2.5.9. Удаление отливок из форм и стержней из отливок

2.5.10. Финишные операции обработки отливок

2.6. Изготовление отливок в разовых тонкостенных (оболочковых) формах

2.7. Другие методы литья по разовым моделям

2.8. Изготовление отливок в многократных формах

2.8.1. Изготовление отливок в металлических формах (кокилях)

2.8.2. Изготовление отливок в металлических формах под высоким давлением

2.8.3. Литьё выжиманием

2.8.4. Непрерывное литьё

2.8.5. Электрошлаковое литьё

2.9. Литьё под регулируемым давлением

2.10. Литьё намораживанием

2.11. Центробежное литьё

2.12. Суспензионное литье

2.13. Литейные сплавы

2.13.1. Понятие о литейных сплавах

2.13.2. Литейные свойства сплавов

2.13.3. Механические свойства

2.13.4. Физические и химические свойства

2.13.5. Технологические свойства

2.13.6. Эксплутационные свойства

13.7. Краткая характеристика литейных сплавов

2.13.8. Плавка литейных сплавов

2.14. Технологические требования к конструкции отливки

2.14.1. Общее понятие технологичности отливки

2.14.2. Некоторые основные требования к конструкции отливки

2.15. Основы проектирования технологии изготовления отливки

Раздел 3. Обработка металлов давлением

3.1. Общие сведения

3.1.1. Физические основы пластической деформации

3.1.2. Достоинства обработки металлов давлением

3.1.3. Влияние обработки давлением на структуру и свойства металлов и сплавов

3.2. Нагрев металла перед обработкой давлением

3.2.1. Выбор температурного режима обработки давлением

3.2.2. Нагревательные устройства

3.3. Виды обработки металлов давлением

3.3.1. Прокатное производство

3.3.2. Прессование

3.3.3. Волочение

3.3.4. Ковка

3.3.5. Объемная штамповка

3.3.6. Листовая штамповка

3.3.7. Специальные способы обработки давлением

Раздел 4. Технология сварочных процессов, пайки и склеивания

4.1. Физические основы сварки

4.1.1. Сущность образования сварного соединения

4.1.2. Общая характеристика сварных соединений

4.2. Сварка плавлением

4.2.1. Сущность процесса дугоВой сварКи

4.2.2. Электрическая дуга

4.2.4. Ручная дуговая сварка

4.2.5. Автоматическая дуговая сварка под слоем флюСа

4.2.6. Дуговая сварка в защитных газах

4.2.7. Плазменная сварка

4.2.8. Электрошлаковая сварка

4.2.9. Электронно-лучевая сварка

4.2.10. Лазерная сварка

4.2.11. Газовая сварка

4.3. Сварка давлением

4.3.1. Основные способы контактной сварки

4.3.2. Машины для контактной сварки

4.3.3. Технология точечной и шовной сварки

4.3.4. Технология стыковой сварки

4.3.5. Конденсаторная сварка

4.3.6. Специальные виды сварки давлением

4.4. Физико - химические основы свариваемости

4.5. Технология сварки конструкционных материалов

4.5.1. Особенности сварки углеродистых сталей.

4.5.2. Особенности сварки легированных сталей.

4.5.3. Особенности сварки чугуна

4.5.4. Особенности сварки цветных сплавов

4.6. Технологичность сварных соединений

4.7. Пайка и Склеивание материалов

4.7.1. Пайка

4.7.2. Склеивание

Раздел 5. Технология производства изделий из порошков, полимеров, резин, композиционных и неорганических материалов

5.1. Порошковая металлургия

5.1.1. Основы технологии

5.1.2. Порошковые материалы

5.2. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (свс)

5.3. Полимеры

5.3.1. Строение и свойства полимеров

5.3.2. Технологии получения изделий

5.4. Композиционные материалы (км)

5.4.1. Композиты с металлической матрицей

5.4.2. Композиты с полимерной матрицей

5.4.3. Методы получения изделий из км

5.5. Резиновые изделия

5.6. Неорганические материалы

5.6.1. Неорганические стекла

5.6.2. Керамика

Раздел6. Технологические методы обработки деталей машин

6.1.Общие сведения

6.1.1. Методы обработки заготовок деталей машин

6.1.2. Точность и шероховатость обработки

6.2. Основы резания металлов

6.2.1. Движения при резании и схемы обработки

6.2.2. Характеристики резания и геометрия срезаемого слоя

6.2.3. Элементы токарного резца

6.2.4. Координатные плоскости резцов

6.2.5. Углы резца в статике

6.2.6. Физические основы процесса резания

6.2.7. Выбор режимов резания и пути повышения производительности

6.3. Материалы для изготовления режущего инструмента

6.4. Общие сведения о металлорежущих станках

6.4.1. Классификация металлорежущих станков

6.4.2. Кинематическая схема станка

6.5. Обработка на токарных станках

6.5.1. Метод точения

6.5.2. Токарно-винторезные станки

6.5.3. Токарно-карусельные станки

6.5.4. Токарно - револьверные станки

6.5.5. Токарные автоматы и полуавтоматы

6.6. Сверлильные и расточные станки

6.6.1. Инструмент для сверления и обработки отверстий

6.6.2. Типы сверлильных станков

6.7. Обработка на фрезерных станках

6.7.1. Метод фрезерования и типы фрез

6.7.2. Фрезерные станки общего назначения

6.7.3. Приспособления для фрезерных станков

6.8. Протягивание

6.8.1. Типы станков и их назначение

6.8.2. Режущий инструмент и схемы обработки

6.9. Процессы обработки резанием зубьев зубчатых колес

6.9.1. Методы профилирования зубьев зубчатых колес

6.9.2. Зуборезный инструмент

6.9.3. Технологические методы нарезания зубчатых колес

6.10. Резьбонарезание

6.10.1. Инструмент для образования резьбы

6.10.2. Нарезание резьб резцами и гребенками

6.10.3. Нарезание резьбы фрезами

6.10. 4. Нарезание резьб метчиками

6.10.5. Нарезание резьбы плашками

6.10.6. Резьбонарезные головки

6.10.7. Накатывание резьб

6.11. Абразивная обработка

6.11.1. Абразивные инструменты

6.11.2. Шлифование

6.11.3. Хонингование

6.11.4. Суперфиниширование

6.11.5. Полирование

6.11.6. Доводка

6.12. Электрические, химические и комбинированные методы обработки

6.12.1. Ультразвуковое резание

6.12.2. Обработка резанием с нагревом

6.12.3. Электроэрозионные методы обработки

6.12.4. Химические методы обработки

6.12.5. Лучевые методы обработки

6.13. Технологичность конструкции машин, механизмов и деталей

5.4.2. Композиты с полимерной матрицей

Композиционные материалы с полимерной матрицей отличаются низкой плотностью (1200 ... 1900 кг/м 3), малой чувствительностью к надрезу, тепло- и электропроводностью, высокими усталостной и удельной прочностью, технологичностью переработки, радиопрозрачностью (ряд материалов) и др. В качестве полимерной матрицы для композитов применяются как термореактивные (преимущественно), так и термопластичные полимеры, а наполнителей - любые из перечисленных выше.

Материалы на основе термопластичных полимеров с дисперсными наполнителями различной природы (тальк, графит, оксиды металлов, слоистые твердые смазки, металлические порошки, дискретное стекловолокно и т.д.) используют для изготовления слабо- и средненагруженных деталей машин и аппаратов, корпусных деталей, зубчатых колес и звездочек, подшипников и уплотнений, приводных ремней, емкостей и др.

Среди термопластичных композитов наиболее широкое применение получили стеклонаполненные материалы. В качестве наполнителя используют волокна диаметром 9 ... 13 мкм из бесщелочного алюмоборосиликатного стекла, короткие (длиной 0,1 ... 1 мкм) и длинные (длиной 3 ... 12 мм) со степенью наполнения 10 ... 40% от массы полимера. Выпускаются стеклонаполненные пластмассы на основе полиамидов, поликарбоната, полипропилена и др. термопластов. Наполнение термопластов стекловолокном повышает прочностные характеристики полимеров и теплостойкость, снижает в 1,5 ... 2 раза ползучесть, уменьшает в 2 ... 7 раз температурное расширение, повышает предел выносливости и износостойкость. Введение в композиты твердых слоистых смазок, таких, как графит, дисульфид молибдена, нитрид бора и др., снижает коэффициент трения полимеров и повышает их износостойкость.

Прочность композитов на основе термопластов достигает 150 … 160 МПа при достаточно высокой ударной вязкости (KCU= 8 … 60 Дж/м 2).

Композиционные материалы на основе термореактивных пластмасс создаются на базе полимеров, отверждающихся при нагревании или под действием отвердителей с образованием трехмерной полимерной структур К числу отверждаемых при нагревании относятся композиты на основе феноло-формальдегидных, мочевино- и меламино-формальдегидных, кремнийорганических и других смол. Ко второму типу относятся композиты на основе полисилоксанов, эпоксидных смол и ненасыщенных полиэфиров.

Термореактивные пластмассы, в отличие от термопластов, характеризуются полным отсутствием хладотекучести, обладают значительно большей теплостойкостью, отличаются нерастворимостью, имеют незначительную набухаемость. Они проявляют стабильность свойств вплоть до температуры теплостойкости, способность выдерживать длительные нагрузки при температурах от - 60 до +200 ... 300 °С в зависимости от типа полимера, имеют хорошие диэлектрические свойства. Но эти материалы менее технологичны, чем термопласты.

Наибольшей адгезией к наполнителю обладают эпоксидные смолы. Отвержденные эпоксидные смолы устойчивы к воздействию щелочей, окислителей, большинству органических кислот. Однако композиты на их основе имеют невысокие механические свойства, обладают теплостойкостью до 200 °С, к тому же эти смолы токсичны.

Наибольшую теплостойкость имеют композиты на кремний-органических и полиимидных связующих (до 280 ... 350 °С).

Использование эпоксидных смол и непредельных полиэфиров позволяет получать материалы, способные отверждаться при комнатной температуре (холодного отверждения), что очень важно при изготовлении крупногабаритных изделий.

Композиционные материалы с дисперсными наполнителями в качестве которых используются порошки органических (древесная мука, целлюлоза) и минеральных (кварц, тальк, слюда, оксиды металлов, твердые слоистые смазки, в т.ч. графит, дисульфид молибдена, нитрид бора) веществ, обладают изотропными свойствами, невысокими механической прочностью и ударной вязкостью.

В качестве волокнистых армирующих материалов используются хлопковые очесы, кордовые нити, асбестовое волокно, стекловолокно. Соответственно, эти материалы называются волокнитами, кордоволокнитами, асбоволокнитами, стекловолокнитами.

Волокниты - пластмассы на основе хлопковых очесов, пропитанных феноло-формальдегидной смолой. Материалы обладают повышенной, по сравнению с пресс-порошками, ударной вязкостью (до 10 кДж/м 2), однако имеют значительно меньшую текучесть, что не позволяет получать тонкостенные детали. Волокниты имеют низкие диэлектрические свойствами, неустойчивы к тропическому климату, обладают анизотропией свойств. Применяются они для изготовления изделий общетехнического назначения с повышенной стойкостью к вибрациям и ударным нагрузкам, работающих на изгиб и кручение, например, шкивов ременных передач, фланцев, рукояток, крышек и др.

Асбоволокниты - композиты, содержащие волокнистый минерал - асбест, расщепляющийся на тонкие волокна диаметром до 0,5 мкм. В качестве связующего применяются феноло-формальдегидные и кремнийорганические смолы. Они обладают высокой ударной вязкостью и теплостойкостью до 200 °С, устойчивы к кислым средам, имеют хорошие фрикционные свойства. Применяются в основном в качестве материалов для тормозных устройств (тормозные колодки, накладки, диски сцепления).

Асбоволокниты на феноло-формальдегидной основе используются для производства высокопрочных теплостойких деталей электротехнического назначения (электрические панели, высоко- и низковольтные коллекторы), а на основе кремнийорганических полимеров - для деталей, длительно работающих при температурах до 200 °С (материал К-41-5) и для дугогасящих камер контакторов большой мощности, клеммных колодок (КМК-218). Последние материалы тропикоустойчивы. Фаолит - асбоволокнит, полученный пропиткой асбоволокон феноло-формальдегидной смолой с последующим вальцеванием смеси, используют для изготовления кислотоупорных труб, емкостей.

Стекловолокниты представляют собой пластмассы, содержащие в качестве наполнителя стекловолокна. Применяются стекловолокна диаметром 5 ... 20 мкм высокопрочные с временным сопротивлением В =600 ... 3800 МПа и высокомодульные (ВМ-1, ВМП, М-11), имеющие В = 3900 ... 4700 МПа и модуль упругости при растяжении до 110 ГПа. Используют волокна, нити, жгуты разной длины, что во многом определяет ударную вязкость стекловолокнита. Чем тоньше волокно, тем меньше его дефектность и выше прочность.

Механические свойства стекловолокнитов зависят от состава, количества и длины стекловолокна, типа связующего, физико-химических процессов, протекающих на границе раздела стекловолокно - связующее, метода переработки. Например, замена стекловолокна из стекла Е (бесщелочное алюмосиликатное) на волокно из стекла S(теплостойкое высокопрочное) в эпоксидном связующем позволяет повысить прочность композита на 40%.

С целью улучшения смачиваемости стекловолокна связую­щим, снижения напряжений, возникающих на границе раздела, увеличения адгезии между волокном и связующим применяют аппретирование (обработку) волокон соединениями, содержащими различные реакпионноспособные группы (винильные, метакрильные, фенильные, амино- и иминогруппы и др.). Уменьшению напряжений в пограничном с волокном слое связующего, снижению усадки и пористости, повышению теплостойкости способствует введение в связующее порошкообразных наполнителей, в частности, порошка отвержденного связующего.

Стекловолокниты подразделяют на: спутанно-волокнистые, гранулированные и мелкодисперсные пресс-массы.

Спутанно-волокнистые стекловолокниты получают путем пропитки отрезков волокон длиной 40 … 70 мм с последующей распушкой и сушкой для удаления растворителя (например, АГ-4В). Недостатком этих материалов является неравномерность распределения связующего, больший разброс механических свойств и меньшая текучесть по сравнению с другими стекловолокнитами.

Гранулированные стекловолокниты (премиксы) получают путем пропитки некрученных стеклонитей и стекложгутов с последующей сушкой и резкой на гранулы длиной 5, 10, 20 и 30 мм. Диаметр гранул 0,5 … 8 мм. Материал обладает хорошими сыпучестью и текучестью, большей стабильностью механических свойств. К этой категории материалов относятся дозирующиеся стекловолокниты ДСВ.

Мелкодисперсные стекловолокнистые пресс-массы изготавливают путем смешения измельченных стекловолокон длиной до 1,5 мм со связующим с последующим гранулированием (гранулы размером 3 ... 6 мм). Выпускается также "стеклокрошка" с гранулами длиной до 10 ... 50 мм из пропитанных отходов стеклоткани.

Стекловолокнит гранулированный с гранулами размером до 6 мм перерабатывается литьевым прессованием. Мелкодисперсные стекловолокниты можно перерабатывать литьем под давлением, а при изготовлении изделий с металлической арматурой - литьевым прессованием. Стекловолокнит с длиной гранул размером 10 мм перерабатывается литьевым и прямым прессованием, а при длине гранул длиной 20 и 30 мм - только прямым прессованием.

Из стеклопластиков изготавливают корпусные детали, эле­менты щитков, изоляторов, штепсельных разъемов, обтекателей антенн и т.д. Изделия, эксплуатируемые при температурах от -60 до +200 °С, изготавливают на основе анилино-феноло-формальдегидных смол и бесщелочного алюмоборосиликатного стекловолокна, а для температурного диапазона - 60...+100 °С на основе эпоксидных смол.

Стекловолокниты на основе кремнийорганических смол эксплуатируются до температуры 400 °С, а с использованием кварцевого или кремнеземного волокна кратковременно и при более высоких температурах. Для деталей теплозащитного назначения применяют стекловолокниты на основе кремнеземного волокна и феноло-формальдегидных смол.

На основе стеклянных матов и непредельных полиэфирных смол получают препреги , которые используют для изготовления крупногабаритных деталей (кузова, лодки, корпусные детали приборов и т.д.). Применение ориентированных волокон позволяет получать стекловолокниты с повышенными механическими свойствами. Например, ориентированный стекловолокнит АГ-4С имеет: В = 200 ... 400 МПа,KCU= 100 кДж/м 2 ; в то время как у АГ-4В на основе путаного волокна: В = 80 МПа, KCU = 25 кДж/м 2 .

Органоволокниты представляют собой композиционные материалы на основе полимерных связующих, в которых наполнителем служат волокна органических полимеров (полиамидные, лавсан, нитрон, винол и др.). Для армирования применяются также жгуты, ткани и маты из этих волокон. В качестве связующих применяют термореактивные смолы (эпоксидные, феноло-формальдегидные, полиимидные и др.).

Использование полимерных связующих и наполнителей с близкими теплофизическими характеристиками, а также способных к диффузии и химическому взаимодействию между ними, обеспечивают композитам стабильность механических свойств, высокие удельную прочность и ударную вязкость, химическую стойкость, стойкость к термоудару, тропической атмосфере, истиранию. Допускаемая температура эксплуатации большинства органоволокнитов 100 ... 150 °С, а на основе полиимидного связующего и термостойких волокон - до 200 ... 300 °С. К недостаткам этих материалов следует отнести невысокую прочность при сжатии и ползучесть.

Для получения высокопрочных композитов применяют волокна на основе ароматических полиамидов (арамидные волокна СВМ, терлон, кевлар), обладающие высокими механическими свойствами, термостабильностью в широком диапазоне температур, хорошими диэлектрическими и усталостными свойствами. По удельной прочности эти волокна уступают лишь борным и углеродным.

Бороволокниты - композиционные материалы на полимерной матрице, наполненные борными волокнами. Они обладают хорошими механическими свойствами, низкой ползучестью, высокими тепло- и электропроводностью, стойкостью к органическим растворителям, горюче-смазочным материалам, радиоактивному излучению, циклическим знакопеременным нагрузкам.

Борные волокна получают путем химического осаждения бора из газовой смеси BCl 3 +H 2 на вольфрамовую нить при температуре ~1130°С. Для повышения жаростойкости волокна покрывают карбидом кремния, также осаждаемым из парогазовой фазы в среде аргона и водорода. Такие волокна называют борсиком. В качестве связующего для бороволокнитов используют модифицированные эпоксидные смолы и полиимиды. Бороволокниты КМБ-3, КМБ-Зк обеспечивают работоспособность изделий при температурах до 100 °С, КМБ-1 и КМБ-1к до 200 °С, а КМБ-2к до 300 °С. С целью повышения технологичности переработки используют композиты, содержащие смесь борного волокна со стекловолокном.

Бороволокниты применяются в авиационной и космической технике для изготовления различных профилей, панелей, деталей компрессоров и др.

Карбоволокниты (углепластики) - композиционные мате­риалы на основе полимерного связующего и углеродных волокон. Углеродные волокна отличаются высокими теплостойкостью; удельной прочностью, химической и атмосферостойкостью, низким коэффициентом термического линейного расширения.

Применяют волокна двух типов: карбонизованные и графитированные. В качестве исходного материала используют вискозные или полиакрилонитрильные (ПАН) волокна, каменные и нефтяные пеки, которые подвергаются специальной термообработке. В процессе высокотемпературной обработки в безокислительной среде происходит переход от органических волокон к углеродным. Карбонизация проводится при температуре 900 ... 2000 °С, а графитизация - при температурах до 3000 °С. Углеродные волокна по механическим свойствам подразделяются на высокомодульные и высокопрочные. В качестве связующих используют термореактивные полимеры: эпоксидные, феноло-формальдегидные, эпокси-фенольные смолы, полиимиды и др., а также углеродные матрицы.

Карбоволокниты обладают хорошими механическими свойствами, статической и динамической выносливостью, водо- и химической стойкостью и т.д.

Карбоволокниты на эпокси-анилино-формальдегидном связующем (КМУ-3, КМУ-Зл) работоспособны при температурах до 100 °С, на эпокси-фенольном (КМУ-1л, КМУ-ly) до 200 °С, на по-лиимидном (КМУ-2, КМУ-2л) до 300 °С, на углеродной матрице до 450 °С на воздухе и до 2200 °С в инертной среде.

Применяются карбоволокниты для изготовления конструкционных деталей авиационной и ракетной техники, антенн, судов, автомобилей, спортивного инвентаря.

Слоистые композиционные материалы имеют листовые наполнители (ткани, бумагу, шпон и т.д.), пропитанные и скрепленные между собою полимерным связующим. Эти материалы обладают анизотропией свойств. В качестве волокнистых армирующих элементов используют ткани на основе высокопрочных волокон различной природы: хлопчатобумажные, стекло-асботкани, органоткани, углеткани, органостеклоткани, бороорганостеклоткани. Ткани различаются между собой по соотношению волокон в основе и утке, по типу переплетения, что сказывается на их механических свойствах. Выпускаются слоистые композиты в виде листов, труб, заготовок.

Гетинакс - пластик на основе модифицированных фенольных, амино-формальдегидных и карбамидных смол и различных сортов бумаги.

Органогетинакс изготавливают на основе бумаги из синтетических волокон, чаще всего из ароматических полиамидов и поливинилового спирта. В качестве связующих применяют полиимиды, феноло-формальдегидные, эпоксидные смолы и другие. По сравнению с гетинаксами они имеют более высокую стойкость в агрессивных средах и стабильность механических и диэлектрических свойств при повышенных температурах.

Текстолит - слоистый пластик на основе полимерных связующих и хлопчатобумажных тканей. Материал обладает высокими механическими свойствами, стойкостью к вибрациям. В зависимости от основного назначения текстолиты подразделяются на конструкционные, электротехнические, графитированные, гибкие прокладочные.

Конструкционный текстолит марок ПТК, ПТ, ПТМ используется для изготовления зубчатых колес, подшипников скольжения, работающих при температурах в зоне трения не выше 90° С, в прокатных станах, турбинах, насосах и др. Выпускается в виде листов толщиной от 0,5 до 8 мм и плит толщиной от 8 до 13 мм.

Электротехнический текстолит используется в качестве электроизоляционного материала в средах с рабочей температурой от минус 65 до +165°С и влажностью до 65%. Выпускается он в виде листов толщиной от 0,5 до 50 мм марок А, Б, Г, ВЧ. Электрическая прочность в трансформаторном масле до 8 кВ/мм. Марка А - с повышенными электротехническими свойствами для работы в трансформаторном масле и на воздухе при промышленной частоте 50 Гц. Марка Б - с повышенными электротехническими свойствами для работы на воздухе при частоте 50 Гц. Марка Г - по свойствам и области использования аналогична марке А, но с расширенными допусками по короблению и толщине. Марка ВЧ - для работы на воздухе при высоких частотах (до 10 6 Гц).

Графитированный текстолит применяется для изготовления подшипников прокатного оборудования и выпускается в виде листов толщиной 1 … 50 мм, длиной до 1400 мм и шириной до 1000 мм.

Гибкий прокладочный текстолит используют для производства уплотняющих и изолирующих прокладок в узлах машин, подвергаемых воздействию масел, керосина, бензина. Выпускают в виде листов толщиной 0,2 ... 3,0 мм.

В асботекстолитах иасбогетинаксах в качестве наполнителей содержится соответственно асботкань или асбобумага (до 60%), а в качестве связующего - феноло-формальдегидные и меламино-формальдегидные смолы, кремний-органические полимеры, которые определяют допускаемую температуру эксплуатации.

Материалы на меламино-формальдегидной основе допускают работу изделий при температурах до 200 °С, на феноло-формальдегидной до 250 °С и на кремнийорганической до 300 °С при длительной эксплуатации. Кратковременно температура может достигать 3000 °С. Применяют асботекстолиты в основном для изготовления тормозных колодок, тормозных накладок, в качестве теплоизоляционного и теплозащитного материалов.

Стеклотекстолиты изготавливают на основе стеклотканей и различных полимерных связующих. На феноло-формальдегидных смолах (КАСТ, КАСТ-В, КАСТ-Р) они более теплостойки, чем текстолит ПТК, но хуже по вибростойкости. На кремнийорганических смолах (СТК, СК-9Ф, СК-9А) имеют высокую тепло- и морозостойкость, обладают высокой химической стойкостью, не вызывают коррозии контактирующего с ним металла. Применяют стеклотекстолиты в основном для крупногабаритных изделий радиотехнического назначения.

Высокой ударной вязкостью KCUдо 600 кДж/м 2 , временным сопротивлением до 1000 МПа обладаютстекловолокнистые анизотропные материалы, армированные стеклошпоном (СВАМ). По удельной жесткости эти материалы не уступают металлам, а по удельной прочности в 2 … 3 раза превосходят их.

Газонаполненные пластмассы также можно отнести к классу композитов, так как структура их представляет собой систему, состоящую из твердой и газообразной фаз. Их подразделяют на две группы: пенопласты и поропласты.Пенопласты имеют ячеистую структуру, поры в которой изолированы друг от друга полимерной прослойкой.Поропласты имеют открытую пористую систему и присутствующие в них газообразные или жидкие продукты сообщаются друг с другом и окружающей средой.

Пенопласты получают на основе термопластичных полимеров (полистирола, поливинилхлорида, полиуретана) и термореактивных смол (феноло-формальдегидных, феноло-каучуковых, кремний-органических, эпоксидных, карбамидных). Для получения пористой структуры в большинстве случаев в полимерное связующее вводят газообразующие компоненты, называемыепорофорами. Однако имеются и самовспенивающиеся материалы, например, пенополиэфироуретановые, пенополиэпоксидные. Пенопласты на основе термопластичных смол более технологичны и эластичны, однако температурный диапазон их эксплуатации от -60 до +60 °С.

Поропласты получают, в основном, путем механического вспенивания композиций, например, сжатым воздухом или с использованием специальных пенообразователей. При затвердевании вспененной массы растворитель, удаляясь в процессе сушки и отверждения из стенок ячеек, разрушает их. Сквозные поры можно получить, наполнив композиции водорастворимыми веществами. После прессования и отверждения изделия его погружают в нагретую воду, в которой вымываются растворимые вещества.

Поропласты применяют для изготовления амортизаторов, мягких сидений, губок, фильтров, в качестве вибродемпфирующих и звукоизоляционных прокладок в вентиляционных установках, глушителях, прокладок в касках и шлемах и т.д. Плотность их составляет 25 ... 500 кг/м 3 .

Металлополимерные каркасные материалы представляют собой композиционные материалы, в которых несущей основой является трехмерная металлическая сетка, а межкаркасная полость заполнена полимерной композицией, содержащей различные функциональные компоненты (рис.5.11).

Рис. 5.11. Структура металлополимерного каркасного материала (а) и материала МПК (б):

1 - частицы металла, 2 – полимер, 3 - твердая смазка, 4 - пиролитический графит

В машиностроении нашли применение металлополимерные самосмазывающиеся материалы на основе металлокерамического каркаса и полимерных связующих, содержащих различные сухие смазки (графит, дисульфид молибдена, йодистый кадмий и др.). Такие материалы используются для изготовления подшипников скольжения, сепараторов подшипников качения, поршневых колец и т.п.

Для получения металлокерамического каркаса используют порошки оловянистой бронзы, нержавеющей стали, стеклокерамику. Межкаркасные полости заполняют фторопластом- 4Д путем пропитки 50%-ной водной суспензией фторопласта или смесью фторопласта-4Д со свинцом. Металлокерамический антифрикционный материал МПК, изготовленный на основе порошков нержавеющих сталей, содержит пирографит и фторопласт- 4.

Технология его получения заключается в следующем: из металлических порошков прессуют и спекают каркас с пористостью 20 … 70%. Затем в специальной камере через поры пропускают углеродсодержащий газ при температуре, обеспечивающей пиролиз газа и осаждение графита на стенки каркаса до заполнения около 3/4 объема пор, после чего осуществляют многократную вакуумную пропитку изделия суспензией фторопласта-4 с одновременной термообработкой.

Самосмазывающиеся материалы приведенного типа работоспособны при температурах до 250 °С.

Весьма перспективно применение ленточных каркасных самосмазывающихся материалов, представляющих собой металлическую основу (ленту), на которую припекается слой пористого металлокерамического каркаса. Поры каркаса заполняют композициями на основе фторопласта- 4 и твердых смазок.

Ленточные материалы весьма технологичны, позволяют изготавливать подшипники скольжения (свертные) и вкладыши любого размера) допускают эксплуатацию без смазки при температурах до 280 °С при больших давлениях (до 200 … 300 МПа) и скоростях скольжения. Использование металлической ленты-основы и бронзового пористого каркаса обеспечивает хороший теплоотвод из зоны трения, а находящийся в порах и на поверхности фторопласт-4 с твердыми смазками - низкий коэффициент трения и высокую износостойкость пар трения. За рубежом широко используются ленточные материалы типаDU,DP,DQ.

Одним из недостатков каркасных ленточных материалов является малая толщина поверхностного приработочного слоя (10 … 20 мкм), что исключает возможность механической обработки подшипников после их монтажа в корпусе.

Эффективно применение каркасных самосмазывающихся материалов, каркас которых спечен из металлических волокон или сеток, а в качестве матрицы использованы различные полимерные композиции, а также материалов на основе углеграфитовых и металлизированных углеграфитовых тканей, пропитанных полимерными связующими с твердыми смазками.

В настоящее время широкое применение нашли композиционные древесные материалы, представляющие собой армирующие древесные материалы (наполнители), объединенные в матрице (как правило, полимерной) с введением специальных добавок. В ряде случаев они носят название древопластики, либо КДПМ (композиционные древесные полимерные материалы).

Древесностружечные плиты - крупноразмерные изделия, изготовляемые методом горячего плоского прессования древесных частиц, смешанных со связующим. Согласно ГОСТ 10632-89 плиты выпускают размерами 2440х1220; 2750х1500; 3500х1750; 3660х1830; 5500х2440 мм, толщиной от 10 до 25 мм, шлифованные и не шлифованные. В соответствии с назначением плиты подразделяют на три марки:П-1 (П-1М многослойные и П-1Т трехслойные) - изготовляют футляры, панели и другие детали в радио- и приборостроении, элементы мебели и строительства. Облицовываются пленками на основе термореактивных и термопластичных полимеров, лакокрасочными материалами;П-2 (П-2Т и П-20 однослойные, подразделяемые на группы А и Б ) - из­готовляют корпуса приборов,машин, контейнеры и тару (кроме пищевой), стеллажи, элементы мебели и строительных конструкций. Применяют облицованные шпоном, декоративными бумажно - слоистыми пластиками и без облицовки;П-3 (П-ЭТ) - детали кузовов автофургонов, перегородки вагонов, элементы строительных несущих конструкций. По качеству поверхности плиты подразделяют на шлифованные (1 и II сортов) и нешлифованные (I и II сортов).

Плиты древесноволокнистые (ГОСТ 4598-86) в зависимости от плотности подразделяют на мягкие (М), полутвердые (ПТ), твердые (Т) и сверхтвердые (СТ) и в зависимости от предела прочности при изгибе - на семь марок: М-4, М-12, М-20, ПТ-100, Т-350, Т-400 и СТ-500, где числа означают минимальную величину предела прочности плит при изгибе в кгс/см 2 . Толщина плит 2,.5; 3,2; 4; 5; 6; 8: 12; 16 и 25мм, ширина от 1220 до 1830 мм и длина от 1200 до 5500 мм. Предназначены для использования в изделиях и конструкциях, защищенных от увлажнения.

Древесные слоистые пластики (ДСП) - горячепрессованные многослойные, пропитанные синтетическими смолами листы шпона различных пород древесины. ДСП характеризуются высокой прочностью и износостойкостью, небольшим коэффициентом трения и хорошей прирабатываемостью.

ДСП толщиной от 1 до 15мм изготовляют в виде прямоугольных листов, толщиной от 15 до 60 мм - в виде плит. Листы и плиты, склеенныеиз целых по длине листов шпона, называют цельными, а из нескольких - составными (с несколько пониженными свойствами). Цельные листы выпускают шириной 950 мм и длиной 700, 1150 и 1500 мм и 1200х1500 мм; составные 2400х950, 4800х1200, 5000х1200 мм; плиты цельные: 750х750, 950х700 (1150, 1500); 1200х1200 (1500), составные плиты выпускают тех же размеров, что и составные листы. В соответствии с ГОСТ 13913-78 и ГОСТ 20366-75 ДСП подразделяют на 11 марок.

К числу перспективных узлов и деталей из КДПМ могут быть отнесены:

ролики ленточных конвейеров;

корпуса подшипников качения;

глухие и проходные крышки, люки;

центральные части колес и катков (колесные центры с бандажами, изготовленными из стали);

блоки тросов для кранов, тельферов, полиспастов и т. п.;

шкивы, звездочки, шестерни, закрепленные на валах с помощью бесшпоночных соединений;

грузы, противовесы, успокоители, маховики с внутренней частью из спрессованных металлических стружек и наружной частью из КДПМ;

панели внутренней обшивки автомобилей, автобусов, вагонов, кабин различных машин и т. п.;

поршни пневмо- и гидроцилиндров;

оконные рамы;

каркасы для деталей из пенополиуретана;

гнуто-клееные профили и панели из шпона;

сэндвич-панели с наружными листами из фанеры, ДВП, ДСтП, ДСГ1, ДБСП или металла (стали, алюминия) и центральной части из пенопластов с древесными наполнителями;

детали из пенопластов с древесными наполнителями конструкционного и теплоизоляционного назначения (например, детали крепления потолков вагонов, тепло-, шумо- и виброизоляция вагонов, тепловозов, рефрижераторов и дверей гаражей, теплоизоляция труб при бесканальной прокладке и т.п.);

резервуары (бензобаки, ресиверы и т.п.).

подшипники скольжения, работающие в режиме избирательного переноса;

Безусловно, рассмотренные перспективные направления применения КДПМ не претендуют на полноту, не исчерпывают всех возможных областей использования и могут быть значительно расширены.

(всего в 12 статьях)

Краткие сообщения
Механика деформируемого твердого тела

Структурно-феноменологические модели прогнозирования упругих свойств высокопористых композитов

Аннотация: Рассматривается структурно-феноменологический подход к прогнозированию упругих свойств высокопористых композитов. Предлагаются нелинейные локально-эргодинамические модели прогнозирования упругих свойств, которые характеризуются более узкой вилкой Фойгта-Рейсса по сравнению с аналогичной вилкой, полученной на основе линейных моделей. Выводятся аналитические формулы для расчёта корреляционной поправки. Последующие приближения, учитывающие моментные функции высших порядков поля упругих свойств, не приводятся, так как они не вносят заметного вклада в полученное первое приближение.

Ключевые слова: высокопористые композиты, структурно-феноменологический подход, упругие свойства, нелинейные локально-эргодические модели, моментные функции

Реферативные базы данных:

Тип публикации: Статья
УДК: 539.3
MSC: 74A40
Поступила в редакцию 20/III/2010
в окончательном варианте - 12/VIII/2010

Образец цитирования: Е. Ю. Макарова, Ю. В. Соколкин, А. А. Чекалкин, “Структурно-феноменологические модели прогнозирования упругих свойств высокопористых композитов”, Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки , 5(21) (2010), 276-279

Цитирование в формате AMSBIB

\RBibitem{MakSokChe10}
\by Е.~Ю.~Макарова, Ю.~В.~Соколкин, А.~А.~Чекалкин
\paper Структурно-феноменологические модели прогнозирования упругих свойств высокопористых композитов
\jour Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки
\yr 2010
\vol 5(21)
\pages 276--279
\mathnet{http://mi.сайт/vsgtu809}
\crossref{https://doi.org/10.14498/vsgtu809}

Образцы ссылок на эту страницу:

http://mi.сайт/vsgtu809

http://mi.сайт/rus/vsgtu/v121/p276

ОТПРАВИТЬ:

Эта публикация цитируется в следующих статьяx:

1. Е. Ю. Макарова, Ю. В. Соколкин, “Эффективные упругие свойства высокопористых композитов с учетом естественного разброса свойств матрицы”, Научно-технический вестник Поволжья , 2012, № 6, 24-27
2. Ю. И. Димитриенко, С. В. Сборщиков, А. П. Соколов, Ю. В. Шпакова, “Численное моделирование процессов разрушения тканевых композитов”, Вычислительная механика сплошных сред = Computational Continuum Mechanics , 6 :4 (2013), 389-402
3. И. В. Пименов, Г. И. Шайдурова, “Расчет баллона высокого давления из ПВХ-лейнера и базальтопластиковой силовой оболочки”, , 2014, № 36, 77-94
4. Р. Я. Газизов, С. Л. Калюлин, Р. Н. Сулейманов, М. А. Ташкинов, “Расчет эффективной трещиностойкости для упругопластической слоистой среды”, Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника , 2014, № 37, 154-171
5. С. Л. Калюлин, Р. Н. Сулейманов, М. А. Ташкинов, Р. Я. Газизов, “Расчет характеристик полей деформирования в компонентах гетерогенной среды со случайной структурой методом конечных элементов”, Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника , 2014, № 37, 172-186
6. В. А. Ефимик, “Применение метода конечных элементов к задаче собственных колебаний прямоугольных пластин и цилиндрических оболочек”, Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника , 2014, № 38, 72-92
7. О. Ю. Самарина, А. В. Долгодворов, “Исследование микроструктуры конструкционного композиционного материала на этапе получения углерод-углеродного композиционного материала”, Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника , 2014, № 38, 140-152
8. Р. Н. Сулейманов, “Структурно-неоднородные модели теплопроводности и численный анализ температурных полей в процессе проходки шахтных стволов методом замораживания”, Труды международной конференции "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (СAD/CAM/PDM - 2014)" Под редакцией А. В. Толока, 2015, № 1 (40), 135-148

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование деформирования композитов

Введение

Наличие большого количества цементных заводов в Украине делает железобетон и его модификации одним из основных строительных материалов для гидротехнических сооружений.

Железобетон с частым регулярным расположением стальных стержней в двух или трех направлениях можно рассматривать как композитный армированный материал, обладающий анизотропией, т. е. зависимостью механических свойств от направления действия усилий, которая обусловлена армированием и нелинейностью деформирования, связанной с трещино-образованием, пластическими свойствами бетона и стали. В гидротехни-ческом строительстве чаще применяют сосредоточенное размещение арматуры в растянутой зоне, поэтому предметом дальнейшего изучения будут конструкции главным образом такого вида.

Композиционные материалы нашли широкое применение в различных отраслях современной техники. Дальнейший прогресс в развитии многих направлений строительства в большой степени связан с увеличением доли использования таких материалов, а при создании новой и специальной техники их роль становится решающей. Требования оптимального проек-тирования, сокращения времени и материальных затрат на эксперимен-тальную отработку определили значительный интерес к совершенствованию методов прогнозирования деформационных и прочностных свойств композитов.

С другой стороны, развитие механики деформируемого твердого тела идет по пути усложнения исследуемых моделей и постановок задач. Исходя из модельных представлений механики, композиционный материал можно определить как неоднородную среду, описываемую с помощью разрывных по координатам быстроосциллирующих материальных функций, которые, как правило, считаются либо периодическими, либо случайными одно-родными. Необходимость разработки методов решения дифференциальных уравнений с такими коэффициентами привела к появлению относительно новой области математических исследований - теории осреднения дифференциальных операторов с частными производными, позволяющей получить решение исходной задачи с помощью более простых дифферен-циальных уравнений, называемых осредненными.

Проблема вычисления коэффициентов осредненных уравнений, известная в механике композитов как проблема прогнозирования эффективных характеристик, является одной из центральных, поскольку открывает воз-можность синтеза материалов с заранее заданным комплексом свойств, наилучшим образом соответствующих конкретным условиям эксплуатации. Каждой неоднородной среде ставится, таким образом, в соответствие некоторая анизотропная среда с эффективными свойствами, для которой удобно проводить расчеты конструкций и деталей из композиционных материалов с использованием известных математических методов механики деформируемого твердого тела.

В то же время, исследование механического поведения элементов структуры с учетом концентрации неоднородных в пределах каждого из них полей напряжений и деформаций позволяет не только непосредственно определять эффективные свойства, но и дает обширную информацию о характере и особенностях деформирования и разрушения материалов в зависимости от реальной структуры композитов и их компонентов.

В работе было уделено особое внимание анализу результатов теоретических и экспериментальных исследований диссипативных процессов неупругого деформирования и разрушения анизотропных структурно-неоднородных тел. Большое внимание уделено изучению закономерностей закритической стадии деформирования, при реализации которой материал теряет свою несущую способность не сразу, а постепенно, что отражается на диаграмме деформирования в виде ниспадающей ветви.

Данное механическое явление (известное ранее) обнаружено при решении задач механики упругопластического деформирования композиционных материалов с учетом структурного разрушения.

Однако стремление к адекватному описанию поведения конструкций и опти-мальному с позиций сопротивления разрушению проектированию структуры создаваемых композиционных материалов привело к необходимости более раннего учета стадии разупрочнения (на этапе постановки задачи) в опреде-ляющих соотношениях и изучения условий закритического деформирования элементов структуры в составе композита.

В работе рассмотрен подход, в рамках которого разрушение неоднородных тел рассматривается как результат потери устойчивости процессов дефор-мирования на закритической стадии, сопровождающихся структурным разрушением. Новые математические модели позволяют естественным образом описывать стадии дисперсного накопления повреждений, локали-зации разрушения, а также слияния разрушенных зон с учетом пластических деформаций в неоднородных анизотропных средах с помощью специальных функций состояния материала, переход к нестабильной стадии моделировать с помощью критериев устойчивости накопления повреждений, а энергети-ческие соотношения механики разрушения записывать с использованием параметров ниспадающих ветвей полных диаграмм деформирования. В работе исследуется понятие нагружающей системы и ее влияние на устой-чивость диссипативных процессов. Дано изложение некоторых вопросов тео-рии устойчивой закритической деформации. Традиционная для механики композитов проблема осреднения рассмотрена в новых аспектах, связанных с расширением физической базы используемых математических моделей.

1. Моделирование деформирования и разрушения композиционных материалов

Методы прогнозирования эффективных упругих свойств современных композитов достаточно хорошо разработаны. Достигнутые в линейной тео-рии упругости результаты по прогнозированию эффективных свойств и сопутствующие им результаты по определению полей микронапряжений и микродеформаций являются хорошей базой для исследования упругоплас-тических и прочностных свойств микронеоднородных материалов. Стрем-ление к более полному использованию несущей способности ответственных конструкций неизбежно приводит к необходимости всесторонних исследо-ваний, предшествующих построению комплексных моделей деформирования и разрушения реальных материалов при сложном напряженном состоянии и нелинейных свойствах элементов структуры.

1.1 Неупругое деформирование композитов и его структурное разрушения

Механические микро- и макроскопические процессы в неоднородных мате-риалах достаточно подробно изучались в рамках детерминированных и статистических моделей механики композитов. Преимущество статис-тических моделей состоит в том, что они естественным образом учитывают такой важный фактор реальной структуры композитов, как случайность взаимного расположения элементов и статистический разброс их свойств. Однако в статистической механике композитов до сих пор остается открытым вопрос о более полном, по сравнению с одноточечными приближениями, учете многочастичного взаимодействия компонентов. Поэ-тому в подавляющем большинстве работ в этом направлении анализ напряженно-деформированного состояния композитов ограничивается вычислением осредненных по компонентам полей деформирования. Вычисление и других статистических характеристик полей деформирования для случаев неизотропного и комбинированного нагружения, а также построение решений нелинейных краевых задач для процессов накопления пластических деформаций и повреждений в компонентах композитов с учетом неоднородности полей деформирования приобретает особо важное значение в задачах прогнозирования прочностных свойств.

Характерно, что свойства композиционных материалов могут принци-пиально отличаться от свойств составляющих компонентов. Например, отсутствие пластических изменений объема структурных элементов может сопровождаться пластическим изменением объема композита, из идеально пластических компонентов может быть создан упрочняющийся материал, из слабо упрочняющихся компонентов - сильно упрочняющийся и т.д. Это говорит о сложности и разнообразии рассматриваемого явления, теоретическое описание которого требует разработки специальных подходов и математических моделей.

физическое явление упруго-пластического поведения композиционных материалов и, главное, необходимость его исследования были обнаружены задолго до создания соответствующей математической теории. Поэтому многие исследователи в середине шестидесятых годов обратились к анализу поведения материалов при помощи простых моделей. Модель в виде набора параллельных составных элементов использовалась для приближенного описания неупругого деформирования однонаправленного композита при растяжении поперек волокон. Некоторые ученые использовали модель коаксиальных цилиндров, предполагая простейшее напряженное состояние материала матрицы. Применялась аппроксимация реального материала бесконечной средой с расположенным в ней единственным армирующим элементом. Многие методики, применяемые до сих пор, основаны на использовании правила смеси, согласно которому делается предположение об однородности либо поля напряжений, либо поля деформаций. Различные модификации этого правила позволяют добиваться согласия с экспериментальными данными.

К настоящему времени благодаря использованию численных методов механики деформируемого твердого тела и некоторых новых подходов, разработанных непосредственно для структурно-неоднородных тел, получены решения ряда задач неупругого деформирования с учетом сложного характера распределения напряжений и деформаций в структурных элементах. Композиционные материалы, рассматриваемые как однородные с эффективными свойствами, в зависимости от структуры могут быть как изотроп-ными, так и анизотропными, даже если они состоят только из изотропных компонентов. При постановке задач определения эффективных характеристик анизотропных композиционных материалов возникает необходимость выбора теории пластичности анизотропного тела, позволяющей адекватно описать поведение эквивалентной однородной среды.

Предложены различные много вариантов деформационной теории пластичности и теории течения. Большое внимание уделено определению количества и структуры независимых инвариантов заданной совокупности тензоров. Рассматриваемый вопрос представляется весьма важным для механики композитов, однако, крайне ограниченное число работ по экспериментальному исследованию закономерностей деформирования анизотропных материалов в условиях сложного напряженного состояния не позволяет в полной мере оценить достоверность и общность того или иного варианта теории пластичности анизотропных сред.

Исследование упругопластического поведения анизотропных композитов, таких как волокнистые однонаправленные и пространственно армированные, слоистые с однородными и неоднородными слоями, является довольно сложной проблемой. Решение задач механики композитов для этих материалов осуществляется преимущественно в некоторых наиболее простых случаях напряженного состояния, что, безусловно, является определенным научным достижением. Однако, такие решения, обычно, не позволяют построить все материальные функции, описывающие поведение композита при произвольном сложном напряженно-деформированном состоянии в рамках выбранной теории пластичности анизотропного тела.

Неупругое деформирование слоистых композитов при одноосном растяже-нии вдоль слоев исследовано при растяжении поперек слоев. рассмотрено поведение композита в плоском напряженном состоянии, когда усилия, растягивающие в двух направлениях, лежат в плоскости, параллельной слоям. Следует отметить, что значительная часть результатов получена без учета межслойных взаимодействий. Понятно, такое упрощение в некоторых случаях может оказаться слишком грубым. Это подтверждается тем, что разрушение слоистых конструкций часто происходит путем расслоения.

Нелинейный характер зависимости между напряжениями и деформациями композиционных материалов может являться следствием не только плас-тического деформирования и иметь место даже в случае линейно упругих компонентов. Это обусловлено тем, что полному (макроскопическому) разрушению изделий из композитов предшествует сложный процесс разрушения отдельных элементов структуры. Изучение этого процесса важно не только для анализа условий образования макроскопической трещины, но и для исследования поведения материала под нагрузкой.

Каждый акт структурного разрушения сопровождается перераспределением напряжений в элементах композита, приводящим либо к продолжению, либо к прекращению разрушения при данном уровне внешней нагрузки.

Построение моделей неупругого деформирования композиционных материалов с учетом этих процессов выдвигает в качестве основных вопросы выбора критериев структурного разрушения и описания остаточных деформацион-ных и прочностных свойств элементов неоднородной среды после выполнения тех или иных условий их разрушения. Важное значение при этом имеет тот факт, что элемент структуры композита может быть разрушен по различным механизмам. Например, в случае армированного монослоя возможно растрескивание или отслоение матрицы, расщепление, разрывы или выдергивание волокон и т.д. Эти и другие механизмы изменения несущей способности структурного элемента отождествляются с той или иной схемой изменения его жесткостных свойств.

Как уже было отмечено, при исследовании композиционных материалов возникает необходимость привлечения вероятностных представлений и аппарата теории случайных функций, обусловленная случайным характером свойств, взаимного расположения элементов структуры и, как следствие, стохастическим процессом их разрушения.

Таким образом, в числе других проблем механики композиционных материалов актуальными являются развитие нелинейных моделей поведения композитов с учетом разрушения элементов структуры и разработка методов решения задач неупругого деформирования для различных случаев сложного напряженно-деформированного состояния.

1.2 Феноменологические модели механики разрушения

Различают два подхода к построению теорий в естественных и прикладных науках - феноменологический и структурный. Феноменологические модели строятся на основе эмпирических данных о поведении объекта. При этом не ставится задача объяснения или полного описания существа явлений. Структурный подход состоит в разработке моделей, которые позволяют описать и объяснить явления, исходя из внутренней структуры рассматриваемых объектов. Эти подходы тесно связаны между собой и должны взаимно обогащать друг друга. Построение нелинейных моделей поведения среды с эффективными свойствами для описания деформирования композита, сопровождаемого разрушением элементов структуры, соответствует методологии феноменологического описания.

Необходимость и полезность феноменологических теорий была обоснована В.В. Новожиловым. При этом допустимо установление различных уровней феноменологического описания. Например, накопление повреждений может моделироваться на основе рассмотрения в сплошной среде системы дисковых трещин или пор. Л.М. Качановым и Ю.Н. Работновым введен параметр поврежденности (или противоположный - сплошности), определяемый площадью трещин, приходящихся на единицу площади поперечного сечения тела. В то же время, этот параметр может и не отождествляться с какой-либо характеристикой конкретных дефектов и повреждений, если он входит в соотношения, связывающие осредненные величины. Это естественно, когда при определении материальных функций модели можно обойтись без прямых микроструктурных исследований, например, измерения площади разрывов.

Феноменологический подход к моделированию поврежденности материалов состоит в описании образования внутренних разрывов при помощи некото-рых функций состояния материала. Эта идея нашла отражение в известных работах А.А. Ильюшина, В.В. Болотина, В.П. Тамужа и А.Ж. Лагэдиньша. Она получила развитие благодаря усилиям многих других исследователей и явилась основой создания механики поврежденной сплошной среды, в рамках которой повреждение материала определяется как любое микроструктурное изменение, приводящее к какому-либо изменению механических свойств.

В настоящее время известно значительное количество скалярных и тензор-ных характеристик поврежденности. Обоснованы основные положения трехмерной теории анизотропной поврежденности и соответствующие тензорных моделей.

Процесс разрушения структурно-неоднородных сред носит многостадийный характер. Наиболее выражена стадия объемного, или рассеянного, разруше-ния, которая связана с объемным накоплением стабильных микротрещин и при достижении пороговой концентрации переходит через укрупнение и слияние на следующий масштабный уровень. Кроме того, показано, что эффективные деформационные характеристики зависят от радиуса корреля-ции случайного множества дефектов. Естественно предположить, что характер взаимодействия микроповреждений определяет также условия макроразрушения неоднородной среды и, следовательно, ее прочностные свойства.

Многоуровневый характер формирования реакции материала внешнему механическому воздействию предопределяет возможность многоуровневого феноменологического описания. Каждый структурный уровень связан с некоторой системой элементов неоднородности (естественных или вызванных поврежденностью). Анализ введенных на структурном уровне напряжений и деформаций как осредненных величин служит средством исследования механического поведения материала в рамках соответствую-щего уровня феноменологии. Двухуровневое рассмотрение процессов деформирования и разрушения положено в основу классификации Давиденкова-Фридмана и структурно-феноменологического подхода в механике композитов.

Проблема описания перехода от микро- к макроразрушению является очень важной для механики композитов. При этом существует много различных исходных предпосылок и методов оценки прочности с позиций структурной механики. В настоящей работе развивается подход, согласно которому макроразрушение рассматривается как результат потери устойчивости сопряженного с накоплением повреждений процесса деформирования. Процесс нагружения упругопластической системы становится неустой-чивым, если сколь угодно малому продолжению этого процесса соответ-ствует катастрофическое развитие перемещений и деформаций. Решающая роль особого рода нелинейности (ниспадающей ветви на диаграмме дефор-мирования) в вопросах устойчивости, связанных с проблемой разрушения, была отмечена в работе А.А. Ильюшина. Все физические процессы, протекающие в материале при нагружении, отражены на полных диаграммах деформирования, причем ниспадающие участки этих диаграмм соответствуют отдельным стадиям разрушения.

Возможность появления ниспадающего участка на диаграмме вследствие процесса трещинообразования и повреждения отмечена в С.Д. Волковым. Такой характер поведения материала на заключительной стадии деформи-рования материала во многих случаях ассоциируется с формированием или развитием макродефекта. В связи с этим, наряду с явным описанием трещины в деформируемом теле, представляется перспективным феноменологическое направление механики разрушения, описывающее поведение материала на стадии формирования и роста макротрещины. Начало этому направлению положено С.Д. Волковым. Использование данного подхода связано с предположением, что механическое поведение сколь угодно малого объема материала при наличии разрывов, соизмеримых с его размерами, аналогично поведению макрообразца на заключительной стадии деформирования. Это в определенной степени отражает автомо-дельность процесса разрушения.

Согласно гипотезе макрофизической определимости А.А. Ильюшина, каждой точке среды может быть поставлен в соответствие макрообразец в виде тела конечных размеров, находящийся в однородном напряженно-деформирован-ном состоянии и на котором могут быть в принципе изучены все процессы, протекающие в изображаемой точке среды.

Указанное соответствие может быть установлено следующим образом: перемещения границ рабочей зоны воображаемого идеального однородного образца иэ материала, заполняющего элементарный деформируемый объем, в условиях однородного напряженного состояния при одинаковых нагрузках должны совпадать с перемещениями границ рабочей зоны экспери-ментального образца на всех стадиях деформирования, включая стадию формирования и роста макротрещины. На основе этих предположений могут быть использованы принятые в механике деформируемого твердого тела феноменологические уравнения и критерии.

Существует определенная аналогия и общность между подходами механики распространения трещин и феноменологической механикой разрушения. В частности, в рамках первой теории рассматриваются докритические диаграммы разрушения, представляющие собой зависимости между средним растягивающим напряжением в неповрежденном сечении образца и длиной трещины при различных ее начальных значениях. Геометрическое место критических (соответствующих динамическому росту трещин) точек индивидуальных кривых называется критической диаграммой разрушения. Естественно, что при испытаниях гладких образцов критическая точка соответствует пределу прочности.

Не рассматривая явным образом трещины и разрывы и описывая поведение материала с использованием ниспадающей ветви диаграммы деформи-рования, можно сделать вывод, что она по сути представляет собой также критическую диаграмму, поскольку является геометрическим местом крити-ческих точек для образцов с различной степенью поврежденности, получа-емых в результате равновесного деформирования до той или иной степени и последующей упругой разгрузки.

При описании докритического роста дефекта используется также подход Дж. Р. Ирвина, состоящий в рассмотрении зависимости работы разрушения R от длины трещины как характеристики сопротивления росту трещины. Если в рамках феноменологического подхода под работой разрушения понимать диссипацию энергии, связанную с процессом накопления повреждений, то она может быть вычислена с использованием диаграммы дефор-мирования на любом интервале деформаций. Получаемая таким образом графическая зависимость работы разрушения от деформации носит характер, аналогичный известным в механике разрушения R-кривым.

Феноменологический подход дает возможность не сталкиваться с проб-лемами моделирования сложной геометрии реальных трещин и разрывов в поврежденных структурно-неоднородных средах и определения площади поверхности разрушения, что осложняется ее неограниченным возрастанием по мере более детального рассмотрения. В то же время, он позволяет описы-вать все этапы повреждения, включая переход к нестабильной стадии, функциями состояния материала и использовать при этом энергетические соотношения механики разрушения и полные диаграммы деформирования материала.

1.3 Закритическая стадия деформирования материалов

Закритическое деформирование структурно-неоднородных сред, подвержен-ных деструкции различной природы при механическом воздействии, является одним из важных механических процессов, требующих проведения специальных исследований. Критическое напряженно-деформированное состояние соответствует моменту достижения максимальных для данного материала в данных условиях значений напряжений, а закритическая стадия характеризуется снижением уровня напряжений при прогрессирующих деформациях. Отмеченная особенность механического поведения свойственна металлам, причем как для связи условных, так и истинных напряжений и деформаций, геологическим, керамическим, полимерным и композиционным], а также другим материалам.

Материал на закритической стадии деформирования не удовлетворяет постулату Друккера и классифицируется как реологически неустойчивый. Однако многие реальные материалы адекватно описываются именно моделями реологически неустойчивых материалов. При этом в замену требования реологической устойчивости выдвигается принцип устойчивости для тела в целом: состояние материала является реализуемым, если в этом состоянии он находится в составе устойчивой механической системы

Усовершенствование моделей материала с целью описания накопления повреждений на закритической стадии деформирования является важной задачей механики композитов. Уточненный расчет конструкций с исполь-зованием полных диаграмм требует, кроме того, развития методов решения краевых задач с учетом разупрочнения материала и получения условий устойчивости закритического деформирования в ослабленных зонах.

Естественно, что это должно базироваться на эффективных экспериментальных методах построения равновесных диаграмм деформирования.

теоретически обоснована осуществимость состояний материала, соответствующих ниспадающей ветви диаграммы деформирования. На основе теорем Адамара и Ван Хофа, дающих локальные необходимые и достаточные условия устойчивости для упругих тел, и их обобщений на случай упругопластических тел показано, что даже при наличии "падающей" диаграммы тело, закрепленное на границе с достаточной (даже не обязательно очень большой) жесткостью, может быть устойчиво. Нет принципиальных препятствий к регистрации таких состояний в эксперименте, в частности, при одноосном растяжении или сдвиговом (в девиаторном смысле) деформировании, и интерпретации соответствующих экспериментальных данных в терминах присущего материалу свойства разупрочнения.

Экспериментально подтверждено, что сопротивление разрушению определя-ется не только прочностными постоянными материала, но и зависит от жесткости нагружающей системы, в которую входят нагружающее устройство (испытательная машина, передающие нагрузки силовые и кинематические элементы конструкций, рабочие жидкость и газ) и само деформируемое тело, окружающее область повреждения. При "мягком" нагружении, когда к находящемуся в однородном напряженном состоянии телу прикладываются не зависящие от его сопротивления силы, разрушение происходит при достижении максимальных напряжений.

В другом предельном случае, когда обеспечиваются заданные перемещения точек границы ("жесткое" нагружение), а также при конечной, как уже было отмечено, но достаточной жесткости нагружающей системы, возможно равновесное протекание процесса накопления повреждений, что и находит свое отражение на диаграмме деформирования в виде ниспадающей ветви.

В зависимости от условий нагружения каждая точка на ниспадающей ветви диаграммы деформирования может соответствовать моменту разрушения. Деформирование данного рода осуществимо лишь для локального объекта в составе механической системы с необходимыми свойствами. В противном случае происходит неравновесное накопление повреждений и макроразрушение как результат потери устойчивости процесса деформиро-вания на закритической стадии. В области разупрочнения возможно также возникновение локализации деформации в виде полос сдвига. Ниспадающая ветвь наблюдается тогда, когда есть механизмы и условия постепенной диссипации упругой энергии. Таким образом, рассматриваемые состояния материала можно назвать условно реализуемыми.

Возможно, для иллюстрации уместно использовать несколько отвлеченную аналогию. Деформирование разупрочняющейся среды устойчиво примерно в той же мере, в какой устойчива более или менее вязкая жидкость в некотором сосуде. Потеря устойчивости происходит, если стенки сосуда не обладают достаточной жесткостью. В данном случае роль сосуда аналогична роли нагружающей системы. Основная трудность при экспериментальном построении полных диаграмм состоит в создании достаточной жесткости системы нагружения элемента материала. С этой целью разработаны устрой-ства для увеличения жесткости стандартных машин, специальные образцы, а также испытательные машины с быстродействующей обратной связью.

Ниспадающая ветвь графика деформационной зависимости при испытаниях металлических образцов является отражением, большей частью, равновес-ного прорастания магистральной трещины. В отдельных случаях это справедливо и для композитов. Вместе с тем, если прочностные и деформационные свойства элементов структуры неоднородной среды существенно отличаются, что характерно для большинства композиционных материалов, то формирования выраженной макротрещины может не происходить. Однако развитое дискретное рассеянное разрушение слабых элементов и в этом случае приводит к спаду на диаграмме. Хаотичность включений обеспечивает последовательность возникновения зон разрушения в отдаленных друг от друга частях неоднородной среды, что создает прегра-ду для локализации деформаций и позволяет с использованием вероятност-ных подходов определять связи между средним напряжением и средней деформацией. Определенная структурная неоднородность обеспечивает преимущественный вид деформации, отличный от локализованного. В частности, для тел волокнистой структуры ниспадающий участок диаграммы возникает в результате последовательного обрыва неравнопрочных волокон. Характер процесса разрушения неоднородных сред существенно зависит от хаотичности в расположении и степени разброса свойств элементов структуры, поэтому статистические характеристики прочности этих элементов во многом предопределяют параметры ниспадающей ветви, в частности, ее наклон, который отражает склонность материала к хрупкому разрушению.

Связь вида ниспадающих участков диаграммы с микромеханизмами и стадиями разрушения отмечена в работах. С.Д. Волковым высказана идея, что характер распределения напряжений в вершине трещины в принципе повторяет ниспадающий участок кривой на полной диаграмме деформирования материала, полученной при испытании гладкого образца. Проблема сингулярности задачи при этом решается автоматически вследствие убывания до нуля сопротивления материала в особой точке (вершина трещины), где деформация максимальна и равна предельной для полностью равновесного состояния. Жесткость нагружающей системы для элемента материала у вершины трещины может быть конечной и достаточной для устойчивой закритической деформации в этой зоне, чем и объясняется возможность существования равновесных трещин.

Существует связь диаграммы деформирования с энергоемкостью процесса разрушения. Площадь под ниспадающей ветвью полной диаграмм-мы определяет, вместе с тем, и работоспособность материала на стадии формирования макротрещины. С.Д. Волков предположил связь этой вели-чины с характеристиками трещиностойкости материалов. К настоящему времени А.А. Лебедевым и Н.Г. Чаусовым разработан и экспериментально обоснован экспресс-метод оценки трещиностойкости пластичных материалов по параметрам ниспадающих участков полных диаграмм деформирования.

Необходимо учитывать тесную связь податливости нагружающей системы с кинетикой и локальностью процесса разрушения. Например, в инженерной практике отмечено существенное отличие в характерах разрушения гидравлических и пневматических сосудов давления и трубопроводов. С точки же зрения традиционных постановок краевых задач эти случаи эквивалентны. В связи с этим, граничные условия, не учитывающие изменений внешних нагрузок, связанных с изменением конфигурации тела в процессе деформирования и повреждения, не вполне соответствуют реальным условиям работы элементов конструкций и производимых испытаний.

С этой точки зрения для более адекватного описания процессов деформирования, накопления повреждений и разрушения целесообразным является использование граничных условий третьего рода, позволяющих расширить физическую базу имеющихся моделей механики структурно-неоднородных сред, уточнить прочностные оценки, определить резервы несущей способности и прогнозировать катастрофичность разрушения конструкций.

Многие авторы отмечают привлекательность реализации закритической стадии деформирования в элементах конструкций или сооружений, что приводит к использованию их прочностных резервов и повышению их безопасности. Полнота реализации несущей способности материала опреде-ляется степенью закритической деформации. Кроме того, следует отметить важность практически не исследованной ранее задачи определения условий устойчивого закритического деформирования элементов структуры в составе композиционного материала как базы для создания материалов с повышен-ными механическими характеристиками.

Оптимальное (с точки зрения протекания процессов повреждения в равновесном режиме) проектирование требует математического описания закритического деформирования, Которое не сводится лишь к аппроксима-ции диаграмм, имеющих ниспадающие участки. Не потеряли актуальность вопросы обоснования континуальных моделей разупрочняющихся сред и определения области их применимости. Возникает ряд математических проб-лем, связанных, в первую очередь, с анализом устойчивости процесса деформирования, единственности решения краевой задачи и возможной сменой типа дифференциальных уравнений, а также необходимостью учета свойств нагружающей системы, разработкой определяющих соотношений (даже для изотропных материалов), развитием численных методов и созданием эффективных итерационных процедур решения такого рода нелинейных задач.

2. Структурно-феноменологическая модель механики микронеоднородных сред

В предыдущем разделе отмечено существование двух подходов к построению моделей механики - феноменологического и структурного. В работах ряда ученых получил распространение подход, развиваемый применительно к механике композитов и названный структурно-феноменологическим. Он заключается в том, что общепринятые в механике деформируемого твердого тела феноменологические уравнения и критерии рассматриваются на нескольких, в частности - двух уровнях: микроскопическом (структурном), связанном с элементами структуры композита, и макроскопическом, отражающем поведение композиционного материала как однородного с эффективными свойствами. Связь между физическими величинами, установленная в рамках указанного подхода, определяет структурно-феноменологическую модель. В этом разделе сформулированы основные положения предпринятого в данной работе теоретического исследования деформирования и разрушения компо-зиционных материалов при квазистатических нагрузках в рамках подхода, связанного с постановкой и решением иерархической последовательности краевых задач. Привлечение вероятностных представлений и аппарата теории случайных функций позволяет изучать модели, одновременно учитывающие случайный характер свойств и взаимного расположения элементов структуры.

2.1 Модели случайной и периодической кусочно-однородных сред

При математическом моделировании процессов деформирования и разруше-ния композитов актуальным является развитие исследований, в которых материал рассматривается как микронеоднородная среда.

Пусть область V с границей S содержит в себе множество непересекающихся областей щk , ограниченных поверхностями Sk. Для двухкомпонентных композитов часть V1=Ущk области заполнена однородным в пределах щk материалом со свойствами (первая фаза), а оставшаяся часть области V2= = V - V1 - однородным материалом со свойствами. Многосвязная повер-хность S12=УSk есть межфазная поверхность, разделяющая структурные элементы композита. Часть S(1) поверхности S проходит через первую фазу, а другая часть S(2) = S - S(1) - через вторую.

Бели известна полная информация о характере взаимного расположения областей щk и заданы феноменологические модели фаз, то говорят, что пост-роена модель кусочно-однородной (композиционной) среды.

Примем следующее определение. Подобласть Vl с характерным размером l называется представительным объемом области V (с характерным размером L >> l) для непрерывной всюду внутри фаз V1 и V2 функции g(r), если существует и ограничена осредненная величина

и если для любого положительного сколь угодно малого числа д найдется такое положительное число г, зависящее только от д, что

Очевидно, для того чтобы данное определение было справедливо, а предста-вительный объем Vl на физическом уровне строгости имел смысл элемен-тарного макрообъема микронеоднородной среды, необходимо принять, что

L >> l >>lщ (где lщ - характерный размер областей щk). При выполнении условия (2.2) можно пренебречь влиянием масштаба осреднения на значение осредняемой величины.

Модель механики микронеоднородной среды, рассматриваемая в дальней-шем для композитов, основана на допущении, что характерный размер lщ областей щk много больше молекулярно-кинетических размеров и много меньше расстояний, на которых существенно меняются осредненные или макроскопические величины. Тогда для структурных элементов остаются справедливыми феноменологические уравнения и соотношения механики, т.е. элементарным микрообъемам dV, составляющим элементы структуры композитов и имеющим размер dl (dl<

Это допущение представляет возможность, с одной стороны, выделить исследования поведения единичных неоднородностей и процессов около них (для материала в целом это микропроцессы), проводя их независимо с помощью моделей и методов механики деформируемого твердого тела. С другой стороны, позволяет описывать макроскопические процессы в среде как однородной, при этом результаты исследования микропроцессов будут использованы в континуальных уравнениях с помощью некоторых осредненных параметров, отражающих, в частности, взаимодействие элементов структуры.

Пусть для каждого из компонентов композита, заполняющего объем V, тензоры напряжений и деформаций связаны с помощью операторов

где - материальные функции определяющих уравнений i-го компо-нента (фазы). Под компонентом композиционного материала будем понимать совокупность всех элементов структуры с одинаковыми физико-механическими свойствами.

Введем индикаторные функции структуры композита

где Vi- область, занимаемая i-м компонентом, f - число компонентов композита. Построим кусочно-непрерывные функции структурных свойств

Теперь определяющие соотношения микронеоднородной среды

представлены как уравнения с быстроосциллирующими коэффициентами. При этом один из общих случаев представляет собой модель композита со случайной структурой, когда есть случайные однородные функции, a содержат случайные величины, т.е. учитывается статистический разброс свойств структурных элементов. Для случайных индикаторных функций должны быть известны совокупности одно- и многоточечных плотностей вероятностей или моментных функций, инвариантных относительно параллельного переноса системы координат:

где r" - произвольный радиус-вектор.

Связь между моментными функциями и плотностями вероятностей имеет вид

В частном случае при б = 1 приходим к понятию оператора осреднения случайных полей, который при выполнении условий статистической однородности и эргодичности эквивалентен оператору статистического осреднения. Для математического ожидания функций имеем

и, заменяя несобственный интеграл в (2.7) интегралом по элементарному макрообъему Vl при равномерных плотностях, удовлетворяющих условию нормирования?Vldr = 1, получим

Аналогичным образом осуществляется переход для вычисления моментных функций высших порядков случайных однородных полей. Для композитов с периодической структурой индикаторные функции являются периоди-ческими

где b - постоянный вектор трансляции, п - произвольные целые числа.

Периодическая структура композитов может рассматриваться как возможная реализация случайной однородной структуры.

2.2 Краевые задачи механики композитов

Пусть напряжения в области V в отсутствие массовых сил удовлетворяют уравнениям равновесия

уij,j = 0. (2.9)

а малые деформации связаны с перемещениями соотношениями Коши

еi,j = (ui,j + uj,i). (2.10)

В определяющих соотношениях (2.6) для композиционного материала, заполняющего область V, материальные функции akl(r) образуют в соответ-ствии с (2.5) случайные однородные поля, статистические характеристики которых считаем известными.

Допустим, что на части S(q) поверхности S области V заданы линейные граничные условия контактного типа:

где, - некоторые положительно определенные тензоры, пi - век-тор единичной нормали к поверхности S, - вектор контактных усилий.

Из условий (2.11), как частные случаи, вытекают граничные условия для области V в напряжениях, в перемещениях (при Ni = kui°, когда k - размерная постоянная, ui° - заданный на границе вектор перемещений) и смешанного типа.

Уравнения (2.9), (2.6) и (2.10) совместно с граничными условиями (2.11) составляют краевую задачу для области V.

Соответственно, квазистатическая краевая задача в перемещениях заключа-ется в решении уравнений, полученных последовательной подстановкой (2.10), (2.6) в (2.9), вида

при удовлетворении граничным условиям

При решении краевой задачи (2.12), (2.13) для композитов в силу разрывно-сти материальных функций бi,j(r) оператора F необходимо разыскивать так называемое обобщенное решение.

Умножим уравнение (2.12) на произвольную достаточно гладкую функцию wi(r) и воспользуемся формулой интегрирования по частям:

Граничные условия (2.13) преобразуем, умножив их левую и правую части на тензор t(q), обратный тензору c(q), т.е. такой, что:

Тогда под обобщенным решением краевой задачи (2.12), (2.13) будем понимать такое непрерывное векторное поле и(r), которое удовлетворяет тождеству

при произвольных вектор-функциях w(r).

Для композиционного материала можно дать и эквивалентное понятие обобщенного решения. Соответствующую задачу надо решить внутри каж-дого структурного элемента области V, материальные функции aij определяющих соотношений (2.6) которых непрерывны (т.е. отыскать классическое решение), а на межфазной поверхности S12 выполнить условия идеального контакта:

В дальнейшем, говоря о решении краевых задач для композитов, будем понимать построение именно обобщенных решений.

Для моделирования процессов разрушения структурных элементов компози-тов предположим, что при выполнении условия

где P(i), - соответственно оператор критерия прочности и прочностные характеристики i-гo компонента, в некоторой точке области V происходит частичная или полная потеря способности материала сопротивляться действию внутренних усилий, что находит свое отражение в изменении определяющих соотношений вида (2.3) для данной точки.

Непосредственно получить решение краевых задач механики дефор-мирования и разрушения для систем уравнений (2.9), (2.6), (2.10) или (2.12) с учетом условия (2.15) обычно не удается, поскольку эти решения, как и коэффициенты уравнений являются быстро осциллирующими функциями координат. Поэтому широкое распространение получил подход, когда систе-ме уравнений структурно-феноменологической модели ставится в соответ-ствие система уравнений для осредненных напряжений, деформаций и перемещений, которые называют макроскопическими.

Например, в краевой задаче для упругих композитов вида

перейти к осредненным величинам можно следующим образом.

Пусть коэффициенты уравнений (2.16) являются быстроосциллирующими (случайными однородными или периодическими) кусочно-однородными функциями, причем во всех точках области V выполняется условие равномерной эллиптичности:

где k0, K0 - положительные скалярные величины.

Тогда решение краевой задачи (2.16) существует и единственно. Асимптоти-ческое разложение этого решения по малому параметру

таково, что первое слагаемое ряда (2.17) является решением краевой задачи

причем оператор краевой задачи (2.18) является равномерно эллиптическим

Из разложения (2.17), а также в силу существования и единственности реше-ния краевой задачи (2.18) следует

Условие сходимости (2.20), в которых величины ui*(r)имеют смысл осред-ненных (или макроскопических) перемещений в нормах различных прост-ранств для случайных однородных, квазипериодических и периодических операторов показано в работах различных авторов.

В механике микронеоднородных сред от полей уравнений (2.6), (2.9), (2.10), называемых полями микро- или структурных перемещений, деформаций и напряжений, можно перейти к осредненным полям, используя понятие злементарного макрообъема Vl.

Напряженное состояние элементарных макрообъемов характеризуют тензо-ром макронапряжений с компонентами, а деформированное состояние - тензором макродеформаций с компонентами. Сопротивление элементар-ных макрообъемов деформированию определяет связь макронапряжений и макродеформаций:

Если оператор - инвариантен относительно параллельного переноса координат, то микронеоднородная среда является макрооднородной. Усло-вию макрооднородности удовлетворяют, в частности, среды, материальные функции которых являются либо случайными однородными либо перио-дическими.

Для микронеоднородной области V со случайной структурой среды в крае-вых задачах с граничными условиями частного вида в перемещениях

или в напряжениях

где, - симметричные тензоры-константы, поля деформаций еij(r) и напряжений уij(r) являются случайными однородными (а для сред с перио-дической структурой - периодическими) всюду, за исключением малой окрестности, прилегающей к границе S. При граничных условиях общего вида (2.11) эти условия не выполняются и осредненные составляющие и полей деформаций и напряжений являются функциями координат. В этом случае в предположении о достаточной гладкости осредненных полей (r) и (r) справедлив приближенный подход, в соответствии с которым поля деформирования еij(r) и уij(r) в элементарном макрообъеме эквивалент-ны найденным из решения задач для области V в перемещениях при заданных макродеформациях = (см. (2.22)) и в напряжениях при задан-

заданных макронапряжениях = (см. (2.23)).

Тогда осредненные (макроскопические) деформации и напряжения в каждой точке области V определяются путем осреднения по элементарному макрообъему Vl , выделенному вокруг этой точки:

Для случайных однородных полей такое осреднение совпадает с осредне-нием оператором, введенным выражениями (2.7), (2.8).

Постулируя при принятых условиях идеального контакта компонентов среды следующие свойства статистически осредненных полей:

получаем из (2.9) макроскопические уравнения равновесия, а из (2.10)

Геометрические уравнения:

Теперь получена замкнутая система уравнений для макроскопических физических величин (т.е. построена макроскопическая модель композита), и основная задача заключается в отыскании вида оператора и определении его материальных функций. Макроскопические материальные функции могут быть найдены из испытаний образцов или вычислены при решении краевых задач структурно-феноменологических моделей композитов. Приближенно эти функции можно отыскать из решения задач для области V с граничными условиями частного вида (2.22) или (2.23).

Таким образом, краевой задаче механики композитов в рамках структурно-феноменологической модели:

ставится в соответствие краевая задача для однородной области с эффектив-ными свойствами:

и из решения последней находят осредненные составляющие полей де-

деформирования.

Если наряду с процессами деформирования композита моделируются и процессы разрушения его компонентов, то в краевую задачу (2.27) включаются критерии прочности вида (2.15), и физические уравнения системы (2.28) отражают не только деформационные свойства элементов структуры, но их разрушение в процессе нагружения. Макроскопическая модель (2.28) в этом случае может быть дополнена критериальными соотношениями прочности

оператор которых Р* и макроскопические материальные величины

могут быть вычислены.

Двухступенчатая иерархия моделей композиционного материала позволяет разделить решение исходной краевой задачи механики деформирования и разрушения (2.6), (2.9) - (2.11), (2.15) на ряд последовательных этапов, связанных с построением макроскопических определяющих соотношений, решением краевой задачи для области с эффективными свойствами, отысканием структурных полей деформирования в элементарных макро-объемах, описанием процессов разрушения элементов структуры, оценкой вероятности разрушения элементарных макрообъемов (т.е. вероятности макроразрушения).

Как правило, при использовании нелинейных определяющих соотношений компонентов композита и учете процессов структурного разрушения возни-кает необходимость организации итерационных вычислительных процедур для решения нелинейных задач каждого из этапов - с одной стороны, и согласования этапов в общей последовательности - с другой. При этом в процессе деформирования исходно макрооднородная область V становится макронеоднородной, так как элементарные макрообъемы, выделенные вокруг различных точек, оказываются не одинаково нагруженными.

Данный приближенный подход позволил получить решения ряда приклад-ных задач, касающихся анализа механического поведения и прогнозирования несущей способности элементов конструкций из композиционных материалов: баллонов давления специального назначения, намотанных из стекло- и органопластиковых лент, кожухов авиационных двигателей, полученных выкладкой слоев из стекло-, органо- и углеродных тканей, углерод-углеродных элементов сопловых блоков двигателей, крупногаба-ритных раструбов с теплозащитным слоем и других.

2.3 Принцип локальности

Исходная информация о структуре микронеоднородной среды, как уже отмечалось в §2.1, может быть задана совокупностью моментных функций материальных тензорных или скалярных величин. Эти моментные функции строятся, как правило, экспериментально на реальных образцах или с помощью компьютерного моделирования случайных структур. Иссле-дования, проведенные в этой области показывают, что моментные функции второго и более высоких порядков композитов со случайными статистически однородными структурами являются локальными, причем размер области статистической зависимости для двухкомпонентных композитов матричного типа примерно равен половине среднего расстояния между включениями.

Если моментные функции структурных свойств микронеоднородной среды быстро затухают, то говорят, что в расположении элементов структуры имеет место ближний порядок.

При решении стохастических задач теории упругости композитов со случайной структурой свойство локальности моментных функций обычно постулировалось наряду с условием статистической однородности. Известна также гипотеза предельной локальности моментных функций, позволяющая получать одноточечные приближения стохастических краевых задач и избегать трудностей, связанных с вычислением интегралов по облас-тям статистической зависимости, в подынтегральные выражения которых входят моментные функции.

После того как свойство локальности моментных функций материальных свойств композитов со случайной структурой подтверждено многочис-ленными исследованиями, существует основа для его более глубокого использования в механике.

Необходимо отметить же свойство локальности, но уже характеризующее взаимодействие элементов структуры.

Например, взаимодействие включений в матричном композите, вызывающее искажения в упругом поле матрицы, можно заменить взаимодействием точечных мультиполей, мощность и порядок которых зависят от формы и свойств элементов структуры. Предложено выделять содержащий конечное число мультиполей ограниченный объем, в матрице которого генерируется упругое поле, адекватное упругому полю периодической задачи для матрицы с бесконечным числом включений.

Подобные документы

Элементы механики сплошных сред. Энергия деформирования. Теоремы о минимуме. Модель среды с малой объемной долей включений. Полидисперсная модель, свойства среды с малой объемной долей произвольно ориентированных тонких пластинчатых включений.

курсовая работа , добавлен 30.07.2011


Композит как основа из одного материала, армированная наполнителями из волокон. Методы получения композитов: искусственные, естественные. Взаимодействия в композиционных материалах. Структура и физические свойства (1-х)(La0.5Eu0.5)0.7Pb0.3MnO3+PbTiO3.

дипломная работа , добавлен 22.08.2011


Основные концепции классической механики Ньютона: принципы относительности и инерции, законы всемирного тяготения и сохранения, законы термодинамики. Прикладное значение классической механики: применение в пожарной экспертизе, баллистике и биомеханике.

контрольная работа , добавлен 16.08.2009


Создание физической модели деформации материала. Система кластеров структурированных частиц. Описание механики процесса пластической деформации металла при обработке давлением и разрушения материала при гидрорезке на основе кавитации, резонансных явлений.

статья , добавлен 07.02.2014


Графит как минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода, структура его кристаллической решетки, физические и химические свойства. Проведение и результаты исследования композитов на основе углеродных нанотрубок.

дипломная работа , добавлен 22.09.2011


Диссипативная модификация квантовой механики. Суперструнные модели; дилатонное скалярное поле и инфляция. Микроскопический струнный подход к описанию диссипативного варианта квантовой механики. Сравнение теории с наблюдениями, построение графиков.

контрольная работа , добавлен 05.08.2015


Предмет и задачи механики – раздела физики, изучающего простейшую форму движения материи. Механическое движение - изменение с течением времени положения тела в пространстве относительно других тел. Основные законы классической механики, открытые Ньютоном.

презентация , добавлен 08.04.2012


"Планетарная модель" атома Бора в основе квантовой механики, ее основные принципы, идеи и значение. Попытки объяснить корпускулярные и волновые свойства вещества в квантовой (волновой) механике. Анализ волновой функции и ее вероятностного смысла.

реферат , добавлен 21.11.2011


Сила инерции как геометрическая сумма сил противодействия движущейся материальной частицы телам, сообщающим ей ускорение. Знакомство с основными принципами механики, анализ. Рассмотрение особенностей движений механической системы с идеальными связями.

презентация , добавлен 09.11.2013


Характеристика процессов структурообразования новой фазы и разрушения связи между частицами, элементами однородных и разнородных систем, как одной из важных проблем физики твердого тела и физико-химической механики. Электроактивационные нанотехнологии.

dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2015-0-6-9-9

УДК 541.6:539.25

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ АНАЛИЗА ФАЗОВОЙ МОРФОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ СМОЛ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ТЕРМОПЛАСТАМИ (обзор)

Эффективным способом повышения вязкости разрушения полимерных композиционных материалов (ПКМ) является модифицирование синтетических смол термопластами. Структурообразование в таких системах сопровождается микрофазовым расслоением с формированием характерной фазовой морфологии. Рассматривается современное состояние электронно-микроскопических исследований фазовой морфологии систем «реактопласт-термопласт» и ПКМ на их основе. Рассмотрены следующие методологические вопросы исследования фазовой морфологии: уровень информативности метода исследования, эффективность контрастирования характерных элементов микроструктуры, обоснование выбора ключевых морфологических параметров и методы их измерения.

Введение

Улучшение служебных свойств реактопластов при их модифицировании термопластами является важным направлением в полимерном материаловедении. Основная цель такого модифицирования - повышение вязкости разрушения реактопласта и композиционных материалов на его основе . Повышение ударо- и трещиностойкости особенно актуально для материалов, применяемых в авиастроении .

Многие современные научные работы подчеркивают необходимость применения подхода «состав-технология-структура-свойства» при разработке новых материалов . Этот подход эффективен и при разработке полимерных композиционных материалов (ПКМ) с повышенной вязкостью разрушения . Управление физико-химическими свойствами компонентов и составом смеси термопласта с синтетической смолой позволяет создавать новые конструкционные и функциональные материалы с заранее заданным комплексом свойств. Одним из ключевых параметров, посредством которого можно осуществлять регулирование и контроль свойств материала на основе системы «реактопласт-термопласт», является его фазовая морфология. В настоящее время влияние структурно-фазового состояния ПКМ на их свойства является предметом интенсивных исследований . Неотъемлемой частью научных работ по повышению диссипативных свойств полимерных матриц ПКМ является исследование фазовой морфологии и ее влияния на служебные свойства материала .

Системы «реактопласт-термопласт» существенно различаются по фазовой морфологии. В зависимости от концентрации и термодинамической совместимости компонентов, температуры начала химической реакции отверждения и ряда других факторов формируется структура с различной фазовой морфологией и межфазной адгезией. Если исходная реакционная смесь представляла собой гомогенный раствор термопласта в синтетической смоле, то по мере протекания реакции отверждения растворимость термопласта падает вследствие увеличения молекулярной массы смолы . Другим важным фактором, влияющим на термодинамическую совместимость компонентов в процессе реакции отверждения, является изменение химического строения синтетической смолы при превращении функциональных групп в продукты реакции . В большинстве систем «реактопласт-термопласт», интересных с точки зрения практического применения, дальнейшее увеличение конверсии приводит в микрофазовому разделению. Первичная морфология формируется преимущественно до гелеобразования в α-фазе (фазе, обогащенной реактопластом). Формирование вторичной фазовой морфологии может наблюдаться в β-фазе (фазе, обогащенной термопластом) после гелеобразования в α-фазе. Параметры вторичной фазовой морфологии чувствительны к температуре доотверждения системы «реактопласт-термопласт» . В зависимости от свойств системы «синтетическая смола-термопласт» и параметров режима отверждения фазовый распад может проходить по механизму нуклеации и роста, по механизму спинодального расслоения или по смешанному типу. От механизма фазового распада зависят такие морфологические параметры, как размер, пространственное распределение и распределение по размерам частиц дисперсной фазы .

Концентрация термопласта в исходной реакционной смеси является одним из основных параметров, определяющих фазовую морфологию отвержденного материала. При повышении концентрации термопласта фазовая морфология переходит от дисперсной морфологии сначала к сонепрерывной, а затем к морфологии с обращением фаз (рис. 1). Обобщить влияние температуры отверждения на морфологические параметры микроструктуры гораздо труднее, потому что она изменяет отношение скоростей разделения фаз и химических реакций отверждения. Анализ научно-технической литературы показывает, что при разработке материалов на основе синтетических смол, модифицированных термопластами, основное внимание при микроструктурных исследованиях уделяется влиянию концентрации, химического строения и молекулярной массы термопласта и температурного режима отверждения на фазовую морфологию материала . В настоящее время ведутся активные исследования, направленные на регулирование фазовой морфологии и межфазной адгезии с применением компабилизаторов (веществ, уменьшающих межфазное поверхностное натяжение и повышающих межфазную адгезию на границе раздела «полимер-полимер») .

Рис. 1. Тип фазовой морфологии:

а - дисперсная; б - сонепрерывная; в - с обращением фаз; г - ее связь с концентрацией термопласта

Электронная микроскопия в сочетании со специализированными методами пробоподготовки является информативным методом исследования фазовой морфологии смесей полимеров. Основными методологическими вопросами электронно-микроскопического исследования фазовой морфологии являются: уровень информативности метода исследования, эффективность контрастирования характерных элементов микроструктуры, обоснование выбора ключевых морфологических параметров и методы их измерения. Решение обозначенных вопросов в сочетании с глубоким пониманием физико-химических процессов формирования структуры исследуемого полимерного материала будет способствовать развитию электронной микроскопии как одного из методов, предоставляющих информацию о взаимосвязи «состав-технология-структура-свойства» в материалах на основе систем «реактопласт-термопласт». В данной статье рассмотрены современное состояние электронно-микроскопических исследований фазовой морфологии материалов на основе синтетических смол, модифицированных термопластами, и применение результатов этих исследований. Все микрофотографии, приведенные в работе, получены авторами статьи при электронно-микроскопических исследованиях систем «реактопласт-термопласт» (так как в статье рассматриваются общие методологические вопросы, информация о конкретных марках материалов не приводится).

Информативность исследования структуры материалов

на основе систем «реактопласт-термопласт» методом электронной микроскопии

Основной информацией, которую предоставляет электронно-микроскопическое исследование систем «реактопласт-термопласт», является тип фазовой морфологии, геометрические характеристики фаз и их пространственное распределение. Первичную фазовую морфологию (распад на α- и β-фазы) исследуют методом растровой электронной микроскопии (РЭМ). Именно для этого уровня организации структуры материалов известны некоторые корреляционные зависимости свойств от параметров фазовой морфологии . Интересной особенностью структурообразования, предсказанной на основании термодинамического анализа фазового расслоения с применением модели среднего поля Флори-Хаггинса, является формирование вторичной фазовой морфологии при распаде β-фазы. При распаде β-фазы образуется дисперсия обогащенных реактопластом доменов (γ-фаза) в непрерывной фазе, обогащенной термопластом (δ-фаза). Вторичную фазовую морфологию исследуют с применением просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на срезах субмикронной толщины, приготовленных на микротоме. В научной литературе встречаются лишь единичные работы, посвященные исследованию этого уровня организации структуры , поэтому информация о влиянии параметров вторичной фазовой морфологии на свойства материалов отсутствует. На рис. 2 приведены микрофотографии фазовой морфологии эпоксидного реактопласта, модифицированного полисульфоном.

Рис. 2. Первичная (а ) и вторичная (б ) фазовая морфология системы «реактопласт-термопласт»

Информативность электронно-микроскопического исследования в настоящее время существенно повысилась благодаря применению аналитической электронной микроскопии, являющейся совокупностью методов, объединенных общей задачей - получение информации об элементном составе и химическом строении фаз . Применение рентгеноспектрального микроанализа позволяет выявить пространственное распределение полимера в смеси, если в его состав входят атомы-контрастеры . Например, если термопластичным компонентом системы «реактопласт-термопласт» является полисульфон (содержит атомы серы), то по интенсивности характеристического рентгеновского излучения атомов серы исследователь сможет сделать вывод о распределении полисульфона. Пример построения методом аналитической просвечивающей микроскопии концентрационного профиля серы в эпоксидном реактопласте, модифицированном полисульфоном, приведен на рис. 3. Показано, что характерным фазовым образованиям соответствует изменение концентрации серы по координате, что позволяет определить природу выявленных структурных элементов. Пространственное разрешение при проведении элементного микроанализа системы «реактопласт-термопласт» значительно повышается при применении методов просвечивающей аналитической электронной микроскопии. Метод растровой аналитической электронной микроскопии более универсален и предоставляет информацию об элементном составе не только при микроструктурных, но и при фрактографических исследованиях.

Рис. 3. Концентрационный профиль серы в эпоксидном реактопласте, модифицированном полисульфоном

Ограниченная применимость рентгеноспектрального микроанализа для исследования полимерных материалов обусловлена низкой чувствительностью этого метода к элементам с невысокими атомными номерами (C, O, N и др.), низкой электропроводностью и недостаточной радиационно-термической стабильностью большинства полимеров. Другим недостатком этого метода является то, что он предоставляет информацию только об элементном составе. Перспективным методом, лишенным многих вышеописанных недостатков, является формирование электронно-микроскопического изображения на основании данных спектроскопии характеристических потерь энергии электронами (СХПЭЭ). Применение данного метода предоставляет информацию о химическом строении фаз, позволяет без специальной контрастирующей пробоподготовки выявлять фазовые образования в смесях полимеров, состоящих только из элементов с низкими атомными номерами, а также существенно повышает точность количественного элементного анализа таких систем. В работе с применением данного метода выявлены признаки микрофазового расслоения в системе «бис(винилфинил)этан-полифениленоксид» и построены карты распределения кислорода (а следовательно, и фазы, обогащенной полифениленоксидом) с пространственным разрешением до 10 нм.

Специальные методы пробоподготовки образцов

для электронно-микроскопического исследования

Основной задачей пробоподготовки является достижение наилучшего контраста между изучаемыми неоднородностями микроструктуры материала. В зависимости от метода электронной микроскопии и требуемой информации о структурно-фазовом состоянии системы применяют различные методы контрастирования. Образцы для исследования методом ПЭМ подготавливают с применением микротомирования. Наиболее эффективными средствами контрастирующего окрашивания микротомных срезов являются тетроксид осмия OsO 4 и тетроксид рутения RuO 4 . Тетроксид осмия применяют для окрашивания фаз, содержащих компоненты с ненасыщенными связями . Для контрастирования фазовой морфологии систем «реактопласт-термопласт» более эффективным является RuO 4 , так как интенсивно окрашивает компоненты, содержащие эфирные, спиртовые, аминные и ароматические группы .

Глубина резкости РЭМ позволяет применять этот метод для исследования образцов с развитым рельефом поверхности. В связи с этим для исследования фазовой морфологии методом РЭМ изготавливают сколы полимерной матрицы при температуре жидкого азота. Полученные образцы пригодны для грубой оценки межфазной адгезии и распределения частиц дисперсной фазы по размерам. Во многих работах по количественному анализу фазовой морфологии применяют селективное травление растворителями . Травление органическими растворителями приводит к полному удалению фазы термопласта и позволяет получить электронно-микроскопическое изображение пригодное для прямого стереометрического количественного анализа. Другим востребованным методом пробоподготовки для РЭМ является изготовление шлифов. В этом случае, как и при микротомировании, исследование фазовой морфологии проводится на двумерном срезе материала и для определения истинных пространственных морфологических параметров требуется провести определенную математическую обработку данных .

Параметры, определяемые при качественном и количественном анализе

фазовой морфологии, и их связь с макроскопическими свойствами материала

Качественным параметром фазовой морфологии, на который свойства системы «синтетическая смола-термопласт» и параметры отверждения этой системы оказывают наибольшее влияние, является тип фазовой морфологии. Этот параметр предоставляет важную информацию о диссипативных свойствах материала. Показано, что в общем случае вязкость разрушения возрастает при переходе от дисперсной морфологии к морфологии с обращением фаз . При этом данные об оптимальном типе фазовой морфологии, при котором одновременно достигается существенное повышение вязкости разрушения и сохраняются ценные свойства реактопластов (высокий модуль, теплостойкость, стойкость к органическим растворителям и др.) разнятся. В работе указано, что оптимальное сочетание свойств достигается при формировании дисперсной морфологии с максимально возможной объемной долей термопласта, в то время как в работе указано, что наиболее эффективной морфологией является сонепрерывная. Данные работы указывают на необходимость контроля такого количественного морфологического параметра, как объемная доля дисперсной фазы термопласта. Определение этого параметра с применением метода РЭМ наиболее корректно проводить на шлифе. Согласно первому основному стереометрическому соотношению объемная доля фазы в материале равна доле, занятой сечениями фазы на площади шлифа .

Другими важными количественными морфологическими параметрами являются размер и распределение по размерам частиц фаз. Прямое измерение этих параметров осуществляют по низкотемпературным сколам полимерной матрицы . Более точные значения этих параметров можно получить посредством специальной математической обработки данных, полученных при исследовании шлифов или микротомных срезов. Алгоритм математической обработки и модель, на основании которой осуществляется математическая обработка, описаны в работе . В работе указано, что оптимальное сочетание свойств модифицированного реактопласта достигается, если размер дисперсной фазы термопласта находится в диапазоне от 0,1 до 10 мкм. Размер частиц дисперсной фазы термопласта зависит от концентрации термопласта, температурного режима отверждения, применения компабилизаторов и ряда других факторов. При формировании дисперсной морфологии размер частиц термопластичной фазы увеличивается при повышении концентрации термопласта . Повышение начальной температуры отверждения может приводить к противоположным тенденциям изменения размера частиц. В научной литературе описано как увеличение , так и уменьшение размеров частиц фазы термопласта при повышении начальной температуры отверждения. Это обусловлено тем, что повышение температуры приводит к росту скорости химической реакции отверждения и к росту скорости фазового разделения. Эти процессы влияют на размер частиц дисперсной фазы термопласта противоположным образом и на то, какой процесс будет интенсифицироваться в большей мере при повышении температуры и определит фазовую морфологию отвержденной полимерной матрицы. В ряде работ указано, что формирование морфологии с би- или полимодальным распределением частиц термопласта по размерам приводит к дополнительному повышению диссипативных свойств материала. Фазовая морфология с таким распределением частиц по размерам может сформироваться при совместном модифицировании синтетической смолы термопластами различного химического строения или при высокой скорости реакции отверждения .

Определение параметров фазовой морфологии предоставляет важную информацию при проведении фрактографических исследований систем «реактопласт-термопласт». В настоящее время описаны качественные механизмы повышения диссипативных свойств полимерных матриц дисперсными частицами термопласта и предложены количественные модели упрочнения . К основным механизмам упрочнения в реактопластах, модифицированных термопластами, относят перекрывание трещины частицами термопласта, огибание частиц термопласта трещиной, образование полос сдвига и микротрещин в матрице. Механизмом, наиболее эффективно повышающим диссипативные свойства полимерной матрицы, считают перекрывание трещины частицами дисперсной фазы термопласта, которое сопровождается пластическим растяжением и разрывом этих частиц . Этот механизм реализуется при высокой межфазной адгезии и наноразмерах частиц фазы термопласта. На рис. 4 приведены поверхности разрушения полимерной матрицы эпоксидного реактопласта, модифицированного полисульфоном, с сонепрерывной фазовой морфологией. В области дисперсной морфологии характерным элементом структуры являются разрушенные в результате пластической деформации частицы термопласта. Для области морфологии с обращением фаз характерен сложный рельеф поверхности разрушения, который обусловлен огибанием растущей трещиной жестких частиц эпоксидного реактопласта и пластической деформацией непрерывной фазы термопласта.

Ввиду того, что системы «реактопласт-термопласт» применяют в качестве полимерных матриц современных ПКМ, важным вопросом является изменение фазовой морфологии в присутствии армирующего наполнителя. Систематическому исследованию влияния химической природы волокон армирующего наполнителя и состояния их поверхности на качественные и количественные параметры фазовой морфологии посвящен ряд научно-исследовательских работ . В работе показано, что вокруг стеклянных волокон образуется слой, обогащенный эпоксидным реактопластом, что негативно сказывается на диссипативных свойствах ПКМ. Вокруг углеродных и арамидных волокон такого слоя не обнаружено. В работе сообщается об увеличении среднего размера частиц дисперсной фазы термопласта вблизи волокон армирующего наполнителя. В работах предложен количественный параметр изменения фазовой морфологии в присутствии армирующего наполнителя: число частиц дисперсной фазы термопласта на единицу площади на определенном расстоянии от волокна. Показано также, что концентрация дисперсных частиц термопласта вблизи волокна повышается при активации его поверхности и зависит от химического строения термопласта. Следует отметить, что, несмотря на проведенные в этом направлении научно-исследовательские работы, единое представление о влиянии наполнителя на формирование фазовой морфологии в настоящее время не сформулировано.

Рис. 4. Фазовая морфология эпоксидного реактопласта, модифицированного полисульфоном (а ), и поверхность разрушения в области дисперсной морфологии (б ) и морфологии с обращением фаз (в )

В представленной работе отражена роль электронно-микроскопических исследований при разработке полимерных матриц на основе систем «реактопласт-термопласт» для ПКМ с высокой ударо- и трещиностойкостью. Ввиду того, что оптимальное сочетание свойств таких материалов достигается при формировании микроструктуры, образующейся в результате микрофазового разделения, важнейшими вопросами являются управление и контроль фазовой морфологией. В данной работе приведены примеры информации о структурно-фазовом состоянии системы, которую предоставляет электронно-микроскопическое исследование. Показано, что в настоящее время электронная микроскопия позволяет не только проводить исследования фазовой морфологии на различных иерархических уровнях организации системы, но и определять элементный состав и химическое строение фазовых образований с высоким пространственным разрешением. Описаны имеющиеся в настоящее время представления об управлении морфологическими параметрами при разработке материалов на основе синтетических смол, модифицированных термопластами. Обозначены методические подходы измерения таких параметров, как объемная доля дисперсной фазы термопласта, средний размер частиц и распределение частиц по размеру. Приведена информация о влиянии качественных и количественных параметров фазовой морфологии на свойства материала. Мировой и отечественный опыт применения результатов исследований фазовой морфологии для управления свойствами ПКМ доказывает эффективность электронной микроскопии как одного из методов, предоставляющих информацию о взаимосвязи «состав-технология-структура-свойства» в материалах на основе систем «реактопласт-термопласт».

ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST

1. Солодилов В.И., Горбаткина Ю.А. Свойства однонаправленных углепластиков на основе эпоксидной смолы, модифицированной полисульфоном или эпоксиуретановым олигомером //Механика композиционных материалов и конструкций. 2008. Т. 14. №2. С. 217–227.
2. Железняк В.Г., Чурсова Л.В. Модификация связующих и матриц на их основе с це-лью повышения вязкости разрушения //Авиационные материалы и технологии. 2014. №1. С. 47–50.
3. Ерасов В.С., Нужный Г.А., Гриневич А.В., Терехин А.Л. Трещиностойкость авиационных материалов в процессе испытания на усталость //Труды ВИАМ. 2013. №10. Ст.
4. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
5. Каблов Е.Н. Химия в авиационном материаловедении //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 3–4.
6. Каблов Е.Н. Шестой технологический уклад //Наука и жизнь. 2010. №4. С. 2–7.
7. Будылин Н.Ю., Шапагин А.В., Чалых А.Е., Хасбиуллин Р.Р. Моделирование формирования градиентных дисперсных структур в смесях термо- и реактопластов //Пластические массы. 2011. №3. С. 51–56.
8. Zhang Y. et al. Dynamically asymmetric phase separation and morphological structure formation in the epoxy/polysulfone blends //Macromolecules. 2011. V. 44. №18. P. 7465–7472.

10. Каблов Е.Н., Кондрашов С.В., Юрков Г.Ю. Перспективы использования углеродсодержащих наночастиц в связующих для полимерных композиционных материалов //Российские нанотехнологии. 2013. Т. 8. №3–4. С. 24–42.
11. Гуляев А.И. Исследование полимерных материалов методом рентгеновской фото-электронной спектроскопии //Труды ВИАМ. 2013. №7. Ст..
12. Журавлева П.Л., Зайцев Д.В. Исследование структуры углеродных волокон с применением дифракционных методов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 448–455.
13. Гуляев А.И., Исходжанова И.В., Журавлева П.Л. Применение метода оптической микроскопии для количественного анализа структуры ПКМ //Труды ВИАМ. 2014. №7. Ст..
14. Деев И.С., Каблов Е.Н., Кобец Л.П., Чурсова Л.В. Исследование методом сканирующей электронной микроскопии деформации микрофазовой структуры полимерных матриц при механическом нагружении //Труды ВИАМ. 2014. №7. Ст..

16. Zhang Y. et al. Ubiquitous nature of the three-layered structure formation in the asymmet-ric phase separation of the epoxythermoplastic blends //Polymer. 2012. V. 53. №2. P. 588–594.
17. Mimura K. et al. Improvement of thermal and mechanical properties by control of morphologies in PES-modified epoxy resins //Polymer. 2000. V. 41. №12. P. 4451–4459.
18. Межиковский С.М., Иржак В.И. Химическая физика отверждения олигомеров. М.: Наука. 2008. 269 с.
19. Полимерные смеси. Т. 1. Систематика: Пер. с англ. /Под ред. Д.Р. Пола, К.Б. Бакнелла. СПб.: Научные основы и технологии. 2009. 618 с.

21. Розенберг Б.А. Микрофазовое разделение в отверждающихся многокомпонентных полимер-олигомерных системах //Российский химический журнал. 2001. Т. XLV. №5–6. С. 23–31.
22. Wilkinson S.P. et al. Effect of thermoplastic modifier variables on toughening a bismaleimide matrix resin for high-performance composite materials //Polymer. 1993. V. 34. №4. P. 870–884.


25. Cano L. et al. Morphological and mechanical study of nanostructured epoxy systems modified with amphiphilic poly(ethylene oxide-b-propylene oxide-b-ethylene oxide)triblock copolymer //Polymer. 2014. V. 55. №3. P. 738–745.


28. Poncet S. et al. Monitoring phase separation and reaction advancement in situ in thermoplastic/epoxy blends //Polymer. 1999. V. 40. №24. P. 6811–6820.
29. Чалых А.Е., Алиев А.Д., Рубцов А.Е. Электронно-зондовый микроанализ в исследовании полимеров. М.: Наука. 1990. 192 с.
30. Чалых А.Е. и др. Аналитическая электронная микроскопия в исследовании структуры привитых полимеров //Высокомолекулярные соединения. Сер. А. 2010. Т. 52. №4. С. 653–658.





36. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия. 1976. 270 с.

38. Полимерные смеси. Т. 2: Функциональные свойства: Пер. с англ. /Под ред. Д.Р. По-ла, К.Б. Бакнелла. СПб.: Научные основы и технологии. 2009. 606 с.

1. Solodilov V.I., Gorbatkina Ju.A. Svojstva odnonapravlennyh ugleplastikov na osnove jepoksidnoj smoly, modificirovannoj polisul"fonom ili jepoksiuretanovym oligomerom //Mehanika kompozicionnyh materialov i konstrukcij. 2008. T. 14. №2. S. 217–227.
2. Zheleznjak V.G., Chursova L.V. Modifikacija svjazujushhih i matric na ih osnove s cel"ju povyshenija vjazkosti razrushenija //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2014. №1. S. 47–50.
3. Erasov V.S., Nuzhnyj G.A., Grinevich A.V., Terehin A.L. Treshhinostojkost" aviacionnyh materialov v processe ispytanija na ustalost" //Trudy VIAM. 2013. №10. St.
4. Kablov E.N. Strategicheskie napravlenija razvitija materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7–17.
5. Kablov E.N. Himija v aviacionnom materialovedenii //Rossijskij himicheskij zhurnal. 2010. T. LIV. №1. S. 3–4.
6. Kablov E.N. Shestoj tehnologicheskij uklad //Nauka i zhizn". 2010. №4. S. 2–7.
7. Budylin N.Ju., Shapagin A.V., Chalyh A.E., Hasbiullin R.R. Modelirovanie formirovanija gradientnyh dispersnyh struktur v smesjah termo- i reaktoplastov //Plasticheskie massy. 2011. №3. S. 51–56.
8. Zhang Y. et al. Dynamically asymmetric phase separation and morphological structure for-mation in the epoxy/polysulfone blends //Macromolecules. 2011. V. 44. №18. P. 7465–7472.
9. Liu Y. Polymerization-induced phase separation and resulting thermomechanical properties of thermosetting/reactive nonlinear polymer blends: a review //Journal of applied polymer science. 2013. V. 127. №5. P. 3279–3292.
10. Kablov E.N., Kondrashov S.V., Jurkov G.Ju. Perspektivy ispol"zovanija uglerod-soderzhashhih nanochastic v svjazujushhih dlja polimernyh kompozicionnyh materialov //Rossijskie nanotehnologii. 2013. T. 8. №3–4. S. 24–42.
11. Guljaev A.I. Issledovanie polimernyh materialov metodom rentgenovskoj fotojelektronnoj spektroskopii //Trudy VIAM. 2013. №7. St..
12. Zhuravleva P.L., Zajcev D.V. Issledovanie struktury uglerodnyh volokon s primeneniem difrakcionnyh metodov //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 448–455.
13. Guljaev A.I., Ishodzhanova I.V., Zhuravleva P.L. Primenenie metoda opticheskoj mikros-ko-pii dlja kolichestvennogo analiza struktury PKM //Trudy VIAM. 2014. №7. St..
14. Deev I.S., Kablov E.N., Kobec L.P., Chursova L.V. Issledovanie metodom skanirujushhej jelektronnoj mikroskopii deformacii mikrofazovoj struktury polimernyh matric pri me-hanicheskom nagruzhenii //Trudy VIAM. 2014. №7. St..
15. Huang K. et al. Preparation of a light color cardanol-based curing agent and epoxy resin composite: Cure-induced phase separation and its effect on properties //Progress in organic coatings. 2012. V. 74. №1. P. 240–247.
16. Zhang Y. et al. Ubiquitous nature of the three-layered structure formation in the asymmetric phase separation of the epoxythermoplastic blends //Polymer. 2012. V. 53. №2. P. 588–594.
17. Mimura K. et al. Improvement of thermal and mechanical properties by control of mor-phologies in PES-modified epoxy resins //Polymer. 2000. V. 41. №12. P. 4451–4459.
18. Mezhikovskij S.M., Irzhak V.I. Himicheskaja fizika otverzhdenija oligomerov . M.: Nauka. 2008. 269 s.
19. Polimernye smesi. T. 1. Sistematika : Per. s angl. /Pod red. D.R. Pola, K.B. Baknella. SPb.: Nauchnye osnovy i tehnologii. 2009. 618 s.
20. Williams R.J.J., Rozenberg B.A., Pascault J.P. Reaction-induced phase separation in modified thermosetting polymers //Advances in polymer science. 1997. V. 128. P. 95–156.
21. Rozenberg B.A. Mikrofazovoe razdelenie v otverzhdajushhihsja mnogokomponentnyh polimer-oligomernyh sistemah //Rossijskij himicheskij zhurnal. 2001. T. XLV. №5–6. S. 23–31.
22. Wilkinson S.P. et al. Effect of thermoplastic modifier variables on toughening a bis-maleimide matrix resin for high-performance composite materials //Polymer. 1993. V. 34. №4. P. 870–884.
23. Zhang J. et al. Study on thermoplastic-modified multifunctional epoxies: Influence of heating rate on cure behaviour and phase separation //Composites Science and Technology. 2009. V. 69. №7–8. P. 1172–1179.
24. Rico M. et al. Phase separation and morphology development in a thermoplastic-modified toughened epoxy //European Polymer Journal. 2012. V. 48. №10. P. 1660–1673.
25. Cano L. et al. Morphological and mechanical study of nanostructured epoxy systems mod-ified with amphiphilic poly(ethylene oxide-b-propylene oxide-b-ethylene oxide)triblock copolymer //Polymer. 2014. V. 55. №3. P. 738–745.
26. Cong H. et al. Formation of nanostructures in thermosets containing block copolymers: From self-assembly to reaction-induced microphase separation mechanism //Polymer. 2014. V. 55. №5. P. 1190–1201.
27. Min H.S. et al. Fracture toughness of polysulfone/epoxy semi-IPN with morphology spec-trum //Polymer Bulletin. 1999. V. 42. №2. P. 221–227.
28. Poncet S. et al. Monitoring phase separation and reaction advancement in situ in thermo-plastic/epoxy blends //Polymer. 1999. V. 40. №24. P. 6811–6820.
29. Chalyh A.E., Aliev A.D., Rubcov A.E. Jelektronno-zondovyj mikroanaliz v issledovanii polimerov . M.: Nauka. 1990. 192 s.
30. Chalyh A.E. i dr. Analiticheskaja jelektronnaja mikroskopija v issledovanii struktury priv-ityh polimerov //Vysokomolekuljarnye soedinenija. Ser. A. 2010. T. 52. №4. S. 653–658.
31. Heitzmann M.T. et al. Microanalysis techniques for the investigation of interphases formed between thermoset and thermoplastic polymers: Scanning electron microscopy and energy dispersive x-ray analysis //Key Engineering Materials. 2011. №471–472. P. 309–314.
32. Liao Y. et al. Reaction-induced phase decomposition of thermoset/thermoplastic blends investigated by energy filtering transmission electron microscopy //Polymer. 2007. V. 48. №13. P. 3749–3758.
33. Mezzenga R. et al. Morphology build-up in dendritic hyperbranched polymer modified epoxy resin: modeling and characterization //Polymer. 2001. V. 42. №1. P. 305–317.
34. Tribut L. et al. Rheological behavior of thermoset/thermoplastic blends during isothermal curing: Experiments and modeling //Polymer. 2007. V. 48. №22. P. 6639–6647.
35. Fernandez-Francos X. et al. Novel thermosets based on DGEBA and hyperbranched pol-ymers modified with vinyl and epoxy end groups //Reactive & Functional Polymers. 2010. V. 70. №10. P. 798–806.
36. Saltykov S.A. Stereometricheskaja metallografija . M.: Met-allurgija. 1976. 270 s.
37. Kulkami A.S., Beaucage G. Reaction induced phase-separation controlled by molecular topology //Polymer. 2005. V. 46. №12. P. 4454–4464.
38. Polimernye smesi. T. 2: Funkcional"nye svojstva : Per. s angl. /Pod red. D.R. Pola, K.B. Baknella. SPb.: Nauchnye osnovy i tehnologii. 2009. 606 s.
39. Pearson R.A., Yee A.F. Toughening mechanisms in thermoplastic-modified epoxies: 1. Modification using poly(phenylene oxide) //Polymer. 1993. V. 34. №17. P. 3658–3670.
40. Turmel D.J.-P., Partridge I.K. Heterogeneous phase separation around fibres in epoxy/PEI blends and its effect on composite delamination resistance //Composites Science and Technology. 1997. V. 57. №8. P. 1001–1007.
41. Varley R.J., Hodkin J.H. Effect of reinforcing fibres on the morphology of a toughened epoxy/amine system //Polymer. 1997. V. 38. №5. P. 1005–1009.
42. Olmos D., Gonzalez-Benito J. Visualization of the morphology at the interphase of glass fibre reinforced epoxy-thermoplastic polymer composites //European Polymer Journal. 2007. V. 43. №4. P. 1487–1500.
43. Zhang J. et al. Interphase study of thermoplastic modified epoxy matrix composites: Phase behavior around a single fibre influenced by heating rate and surface treatment //Composites: Part A. 2010. V. 41. №6. P. 787–794.

«ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНОЙ МАТРИЦЫ И КОРОТКИХ УГОЛЬНЫХ ВОЛОКОН Маштаков А.П., Мелихов К.В., Маняк...»

ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНОЙ МАТРИЦЫ И КОРОТКИХ УГОЛЬНЫХ ВОЛОКОН

Маштаков А.П., Мелихов К.В., Маняк И.С.

АО НПП «Радар ММС»,

г. Санкт-Петербург, Россия

Экспериментально исследованы механические характеристики композиционного материала, состоящего из термопластичной матрицы, армированной короткими угольными волокнами. Характеристики получены на образцах, которые вырезались из пластин, полученных методом инжекционного литья, из серии опытов по одноосному растяжению. Процесс инжекционной отливки пластины моделировался методом конечных объемов. При этом решалась система уравнений движения полимерного расплава как вязкой Ньютоновской жидкости, дополненная уравнением Фолгера-Такера для определения тензоров ориентации волокон в матрице. Для построения аналитической модели материала использовалась двухступенчатая схема гомогенизации: сначала по схеме Мори-Танака определялись эффективные характеристики для единичного включения заданной формы, затем на основе вычисленных компонент тензора ориентации определялись эффективные характеристики всей ячейки представительного объема по схеме Фойта . Волокна принимались упругими изотропными, матрица – упруго-пластической с критерием Мизеса и изотропным, степенным законом упрочнения (J2-модель). В качестве модели разрушения была выбрана модель разрушения «первого псевдо-зерна» с критерием прочности Цая-Хилла . Характеристики матрицы и волокон, а также параметры критерия разрушения подбирались итеративно исходя из условия наилучшего совпадения расчетных и экспериментальных кривых деформирования для трех типов образцов по методу наименьших квадратов. Представленные результаты в виде сравнения кривых деформирования свидетельствуют об удовлетворительном совпадении с экспериментом как в упругой, так и в неупругой области.ЛИТЕРАТУРА

S. T. Chung and T. H. Won. Numerical Simulation of Fiber Orientation in Injection Molding of Short-Fiber-Reinforced Thermoplastics. ENGINEERING AND SCIENCE, MID-APRIL 1995, Vol. 35, NO. 7. – p. 604-618.

B. E. VerWeyst, C. L. Tucker III, P. H. Foss_, J. F. O’Gara. Fiber orientation in 3-D injection molded features: prediction and experiment/ International Polymer Processing, June 18, 1999.

Mori T, Tanaka K. Average stress in matrix and average elastic energy of materials with misfitting inclusions. Acta Metall 1973; 21:571-574.

Р. Кристенсен. Введение в механику композитов/ Р. Кристенсен. – М.: Мир, 1982. – 334 с.

S. Kammoun, I. Doghri, L. Adam, G. Robert, L. Delannay. First pseudo-grain failure model for inelastic composites with misaligned short fibers. Composites: Part A 42 (2011) 1892–1902.

J. M. Kaiser, M. Stommel. Strength prediction of short fibre reinforced polymers. Journal of Plastics Technology 8 (2012) 3, 278-300.

Похожие работы:

«Контракт № _ на оказание услуг по добровольному страхованию автотранспортного средства от ущерба, хищения или угона (КАСКО) г. Москва "" 201_г.Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институ...»

«РЕЗЮМЕ1.Сведения о себе1. Фамилия Абай2. Имя Раушан3. Отчество Мадиярызы4. Дата и место рождения 01.12.1994г. Карагандинская обл. г.Караганда5. Национальность Казашка6. Пол Женский7. Семейное положение Не замужем8. Домашний адрес Караганда, Приканал...»

«ИЗВЕЩЕНИЕ О ВНЕСЕНИИ ИЗМЕНЕНИЙ В ИЗВЕЩЕНИЕ О ПРОВЕДЕНИИ ЭЛЕКТРОННОГО АУКЦИОНА № 163/А/АВР ОТ 26.01.2017 И В ДОКУМЕНТАЦИЮ ОБ ЭЛЕКТРОННОМ АУКЦИОНЕНА ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТ ПО КАПИТАЛЬНОМУ РЕМОНТУ ОБЩЕГО ИМУЩЕСТВА МНОГОКВАРТИРНЫХ ДОМОВ (ремонт (замена и (или) восстановление) ава...»

«Общественное объединение "Белорусская федерация картинга"КЛАССИФИКАЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯК ГОНОЧНЫМ АВТОМОБИЛЯМ "КАРТ" Введены в действие 1 марта 2012 года Утверждены Советом БФК протокол от 25 февраля 2012 г. Минск 20...»

«"В МИРЕ ПРОФЕССИЙ"Цель: формирование профессиональной направленности учеников путем расширения их представления о строительных профессиях знакомство с программами и инициативами Президента и Правительства Российской Федерации о престиж...»

«Совет по правам человека Тридцатая сессия Пункт 5 повестки дня Правозащитные органы и механизмы Доклад Межправительственной рабочей группы открытого состава по проекту декларации Организации Объединенных Наций о правах крестьян и других лиц, работающих в сельских районах Председате...»

«Некоммерческое партнерство Саморегулируемая организация "Региональное Объединение Проектировщиков" (НП СРО "РОП") Протокол № 128 заседания Совета саморегулируемой организации Некоммерческого партнерства "Региональное Объединение Проектировщиков" 22.11.2013 г. Место проведения...»

«Роил Платинум, Очиститель бензиновой системы "Roil Platinum™ Metal Conditioner" Форма выпуска: 500 мл., 4 л.Назначение: С течением времени Ваш двигатель изнашивается от трения. Roil Platinum™ Metal Conditioner может продлить жизнь и увеличить мощность двигателя Вашего автомобиля, снизить затраты на ремонт, уменьшая...»

«УДК 621.921ВЫБОР РЕЖИМОВ ШЛИФОВАНИЯ С УЧЕТОМ ИЗНАШИВАНИЯ НСТРУМЕНТА В.В. Борисов1, И.Д. Ибатуллин1, Д.Р. Загидуллина2 1Самарский государственный технический университет 2Башкирский государственный университет Приведена методология выбора режимов шлифования деталей с учетом кин...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное автономное учреждение высшего образования"НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"УТВЕРЖДАЮ Зам. директора Института кибернетикипо учебной работе С.А. Гайворонский"_" 2015 г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ "КОНСАЛТИНГ ПРИ АВТОМ...»

2017 www.сайт - «Бесплатная электронная библиотека - электронные документы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам , мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.