Расчетная работа №3. Проектирование структуры и свойств композиционных материалов с дискретными волокнами.

Расчетная работа №3

Проектирование структуры и свойств композиционных материалов с дискретными волокнами.

Цель работы:изучить метод выбора материала компонентов, рецептуры, расчетные зависимости композиционного материала на примере композита с хаотично ориентированными дискретными волокнами.

Задание:

Выбрать материалы матрицы и волокон двухкомпонентного композита с хаотичной дискретной армирующей фазой, дать оценку энергоемкости изготовления возможных вариантов проектируемого материала.

Для спроектированного материала рассчитать плотность, прочность, удельную прочность и энергоемкость изготовления.

Для варианта № 19:

Дано одноосное растяжение стержня длиной L=0,45 (м), сечением

S=10^-4(м²), массой m=0,31 (кг), силой N=120000 (H) в нейтральной среде при температуре T=293 К.

Факторы срока службы в расчете не учитываются. Плотность проектируемого композита может быть на 10% ниже требуемой величины.

1) Определяем расчетную плотность проектируемого композиционного материала (КМ):

2)Определяем нижнее значение расчетной плотности проектируемого КМ для пористости 9%:

3)Определим расчетное напряжение растяжения в стержне:

4) Определим верхнее и нижнее значение удельной прочности проектируемого КМ:

Плотность проектируемого КМ должна находиться в диапазоне (6269 ÷ 6889) кг/м³, а удельная прочность – в диапазоне (0,174÷0,190) МДж/кг.

4)Выбираем из таблицы два наиболее близких по плотности материала: СП90-3(Fe-C) =7800 кг/м³и ХН70Ю =7800 кг/м³.

Рассчитаем их удельную прочность:

5)Выбор армирующего материала КМ.

Из таблицы 2 выбираем для матрицы ХН70Ю керамические волокна из Al₂O₃ диаметром 501мкм, так как они обладают небольшими энергетическими затратами на их изготовление. Для матрицы из СП90-3(Fe-C) – стеклянные волокна СВ диаметром 20 мкм.

6) Проверим выполнение условия удельной прочности:

Условие удельной прочности выполняется.

7)Определим критическую длину волокна по формуле:

А)

;

Б)

8)Рассчитываем объемную концентрацию волокон:

А)

Б)

9) Проводим уточнение выбора компонентов и рецептуры проектируемых КМ по удельным энергетическим затратам на изготовление материалов их образующих.

Рассчитываем общие энергетические затраты:

А)

10) Рассчитываем плотность спроектированного КМ:

11) Проводим расчеты удельных энергетических затрат на изготовление стержня по двум вариантам проектируемого КМ, учитывая, что энергетические затраты при экструдировании КМ с металлическими матрицами в 1,5 раза больше, чем для полимерных КМ.

Применяем формулу:

Видно, что общие удельные энергетические затраты на изготовление КМ с полимерной матрицей ниже, чем у металлического КМ.

12)Рассчитываем удельные прочности двух вариантов КМ:

Проверка:

Вывод: Расчет удельной прочности показывает, что для КМ(СП90-3(Fe-C)+СВ)

выполняется ограничение по интервалу ТЗ удельной прочности.

Таким образом, для изготовления стержня необходимо выбрать матрицу из

СП90-3(Fe-C), арматуру из стеклянных волокон, диаметром 20 мкм и длиной 101 мкм концентрации 0,28 доли.