Они могут вызываться температурными напряжениями, локальными нагрузками, например, ударами по поверхности конструкции. Для поверхностного отслоения характерно выпучивание тонкого отслоившегося участка, которое может происходить при сжатии, поверхностном нагреве или растяжении из-за эффекта Пуассона, поэтому механика поверхностных отслоений обязательно должна учитывать геометрическую нелинейность хотя бы для отслоившейся области.
Типичные примеры отслоений приведены на рисунке 2.2. Процесс отслоения требует энергетических затрат, при этом потенциальная энергия изгиба накапливается только в отслоении, а работа разрушения складывается из работы, затрачиваемой на разрушение матричной прослойки и идущей на продвижение трещины в отслоении.
Каждому типу отслоений, представленных на рисунке 2.2, соответствуют свои критерии и границы устойчивости, определяемые по Гриффитсу или Эйлеру [14].
Рост отслоений в слоистых композитах при длительно действующих или циклических нагрузках происходит устойчиво, если параметры отслоения принадлежат области устойчивости по Гриффитсу.
Однако при длительном нагружении в матрице и армирующих элементах возникают рассеянные повреждения, которые снижают сопротивление отслоений.
Для расчета роста отслоений в сжатых элементах нужно учитывать энергию изгиба, высвобождающуюся при росте выпученного отслоения. Некоторые качественные особенности роста отслоения, изображенного на рисунке 2.2, в, приведены на рисунке 2.3. Кривые 1–3 соответствуют начальным состояниям. Кривая 1 относится к случаю, когда начальный размер отслоения достаточно велик, но начальное состояние субравновесно. После окончания инкубационной стадии продолжительностью t* размер l начинает расти. Картина роста отслоения качественно сходна с той, которая наблюдается в случае растяжения.
Рисунок 2.2 – Примеры отслоений в композитах:
а – открытое отслоение при растяжении, б – эллипсоидальное при растяжении, в – сжатое в условиях цилиндрического изгиба, г – эллипсоидальное при сжатии, д – кромочное, е – кромочное с вторичной трещиной
Кривая 2 соответствует случаю, когда начальное состояние также субравновесно, поэтому существует некоторая относительно непродолжительная инкубационная стадия. После подрастания отслоения до неустойчивого состояния происходит скачок до нового субравновесного состояния. Новый размер отслоения может быть оценен, исходя из соотношения энергетического баланса. При скачкообразном подрастании отслоения мера повреждения падает практически до нуля, поскольку фронт отслоения переходит в малоповрежденную область матричной прослойки (см. рисунок 2.3, б, кривая 3). Далее следует вторая инкубационная стадия. После того как будет накоплено достаточное повреждение, фронт отслоения снова стягивается. Дальнейший рост происходит устойчиво.
Рисунок 2.3 – Диаграмма отслоений в композите при сжатии:
а – рост отслоений; б – накопление микроповреждений на фронте
Кривая 3 соответствует значениям отслоения, при которых начальная точка находится в весьма узкой полосе, заключенной между областью, где выпучивания нет, и областью, в которой отрезок устойчивого роста отслоения завершается полным отщеплением наружного слоя.
Значения критической деформации для конструкционных композитов достаточно высоки (порядка 10-3), поэтому типичное поведение сжатых отслоений описывается кривыми 1 на рисунке 2.3, а, б.
Обычно уже в ненагруженном элементе отслоение имеет начальный прогиб, полученный, например, в процессе изготовления.
Расслоения могут происходить в слоистых композиционных материалах при механической обработке конструкции или детали, определенной технологическим процессом изготовления. Механическая обработка композиционных материалов имеет ряд особенностей, отличающих их от аналогичной обработки металлов. Наличие слоистой структуры композита способствует тому, что при износе режущих инструментов происходит расслоение материала. Кроме того, при перерезании армирующих волокон, особенно при перекрестном армировании, наблюдается разлохмачивание перерезанных волокон, что приводит к ухудшению качества поверхностного слоя, способствующему возрастанию влагопоглощения и снижению несущей способности конструкции.
2.3 Структурные дефекты в пространственно-армированных композитах и их влияние на свойства материалов
Оптимальные для конкретных условий эксплуатации физико-механические и теплозащитные свойства композиционных материалов практически полностью достигаются формированием заданной пространственной структуры и зависят от степени соответствия реальной структуры расчетным параметрам, поэтому наличие структурных нарушений (дефектов) в композите может стать решающим фактором, определяющим работоспособность современных изделий.
Характерной особенностью структурных дефектов пространственно-армированных композиционных материалов является то, что наряду с дефектами, присущими традиционным материалам (трещины, раковины, поры, рыхлоты, посторонние включения и т. д.), могут образовываться дефекты, характерные только для данного вида композитов, связанные с особенностями структуры армирующего каркаса и метода формирования матрицы. Причем характер дефектов, возникающих на различных этапах изготовления материала, существенно отличается друг от друга.
На стадии изготовления каркасов возникают дефекты, связанные с отклонениями от следующих расчетных параметров структуры: направление укладки армирующих жгутов, периодичность расположения структурных элементов, расстояние между жгутами и пакетами жгутов, объемное содержание жгутов в каждом направлении армирования.
Дефекты, которые образуются на этапе формирования матрицы, связаны, в основном, с отклонениями от расчетного распределения плотности конечного материала, хотя и не исключены нарушения структуры армирующего каркаса, возникающие на различные рода подготовительных операциях. На этом же этапе возможно образование, вследствие нарушения технологических режимов насыщения таких дефектов, как раковины, рыхлости и трещины.
Дефекты типа «посторонние включения», обычно металлического характера, могут образовываться на каждом этапе изготовления изделий из композиционных материалов.
Проведенные исследования позволили определить характер влияния различных видов структурных дефектов на физико-механические и теплозащитные свойства композитов.
Наличие различного шага укладки жгутов вдоль координатных осей может быть одной из причин отличия расчетных значений упругих констант от реальных характеристик материалов.
Наличие искривленных волокон в ортогонально-армированном композиционном материале существенно снижает его жесткость при растяжении и сжатии. Создание предварительного натяжения арматуры при изготовлении каркасов способствует некоторому увеличению модулей упругости и прочности в направлении натяжения за счет исключения случайных искривлений жгутов, однако чрезмерное натяжение в одном направлении может вызвать нарушение ортогональности в других. Исследования показали, что отклонения армирующих жгутов от заданного направления армирования даже на 3° может приводить к снижению прочности композита до 20%.
Уменьшение числа армирующих жгутов в каком-либо направлении обычно является следствием их припусков или обрывов и приводит к снижению прочности композиционного материала при растяжении. Так, при уменьшении числа жгутов в рабочем сечении образцов материала КИМФ, подвергнутых механическим испытаниям, с 9 до 6 прочность при растяжении снижается на 30%.
Повышенная пористость оказывает заметное влияние на модуль упругости в трансверсальном направлении, где содержание волокон мало, а влияние матрицы на формирование жесткости указанного направления весьма значительно. Кроме того, дефекты при изготовлении деталей и узлов из композиционных материалов могут возникать в процессе механической обработки. Наиболее типичными из них являются отслоение, водопоглощение, структурные дефекты, разрушение армирующих волокон.
Возникновение деструктированного диспергированного слоя, значительно ухудшает эксплуатационные характеристики изделий из композитов.
При контактном взаимодействии полимера с металлом (инструментом) возбуждается механический процесс, повышается кинетическая активность системы. Этот процесс протекает с массовым образованием свободных радикалов за счет разрыва ковалентных связей у макромолекул. Для образования свободных микрорадикалов при механическом воздействии на полимер требуется энергия порядка 210–240 кДж/моль.
