Непрерывные наполнители композиционных наполнителей

Непрерывные наполнители – волокна находят как самостоятельное применение в виде тканей, так и как армирующий наполнитель (резиновых фартуки, бронежилеты и т.п.) Наша одежда (пальто, шуба) – это тоже композиционный материал, так как в ней есть вата или синтипон, обеспечивающие сохранения тепла, подкладка – щелк, внешняя ткань, обеспечивающая декоративный вид.

Волокна – гибкие и протяженные тела с малым поперечным разрезом. В зависимости от исходного сырья волокна делятся на две большие группы: натуральные и химические.

Натуральные (природные) волокна – волокна растительного, животного или минерального происхождения. Например, шелковые, асбестовые, шерстяные волокна.

Таблица 3.2. Сравнительная характеристика шерстяных и хлопковых волокон

Тип волокна	Плотность	Разрушающее напряжение , МПа	Относительное удлинение , %	Водопоглащение, %
Шерстяное			23,5
Хлопковое

Эти волокна гигиеничны, сохраняют тепло, но горят, не очень прочные, гниют.

Химические волокна получают из природных или синтетических полимеров.

Химические волокна делятся на три группы:

а) волокна из неорганических материалов – стеклянные, углеродные, карбид-кремневые, борные;

б) искусственные, получаемые искусственным путем из природных полимеров – вискозные, ацетатные, медноаммиачные, лавсан;

в) волокна синтетические, получаемые из синтетических полимеров – полиакрилнейтрильные, поливинилспиртовые, поливинилхлоридные, полиуретановые высокоэластичные, полиэтилентерефталатные и т.д.

Волокна выпускаются в виде либо одиночного непрерывного волокна (это элементарное волокно бесконечной длины, формирующееся из одного отверстия фильеры), либо в виде нитей (совокупность филаментов – одиночных волокон, собранных в единый пучок за счет склеивания или скручивания – УКН-5000 – углеродно – комплексная нить 5000 волокон).

Нити делятся на:

‑ нити комплексные первичные – нить, полученная в результате вытягивания пряди элементарных волокон из фильеры стеклоплавильного сосуда и применяемые для изготовления стеклопластиков;

‑ нити комплексные крученные – совокупность одно, двух, четырех первичных нитей с числом крутки от 50до 180 на один метр и 6, 8, 9, 12 ,18 или 27 сложений, соединенных пучок.

По технологическим свойствам все волокна выпускаются в виде:

1. текстильных волокон – волокна, перерабатываемые в пряжу, из которой изготавливают сетки и ткани;

2. молотое волокно для наполнения премиксов;

3. волокно штапельное – длиной от 12 до 150 мм, получаемое резкой непрерывного жгута, состоящего из множества одиноких нитей.

Нити используются для получения различных материалов из непрерывных и штапельных волокон: тканей, матов, сеток, холстов.

Ткани – текстильный материал, получаемый путем переплетения нитей – основы и утка, применяемого в качестве армирующего наполнителя.

Мат – это волокнистый нетканый армирующий материал, состоящий из хаотически расположенных волокон или нитей, скрепленных полимерным связующим.

Сетка – материал, получаемый из редко переплетенных продольных или поперечных нитей.

Холст – материал на основе рубленного или непрерывного хаотически расположенного волокна, содержание волокна – 2000-3000.

Таблица 3.2. Сравнительная характеристика различных наполнителей

Тип наполнителя	Диаметр волокна, мкм	Плотность	Прочность при растяжении, МПа	Модуль упругости, МПа
Стеклянное			690 ‑ 720	254 ‑ 255
Углеродное	9 ‑ 15			230 ‑ 550
Карбид–кремниевое	2 ‑ 8			400 ‑ 550
Борное
Нержавеющая сталь

Лекция 10.

ТЕМА 4. ВВЕДЕНИЕ В МЕХАНИКУ КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

4.1. Задачи механики. Математическое описание сложно-напряженного состояния КМ.

Композиционные материалы на основе непрерывных волокон называется специалистами «композиты».

Основным достоинством композитов является возможность создания изделий ориентированной структуры, например, усиливая конструкцию однонаправленными волокнами в направлении действия основных нагрузок.

Это позволяет получать конструкции (стрингеры, балки, несущие элементы питательных аппаратов, мостов, ответственных изделий машиностроения и техники) в десятки раз превосходящие металлические по удельной прочности, жесткости. Однако для успешной реализации композитов сложной структуры армирования, которая соответствует действующим на изделие нагрузкам и развивающихся в нем напряжениях, необходим необычный математический аппарат.

В механике композиционных материалов используется матричное и тензорное исчисление. Однако главной задачей считается получение решения конкретной задачи через инженерные параметры , так же .

В процессе эксплуатации изделий из композитов трубопроводы для перекачки нефти, сточных вод, щелочей; резервуарах для хранения и ведения технологических производств; силовых элементов изделий машиностроения, авиастроения и космической промышленности они подвергаются воздействию различных по векторам приложения, динамике, частоте, статике. Для того, чтобы рассчитывать подобные изделия и используют математический аппарат теории композиционных материалов. Рассмотрим, например, крыло летательного аппарата, которое подвергается воздействию многочисленных знакопеременных нагрузок, абсолютная величина которых составляет величину Р. Выделим в элементе изделия элементарную площадку , на которой локализуется действующая суммарная нагрузка. Величина Q равна пределу отношения Р на при , будет характеризовать вектор суммарного напряжения Q:

Вектор суммарного напряжения может быть разложен по трем плоскостям.

Вектор суммарного напряжения Q не имеет определенного физического смысла и не может быть воображен, поскольку он выражается 36 проекциями по трем плоскостям.

Лекци 11

4.2. Тензор напряжений. Закон Гука. Коэффицинт Пуан сона

Исходя из геометрической схемы для описания результирующей нагрузки необходимо использовать тензор напряжения.

Вектор суммарного напряжения, исходя из данного тензора, может быть представлен в виде трех составляющих:

В соответствии с правилом четности . Поэтому для описания сложного состояния необходимо не шесть, а только три компонента: . Как известно основной закон сопромата: , поэтому, учитывая, что действующая нагрузка делится на несколько составляющих, сложное напряжение может быть представлена в виде произведения тензоров:

Взаимосвязь между каждыми составляющими тензора напряжения (левая часть) и тензора деформации (правая часть) может быть выражена:

Теоретически для описания Q необходимо 36 упругих постоянных. Благодаря симметричности тензоров, число упругих сокращается до одного

В этом случае если в изделии имеется ортогональная или косая перекрестная структура, наличие этих плоскостей сокращает количество упругих составляющих до 9, и

Таким образом описания кассой перекрестной и ортогональной структуры достаточно 9 упругих постоянных в случае однонаправленного композита количество переменных сокращается до 5:

В случае изотропного материала достаточно всего лишь двух упругих постоянных – модуля растяжения и модуля сдвига. Между упруго – деформационными константами и инженерными модулями, определяемых на разрывных машинах, существуют зависимости, позволяющие использовать результаты механических определений для программирования напряжения соответствующего наполнителя, удобнее использовать не величины модулей ( , ,..., ), а обратные им величины податливости .

Между податливостями и экспериментальными, получаемыми при испытаниях на разрывных машинах, показателями существуют зависимости:

- модуль упругости при растяжении в направлении х;

- коэффициент Пуансона (отношение деформации в поперечном и продольном разрезе).

- модуль упругости при сдвиге.

Лекция 12