Структура нити
Высокопрочные нити обычно состоят из скрученных волокон. Известно, что скручивание нитей изменяет их модуль упругости и прочность. Rao and Farris (2000) изучали различные материалы и обаружили, что существует оптимальный угол скручивания, при котором прочность нитей оказывается максимальной. У всех исследованных ими нитей этот угол был равен примерно 7° (рис. 3.15).
Влияние скорости деформации и температуры
Хорошо известно, что механические свойства высокопрочных полимеров зависят от скорости нагружения и температуры вследствие процессов релаксации и ползучести. Поскольку характеристики, полученные при статических и квазиста- тических испытаниях, отличаются от характеристик материала в баллистических условиях, многие исследователи сосредоточили свое внимание на изучении влияния скорости нагружения на механические свойства волокон в нитях и тканях.
Рис. 3.15. Зависимость относительной деформации и прочности от угла крутки нити (Rao and Farris, 2000)
Figucia etal. (1971) провели статические и динамические испытания стеклянных, нейлоновых и шелковых волокон. Они наблюдали заметное увеличение напряжения при высоких скоростях нагружения полимерных материалов. Прочность материала при увеличении скорости нагружения возрастала, а удлинение при разрыве уменьшалось. Termonia и Smith (1988) разработали микроскопическую модель разрыва регулярно расположенных полимерных волокон. Они применили эту модель к ориентированным ПЭ и арамидам. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало, что при увеличении скорости деформации прочность волокон возрастает. Fenstermaker и Smith (1965) для изучения ползучести и релаксации напряжения фотографировали процесс трасверсального удара по полиэфирным волокнам и описали их свойства моделью из трехэлементной системы пружин и демпферов. Wang и Xia (1998) использовали бимодальное распределение Вейбулла, позволяющее оценить чувствительность волокон Kevlar 49 к скорости деформации и температуре. Приведенные на рис 3.16 данные демонстрируют зависимость механических свойств Kevlar от скорости нагружения.
Shim et al. (2001) исследовали чувствительность ткани Twaron к скорости деформации методом раздира Хопкинсона. Они пришли к выводу, что механические свойства ткани значительно зависят от скорости деформации. При возрастании скорости прочность при растяжении и модуль упругости увеличиваются, а деформация при разрушении уменьшается. Такое поведение обусловлено как свойствами самих волокон, так и переплетением нитей в ткани.
В слоистых материалах одним из важнейших факторов, определяющих свойства материала, является чувствительность волокон к скорости растяжения. В случае стекловолокон, полиэтиленовых и арамидных волокон чувствительность к скорости деформации затрудняет анализ поведения мишени при ударах с различной скоростью (Harding and Welsh, 1983). Zhu et al. (1992a) обнаружили некоторое расхождение результатов испытания путем внедрения индентора при статических и динамических испытаниях. Хотя повреждения при различных скоростях нагружения развивались в одинаковом порядке, полученные характеристики материала можно было использовать только после учета поправки на чувствительность материала к скорости деформации.
Напротив, углеродные и графитовые волокна нечувствительны к изменению скорости в широком диапазоне скоростей деформации (Harding, Welsh, 1983). Неудивительно, что углепластики весьма привлекательны в качестве конструкционного материала.
Рис. 3.16. Диаграммы напряжение — деформация волокон Kevlar 49 при различных скоростях деформирования (Wang и Xia, 1998)
