О локальной потере устойчивости модифицированных композитов с вискеризованными волокнами

Исследованы критические сжимающие напряжения, при которых образец композитного материла, образованный модифицированными волокнами, остается прямым, в то время как волокна внутри материала изогнуты. Предположено, что рассматриваемый модифицированный композит состоит из трех фаз – волокна, вискеризованного межфазного слоя и матрицы. Рассмотрен частный пример композитного материала, который состоит из углеродного волокна, вискеризованного слоя, образованного углеродными нанотрубками и эпоксидной матрицей, и эпоксидной матрицы. Оценены физические параметры композитного материала, влияющие на критические сжимающие напряжения, и предложены методы их определения. Для определения эффективных свойств включения и связующего композитного материала использованы методы Фойхта и Рейса, а для оценки эффективных свойств межфазного вискеризованного слоя – метод трех фаз. Определены степени влияния длины волны волокна и фазового сдвига (параметров, характеризующих механизм разрушения композитного материала) на величину критического сжимающего напряжения. Установлено, при каких длинах волн происходит разрушение композитного материала. Также проведен анализ влияния объемного содержания модифицированного включения на минимальное критическое значение сжимающего напряжения. Полученные результаты для модифицированных композитов сравнены с результатами для классических композитов с аналогичным объемным содержанием включения.

1. Vasiliev V.V., Morozov E.V. Advanced Mechanics of Composite Materials and Structures. Elsevier, 2018. 856 p. https://doi.org/10.1016/C2016-0-04497-2.

2. Tsirka K., Tzounis L., Avgeropoulos A., Liebscher M., Mechtcherine V., Paipetis A.S. Optimal synergy between micro and nano scale: Hierarchical all carbon composite fibers for enhanced stiffness, interfacial shear strength and Raman strain sensing // Compos. Sci. Technol. 2018. V. 165. P. 240–249. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2018.07.003.

3. Fan W., Wang Y., Wang C., Chen J., Wang Q., Yuan Y., Niu F. High efficient preparation of carbon nanotube-grafted carbon fibers with the improved tensile strength // Appl. Surf. Sci. 2016. V. 364. P. 539–551. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.12.189.

4. Guo J., Lu C., An F. Effect of electrophoretically deposited carbon nanotubes on the interface of carbon fiber reinforced epoxy composite // J. Mater. Sci. 2012. V. 47. P. 2831–2836. https://doi.org/10.1007/s10853-011-6112-5.

5. Qiang S., Ke-zhi L., Hai-liang L., He-jun L., Chang R. Grafting straight carbon nanotubes radially onto carbon fibers and their effect on the mechanical properties of carbon/carbon composites // Carbon. 2012. V. 50, No 10. P. 3949–3952. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2012.03.023.

6. Peng L., Yi-yu F., Peng Z., Hui-min C., Naiqin Z., Wei F. Increasing the interfacial strength in carbon fiber/epoxy composites by controlling the orientation and length of carbon nanotubes grown on the fibers // Carbon. 2011. V. 49, No 14. P. 4665–4673. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2011.06.064.

7. Fu-Hua Z., Rong-Guo W., Xiao-Dong H., Chao W., Li-Ning R. Interfacial shearing strength and reinforcing mechanisms of an epoxy composite reinforced using a carbon nanotube/carbon fiber hybrid // J. Mater. Sci. 2009. V. 44, No 13. P. 3574–3577. https://doi.org/10.1007/s10853-009-3484-x.

8. Sharma S.P., Lakkad S.C. Compressive strength of carbon nanotubes grown on carbon fiber reinforced epoxy matrix multi-scale hybrid composites // Surf. Coat. Technol. 2010. V. 205, No 2. P. 350–355. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2010.06.055.

9. Lei F., Ke-zhi L., Zi-shu S., Qiang S., He-jun L., Jin-hua L., Ling-jun G. Compressive and interlaminar shear properties of carbon/carbon composite laminates reinforced with carbon nanotube-grafted carbon fibers produced by injection chemical vapor deposition // Mater. Sci. Eng.: A. 2015. V. 626. P. 449–457. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.12.044.

10. Lurie S.A., Minhat М. Application of generalized self-consistent method to predict effective elastic properties of bristled fiber composites // Composites, Part B. 2014. V. 61. P. 26–40. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2014.01.021.

11. Lurie S.A., Minhat М., Tuchkova N. Estimation of effective dynamic properties of bristled fiber composite materials based on self-consistent Eshelby method // J. Eng. Math. 2015. V. 95, No 31. P. 7–29. https://doi.org/10.1007/s10665-014-9719-0.

12. Лурье С.А., Рабинский Л.Н., Кривень Г.И., Лыкосова Е.Д. Напряженное состояние в элементах структуры модифицированных волокнистых композиционных материалов с вискеризованными волокнами // Механ. композ. матер. 2018. Т. 24, № 1. С. 122–144.

13. Lurie S.A., Volkov-Bogorodskii D.B., Kriven G.I., Rabinskiy L.N. On estimating structural stresses in composites with whiskerized fibers // Int. J. Civ. Eng. Technol. 2018. V. 9, No 6. P. 294–308.

14. Лурье С.А., Кривень Г.И., Рабинский Л.Н. О прочности модифицированного композита с вискеризованными волокнами // Композиты и наноструктуры. 2019. Т. 11, № 1. С. 1–15.

15. Кристенсен Р.М. Введение в механику композитов. М.: Мир, 1982. 334 с.

16. Hashin Z. Thermoelastic properties and conductivity of carbon/carbon fiber composites // Mech. Mater. 1990. V. 8, No 4. P. 293–308. https://doi.org/10.1016/0167-6636(90)90049-L.

17. Tsukrov I., Drach B. Elastic deformation of composite cylinders with cylindrically orthotropic layers // Int. J. Solids Struct. 2010. V. 47, No 1. P. 25–33. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2009.09.005.