Механизмы разрушений армированных пластиков при сжатии и растяжении тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.19 ВАК РФ

РГб од

1 3 ОПТ 1935 РОССИЙСКАЯ АКА.ДЕЖ? НАУК

инстит/т уишчеххол физики им. н и. семЕ>10вг,

¡к правах рукописи БАШКОЙ Ст ей Лгонидонич

ЮШЗШ РАЗРУЕЕГЛЯ АРМРСВАККЬК плхстсксе ПРИ СЖАТИИ И РАСТЯЯШИ

Специальность 01.04.19 - физика полимеров

Автореферат диссертации на соискание ученей степени' доктора фижо-мате.члинеских нзук

йэсква - 19@б

Работа ылюльена в-Институте Химической Физики им. АЛ.Семенова РАЛ.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук оймян в.а.

доктор физико-математических наук Лёксовский A.M.

' доктор физико-математических наук Годовский Ю.К.

Ведущая организация: Институт Синтетических Полимерных Материалов РАЛ. [-.Москва

Защита состоится " г. в}О часов на заседании

специализированного Совета Д 002.?£.05 при Институте Химической Физики им. Н.К.Семенова РАН по адресу: 117977, ГСП, Москва, В-334, • ул.Коснгина, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Химической физики им. Н.Н.Семенова РАЯ.

' /

Автореферат разослан." 1995 г.

Ученый секретарь специализированного. Совета кандидат химических наук

Ладыгина Т.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА PABOTU

Актуальность темы дяссгртации. В настоящее время примерно трать •.•ченых~в мире' -затиаётоГиз^ Одним из наиболее бурно

~"р^^кваШхс^^ -являютсн "юлЬшстаё"

кишкедиионные- материй« 1ВШ). Созданию первых композитов пос.тае'ствоваяи работы" A.A.Гра}«|)итса и с.И.Хуркова, в результата. чего в середин ЗО-х годоу домучены волокна плавленого кварца с прочностьа до 12 Ilia. Jfepais композиционные, материалу на осноно стекланвчх иолом* (Нгл.5 созданы А.К.Буроьын в начале сорокошх годов. С момента создания гмрдох цэлокиистых композитов прошло не более пятидесяти лет, и поэтому представления о их разрушении в течений прошедого Времени развивались и изменялись довольно. сильно.

В настоящее время общепринятым является введенное 1.Л.РзбйК0Елчем представление о том, что композиты при.сжатии разрушается вследствие потери устойчивости волокон; Общепринятой является ":экже модель Розена, согласно которой при растяжении разрушение композита происходит вследствие дробления (разрушения) волокон. Более поздние исследования • показали,' что ьти представления не исчерпывают всего многообразий , ' механизмов разрушения при сжатии и растлении. Различные механизмы разрушения предполагает и различные, зачастую взаимоисклЕчавдие, пути повышения прочности композитов, и поэтому без исследования общих закономерностей уже известных механизмов разрушения и выявления новых механизмов затруднителен поиск путей дальнейшего повышения прочности композитов.

Следует отметить, что к началу'данного.исследования было известно уже несколько механизмов разрушения волокнистых композитов при сжатии. На растрескивание стоклопластикових труб вдоль направления волокон при сжатии впервые было обращено внимание A.M. Михайловым и Г.Г.Портновым. Этот.механизм разрушения был исследован также Ю.М.Тарнопольским. А.Н.Полилобыми В.Н. Работновым. Л.И. НолиЛов анализировал также смятие ■горцев образцов. Механизм разрушения, называемый расслоением, 'наблцдается при наличии .трещины, ориентированной вдоль волокон. Этот, механизм разрушения был исследован Л.М.Качановым. В.В.Болотиным, В.Б. Парцевским и рядом зарубежных' исследователей.

Цель и задачи работы заклинались:

исследовании механизмов разрушения однонаправленных

органошвстюссв, стблло;и.'»:т«*ов л углепластиков.при-растяжении и сжатии; ' .••.■' ;

- исследовании общих ззкономерностей, характерных для отдельных механизмов разрушения; ■, -

- исследовании.влияния технологических дефектов на прочность армированных пластиков при растяжении и сжатии;

- выявлении путей ношения прочностных характеристик композитов и, соответственно, неперспективных направлений работ.

Научная новизна. работы заключается в еле дудам:'.-

■ ,-'15сГздзна_кониТпш1Я конкурируют механизмов разрушения, обусловленных широким различием свойств волокон и матриц, а также вариацией адгезии на границе волокна и матриш; .

- выявлены основные признаки,- позволящие идентифицировать . механизмы разрушения по результатам испытаний;

- обнаружена инициация кинка продольной треаиной при сжатии углепластика;

- описан механизм разрушения при сжатии, инициируемый разрушением ' арамадных волокон и приводящий к появлению кинка;

- показано, что зависимость прочность при сдвиге от объемней доли пор описывается степенной Функцией- с показателем равным одной второй. Этой ке зависимость» описывается прочность при. сжатии стеклопластиков и. углешйстиков, разрушающихся следствие растрескивания;

- показано, что ..при разрушении вследствие потери устойчивости ролоксн зона разрушения ориентирована перпендикулярно оси волокон;

■ - обнаружен механизм разрушения органопластиков при растяжении,. • инициируемый продольным растрескиванием композитам /

- обнаружена размотка кольцевых -образцов при растяжении, инициируемая продольным растрескиванием;

- разработан метод определения межслоевой г^-циностойкости тонких пластин посредством измерения углов изгиба двухколонной балки;

"- получено решение для распределения растягиваших- напряжений ■ ; перед кончиком трещины в композите на основе упругоплзстичной матрицы. На.основе этого решения создана теория роста коротких трещин, ориентированных поперек волокон.

Практическое значение'работы обусловлено'прежде всего выявлением путей повышения прочностш^арктерйстик волокнютых композитов с-

с&юй стороны, и Вв.;в1юииен :;епарсзоктивнйх' направлений работ, с другой. .

----------- Установлено, что. першение прочности при сдвиге приводит к росту__

прочное"", при сжа-гил стекйшастк?э я углепластика на основе выаионрочных волокон. Добиться этого можно путем использован« в»' о!;опрочных матршГ со-итании с хорошей адгезией меаду волокнами и матрицей. Весьма эк > ильной является проблема снижения пористости и ' оа?1?к?к"гэции водкой: ' ' . .

- '1»«,тиФ«лзц,..-} «атрицв приводит к повышении реа«таийи личности волокон перлон при растлении; .

- показано, что существенное гювшение прочности органопластиков -на ■«••нове арамидных во/.окои при ежзпэг мзлоречльно;

- показано, что' работы,-направленные на шшюние лрочкля:! при растяжении органопластика на основе волокон СВМ неперспективна:

- обнаружено, что композиты на основе тканей имерг повышенную вязкость межслоевого разрушения.

Апробация работы. Основные положения, работы доложены на Рсесонзжх и международных "конференциях, в том числе на V Всесоюзной конференции • . по композиционным, материалам (МГУ,. 1581г.). II Всесоюзной конференции по композиционным материалам и их применению в народном хозяйстве . ¡Ташкент, 19К.'г.), Всесоюзном семинаре по физике прочности композиционных материалов (Ленинград, 1Э85П, хц - V Национальных научно-технических конференциях по механике и технологии КМ (Варна 1982, 1985, 1988, гг.), 28-м Микросимпозиуме по макромолекулам (ЧССР, . 1985г.),' XIV конф. "Армированные пластики^", ЧССР (Карловц Бары, 1987), Объединенной VI Международной и н Европейской конференции по композиционным материалам (Лондон, 1987г.), VII Международной конференции по композиционным материалам (Пекин, 1989г.), XV конф. . "Армированные пластики-89!', ЧССР (Карлова Бары, 1989), и Советско-американской конференции по 'композиционным материалам (Рига, 1388), .Всесоюзной конференции по механике полимерных и композиционных ' материалов (Рига, 1990)', конференции "Поверхностные явления в . композитных материалах" (Лейвен. Бельгия. 1991 г.), ежегодной технической конференции .инженеров Еолнмерного Общества (Детройт. США, 1992). ''

Публикации. Результаты исследований опубликованы в одном обаоре, 36

и 14 тезисах лошда на конференциях. Вклад автора в работы, кдалненные в соавторстве и включенные в жсертаййвТТостоял в постановке задачи, непосредственна получении 'экспериментальных данных, разработке теории и обсуждении результатов. Структура работы. -Диссертация состоит из введения, 7 глав, содержащих 5рйп5шыте~£ёзушаты 1 зашмения и списка литературы. Работа излсаднз на 300 страницах,и включает 7 таблиц, 138 рисунков, и библиографию из 294 наименований. • .

ОСНОВНОЕ СОДЕШНИЕ РАЮТН Во' введении обоснована актуальность проблемы, кратко■изложена истори'Гразвития'пре^стзвлений о рззрушелии композиционных, материалов/ '. и описаны известные механизмы разрушения волокнистых, композитов при .сжатии. . .

. В; первой главе рассмотрены результаты исследования разрушения при сжатии и.изгибе органоидааикоб на основе арамидных волокон и эпоксидной матрицы ЭДТ -10. D обоих случаях разрушение композит.) инициируется пластическим течением (разрушением) волокон' под jr-йстьй-м сжимашей нагрузки. . . г

. При однородном сжатии диаграммы зависимости напряжения от деформации для композита СВМ/ЭДТ имеют максимум, характерный' для пластичных'тел, текущих по полосам сдвига.. Вблизи максимума е ' . органопластике появлялась- полоса сдвига '(кинк). •

Модуль упругости'Органопластика СБК/ЗДТ прямо пропорционален. • объемной доле волокон vf: ./

ес '= Efvf. ' / (I) '

где Ef 115 iHa, что близко к значению модуля упругости'волокон при растяжении..

• Зависимость прочности при сжатии' органошаи и»;ак CJBM/ЭЛТ, Терлон/ЗЯГ'.и 'Армос/ЗЛ- от объемной доли волокон v{ приведена на рис.1. Зависимость описывается аддитивным'законом {правилом смеси):

= VfUf + v о , (2)

С t f П1 tn

где а{ =' 400i40 МПа - прочность волокон, л ^ ч.СО'Ш Ша - прочность матрицы. Полученное значение о^ близко к пределу текучести эпоксидной 'смолы ЭДГ-Ю при растяжении (05 Ша). Заметного Различия прочноегй.

ut (.«злг&изш арамидннх во шоп при сзьиии >.;Ve«ieïio не ítw, несмотря üa с>явственное раатие их прочности при ^;тгяженми.

Пс{МРа)

}50 -------

Рис.1. Зависимость прочности органопластика при сжатии от объемной доли волокон vf. Матрица ЗД'Г-ÍC. Волокна СИМ (о), Терлон (-■-}. Армос (и).

Исвлар-4Э (О).

На рис.2 приведена 'зависимость прочности * образцов CfiM/ЭДТ от глубины надреза и диаметра отверстия С. Прочность композита от длины концентратора напряжения не 'зависит и равна прочности бездефектного материала, что объясняется пластичностью композита.

На рис.3 приведена зависимость прочности органопластика СВМ/ЗДТ, полученного из крученой'нити, от кратности крутки N (числа круток на метр нити). Прочность не изменяется до n - 120, и снижается при дальнейшем увеличении n. D результата крутки волокна приобретают форму спирали и укладываются под некоторым углом в к оси нити. Угол е пропорционален кратности крутки я, и при н -- I20 угол в равен 7±1°. . Таким образом, при, разрушении композита вследствие разрушения волокон ' разориентация вонокон (до значений в = 7°) на прочность композита не влияет..

300

200

100

0

0 1 2 3 4

СМ

Рис.2. Зависимость прочности органопластика <->с от диаметра отверстия (0) и длины надрезз С (о).

На рис.4 приведена зависимость прочности при сжатии органопластика СВМ/Ж' (кривая 3) от температуры ииштзния Т.' В области температуры стеклования матрицы (г$0°С) прочность композита снижается вследствие перехода от пластического течения волокон к потере устойчивости волокон.

Критическое напряжение потери устойчивости волокон равнл модулю.'-сдвига композита: <

" - ос ■ (3).

Зависимость критического напряжения потери устойчивости волокон, равного вс> от температуры представлена на крагой ! рис.4. Критическое напряжение разрушения вследствие пластического течении волокон прямлено на кривой 2. При температуре ниже 90°С критическое напряжение течения • волокон ниже критического напряжения потери' устойчивости волокон, и разрушение происходит вследствие течения волокон. Вблизи температуры стеклования матрицы Тд модуль сдвига композита резко падает, и при Т > 90°С соотношение между критическими напряжениями становится обратным. Экспериментальные значения прочности композита близки к минимальному из двух критических напряжений. Изменение механизма разрушения вблизи Т

ас(МРа)

* с " г. '. -' ' О' "

—------- .....• - ! -' Сгвек (

i ] 0 Но1*

матри'м сопровочд^еп:« резким юенанием угла * между лйскоогью полот раадиеиия и осью н-чруженич и ¡"ри ::от<у- у.-, / ги :»»,хон

-------------it...-.Т^.плоскость рззруеёнм !!ср::.щику.8«рна сен ¡юлокся. одновременно

няс'•• я таив: is чммтра« " в" (голосе- раррузрни».--------'--------------------

N(KPYT/M)

Рис.3. Зависимать прочности при сжатии о ops аноиластика СВМ/ЗДТ от кратности крутки нити n.

При испытании opiаноплзстикз СВМ/ЗДТ на изгиб д.м избежания концентрации напряжении в зоне разрушения полукольца диаметром 150 мм нагружалось в двух точках. При .напряжении 320 МПа' на внутренней сжимаемой поверхности полукольца в области максимальных изгибных , напряжений наблюдалось появление множества перзсекащихся полос сдвига {рис.6). Измерение угла ориентации полос сдвига, (кинков) показало, что при изгибе первые по юсы едьига появлялись под углом 4Ь12° к оси нагружения. Таким .образом, течение органопластика происходит но . плоскостям максимальных сдвиговых напряжений, и кинки аналогичны дислокационным полосам сдвига в изотропных металлах и полимерах. Дальнейшее нагрухоние приводило к утолщению и росту, полос по направлении к растягиваемой поверхности. При напряжении 441 МПа вб.шзи растягиваемой

Поверхности тлухсчы» кгчинэлось разрушение волокон, после чего нзб-шадалось' снижение напряжения.

О (МРа) .

1000

500

1 - Buckling

2 - Yielding .

3 ' Experiment

го

40

100

120

140

60 80 • т ГС),

Рис.4. Зависимость от температуры исштзнйя Т критического напряжения потери устойчивости волокон-(I). Напряжения разрушения (течении) волокон (2) и экспериментальной прочности органопластика СВМ/ЭДГ !3).

Исходя из предела текучести композита 320 МПа на основании правила _смесей предел текучести волокон of оценивается как 500 МПа. Это знзчение является верхней оценкой предела текучести волокон (перше полосы сдвига могли остаться незамеченными) и близко к-прочности волокон при однородном сжатии (400 МПа). ■ ' .

Прочность (максимальное напряжение) органопластика при изгибе примерно вдвое Еыше прочности композита при одноо-.чом сжатии. Причина этого заключается в том. что при изгибе разрушение ну. является катастрофическим, и происходит устойчивое прорастание полос сдвига к • растягиваемой поверхности образца. Для нахождения соотношения между прочностью при изгибе и пределом текучести при сжатии решена зздачэ'о пластическом изгебе балки,, изотропной, упругой при растяжении - и упругопластичной при сжатии. Расчет показал, что при увеличении ■прочности при растяжении прочность при изгибе вссрзсгает, асимптотически'

2

при.бтааяоь к тройному мочении предала текучести при сжатии.

00 --

О 20 40 80 80 100 120 140

т Сс)

Рис.5. Зависимость, от температуры Т угла ф между плоскостью полосы разрушения и осью нагружения.

Вч второй ¡ лаве описаны результаты исследования разрушения при сжатии" й' иш-ййё" стенаопльстиков на основе термопластичных и эпоксидных матриц. При четырзхточечном изгибе исследованы стеклопластики на основе НИЗКОМОДУЛЬНЫХ ТерМОПЛасТИЧНЫХ Матриц "Ну1ге1-405б", "Ну1:ге1-552б" и "Ну1ге1 -7246", модуль упругости которых в 4-50 раз ниже модуля эпоксидных смол. Во всех трех композитах'разрушение происходило вблизи сжимаемой поверхности балки.

• В стеклопластиках на осноье матриц с наиболее низким модулем упругости (ну1ге1-405б и ну1го!-552б) наблюдалась потеря устойчивости волокон. При увеличении жесткости матрицы происходило' изменение • механизма разрушения, и б композите на основе наиболее уесткой матрицы Ну1ге1-724б наблюдаюсь накопление поверхностных микроотслоений.

разрушение вследствие потери, устойчивости волокон было неустойчишм,' и диаграммы напряжение - деформация были «инейш вплоть до разрушении. Визуально какого-либо повреждения образца до разрушения

замечено не было. Регистрация шнаад акустической эмиссии (АЭ) показала, что степень повреждения композитов к моменту потери устойчивости"волокон низка. Процесс разрушения (Зил быстрым, и за.время между двумя последущими кадрами .видеокамеры (0.04 сек) зона разрушения, распространялась через половину толщины балки. После, разрушения волокна были изогнуты б гижксски образца перпендикулярно • оси нагружения.

Рис.6. Система полос сдвига на сжимаемой поверхности полукольца. .

Растрескивание стеклопластика на основе матрицы нуие1-?24б имело две стадии. На первой стадии методом АЭ обнаружено микрорзстрескивание и микроотслоение матрицы от волокон. На второй стадии при Напряжений, равном в0% прочности, • на сжимаемой поверхности появлялись пучки склеенных волокон, отслоившиеся от поверхности образца и изогнутые щпендщлярно. плоскосмм обрагт. то есть перпендикулярно направлению изгиба при потере устойчивости волокон. Микроотслоения приводили к появлению нелинейности .на диаграмме нагружения с множеством мелких пичков. Микрорастрескивание, композита■происходило в приповерхностной • области, и толщина отслоившихся пучков волокон была в пределах 40-¡ЭТ микрон (1.3-6Ж от общей тошны образца).

АЭ данные отразили некастрофический характер, разрушения, и при максимальной нагрузке всплеска количества и знергю: АЗ сигналов не

наблюдалось. Количество и суммарная энергия АЗ сигнз.чов с р:стон двчсыааа возраст* •?•» аксгойзнцяадьно. Поскольку еадш^кая .ы^ртая -■л::?яоз АЗ связан« я степень» повреждения композита, на:т'Л«ние ">«!?.ро!ювр1»»«вний возг>зстает_в .процессенагружения зкстоненииально.

Полину смет» ^хани.-»,.-! рг^зения ана>шъиров^~ ^пре/Узчмкении,- -•«то 1-астреоивание ¡ -.чюзигз прлиодюг при дрсшении преде ч- прочности при. .шее г . Критерий растрескивания'записывался в-вида:

* ■ rjv, W

г • критической н£пря»'ние растрескивания при сжатии, > - .¡год

разер«енг иши bo*w.-и Уго* f. был одинаков для гсех трех готов "и

Ос(МРа)

2 - bucküng.^jL-

2500 2000 1600

1000 500

О 20 40 60 ' 80 1С0 120

'УМРа)

Рис.?. Корреляция между прочность»; стеклопластика при сжатии ас и прочностью при сдвиге с . I - растрескивание образцов, о - прочность при сдвиге варьировалась за счет использования различных связуидих; 0 -прочность при сдвиге варьировалась путем изменения концентрации пор; х ■ - изменячась прочность границы раздела эч счет применения различных аппретов. 2 - разрушение вследствие потери устойчивости волокон.

При малой жесткости матрицы критическое напряжение Потери спйчир;/ ¡и волокон было ниже критического напряжения растрескивания.

Десятикратное увеличение модуля упругости мзтриш приводило лишь к двукратному^ возрастанию напряжения растрескивания. Как следствие, при модуле упругости мзтриш > 210 МПл критическое напряжение растрескивания становилось ниже напряжения потери устойчивости волокон, приводя к изменению механизма разрушения.

Во второй части главы описано разрушение при одноосном Сжатии стеклопластиков с различными эпоксидными. матрицами. Па рис.7 приведена корреляция между прочностью стеклопластика при одноосном сжатии <'с и прочностью при сдвиге rg. Яри растрескивании (кривая I) прочность при сжатии ос прямо пропорциональна прочности при сдвиге вне зависимости от способа изменения прочности при сдвиге:

"с ~ А V •

-где а - константа равная 24. Константа А соответствует коэЭДишгенту i/<? в уравнении 4, и угол ? оценивается как 2.4°. Высокой прочности стеклопластика при сжатии'можно добиться путем повышения прочности при сдвиге.- Как следствие, необходимы одновременно. высокая прочность мзтриш и хорошая адгезия между волокнами и полимерной матрицей.

' • Ос(МРа) . 2000

1800

1200

600

400

О

о . 0.1 .0.2 0.3 0.4

Рис.8. Зависимость прочности при сжатии <тс стеклопластика, разрушзвдегося вследствие растрескивания, от корня квадратного из

объемной доли пор /vp.

При растрескивании стеклопластика влияние т<ор описывается линейной ионо-.уи! прочил?» при сжатии от курня квадратного из аСцвдой' доли

- пор.Уу ф.ис._8)_:

(1 - В Л» Г (6)

1 де V - оОьенная до^я пор и В - ! онстанта равная 1.79. Согласно '-р.аЕлХ-ниь б всего лиыь' I и 4Х пор Приводят к значительному СН^ОНИЮ (ц«»г-чгги на 18 и ЗГ-* соответственно.

Прочность при сдвиге описывается аналогичной функцией:

- 1о - 0 V' ■ (7) ' ' '

где С = 1.64. Кснффкциеш Б. в уравнении С Слизок к коэффициенту С в урии^ник 7, что обусловлено пропорциональностью между прочностью при с*лти;| и прочностью при сдыге. При растрескивании уравнение 6 является следствием уравнения 7.

Линейная зависимость прочности при сдвиге от корня квадратного из пористости объясняется моделью, предполагающей цилиндрическую форму пор; центры которых образуют регулярную квадратную решетку. При • прохождении трещины через центры пор, доля площади пор в плоскости

трещины равна а - /4\ГТл й 1.13 Поскольку прочность композита определяется долей площади, занятой материалом в плоскости разрушения

за ьычетом доли пор (1-й), прочность при сдвиге описывается формулой 7. Теоретическое значение коэффициента С, равное 1.13, близко к экспериментальному значении 1.64.

Использование стеклянных вочокон диаметром 130 мкм и применение методики испытания, позволящей снизить перекос образцов при испытании, подавило растрескивание образцов и позволило реализовать механизм потери устойчивости волокон. При-потере устойчивости волокон закономерности разрушения стеклопластика отличались от аналогичных закономерностей при.растрескивании. Яо-первнх, значения прочности при сжатии (2-2.5' !Т1а) выше чем при растрескивании и приближаются к критическому напряжению потери устойчивости волокон (»3.5 ГПа). . Во-вторых, после разрушения образцы имеют единую плоскость разрушения, направленную перпендикулярно оси волокон. Наличие такой плоскости обменяется распространением волны потери устойчивости перпендикулярно волокнам. В третьих, прочность при сжатии слабо зависит от прочности композита при сдвиге (кривая 2 на рис 7). В четвертых, пористость слабо

влияет на прочность при сжатии.

Исследование влияния крутки нити на разрушение стеклопластика показало, что даже относительно невысокая крутка нити (26 круток/м) приводит к изменению механизма разрушения от потери устойчивости волокон к растрескивании. Как следствие, прочность композита резко снижается, что объясняется возрастанием ^гла разориентации .волокон р при увеличении степени крутки.

В третьей главе изложены результаты

кинк

^УС

'отверстие

исследования разрушения при однородном сжатии углепластиков на основе здаксидах матриц. При наличии цилиндрического отверстия разрушение начинается с появления в полисах отверстия четырех продольных "усов" в Направлении волокон (рис.9). Финальный этап разрушения состоит в появлении кинка в кончике одного из усов.-Таким образом, в образцах с отверстием кинк является следствием растрескивания;

Рис.9. Инициация киккл в углепластике продольными трещинани, появляющимися вблизи отверстии.

I-

I I

ГТ-Т

Т

Зависимость прочности углепластика,-от диаметра отверстия ь спрямляется в двойных логарифмических координатах in о - in v (рис.JO) и описывается степенной функцией. Показатель степени <j J -О.ЗЭ'О.СМ близок к значению -0.5, и, следовательно, влияние концентраторов напряжения на прочность углепластика может быть- описано критерием Гриффитса.

... Разрушение, происходит при появлении "усов" вблизи отверстия. Энергетический анализ показывает, что напряжение появления "усов" описывается уравнением: ■ ' . . ...

где Gnc - вязкость разрушения при сдвиговом нагрухении и о - диаметр отверстия. Поскольку появление усов описывается уравнением 8. зависимость прочности при сжатии от диаметр?/ отбытия опишется ¡ярй

»« что с д>.,ш .<;<именимсть критерия Г^иМлтса лая описания

бчияния дефектов на прошооть уг.юлзстикз при сжатии.

Log iojoj

-i-;------------;-----------------

i

0 2 ---1-1-1—--'--1-1-'—J—

0.06 . 0.6 Log (D/vv)

Рис. 10. Зажсимз'П относительной прочности u «нпистина л /о- от отношения диам?4>4 отверстия к вдяше образца ь/ч. Обкиные доли волокон vwi 'ч'•; pdi^hi-l 40 Ой.% (х)и с,) О0.% lo). Матрица ЗДТ-10. Ширина образцов к - 1;! км.

Во второй чкти i язви описано i крушение при одноосном сжатии yiлеплэстиков ßt-з конаьнтратора напряжения. Во всея случаях при комнатной температуре разрушение пр = )дцло к появление кинка. При использовании высокопрочных волокон с; поверхностной обработкой прочность при сжатии пропорциональна доле волокон v{:

" '"с = Vf '

где vf - пб-ьемная доля волокон, « - 2IC0 МПа. При использовании волокон УИ1-50Ю без поверхностной обработки наблюдалось запределивание прочности при увеличении vf. Прочность углепластика на основе рнсокомодульных волокон существенно ниже, чем при использовании высокопрочных волокон, и <rf - 725 \iila.

. На рис.II привалена корреляци-i межлу прочностью при сжатия о и

прочности.: прк сдаге х£ для углепластика на основе высокопрочных волокон. Также как к в стеклопластике, прочность при сжатии ос прямо пропорциональна г, вне .зависимости от способа вариации прочности при .. сдвиге. Констат'а пропорциональности А в уравнении 5 равна 14.5, что соответствует углу разориентаиии волокон <р = 4° (уравнение 4).

Оо(МРа)

; 1200

I

; воо

I 400

!' ■ <

' ' о

О го. • 40 60 80 100

Т8(МРа)

Pnc.II. -Корреляция между прочностью углепластика при сжатии ос и сри сдвиге т ..Прочность варьировалась за счет использования различных эпоксидных связуишх и различных волокон. '

' ' ■ . '' • ' • Для определения прочности волокон при сжатии испытывали 'микропластики, приклеенные к изгибаемой упругой балке. Микропластик приклеивали одновременно к растягиваемой и сжимаем;^ поверхностям. Разрушение микропластиков. инициировалось равновероятно нз -сжимаемой и растягиваемой поверхностях. Следовательно, прочность волокон УКН-5000,-Т-800 и М-40 при сжатий близка к их прочности при растяжении. Напротив, . прочность шсокомодульных волокон = 480 ГПз) при сжатии была примерно вдвое ниже их прочности при растяжении. Прочность этих волокон в микропластике была 800 №з, что согласуется с прочностью, определенной в соответствии с правилом смеси (7С0»МПз).' Это позвоаяет

ШШ/ЕКТ, иппннн)

с- иКМ/ЕОТ. ип1га<1»Л

о М-40/ЕКТ

+ иКН/ЕОТ

* иКН/ЕКТ .

а иКЫ/ЕНО

Л Т-вОО/ЕКТ

сделать вывод, что рззрушение композита на основе &«г«а*э5<мъны.т воло&м является следстгчич разрушения волокон. • "■

Прочность одмочшх волокон определяли также методом нет ли. Она состав*яст~ 4. 6- ГПз дли • волокон _ тгвоо_ и_3.5^0.3 П1а для ююзкон

и 40. Прочность волокна н-40 в петле близка к значений,"~оГрёделеннсму~-------------

путем «я'Иба• микрашдооди. Прочность волокон т-воо в пет.1..-3 несколько ниге, 1ем в микрпп^стике и существенно няе прочности, определенно^ исход/ из протчяи композита (2,1 ГПа). Следовательно, разрушение :тика ко основе высокопрочных волокон при сжатии происходит за-.олк; у) исчернаьия прочности во «окон.

■ Влияние пор на прочность углепластика при сжатии аналспчно их В!иянию на прочность стеклопластика при растрескивании (рис.!!). Прочности углепластика при сжатии описывзмся урденешш С, . коэффициент В перед квадратным корнем из- пористости равен 1.65. Зависимость прочности углепластика при сдвиге от концентрации пор описывается аналогичным законом (уравнение 7) с коэффициентом пропорциональности С, равным 1.50.

1

0,8

0.6

0.4

. 0.2

О

О 20 40 60 ео 100 120 140 160 1в0

т (°с)

Рис.12. Температурная зависимость отношения прочности углепластика

У1Ш-50Ш/ЗДГ к модулю .сдвига'п /<з .

Увеоиекйе «ьл-ратурь испытания ьриводит к снизенл» прочности углепластика ари сжатии, снижение является особенно резким вблизи температуры стеклования м-этриш, где наблюдается переход механизма разрушения от кинкообразования к потере устойчивости волокон. Этот переход иллюстрируется рлсункои 12, на котором приведена температурная зависимость отдаления прочности углепластика к модулю сдвига °с/ос- При температуре 20 - 80°С прочность при сжатии существенно ниже модуля сдвига, а при температуре выше тд матрицы прочность близка к вс. Как и в органопластике, в области температуры стеклования матриш происходит резкое изменение угла между осью волокон и плоскостью разрушения, и при Т > Т плоскость разрушения перпендикулярна волокнам.

Закономерности рззруеения углепластиков на основе высокопрочных •волокон и стеклопластиков, разрушащихся вследствие растрескивания, . совпадают. К этим закономерности можно отнести пропорциональность между прочностью при сжатии и при сдвиге, линейную зависимость прочности от корня квадратного из пористости, и более низкое значение прочности при сжатии по сравнению с модулем сдвига композита. Это позволяет сделать швод, что и "при отсутствии отверстия кинк в углепластике на основе высокопрочных волокон инициируется продольной трещиной. Это подтверждается переводом к потере устойчивости волокон при г.овышении температуры. С этим согласуется.« низкая реализация прочности волокон в композите, свидетельствундая о тон, что образование кинка не является следствием исчерпания прочности (разрушения! во>гон. Согласуется с этим выводом и известная по литератур«« данным-сильная зависимость прочности углепластика при сжатии от величины внешнего гидродинамического давления. ;' ■

Напротив, разрушение углепластика на основе высокомодульжх волокон происходит при напряжении, близком к пределу прочности волокон. Следовательно, в случае низкопрочных высокомодулы/их волокон кинк обусловлен разрушением волокон (как в органоплзстике). В обоих случаях кинк не связан с потерей устойчивости волокон, которая происходит лишь при повышенной температуре.

Высокопрочные и высокомодульные углеродные волокна весьма различаются во многих отношениях, начиная, от кристаллической структуры, модуля упругости и прочности, и кончая различием механизмов разрушения. 'По этой причине имеет смысл именовать зти еолоксв соответственно

углеродными и графитовыми, подчеркивая тем самым различие их свойств.

В четвертой главе предпринята попытка обобщить результаты первых грёГглав и описать-общие-свойства, механизмов^разрушении при сжатии.

■ В пятой главе онисгны резухь-то: .г^ггмьания разрушения при

одноосном растяжений органонлэстиков из -агзе ^оксидных матриц..

Согнано модели Родена разрушение к?»пз;'.ктз ярс.и'ходйт вследствие

дробления (разрушения» то икон, и прочность килкйита равна прочности

кучка волокон (нити) на не^кт-.'й-мй .шне вокг ш « . П; й>юг.ть .

■ о '

композита при растяжении р^иы -¡»..¿-гй ;.-/<,-..нети пялюи двдней

1С, тпр^ляемой формулой:

, ' .(10} ' !де [I - коэффициент распределении Рсйбу;;ла.

Следует отметить, что распространенное м'»?ние о том,- что Прочность композита равна прочности волокна на неэффективной длине, неточно. Например, для волокон СРМ среднее значение коэффициента р равно 12. и ь{ - 6.5 мм. На отрезки, равные неэффективной длине 5 . дробится одиночное волокно в блоке, матрицы. Напротив, 6 согласии с моделью Розенэ композит должен дробиться на ртррзки,' равные примерно двадцати ■ н- «{^стивным длинам.

^•да-ение реалыН» нро'Ш'Х«» композита с теоретической прочностью

к'-и-|,г'и".->. и. в ч.-;ть'-:ти, ; пруччс ц во-юкон длиноз ¡^ - v.6! кч

> '.рчк!г-птзует с г=?;.?нь шюлыфюний прочности волокон к композите, "•чт-ан '>глчимс.\" »ч -ОДписнтсч реализации прочности волокон К:

= . (II)

гзр тег'ретнче'.к«' г:рп"ность волокон в композите, умноженная нз '"Ч^мну'!' Д"ЛИ ЙОДНОМ.

1; лшянах чи^рКкических координатах зависимость прочности кяти г.Ш н миУ.роплзстикз из нее от мины образцов ь является - линейной. :!-.к': • ,;•;.; / - ;:>=т:-уе! Ве«булла'е = 12.0,-

1!е(.гскчпчл д.-:н «икгопл-гегика и нитн^происходат при ь * 0.15 мк, что близко к теоретическому значению неэффективней дош <5 - 0.3 да. "то свидетельствует о -том, что разрушение органопластика СЗМ/ЗДТ происходит по механизму Розенз, то есть вследствие разрушения.волокон. м,-.х ..уи-^-нин млец органопластика при'содержании волокон СВМ =

60 ofl.% -аналошен механизму разрушения микропластика, о чем свидетельствует высокая реализация прочности волокон в кольцах К = 0.89.

. Одним из наиболее аффективных способов повшёния жесткости и прочности композита является увеличение объемной доли волокон, т.е. снижение доли матриш. Поперечное ■сечение полимерных ьолокон моает быть

• деформировано путем прессования яри повышенно? температуре, чти розеолило B.C.-Головкину получить органопластики, содержащие до IOCS.' волокон. Е.С.Зеленский, А.М.Купермзн и Е.Ф.Х&рченко успешно использовали этот, метод для получения композитов на основн волокон СВМ.

В процессе испытания колец 'с повышенным содержанием волокон ¡75-95 об.*) наблидалось интенсивное растрескивание композита вдоль волокон, которое сопровождалось появлением небольших пиков на кривых канряжение-деформа:шя, При vf = 77% максимальное розрушандее напряжение равнялось напряжению появления первой продольной яреиины. Как 1 (¡дедствйе, прочность композита определялась уже lie столько прочностью -■ волокон, сколько напряжением растрескивания. При vf - 85-90% наблюдался ' -'не рписанкый ранее механизм разрушения, состоящий в ршода?, , 'утрированной продольной щщшой.. Размотка в классическом варианте

• начинается от некоторого дефекта (поперечной трещины). Чапротив, при vf = 05-90% инициирующий размотку дефект (продольная трети), появлялся в

' процессе.нагружения колец,

■ .' На рис.13. приведена бависимость прочности органоида».тика СВМ/ЗДТ при растяжений <т' от объемной доли волокон vf. Прочносп меет максимум В области vf = 85)6. Для сравнения сказана также прямая (2), соотеатст&уэдая модели Розена. При vf = 40-70% экспериментальная Зависимость довольно близка к этой прямой, фи более шсоком содержании ' волокон наблюдается отклонение прочности композита от прямой 2 вследствие смены механизма разруиения от дробления волокон к ; продольному растрескиванию органопластика.

При испытании органопластика Терлон/ЭДГГ (при vf * so%) перед разрушением зачастую наблюдалось растрескивание колец, сопровождаемое появле^ем одного• или двух зубцов на диаграмме о-е. В результате, коэффициент реализации прочности волокон Терлон в композите был равен лидь GCBS. "Низкая стойкость к растрескиванию композита Терлон/ЭДГ по сравнению с СВМ/ЭДГ объясняете.^ более низкой (в Я - 2.5 раза)

трансверсалыгай прочностью композита Терлон/ЗДГ гю сравнению с СЩ/ЭДТ. ---------О, (GPa)_________ .

.0 20 40 во . 80 . 100

V, (%■) . ■"'"'.■

' РисЛЗ. Зависимость прочности органопластика СВМ/ЭДТ при растяжении *>t

от обгечтй .тип волокон vf. I - чкгпэрккент. ?, - правило смеси.

Р композитах на основе крученой нити Армос Нзбладалась размотка • колец, которая начиналась у одшо и, двух концов нити или после обрнва нити у богсъот края кольца. ft* ч? размотки кольиз из'него можно било извлечь практически бездефектны* микропластики длинен до нескольких -прочил то которых доспи т G0-90» их исходной прочности. Иооа^ние ; 'мп°рату[41 приводит к монотонному снижении прочности •органопластика ССАЖ юяуктеи* снижения прочности волокон. Температурная зависимость прочности композита ТерлонДвт жеет. другой характер (кривая на рис.14). 1' ?том случае наблюдается максимум прочности кс«П "зг'1 при я>-яп°С несмотря на.пскбтсиное снюеиив прочности волокон (I) при возрастании температур, Снижение прочности происходит лишь nut Т > Т матрицы. Возрастание прочности композита ТерггнЛЛТ объясняется подавлением растрескивания вследствие пластификации г'лршы при цпниении температуры. ' • •

В шестой главе приведены рззультаты исследоваь.н стойкости " 'стекло-, органо- и углепластиков к росту трещины вдоль i июкон. Трещиностойкость композитов характеризовалась кежсдоевои ызкостьи разрушения gIc, т.е. энергией, рассеиваемой при образов^ни/ новой поверхности. Вязкость разрушении обычно измеряв методом двухкснсольной балки (ДНЕ). Одним Из условий, при котором можно использовать . стзндартшй метод' ДКБ, являетдя слабый изгиб консолей. Это условие шполняется, если испытываемая пластина'достаточно толста. В случае же тонких и низкомодульных пластин изгибом консолей пренебречь нельзя. С цель» учета изгиба консолей' выведена формула для определения вязкости . разрушения: ', ".'' • ■

б1с = ?c{sin + sin «2)/w. 113

где «ги «2 - критические углы изгиба первой и второй консолей . (рис.15), кс - критическая',сила, w - ширина образна.

Формула 12 позволяет определить вязкость разрушения при неравной , толщине консоаей. В случае очень сильного изгиба угол « приближается к

90

sin n = I. и уравнение 12 сводится к формуле:

Glc = 2 Fc/H-

Случай очень сильного изгиба балки.особенно удобен с. »кспериментальной точки зрения, посколы,. » этом с«учаё~"в^7 определяется из силы расслоения и к«р.*ну обраыы.

Рис. 15. Испытание двухконсолдай оалки.

С|Я'аненг.е вязкости разрушения, определенной из уравнения 12 с наннынй «таидарткых методе^, исштания ¡юперечнозрмировзннот стеклопластика СВАН, состоящего из 26 чередупаихся продольных и поперечных слоев (0/90) показало, что разница между "методом угла" (урарненйе 1.2) и стандартными методами измерения 'не превышает 10%.

В образцах, которые внеине выглядели совершенно одинаковыми, то вдали два ра-^итих механизма разрушения. При . первом механизме рост чешины был устой 1ивым через прмюньный слой волокон (0°). При сторон ' ч' ■< ,'НИ1'ме. рост трещины был н»у- 'оГ' н^ш. и она росла скачками между . < ' ••'¡!:>ГИ слоями.

IX йч 1рлин' росла мере-.-: пр.-дольный слой, в кончике трещины ьи^умьно н(Оме):: сь мисчеа«*- кыокон-стрннгеров, соединял®« "кои^'по'г гчые .. тишины. 1'язкость разрушения в не эдюселз от д««и трещины и. гедовэтеяьно, критерий Гриффитса может быть .ис.1и1ьз-ж<и дич спи': 1ния влиянич концентра горов напряжения на продольный рост Гранины. При межслоевом неутойчивом разрушении в к'н ¡иг ■'г;1И!ы г сц>ип1 ;;ги" не Наблюдались. Следовательно, х.-я-.-стер рзг^ и.::! чзви.:ит о г того, рзстет ли 'трещина только Через Матрицу,. или же в. разрушение вовлечены и волокна..

При межслоевом разрушении (рис.16) было обнаружено аномальное лижние' от приращения дчины трещины м -на начальной части.

'. ]1м0с1 ¡1 i р г. >':. й) .

.• ' >Н1СС. : •!■: .-<

uí-и д1. ' Иж/М" np.t

?0.мм итеость.разрушения становится

с гарте и 160 Дж/м^ при остановке

трещины. Снижение вязкости разрушения на начальной части к-кривой можно объяснить.наличием "слабой" межслоееой плоскости. После случайной инициации трещины за пределами слабой (межслоевой) плоскости выход трещины на нее приводит к снижению в1с-

400

300

|. 200

100

О 80 40 60 .80 100

д1- (тт)

• - Рис. 16, . Зависимость вязкости разрушения а1с от приращения длины трещины'ль при межслоевом/росте трещины. '• . '

' ..Среднее значение вязкости разрушения для образцов с мислоевым разрушением, (220. Дж/м2) примерно вдвое ниже, чем при внутрислоевом ' росте трещины (420 Дж/м2). Более низкое значение о1с при межслоевом разрушении объясняется- отсутствием стрингеров, поскольку в этом случае энергия на обрыв волокон-стрингеров не тратится. Для обозначения вязкости разрушения'композита при росте'трещины вдоль волокон принят термин "межслоевая вязкость разрушения". Этот термин применяется т.дае' и при испытании однонаправленных материалов,, хотя рост трещины"в этом .случае заведомо внутрислоевой. Внутрися$эвое и межслоевое разрушения ииеиг существенные различия, обусловленные, в частности, вкладом • волокон •»••■вязкость разрушения. По. »той причина испытание однонаправленных материалов может привести к зашшенив вязкости

в|0 и/тш2) _"

' ■ ■ ШегШт/паг Ггастгс

■—.—I— ., ........ I

истинного межслоевого разрушения. Как следствие, представляется целесообразным различать "внутрислоевое разрушение" и истинное "мекслоевое- рззрушениеМрэсслоение)

Моуждзя достоинства и недостатки №т«дэ "угла"-следует отметить, что он требует фотографирования одр&;ш е процессе лспытания, проявление пленки И измерение углов на негативах.(или фотографиях). В то же время, этот метод имеет и ,£шй ряд прин^-ств. Наиболее,' 'оч'ериднпе преимукество метода согт-;г в еозмогиости испытания тонких пл>.ти!(. Однако ей? более ценно!* • •¡•»чэля^ь точность меюдз, превшенца? точное 1Ь существующих методов. з определи г ь »-кривую

_ существенно более аккуратно, чём сувествуи&ие-«е.аш иаалания. Именно вмкшря зт?му обстчятельсТЕу 'зчмлчвн з5феи аномального снижения <зг на начальной части я-кривой. Точность методе, сСускв^ю дьУии причинами. Го-'первых, сила и угол изгиба измеряется более точно, чем податливость, и, во-вторых,■количестбо точек при этом-методе, лимитируется количеством фотографий (обычно 20-36). а не числом циклов нэгружений/разгружекнй как в стандартных методах испытания. Этот, метод имеет существенные преимущества также при невысокой силе разрушения, когда очень сложно устранить нелинейности йспытзтельной мэшиш, • пбусж-вдатв» "распрямлением" тяжелых, захватов, ,

"Иэтод упв" был ж:|юлк".ч.зн для определения тречиностойкостн тонких тканых пластин стеклопластиков, применяемых для' изготовления лужгронних плот. Межсдл»)" р-^рув. .не было .крайне неустойчивым, и . нязк'.чль разрушения д составляй около I КДж/м2. Если трещина ¡нрк екала стай ткани, то разрушение было устойчивым и вязкость . р.^руй'^ния йиз на ЗЬ% пае. Столь шеокие значения о1с характерны лшь д.¥:я термопластичных матриц и эпоксидных смол, пластифицированных •гначительчым количеством каучукь. Таким образом', стеклопластики 'на основе ткани имеьт знз'"'тельно более шеокуп мегслоебую вязкость ррушение ¡и ср."!'н<Ч(ис как с яногостойными. так'и однонзпрзвленш« ... г "1!о?ито!ми. И«-."! ~сть разрушения вх возрастает в ряду мёжедаевое • разрушение - внутрислоевое разрушение - разрушение тканых композитов. Посче кипячения образцов в течение 6.часов вязкость разрушения • снижалзсь не боли» чем на 5%, если использовались ткани с .;. .' 'иир« тщ '•(ЯН'-тр';; ь'.7т.н8ми. При использовании неэппретированнщ волокон рчл'о. !!- расслоения композита была на 27% ниже, чем в

композите с аппретированными 'волокнами. После кипячения такого композита визуально наблюдалось повеление пластин, и gIc падала примерно в-четыре раза. Следовательно, поверхностная обработка стеклянных волокон влияет на стойкость к влиянию влаги сильнее, чем на начальные характеристики композита.

О' •

I 1000

t ' I

800

: еоо

V ,• .

| 400. 200

л *

о

о го до во .во юо

. I. (шт)

рис ,17. Связь приложенного -рзстягиватего Напряжения р и ~.редней длины ■ "усов"» появнягаихся вблизи отсерстия. диаметром 3 мм. у,; 60-6556. Композита СВМ/ЭЛГ (кривая I), стекло/ЭДГ (2). Армос/ЗДТ ), Терлон/ЗДТ (4) и ЖН-5000Ш (5).

При сжатии углепластика Вблизи отверстия появлялись четыре "уса", ориентированные вдоль волокон. Такие же усы появляются и при • растяжении/ На рисЛ? приведена зависимость растягивавдего напряжения а оТ средней длины ''усов? ь для пяти композитов, различающихся типом волокон/ После появления усов.происходил их рост при. увеличении нагрузки. Сравнение трекиностойкости различных композитов показывает, что напряжение растрескивания возрастает в ряду Терлон - стекловолокно - Армос .-¿Ш - углеволокно'. Стойкость углепластика к растрескиванию столь же ехока, как и у органопластика на ос ною волокон СВМ.

Наименывув стойкость к растрескиванию имеют композита, армированию

волокнами Терлон и стеклянными волокнами. Это объясняет низкий ---------коэффициент_реализации-прочности волокон Тердон при растяжении.

Р седьмой гчзве изложены резуптзта И'-счедо!ания влияния коротких ¡:опер«чйТтр?ю1 на прочность оргэжшэсгиков при растяжении. Поворот трещины на ОС'0 происходит если длин? . г,-, ячны ирьамизет критическое 'значение, в противно» случае рост трещины происходит поперех волокон. Зависимость прочности стекло ¡лютика от ¡Лт»л поперечной трещины С приведена на рис. 10. _ .

О (МРя) :''.•■•..■■

гбоо ' '

2000 1500

¡ООО

500 о

0 01 0.1 . 1

С (mm)

Рж.. 1?. Зависимо' "ь прочности стеклопластика BMI/Ж.от длины трещины С. . .... t

Заелиисп спрямляется в полулогарифмических координатах <*с - liv

г. и •"'чо';' бог- опиина функцией ' " '

о - о М - о In С/С ), (14)

С О • 1 о

где ■> - прочность композита при отсутствии концентратора напряжения, g константа. piBHan с - константа, характеризующая длину

¡••унод п ич»'..ких дебетов. • • . . ' - ■ •

:.Jw wrvrfc прочности органопластика СВМ/ЗДТ от длины трещины С

также описывается логарифмической функцией с коэффициентом я равным 0.10. Снижение прочности тем больше, чем болте показатель степени ч в уравнении 14. Следовательно, органопластик СВМ/ЭДТ имеет более низкую по сравнение со стеклопластиком чувствительность к влиянии треаин.

' Д«я того, чтобы объяснить логарифмическое снижение прочисти композита, получено аналитическое выражение для распределения напряжения перед кончиком тр&шны в предельно анизотропном композите с упругопластичной матрицей:

Г 2то '__С °о • }

а„ * {1 + — 1п --------} (15)

У I ИОо 2Т0УУ2 ♦ (Е/б)х

где то - предел текучести матриш, оо - приложенное растягиващее напряжение,.' е - эффективный модуль упругости при растяжении вдоль волокон, в - модуль .¿дата, с - длина трещины, напряжения, у - ось укладки волокон, х = о - плоскость трещины, х и у - координата точки, в которой определяется напряжение.

Согласно уравнению 15 вблизи' кончика трещины особенность напряжения имеет логарифмический характер. Коэффициент концентрации напряжения в ближайших к трецине волокнах оценивается усреднением напряжения по толаике волокна:

К = 1 * ч 1п (Не/*ч). (16)

где N количество перерезанных трещиной сдоев волокон, и ч определяется формулой: .

: ;' • Ч -~уш. ' (17) :

■ . Коэффишеиг -концентрации Мпряжения к определяется двумя 'безразмерной параметрами: количеством перерезаниях рядов волокон н и параметром ч. характеризуши ¡степень чувствительности композита к влиянию трещин. . . ' . .

Предполагая, что роэдлреацш начинается если напряжение в первом ряду неразрушенных юлокон (достигает прочности волокон <>£. прочность ■ композита можно описать уЫрневдем 14. Это позволяет объяснить •логарЩшческув зависимост^ прочн^ти от дяидо трещины с. Теоретическое значение коэффициента ч перед логарифмом составляет О.И для стеклопластика и О.да для органопластика, что согласуется с экспериментальными значениями этого коэффициента. Более низкая по

сравнению со стеклопластиком чувствительность органопластика СВМ/ЭДТ к влиянию треиин объясняется пониженной прочностью органопластика на "сдвиг вследствие-нмзких-сдвигоЕих. характеристик органоижкон и движением трещины' "по волокну".

Уравнение 15 описывает распределение н-.«|рчжен.',й не только перед трещиной, но и перед цилиндрическим отверстием. Это обменяет отсутствие чувствительности композитов к форме концентратора напряжения. ■ . ■ . ■ .....

В соответствии с уравнениями 1с и f7 увеличение предела текучее»: матрицы приводит к воораешию кешгентраам напряжения вблизи концентраторов напряжения. При наличии микротреишн, эквивалентных нескольким ркдлм разрушенных ютч '«кисимость ..»лшяи коитечта от предела текучести матрицы t имеет максимум. Если ¡¡редел текучести матрицы низок,' то концентрацией нуирягения можно пренебречь., и прочность описывается моделью Роэенэ. Увеличение предела текучести матрицы приводит к уменьшений неэффективной длины волокон и возрастанию прочности композита. С другой.стороны, /фи увеличении, предела текучести матрицы концентрация напряжения возрастает, и происходит охрупчивание композита. Таким образом, увеличение предела текучести (прочности) . матрицы приводит к переходу механизма разрушения от дробления волокон к гьазиурупкому росту трещины. Пиление максимума прочности зависит от рчзм-рэ концентратора напряжения. Чем больше дефект, тем 'более низким . дздгрн i'uTb предел текучести матриц«.

Переход от хрупкою р;гзруш°чия к накоплению разрывов долскон нчет ш-ляй р ¡д аномальных МФгктов. Примером таких эффектов может '»ль воэрлтапир ¡¡"•очи-хти углепластика после нескольких циклов •' югруженин я «и д«" нос я» предварительного удара, а Также экстремальная .^ы.симоиь прочно'. ;,и композита в/аi от величины адгезионной прочности между волокнами и мзтриией. Еще одним-примером являемся возрастание i'.f ^нпос'ги у: ¡¡«на пси уменьаунии скорости на'гружения и возрастание-(;;- чно'Л)! к>»4.п-'и. ' при уяеличении температуры испытания. Все эти ?Мекты объяснят"-я снижением концентрации ■ напряжения при. увеличении тс-мперату! и, снижении .скорости исштания и после нескольких циклов • -' на: сужения. - ■ - . , - .

Перс-л f'p"i<"H трещиной 'появляется зонз пластичности в матрице, ь-.:':нутяя f ^¡¡¡м.«я-нии волокон. При увеличении длины трещины сдвиговые

деформации в зоне пластичности возрастают, приводя к разрушению матрицы и росту "усов". Анализ зависимостей критических напряжений роста "усов" и роста трещины поперек волокон от длины трещины, показывает, что При длине трещины менее 0.5-1 мм онз растет поперек волокон. При достижении критического размера (0.5-1 мм) трещина поворачивает на 90° и растут ■ "усЫ". По; этой причине разрушенные при растяжении композиты оказываются расслоенными на множество мелких фрагментов.

Выводы. Как при сжатии, так и при растяжении наблюдается целый спектр-механизмов разрушения.' При сжатии основными механизмами разрушения являются продольное растрескивание; разрушение волокон,. -потеря устойчивости волокон и расслоение (при наличии дефектов). При растяжении основными .механизмами, разрушения являйся дробление волокон, продольное растаскивание и разиотка. ■

Ь. работе выявлены некоторые признаки, иозвомщие по 'результатам испытаний идентифицировать механизм* разруаения.' Пр.ч сж^гии потеря . . устойчивости волокон происходит вследствие недостаточной жесткости .иатрцш. Двумя'основна«. признакам' этого механизма разруаения яшшмен: I) близость прочности'композита к модулю сдвига кошю-ита и 2) наличие зоны разрушения, перпендикулярной направлении волокон.

. Теоретическим обоснованием этих признаков потери устойчивости .волокон-является полученная Еудякским формула для критического . напряжения образования кинка, ориентированного под углом в к оси иагружрния: ,

' ' "с = Ос ♦ Е1Лд2в, Д1Ь)

где с,ь - модуль сдеига композита, е); - модуль упругости композита при • трансеереальном растяжении. Минимальное критическое напряжение соответствует углу е =. О, и зона разрушения при потери устойчш.ости должна быть перпендикулярна-волокнам. В настоящей работе зоны разрушения были ориентированы перпендикулярно волокнам во всех-случаях, когда происходила, потеря устойчивости волокон. Не подвергая сомнении связь образования кинка с потерей устойчивости волокон, Будянский объяснил образование кинка существованием макроскопического концентратора напряжения. 1) диссертации формула 18 трактуется иначе и делается вывод,- что кинк появляется вследствие разрушения волокон или растрескивания.

Растрескивэние композита вдоль волокон обусловлено низкой прочностью композита при сдвиге и рззориентацией волокон. Ше одним фактором, приводящем- к растрескиванию, служит пористость композита. Наиболее - характерной особенность« _ растрескиваш« является' прямая

пропорциональность между прочностью при сжатии и рочностью гТри сдвигег------------

При растрескивании композита прочность грн сжатии существенно чиже модуля сдвига композита, и наблюдайся р?зк-:ч ?авискмость прочности от . адгезии, пористости и степени разор,и<,нт.1ш.и волокон, Зависимость прочности композита от доли пор списывается .характерной степенной Функцией с показателем 1/2. Б ■ г растрескивание может

приводить к формированию кинка.

Если разрушение композита при сжатии «мяетсй следствием' . разрушения е»>жишн. ¡о матрица: з/г*?и». ««¿ншнмция вэлскон'й пористость- слабь влияет на прочность композита. Гезулштон рззруяения в этом случае, является образование кинка. При разрушении волокон изменение свойств матрицы или адгезии между волокном и матрицей не '. приводят к повышению прочности, однако снижение этих характеристик. может .'стимулировать-растрескивание.'Способы повышения прочности при разрушении волокон состоят в увеличении доли волокон, использовании более прочных волокон, а также' гибридизации композита.

При растяжении обнаружено разрушение, 'инициируемое продольным' рз\ гре',кчивани',м однонаправленных органопластиков-на основе волокон Тер лен и СГМ (при повышенной доле . >локон).,Обнаружена размотка колец, -знииииручш продольным рл трескиканием колеи. В органопластиках на кн'»не ки.-ченоЛ ниги Лрмос наблюдалась размотка композитов на основе »р, «•гчы,-. ни гей, ишашруемэя концами нитей или обрывом нити вблизи края 'ч'разца.' ' ■

Б 1«ст трещин поперек волокон не описывается критерием

ГрпКнтса. Нй1)л»тин, рост трещин вдоль волокон можЛ быть описан критерии ГриФФитс-ч. Смеете с тем, влияние' концентраторов напряжения -на •>! л!".- :1; ./""'ги'. ¡иг '""и ежзтии довольно неожиданно описывается -

от;-:»'* !. чго обусловлена инициацией кинка продольной

гредаой. • - '• ,

Основные результаты диссертации опубликованы в. следупцих работах: >ленский 3.С.Баженов С.Л., Григорян Г.А.,' Пучков Л.В.,

Куперман A.M., Берлин A.A.. 'Маневич Л.И.. Прут З.В'. и-Ениг-олопов И.О., Влияние дисперсии длины lia прочность при растяжения однон^правленних армированных пластиков. ИДИ СССР, t.2C0 ¡I9UI), nS, K№-iU2.

2. Берлин A.A., Турусов P.A., Зслена.ий З.С., Куперман A.M.. Баженов СЛ., Чигорин Г.Г.. Горенберг А.Я., Разрушение полимерных композииионшх материалов с однонаправленной структурой армирования, ■ Тезисы докладов v Всесоюзной конференции по композиционным материалам-, (вып.£). Москва, октябрь Í98I г..100-101.

■ 3. Горенберг А.Я., Куперман A.M.. Пучков Л.В.. .Бакенов С.Л., Асланян A.A., Харченко Е.Ф., Особенности разрушения ирганолдастиксв npi. сжатии. Тезисы докладов на II Всесоюзной ковдьреншы по коюшишюнным материалам, и их применению в народном хозяйстве !ч.Н), 1аллнт. 1UK),

• 99-100. . . .....'■

Бахе> С. Л., Куперман .A.M.. Пучков Л.О .. Зеленский O.e., Берлин.А.'А., Влияние прочности нит.ей и шута; на ц».1;тьа -однонаправленных органоплзстиков, Тезисы докладов ча i I В^шший ' конференции по композиционным материалам и их прймьчец-.ш ь народном . хозяйстве (ч.II). Ташкент» 1983, 110-111.

. -5. Баженов С.Л., Маневич Л.И., Берлин A.A., Пучил. Л.в!', Купц.кан А.М.и Зеленский Э.С,, 0 прочности однонапра&ленного кешоз.ишинногй материала с трещиной', ДАЛ СССР, т.277 (Ш1), 054468.

6. Баженов CJ., №ixeeß'Il.Bi, Берлин A.A., KynepiiiH A.M.', ¡¡учкоь . Л,В;, и Зеленский Э.С., Влиянье дисперсии прочности нитей из прочность . жгута.^органических волокон, pi СССР, т.277. (1984), ПЛ, MO-bíC-,

,7. Баженов С.Л., Куперман A.M., Пучков Л.В., Зеленил.':!.е.. Берлин A.A.¿ .Харченно Е.Ф. и Кульков A.A., Статистический ааяш'

• разрушения органопластиков, Маханика композит, материалов, í1v4), " IOII-IOI7. ■ - •

8. Пучков Л.В., Баженов C.J1., Асланян A.A., Куперман A.M., Горбаткина Ю.А., Берлин'A.A. и Зеленский.3.С., О механизме раз'румтя ' стеклопластика при сжатии,. ДАИ СССР, т.284. (1985) п.2, 349-3')Л; .

■9. Баженов С.Л. и Берлин А.А'., 0 прочности однинапраёденных волокнистых композитов при растяжении. ДАН СССР,.т.2Ü3, (1905) . . 10. Яловега В.М., Баженов С.Л., Берлин A.A., Прут Э.В., Харчен^ Е.Ф. и Кудьков A.A., Влияние крутки на прочность нити и-композита, ДАН' СССР, T.ZH (1985),. 613-617;

П. Яловега B.M., Баженов С.Л.. Берлин A.A.., Купермэн A.M., Зеленский 3.G.. Влияние узлов на прочность органопластика при растяжении, в кн: Механизмы .повреждаемое, ч я прочность гетерогенных • "мзтериагр,- (сод-ред; • A.M. Лексовск'ли.^К,. Хеши рад, 1303), Ui2-iü3. !?. Баженов СJ., Ии«-!В О'. Берлин K'.t, ...поткан НС,'О' чувствительности есдсю-ысшх ксшгишь'ипе.' материалов к сиянии кониентраюров напряжения, в кн: tfe"xy'."-«r; г;-псегдг:;мости и' прочность ¡етероюнннх материалов, (под De.' } .И. -.»скашюги, Ш, Лонишрзд, 1905). ¡,;! !';о. ■ . . . . ,

13. Bazhenov S.L., Киреглчп A.M., :и , "оу L.V., ZelQaskii .B.S., Berlin A.A., On the effect of thf'y-:m rapture plcH74t-ion Scatter" on the strength of unidirectional organic fibpr reinfTc«^ plastics, irr Polyper composites; 1985. Fragile meetings on 'macroraoleculea, Proceedings of 28-th. iricrosymposium on -macronblecules, Prague, July 1985,-p.42-1 .42-2. "..'.''

' 14. Аианян A.A.. Баженов С.Л., Грренберг А.Н.,.Куперман A.M... Берлин А.А.и Зеленский.3.С.. 0 влиянии сгенени армирования на прочность, органопластика при сжатии. ДАН СССР,'291, (I9DG) n5.' ШЗтШ5. '

15. Баженов С.Л., О влиянии дефектов на прочность волокнистых композитов, в кн.: Кинетика и механизмы физико-химических прюиессов. "ерногол 1X0, 85. '

¡о. !-!и>ееа Л.В.. Ьзженое С.Л., .«один A.A.. Куперман A.M., О •■ ' глювш ..»ofiv.i' матрицы на прочность органолластикое при растяжении, ДАН 'От. fit) I120-1122. . . • '

¡7. Bazher.'.v 3.L., Kuperman A.M., Puchkov L.V., ZeZenskii Г. S. , Berli-L A A., o- the effect of the yarn rapture scatter •on the srr?ngfh "f unidire^tional organic fiber reinforced plastics, in: Polymer Composites- (Ed.' by B.S^dlacek), 1986,. Walter de Sruyter ¡¡ Co., Berlin-New York, 487-495.

13'. ?n; .ort'vj H.A., Bazhenov S.L. , Kiiperman A.M., ' 2°lens4ii e.s., The effect of polymer binder properties on the strength of fiber reinforced plastics, in: Crosslinked Epoxies (Ed. by B. Sedlacek'and J.Kahovec); 1987, Walter de Oruyter & .' Berlin-Kew York, 525-532. .. . ' . ' • •

10. Баженов С.Л., Козий L'.D., Куперман A.M.; Зеленскйй 3.C.-,

Берлин A.A., Исследование закономерностей разрушения стекла- и органопластиков при сжатии, труди xiv копф. "Армированные пда-дши-О?". ЧССР, (Карлош Вари. 1987), 230-234. :

20. Баженов С.Л., Берлин A.A., Куперман A.M., Зеленский З.С.. о чувствительности волокнистых композитов i-v влиянии концентраторе;! ' напряжения, труда xiv. конф. "Армирсвашше швстикй-#Г, ЧССР, (Кьрлощ ; Бары, 1987), 247-250,' . ■ '

• Харченкб Е.Ф., Баженов С.Л., Протасов В.Д. и Берлин A.A., с влиянии расслоения на прочность' органопластикой при рзстягаьи;;. Механика композит, материалов, (1987), 345-348.

22.• Zalenskii S.S., Kuperman A.M., ВагЬяг.оу S.L a.rA ' Berlin А.А;, Specific features of the rcech.inic'al bc-havior of .unidirectional fiber. reinforced plastics under coapresajcn, .Proc./vi-th .tern, and II-nd Europian Corf, on Composite Material's, Elsevier Appl. SciA f.ondon, 1987, v.l' 1288-1299.

• 23. Берлин A.A. . Гополкараев ß.A. и Блинов С.л.1 в кн: Фазич«;!:^ .. аспекты прогнозирования разрушения и дефорадрования х^ге^^нних

-материалов (под ред. A.M.•Лексовского, ЭТИ, Ленинград. 1987); 102-112. • '24. Куперман A.M., Бзженов С.Л., Асда'шш A.A., Гирлпн A.A. и. , 'Зеленский Э.С.,, Об особенностях разрешения стеклопластгка при'сжатии. ' ДАН.СССР, Т.298, ¡1988)' 1424-1427.

25. Харченко Е.Ф.; Баженов С.Л., Берлин A.A. и Ку.;ькоь A.A., Влияние условий Отверждения матриш на прочность однонащ. пшенного органопластика при растяжении, Механика композит, материал и. -(Шй), 67-71 /

.. ¿6. Баженов С.Л., Козий В.В., Берлин A.A., Куперман АЛ.,

• Зеленский &С.' и Лебедева О.В.; 0 разрушении однонаправленных пластиког. при зрансеерсальном сжатии, Ш СССР, т.303 (1988), III0-II2I.

27. Козий В.В., Баженов СЛ., Куперман A.M., Берлин A.A.• и Зеленский З.С., Влияние матрицы на прочность органопластикоь при

' сжатии, ДО СССР,. Т.(1988) 62-G4.

28. Bazhanov S.I., Kozey v.v. and Berlin A.A., Compression fracture of organic fibre reinforced pl3sti~3, J. Mater. Sei. , 'v. 24 (1989), 4509-4515. ■' .

29. .^elenskii E.S.',' Kuperman A.M., Puchkov L.V., Bashencv 3.L. The effect of preparation and testing conditions of

laboratory unidirectional specinerm on strength measurement resaJts, Ггос. of the VII-th Intern. Conf. on Сотр. Mater., (ICCM - VII) Г Pergamon Pross-, IntAcad. Publ.China, v.3,

1 934 , ■! "■•..

30. Бакенов С.Л., Тополкараев 3 А. и Гярлин ..Д., Мехаьчами

t азрушеьин и прочнеть полимерных w? гюзг.ог, Журнал менделеевского химическою общества, т.34 (1ЭШ> 53S-5-'Г',.

31. Баженов С.Л.: Козий D P. и Берлин А.А... О влиянии дефектое на прочность органопластикой при сиш, ЛАЙ «VP, Ж, П'.вЭ) J123-25. ,

32.-Купермая -А.м!,.бнигирева Л.д.. У-жий У..?.. Пучков Л.Н., • Блсгав С.."'., Членский З.С. Исследование тючност» армированных шаижш с зависимости or oinovijejiuwrr. гг.гржанмя w,локон » ' . материале. Сб. трудов xv.kokJi. "Ар^рувоачыв плзстаки-бЗ"-, ЧССГ,' (Карловы Бары,' Ы9), чЛ, 144-147. . • ■ ■

33. Баженов.С.Л., Берлин А-,А., Купермэн А.М, н Зеленский З.С.', О корреляции.между прочностью нитей и прочность» .органопластиков при растяжении, Хим.' волокна-, i 1989К'27-23; . • '. '.

34.' Bazhenov S.b. and Berlin A.A., Effect (if a crack bn . strength of fibre-reinforced plastics, J. Mater. Sci., V. .25

( 1990 ) , 3941- 3949■■ ' . . ':.'"'

35. Козий Б.Г... Башыв С.Л.. 1,йрлин А.А., Купермэн A.M., л-..:(. кий. З.С.. О механизме раы.>узкн,1я углепластика при сжатии. Сб.

1рудг.Б vii DcevOBsH. конЬ ш цех*.-.а» полимерных и кьмпозинионкнх налов. Рига. т.2, 1Э90 г.. 2С-2Э.

2ь. КазиЯ t.i:., Баженоь С.Л., Берлин А.А.. Разрушение при сжатии )лнпна!.раьжьннх углепластиков на основе .нового поколения углеродных hjsokoh.'Ймимер.ие композит ы-90. 'Материалы Всесоюзного Лаучни-про^гическоЛ конференции с международным .'участием, Ленинград, 1390, 'тЛ. с.7047; ; ■ . ' .. .

37. Р.мози№.кий А.К., Баженов С.Л. и Зелейбкий' Э.С., Влияние ..•>. ¡^учесги ьл м".д.м;ь'уг.,"!ости волокон СВМ. ВМС; сер.Б, т.32 (1990), с. 437-439. ; . ''■-.'.•.'..■ .:.'..

30. Рого.зинский.А.К., Баженов С.Л., Зеленский Э.С;, Эффект-ползучести на модуль -упругости сверхвысокомодульных волокон,; !!.),;!•» >ц.-ЭР. C.'cf HUK трудов ибилейно'в конф. отделения'полимеров И ко.мпсз;:циоьных магериаюв ИХФ All СССР. Черноголовка, 1991, т.2, .

c.203-207.

39. Bazhenov S.L.. and Kozey V.V., Compression fracture of unidirectional carbon fibre reinforced plastics. J. Mater. Sci., 26 (1991) 6764-6776.

40. Bazhenov S.I., Strong bending in the DCE irtarlaainar test of thin, E-glàss "woven-fabric-reinforced laeinatos,

' Composites, v.22, (1991)", 275-280.

••41'. Bazhenov S.L. and Kozey V.V., Transverse compression fracture of unidirectional fiber reintorçed plastics, J. . Mater. Sci., 26 (1991). 2677-64.

42. Puchkov l.V, and- Bazhenov S.L., Effect vi . longitudinal splitting on tensile strength of"unidirectional araÉiçl fiber reinforced plastics,."3. Coiiip Mater, v.26 , (1992) 1402-1426, ,

■43. Rogozingjcy A.K.' and Bazhenov S.L. , Effect of creep on the Youpg modulus of aramid fibers, Polyiner v. 33, (3992 ), ' 1391-1398. , : •

.44. BashenoV S.t. , Ku'perman A.M. , ZelenskU E.S. , and . .Berlin A.K., Compression fracture of unidirectional '. ' glass-fiber reinforced plastics, Composites Science and

Technology, v.4&; f 1392),. 201-208.. ' ' 45. Chen F., Bazhenov S., Hiltner A., and Bder E., . Compressi\fe failure of-unidirectional glass fibei reinforced Hytrel conjpjpsites in flexural deformation, in:.'Prb. sedincjs of 5<3-tIi> Annual Technical Conference, Society of Plastic ■ Engeiieeriag (19-92'), v.l, 836-839.

46, dhen Bazhenov S., Hiltner A., and Baar E., Flexural failure mechanisms in unidirectional glass

fibre-reinforced thermoplastics, Cpmposites, v.25, (199!) . 11-20. .''•'■ , . " . . • ■

47. Chen F"., Bàzhanbv S.. Hiltner A., and Baor. E., Transition in flexural microbuckl.ing mechanisms in unidirectional glass fiber' reinforced thermoplastics, Composites, y.25," (1994) 21-26.

48:'Bazhenov S., Li J.X. , Hiltner A.., and Baer E., .Ductility in filled polymers, J.Appl.Polyi'.Sci. , v.52, (1994),

п.2, 243-254.

------49,-Бахенов CJ., (£литти К., Хитер к., Баер Э., Механизм

расслоения в мультислоистых композитах мл^рШТэтчтирол-акридонит-— рилмий сополимер, ПС. сер.А. т.Х, (№«,■, 4Г-474.

50. Bazhanov s.L., Interlaminar and intralaminar fracture modes in 0/90 ci oss-ply glass/etony laisi'nate, Composites, v.26, (1995), 125-133. .

51. Bazhenov S.I,.. , The effect. >•! 'partirlee or* failure modes of filled polymers, Polymer Engineering and Science, 7.35 (1995), 813-822 .

(pM'