемонстрировали на базе ВВС РайтПаттерсон (WPAFB) образцы материала нового класса, ко торый позже получил название углерод-углеродный компо зит [46].
На протяжении последующих нескольких лет технология этого класса материалов развивалась медленно. Однако к концу 60-х годов углерод-углеродные композиты стали выде ляться в новый класс конструкционных материалов [49,29]. В 70-е годы углерод-углеродные композиты интенсивно раз рабатывались в ряде лабораторий США и Европы [17,36,37, 38, 39, 40, 1, 3, 4, 50, 41, 7, 34, 11, 8, 32, 20, 22, 52, 31].
Первоначально производились углерод-углеродные ком позиты с двунаправленным2) (2-D) армированием, образо ванным углеродной или графитовой тканью из низкомодуль ного искусственного шелка и матрицей, полученной пироли зом термореактивных смол с большим выходом кокса, таких, как фенольные. Для изготовления полуфабрикатов приме няли обычную технологию армированных пластиков с после дующей термообработкой для превращения полимерной мат рицы в углеродную или графитовую. Прочность в плоскости армирования композитов, полученных по такой технологии, была выше прочности монолитного поликристаллического графита, однако свойства в других направлениях очень низ ки. Тем не менее благодаря улучшенному сопротивлению термическим напряжениям, хорошей трещиностойкости и воз можности изготовления крупных изделий сложной формы разработка армированных тканью 2-D углерод-углеродных ма териалов продолжалась. Большая часть этой работы финан сировалась правительством США [46].
Разработка высокопрочных и высокомодульных графито вых волокон в 60-е годы [46,54] позволила создать угле род-углеродные композиты, обладающие намного более вы сокими прочностью, жесткостью и трещиностойкостью при повышенных температурах, чем другие имеющиеся конструк
ционные материалы. |
Кроме |
того, |
технология этих |
компози- |
|
п Углерод-углеродные |
композиты — это общее название класса мате |
||||
риалов, состоящих из |
углеродных |
(или |
графитовых) волокон |
и углерод |
|
ной (или графитовой) |
матрицы. |
|
|
|
|
2> Прописное D (dimensional) означает «направленный», а цифра ука зывает число направлений. Например, структура, обозначаемая символом 3-D, представляет собой композит с арматурой, уложеной в трех направ лениях.
8*
228 Л Макаллистер, У Лакман
тов позволяла управлять их свойствами. Однако потребова лось несколько лет, чтобы накопить достаточное количество экспериментальных данных и разработать методологию про ектирования, необходимых для полного использования пре имуществ углерод-углеродных композитов как конструкцион ных материалов.
Несмотря на ряд достоинств по сравнению с монолитным поликристаллическим графитом у 2-D углерод-углеродных композитов обнаружился и серьезный недостаток в виде сильной анизотропии. Низкая прочность на сдвиг и попереч ный отрыв неармированных областей между слоями ткани ограничили применимость материала. Недостатки 2-D ком позитов стимулировали исследование различных методов по лучения композитов с многонаправленным армированием, включая применение простеганных войлоков и тканей, ворсо вых тканей, многослойных тканей и тканей с многослойной основой [2] Все указанные попытки не помогли решить про блему низкой межслойной прочности.
К концу 60-х годов были разработаны способы плетения многонаправленных объемных структур в виде блоков, по лых цилиндров и усеченных конусов для армирования ком позитов с полимерной и углеродной матрицами [2,27]. С тех пор технологические методы создания многонаправленного армирования были доведены до уровня, позволяющего управ лять свойствами композитов в различных направлениях пу тем подбора и распределения в объеме армирующих элемен тов так, чтобы удовлетворить требованиям расчета.
В данной работе обсуждаются виды многонаправленных схем армирования и процессы уплотнения, используемые в производстве углерод-углеродных композитов. Основными ис точниками информации явились работы, опубликованные в открытой печати. Особо полезными оказались обзорные статьи по общим вопросам [46, 50], глава из книги [56], по священная обзору схем армирования, методов изготовления и свойств многонаправленных углерод-углеродных компози тов. При обсуждении многонаправленных схем за основу была также взята статья [31]2
2. Многонаправленные волоконные каркасы
2.1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Многонаправленные углерод-углеродные композиты дают возможность реализовать заданные свойства материала в разных направлениях готового изделия. Термическими, меха ническими и физическими свойствами композита можно
Многонаправленные углерод-углеродные композиты |
229 |
управлять путем соответствующего расчета таких парамет ров армирующего каркаса, как ориентация волокон, объем ное содержание волокон в требуемых направлениях, шаг во локон, плотность каркаса, тип нити и вид волокон [13] Вы бор матрицы и способа изготовления композита также ока зывают сильное влияние на свойства конечного изделия.
В этом разделе работы будут рассмотрены различные схе мы армирования углерод-углеродных композитов, в том чис ле проектирование армирующих каркасов и методы их изго товления.
2.2. ВЫБОР ВОЛОКОН
Выбор волокна зависит от параметров окружающей сре ды, характерной для области применения композита, и воз можности получения волокон в виде, пригодном для произ водства заданной пространственной схемы армирования. Наи более распространенным видом арматуры является нить из непрерывных витых волокон, удерживаемых вместе круткой, каким-либо покрытием или обоими способами сразу.
Для облегчения процесса плетения нитей требуется не большое количество связующего или аппретов. Покрытие ни тей часто необходимо также для обеспечения совместимости волокон с матрицей при пропитке. Оптимальным является покрытие, которое одновременно выполняет обе указанные функции.
Многонаправленные каркасы в настоящее время могут быть изготовлены из различных углеродных волокон, исполь зуемых в виде нитей. Для обеспечения конструкционных свойств применяют высокопрочные высокомодульные волок на. Низкомодульные волокна применяют в случае, когда бо лее важной является меньшая теплопроводность.
В табл. 1 представлены характерные свойства основных типов графитовых нитей, используемых в производстве мно гонаправленных композитов. Эти нити обычно содержат от 103 до 104 моноволокон в пряди. Размеры пучка нитей опре деляют плотность упаковки армирующего каркаса. В зави симости от требований к структуре нити, образующие арми рующий каркас, могут быть составлены сложением или крут
кой из |
одинаковых |
или различных типов волокон. Пример |
||
жгута, |
сложенного |
из разных |
нитей-волокон, показан |
на |
рис. 1. |
|
приведенных |
в табл. 1, показывает, |
что |
Анализ данных, |
||||
в зависимости от выбранного типа волокон или их сочета ния свойства углерод-углеродных композитов можно менять в широких пределах. Волокна с наиболее высоким модулем
230 |
Л . Макаллистер, У. Лакман |
упругости обеспечивают самую высокую теплопроводность» плотность, содержание углерода и наиболее низкое термиче ское расширение композита. Такое сочетание свойств обу словлено высокой температурой при изготовлении высокомо дульных волокон, приводящей к высокой степени графитизацйи и ориентации кристаллов вдоль оси волокна.
Таблица 1. Характерные свойства промышленных графитовых нитей
|
|
|
|
|
|
|
|
Исходный материал н тип волокон |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Вискоза |
Полиакрилонитрил |
|
||
Свойства |
|
|
|
с низкой |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
проч |
высоко |
высоко |
высоко- |
Пек |
|
|
|
|
|
|
|
|
ностью |
прочные, |
прочные |
модуль |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и жест |
жесткие |
|
ные |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
костью |
|
|
|
|
Прочность |
при |
растяже- |
|
0,62 |
2,2 |
3,1 |
2,4 |
2,1 |
||||
нни, ГПа |
|
|
при рас- |
|
41 |
393 |
230 |
390 |
380 |
|||
Модуль упругости |
|
|||||||||||
тяжении, ГПа |
|
|
|
|
1,53 |
1,66 |
1,73 |
1,81 |
2,0 |
|||
Плотность, 10-3 кг/м3 |
|
|
|
|||||||||
Диаметр волокон, мкм |
|
|
8,5 |
6,5 |
7 |
6,5 |
10 |
|||||
Удлинение |
при |
разрыве, % |
|
1,5 |
0,6 |
1,3 |
0,6 |
0,5 |
||||
Упругое восстановление, % |
|
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
||||||
Содержание |
углерода, |
% |
|
98,8 |
99,9 |
92 |
99 |
99 |
||||
Площадь |
|
|
поверхности, |
|
< 4 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|||
м8/г |
|
|
|
Вт/м-К |
|
38 |
122 |
2,1 |
70 |
100 |
||
Теплопроводность, |
|
|||||||||||
Электрическое |
|
сопротивле- |
|
2 |
— |
18 |
9,5 |
7,5 |
||||
ние, мкОм м |
|
|
|
|
— |
— |
- 0 ,5 |
- 0 ,7 |
—0,9 |
|||
Коэффициент |
термического |
|
||||||||||
расширения при |
21 °С |
|
|
|
|
|
|
|||||
вдоль волокон, 10-6/К |
|
— |
— |
950 |
925 |
925 |
||||||
Теплоемкость |
|
при |
21 °С, |
|
||||||||
Дж/кг К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д а н н ы е |
з а и м с т в о в а н ы |
и з |
U n io n |
C a r b i d e |
С о г р . T e c h n ic a l I n f o r m a t io n B u ll e ti n s 465-223, |
|||||||
465-235. 465-204A H , |
465 -203bb. |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Свойства |
волокон |
на |
разных этапах |
производства |
угле- |
|||||||
род-углеродных композитов обычно меняются. В частности, температура обработки может повлиять на свойства некото рых типов волокон, особенно углеродных, которые до этого не подвергались нагреву до температуры графитизации. Взаимодействие волокон с матрицей также влияет на свой ства композита. Некоторые из этих эффектов будут рассмот рены в разд. 4.1.
Подводя итог, следует сказать, что волокна для многона правленных углерод-углеродных композитов следует выби рать с учетом множества факторов, включая стоимость, тип плетения, свойства и их стабильность при термообработке.