Глава 16. КОМПОЗИТЫ

§ 1. Вводные соображения

Используя глину как строительный материал, в нее добавляют измельченную солому. Работая с эпоксидной смолой, полезно до затвердевания ввести наполнитель: порошок, волокна, кусочки ткани. Это примеры композитов (композиционных материалов). Новые виды композитов применяются все шире, вытесняя сталь, алюминиевые сплавы и другие традиционные материалы.

Композиты можно определить как неоднородные материалы, в которых происходит некое осреднение с возникновением новых свойств.

Обычная механика сплошной среды применима, разумеется, и к композитам. Но едва ли возможно учесть все детали структуры — и неразумно. Необходимы новые подходы, опирающиеся именно на сложность структуры. Ведь, например, в газе мы не рассматриваем динамику отдельных молекул, а вводим новые понятия давления, температуры и др.

В композитах выделяются три масштаба длины: Наибольший — характерный размер тела. Наименьший — диаметр структурных элементов (частиц порошка-наполнителя и т. п.) Промежуточный масштаб определяет размер так называемого представительного объема: это тот минимальный объем, в котором проявляются характерные свойства композита. В обычной механике сплошной среды есть лишь один масштаб — и можно рассматривать сколь угодно малые объемы так же, как и конечные. В композитах — иначе, здесь различают два уровня. На макроуровне (масштаб ) композит моделируется однородной средой с “эффективными” свойствами, представительные объемы играют роль частиц. На микроуровне масштаб поля сильно неоднородны, но некое осреднение по представительному объему должно вывести на макроуровень. Чрезвычайно сложная задача для композита как неоднородного тела расщепляется на две: для представительного объема (микроуровень) и для тела в целом (макро).

Эти разумные соображения, однако, несколько расплывчаты и не вполне убедительны. Для большей основательности можно привлечь теорию случайных полей: упругие модули исходной неоднородной среды — стационарные случайные функции с заданными вероятностными характеристиками (математическими ожиданиями и корреляционными функциями), разыскиваются вероятностные характеристики напряжений. Этот подход, однако, пока не получил должного развития. Зато создана блестящая теория периодических композитов (о ней — следующая глава).

Механика композитов возникла недавно, но развивается интенсивно. Поскольку композитам свойственна высокая трещиностойкость, особое внимание уделяется механике разрушения композиционных материалов.