книги / Сфероволокнистые композиты с пространственной структурой

НГУЕН динь ДЫК

СФЕРОВОЛОКНИСТЫЕ

КОМПОЗИТЫ С ПРОСТРАНСТВЕННОЙ

СТРУКТУРОЙ

Эдиториал УРСС Москва • 2000

УДК 539.3

Нгуен Дннь Дык

Сфероволокнистые композиты с пространственной структурой

М.: Эдиториал УРСС, 2000. — 242 с.

ОДиуеп ШпЬ Бис ТНе ЗрЪегойЬге Сотрозке *кЬ 8расе 81гис1иге

Мояхпу: Ебкопа111К88, 2000. — 242 р.

18ВИ 5-8360-0048-4

В книге впервые рассматривается модель трехфазных композиционных матери­ алов, которая состоит из матрицы, волокон и сферических включений. С учетом взаимодействия между включениями и матрицей предложен алгоритм для определе­ ния характеристик сфероволокнистых композитов. В книге решены задачи выбора рациональной структуры композитов типа З Б т , 40га, а также задачи ползучести, термоупругости и адгезионного разрушения для них.

Для студентов, аспирантов, научных сотрудников, преподавателей вузов по спе­ циальностям “механика деформируемого твердого тела” и “механика композиционных материалов”, а также для исследователей и инженеров-конструкторов, занимающихся созданием и использованием композиционных-материалов.^

Рецензенты:

профессор, д.т. н. Ю. В. Суворова, академик Академии космонавтики, профессор, д. т. н. В. Г. Люпщау

Оригинал-макет представлен автором

Текст опубликован в авторской редакции

Издательство «Эдиториал УРСС*. 113208, г. Москва, ул. Чертановская, д. 2/11, к.п. Лицензия ЛР №064418 от 24.01.96 г. Гигиенический сертификат па выпуск книжной продукции № 77.ФЦ.8.953.П.270.3.99 от 30.03.99 1. Подписано к печати 21.04.2000 г. Формат 60 x 84/16. Тираж 1000 эхэ. Печ. л. 15. Зак. N$327.

Отпечатано в множительной лаборатории Кольчугинекого завода технических изделий. 601750, Владимирская обл., г. Кольчугино, ул. Добровольского, 2.

© Нгуен Динь Дык, 2000

Глава 1. Исходные соотношения теории и модели пространственных сфероволокнистых

§8.0 принципе Эшелби в механике композитов.......... 90

3

ОТ АВТОРА:

В настоящее время композиционные материалы применяют почти во всех отраслях народного хозяйства. Благодаря высокой прочности и малому весу, а также другим преимуществам, связанным с возможностью их использования при различных сложных условиях эксплуатации, они применяются в строительстве, судостроении, металлургии, машиностроении, медицине, авиастроении и т.д. Именно поэтому композиционные материалы играют ключевую роль в индустриализации и являются материалами будущего. В особенности, это касается армированных композитов с пространственной структурой, из них изготавливаются многие детали летательных аппаратов (космических объектов, самолетов, ракет,...) и конструкций, испытанных при высоких температурах иуровнях нагрузки.

Книга является результатом исследований автора, проведенных в течение многих лет, по изучению и созданию композиционных материалов.

Сейчас во Вьетнаме начинается интенсивное развитие промышленного производства композиционных материалов, необходимых в различных отраслях народного хозяйства страны, в особенности, в строительстве, медицине, судостроении, в нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. Надеюсь, эта книга послужит вкладом автора в индустриализацию и модернизацию

признательность профессору Г.А.Ванину за поддержку,

5

консультацию и замечания, а также благодарит коллектив научных сотрудников лаборатории механики

академии наук за поддержку, профессора Ю.В.Суворову за редактирование и к,т.н. СЖ.Алексееву за помощь при оформлениирукописи книги.

Москва 20 апреля 2000 года НгуенДинь Дык

6

ПРЕДИСЛОВИЕ

Применение композиционных материалов в новой технике привело к решению ряда задач по созданию прочных и легких конструкций, работающих в экстремальных условиях. Последние обстоятельство обеспечело перспективу использования композитов в других областях техники и гражданского строительства при заданном сочетении экономической эффективности и высоких показателей физико-механических свойств этих материалов.

В книге Нгуен Динь Дыка рассмотрены приближенные модели композитов с пространственным армированнием при наличии компонентов в виде включений и пор. Рассмотренные модели позволили изучать как эффективные свойства, так и напряжения в элементах структуры. Этим представленные результаты отличаются от большинства подобных исследований.

Использование композитов в условиях Вьетнама связано с проведением дополнительных исследований о влиянии солнечной радиации, влажности и температуры, а также биологически активных сред на свойства композитов. Монография дает представление о направлении исследований по механике композитов, так и о методах, созданных в нашей лаборатории и будет полезна тем, кто изучит и сможет применить эта методы на практике.

Заведующий лабораторией механики композиционных материалов Института машиноведения им.А.А. Благонравова РАН профессор, д.т.н. ГА.Ванин

7

ВВЕДЕНИЕ

В связи с широким применением композиционных материалов, во всем мире идет интенсивная работа по созданию высокопрочных и высокомодульных композитов. Накоплен определенный опыт создания, испытания и эксплуатации ответственных изделий из композитов. При традиционных схемах армирования, когда конструкции из композитов создаются путем последовательного “наслоения” армирующих волокон и слоев арматуры, характерен особый вид разрушения - расслоение по плоскостям низкой прочности и жесткости, что является следствием слабого сопротивления материалов межслойному сдвигу и поперечному отрыву. Поэтому в последние годы все большее внимание привлекают композиционные материалы с пространственным расположением арматуры. Введение пространственного каркаса не только ликвидирует вышесказанный недостаток слоистых композиционных материалов, но и локализует в пределах нескольких пространственных ячеек распространение трещин. Это резко повышает несущую способность материала в толстостенных конструкциях, особенно в зонах приложения сосредоточенных нагрузок, вырезов, ребер при нестационарных силовых и температурных воздействиях, характерных для современной техники [3,50,60, 84, 86,124,129,137,140].

В основу классификации композиционных материалов закладываются общие принципы: материаловедческий - по материалу арматуры или связующего и их свойстам [112]; конструкционный -по типу арматуры и ее расположению в матрице; технологический - по способу переработки в изделия.

8

Однако, способ переработки хотя и оказывает существенное влияние на свойства материала, но мало информирует об их особенностях. Некоторые сведения с точки зрения механических свойств композиционных материалов дает их классификация по виду матрицы и ее свойствам. Поэтому классификация по свойствам матрицы дает полезную информацию для выявления сущности расчетных моделей [64, 112]. Широко распространенными материалами для армирования современных конструкционных композиционных материалов являются стеклянные, борные, базальтовые, углеродные и органические волокна [38, 64, 65, 84, 124, 132, 135, 164]. На их основе разрабатываются также многокомпонентные материалы, в которых используется различная арматура, что осложняет классификацию по типу арматуры. Однако, тип арматуры и способ ее укладки дают нам большую информацию об особенностях свойств композицонного материала. Обусловлено это тем, что жесткостные свойства различных видов армирующих волокон существенно различаются, следовательно, различаются и жесткостные свойства композиционных материалов.

Свойства композиционных материалов зависят, в первую очередь, от свойств их составляющих, а также в большой степени от их объемных долей и геометрии внутренней структуры. Варьируя угол укладки арматуры, можно получить заданную степень анизотропии, а изменяя порядок укладки слоев и угол укладки их по толщине, можно эффективно управлять изгибными и крутильными жесткостями композиционного материала. Поэтому подробную классификацию целесообразно проводить на основе конструктивных принципов. Исходя

9

из них, все структуры можно разделить на две группы - слоистые и пространственно-армированные [137].

Слоистые структуры образуются последовательной укладкой пропитанных связующим однонаправленных монослоев в одной плоскости - плоскости укладки [5, 6, 47, 107, 128]. Изготавляют слоистые композиционные материалы двумя наиболее распространенными способами. Один из них основан на так называемый “мокрой” намотке волокон или лент, другой состоит в прессовании и отверждении предварительно пропитанных связующим монослоев волокнистой арматуры.

Высокие жесткость и прочность армирующих волокон, составляющие основу прочности и жесткости композиционных материалов, реализуются лишь в случае их определенного расположения по отношению к действующему полю напржений ( действующей нагрузке). Вследствие большого разнообразия нагрузок применяются различные схемы укладки арматуры. Варьируя направлением укладки слоев, можно получить слоистые материалы с различной ориентацией армирующих волокон, обладающие в плоскости укладки изотропными или анизотропными свойствами. Это дает дополнительные резервы в повышении надежности конструкций, снижении их массы и расширении области применения [3, 5, 6, 14, 38, 51, 55, 65, 86, 108]. В настоящее время в качестве арматуры для изготовления композиционных материалов часто используются высокомодульные волокна, это - волокна бора, углерода, карбида кремния, бериллия, модуль упругости которых в 5 раз и более превышает модуль упругости обычных стекловолокон [49,60,156].

10