Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Свойства компонентов полимерных композиционных материалов. Лабораторный практикум
.pdf
3. С помощью планки 3 на вертикальной стойке определить вы-
соту конуса h рассыпанного наполнителя 5.
4. С помощью концентрических окружностей, нанесенных на ос-
нование 1, определить диаметр конуса D рассыпанного наполнителя 5.
5. Рассчитать угол естественного откоса α (град) по формуле
, (4.8)
где h – высота конуса, мм; D – диаметр конуса, мм.
6. Вычислить коэффициент внутреннего трения Kтр, который
также характеризует сыпучесть материала:
. (4.9)
7. Провести исследования не менее чем 3-х образцов одного и то-
го же дисперсного наполнителя. Рассчитать среднее арифметическое
значение измеряемых и рассчитанных показателей.
8. Аналогично исследовать все образцы разных дисперсных на-
полнителей.
Получаемые результаты
Результаты испытаний и расчетов занести в таблицу 4.4.
Таблица 4.4
Определения сыпучести по ГОСТ 25139–93 [9]
№
образца
1
№
Материал h,мм D, мм
α, град
опыта
1
2
3
Kтр
Среднее арифметическое значение
1
…
2
3
Среднее арифметическое значение
61
5. Определение объемных характеристик
дисперсных наполнителей
Цель работы – изучить методику определения объемных харак-
теристик дисперсных наполнителей.
Материалы и оборудование
1. Древесные опилки.
2. Волокна льна (короткие).
3. Стеклянные волокна (короткие).
4. Мел.
5. Мерный цилиндр (мензурка).
6. Электронные весы.
Теоретическая часть
К объемным характеристикам материалов относятся:
– насыпная плотность,
– удельный объем,
– коэффициент уплотнения.
Эти характеристики зависят от:
– плотности,
– формы отдельных частиц,
– гранулометрического состава,
– влажности.
Насыпная плотность и удельный объем выражаются соответственно массой единицы объема (кг/м3) и объемом единицы массы
(м3/кг) свободно насыпанного материала, они связаны между собой
обратно пропорциональной зависимостью.
Последовательность выполнения работы
1. На электронных весах взвесить небольшое количество дис-
персного наполнителя m.
62
2. Засыпать наполнитель в мерный цилиндр емкостью 100 мл и
уплотнить, слегка постукивая о стол.
3. Вычислить объем V (см3), занимаемый материалом в цилиндре,
по формуле (4.1).
4. Вычислить насыпную плотность
ρ
(г/см3) и удельный объем
нас
Vуд (см3/г) по формулам:
, (4.10)
. (4.11)
5. Вычислить максимальную объемную долю частиц дисперсного
наполнителя, характеризующую максимально возможную степень
наполнения данным порошком, по формуле
, (4.12)
где ϕ − объемная доля порошка;
г/см3;
ρ
− истинная плотность материала, г/см3 (берут из справочника).
и
ρ
– насыпная плотность материала,
нас
6. Провести исследования не менее чем 3-х образцов одного и того же дисперсного наполнителя. Рассчитать среднее арифметическое
значение измеряемых и рассчитанных показателей.
7. Аналогично исследовать все образцы разных дисперсных наполнителей.
Получаемые результаты
Результаты испытаний и расчетов занести в таблицу 4.5.
Содержание отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
– название работы;
– цель работы;
– материалы и оборудование;
– теоретическую часть;
– формулы и пояснения к ним;
63
– результаты работы и их обработку (расчеты, таблицы, графи-
ки);
– выводы по работе.
Таблица 4.5
Определение объемных характеристик по ГОСТ 11035.1–93 [10]
№
образца
№
опыта
Материал
m,
г
r,
см
h,
см
V,
см3
ρ
,
нас
г/см3
Vуд,
см3/г
1
1
2
3
Среднее арифметическое значение
1
…
2
3
Среднее арифметическое значение
Контрольные вопросы
1. Перечислите что можно использовать в качестве дисперсных
ϕ
наполнителей в полимерных композиционных материалах?
2. По каким параметрам оценивают технологические свойства
исходных дисперсных материалов?
3. Перечислите и опишите вид и основные размеры частиц наполнителя.
4. Что такое диаметр эквивалентной сферы (ДЭС)?
5. Какие методы определения размеров частиц и фракционного
состава материалов Вы знаете?
6. С какой целью проводят определение гранулометрического состава наполнителя?
7. Перечислите и охарактеризуйте основные методы определения
гранулометрического состава.
64
8. В чем заключается ситовый анализ определения размеров частиц и фракционного состава?
9. Как влияет содержание влаги в наполнителях на свойства изделия?
10. Что такое сыпучесть дисперсных материалов, что характеризует этот показатель и в каких единицах измеряется?
11. Перечислите критерии оценки сыпучести порошкообразных и
гранулированных материалов.
12. Какие параметры оказывают существенное влияние на сыпучие свойства материала?
13. В каких пределах должен находиться угол естественного откоса, характеризующий сыпучесть?
14. Какие свойства относятся к объемным характеристикам материалов?
65
Лабораторная работа №5
КОНСТРУИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ
ПРОСТРАНСТВЕННО-АРМИРОВАННЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Цель работы – изучить структурные схемы пространственно-
армированных композитов, сборку пространственно-армированных
каркасов композиционных материалов различных структурных схем
и свойства каркасов.
Теоретическая часть
Свойства композиционных материалов принципиально зависят от
расположения (ориентации) волокнистых армирующих элементов
(арматуры). Поэтому выбор типа и схемы армирования является одним из основных при разработке деталей различного назначения.
Схемы армирования композиционных материалов обозначаются
цифрой и буквой Д, например 3Д, 4Д, 6Д, 7Д, 10Д, 11Д. Буква Д происходит от английского слова dimesional, что в переводе означает направление, а цифра перед буквой Д означает число направлений.
Классификация схем армирования композиционных материалов:
1) с хаотическим расположением волокон (фетры и войлоки)
(рис. 5.1а);
2) с ориентированными в двух направлениях волокнами и тканя-
ми (2Д армированные);
3) с ориентированными в трех (и более) направлениях волокнами
(схема армирования 3Д, 4Д и т.д.), т.е. с пространственным располо-
жением волокон (рис. 5.1г - 5.1м).
Наиболее перспективным видом армирования углеродуглеродных композитов конструкционного назначения является многонаправленное, пространственное армирование, когда армирующие
компоненты располагаются в трех, четырех и более направлениях.
Такие образования называют пространственными армирующими
структурами (сокращенно записывают – ПАС), а составляющие их
66
компоненты – элементами пространственных армирующих структур
(ЭПАС).
а) б)
д) е)
в) г)
ж) з)
и) к) л) м)
Рис. 5.1. Схемы расположения волокон в композиционных материалах:
а) хаотическая; б) слоистая; в) розеточная; г) ортогональная 3Д; д) 4Д; е) 4Д-Л;
ж) 5Д-Л; з) 5Д ; и) аксиально-радиально-окружная; к) аксиально-спиральная;
л) радиально-спиральная; м) аксиально-радиально-спиральная
Методы изготовления ПАС различны:
– ткачество сухих нитей,
– прошивка тканей,
– сбор жестких пучков (из нитей),
– пультрузия,
– намотка нитью, а также комбинация этих методов.
67
Для изготовления ПАС используют углеродные нити малого
диаметра с плотной их укладкой, что обеспечивает получение малых
пустот с высокой плотностью каркаса.
Существуют прямолинейные ПАС, которые создаются из прямолинейных ЭПАС, и криволинейные ПАС, которые создаются из криволинейных ЭПАС.
Основным структурным элементом ПАС из прямолинейных
ЭПАС является параллепипед, у которого три ребра, шесть диагоналей, шесть граней, четыре длинные внутренние диагонали образуют
тринадцать направлений. Если параллепипед является кубом, то,
комбинируя направления трех подгрупп, можно образовать уравновешенные (сбалансированные) системы. Всего существует семь хорошо сбалансированных структур укладки волокон (схем армирования), изотропия которых растет с увеличением числа направлений:
– структура 3Д,
– структура 4Д,
– структура 6Д,
– структура 7Д (4+3),
– структура 9Д (6+3),
– структура 10Д (6+4),
– структура 13Д (6+4+3).
Кроме того, имеются еще модификации:
– основного ортогонального 3Д-плетения – это структуры 4Д-Л,
5Д-Л,
– 4Д-плетения – это структура 5Д.
Промышленность производит армирующие структуры тел вращения (ПАС цилиндрической формы). Они основаны на тех же переменных, что и каркасов с прямолинейными волокнами (размер пучка
волокон, число волокон в пучке по каждому направлению), но отличаются ориентацией пучков волокон. Так, в случае применения
структур с трехнаправленной схемой армирования, получившей наиболее широкое распространение, вместо трех направлений х-у-z фи-
68
гурируют направления А-R-C, т.е. аксиальное, радиальное и окружное направления. Каркасы цилиндрической формы изготавливаются
методом ткачества сухих нитей. Тканые каркасы этого типа показаны
на рис. 5.2.
Таким образом, каркас состоит из осевых нитей, расположенных
параллельно оси цилиндра; окружных нитей, расположенных по окружности цилиндра и радиальных нитей, расположенных по радиусу
цилиндра. Обеспечение постоянной плотности армирования цилиндрических каркасов с увеличением расхождения радиальных нитей
при приближении к наружному диаметру достигается за счет увеличения диаметра осевых пучков нитей (рис. 5.3а) или за счет введения
в основную систему армирования радиальных элементов разной длины (рис. 5.3б).
Рис. 5.2. Расположение нитей в трехнаправленном
цилиндрическом переплетении:
1 – радиальные нити; 2 – осевые нити; 3 – окружные нити
а) б)
Рис. 5.3. Компенсация осевых и радиальных нитей:
а) компенсация осевых нитей от внутреннего к наружному диаметру изменением
диаметра осевых нитей, б) компенсация радиальных нитей изменением их длины
69
Самая простая ПАС – ортогональная (рис. 5.1г), т.е. ориентированная по трем взаимно перпендикулярным направлениям (х, у, z).
Когда ЭПАС по всем направления одинаковы по качеству и количеству волокон, то 3Д структура хорошо уравновешена, компактна и
проста в изготовлении. В сбалансированной 3Д структуре ЭПАС
имеют квадратное сечение, расположены по типу квадратной сетки и
занимают ¾ объема.
В 3Д структурах имеются два недостатка:
1. пустоты между пересекающимися пучками волокон изолированы и образуют закрытые поры, что препятствует уплотнению композиции;
2. прочность сцепления между параллельными слоями двух
ЭПАС обеспечивается только одним ЭПАС в перпендикулярном направлении, что не дает необходимого сопротивления расслоению и
разрыву.
Определение тонкости структуры можно производить двумя ме-
тодами.
Первый метод – определение расстояния между центрами ЭПАС.
В ЗД структуре из пучков волокон круглого сечения диаметром 1 мм
расстояние между центрами пучков равно 2 мм. Но этот способ определения тонкости ПАС не подходит для сравнения разных структур.
Второй метод – определение тонкости структуры по числу срезов
пучков волокон на единицу площади поперечного сечения структуры.
Эта величина называется индексом размера зерен. Для 3Д структуры
с пучками волокон диаметром 1 мм индекс колеблется от 25 до
43,3 пучков волокон на 1 см2 в зависимости от направления сечения
относительно осей пучков. Характеристика 3Д структуры представлена в таблице 5.1.
Углеродные волокна диаметром d от 6,5 до 10 мкм при изготовлении 3Д структуры ПАС предварительно собирают в пучки. Таким
образом в пучке размером 1 мм из волокон d = 10 мкм содержится
100 волокон.
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]