Композиты: определение, свойства. Волокна и матрицы. Три секрета прочности

План лекции
1.1. Общие сведения о композитах
1.2. Структура композитов. Свойства волокон и матриц
1.3. Три секрета прочности волокнистых композитов
1.3.1. Первый секрет - масштабный эффект прочности волокон
1.3.2. Второй секрет - остановка трещины поверхностью раздела
1.3.3. Третий секрет - статистический характер прочности волокон
1.3.4. О линейной механике разрушения
1.3.5. Об асимптотическом решении задачи про остановку трещины поверхностью раздела
1.3.6. О роли касательных напряжений и оптимальных (равнопрочных) свойствах волокнистых композитов
1.3.7. О распределении Вейбулла

Механика композитных конструкций
09.02.2021
Лекция 2. Композиты - история создания. Определение, особые свойства.
Объекты и эффекты применения: прямые, конструкционные, технологические. Классификация дефектов в компонентах: волокнах, матрице, на границах раздела. Дефекты: технологические, конструкционные, эксплуатационные.
Д.т.н., проф. А.Н.Полилов

План беседы о прочности
А.Н.Полилов,
1. История прочных (конструкционных) материалов
2. Секреты прочности и трещиностойкости
3. Биомеханика прочности
волокнистых композитов

Новая теория прочности – линейная механика разрушения
История возникновения механики разрушения – научной основы обеспечения техногенной безопасности.
Понятие техногенной безопасности и риск-анализа.
Краткий экскурс в историю: от теории прочности к механике разрушения.

Материалы
определяют уровень цивилизации
А.Н.Полилов,
Охотничьи ножи эпохи раннего палеолита:
1 - ашельского типа;
2 - леваллуазско-мустьерского типа;
3 - способ держания в руке.

Каменный, бронзовый, железный
век
А.Н.Полилов,

Сооружения
А.Н.Полилов,

В чем измеряется удельная прочность?
А.Н.Полилов
В километрах! Допустимая длина висящего стального каната в 10! раз ниже чем из органоволокна! 10-100 км

Первые композиты

Эра полимеров и композитов

Общие сведения о композитах
1. Композиты – это искусственно созданные, неоднородные материалы-конструкции, состоящие из двух и более компонентов, один из которых (связующее, матрица) представляет собой связную область, а другие (наполнители, армирующие элементы) занимают многосвязную область и имеют направленную структуру армирования.

2. Компоненты в композитах разделены явно выраженными поверхностями раздела (interface), которые, как и каждый из компонентов, выполняют в нём свою функцию.
3. Армирующие элементы реализуют масштабный эффект прочности
4. Свойства композита нельзя представить в виде суммы свойств компонентов композит из хрупких компонентов (стекло+полимерная смола) может быть нехрупким и иметь очень высокую удельную энергию разрушения, многократно превышающую сумму этих энергий для компонентов.
То есть, композит – это система, в которой проявляются дополнительные свойства по сравнению со свойствами составляющих систему элементов.

5. Композиты – материалы с управляемыми свойствами. Используя тонкие носители прочности – волокна, можно создавать конструкцию со свойствами от «квазиизотропных» до сильно анизотропных, в десятки раз различающихся в разных направлениях.
Направленность и неоднородность – основные особенности композитов, позволяющие оптимизировать материал-конструкцию на структурном уровне.

Алан Арнольд Гриффитс
(1893-1963) – A.A.Griffith
Механика разрушения
Теоретическая прочность, концентрация напряжений
Механика композитов
Прочность тонких бездефектных волокон
Стекло: пузырьки - давление, волокна – эластика Эйлера, испытания петлей.

Масштабный эффект прочности
А.Н.Полилов,
A. Griffith -1920

Первый секрет прочности
А.Н.Полилов,
Тонкие волокна, усы.

Три секрета прочности композитов
А.Н.Полилов,

Mechanism of crack arrest by weak interface

Объекты и эффекты
Эффекты –
Прямые
Конструкционные
Технологические

Объекты и эффекты применения композитов
Эффекты применения композитов:
- прямые, связанные с физико-механическими свойствами самих материалов (низкая плотность, высокая прочность, химическая стойкость, немагнитность и др.);
- технологические (безотходность и низкая энергоемкость производства, отсутствие необходимости в механической обработке и отделке, простота создания изделий сложной формы);
- конструкционные, связанные с возможностью оптимального проектировании не только на уровне размеров и формы детали, но и на уровне структуры армирования материала (оптимизация схемы армирования, снижение числа деталей, рост критических частот колебаний и вращения, повышение точности движения за счет малых инерционных сил).

Первый конструкционный композит - стеклопластик

Примеры применения композитов в авиации, космическом и гражданском
машиностроении, в автомобилестроении
В‏ㅤ авиации: ‏ㅤ для ‏ㅤ высоконагруженных ‏ㅤ деталей ‏ㅤ самолетов ‏ㅤ (обшивки, ‏ㅤ лонжеронов, ‏ㅤ нервюр, ‏ㅤ панелей ‏ㅤ и ‏ㅤ т. ‏ㅤ д.) ‏ㅤ и ‏ㅤ двигателей ‏ㅤ (лопаток ‏ㅤ компрессора ‏ㅤ и ‏ㅤ турбины ‏ㅤ и ‏ㅤ т. ‏ㅤ д.).
В‏ㅤ космической ‏ㅤ технике: ‏ㅤ для ‏ㅤ узлов ‏ㅤ силовых ‏ㅤ конструкций ‏ㅤ аппаратов, ‏ㅤ подвергающихся ‏ㅤ нагреву, ‏ㅤ для ‏ㅤ элементов ‏ㅤ жесткости, ‏ㅤ панелей.
В автомобилестроении: ‏ㅤ для ‏ㅤ облегчения ‏ㅤ кузовов, ‏ㅤ рессор, ‏ㅤ рам, ‏ㅤ панелей ‏ㅤ кузовов, ‏ㅤ бамперов ‏ㅤ и ‏ㅤ т. ‏ㅤ д.
В гражданском машиностроении: для облегчения деталей машин гражданского назначения.

Дефекты в композитах и компонентах
Технологические
Конструкционные
Эксплуатационные

1.2. Структура композитов. Свойства волокон и матриц
Классификация композитных материалов
По составу:
Металлические
Углеродные
Керамические
Полимерные

По структуре:
Волокнистые
Слоистые
Дисперсноупрочнённые
Упрочнённые частицами
Нанокомпозиты

По назначению:

Виды полуфабрикатов

Структура армирования
0-мерная (частицы, скаляр)
1-мерная (нити, условный вектор)
2-мерная (нити в двух и более направлениях (но в одной плоскости), 2 и более условных вектора)
3-мерная (нити в трёх и более некомпланарных направлениях, 3 и более условных не компланарных вектора)
Многонаправленная (14-ти направленный, 27-ми направленный, но структур 2-мерная или 3-мерная)

Технологии изготовления
Ручное формование
Автоклавное формование
Вакуумное формование

Свойства композитных материалов
Армирующие материалы для композитов:

Применение волокнистых композитов в сосудах давления

1.3. Три секрета прочности волокнистых композитов
1.3.1. Первый секрет - масштабный эффект прочности волокон
Оценка прочности, полученная Гриффитсом
- удельная работа разрушения,
- длина дефекта
Зависимости прочности – (а) и её обратной величины – (б) от диаметра волокна

Масштабный эффект (Scale effect)
«РОЛЬ ВОЛОКОН»
Эксперимент Гриффитса со стеклянными волокнами (1911 г.)

1.3.2. Второй секрет - остановка трещины поверхностью раздела

Механизм торможения (схематически)
Микроснимки
картин роста трещины
в слюде: когда трещина
упирается в границу слоев – слева,
и когда трещина
проходит вдоль слоев – справа.
Прочность слева в 20 раз выше.

1.3.3. Третий секрет - статистический характер прочности волокон

1.3.4. О линейной механике разрушения

1.3.5. Об асимптотическом решении задачи про остановку трещины поверхностью раздела
Надо сравнивать наибольшие напряжения на контуре:

1.3.6. О роли касательных напряжений и оптимальных (равнопрочных) свойствах волокнистых композитов
Условие равнопрочности:
Для эллиптических отверстий в изотропном случае:

1.3.7. О распределении Вейбулла
Функция плотности распределения прочности
Распределение Вейбулла более обосновано применительно к прочности волокон, чем традиционное нормальное распределение Гаусса, которое, во-первых, симметрично, во-вторых, допускает бесконечные и отрицательные значения прочности.

Заключение
Предлагаем студентам просмотреть дополнительные материалы, размещенные в LMS Политеха (https://lms.mospolytech.ru)