Русская Википедия:Механические свойства волокон

Содержание

Текст

Текст

Текст

Текст

Текст

Текст

Текст

Текст

Текст

Механические свойства волокон — комплекс характеристик, определяющих механическое поведение волокон при действии на них внешних сил.

Описание

Для изучения механических свойств и определения механических характеристик волокон проводят по определенным методикам механические испытания, которые различаются типом деформации и режимом нагружения. Выбор метода испытаний определяется целями и типом исследуемых волокон. Для волокон наиболее важными механическими свойствами являются: модуль Юнга в направлении оси волокна, прочность, ползучесть, а также соответствующие удельные величины: характеристики, отнесенные к плотности волокна.

Модуль Юнга волокна определяется природой материала, кристаллографической ориентацией (для монокристаллических волокон) и текстурой поликристаллических волокон. Модуль Юнга углеволокна, например, изменяется в широких пределах (от 150 до 800 ГПа), в зависимости от ориентации графитовых плоскостей относительно оси волокна. Модуль Юнга практически не зависит от взаимодействия волокна и матрицы и определяется испытанием на отдельных волокнах по углу наклона кривой деформирования образца при растяжении либо по частоте собственных колебаний образца.

Прочность волокна (как правило, хрупкого) σ определяется дефектами его структуры и описывается вейбулловой статистикой, поэтому вероятность разрушения волокна длиной L равна

<math>P(\sigma,L)=1-\exp{\left(-\frac{L\sigma^{\beta}}{L_0\sigma_0^{\beta}}\right)},</math>

где σ₀ и β — константы, а L₀ — параметр, связанный с константой σ₀. Первый момент этого распределения даёт среднюю прочность волокна длиной L:

<math>\langle\sigma(L)\rangle=\sigma_0\left(\frac{L_0}{L}\right)^{1/\beta}\Gamma\left(1+\frac{1}{\beta}\right),</math>

где Γ(·) обозначает гамма-функцию. Стандартное отклонение D определяется через второй момент

<math>D=\sigma_0\left(\frac{L_0}{L}\right)^{1/\beta}\sqrt{\Gamma\left(1+\frac{2}{\beta}\right)-\Gamma^2\left(1+\frac{1}{\beta}\right)}.</math>

Коэффициент вариации прочности <math>k=D/\langle\sigma(L)\rangle</math> зависит только от величины β. Отношение величин средней прочности волокон с длинами L₁ и L₂ составляет

<math>\frac{\langle\sigma(L_1)\rangle}{\langle\sigma(L_2)\rangle}=\left(\frac{L_1}{L_2}\right)^{-1/\beta}.</math>

Эффективная прочность волокна в композите может существенно отличаться от прочности отдельных волокон, испытанных тем или иным способом. В связи с этим определять характеристики прочности волокон целесообразно путём испытаний специальным образом подготовленных образцов композитов.

Сопротивление ползучести волокна определяют на заданной временной базе (как правило, 10²-10⁵ ч) по фиксированной величине деформации ползучести (обычно 0,5-1 %). Испытание на ползучесть отдельных волокон — длительный процесс, поэтому для оценки этой характеристики применяют упрощенные методы. К ним относится, например, измерение остаточной кривизны волокна, закрепленного на жестком цилиндре, в течение определенного времени при заданной температуре.

Литература

• Concise Encyclopedia of Composite Materials / Ed. by A. Kelly. — Elsevier Science, 1994. — 378 p.
• Chawla K. K. Fibrous Materials. — Cambridge University Press, 1998. — 309 p.
• Mileiko S. T. Metal and Ceramic Based Composites. — Elsevier Science, 1997. — 704 p.
• Handbook of Composites. V. 1: Strong Fibers / Ed. by W. Watt, B.V. Petrov. — N.Y.: Elsevier, 1989.