композиты вариант №2

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 № 2

Выполнил:

Принял:

Нижний Новгород

2012 год

Расчетная работа №3

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.

Исходными данные:

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

- сечение S=10^-4(м²)

- масса m=0,12 (кг)

- сила N=120000 (H)

- температура T=293 К.

(Факторы срока службы в расчете не учитываются)

Определим расчетную плотность проектируемого композиционного материала (КМ):

Определим нижнее значение расчетной плотности проектируемого КМ для пористости 9%:

Определим расчетное напряжение растяжения в стержне:

Определим верхнее и нижнее значение удельной прочности проектируемого КМ:

Таким образом, плотность проектируемого КМ должна находиться в диапазоне от 2427 до 2667 кг/м³, а удельная прочность – в диапазоне от 0,4499 до 0,4944 МДж/кг.

Выбираем из таблицы два наиболее близких по плотности материала: фторопласт Ф =2150 кг/м³ и алюминиевый сплав АД-1 =2700 кг/м³ .

Энергетические затраты на изготовление примерно одинаковы. Рабочая температура Ф составляет 560 К, а АД-1 660К.

Рассчитаем их удельную прочность:

Выбор армирующего материала КМ.

Из таблицы 2 выбираем для матрицы АД-1 стальные волокна из Ст 35 диаметром 140мкм, так как они обладают небольшими энергетическими затратами на их изготовление. Для матрицы из фторопласта – стеклянные волокна СВ диаметром 20 мкм.

Проверим выполнение условия удельной прочности:

(как видно из неравенств условие удельной прочности выполняется)

Определим критическую длину волокна по формуле:

А)

;

Б)

Рассчитываем объемную концентрацию волокон:

А)

Б)

Проводим уточнение выбора компонентов и рецептуры проектируемых КМ по удельным энергетическим затратам на изготовление материалов их образующих.

Рассчитываем общие энергетические затраты:

1)

2)

Рассчитываем плотность спроектированного КМ:

1)

2)

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:

W_{(км общее)} – общие энергетические затраты на изготовление детали;

W_КМ – энергетические затраты КМ из выбранных компонентов

W_{экструдирования} – энергетические затраты процесса экструдирования.

Видно, что общие удельные энергетические затраты на изготовление КМ с полимерной матрицей ниже, чем у металлического КМ.

Рассчитываем удельные прочности двух вариантов КМ:

Проверка:

Вывод:

Расчет удельной прочности показывает, для изготовления стержня необходимо выбрать матрицу из фторопласта, арматуру из стеклянных волокон, диаметром 20 мкм и длиной 2000мкм концентрации 0, 679 доли.