Проектирование структуры и свойств композиционных материалов с дискретными волокнами

Нижегородский Государственный Технический Университет им. Р. Е. Алексеева

Кафедра “Материаловедение и технологии новых материалов”

Домашняя работа №3

«Проектирование структуры и свойств композиционных материалов с дискретными волокнами»

Вариант № 5

Выполнил:

Принял:

Нижний Новгород

2013 год

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.

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

S=10^-4(м²), массой m=0,24 (кг), силой N=90 000 (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) 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 (4853÷5333) кг/м³, а удельная прочность – в диапазоне (0,169÷0,185) МДж/кг.

4)Выбираем из таблицы два наиболее близких по плотности материала: СП90-3(Fe-C) =7800 кг/м³ и НП-2(Ni) =8900 кг/м³ .

Энергетические затраты на изготовление примерно одинаковы. Рассчитаем их удельную прочность:

Из таблицы выбираем для матрицы НП-2(Ni) стальные волокна из Ст-35 диаметром 1000мкм, так как они обладают небольшими энергетическими затратами на их изготовление. Для матрицы из СП90-3(Fe-C) – углеродные волокна ВМН диаметром 6 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:

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:

Вывод: Расчет удельной прочности показывает, что для КМ(_{СП90-3(Fe-C)+ВМН)} выполняется ограничение по интервалу ТЗ удельной прочности.

Таким образом, для изготовления стержня необходимо выбрать матрицу из

СП90-3(Fe-C), арматуру из углеродных волокон, диаметром 6 мкм и длиной 13 мкм концентрации 0,47.