Высокоскоростной удар и динамическое нагружениекомпозитных материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

4 5 ^

О \ДЬ1 -

и " Российская Академия Наук

Сибирское Отделение Ордена Трудового Красного Знамени Институт Гидродинамики им.М.А. Лаврентьева

На правах рукописи

Пластинин Андрей Валентинович

Высокоскоростной удар и динамическое нагружение композитных материалов

(01.04.17 - Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск — 1995

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Институте гидродинамики им.М. А. Лаврентьева СО РАН

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

В. В. Сильвестров Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Корнев В. М.

Федоренко А. Г. Ведущее предприятие: НИИ специального машиностроения

МГТУ им Н. Э. Баумана, Москва

в ! О часов на заседании Специализированного Совета Д002.55.01 при Институте гидродинамики им.М.А. Лаврентьева СО РАН: 630090, г.Новосибирск, пр. Лаврентьева, 15.

кандидат физико-математических наук

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института гидродинамики СО РАН

Автореферат разослан " " _ 1995 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета доктор технических наук

И. В. Яковлев

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования динамического деформирования композитных материалов и высокоскоростного удара по ним связана с использованием композитных материалов в качестве элементов современной техники, в том числе, в авиакосмических конструкциях, которые подвергаются воздействию динамических нагрузок. При этом практически единственным источником информации о механических характеристиках, характере разрушения таких материалов при высоких скоростях деформирования и удара являются экспериментальные исследования.

Цель работы. Получение данных по высокоскоростному удару в диапазоне скоростей удара от 1 до 11 км/с для ряда эпоксидных слоистых композитных материалов, а также экспериментальное исследование влияния высокой скорости деформирования ~ 100-1000 с-1 на механические упругие и прочностные характеристики этих материалов.

Научная новизна. Установлено, что при изменении скорости деформирования е от 10~3 до 1000 с-1 прочность и предельная деформация возрастают от 1,5 до 3 раз для всех исследованных слоистых композитных материалов. Модуль упругости при этом не меняется. На примере изотропного дисперсно упрочненного композита (сферопластика) показано, что при высоких скоростях деформирования может измениться также характер деформирования и разрушения: хрупкий в статике, материал становится вязкотекучим в динамике.

Морфология области разрушения слоистых композитов при высокоскоростном ударе существенно отличается от наблюдаемой для упруго-пластических металлов: образуются узкие, относительно глубокие каверны и дополнительные зоны разрушения, с площадью, существенно превышающей площадь собственно каверны. Основные эмпирические зависимости, установленные ранее для металлов: эффективность кратерообразования от твердости мишени, влияние размера ударника, его плотности и скорости, а также влияние прочности мишени на глубину кратера в полубесконечной мишени могут использоваться для оценки результатов удара для композитов.

Практическая ценность результатов заключается в том, что они могут быть использованы как основа при построении теоретических динамических моделей деформирования и разрушения эпоксидных композитных материалов, а также для оценки -размеров зон разрушения в этих материалах при высокоскоростном ударе.

Апробация. Результаты работы докладывались на:

1. 10-й Всесоюзной конференции по численным методам решения задач теории упругости и пластичности, Красноярск, 1987.

2. 4-ом Всесоюзном совещании по детонации, Телави, 1988.

3. Республиканском семинаре "Прочность и формоизменение элементов и конструкций при воздействии физико-механических полей", Киев, 1990.

4. Школе-семинаре по взрывным явлениям, Алушта, 1990.

5. 1-ом Международном семинаре-выставке САБАМАТ-92, Томск, 1992.

6. Международном симпозиуме по динамике удара. Пекин, Китай, 1993.

7. Международной конференции "Ударные волны в конденсированных средах". Санкт-Петербург, 1994.

8. Международной конференции "Проблемы защиты Земли от столкновения с ОКО (8РЕ-94)". Снежинск, 1994. •

9. Симпозиуме по высокоскоростному удару. Санта Фе, США, 1994.

10. 9-ой Международной конференции по механике композитных материалов. Рига, Латвия, 1995.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ. Объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения, содержит 90 страниц, включал 45 рисунков, 1 таблицу, 68 библиографических ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Применение композитных материалов, армированных направленными элементами (ткань, нити и т.п.), в изделиях современной техники непрерывно расширяется. Особое значение имеет применение композитных материалов в изделиях автомобильной, оборонной и авиакосмической техники в тех случаях, когда приоритетными параметрами конструкций является их малый вес, высокие удельная прочность и жесткость элементов. Отличительной особенностью применения композитов в этих областях техники является возможность интенсивного динамического, ударного воздействия на них при скоростях взаимодействия от единиц м/с (столкновение автомобиля с преградой) до десятков км/с (удар метеорита или частицы космического "мусора"). При ударе композитный

материал подвергается нагружению со скоростями деформирования от единиц до миллионов обратных секунд.

В связи с этим возникает ряд вопросов, например: каково влияние высоких скоростей нагружсния на прочность и упругие свойства композитных материалов, как меняется при этом характер деформирования и разрушения, каковы характер разрушения и, конечно, размер зоны разрушения при высокоскоростном ударе, как влияют условия высокоскоростного столкновения и материал преграды на результаты удара?

С ответами на эти вопросы и связана настоящая работа, в которой экспериментально изучается поведение композитных материалов при различных динамических воздействиях. Применительно к ряду эпоксидных композитов с различной структурой армирования рассмотрено влияния скорости нагружения в диапазоне от ~ 100 до 3000 с"1 на упругие и прочностные характеристики, характер деформирования и разрушения. Проведено исследование удара высокоскоростной стальной и стеклянной частицей со скоростью от 1 до 11 км/с по этим же материалам.

В первой главе приведен обзор существующих методов изучения динамического деформирования композитных'материалов, основных полученных результатов и обзор исследований по высокоскоростному удару по композитам.

Во второй главе приведены данные по нагружению композитных материалов на основе эпоксидной смолы при скорости деформирования е ~ 101 -т-103 с-1. Композиты исследовались при одноосном сжатии под различными углами относительно направления армирования по методике разрезного стержня Гопкинсона (РСГ) и при одноосном растяжении по методике расширяющегося кольца, динамически нагружаемого -изнутри. Определялись динамические предел прочности Л, модуль упругости Е и предельная деформация разрушения естм.

На сжатие испытывались материалы с эпоксидной матрицей: 1) сферопластик, изотропный композит, на основе полых стеклянных микросфер диаметром 20 -г- 80 мкм, плотность ро = 0,63 г/см3; 2) однонаправленный стеклопластик, армированный нитью 010 мкм, ра = 1,95 г/см1; 3) электротехнический слоистый стеклотекстолит СТЭФ, структура армирования - жгутовая стеклоткань полотняного переплетения, толщина слоя ~0,3 мм, ра = 1,85 г/см3; 4) органостеклотексто-лит, слоистый материал, основу ткани для которого составляют стеклянные, а уток — арамидные волокна, ро = 1,6 г/см3; 5) углепластик, материал, состоящий из однонаправленных слоев с укладкой (±45) пг, Ро = 1,4 г/см3; 6) слоистый стеклотекстолит СТ-1, структура арми-

рования - жгутовая стеклоткань полотняного переплетения, материал матрицы - фенолформальдегидная смола, толщина слоя ~0,15 мм, р = 1,71 г/см3.

Корректность применения методики РСГ для испытаний композитных материалов вызывает некоторые сомнения, так как размеры образцов сравнимы с характерными размерами структурных компонент, что нарушает однородность распределения напряжений и деформаций как по длине, так и по сечению образца. Ранее было показано, что ошибка в интерпретации состояния образца как одноосно-напряженного и равномерно деформированного зависит от отношения длины образца к его диаметру L/d (Дэвис, Хантер, 1963). Обычно для экспериментального определения такой ошибки проводят серию опытов при различных L/d (Линдхольм, 1964). При изменении размеров образца из композита изменяется и число слоев или других структурных единиц, поэтому серия опытов при различных L/d позволяет решить вопрос о применимости метода РСГ к испытываемым композитным материалам. Таким способом при изменении Ljd в диапазоне 0,2-1,0 было показано, что методическая ошибка в определении динамической диаграммы сжатия для исследованных композитов не превышает ±5%.

Большую ошибку (10-20%) в определение модуля упругости Е и предела прочности на сжатие R~ вносит разброс данных вследствии статистической картины разрушения композитов. Поэтому проводилось усреднение измеряемых величин по результатам 10-20 опытов. Образцы были выполнены в виде цилиндрических таблеток с оптимальным отношением L/d = 0.5 (d — 6-16 мм, L = 2-8 мм) и вырезались для испытаний на сжатие в трех направлениях в плоскости армирования - 0°, 90° и 45°, а также в направлении, перпендикулярном слоям стеклоткани (-L). Экспериментальные величины пределов прочности в продольном R0, поперечном Rgg и в диагональном Д45 направлениях использованы для вычисления по формулам статической теории прочности направленных стеклопластиков предела прочности Rv при любом угле <р по отношению к волокнам и построения динамических круговых диаграмм.

Для всех исследованных материалов, кроме сферопластика, характерна линейная упруго-хрупкая форма а—е диаграммы. При нагружения поперек слоев или волокон имеет место небольшая кривйзна диаграммы, отражающая нелинейную упругость материала матрицы.

Однонаправленный стеклопластик ЭФ-32-201. При сжатии материала перпендикулярно волокнам модуль упругости Е± близок к динамическому модулю эпоксидной смолы Ематр (7 и 5 ГПа, соответственно).

Показано, что разрушение происходит по материалу матрицы, и волокна остаются практически целыми. Оценка прочности ~ 200 МПа в предположении, что поверхность разрушения проходит по смоле, хорошо согласуется с экспериментальным значением Н2 ~ 220 МПа..

При нагружения вдоль волокон модуль упругости Ед = 36 ГПа и близок к модулю, определенному по "правилу смеси" Е« иЕ,0Л + (1 — I')Ематр = 38 ГПа для объемного содержания волокон V = 47%. При разрушении материала разрушаются и армирующие волокна.

Для продольного и поперечного направлений соотношения пределов прочности и модулей упругости таковы: Щ ~ 57?2 и Ео и 5Е±, предельные деформации етах по обоим направлениям практически совпадают (3,4 и 3,5 %).

Стеклотекстолиты. При переходе от однонаправленных к тканым материалам картина разрушения меняется вследствие того, что волокна в отдельном слое хорошо связаны между собой. Прочность слоев на отрыв оказывается меньше, чем адгезия к отдельному волокну, и материал СТЭФ при испытании по схемам 0° и 90° разрушается при <г и 430 МПа, распадаясь при этом на стопку отдельных слоев. Модуль Ео « 19 ГПа, в два раза меньше, чем для однонаправленного стеклопластика. В предположении, что модуль определяется волокнами, расположенными по оси нагружения, оценка по "правилу смеси" дает Ео = 18 ГПа и практически совпадает с экспериментом.

В опытах на сжатие перпендикулярно слоям прочность тканого стеклопластика, наоборот, возрастает по сравнению с однонаправленным. Образцы, как и в случае ЭФ-32-201, разрушаются по плоскостям наибольших касательных напряжений под углом ~ 40°, однако в дан-дам случае эти плоскости пересекают волокна. ~ 860 МПа, что в 2 раза больше, чем при испытаниях параллельно волокнам (рис.1), етах возрастает до 10%. К сожалению, не существует простых методов предсказания прочности тканого композита. Тем не менее ввиду того, что поверхность разрушения - плоскость, т.е. на разрыв работает только половина волокон (основа или уток), "правило смеси" дает удовлетворительную точность: 800 МПа при 860 МПа з эксперименте.

Стеклотекстолит СТ-1 обнаруживает анизотропию прочностных и упругих свойств и чувствительность прочности к скорости деформирования, как и СТЭФ. Количественные характеристики для СТ-1, ввиду менее прочного материала матрицы и почти вдвое меньшего содержания стекла, оказываются примерно в два раза меньше, чем для СТЭФ.

Органостеклотекстолит. Материал в качественном отношении

Рис. 1: Зависимость механических характеристик от угла нагружения для стеклотекстолита СТЭФ. • - динамика, е « 50 -г 1000 с-1, © - статика, — - кривая расчитана по аналитичской зависимости (Тарнопольский, 1966).

очень похож на СТЭФ, да и количественные характеристики этих композитов (кроме прочности в направлении армирования), ввиду примерно равного содержания волокон, довольно близки. Модуль упругости при сжатии в направлении арамидных волокон Ео ~ 20 ГПа больше модуля в направлении стеклянных волокон Едо и 15 ГПа. Т.к. разрушение материала при нагружении в плоскости армирования определяется сцеплением слоев, прочность в обоих направлениях практически совпадает До и « 260 МПа. Прочность органостеклопластика « 900 МПа примерно равна для СТЭФ.

Углепластик обнаруживает такую же анизотропию механических свойств, что и стеклотекстолит, за исключением того, что для углепластика Щ ~ ~ 350 МПа. Поверхность разрушения и в том, и в другом случае проходит, минуя волокна, по материалу матрицы. Меньшая деформативность углеродных волокон приводит к уменьшению предельных деформаций в плоскости армирования до Ец и 1,6%. В поперечном направлении предельные деформации почти достигают значений, характерных для эпоксидных стеклотекстолитов - е±_ « 7,5%. Применение низкомодульных углеродных волокон обуславливает невысокое значение продольного модуля композита Ео и 20 ГПа. Модуль в перпендикулярном направлении Е± « 7 ГПа близок к динамическому модулю эпок-

•сидной смолы, как и для стеклотекстолитов. Особенностью композита является также большая выделенность направления под 45°: если стск-лотскетолиты при таком направлении нагружения оказываются менее прочными в 2 раза, то углепластик - в 4- 8 раз.

Сферопластик ранее исследовался только при статическом нагру-жснии (Дюренс, Хоффман, 1969; Баев и др., 1987). Было показано, что деформирование композита соответствует типично упруго-хрупким материалам. При гидростатическом сжатии предел прочности связан с массовым разрушением микросфер.

7.5 6

4.5

3

1.5

О 2 4 6 8 10 12 14 Рис. 2: <Т-£ диаграмма сжатия сферопластика при различных е, с"': 2700 (•); 1600\р)'. 800 (о); 10"2 (—); 10"" (---).

На рис.2 приведены сг-е диаграммы сжатия сферопластика при разных е. При квазистатическом сжатии композит остается в стеклообразном состоянии вплоть до разрушения при и 4%. При увеличении £ до 800-г 3000 с-1 сферопластик переходит в состояние вынужденной эластичности и по достижении предела вынужденной эластичности в вязкотекучее состояние, характеризующееся релаксацией напряжений при необратимом росте деформаций до 15-25%. Для материала Матрицы, эпоксидного компаунда, характерен переход в вязкотекучее состояние и в динамических, и в квазистатических испытаниях (1лп(1Ьо1т, 1964). Увеличение £ от Ю-2 до 103 с-1 приводит к росту прочности и модуля упругости почти в три раза. Ввиду большого (около 60% по объему) содержаниям сфсропластике стеклянных сфер и отсутствия скоростной чувствительности для стекла влияние £ на прочностные и упругие характеристики сферопластика существенно слабее: предельное напряжение при переходе от квазистатики к динамике возрастает только в 1,5

раза.

В динамике при разрушении сферопластика поверхность разрушения проходит по материалу матрицы, скорее всего по адгезионному слою, и большая часть микросфер остается целой. Этот факт находит косвенное подтверждение в экспериментах по испытанию образцов из сферопластика, предварительно подвергнутого гидростатическому сжатию до давлений рпред — 0.23-гО.91 <7г, тдеаг -предел гидростатической прочности. Такое предварительное нагружение существенно влияет при давлениях рПред > О.боу на прочность композита при статическом одноосном сжатии (Давыда, 1988). В то же время поведение такого материала в динамике практически не отличается от исходного.

Динамическое растяжение трубчатых композитов. Применена техника, метод расширяющегося кольца, использующая взрыв ВВ в воде и позволяющая испытывать материалы на растяжение (Daniel et al, 1981). Одноосное нагружение тонких колец большого диаметра изнутри позволяет испытывать материалы на растяжение при è = Ю2 -ï-103 с-1.

Были исследованы два типа однонаправленных волокнистых композитов с углом намотки 0°: стеклопластик на основе стекловолокна ВМ и связующего ЭДТ-10 и органопластик на основе органоволокна СВМ и ЭДТ-10. Для сравнения полученных динамических значений с квазистатическими данными были проведены статические испытания в постановке, аналогичной динамическим: кольцо из исследуемого материала нагружалось внутренним гидростатическим давлением.

<7, ГПа.

а sA

s

g, %

о

2 1

0

СГ, ГПа

g, %

V 2 3 4 0 1 2

Рис. 3: с-е диаграммы при статическом (•) и динамическом (о, среднее по е в диапазоне 200-400 с-1) растяжении колец из мотанных стеклопластика (а) и органопластика (б).

На рис.3 приведены а-е диаграммы для стекло- и органопласти-ков. В пределах погрешности диаграммы растяжения обоих материалов в диапазоне е ~ Ю-4 -Ь 103 с-1 являются прямыми и характеризуются наклоном, модулем упругости Е, не зависящим от скорости деформиро-

вания. Предельная деформация епр в динамике в 1,5-2 раза выше уровня предельной деформации в статике.

Характер разрушения композитных колец в динамике отличается от картины разрушения при испытаниях в статике прежде всего большей величиной зоны разрушения, охватывающей практически всю оболочку, в то время как в статике наблюдается 1-2 трещины. При этом оболочка разделяется как бы на отдельные кольцевые элементы, которые помимо высыпания связующего разорваны по образующей в нескольких местах.

На рис.4 приведены значения максимальной деформации в зависимости от скорости деформирования. Представленные результаты получены тремя различными методами: при помощи гидропневмоударни-ка (Демешкин, 1990), вышерассмотренной методики и при нагружении трубчатых оболочек изнутри продуктами взрыва ВВ (Степаненко и др., 1993). Видно, что имеет место существенное увеличение е„р для обоих материалов с ростом е. Этот вывод подтверждается также экспериментами, в которых динамическая деформация превышала предельные значения для статики, но не достигала епр в динамике. В этих экспериментах кольца из композитов остались целыми.

Епр, %

а

> А

£, с

10

ю2

103

104

1- ■

б

>лд

Ч

Ад

£, с

-1

10

ю2

103

ю4

Рис. 4: Зависимость разрушающей деформации епр от характерной скорости деформирования £ для мотанных образцов из стеклопластика (и) и органопластика (б). Знак <— соответствует статическому значению е„р. (•) — гидропневмоударник; (Д) — данные автора; (□) — нагружение взрывом ВВ в воздухе.

Влияние скорости деформирования. В тех случаях, когда известны статические характеристики, для всех исследованных материалов наблюдается увеличение прочности при неизменном модуле упругости при изменении е от Ю-4 до 103 с-1 от 1,5 до 3 раз. Эффект связан с увеличением сдвиговой прочности вязкоупругого материала матрицы (1лш1Ьо1т, 1964) и, соответственно, с уменьшением способности материала течь при высо-

4

□

а

3

2

ких ё, ввиду меньшей подвижности на уровне отдельных молекулярных цепей материала матрицы. В результате уровень локальных напряжений. деформаций и скоростей деформирования существенно выше, чем на макроскопическом уровне при квазистатическом деформировании. Опре-" деленный вклад вносит уменьшение скорости распространения волн разрушения (трещин), связанное с тем, что при высокоскоростном деформировании происходит адиабатический локальный разогрев материала матрицы, приводящий к затуплению носика трещин. В итоге прочность на границе волокно/матрица может эффективно увеличиваться. Рост прочности армированных материалов при сжатии может быть связан с более высоким уровнем нагрузки, требуемой для потери устойчивости волокон (или микросфер, в случае сферопластика) и определяемой модулем сдвига материала матрицы. Если величина локального модуля сдвига существенно увеличивается, то увеличиваются критическая нагрузка при потере устойчивости отдельных волокон, и, соответственно, кажущаяся прочность композита. При разрушении единичного волокна происходит затухание влияния этого разрыва на определенной (т.н. неэффективной) длине из-за сдвиговой прочности матрицы. При увеличении прочности матрицы область влияния разрыва уменьшается. Модуль упругости композита при нагружении вдоль волокон определяется, модулем волокон, который практически от ё не зависит.

В третьей главе приведены данные по высокоскоростному удару по эпоксидным композитам: стеклотекстолитам двух типов, органопластику, состоящему из однонаправленных слоев с укладкой (±60,0, 90, ±60) пг {ро = 1.29 г/см3) и углепластику. Использовалась взрывная техника ускорения твердых частиц (Титов и др., 1968): с помощью трубчатого заряда мощного ВВ стальные и стеклянные частицы диаметром d — 4.5-0.5 мм ускорялись до скорости v = 1-11 км/с.

Морфология кратера. На рис.5 приведено схематическое изображение кратера. Отметим наличие в центре кратера каверны, зоны полного разрушения мишени с выбросом материала. Если для металлической мишени форма каверны близка к полусферической с характерным отношением глубины к диаметру p/D ~ 0.5, то в стеклотекстолите образуются узкие, удлиненные каверны (p/D ~ 2 -i- 4 для СТЭФ), что указывает на компактность ударника в процессе -внедрения и слабое радиальное течение материала мишени. В плане каверна имеет не круглую форму, а крестообразную форму с лучами по направлению волокон. Внутренняя поверхность каверны неровная, что обусловлено высыпанием части материала матрицы и множественными разрывами стеклянных волокон.

Рис. 5: Схема кратера в пробитой (а) и полубесконечной (Ь) мишени из слоистого композита. /-каверна, 2 -зона частичного разрушения, 3, .¿-верхний и нижний "белки"

Ввиду неопределенности границ каверны измерить диаметр кратера О с достаточной точностью не удается. Однако глубина каверны р определяется с точностью ~ 0,1-0,2 мм.

На разрезах кроме каверны 1 наблюдаются еще две зоны разрушения. Одна — вблизи контура каверны: материал матрицы в этой зоне 2 пронизан сетью трещин и частично разрушен. Ее диаметр Г>2 в 3 4 раза превышает диаметр каверны £), а контур напоминает форму кратера в пластической преграде. Зона 3 по плоскости мишени ограничена контуром "белка", и связана с воздействием на материал мишени расходящейся от точки удара волны сжатия и конической волны разгрузки со стороны свободной фронтальной поверхности мишени. Здесь слои сохраняют целостность, но наблюдаются внутренние рассслоения.

Отдельные слои ниже дна каверны практически не деформированы, что указывает на полное отсутствие стадии пластического послете-чёния, характерной для металлических преград.

Удар стеклом. Кроме естественного уменьшения относительной глубины внедрения, отметим особенности морфологии кратеров, наблюдаемые при ударе стеклянными частицами: 1) профиль зоны 2 вокруг каверны в большей степени близок к полусфере; 2) входной диаметр относительно больше, И/в, ~ 2 4 (в то время как для стального ударника И/й ~ 1 -т- 2,5). Без сомнения, это связано с интенсивным разрушением стеклянного ударника уже на начальной стадии внедрения даже при самых низких скоростях ~ 1 км/с----------------- --------- --------------------

Пробивание. На рис.6 приведены данные по зависимости предельной толщины 6 от скорости удара для стальных и стеклянных частиц. Данные приближены уравнением б/в, ~ Щ ■ (А ■ ьа , где р плотность ма териала ударника в г/см3, V в км/с и К1 - константа для материала

1(É 6" '

6-

2-

t>

v, км/сек

i ' 4 ' ¿"ïo"

I ' i и

Рис. 6: Зависимость предельной толщины от скорости удара. • - сталь/СТЭФ, О -сталь/СТ-1, о - стекло/СТЭФ, < - сталь/Д16 (Титов, Фадеенко, 1972), с> - стекло/Д16АТ (Титов и др., 1977). 1,2 - Sfd = 0.8 • (Н2/3.

мишени. Формула Фиша-Саммерса (Cour-Palais, 1987) са = 0.875 плохо обобщает результаты для СТЭФ, возможно, за счет иного определения понятия предельной толщины. Хорошее соответствие получается при а = 2/3 (Титов, Фадеенко, 1972). Описание результатов для стеклянных частиц с ¡3 = 0.5 (формула Фиша-Саммерса) или /3 = 1/3 (Титов, Фадеенко, 1972) также не проходит. Для СТЭФ необходима более сильная зависимость от плотности ударника: /3 = 2/3. Для менее прочного СТ-1 необходимо увеличение Kt до 1,1. Таким образом, для стеклотекстолитов наблюдается более сильная по сравнению с металлами зависимость 3/d от плотности ударника и прочности мишени.

Удельная энергия кратерообразования. Определялся дефект массы стеклотекстолитовых мишеней Дтп, характеризующий удельную энергию кратерообразования E/V, где Е - энергия ударника, V - объем кратера. Для металлических преград E/V связана с твердостью по Бринеллю Нв зависимостью Фельдмана (Эйчельбергер, Кайнике, 1967): E/V = 2.6 • Ю-2 ■ Нв, где Нв - в 107 Па. Данные для стеклотекстолитов: EfV = 0.5-1.7 кДж/см3 при H в = 36-80 МПа, находятся в хорошем согласии с этой зависимостью, что, возможно, отражает единство механизма поглощения энергии ударника в материале мишени при высокоскоростном ударе независимо от его структуры и свойств.

Масштабный эффект. Влияние размера ударника на глубину кратера p/d, при примерно постоянной скорости удара 5-5,5 км/сек рассмотрено для преград из СТЭФ при изменении диаметра стальной частицы от 4,5 до 0,9 мм. При уменьшении размера частицы глубина каверны

уменьшается на ~1 калибр. Обработка результатов измерений дает зависимость p/d — 3,5 • (Рлз (d - в мм). Значение показателя степени -промежуточное среди найденных ранее для других материалов: от 0,06 для пластичных сплавов до 0,2 для хрупких горных пород и стекол (CourPalais, 1987). Обычно масштабный эффект связывается с зависимостью прочности материала мишени от скорости деформирования и с плавлением. С этой точки зрения^ стеклопластик - хороший кандидат на наличие масштабного эффекта: во первых, из-за зависимости предела прочности от скорости деформирования и, во вторых, ввиду невысокой температуры плавления материала матрицы.

Зависимость глубины кратера от скорости удара. Результаты представлены на рис.7. Формальное приближение данных зависимостью

1977). р/й: 1- 1.26-и2/3, 2- 1.48 ••у2'3, 3 - 0.74 • и0-67, 4 - 0.62 • и2/3.

р/й ~ ьа дает <а> = 0,66. Поэтому для описания зависимости от V для стальных и стеклянных частиц была выбрана формула Чартерса -Саммерса с а = 2/3:

(1)

Здесь 5( - характеристика материала мишени, динамическое прочностное сопротивление материала внедрению ударника. Прямые 1,2 на рис.7а получены методом наименьших квадратов с использованием формулы (1) для пар сталь/СТЭФ и сталь/ЭД-20 соответственно.

Влияние плотности ударника. Согласно (1), p/d ~ (р ■ к)2/3. Прямая 3 на рис.76— наилучшее приближение результатов зависимостью

p/d, ~ г;0 57, а прямая 4 — предсказание результатов удара при найденном в экспериментах со стальным ударником 5t. Согласие расчета по (1) с экспериментом хорошее. То есть, формула (1) позволяет достаточно хорошо для стеклотекстолита описать влияние скорости ударника, его плотности и прочности мишени, в качестве которой используется величина, пропорциональная твердости материала мишени Нв-

Аномальное поведение при максимальной скорости удара. При увеличении скорости стальной частицы до 10-11 км/с глубина каверн в СТЭФ уменьшается на 1 калибр по отношению к экстраполированному значению из области более низких скоростей. Дополнительно наблюдаются следующие особенности: сильное почернение "белков" со стороны удара, четко выраженный конический вход у каверны, что указывает на более интенсивный выброс материала мишени. В соответствии с оценкой, удельная энергия за фронтом УВ достигает 20-25 кДж/г (ударное давление — 1.5-2 Мбар), что в 5-8 раз превышает оценку энергии испарения для эпоксидной смолы. Возможно, реализуются условия для частичного испарения материала матрицы при разгрузке.

Белки. При ударе высокоскоростной частицей на поверхностях мишени наблюдаются еще две области разрушений. Первая, со стороны удара включает: зону откола толщиной в 1-2 слоя материала с поперечным размером для СТЭФ ~ (4 4- 6)d (для нетканых композитов (органо-пластик и углепластик) эта зона существенно больше и резко вытянута в направлении армирования) и зону внутренних повреждений и отслоений. Для полупрозрачного СТЭФ последняя проявляется как примерно эллиптическая область побеления ("белок"). Направление осей эллипса совпадает с направлениями основы и утка армирующей ткани, а относительные размеры его осей коррелируют с коэффициентом армирования по основе и утку. Площадь этой зоны в десятки раз превышает площадь входного сечения собственно каверны и ударяющей частицы. Аналогичный "белок" наблюдается и на тыльной поверхности мишени, если она не очень толстая (£ < 28).

При изменении кинетической энергии ударника Е от 20 до 5230 Дж суммарная площадь "белков" Sw для СТЭФ изменяется от ~ 0.5 до 18 см2. Размер "белка" удается обобщить зависимостью Deq = (5,6 ± 0,5) • \/Е, где Deq, мм - эквивалентный диаметр Deq = -у4 • Sw/v. Для углепластиков с однонаправленной укладкой волокон в слоях при сквозном пробое наблюдается более сильная зависимость площади поверхностных разрушений от энергии удара: Deq ~ \ГЁ (Christiansen, 1987), что, безусловно,

связано с различием в структуре армирования материала.

На рис.8 приведена зависимость эквивалентного диаметра "бел-

2-

£)е?, см.

/К

©

Л г/8

1 2

Рис. 8". Эквивалентный диаметр "белка" в зависимости от относительной толщины мишени 1/8 при различной энергии удара. Ударник: ф - сталь, V = 3 км/с, Е = 138 Дж, • - сталь и стекло, 4.8-7.8 км/с, 58-65 Дж, А - сталь, 11.2 км/с, 87 Дж.

ка" для стеклотекстолита СТЭФ от относительной толщины мишени 1/Ь для различных значений кинетической энергии ударника. Наблюдаемый максимум соответствует максимуму доли энергии ударника, расходуемой на образование зон внутренних повреждений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При помощи двух методов: методики разрезного стержня Гопкинсона (испытание материалов на одноосное сжатие) и методики расширяющегося кольца, динамически нагружаемого изнутри взрывом ВВ (испытание материалов на растяжение), выполнено исследование влияния скорости деформирования е ~ 100-1000 с"1 на механические и прочностные характеристики ряда направленных эпоксидных композитных материалов, на основании которого показано:

в Композиты на основе стеклянных, органических и углеродных волокон при высоких скоростях деформирования ведут себя упруго-хрупким образом, независимо от направления приложения нагрузки. Как и при статических испытаниях, наблюдается анизотропия ---упругих и прочностных свойств в зависимости от направления приложения нагрузки.

а При сжатии и растяжении для ряда тканых и однонаправленных композитов прочность и предельная деформация при изменении е

4

от 10 3 до 1000 1/с возрастает от 1,5 до 3 раз, модуль упругости при этом практически не изменяется.

• При динамическом растяжении трубчатых композиционных материалов (стекло- и органопластиков) предельная деформация близка к предельной деформации в статике для армирующих элементов.

• Для изотропного дисперсно-армированного композита (сферопла-стика) при ё ~ 103 с-1 модуль упругости и предельная прочность увеличиваются в 1,5-2 раза. При этом изменяется характер деформирования: материал из стеклообразного состояния переходит в состояние вынужденной эластичности и затем в вязкотекучее состояние.

Таким образом, для исследованных эпоксидных композитов существует существенная зависимость прочности и предельной деформации от скорости деформирования.

Выполнено исследование высокоскоростного удара стеклянными и стальными сферическими частицами со скоростью от 1 до 11 км/сек по мишеням из слоистых композитных материалов:

• Показано, что морфология области разрушения композитов при ударе отличается от наблюдаемой для металлов: образуются узкие, относительно глубокие каверны и дополнительные зоны разрушения, с площадью, существенно превышающей площадь собственно каверны. Подобный характер кратерообразования связывается с упруго-хрупким характером деформирования и малой межслойной прочностью для исследуемых материалов.

в Получен большой набор экспериментальных данных по предельным толщинам при пробивании стеклотекстолитов, размерам кратеров в полубесконечных мишенях для стеклотекстолита, органо-и углепластика при различных условиях соударения.

• Показано, что основные эмпирические зависимости, установленные ранее для металлов: эффективность кратерообразования от твердости мишени по Бринеллю, влияние размера ударника, его плотности и скорости, а также влияние прочности мишени на глубину кратера в полубесконечной мишени могут использоваться для оценки результатов высокоскоростного удара для композитов.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Пластинин A.B., Сильвестров В.В., Горшков H.H. Динамическое сжатие однонаправленного стеклопластика. Динамика сплошной среды. — Новосибирск, 1989, вып.93,94, 111-118.

2. Горшков H.H., Иванов Е.Ю., Пластинин A.B., Сильвестров В.В., Со-боленко Т.М., Тесленко Т.С. Взрывное компактирование аморфного порошка Cu-Sn, полученного методом механического сплавления. Физика горения и взрыва. 1989, 25(2), 125-129.

3. Пластинин A.B., Сильвестров В.В., Горшков H.H. Определение динамической диаграммы сжатия сферопластика. Механика композитных материалов. 1990, 3, 451-454.

4. Асеев A.B., Горшков H.H., Демешкин А.Г., Макаров Г.Е., Пластинин A.B., Сильвестров В.В., Степаненко C.B. Экспериментальное исследование деформативности стекло- и органопластика в зависимости от скорости деформирования. Механика композитных материалов. 1992, 2, 188-195.

5. Горшков H.H., Пластинин A.B., Сильвестров В.В. Сквозное пробивание стеклотекстолита при высокоскоростном ударе. Физика горения и взрыва. 1992, 28(4), 115-120.

6. Silvestrov V.V., Plastinin A.V., Gorshkov N.N. Hypervelocity impact on glass fiber epoxy composite panels Proc. of IUTAM Symp. on Impact Dynamics, Peking University Press, 1994, 157-163.

7. Silvestrov V.V., Plastinin A.V., Gorshkov N.N. Hypervelocity impact on fiber reinforced composite panels. DYMAT Journal. 1994, 1(4), 341348.

8. Silvestrov V.V., Plastinin A.V., Gorshkov N.N. Hypervelocity impact on laminate composite panels. Int. J. of Impact Engineering, 1995, 17, Proc. of the 1994 Hypervelocity Impact Symposium, 751-762.

9. Сильвестров В.В., Пластинин A.B., Горшков H.H. Высокоскоростной удар по стеклотекстолиту. Физика горения и взрыва, 1995, 31(3), 92-103.

10. Пластинин A.B., Сильвестров В.В. Динамическая прочность при сжатии эпоксидных композитов. Механика композитных материалов------------

1995, принята к печати.