Поведение конструкций из композитных материалов

Ж.F. Винсон, Р. Л. Сираковский

ПОВЕДЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ

ИЗ КОМПОЗИТНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Перевод с английского

И.М.ПАНОВОЙ

Под редакцией

В.В.ВАСИЛЬЕВА, Б.С.МИТИНА

Москва ’’Металлургия” 1991

обеспечивается альтернативная энергетическая постановка задачи и отыс­ кание приближенного решения.

Глава по теории усталости написана исходя из общего предположения, что поверхностные слои любых многослойных конструкций подверже­ ны усталостному разрушению при определенном нагружении. Важно от­ метить, что усталость композитов является сложным процессом, резуль­ тат которого трудно предсказать из-за геометрических особенностей слоев композита, приводящих к появлению разных путей нагружения, а также вследствие разнообразия механизмов разрушения. Поэтому материал, представленный в этой главе, должен рассматриваться как общее ру­ ководство к прогнозу разрушения и применяться с учетом более общих феноменологических теорий усталости.

И, наконец, глава по методам образования соединений из композит­ ных материалов дает представление о некоторых особенностях образо­ вания соединений двух основных типов — клеевых и механических. Следует отметить, что сведения, приведенные в данной главе, являются вводными, поскольку обсуждаемые здесь вопросы подвержены постоян­ ному обновлению и усовершенствованию.

Для лучшего усвоения изложенного материала в конце каждой главы приведены задачи и вопросы.

Зная, что ничто не совершенно, авторы с благодарностью примут лю­ бые замечания об ошибках и неточностях, и если таковые возникнут, внесут необходимые поправки.

Наша признательность также выражается многим студентам универ­ ситетов Делавара, Флориды, Государственного университета Огайо, иссле­ довательской лаборатории баллистики и Аргентинским военно-воздуш­ ным силам, которые прямо или косвенно помогали подбору, улучшению и исправлению материала, а также при выборе примеров для задач. Кроме того, благодарность приносится доктору ВДж.Рентону, который исполь­ зовал в своей работе в университете Техас—Арлингтона отдельные разделы книги и внес свои предложения и исправления.

Жак Р. Винсон РобертЛ.Сираковский

Г л а в а 1 .ВВЕДЕНИЕ

1.1. Общие сведения

Использование разных материалов для образования новых материальных сис­ тем с улучшенными свойствами является документально подтвержденным исто­ рическим фактом. Например, еще во времена фараонов древние евреи при изго­ товлении кирпичей использовали резаную солому. Японским самураям было извест­ но использование слоистых металлов при изготовлении мечей, позволявших полу­ чать желаемые свойства материала. Ремесленники древнего и дальнего востока ис­ пользовали композитную технологию для изготовления изделий, которые получа­ ли укладыванием кусочков нарезанной бумаги на основу, придавая изделию требуе­ мую форму и очертания.

Для ознакомления читателя с современными композитными материалами необ­ ходимо вначале определить, что представляет собой этот класс материалов. Кроме того, для дальнейшего описания надо установить уровень или шкалу оценок, под­ ходящую для характеристики композитных систем. При этом следует отметить, что любая классификационная схема или определение являются в какой-то мере условными.

Во введении ко многим работам, посвященным композитам, приводится их общее определение как простой комбинации двух и более материалов, образован­ ной с целью создания нового материала или получения каких-то специфических свойств. В некоторых случаях добавляются слова микроскопический и макроско­ пический с целью описания уровня характеризации материала.

Определение, приведенное выше, имеет очень широкие границы. Оно охваты­ вает большое число материальных систем, имеющих свои специфические особен­ ности и требующих для описания моделей различного уровня применения разнооб­ разного математического аппарата. В качестве примера материала, подпадающего под это определение, укажем титан с покрытием из меди, который используется в

ки зрения объясняется различием в коэффициентах температурного расширения титана и меди. Вместе с тем, этот материал не соответствует общим представлениям о композитах как о материалах, используемых в аэрокосмической, автомобильной и другой технике. В библиографический список, приведенный в конце этой главы, включены книги и периодические издания по общим вопросам, касающимся ком­ позитных материалов.

1.2.ОПРЕДЕЛЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПОЗИТОВ

Всоответствии с существующим на сегодняшний день определением современных композитных материалов, введем следующую структурную классификацию составных элементов композитной системы.

Структурные уровни: I. Основной элементный состав (единичные молекулы, кристаллические ячейки); II. Микроструктурный (кристал­ лы, фазовые включения, компаунды); III. Макроструктурный (матри­ цы, частицы волокна).

Входе дальнейшего изложения преимущество будет отдаваться ана­ лизу материальных систем на макроструктурном уровне (III). В связи

сэтим рассмотрим дальнейшую классификацию основных типов компо­ зитов по макроструктурным признакам.

Типы композитов (рис. 1.1): а - волокнистые (образованные непре­ рывными или дискретными волокнами); б — на основе частиц; в -

Рис. 1.1. Типы композитных материалов

слоистые; г — чешуйчатые; д — наполненные (образованные матрицей заполненной частицами).

В этой классификации наиболее важными с точки зрения применения являются композитные материалыдоставляющими которых на макро­ скопическом уровне являются отдельные волокна. Эти материалы обла­ дают уникальными свойствами — высокой прочностью и жесткостью при малой удельной массе. Это материалы, с которыми мы в основном,

Рис. 1.2. Периодическая таблица элементов

имеем дело. Для дальнейшего знакомства с волокнистыми композитны­ ми материалами обратимся к периодической таблице элементов, представ­ ленной на рис. 1.2, чтобы выбрать из них те, которые обладают наимень­ шей атомной массой, и могли бы стать основой материала волокон.

13. ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Введем для волокнистых композиционных материалов определение, как для систем, представляющих собой комбинацию материальных эле­ ментов, обладающих отличиями на макроскопическом уровне. При этом искусственно созданные непрерывные или дискретные волокна, входя­ щие в состав материала, не должны растворяться или претерпевать какиелибо другие изменения внутри композита.

Классификационная схема систем, образующих волокнистые композит-

Рис. 1.3. Классификационная схема волокнистых композитных материалов