композиты №11
.docНижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева
Кафедра “Материаловедение и технологии новых материалов”
Домашняя работа №4
«Проектирование структуры и свойств композиционных материалов с дискретными волокнами»
Вариант № 11
Выполнил: студент группы
Принял:
Нижний Новгород
2013 год
Расчетная работа №4
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 №11 исходными данными являются:
Дано одноосное растяжение стержня длиной L=0,45 (м), сечением
S=10-4(м2), массой m=0,11 (кг), силой N=65000 (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 2224 до 2444 кг/м3, а удельная прочность – в диапазоне от 0,266 до 0,292 МДж/кг.
4)Выбираем из таблицы два наиболее близких по плотности материала: фторопласт Ф =2150 кг/м3 и алюминиевый сплав АК-4 =2650 кг/м3 .
Энергетические затраты на изготовление примерно одинаковы. Рабочая температура Ф составляет 560 К, а АК-4 600К.
Рассчитаем их удельную прочность:
5)Выбор армирующего материала КМ.
Из таблицы 2 выбираем для матрицы АК-4 стальные волокна из Ст 35 диаметром 220мкм, так как они обладают небольшими энергетическими затратами на их изготовление. Для матрицы из фторопласта – стеклянные волокна СВ диаметром 7 мкм.
6) Проверим выполнение условия удельной прочности:
Как видно из неравенств 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(Ф+СВ) выполняется ограничение по интервалу ТЗ удельной прочности.
Таким образом, для изготовления стержня необходимо выбрать матрицу из фторопласта, арматуру из стеклянных волокон, диаметром 7 мкм и длиной 273 мкм концентрации 0, 196 доли.