Механика препрегов - расчет изделий из армированных композиционных материалов. В 2 ч. Ч

из-за нарушения связи по границе раздела волокно-смола. Условия сплошности описываются системой неравенств [97]

Из-за существенного различия свойств компоненты стеклопла­ стика разрушаются не одновременно. Поэтому при формулирова­ нии условий герметичности необходимо зшитывать, какой из ком­ понентов (или контактный слой) разрушается первым. В компози­ тах даже при простых видах нагружения связующее находится в плоском (или объемном) напряженном состоянии, и для оценки его прочности и, следовательно, сплошности совершенно необходимо применение тех гипотез прочности, которые учитывают реальное напряженное состояние.

Как известно, упруго-прочностные свойства композиционных материалов определяются не только упруго-прочностными свой­ ствами их элементов, но и границами раздела волокно-матрица, ко­ торые существенно влияют на равнозагруженность и одновремен­ ность работы всех волокон. Однако влияние границ раздела, в частности, степени развитости поверхности раздела, т.е. диаметра армирующих элементов, на прочность композита в достаточной ме­ ре изучено лишь при испытаниях материала в условиях растяжения [95, 96]; прочность композита при растяжении зависит от диаметра волокна только в том случае, когда поверхность волокна поврежде­ на. При этом изменение прочности прямо пропорционально степе­ ни повреждения поверхности арматуры, и, следовательно, проч­ ность падает с ростом диаметра (из-за масштабного эффекта).

При работе композита на сжатие разрушение материала начина­ ется с потери устойчивости армирующих элементов [98-101]. По­ этому их жесткость должна оказывать значительное влияние на прочность композита при сжатии. Известно, что жесткость волокон является степенной функцией их диаметра. Естественно поэтому предположить, что прочность при сжатии существенным образом зависит от диаметра. Действительно, имеет место следующее урав­ нение регрессии [100]

51

^ сж =115 + 11,5й? + 46^^Е, +7,75х^^,,

т.е. прочность композита линейно связана с диаметром. Здесь

и- модули упругости арматуры и связующего; <7 - диаметр

волокна.

Это было подтверждено результатами исследования устойчиво­ сти модели стеклопластика, в которой нагрузка непосредственно гфикладывается лишь к среднему элементу, а крайние вовлекаются в работу через связующее. Была получена линейная связь между ^сж и ^ [102].

Исследований влияния диаметра на сдвиговую прочность компо­ зита т очень мало, несмотря на актуальность этой проблемы. По­ этому интересно хотя бы в первом приближении оценить связь между <7 и т . Пусть удельная поверхность раздела характеризу­ ется некоторой величиной а = П / 5, где 77периметр всех границ раздела волокно-матрица [102-104]. Если п - число волокон, а Е - относительное содержание арматуры, то

П = %с1п 8 =

АЕ

ис учетом написанных выше соотношении

а= АР / (I.

Очевидно, что с увеличением поверхности раздела, которая ха­ рактеризуется «плотностью границ» а , вероятность появления де­ фектов возрастает, и, следовательно, можно ожидать понижения сдвиговой прочности композита. Это предположение было экспе­ риментально подтверждено при испытаниях кольцевых однона­ правленных сегментов на межслоевой сдвиг.

Если гексанальная и квадратная укладки волокон в матрице рав­ новероятны, то

0,846

{1+ыа)^ ’

где 8 - минимальное расстояние между волокнами.

52

соотношений а » 3,364(й? + 25) ^, т.е. в первом приближении можно

считать, что величина а обратно пропорциональна с1 .

1.9. Упругие прочностные свойства ориентированных стеклопластиков

В отличие от металлов стеклопластики не обладают пределом текучести. Прочность стеклопластиков более существенно, чем металлов, зависит от многих факторов, характеризующих процесс его испытаний (форма и размеры образца, метод его получения, скорость нагружения, температура, время выдержки под нагрузкой, число нагружений и их уровень, схемы и режимы нагружения, наличие предварительного испытательного нагружения, внешняя среда и др.). Следовательно, при испытании различных образцов одного и того же стеклопластика на различных машинах и образцах могут получиться несопоставимые результаты.

Важнейшими из перечисленных факторов являются температура и скорость нагружения. В зависимости от их значений материал может испытывать упругие, высокоэластические или необратимые пластические деформации. При очень быстрых (мгновенных) нагрузках проявляется чистая упругая деформация, а при очень медленных - пластическая. Поэтому прочность стеклопластика, т.е. способность сопротивляться разрушению или необратимому де­ формированию, можно понимать как сопротивление хрупкому раз­ рыву или пластической деформации.

Широкая область упругого деформирования композиционных материалов обусловливает и специфику процесса их разрушения, которое происходит как бы внезапно, в то время как металл, прежде чем разрушиться, пластически деформируется. Связано это в ос­ новном с гетерогенностью структуры композиционных материалов, специфичностью поведения под нагрузкой стекловолокна и поли­ мерного связующего, а также с наличием неизбежных макро дефек­

53

тов структуры в виде пор, трещин, газовых и инородных включе­ ний, и самой границы раздела волокно - связующее. Кроме этих концентраторов напряжений в материале существует определенный уровень остаточных напряжений, возникших главным образом вследствие усадки связующего при отверждении.

Структура стеклопластиков определяется в основном видом, со­ отношением размеров армирующих элементов и расположением их в полимерной матрице. Механические характеристики стеклопла­ стиков, в свою очередь, определяются главным образом арматурой, поэтому влияние структуры композита на его упруго-прочностные свойства не вызывает сомнения. Однако исследования показывают, что структура оказывает определенное влияние также на теплофи­ зические, светотехнические, радиотехнические, электротехнические и другие свойства композитных материалов. Это относится прежде всего к ориентированным стеклопластикам, свойства которых мож­ но широко варьировать изменением структуры за счет изменения как типа армирующего материала, так и схемы его ориентации.

Как уже упоминалось, в зависимости от расположения армиру­ ющих элементов можно выделить три основные группы материа­ лов: одно-, двух- и трехмерноармированные; их называют также однонаправленными, слоистыми и пространственно-сшитыми

[105, 106].

Если в качестве армирующего материала используются волок­ на, уложенные параллельно друг другу, то композит имеет одно­ направленную структ}фу и является транверсально-изотропным материалом в плоскостях, перпендикулярных направлению арми­ рования. При пол}Т1ении стеклопластика слоистой структ}фы в качестве армирующего материала используют ровинги, нетканые армирующие материалы, а также ткани различного переплетения. Слоистые композиты могут быть ортогонально армированы с раз­ личным соотношением продольных и поперечных слоев арматуры, т.е. ортотропными в осях, совпадающих с направлениями армиро­ вания. Волокна могут быть уложены и под другими произволь­ ными углами. В зависимости от числа направлений армирования в слое материал называют двух-, трех- и л - направленным. При достаточно большом и имеем материал с так называемым веерным армированием. Материалы третьей группы, пространственно­

54

сшитые, ползшают на основе многослойных или так называемых объемных тканей. Такие композиты называют трехмерноармированными етруктурами [107, 108].

Таким образом, вее ориентированные етеклопластики однона­ правленные, елоиетые и трехмерно-армированные имеют регуляр­ ную етруктуру, а, еледовательно, обладают четко выраженной ани­ зотропией упругих и прочноетных евойетв.

Из раеемотренных уеловий еплошноети наиболее полно учиты­ вают взаимоевязь евойетв иеходных компонентов уравнения (1.1). Для ползшения выеокопрочного композита обязательно выполнение веех уеловий еплошноети, между тем как выбор армирующих мате­ риалов, евязующих и аппретирующих еиетем довольно ограничен и не веегда позволяет в полной мере выполнить вее эти уеловия.В евязи е этим оеобую важноеть приобретает оценка одновременного влияния веех еущеетвенных переменных факторов на прочноеть етеклоплаетиков при различных видах нагружения. Это позволяет выделить главные параметры иеходных компонентов, вносящие наибольший вклад в формирование выеокопрочной етруктзфы.

Изучение влияния веех факторов на прочность стеклопластиковзадача исключительно сложная. Поэтому, исходя из современных представлений о механизме разрушения, можно предположить, что основными параметрами, влияющими на прочноеть композита, яв­ ляются прочность и жесткость (модуль упругости и диаметр) арма­ туры, модуль упругости связующего и его деформативность, проч­ ность связующего при растяжении и сдвиге, а также адгезионная прочность системы.

Для надежного прогнозирования прочности композита необхо­ димо оценивать степень приближения параметров связующего к условиям сплошности (1.1). Прочность и сплошность взаимосвяза­ ны. Если нарушаются условия сплошности, то наступает разруше­ ние материала и наоборот. Вопрос прогнозирования прочности ма­ териалов не является новым. Довольно широко применяется метод прогнозирования прочности композита на основе закона смеси. Однако в этом случае свойства связующего, а также явления на гра­ нице раздела не учитываются, и прочность армированной системы рассчитывается, исходя из прочности арматуры.

55

Если материал изотропен в плоскости х у , то он может быть оха­

рактеризован пятью независимыми постоянными упругости: ,

. Остальные постоянные упругости определяются

равенствами

р

Е =Е ■ Ст = Ст ■ Ст =-

На примере стеклопластиков типа СВАМ можно наблюдать за­ висимость упругих характеристик композита от его структуры, определяемой количеством арматуры, уложенной в каждом направ­ лении. Это позволяет за счет изменения вида армирующего мате­ риала и схемы его ориентации регулировать анизотропию упругих свойств стеклопластика.

При сравнении стеклопластиков на основе тканей Т-11 заметно влияние типа полимера на значения констант упругости, особенно модулей сдвига.

Экспериментальное определение упругих свойств весьма трудо­ емко, поэтому данные об анизотропии механических свойств стек­ лопластиков имеются лишь для ограниченного круга материалов. В первую очередь нужно отметить работы Е.К. Ашкенази [105, 109, ПО], в которых информация об анизотропии упругих свойств мате­ риалов представлена в виде пространственных диаграмм или по­ верхностей, что позволяет определить константы упругости при заданном направлении усилия не только в плоскости ху, но и в

плоскости Х7.

Содержание наполнителя также является важнейшим фактором, влияющим на прочность и модуль упругости композита. Исходя из того, что основную нагрузку несет арматура, а ее упругопрочностные характеристики почти на полтора порядка выше, чем у матрицы, можно было бы предположить, что увеличение содержания наполни­ теля вплоть до теоретического предела (90 % объемных) будет при­

57

водить к росту прочности и жесткости стеклопластика. Однако это не всегда наблюдается на практике. Существует определенное опти­ мальное содержание, которое зависит от используемых компонентов, вида деформации, профиля поперечного сечения арматуры, условий эксплуатации и т.д. Армирующему материалу каждого типа соот­ ветствует его оптимальное содержание, обеспечивающее макси­ мальную прочность композита [111]. Это объясняется тем, что для получения стеклопластика с высоким содержанием арматуры тре­ буется применение больших давлений. Однако чрезмерно высокое давление разрушает наполнитель и ослабляет материал.

А.К. Буровым и Г.Д. Андреевской было установлено [112, 113], что в стеклопластике типа СВАМ оптимальное объемное содержа­ ние волокон составляет 65 %; при увеличении содержания волокон прочность и модуль упругости падают, очевидно, вследствие недо­ статка связующего для образования сплошной полимерной пленки между волокнами. Такой же вывод был сделан для стеклопласти­ ков на эпоксидном связующем [114].

В ряде работ [115-117] отмечалось, что максимально достижи­ мое содержание волокон для однонаправленного стеклопластика составляет 75 % (объема). Между тем на примере стеклопластика однонаправленной структуры с диаметром волокна 9-11 мкм было показано [118], что с увеличением содержания волокна упруго­ прочностные характеристики композита при растяжении непрерыв­ но растут и какого-либо максимума, после которого прочность начала бы падать, не наблюдается. При этом было достигнуто со­ держание наполнителя, близкое к теоретическому пределу. В ис­ следованном диапазоне прочность и модуль упругости стеклопла­ стика при растяжении подчинялись закону смеси [119]

58

1.11.Свойства конструкционных материалов

вусловиях эксплуатации

Для успешного применения стеклопластиков в различных кон­ струкциях необходимо знать предельные значения физико­ механических характеристик с учетом разброса этих значений и возможные изменения этих характеристик при воздействии эксплу­ атационных факторов.

Предельные (стандартные) значения наиболее важных характе­ ристик стеклопластиков приводятся в ГОСТ и ТУ на эти материалы или могут быть определены путем стандартных испытаний. Влия­ ние эксплуатационных факторов можно учесть путем умножения предельного значения характеристики X на коэффициенты усло­ вий работы материала =Х^ I X , где Х^ - значение выбранной

характеристики после воздействия эксплуатационного фактора.

В общем случае коэффициент условий работы должен }Ч1итывать понижение или повышение предельного значения характеристики в условиях воздействия низких или высоких температур, силового, вибрационного и акустического полей, обл}Ч1ения, вакуума, агрес­ сивных сред и других эксплуатационных факторов в определенном временном интервале [120, 121]

ствии нескольких факторов может заметно изменяться по сравне­ нию с раздельным действием этих факторов. Для оценки одно­ временного влияния нескольких факторов необходим специаль­ ный подход к планированию эксперимента и обработке его результатов [122].

Агрессивные среды в зависимости от процессов, протекающих в материале, можно разделить на физически и химически агрессив­ ные. Первые вызывают обратимые изменения в материале, не со­ провождающиеся разрушением химических связей. Химически агрессивные среды в отличие от физически агрессивных вызывают необратимые изменения химической структуры полимера. Специ­

59

фическое влияние оказывают поверхностно-активные среды, пони­ жающие поверхностную энергию твердого тела, что способствует появлению разнообразных дефектов при меньших внешних усилиях [123]. Воздействие физически агрессивных сред часто сопровожда­ ется необратимыми процессами, например, вымыванием низкомо­ лекулярных продуктов.

Процесс переноса среды в полимере осуществляется как по ме­ ханизму активированной диффузии, обусловленному тепловым движением сегментов макромолекул и градиентом концентрации, так и по механизму субмикрокапиллярного потока, обусловленного наличием в стеклопластике пор, трещин и других факторов.

В результате диффузии среды в полимер происходит его пла­ стификация, вымывание примесей, непрореагировавших при от­ верждении мономеров и продуктов распада, а также деструкция или структурирование. При этом среда проникает также на границы раздела стекло-связующее, вызывая ослабление адгезионных свя­ зей и отделение волокна от связующего. В дальнейшем может про­ исходить также коррозия стеклянного волокна с образованием ще­ лочных продуктов, вызывающих омыление связующего.

Среда, проникшая через поры и другие микродефекты, число ко­ торых обычно возрастает с увеличением содержания волокон, прежде всего вызывает ослабление связи между стеклом и связую­ щим, отделение волокна от связующего и рост трещин.

1.12. Адгезионныесвойства композитов

Важнейшее место при создании конструкционных композитов за­ нимают вопросы адгезии. Адгезией называют прилипание или связь между приведенными в контакт разнородными поверхностями. В стеклопластиках поверхность волокнистой арматуры очень развита, и поэтому, чем прочнее сцепление между стеклянными волокнами и по­ лимерным связующим, тем выше прочность композиционного мате­ риала. Существует достаточно много теорий, так или иначе объясня­ ющих природу адгезии. Остановимся на основных из них [124-128].

В некоторых случаях существенную роль играет механическая ад­ гезия [128]. Согласно этой концепции, адгезия осуществляется в ре­ зультате затекания адгезива в поры и трещины поверхности субстрата

60