материаловедение №3 вариант 10 (2)

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 № 10:

Дано одноосное растяжение стержня длиной L=0,45 (м), сечением S=10^-4(м²), массой m=0,32(кг), силой N=75000 (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.

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 (6471÷7111) кг/м³, а удельная прочность – в диапазоне (0,105÷0,116) 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 280 мкм, так как они обладают небольшими энергетическими затратами на их изготовление. Для матрицы из

СП90-3(Fe-C) –стеклянные волокна СВ диаметром 7мкм.

6) Проверим выполнение условия удельной прочности:

Условие удельной прочности выполняется.

7)Определим критическую длину волокна по формуле:

А)

;

Б)

8)Рассчитываем объемную концентрацию волокон:

Используем формулу:

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:

Используем формулу:

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:

13. Проверка:

Вывод: Расчет удельной прочности показывает, что для изготовления стержня необходимо выбрать матрицу из СП90-3(Fe-C), арматуру из керамических волокон, диаметром 7 мкм и длиной 14 мкм концентрации 0,24доли.