Материал: Основы создания полимерных композитов

где S - минимальное расстояние между волокнами.

Поскольку в реальных конструкционных стеклопластиках

S/d « 1 , то (l + S/d)2 » \ + 2 S /d , и с учетом приведенных выше соот­

ношений а «3364(<tf + 2£)_1, т.е. в первом приближении можно счи­

тать, что величина а обратно пропорциональна d.

Следовательно, напряжение г увеличивается с ростом диаметра. Этот же вывод можно сделать исходя из существования линейной регрессивной связи между прочностью однонаправленных стекло­ пластиков при межслоевом сдвиге и сжатии; а последняя, как указы­ валось выше, прямо пропорциональна диаметру волокна.

Для однонаправленного стеклопластика теоретическая верхняя граница содержания стекла составляет примерно 90 об. % [12], однако в реальных материалах этот предел не достигается [52, 53], очевидно, вследствие недостатка связующего для образования сплошной плен­ ки между волокнами. Вместе с тем микроструктурный анализ одно­ направленных стеклопластиков с достаточно регулярной структурой показывает, что толщина полимерной прослойки пренебрежимо мала по сравнению с диаметром волокна. Следовательно, значительная часть связующего не выполняет свою основную функцию - вовлече­ ние в работу композита непосредственно элементов - и поэтому явля­ ется балластом.

В работах [49, 50] было показано, что наиболее эффективно за­ полнить эти промежутки можно, применяя разнокалиберные волокна радиусов R и 0,42 R, что обеспечивает достаточно плотную, компакт­ ную и практически осуществимую структуру армирования. При этом абсолютное значение содержания арматуры повышается на 6 - 7 об. %.

Далее необходимо упомянуть о весьма перспективных в настоя­ щее время наполнителях в виде полых стеклянных микросфер, кото­ рые в сочетании с синтетическими смолами образуют синтактические композиционные материалы, или "синтактовые пены" Синтактики отличаются прежде всего высокими удельными прочностными свой­ ствами при сжатии, водостойкостью и возможностью широкого варь­ ирования свойств за счет применения разнообразных связующих и наполнителей. Эти композиты создаются на основе эпоксидных, по­ лиэфирных и других связующих с использованием полимерных, стек­ лянных или углеродных микросфер [43, 54 - 59, 60 - 63].

Очень перспективным направлением для повышения удельной жесткости стеклопластиковых композитов является использование волокон с измененной геометрией поперечного сечения - волокон капиллярной структуры. Например, стеклопластики на основе по­ лого волокна с коэффициентом капиллярности (отношение внутрен­ него диаметра к наружному) К = 0,6 имеют жесткость в 1,8 - 1,9 раз выше, чем стеклопластик равной массы, армированный сплошным волокном [56 - 58]. Использование стеклянных полых волокон от­

Н 6

крывает широкие перспективы в создании стеклопластиков с высо­ кой удельной прочностью и жесткостью при сжатии и изгибе [24]. Однако при этом нельзя, естественно, забывать о некоторых недос­ татках этих волокон. Их геометрические размеры и коэффициент ка­ пиллярности имеют значительный разброс, волокна хрупки, что яв­ ляется причиной их пониженной прочности при сжатии в поперечном направлении.

2.8.2. Оптимальная схема ориентации армированных волокон

Одной из основных задач, возникающих при создании конструк­ ций из армированных пластиков, является определение оптимальной для данного случая напряженного состояния схемы армирования. Это тем более важно, что изготовление конструкции происходит од­ новременно с созданием собственно композита, а современные тех­ нологические приемы формирования армированных пластиков по­ зволяют получать материал с самой разнообразной схемой армирова­ ния.

При создании элементов конструкций, работающих в условиях растяжения, среди исследователей наблюдается относительное един­ ство взглядов на выбор схемы армирования композита [64 - 69]. Од­ нако при проектирования и изготовлении изделий, работающих в условиях сжатия, такого единства нет. Это можно объяснить тем, что поведение армированных пластиков при растяжении достаточно хо­ рошо изучено, в то время как поведение композитов при сжатии ме­ нее исследовано [70 - 78].

Рис. 5. Элементсферическойоболочки:

а) тангенциальное армирование; б) радиальное армирование

В работах [79 - 83] был предложен принцип радиального арми­ рования, состоящий в том, что все волокна в композите ориентиро­ ваны по радиусу оболочки. Исследуем напряженно-деформированное состояние стеклопластиковой сферической оболочки, нагруженной равномерно распределенным внешним давлением. Рассмотрим два

147

типа оболочек - традиционную намоточную и радиально армиро­ ванную. От действия внешнего давления Р в композитном материале стенки оболочки возникают окружные сжимающие напряжения <токр (рис. 5). Выделим из оболочки некоторый малый элемент и заменим действие отброшенных частей напряжениями. Элемент радиально армированной оболочки представляет собой однонаправленный композит (рис. 5,а). Элемент намоточной сферической оболочки - ортогонально армированный стеклопластик с соотношением слоев 1:1 (рис. 5,6). В силу симметрии сферической оболочки возникающие окружные напряжения равны между собой. Двухосное сжатие приз­ матических стеклопластиковых образцов достаточно полно воспро­ изводит схему нагружения композитного материала оболочек, на­ груженных внешним давлением.

Поведение однонаправленных стеклопластиков при двухосном сжатии в трансверсальной плоскости (радиально армированная мо­ дель) практически не изучалось, хотя в немногочисленных публика­ циях отмечается необычно высокая прочность композита при данной схеме нагружения [79 - 83]. При испытаниях однонаправленных стек­ лопластиков на двухосное сжатие в трансверсальной плоскости с от­ ношением сжимающих усилий по осям сжатия Z и Y <jzj<ja = k = 1

(рис. 5,а) разрушение композита происходило из-за вырывания во­ локон и носило взрывообразный характер. Отчетливо наблюдался очаг разрушения, который обычно находился в центре испытывае­ мого образца, реже - на периферии. В районе этого очага происхо­ дило обугливание композита, особенно стеклопластиков, армиро­ ванных высокопрочными стеклянными волокнами. При этом нередко разрушение сопровождалось вспышкой пламени и выделением дыма. Следовательно, характер разрушения однонаправленных стеклопла­ стиков при двухосном сжатии в трансверсальной плоскости весьма необычен и не имеет известных аналогов.

Рнс. 6. Контуры разрушаемосгн стеклопластиков при двухосном сжатии: Стеклопластик: I - однонаправленный (радиально армированная модель), 2 - ортогонально армированный (намоточная модель)

На рис. 6 в системе координат сг. - ау представлены контуры разрушаемости, построенные по экспериментальным данным испытаний на двухосное сжатие стеклопластиков на основе связующего ЭДТ-10 и стекловолокна ВМ-1. Испытания проводились в специальном уст­ ройстве [84], позволяющем реализовать двухосное сжатие с различ­

Из рис. 6 видно, что при двухосном сжатии однонаправленного стеклопластика в трансверсальной плоскости наблюдается резкий всплеск прочности при отношении сжимающих напряжений, близком к 1. Прочность радиально армированного композита при симметрич­ ном двухосном сжатии более чем в 3 раза превышает прочность на­ моточного стеклопластика.

d

&окр

Рис. 7. Расчетная модель радиально армированного композита

Рассмотрим модель, описывающую поведение элемента компо­ зитного материала стенки радиально армированной стеклопластико­ вой оболочки, загруженной равномерно распределенным внешним давлением Р (рис. 7) [85 - 86]. Полагая равновероятными гексаго­ нальную и октаэдрическую укладки наполнителя в композите, полу­ чим:

F0,846

°(\ + 2h/d)2 ’

где d - диаметр волокна, h - толщина прослойки связующего, Fa - относительное объемное содержание арматуры. Отсюда:

2Л _ /0,846 {

d Fa

От действия внешнего давления на оболочку вся эта система за­ гружена окружными сжимающими напряжениями <т0Кр, в результате

149

чего на связующее действуют контактные напряжения <токр со сторо­

ны волокна.

Рассмотрим, при каких условиях произойдет потеря упругих свойств связующего. Исходя из условий равновесия, найдем значение кольцевого нормального напряжения <xv, возникающего в слое свя­ зующего:

Тогда деформации в связующем (ес) и арматуре (sa) соответст­ венно будут равны:

где Ес, Еа - модули упругости связующего и арматуры соответст­ венно; цс, ца - коэффициент Пуассона связующего и арматуры соот­ ветственно.

Из условий совместности деформаций, используя уравнения (3.51), (3.52) и (3.53), получим:

Определим теперь главные напряжения. Из анализа соотноше­ ний (3.54) и (3.55) нетрудно видеть, что а окр > сгокр и <тк > ~(токр . Сле­

довательно, главные напряжения (тх= а к, <т2 = 0 , сг3 = - о окр.

Условия текучести связующего с использованием энергетической теории прочности можно записать в виде:

150