Проектирование структуры и свойств композиционных материалов с дискретными волокнами.

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.

Исходные данные:

Одноосное растяжение стержня длиной L = 0,45 м;

Сечение S = 10^{-4 м2};

Масса m = 0,21 кг;

Сила N = 100 кН;

T = 293 K.

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

Решение:

1.Определим расчетную плотность проектируемого композиционного материала (КМ):

2.Определим 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:

Таким образом, плотность проектируемого КМ должна находиться в диапазоне от (4247÷4667) кг/м³, а удельная прочность – в диапазоне (0,214÷0,235) МДж/кг.

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

Энергетические затраты на изготовление примерно одинаковы.

5.Рассчитаем их удельную прочность:

6.Из таблицы выбираем для матрицы ХН70Ю керамические волокна Al₂O₃ диаметром 127 мкм, так как они обладают небольшими энергетическими затратами на их изготовление. Для матрицы из СП90-3(Fe-C) –углеродные волокна ВМН диаметром 6 мкм.

Проверим выполнение условия удельной прочности:

Условие удельной прочности выполняется.

7.Определим критическую длину волокна по формуле:

;

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)

Б)

10.Рассчитываем плотность спроектированного КМ:

А)

Б)

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:

Расчет удельной прочности показывает, что для изготовления стержня необходимо выбрать матрицу из СП90-3(Fe-C), арматуру из углеродных волокон, диаметром 6 мкм и длиной 14 мкм концентрации 0,55 доли.