доцент кафедры «Основы конструирования машин», кандидат технических наук
guest researcher of the Department of Materials, Laboratory of Physics and Technology, ETH Zurich
доцент кафедры «Основы конструирования машин», кандидат технических наук
Introduction. The response of composite materials to the impact of a certain kind of load is difficult to predict, therefore, research in this area has often been neglected. The work objective was to study the influence of the wave effect on the tensile strength of polymer composites of a fibrous structure.
Materials and Methods. In the tests, samples of multilayer materials of various thicknesses with continuous, long and short fibers that form a fabric, as well as a layered structure, were used. The number of layers corresponds to the resistance to the applied loads. Fibers of glass, carbon, kevlar, or their combinations were used. Isotropic materials – epoxide, polyester and vinyl ether – were used as binders.
Research Results. The tensile test results of homogeneous samples and samples of fibrous structure are obtained. In this case, the values of fiber angle varied. The stability of their intercomparison test results is established. The dependence of the maximum tensile stresses σmax, MPa, (on the vertical axis) on the fiber angle θmax is obtained. These stresses for a fibreless material amounted to 250 MPa. Normal and tangential stresses acting perpendicular to the fibers, as well as shear stresses of the layered material, are calculated. As follows from the analysis of the dependences for the significant tensile stresses and from the study on refraction in the section of the sample damage, it was established that the shear stress τху was the cause of the fracture. Using an equation providing the compensation for the angle of inclination θ = 45, it was determined that the shear stress of the polyester is τху = 35 MPa. This was the stress that caused subsequently the destruction of the samples.
Discussion and Conclusions. The tensile stresses of the composite material decrease with increasing the fiber angle in certain areas. The destruction of all fiber samples occurred when the shear stress reached a value approximately equal to the shear stress at which the destruction of samples made only from a binder material happened. When the specimen broke, the fracture mode had the form similar to the shear failure; besides, at the moment of fracture, the object having a rectangular shape, being deformed at an angle, took the form of a parallelogram.
Введение. Реакция композиционных материалов на воздействие определённого рода нагрузок трудно прогнозируема, поэтому исследованиям в этой области не уделялось должного внимания. Целью настоящей работы было изучение влияния волнового эффекта на предел прочности при растяжении полимерных композитов волокнистой структуры.
Материалы и методы. В испытаниях использовались образцы многослойных материалов различной толщины с непрерывными, длинными и короткими волокнами, образующими ткань, а также слоистую структуру. Число слоев соответствует сопротивляемости приложенным нагрузкам. Применялись волокна стекла, углерода, кевлара или их комбинации. В качестве связующих использовали изотропные материалы: эпоксид, полиэфир и виниловый эфир.
Результаты исследования: Получены результаты испытания на растяжение гомогенных образцов и образцов волокнистой структуры. При этом варьировались значения угла наклона волокон. Установлена стабильность результатов испытания путем их взаимного сравнения. Получена зависимость максимальных напряжений при растяжении σmax, МПа, (на вертикальной оси) от угла наклона волокна θmax. Эти напряжения для материала с безволновыми волокнами составили 250 МПа. Рассчитаны нормальные и касательные напряжения, действующие перпендикулярно волокнам, а также напряжения слоистого материала при сдвиге. В результате анализа зависимостей для характерных напряжений при растяжении и исследования рефракции в сечении разрушения образцов установлено, что причиной разрушения является напряжение сдвига τху. С помощью уравнения, которое позволяет компенсировать угол наклона θ = 45°, было определено, что значение напряжения сдвига полиэстера τху = 35 MПa. Это и есть напряжение, которое впоследствии явилось причиной разрушения образцов.
Обсуждение и заключения: Напряжения при растяжении композитного материала уменьшаются с увеличением угла наклона волокон в определенных зонах. Разрушение всех образцов волокна наступало тогда, когда величина напряжения сдвига достигала значения, примерно равного величине напряжения сдвига, при котором происходило разрушение образцов, изготовленных только из связующего материала. При разрыве образца форма разрушения имела вид, аналогичный разрушению при сдвиге, причём в момент разрушения объект, имеющий прямоугольную форму, деформируясь под углом, принимал форму параллелограмма.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.