Влияние волнового эффекта на предел прочности волокна при испытаниях композитного материала на растяжение

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.

1. Bacarreza, O. Woven Composites/ O. Bacarreza, P. Wen, and M.H. Aliabadi, in: M. H. Aliabadi (ed.) // Computational and Experimental Methods in Structures. — 2015. — Vol. 6, Ch. 1. — P. 1–74.

2. Sendeckyj, G.P. Effects of Defects in Composite Structures. In: A.K. Noor, M.J. Shuart, J.H. Strarnes Jr., J.G. Williams, eds. Failure Analysis and Mechanisms of Failure of Fibrous Composite Structures. NASA Conf. Pub., 1983, vol. 2278, pp. 305-312.

3. Textile composites and inflatable structures /E. Oñate, B.-H. Kröplin (Eds.). — 2005. — Vol. 3. — P. 322

4. Potter, K. Variability, Fibre Waviness and Misalignment in the Determination of the Properties of composite Materials and Structures / K. Potter, B. Khan, M.Wisnom, T.Bell, J. Stevens // Composites Part A. — 2008. — Vol. 39. — P. 1343–1354.

5. Kharmanda, G. Integration of reliability and optimization concepts into composite yarns / G. Kharmanda, I. R. Antypas // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения : сб. статей 10-й Междунар. юбилейной науч.-практ. конф. в рамках 20-й Междунар. агропромышленной выставки «Интерагромаш-2017». ― Ростов-на Дону, 2017. ― С. 174–176.

6. Isa, M.T. Effect of fiber type and combinations on the mechanical / M. T. Isa, A. S. Ahmed, B. O. Aderemi, R. M. Taib, and I. A. Mohammed-dabo // Physical and thermal stability properties of polyester hybrid composites. — 2013. — Part B. — No. 52, — P. 217–223.

7. Ronald F. Gibson. Principles of Composite Material Mechanics/ Ronald F. Gibson // International Editions. — 1994. — McGraw-Hill Inc. — P. 7.

8. Антибас, И. Р. Сравнение амортизирующих свойств гофрированной картонной упаковки разной структуры при действии вертикальной нагрузки / И. Р. Антибас, С. А. Партко // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения : сб. статей 8-й междунар. науч.-практ. конф. в рамках 18-й междунар. агропромышленной выставки «Интерагромаш-2015». ― Ростов-на Дону, 2015. ― С. 232–235.

9. Антибас, И. Р Определение характеристик компонентов композитных материалов, предназначенных для производства деталей сельскохозяйственной техники / И. Р. Антибас, А. Г. Дьяченко // Вестник Донского гос. техн. ун-та. ― 2017. ― Т. 17, № 3(90). ― С. 60–69.

10. Антибас, И. Р Влияние содержания древесного дисперсного наполнителя на долговечность композиционных материалов / И. Р. Антибас, А. Г. Дьяченко // Вестник Донского. гос. техн. ун-та. ― 2017. ― Т. 17, № 1(88). ― С. 67–74.

11. Karami, G. Finite Element Micromechanics for Stiffness and Strength of Wavy Fibre Composites / G. Karami, M. Garnich // Journal of Composite Materials. — 2004. — Vol. 38. — P. 273–292.

12. Chan, W.S. Influence of Fibre Waviness on the Structural Response off Composite Laminates / W.S. Chan, J.S. Wang // Journal of Thermoplastic Composite materials. — 1994. — Vol. 7. — P. 243–369.

13. Travis, A. Influence of Ply Waviness on the Stiffness and Strength Reduction on Composite Laminates / A. Travis, I. Bogett, W. John Jr., A. Gillespie // Journal of Thermoplastic Composite Materials. — 1992. — Vol. 5. — P. 344.

14. Garnich, Mark R. Localized Fibre Waviness and Implications for Failure in Unidirectional Composites / Mark R. Garnich and Ghodrat Karami // Journal of composite Materials. — 2005. — Vol. 39. — P. 1225–1245.