Композиционные материалы

Модуль упругости однонаправленного композита вдоль направления армирования (укладки волокон) может быть рассчитан по правилу смеси:

E_c = E_fV_f + E_mV_m,

где E_f - модуль волокна; E_m - модуль матрицы; V_f, V_m – относительное объемное содержание волокон и матрицы, соответственно.

Слоистый композит с ортогональным армированием [0^o/90^o], показанный на рисунке справа, будет коробиться при приложении одноосного растягивающего напряжения из-за различия модуля упругости вдоль и перпендикулярно оси волокон. Жесткость материала в направлении укладки волокон выше и, поэтому слой композита с волокнами, расположенными параллельно приложенному напряжению, будет растягиваться меньше, чем слой, нагруженный поперек волокон.

Модуль упругости композитов с непрерывными волокнами зависит от угла между направлением волокон и приложенной нагрузкой. Максимальная жесткость композита проявляется при приложении нагрузки параллельно оси волокон. Жесткость слоистых композитов с взаимно пересекающимися волокнами [+q/-q] выше, чем у однонаправленных композитов, благодаря дополнительному ограничению сдвиговых деформации.

Чем выше объемное содержание волокон V_f однонаправленных волокнистых композитов, тем выше их способность выдерживать циклическую нагрузку. Сопротивление усталости композитов существенно зависит от угла между направлением приложенной нагрузки и осью волокон. Долговечность композита уменьшается при увеличении данного угла.

Прочность композитов с короткими волокнами увеличивается при увеличении отношения длины волокна к диаметру l/d. Поскольку количество дефектов зависит (помимо прочего) от диаметра волокна, прочность волокна определенной длины возрастает с уменьшением диаметра волокна. Для заданного объемного содержания волокон более длинные волокна несут большую долю нагрузки, приложенную к композиту.

Остаточные напряжения возникают при охлаждении слоистых композитов с ортогональным армированием из-за анизотропии термической усадки параллельно и перпендикулярно направлению армирования. В композитах стеклянные волокна/эпоксидная матрица коэффициент теплового расширения вдоль оси волокон ниже, чем перпендикулярно волокнам. При охлаждении, слои с укладкой волокон 90^o растягиваются, а слои с волокнами, расположенными под углом 0^o, сжимаются. Как правило, трещины образуются перпендикулярно растягивающим напряжениям.

Известно, что композиты имеют высокую удельную прочность, которая определяется как отношение предела прочности на растяжение s_в к плотности материала r•g.
Удельная прочность композитов с непрерывными волокнами намного выше, чем у обычных материалов, таких как алюминий или сталь.

Нагрузка, приложенная к волокнистым композитам, распределяется между волокнами и матрицей. Соотношение между нагрузкой, передающейся на волокна P_f и матрицу P_m, зависит от отношения E_fV_f к E_mV_m:

P_f / P_f = E_fV_f / E_mV_m,

где E_f, E_m, V_f и V_m - модули упругости и объемное содержание компонентов композита.
Чем выше модуль упругости и объемное содержание волокон, тем большую нагрузку несут волокна.

Если предположить, что между волокнами и матрицей отсутствует скольжение, тогда напряжение в композите определяется следующим образом:

s = s_fV_f + s_mV_m

где V_f и V_m – объемное содержание волокон и матрицы, соответственно.
Напряжение в матрице:

s_m = s_f • E_m/E_f.

Напряжение в волокнах:

s_f = s / [V_f + (1-V_f) • E_m/E_f].

Для заданного уровня напряжений, чем выше объемное содержание волокон, тем меньшее напряжение действует в волокнах.