материаловедение №3вариант 7

Проектирование структуры и свойств композиционных материалов с дискретными волокнами.

(вариант № 7)

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=0,15(кг), силой N=100 (кH) 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:

Плотность проектируемого КМ должна находиться в диапазоне от (3033÷3333) кг/м³, а удельная прочность – в диапазоне (0,3÷0,33) МДж/кг.

5. 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) керамические волокна из Al₂O₃ диаметром 127 мкм, так как они обладают небольшими энергетическими затратами на их изготовление. Для матрицы из СП90-3(Fe-C) –органические волокна ОВ диаметром 10 мкм.

6) Проверим выполнение условия удельной прочности:

(условие удельной прочности выполняется)

7. Определим критическую длину волокна по формуле:

1)

;

2)

8. Рассчитываем объемную концентрацию волокон:

1)

2)

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:

1)

2)

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 изготовления стержня необходимо выбрать матрицу из СП90-3(Fe-C), арматуру из органических волокон, диаметром 10 мкм и длиной 25 мкм концентрации 0,73 доли.