Прочность композитных материалов

allrefs.net

Поскольку нормальные напряжения у концов волокон малы, волокна здесь оказываются недогруженными. В результате часть волокна неэффективна как элемент, несущий нагрузку. Длина этой части зависит от соотношения упругих свойств матрицы и волокон и геометрических параметров модели.

Неэффективно нагруженные участки волокон имеются и при растяжении КМ с непрерывной арматурой. Обычно такие волокна обладают существенным разбросом прочности, и часть из них разрушается даже при сравнительных низких напряжениях. У концов разрушившихся волокон напряжения распределяются примерно так же, как у концов дискретных волокон, поэтому концы сломанных волокон не создают упрочнения, т.е. оказываются неэффективными. Точно определить размер неэффективной части волокна нельзя; это понятие условное, полезное при рассмотрении статистической модели прочности КМ.

Условимся называть неэффективной длиной волокна l * такое расстояние от его конца, на котором растягивающее напряжение в волокне достигает определенной, наперед заданной части напряжения в бесконечно длинном волокне. Иными словами, в конце неэффективного отрезка волокна

j – коэффициент, меньший 1 ; обычно считают разумным j » 0,9 .

Если в уравнении принять и и решить его относительно z , получим:

знак arch обозначает гиперболический ареа-косинус:

Чтобы волокна были нагружены эффективно , нужно их длину брать большей 2l*. поскольку неэффективные участки существуют у обоих концов. Эффективный участок в этом случае – отрезок длиной, где L – общая длина волокна. С увеличением L эффективность армирования увеличивается.

При упруго-пластичном поведении матрицы неэффективная длина волокна больше, чем при чисто упругом.

В соответствии со статистической теорией прочности КМ следует рассматривать как цепь, состоящую из последовательно соединенных звеньев небольшой длины. Разрушается КМ при разрыве одного из этих звеньев. Б. Розен предлагает принять длину звеньев равной неэффективной длине l* волокон, поскольку на этой длине концы разрушенных волокон не создают упрочнения, а выполняют роль дефектов, определяющих прочность звена, композиции. Оставшиеся неразрешенными волокна принимают на себя всю нагрузку. Каждое звено рассматривается как пучок волокон, и прочность КМ рассчитывается как прочность пучка волокон длиной l*. Таким образом, задача сводится к установлению зависимости прочности пучка волокон от их длины и разброса свойств.

 Прочность композитных материалов

Трещиностойкость материала, измеряемая величинами или есть важная величина, характеризующая способность материала сопротивляться распространению ранее существовавшей в нем трещины. Однако в любом металлическом изделии достаточно больших размеров имеется много подобных трещин.

С другой стороны, прочность на разрыв бездефектного образца есть не менее важная характеристика: именно с нее начинается расчет элементов конструкций, не содержащих трещин или же имеющих очень мелкие трещины. Это справедливо и при использовании методов линейной и нелинейной механики разрушения.

Разумеется, конструктору желательно иметь в распоряжении материал с высокой прочностью и большой сопротивляемостью разрушению. К сожалению, на сегодняшний день это невозможно. Вязкость разрушения в первую очередь зависит от пластических свойств материала, однако пластичность, т. е. удлинение в момент разрушения, убывает с возрастанием величины прочности.

Это нетрудно понять. В хрупкой матрице трещина распространяется беспрепятственно; в качестве первого приближения сопротивлением матрицы пренебрежем. Но волокна арматуры разрываются лишь на некотором расстоянии I от кончика трещины и мешают относительным перемещениям ее краев. Для увеличения сопротивления волокон используются различные методы. Мне думается, что наиболее корректным и в то же время простым будет предположение о том, что силы трения на единицу площади поверхности препятствуют вытягиванию волокон из материала.

Пусть есть сила, приложенная на краю волокна, заключенного в матрицу. Эта сила уравновешивается сдвиговыми усилиями, действующими на отрезке длиной Уравнение равновесия есть

Тогда удлинение элемента волокна длиной I будет, и вычислим интеграл Райса — Черепанова.

Из следует, что сопротивление распространению трещины возрастает вместе с прочностью волокна и объемной плотностью содержания арматуры в материале. Однако это не говорит о наличии простого произведения, линейного по каждому из факторов. С другой стороны, сила сцепления равная сопротивлению матрицы сдвигу, не должна быть слишком велика.

allrefs.net

Эта теория применима лишь к ортогонально армированным материалам, содержащим трещины, распространяющиеся вдоль направлений армирования. В противном случае ситуация существенно осложняется.

Одной из отличительных черт графена, которая очень часто упоминается, но практически нигде не используется, является его невероятно высокая механическая прочность, превосходящая во много раз прочность других материалов. Предел прочности графена позволяет ему выдерживать внешнее давление в 130 Гигапаскаль, что в 200 раз больше, чем предел прочности стали. Исследователи из корейского Института передовых наук и технологий нашли способ практического использования прочности графена, поместив графеновую пленку между тонкими слоями меди и никеля, они создали универсальный композитный материал, прочность которого в 500 раз превосходит прочность чистой меди, и в 180 раз - чистого никеля.

Во время предыдущих попыток использования графена совместно с металлическими соединениями исследователям не удалось добиться более-менее значительных успехов, получаемые композиционные материалы не обладали достаточной стабильностью или высокой механической прочностью. Но исследователям из института KAIST удалось добиться высоких показателей прочности композиционного материала за счет использования достаточно сложного процесса его производства. Сначала на основании из одного вида металла методом химического осаждения из газообразной фазы выращивался слой графена одноатомной величины. После этого на это методом термического спекания наносился следующий металлический слой, и процесс повторялся снова и снова до получения многослойного металло-графенового материала требуемой толщины.

Несмотря на такую сложность производства нового композитного материала, работа по его получению является первым разом в истории материаловедения, когда был создан многослойный графеновый материал с необычайно высоким показателем прочности. "Результат всего этого поразителен из-за того, что всего 0.00004 процента веса добавочного материала, приходящиеся на долю графена, позволили увеличить прочность металла в сотни раз" - рассказывает профессор Сеунг Мин Ен , - "Дальнейшие усовершенствования разработанного нами процесса изготовления нового материала, которые будут подходить под требования массового производств и удовлетворять показателям экономической целесообразности, позволят использовать новый высокопрочный материал везде, где это требуется, начиная от строительства космических кораблей, кузовов и деталей автомобилей, которые будут иметь малый вес и высокую прочность".

Технология, которую разработали корейские ученые, уже в том виде, в котором она существует сейчас, подходит для изготовления небольших партий нового высокопрочного металло-графенового материала, который можно использовать там, где стоимость материалов не является главным определяющим фактором, к примеру, в строительстве космических аппаратов и для изготовления защитных покрытий ядерных реакторов. Но, после того, как будет разработан технологический процесс недорогого массового производства такого материала он может стать тем, что позволит снизить вес самолетов и автомобилей, что, в свою очередь, приведет к снижению расхода ими топлива, сулящего весьма немалые экономические выгоды.

Современные композитные материалы для пломбирования зубов представляют собой матрицу из специального полимера наполненную микроскопическими частицами керамики. Такие материалы обладают высокой прочностью и надёжностью. Они могут твердеть под действием специального свет , а могут и самостоятельно после смешивания. Они отличаются по цвету и прозрачности, доктор может комбинировать различные слои материала и добиваться отличного эстетического эффекта.

Применение композиционных материалов в конструкции БПЛА

Композитные материалы представляют собой металлические и неметаллические матрицы с заданным распределением в них упрочнителей ; при этом композитные материалы позволяют эффективно использовать индивидуальные свойства составляющих композиции. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать композитные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости. Композиты обладают комплексом конструкционных и специальных свойств, практически недостижимых в традиционных материалах на металлической, полимерной, керамической, углеродной и других основах.

Источники: allrefs.net, know.alnam.ru, www.dailytechinfo.org, artis-clinic.ru, moluch.ru, studopedia.ru, ptelectronics.ru

Коровы Гериона

Святой Иосиф

Где боги сошли на землю?

Лжепророк

Лэ про оборотня

Очень давно в Бретани жил почтенный барон, к которому король этой земли относился с большой любовью. Он был очень счастлив, зная, ...


Колдуны и ведьмы

В Средние века ведьмы и колдуны наводили ужас на популяции городов и деревень. Народ слагал о них страшные истории и ...


Комната под Сфинксом

Ряд  древнеегипетских настенных надписей повествуют  о загадочных скрытых камерах. Они именуются как «Палата архивов» и «Зал записей». Многие исследователи убеждены, что ...


Общение и отношения двоих людей

Все люди живут в обществе и находятся в постоянном общении с разными людьми. Чтобы отношения с каждым человеком были ...


Хакасия

Хакасия – это самый лучший тур для любого путешественника. Здесь есть абсолютно все: удивительной красоты природа, давняя культура, самые ...


Златогорка

Никого не было сильнее Даждьбога Перуновича. Он был в этом уверен и гордился своей мощью. Но, каково же было его удивление, ...


Ольянтайтамбо – город камней

В 40 км к северо-западу от Куско расположился довольно примечательный памятник индейской архитектуры – город Ольянтайтамбо. Этот загадочный город находится ...