Механические свойства волокон

Механические свойства волокон

19.12.2020

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

P ( σ , L ) = 1 − exp ⁡ ( − L σ β L 0 σ 0 β ) , {displaystyle P(sigma ,L)=1-exp {left(-{frac {Lsigma ^{eta }}{L_{0}sigma _{0}^{eta }}} ight)},}

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

⟨ σ ( L ) ⟩ = σ 0 ( L 0 L ) 1 / β Γ ( 1 + 1 β ) , {displaystyle langle sigma (L) angle =sigma _{0}left({frac {L_{0}}{L}} ight)^{1/eta }Gamma left(1+{frac {1}{eta }} ight),}

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

D = σ 0 ( L 0 L ) 1 / β Γ ( 1 + 2 β ) − Γ 2 ( 1 + 1 β ) . {displaystyle D=sigma _{0}left({frac {L_{0}}{L}} ight)^{1/eta }{sqrt {Gamma left(1+{frac {2}{eta }} ight)-Gamma ^{2}left(1+{frac {1}{eta }} ight)}}.}

Коэффициент вариации прочности k = D / ⟨ σ ( L ) ⟩ {displaystyle k=D/langle sigma (L) angle } зависит только от величины β. Отношение величин средней прочности волокон с длинами L1 и L2 составляет

⟨ σ ( L 1 ) ⟩ ⟨ σ ( L 2 ) ⟩ = ( L 1 L 2 ) − 1 / β . {displaystyle {frac {langle sigma (L_{1}) angle }{langle sigma (L_{2}) angle }}=left({frac {L_{1}}{L_{2}}} ight)^{-1/eta }.}

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.