Композиционные материалы и их использование в качестве конструкционных элементов, страница 12

Математический анализ, включающий такие упрощенные представления, позволяет прогнозировать усредненные свойства материала, и эти прогнозы достаточно хорошо согласуются с наблюдаемыми продольными свойствами однонаправленного композиционного слоя. Прогнозирование свойств в других направлениях приводит к худшим результатам; простые модели приводят, например, к недооценке трансверсальной жесткости композита. На свойства в направлении, перпендикулярном волокнам, начинают действовать такие факторы, как форма поперечного сечения волокон и порядок их упаковки.

За последние два десятилетия про

делана большая работа по усовершенствованию техники для прогнозирования термоупругих свойств перспективных композитов. Наибольшие успехи достигнуты в моделировании однонаправленных слоев; в настояшее время можно адекватно описать термоупругие свойства композита, построенного из таких слоев, во всех направлениях — в длину, ширину и толщину. Разрабатывают также строгие модели, с помощью которых можно прогнозировать поведение композита, армированного «двумерной» тканью и трехмерным плетением.

ЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ свойств композитов, армированных короткими . волокнами типа полиэфирного стеклопластика, исследователям приходится обращаться к более приближенному описанию. По сравнению с композитами, армированными длинными волокнами, их структура менее определенна: ориентация волокон беспорядочна или совершенно случайна и, кроме того, длина армирующих волокон варьируется в материале от одной области к другой. Для успешного прогнозирования термоупругих свойств композитов, армированных короткими волокнами, требуется дополнительная информация о распределениях ориентации и длин волокон. Небольшие изменения в технологии изготовления материала могут сильно повлиять на эти распределения: некоторые условия изготовления могут привести к интенсивному разрыву волокон или созданию потоков в жидкой смоле, ориентирующих волокна в одном или нескольких направлениях. Таким образом, полное теоретическое описание композитов, армированных короткими волокнами, в первую очередь должно ВКЛЮчать влияние условий изготовления на структуру, а затем — влияние структуры на свойства.

По сравнению с прогнозированием термоупругих свойств (таких, как жесткость) прогнозирование предельных свойств композитов в условиях нагрузки на растяжение, сжатие и сдвиг — задача гораздо более сложная. Прочность определяется не средними свойствами компонентов материала, а локализацией дефектов. Области локализации дефектов действуют как слабые звенья цепи и ограничивают предел прочности, независимо от прочности остального материала. В настоящее время в связи с развитием технологии производства композитов и методов контроля дефектов в готовом материале (таких, как ультразвуковая дефектоскопия) обычные дефекты типа локальных расслоений не в такой степени, как раньше, влияют на свойства композита. Однако армирующие волокна различаются по прочности, поэтому точно прогнозировать локализацию и прочность самого слабого армирующего элемента невозможно.

В связи с этим прочность композита необходимо описывать в терминах статистики распределения прочности волокон. При таком описании необходимо учитывать факторы, влияюЩИе на вероятность того, что разрыв слабого волокна распространится на другие волокна и приведет к разрушению всего материала. Одним из таких факторов является эффективность перераспределения нагрузки между волокнами и матрицей. Если матрица продолжает частично перераспределять нагрузку на волокно и после того, как оно разорвалось, нагрузка, переносимая после разрыва на соседние волокна, уменьшается, а с ней снижается и вероятность их разрыва.