48
До сих пор речь шла о прочности и распространении трещин в композиционном
материале, растягиваемом в направлении, параллельном ориентации волокон. Под
действием сжимающих напряжений, параллельных волокнам, происходит выгибание
материала — он разрушается под действием напряжений сдвига. Чтобы предотвратить
выгибание материала в условиях сжатия, волокна должны быть максимально жесткими.
А для исключения разрыва по поверхности между волокном и матрицей поверхность
материала должна обладать большой прочностью на растяжение. Высокое
сопротивление распространению трещины, однако, требует слабой связи между
волокном и матрицей. Поэтому для того, чтобы обеспечить высокое сопротивление и
сжатию и растяжению одновременно, необходимо найти какое-то компромиссное
решение.
Компромиссное решение необходимо искать и в том случае, когда
композиционный материал подвергается растяжению под углом к направлению
ориентации волокон, то есть материал находится под действием сдвиговых напряжений.
Важно отметить, что сопротивление композиционного материала сдвиговым и
сжимающим нагрузкам меньше, чем растягивающим. Другими словами, прочность
композиционных материалов зависит от ориентации волокон (подобно тому как
древесина имеет высокую прочность в направлении, параллельном волокну, и низкую -
в перпендикулярном направлении). Чтобы увеличить прочность композиционных
материалов по отношению к сдвиговым и сжимающим нагрузкам, используют способ,
длительное время применявшийся для упрочнения изделий из дерева, — создают
слоистые структуры, подобные фанере. В некоторых современных композиционных
материалах различно ориентированные слои соединяют в единое целое, обеспечивая тем
самым одинаковую прочность в нескольких направлениях. Однако прочность слоистого
материала в любом направлении оказывается меньше, чем прочность материала, все
волокна которого ориентированы в одном направлении.
Принцип создания слоистых материалов был использован в металлургии.
Сопротивление распространению трещин у стали удалось повысить путем соединения
тонких стальных листов с помощью мягкого припоя. Такая слоистая сталь также
является композиционным материалом.
Волокна хрупких материалов (например, стекла), используемые в композициях,
всегда покрыты трещинами. Поэтому при напряжениях они разрушаются
неодновременно. Очевидно, что непосредственно в месте разрыва волокно не несет
какой-либо нагрузки. Однако на небольшом расстоянии от места разрыва волокно несет
такую же нагрузку, как и окружающие его неразорванные волокна. Это связано с тем,
что матрица, объединяющая волокна, препятствует смещению концов разорванных
волокон. Пластическая деформация матрицы в направлении, параллельном направлению
приложенного напряжения, противодействует релаксации напряжений в разорванном
волокне. Начинают действовать сдвиговые напряжения и постепенно возникают силы,
удерживающие разорванное волокно от смещения в матрице.
Поскольку в композиционном материале матрица создает напряжения,
воздействующие на разорванные волокна, принцип комбинированного действия
реализуется даже в том случае, когда все волокна окажутся разорванными. Поэтому для
изготовления композиционных материалов целесообразно использовать волокна
небольшого размера, которые не проходят через материал по всей его длине.
Здесь следует отметить два момента. Во-первых, применение волокон малой
длины позволяет создавать материалы, в которых слои состоят из матрицы и коротких
волокон. Прочность таких материалов одинакова во всех направлениях. Во-вторых,
благодаря исследованиям было установлено, что наиболее прочными из известных
материалов оказались короткие монокристаллические волокна, называемые
нитевидными кристаллами. Поскольку композиционный материал способен упрочняться
волокнами малой длины, нитевидные кристаллы вполне подходят для этой цели. До