Перекрестная укладка слоев

30.06.2015

Регулирование свойств слоистых композитов осуществляется перекрестной укладкой слоев по высоте материала и изменением углов ориентации волокон в отдельных слоях (табл. 3.8, рис. 3.7). Наиболее простой и распространенной является перекрестная укладка, при которой волокна в слоях материала ориентированы под углом ±φ относительно главных осей симметрии, частным случаем которой является ортогональная укладка слоев под
углом 0 и п/2, когда изменяется соотношение слоев, уложенных в направлениях главных осей. Как видно из рис. 3.8—3.10, с увеличением угла между направлениями нагружения и ориентации волокон в соседних слоях прочностные и упругие характеристики в направлении оси х монотонно снижаются, а вдоль оси у — возрастают. Модуль сдвига в плоскости армирования увеличивается и проходит через максимум, соответствующий значениям углов ±п/4, а затем уменьшается, возвращаясь к исходной величине. При этом модуль упругости при межслойном сдвиге остается практически постойным.
Перекрестная укладка слоев
Перекрестная укладка слоев
Перекрестная укладка слоев

При растяжении ортогонально-армированного композита вдоль направления укладки волокон разрушение происходит в слоях, армированных в перпендикулярном направлении. При достижении предельной деформации ε+хмн материал теряет монолитность, что обнаруживается по характерному перелому на кривых σ—ε(рис. 3.11).
Перекрестная укладка слоев
Перекрестная укладка слоев

Величина этой деформации определяется зависимостью:
Перекрестная укладка слоев

Поэтому модуль упругости и разрушающее напряжение при растяжении ортогонально-армированных композитов до потери монолитности рассчитываются по формулам:
Перекрестная укладка слоев

После разрушения поперечных слоев модуль упругости и разрушающее напряжение при растяжении ортогонально-армированного композита определяются согласно выражениям:
Перекрестная укладка слоев

Регулирование свойств в ортогонально-армированном композите достигается изменением соотношения однонаправленных слоев, уложенных во взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 3.12). Прочность ортогонально-армированных композитов при сжатии несколько понижается (рис. 3.13) с увеличением толщины однонаправленных слоев, поэтому целесообразно чередовать монослои минимальной толщины.
Перекрестная укладка слоев

Изменение в ортогонально-армированных композитах количества слоев, уложенных вдоль оси нагружения, позволяет регулировать степень анизотропии, однако при нагружении в направлении, отличном от ориентации волокон, сохраняется значительная анизотропия свойств материала (рис. 3.14), и диаграммы напряжение — деформация становятся нелинейными (рис. 3.15). Чтобы избежать этого, а также при необходимости точного согласования поля сопротивления материала с полем напряжений, действующих на него при работе в конструкции, применяют разнообразную по сложности укладку (табл. 3.9).
Перекрестная укладка слоев

Прочностные и упругие свойства многослойных композитов могут быть рассчитаны по экспериментально определенным характеристикам однонаправленного материала или исходя из известных свойств и соотношения компонентов. В первом случае получают более точные результаты, так как при этом учитывается степень реализации свойств волокон в композите. При расчете предполагают, что однонаправленный слой при нагружении ведет себя упруго, а связь между напряжением и деформацией описывается обобщенным законом Гука. Многослойный материал, состоящий из n по-разному ориентированных однонаправленных слоев, рассматривается как неоднородный монолит, жесткость и прочность которого зависят от свойств и расположения отдельных слоев.
Перекрестная укладка слоев
Перекрестная укладка слоев

Упругие свойства многослойных композитов с ориентацией слоев по высоте в направлении произвольно выбранных осей упругой симметрии рассчитывают по формулам:
Перекрестная укладка слоев

Коэффициенты матрицы жесткости Вij выражают через характеристики однонаправленного слоя по уравнениям:
Перекрестная укладка слоев

Свойства композита в направлениях, не совпадающих с выбранными осями упругости симметрии, определяют с учетом поворота осей на угол φ относительно выбранной ранее оси х.
Для расчета прочности слоистых перекрестно-армированных композитов могут быть использованы уравнения, полученные, исходя из первого критерия прочности и учитывающие макроструктурные напряжения в армирующих волокнах и матрице, возникающие при нагружении каждого i-гo слоя в направлении армирования или под углом к нему. В том случае, когда определяющей является прочность армирующих волокон, выражение принимает вид:
Перекрестная укладка слоев

Если определяющей является прочность матрицы, то используется соотношение:
Перекрестная укладка слоев

Коэффициенты жесткости В11, B22 и В12 определяют по уравнениям (3.18):
Перекрестная укладка слоев
Перекрестная укладка слоев

Коэффициенты матрицы податливости аij выражают через характеристики однонаправленного слоя:
Перекрестная укладка слоев

Результаты расчета упругих характеристик слоистых перекрестно-армированных композитов по приведенным выше зависимостям хорошо согласуются с экспериментальными данными. При расчете прочностных характеристик, особенно в направлении, отличном от ориентации волокон, сходимость результатов несколько хуже, что связано с большей чувствительностью прочности композитов к структурным несовершенствам и технологическим факторам формования материала.
Однонаправленные и ортогонально-армированные композиты обладают высокой прочностью и жесткостью в направлениях армирования, но низким сопротивлением сдвигу. Один из способов повышения прочности при сдвиге высокомодульных композитов — изменение схем армирования, позволяющее при небольшом снижении жесткости и прочности в направлении укладки волокон значительно увеличить сопротивление материала сдвигу в плоскости армирования.
На практике эту часто встречающуюся задачу оптимизации структуры композита в целях обеспечения необходимого сопротивления действию нормальных и касательных напряжений можно решать двумя путями: изменением угла разориентации отдельных слоев относительно оси х или изменением числа слоев, разориентированных на угол ±φ по отношению к той же оси. Например, применение схем армирования с противофазной ориентацией при малых углах (до ±п/12) приводит к увеличению модуля сдвига Gxy и модуля упругости Еп/4 примерно в 2,5 раза, модуля упругости Ey в 1,7 раза по сравнению с аналогичными характеристиками однонаправленных композитов (табл. 3.10 и 3.11). При этом снижение модуля упругости Ex составляет всего около 20%.
Перекрестная укладка слоев

Если же нагрузки действуют перпендикулярно плоскости армирования и композит работает на кручение, одного регулирования укладки в плоскости армирования недостаточно. В этом случае необходимо управление схемами армирования и по толщине материала. Жесткость при кручении слоистых неоднородных по высоте композитов определяют по уравнению:
Перекрестная укладка слоев

Из формулы (3.21) следует, что при заданной схеме укладки волокон в плоскости армирования жесткость композита при кручении зависит от схемы укладки по высоте. Так, у карбоволокнитов, состоящих из 16 слоев, в которых наружные слои уложены под углом ±п/4, модуль Gxv = 220 ГПа, что значительно выше, чем у композитов с ориентацией наружных слоев вдоль оси волокон (Gxy = 132 ГПа). Причем, чем больше наружных слоев уложено под углом л/4, тем выше жесткость материала при кручении. Укладка слоев под этим углом в середине композита малоэффективна. Таким образом, с удалением от срединной поверхности и с увеличением количества слоев, уложенных под углом φк выбранной системе координат, жесткость материала при кручении возрастает.
Перекрестная укладка слоев

При выборе рациональной схемы армирования композита по высоте следует учитывать возможность появления начальных напряжений (вследствие анизотропии коэффициентов линейного термического расширения отдельных слоев) и в результате этого — коробления тонколистовых материалов. Для предотвращения коробления композита необходимо располагать слои симметрично относительно срединной плоскости, причем разориентированные слои должны находиться к ней как можно ближе. Регулирование свойств гетероволокниетых композитов и оптимизация их по требуемым параметрам в плоскости армирования также достигается перекрестной укладкой слоев разномодульных волокон по высоте пакета трехкомпонентного материала. Диаграммы деформирования карбостекловолокнита и карбооргановолокнита, в которых углеродные волокна ориентированы под углом ±φ относительно стеклянных или органических, приведены на рис. 3.16.
Перекрестная укладка слоев

Полярные диаграммы изменения модуля упругости (рис. 3.17) для перекрестно-армированного стеклокарбоволокнита имеют четыре оси симметрии, две из которых соответствуют углам разориентации углеродных волокон относительно главных осей, вдоль которых расположены стеклянные волокна.
Степень анизотропии материала, характеризующаяся. отношениями упругих постоянных Ex/Ey и Ex/Gxy, уменьшается с 5,4 и 11 у однонаправленного материала до 1,6 и 2,1 для композита с разориентацией углеродных волокон под углом ±п/4.
Сравнение зависимостей модуля сдвига в плоскости армирования от углов разориентации стекловолокнита и стеклокарбоволокнита позволяет сделать вывод о том, что максимальное значение Gху, достигаемое для стекловолокнита при угле разориентации ±л/4, может быть достигнуто в карбостекловолокните при угле разориентации углеродных волокон ±п/12; это приводит к значительному повышению прочностных и упругих характеристик материала, за исключением ударной вязкости в направлении оси х (табл. 3.12). Поскольку карбостекловолокнит имеет меньшую по сравнению со стекловолокнитом плотность, его удельные показатели выше.
Перекрестная укладка слоев

При создании гетероволокнистых материалов различие. в коэффициентах линейного термического расширения приводит к появлению дополнительных начальных напряжений вследствие сочетания слоев с различной термоупругостью. Возникающие между слоями касательные напряжения могут быть подсчитаны по формуле:
Перекрестная укладка слоев

Результаты расчетов касательных напряжений показывают, что в диапазоне температур 293—373 К при сочетании в однонаправленном композите слоев углеродных волокон и стекловолокна напряжения сдвига между слоями достигают 2 МПа. Один из способов снижения этих напряжений — рациональная укладка соседних, по-разному деформирующихся при изменении температуры слоев. Для выбора оптимального (с точки зрения снижения сдвиговых напряжений) варианта целесообразно пользоваться зависимостями средних значений коэффициента линейного термического расширения сочетаемых материалов от угла армирования (рис. 3.18). Если уложить углеродные волокна под углом 35—45°, а борные — под углом 20—25° по отношению к стеклянным, то средние значения коэффициента линейного расширения в слоях будут примерно равны, и в композите не будут возникать дополнительные термические напряжения.
Перекрестная укладка слоев