Ю.Н. Работнов - Механика деформируемого твердого тела (1119118), страница 137
Текст из файла (страница 137)
На этих кристаллах была достигнута теоретическая прочность, что имело огромное принципиальное значение. Надежды на возможность 44* 664 ГЛ. 00. МЕХАНИКА КОМПОЗИТОВ практической реализации теоретической прочности в конструкциях в общем не оправдались, нитевидные кристаллы слишком малы, диаметр их составляет несколько микрон, а длина 1— 2 миллиметра. Наконец обычное стекло в виде тонких нитей диаметром несколько микрон, как оказалось, имеет прочность, равную илп превышающую прочность высокопрочных легированных сталей.
Из такого тонкого волокна можно делать нити, изготовлять стеклоткань. С увеличением диаметра прочность волокна резко падает, прочность же массивных изделий из стекла в сильнейшей степени зависит от состояния поверхности п полностью теряется при появлении мельчайших дефектов. Использование высокопрочных волокон и нитей для несущих элементов конструкций возможно только путем соединения их в монолитное целое некоторым связующим или погружением пх в однородную матрицу.
Такой матрицей может служить металл, полимерная смола или что-либо иное. Таким образом, получаются композиты волокнистого строения. В этой главе мы ограничим наше рассмотрение композитами волокнистого строения, армированными прочным волокном. Первым примером такого рода композитов, получивших достаточно широкое практическое применение, служат стеклопластики (мы не говорим адесь об известных с глубокой древности саманных постройках, т. е. о коьшозитах глина — солома, механические свойства которых совсем не плохи) .
Перемешивая полимерную массу с мелко изрубленным стеклянным волокном, мы получаем первый пример композита с хаотическим армированием. Прочность такой пластмассы выше, чем прочность неармированного материала, однако потенциальная прочность стеклянного волокна используется при этом далеко не полностью, разрушение всегда происходит по матрице, стеклянные волокна не разрываются, а выдергиваются из пластмассы. Следует заметить, что изделия из хаотически армированных пластиков, например полиэтилена, изготовляются обычными способами — путем формования, выдавливания, литья.
Поэтому стандартное технологическое оборудование оказывается пригодным для получения таких изделий. Стеклотекстолиты получаются из стеклянной ткани, которая пропитывается полимерной смолой — эпоксидной, полиэфирной нли какой-либо иной. Куски этой ткани укладываются в форму, смола полимернзуется тем или иным способом. Таким образом, можно получить очень просто сложные изделия типа тонкостенных оболочек; для изготовления деталей кузова автомобиля, например, нет необходимости в дорогостоящих сложных штампах и мощном прессовом оборудовании, пропитанная смолой стекло- ткань может выкладываться на деревянную или гипсовую форму.
Разрушение стеклотекстолитов начинается с того, что хрупкая матрица трескается в местах перегиба нитей, образующих З ЗОЛ. КОМПОЗИТЫ ВОЛОКНИСТОГО СТРОКНИЯ стеклоткань. Поэтому прочность стеклянных волокон используется далеко не в полной мере. При изготовлении осеснмметричных оболочек из стеклопластиков наилучшие результаты получаются при намотке иэделия под натяжением. Стеклянные нити из нескольких катушек собираются в ленту, которая проходит через ванну со смолой и наматывается на оправку на специальном станке.
При изготовлении цилиндрической, например, оболочки соли стекловолокна могут укладываться в продольном и окружном направлении, а могут наматываться под разными углами к образующим цилиндра. Меняя порядок укладки армирующих слоев, можно изготовить оптимальное в известном смысле изделие, например, обеспечить его равнопрочность в продольном и поперечном направлении.
Мы не приводим здесь цифр, характеризующих прочность и жесткость стеклянного волокна, эти величины колеблются в довольно широких пределах; зная их, можно вынести лишь весьма относительное суждение о прочности или жесткости композпта. Приведем некоторые сравнительные данные для хороших стеклопластиков, армированных в одном направлении хорошо ориентированным волокном: прочность при растяжении 100 кгс/мм', модуль упругости Е = 4,2 10' кгс/мм'. При плотности около 2 г/см' удельная прочность, т. е. прочность на единицу массы у стеклопластика оказывается примерно в четыре раза выше, чем у стали, и в полтора раза выше, чем у титанового сплава. Однако низкое значение модуля упругости до чрезвычайности ограничивает возможность использования стеклопластиков в конструкциях, особенно тогда, когда они комбинируются с металлами.
Конструкции из стеклопластиков имеют недостаточную жесткость, использование всего ресурса прочности их часто оказывается невозможным вследствие недопустимобольшихперемещений. Тонкостенные конструкции разрушаются обычно вследствие потери устойчивости, а критические нагрузки определяются не прочностью, а модулем упругости. Если соединить титановый элемент с элементом из стеклопластика, например, усилить полку титановой балки элементом из стеклопластика, получится следующее. Модуль упругости титана равен 11 ° 10' кгс/мм', т.е.
в 2,6 раза больше, чем у стеклопластика. Поэтому при совместной работе напряжения в титане будут в 2,6 раза больше. Передел прочности титана и стеклопластика почти одинаков, в результате окажется, что когда напряжения в титановом сплаве равны 100 кгс/мм', в стеклопластиковой накладке они составляют всего 37 кгс/мм', т. е. усиление титановой балки накладкой из стеклопластика весьма малоэффективно.
Гл. 20, мехАникА композитов 686 $ 20.2. Высокопрочные и высокомодульные волокна 240 350 150 — 300 ?80 Стеклянные Борные Угольные Органические 7,2 40 20 — 45 13 Как будет разъяснено далее, прочность волокна зависит от случайных дефектов, поэтому можно говорить не об абсолютной величине прочности, а о статистическом распределении величин прочности, определяемых в данных условиях на образцах данной длины (обычно 40 мм).
Приводимые в таблице цифры представляют собою среднее значение прочности, длн задания прочности как случайной величины нужно задать по меньшей мере величину дисперсии, а лучше — истинную кривую распределения прочности. На образце малой длины вероятность встретить опасный дефект меньше, поэтому следует ожидать, что средняя прочность увеличивается с уменьшением длины образца. Такого рода масштабный эффект действительно довольно сильно выражен у волокнистых материалов. В других главах этой книги мы не касались свойств отдельных материалов и тем более не аатрагивали вопросов, связанных с физической или структурной природой прочности.
Конструктор выбирает материалы из имеющегося ассортимента, расчетчик, применяющий методы теории упругости или теории пластичности к оценке прочности, использует лишь весьма скупую В сравнительно недавнее время были разработаны и промышленно освоены новые непрерывные волокна, обладающие примерно той же или более высокой прочностью, чем стеклянные волокна, и имеющие существенно более высокий модуль упругости. В нижеследующей таблице приводятся данные о прочности и модуле упругости наиболее распространенных и промышленно освоенных видов волокон.
Приводимые адесь цифры носят сугубо ориентировочный характер. На мировом рынке имеется множество видов волокон с чрезвычайно разнообразными механическими характеристиками и не всегда бывает возможно отличить рекламные данные от фактических. Если значения модуля более или менее устойчивы, то цифры прочности весьма условны, они характеризуют относительные преимущества того или иного вида волокна, но не фактическую реализацию прочности в композите. В таблице приведены некоторые характерные значения этих величин.
з 20.2. Высокопгочные и Высокомодульные ВОлОкнА 087 информацию о свойствах применяемого материала, заимствуя ее из справочников или, редко, из результатов лабораторных испытаний. Строгое распределение функций конструктора и материаловеда накладывает определенный отпечаток на традиционный образ мышления инженера, работающего с металлами. Особенность композитов заключается в том, что материал создается в процессе изготовления конструкции. Располагая различным образом волокна, меняя их плотность, т.
е. процентное содержание в матрице, можно в принципе получить элементы, обеспечивающие необходимую прочность прн наименьшей затрате материала, т. е. оптимизировать конструкцию. Однако реализация оптимального проекта встречает подчас технические трудности, которые могут оказаться непреодолимыми. В результате находится некоторое промежуточное, компромиссное решение. Именно поэтому в настоящей главе, посвященной механике новых материалов, изложению собственно механических представлений будут предпосланы краткие сведения об армирующих волокнах и матрицах.
а. Боркые волокна получаются в результате осаждения бора из газовой фазы на раскаленную вольфрамовую проволоку. Дна. метр проволоки около 10 мкм, диаметр борного волокна бывает обычно 100 †1 мкм. Высокая стоимость вольфрамовой проволоки определяет в значительной мере дороговизну борного волокна, поэтому существует тенденция к увеличению диаметра. Однако более толстое и более жесткое волокно становится малопригодным, например, для намотки.
Кристаллические зерна бора растут на поверхности вольфрамовой нити, образуя поликристаллическую структуру с радиальной ориентацией. Дефекты поверхности нити порождают неправильности кристаллической структуры п создают дефекты волокна, снижающие его прочность. Отсюда — высокие требования к чистоте поверхности вольфрамовой нити. Возможность замены вольфрама нитями из стеклоуглерода обсуждалась в литературе, некоторый практический опыт в этом направлении имеется, однако после нескольких лет работы и большой рекламы (фирма АВКО в США) борного волокна на угольной подложке на рынке практически нет. После получения волокна вольфрамовая подложка практически исчезает, превращаясь в бориды вольфрама, таким образом, центтральная часть волокна обладает очень малой прочностью. Упругие свойства волокна аннзотропны, но какие-либо прямые данные о характере этой анизотропии и о величине упругих постоянных отсутствуют, известны только модуль упругости при растяжении вдоль оси волокна и модуль сдвига, определяемый методом крутильных колебаний.
Последняя величина является комплексной, т. е. представляет собою некоторую комбинацию основных упругих констант. 688 ГЛ. 20. МЕХАНИКА КОМПОЗИТОВ Прочность борного волокна в поперечном направлении, повидимому, невелика. Об этом можно судить потому, что на микрофотографиях шлнфов разорванных компознтов обнаруживаются продольные трещины. б. Углеродное волокно получается обычно в результате карбонизации полиакрилнитрнльного волокна. Процесс изготовления этого волокна довольно сложен и содержит несколько стадий: окисление при умеренной температуре, карбонизация и высоко- температурная обработка. Как известно, решетка углерода представляет собою плоскую гексагональную решетку с минимальным расстоянием между атомамн 1,42 А.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
