Механические свойства армированных композиционных материалов.

В настоящее время особое значение придается прогнозированию свойств композиционного материала на основе известных свойств матрицы и армирующих элементов. При этом обычно исходят из предложения о том, что каждая составляющая композиционного материала ведет себя так же, как и в изолированном состоянии.

отражающие положение дел. Однако наиболее часто применяют теорию, основанную на законе смещения [31, 32].

Модуль упругости композиций в направлениях вдоль и поперек волокон соответственно выразится как [31,32]:

где Ес, EF, Ещ, - модули упругости композиционного материала, волокна и матрицы; <&ra~Vm/Vc; OpnVf/Vc; Vf;Vm;Vg - объемные доли волокна, матрицы и композиционного материала; п - число волокон.

Прочность композиционных материалов невозможно предсказывать на основе закономерностей смещения. Для учета различных механизмов разрушения эти закономерности необходимо модифицировать.

Прочностные свойства более чувствительны к образованию микротрещин, пустот и т.д., чем свойства деформационные, например, модуль упругости и податливости. При рассмотрении прочностных свойств необходимо учитывать возможные механизмы возникновения и распространения трещин, охватывающие различные условия адгезии - в пределах между полной адгезией и совершенным ее отсутствием.

Для полной адгезии, в предположении, что все волокна рвутся одновременно, можно представить следующий механизм разрушения. При разрушении волокон происходит внезапное освобождение поверхностной энергии, которая и обуславливает быстрое распространение трещины через матрицу [31,32].

В этом случае прочность композиционного материала выражается уравнением [31,32]:

где qm - напряжение в матрице при деформации, равной разрывной деформации волокон

Рассмотрим теперь другой крайний случай, когда нет адгезии между волокнами и матрицей.

В любой промежуточной ситуации прочность композиционного материала лежит между указанными крайними значениями и может быть описана уравнением [31,32]:

Здесь к - фактор адгезии или фактор эффективности использования волокон (0<к<1),

Модуль [EQ] может быть представлен выражением, основанным на простом законе смещения [25]:

Если волокна в композиционном материале не имеют преимущественного направления (беспорядочная ориентация), то свойства этого материала можно вычислить интегрированием по углам от 0 до 90 следующего выражения для модуля упругости [25]:

где F - фактор эффективности волокон по сравнению со свойствами материала с однонаправленным расположением функцией объемного содержания

волокон и отношения модулей для волокон и матрицы. Анализ показывает, что для большинства композиционных материалов на основе пластмасс фактор F изменяется в пределах примерно от 0,15 до 0,60. Для композиционных материалов с беспорядочным расположением волокон следует ожидать более низкой эффективности усиления, чем для однонаправленных материалов [25, 31, 32].

Теперь рассмотрим механические свойства композиций с порошкообразными наполнителями. Эти наполнители усиливают матрицу весьма сложным образом. По-видимому, частицы ограничивают подвижность и - деформируемость матрицы, при этом степень ограничения зависит от объема, занимаемого частицами, и от свойств частиц и матрицы. В простейшем случае можно предсказать существование следующих верхних и нижних предельных значений модуля упругости композиции [25]:

В большинстве случаев наблюдаемые значения модулей упругости находятся в этих пределах, хотя при сильном взаимодействии наполнителя с матрицей значения модулей могут выходить за эти границы. Хорошая адгезия между матрицей и наполнителем необходима для повышения разрушающего напряжения наполненных полимеров с высокой энергией разрушения, однако она увеличивает тенденцию их к хрупкому разрушению и, следовательно, делает материал более чувствительным к концентрации напряжений. На практике следует оптимально сочетать эти свойства.