ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ АРМИРОВАНИЯ
ВОЛОКНАМИ ПРИ ОДНООСНОМ РАСТЯЖЕНИИ

Первый довод для использования прочных волокон в относительно слабой хрупкой матрице – улучшить податливость матрицы. Волокна, кроме того, способствуют увеличению прочности.

Во многих случаях, когда доля объема волокон относительно низкая (меньше 1%), происходит незначительное увеличение прочности. Поскольку предельная величина деформации матрицы меньше величины деформации волокон, повреждение матрицы происходит до достижения напряжением волокна предельной величины.

С другой стороны, когда доля объема волокон высокая (более 5%), значительно увеличивается прочность на растяжение. Кривые “напряжение-деформация” при растяжении для прочного волокна и хрупкой матрицы показаны на рис. 1. В этом случае матрица разрушится вследствие образования трещины задолго до достижения волокном его прочности на растяжение, поскольку деформация разрыва матрицы значительно меньше такого же рода деформации волокна.

Рис. 1. Кривая «напряжение – деформация» при растяжении для волокна и хрупкой матрицы

Если матрица растрескивается, будущее поведение композита может быть одним из следующих.

1. Композит будет немедленно разрушаться после разрушения матрицы (рис. 2, а). Этот тип разрушения может побудить очень малая доля объема волокно.

Рис. 2. Кривые «напряжение – деформация» композита при хрупкой матрице, усиленной волокнами: а – малая доля объема волокон; б – средняя доля объема волокон; в – высокая доля объема волокон

2. После растрескивания матрицы величина приложенной нагрузки может снижаться, но композит будет продолжать сопротивляться нагрузкам, которые меньше своей максимальной величины (рис.2, б).

Когда матрица растрескивается, нагрузка передается от композита на волокна, связывающие трещину. Следовательно, последующая величина приложенной нагрузки приходится на волокна, передающие нагрузку через трещину. Так как деформация растет, фибры выходят из матрицы, что приводит к все меньшей и меньшей величине нагружения. Этот тип композита не обеспечивает его увеличения прочности, но обеспечивает податливое поведение. Площадь под кривой «напряжение-деформация» – показатель податливости или жесткости композита.

3. Если доля объема волокон достаточно высокая, после растрескивания матрицы волокна будут воспринимать возрастающую нагрузку. Если имеется достаточное количество волокон через трещину, то они будут продолжать сопротивляться большим нагрузкам, чем нагрузка, образовавшая трещину (рис.2, в). Жесткость будет падать ввиду потери содействия матрицы и будет зависеть от доли объема волокон и от степени их связи с матрицей. По мере того как возрастает нагрузка, трещины все больше будут распространяться по длине образца. Когда волокна начинают выходить из матрицы, наклон кривой «напряжение-деформация» будет стремиться к нулю и величина приложенной нагрузки будет снижаться. Этот вид повреждения предусматривается для оптимального использования свойств волокна и матрицы.