Анизотропные и изотропные композиты
В зависимости от геометрии армирующих компонентов и их взаимного расположения, композиционные материалы подразделяются на анизотропные и изотропные композиты:
- изотропные — имеющие одинаковые свойства во всех направлениях;
- анизотропные, свойства которых зависят от направления;
К макроскопически изотропным КМ относят: дисперсно-упрочненные сплавы, псевдосплавы и хаотично армированные композиты, к анизотропным композитным материалам – материалы, волокна которых ориентированы в определенных направлениях.
Хаотично армированные композиты упрочняются короткими частицами игольчатой формы (например, фиброволокном), ориентированными в пространстве случайным образом. При этом композитный материал получается квазиизотропным, то есть анизотропным в микрообъемах, но изоптропным в объемах всего изделия.
Анизотропия композиционных материалов бывает:
- конструкционная (то есть спроектированная с определенными целями);
- технологическая (возникающая при пластической деформации изделий из композитов);
- физическая (присуща кристаллам и связана с особенностями строения их кристаллической решетки);
Рисунок 1: Схема структуры ортотропного КМ, армированного чередующимися слоями волокон в двух взаимно перпендикулярных направлениях
Обычно в технике используются анизотропные композиционные материалы с определенной симметрией свойств (условно предполагается, что реальный неоднородный материал представляет собой некоторую идеализированную сплошную однородную среду, которой присуща симметрия строения и свойств).
Ортотропные (ортогонально анизотропные) материалы характеризуются наличием в каждом элементарном объеме трех взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии свойств. К таким материалам относятся композиты, армированные последовательно чередующимися слоями волокон в двух взаимно перпендикулярных направлениях (рис.1) и тканями с продольно-поперечной укладкой, а также слоистые композиты, армированные в двух неортогональных направлениях x1 и x2.
Рисунок 2: Схема ориентации волокон в слоистых КМ со звездной укладкой волокон в смежных слоях
Слоистые композиты со звездной укладкой волокон в смежных слоях (рис. 2) обладают изотропией свойств в плоскости листа в том случае, если угол между направлениями укладки волокон в смежных слоях менее 72⁰. Например, в слоистых КМ, у которых волокна образуют друг с другом равные углы -60⁰, 45⁰ или 30⁰, все направления в плоскости листа эквивалентны друг другу. Такие материалы, имеющие плоскость изотропии и перпендикулярную ей ось симметрии бесконечного порядка называются трансверсально-изотропными (или транстропными). К транстропным относятся одноосно-армированные или однонаправленные композиционные материалы, в которых все волокна ориентированы в одном направлении.
Рисунок 3: Схема структуры однонаправленно армированного композиционного материала
В этом случае плоскость изотропии yz перпендикулярна направлению укладки волокон x (рис. 3).
Одноосно-армированные КМ называют также с ориентацией волокон 1:0; двухосно-армированные слоистые КМ с взаимно перпендикулярной укладкой волокон обозначают дробями 1:1, 1:2, 1:3, 3:4 и т.д., в которых цифры указывают отношение числа слоев в продольном и поперечном направлениях. Трехосно-армированные ориентированные КМ получают армированием матриц волокнами в трех взаимно перпендикулярных направлениях или объемными тканями.
Автор: Вишняков Л.Р.
Источник: Композиционные материалы,Вишняков Л.Р., Грудина Т.В., Кадыров В.Х., Карпинос Д.М. и другие, 1985
Дата в источнике: 1985 год