Прогнозирование прочности и упругих свойств гибридных композиционных материалов

Определяем модуль продольной упругости Е₁, поперечный модуль E₂, модуль сдвига G₁₂, коэффициент Пуассона и прочность в направлении армирования гибридного композита, состоящего из боро- и стекловолокон и полиимидного связующего. Механические характеристики компонент гибридного КМ представлены в таблице 6, таблице 7 и таблице 8.

Таблица 6 – Механические характеристики бороволокна

Модуль продольной упругости , ГПа
Модуль поперечной упругости , ГПа
Модуль сдвига G12б, ГПа
Коэффициент Пуассона	0,10
Прочность при растяжении вдоль волокон , ГПа	3,5
Предельное удлинение при растяжении вдоль волокна , %
Объёмное содержание ψб	0,4

Таблица 7 – Механические характеристики стекловолокна

Модуль продольной упругости , ГПа
Модуль сдвига Gс, ГПа
Коэффициент Пуассона	0,22
Прочность при растяжении , ГПа	2,2
Предельное удлинение при растяжении вдоль волокна , %
Объёмное содержание ψс	0,3

Таблица 8 – Механические характеристики полиимидной матрицы

Модуль продольной упругости , ГПа
Модуль сдвига Gм, ГПа
Коэффициент Пуассона	0,3
Предельное удлинение , %
Объёмное содержание ψм	0,3

у – углеродное волокно; с – стеклянное волокно; м – матрица

Рисунок 8 – Модуль дисперсного гибридного материала

Модуль продольной упругости однонаправленного гибридного КМ в направлении армирования определяется по формуле:

, (32)

. (33)

Поперечный модуль упругости Е₂ в случае дисперсной гибридности имеет вид:

, (34)

где – отношение объёмного содержания бороволокон к общему объёмному содержанию волокон.

Подставляя полученные данные, получим:

. (35)

Модуль сдвига гибридного КМ при дисперсной гибридности в определяется по аналогичной зависимости:

, (36)

. (37)

Коэффициент Пуассона рассчитывают по формуле:

, (38)

. (39)

В случае межслойной гибридности поперечный модуль упругости Е_2м.г. и модуль сдвига G_12м.г. вычисляют по следующим формулам:

, (40)

. (41)

Подставляя данные получим:

, (42)

. (43)

Заключение

В результате проведения расчётов выяснили:

- упругие характеристики однонаправленного слоя. В первом случае он состоял из стеклянных волокон и полиимидной матрицы: Е_1с = 43,3 ∙ 10³ МПа, Е_2с = 7,5 ∙ 10³ МПа, G_12с = 3,8 ∙ 10³ МПа , υ_12с = 0,04 и υ_21с = 0,25. Во втором случае – из борных волокон и полиимидной матрицы: Е_1б = 241,3 ∙ 10³ МПа, Е_2б = 7,9 ∙ 10³ МПа, G_12б = 3,9 ∙ 10³ МПа , υ_12б = 0,006 и υ_21б = 0,18. Из расчёта следует, что упругие характеристики однонаправленного слоя, где в качестве наполнителя используются борные волокна, превосходят упругие характеристики КМ, где наполнитель – стеклянные волокна;

- при определении прочности при растяжении и сжатии вдоль волокон
однонаправленного слоя из исходных данных выяснили, что предельное удлинение матрицы больше предельного удлинения волокна, поэтому прочность однонаправленного композита будет определяться прочностью волокон, так как они первыми будут разрушаться. Прочностные характеристики борного волокна и значительно превосходят прочностные характеристики стеклянного волокна и . Следовательно, однонаправленный слой, состоящий из борного волокна и полиимидной матрицы, превосходит по прочности однонаправленный слой из стеклянного волокна и полиимидной матрицы;

- результаты прогнозирования прочности и упругих свойств гибридных КМ показали, что в случае межслойной гибридности , прочность гибридного КМ значительно выше, чем в случае дисперсной гибридности , .