Межслойный сдвиг, растяжение и сжатие под углом к направлению армирования

30.06.2015

Механические свойства однонаправленных волокнистых композитов при их нагружении в направлении, отличном от ориентации волокон, определяются в первую очередь упруго-прочностными свойствами матрицы, прочностью ее сцепления с армирующими волокнами, степенью наполнения композита, распределением волокон по сечению и соотношением жесткости сочетаемых компонентов (Eа/Eм). Влияние волокон в этом случае обусловлено их поверхностными свойствами (величиной поверхностной энергии, удельной поверхностью, микрорельефом, наличием химически активных групп) в той мере, в какой они влияют на прочность сцепления по границе раздела или на структуру и свойства матрицы в пограничном слое. Пористость матрицы, неполнота контакта по границе раздела, слабая трансверсальная прочность волокон являются теми факторами, которые существенно снижают прочность композитов при сдвиге, растяжении и сжатии поперек волокон.
В зависимости от соотношения между прочностью матрицы, волокна и прочностью их сцепления по границе раздела при каждом виде деформирования возможны три случая разрушения композита: 1) когезионное по матрице (σа>σм>σсц); 2) когезионное по волокну (σм>σа>σсц); 3) адгезионно-когезионное по межфазной границе и по матрице (σа>σсц>σм).
Геометрия внутреннего строения композитов обусловливает неравномерность распределения в них напряжений, что учитывается коэффициентами концентрации напряжений. Поэтому для случая когезионного разрушения по матрице прочность композита при межслойном сдвиге, растяжении и сжатии поперек волокон определяется выражениями
Межслойный сдвиг, растяжение и сжатие под углом к направлению армирования

Величина коэффициентов концентрации напряжений учитывает степень наполнения композита и соотношение жесткостей его компонентов:
Межслойный сдвиг, растяжение и сжатие под углом к направлению армирования

Для композитов, наполненных волокнами, у которых Еау≫Ем и Gа≫Gм, коэффициент концентрации напряжений становится равным:
Межслойный сдвиг, растяжение и сжатие под углом к направлению армирования

На рис. 2.15 приведена зависимость коэффициента концентрации напряжений от объемного содержания волокон в композите. Из рисунка следует, что при наиболее распространенной на практике степени наполнения, составляющей 0,5—0,7, максимальные напряжения в матрице в 3—6 раз выше средних. Результаты определения напряженно-деформированного состояния в матрице более точными методами с использованием ЭВМ дают в 1,5—2 раза меньшее значение коэффициента концентрации деформации. Существенный рост величины К наблюдается для композитов с отношением Eаμ/Eм<30, характерным для органо- и стекловолокнитов. При увеличении отношения Еау/Ем, что характерно для высокомодульных волокон, коэффициент концентрации напряжений изменяется незначительно. Таким образом, прочность композиционных материалов при этих видах деформирования в зависимости от их степени наполнения и соотношения компонентов должна составлять 0,15—0,9 от прочности матрицы.
Межслойный сдвиг, растяжение и сжатие под углом к направлению армирования

Данные, приведенные ниже, позволяют сопоставить значения прочности при межслойном сдвиге с прочностью при трансверсальном растяжении и соответствующие значения коэффициентов концентрации напряжений ряда композитов на основе стеклянных, борных и углеродных волокон:
Межслойный сдвиг, растяжение и сжатие под углом к направлению армирования

Прочность при сдвиге примерно в 2,5 раза выше прочности при трансверсальном растяжении, а следовательно, коэффициенты концентрации напряжений в первом случае ниже. При сдвиге в отличие от трансверсального растяжения достижение в критических точках напряжений, соответствующих прочности связующего, не всегда является началом лавинообразного разрушения материала. Это, по-видимому, связано с пластической деформацией связующего без увеличения сдвигового напряжения, при этом происходит перераспределение поля напряжений в композите. В пользу такого предположения свидетельствует нелинейный характер кривой напряжение — деформация для случая сдвига и линейная зависимость для растяжения в поперечном направлении (рис. 2.16). При высокой прочности сцепления матрицы с волокном концентрация напряжений в композите понижается, его прочность при сдвиге приближается к прочности матрицы [68] и слабо зависит от объемного содержания армирующего наполнителя. В то же время в аналогичных условиях прочность при поперечном растяжении и сжатии проявляет тенденцию к понижению с увеличением степени наполнения.
Межслойный сдвиг, растяжение и сжатие под углом к направлению армирования

Для случая, когда трансверсальная прочность волокон при растяжении — сжатии или при сдвиге ниже прочности матрицы при аналогичных видах деформирования, как это имеет место для ряда высокоориентированных органических волокон, прочностные свойства композитов определяются по уравнениям (2.44)—(2.46), в которых показатель прочности матрицы заменяется на соответствующий показатель прочности волокна.
На практике наиболее распространенным видом разрушения является адгезионно-когезионое разрушение по поверхности раздела (или вблизи его) и по матрице. В этом случае прочностные свойства композитов определяются зависимостями:
Межслойный сдвиг, растяжение и сжатие под углом к направлению армирования

С увеличением степени наполнения композитов роль первого члена уравнений (2.50) и (2.51) в обеспечении прочности композита при сдвиге и растяжении в поперечном направлении значительно понижается из-за уменьшения доли матрицы на поверхности разрушения. Так, для высоконаполненных карбоволокнитов (Va≥0,6) вклад первого члена уравнения в общую прочность композита составляет 8—12% (в зависимости от прочности матрицы) и уменьшается по мере повышения прочности сцепления матрицы с волокном на границе раздела [96]. В этом случае
Межслойный сдвиг, растяжение и сжатие под углом к направлению армирования

Последнее уравнение описывает взаимосвязь прочности композита при растяжении в трансверсальном направлении с его прочностью при межслойном сдвиге.
Проведенный анализ позволяет дать количественную оценку взаимосвязи прочности при продольном сдвиге и поперечном растяжении трансверсально-изотропных композитов и сделать вывод о том, что для повышения указанных характеристик композитов в первую очередь необходимо увеличить прочность сцепления на границе раздела волокно — матрица. Верхний предел необходимой прочности сцепления, как это следует из уравнения (2.52) при условии, что τxz=τм и Va=Vamax ограничивается величиной τсц≥2τм/π, т. е. τсц≈0,64τм.
Межслойный сдвиг, растяжение и сжатие под углом к направлению армирования

С ростом степени наполнения возрастает доля прочности сцепления на межфазной границе в общей прочности композита при сдвиге и трансверсальном растяжении, в связи с чем у композитов на основе активированных волокон эти характеристики увеличиваются по мере повышения степени наполнения. На рис. 2.17 приведена зависимость прочности при межслойном сдвиге от объемного наполнения эпоксибороволокнитов бороволокнами, подвергнутыми различной активационной обработке. Как видно, с увеличением степени наполнения эффективность активирования, а следовательно, τсц и прочность при сдвиге возрастают. С увеличением прочности матрицы прочность при сдвиге, поперечном отрыве и сжатии однонаправленных композитов пропорционально повышаются. Однако, если прочность сцепления на границе раздела остается постоянной, то прочностные характеристики повышаются незначительно.
Модули упругости первого и второго рода для однонаправленных композитов при их нагружении в трансверсальном направлении и при сдвиге определяются выражениями:
Межслойный сдвиг, растяжение и сжатие под углом к направлению армирования

Изменение поперечного модуля упругости однонаправленно-армированных композитов от объемного содержания волокон и соотношения продольных и поперечных модулей упругости волокон с различной степенью анизотропии показано на рис. 2.18. Сравнение экспериментальных и расчетных значений модуля Ey для однонаправленных эпоксикарбоволокнитов, упрочненных волокнами с различным аксиальным модулем упругости, показывает, что неучет анизотропии волокон приводит к расхождению экспериментальных и расчетных данных в 1,5—2 раза.
Зависимость отношения модуля продольного сдвига композита к модулю сдвига полимерного связующего от объемного содержания и геометрии упаковки волокон показана на рис. 2.19. Точками нанесены экспериментальные данные для эпоксидных боро-, стекло- и карбоволокнитов.
Межслойный сдвиг, растяжение и сжатие под углом к направлению армирования

Разрушение однонаправленно-армированного композита при нагружении под углом к направлению армирования всегда происходит вследствие разрушения по границе раздела или по связующему вблизи контактного слоя. При этом прочность композитов возрастает пропорционально увеличению прочности сцепления волокна и матрицы. На рис. 2.20 приведена зависимость прочности от угла армирования эпоксидных карбоволокнитов углеродными волокнами с различной степенью активирования поверхности, показывающая, что с увеличением прочности при межслойном сдвиге и трансверсальном растяжении пропорционально увеличивается прочность при растяжении под углом к направлению армирования.
Межслойный сдвиг, растяжение и сжатие под углом к направлению армирования

Пористость вызывает весьма существенное снижение характеристик композитов при нагружении под углом к направлению армирования и при сдвиге. Это обусловлено тем, что поры уменьшают «живое» сечение матрицы, являются концентраторами напряжения и очагами зарождения трещин, а также уменьшают площадь контакта волокна и матрицы.
Учет пористости реальной матрицы, уменьшающей sм на величину р, приводит к следующему выражению для первого члена уравнений (2.50) и (2.51) : τм = Кτsм(1—р). В первом приближении (случай равномерного распределения сферических пустот в матрице и на границе с волокном) р пропорционально Vп2/3. Уменьшение площади контакта полимера с волокном вследствие пористости может быть учтено коэффициентом ξп, тогда второй член становится равным τсцkξsaм.
На рис. 2.21 и 2.22 приведены данные о зависимости прочностных и упругих свойств однонаправленных композитов от их пористости. Интенсивность снижения характеристик во многом определяется характером распределения пор в материале, их формой и размерами.
Изменение прочности и жесткости однонаправленных пластиков при растяжении в трансверсальном направлении и при межслойном сдвиге определяется температурной зависимостью прочности матрицы и сцепления ее с волокнами. Именно с этим и связана наибольшая чувствительность полимерных композитов к нагреву при данных видах деформирования (см. табл. 2.11 и 2.12).
Межслойный сдвиг, растяжение и сжатие под углом к направлению армирования

При степени наполнения меньше 0,5 прочность при межслойном сдвиге и поперечном отрыве определяется в основном прочностью матрицы, о чем свидетельствуют данные, приведенные на рис. 2.23, где сплошная линия соответствует ходу температурной зависимости прочности при сдвиге эпоксидного связующего ЭДТ и его сцепления со стеклянными волокнами, а точки у кривых соответствуют значениям прочности при сдвиге стекловолокнита с содержанием волокна 44 и 67% (об.).
По мере увеличения степени наполнения пластиков все большую роль в их термостойкости играет прочность сцепления на границе раздела и вследствие этого все большее значение приобретает природа волокон и состояния межфазной границы.
Поэтому зависимости τxz=f(T) и σ+у=f(T), например, для стекловолокнитов со степенью наполнения больше 0,6, лучше коррелируются с температурной зависимостью прочности сцепления волокон с матрицей, чем с температурной зависимостью прочности матрицы. Этим же объясняется большая прочность во всем диапазоне температур испытания карбоволокнитов на основе волокон с активированной поверхностью. Влияние длительной изотермической выдержки в наибольшей степени сказывается на снижении прочности при межслойном сдвиге. Так, если степень сохранения прочности при изгибе карбоволкнита на связующем ЭТФ после 1000 ч термостарения при 473 К составляет 47,5%, то степень сохранения прочности при межслойном сдвиге составляет только 35%.
Изменение модуля упругости при межслойном сдвиге и растяжении в трансверсальном направлении композитов при нагреве и после изотермической выдержки соответствует изменению упругих характеристик связующего во всем диапазоне степеней наполнения. Химическое модифицирование поверхности волокон, как правило, не приводит к понижению значений коэффициента интенсивности снижения τхz и σ+у, за исключением модифицирования путем выращивания нитевидных кристаллов на поверхности волокон. Коэффициент интенсивности снижения термоустойчивости композитов при деформировании их в направлении, отличном от ориентации волокон, возрастает с увеличением угла между направлениями нагружения и ориентации волокон в соседних слоях, достигая максимального значения при нагружении в поперечном направлении.