материаловедение №3 вариант 22
.docПроектирование 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/м3 и 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:
1)
;
2)
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.