материаловедение №3 вариант 12
.docНижегородский 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 № 12
Выполнил: студент группы
Принял:
Нижний Новгород
2012 год
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 № 12:
Дано одноосное растяжение стержня длиной L=0,45(м)
сечением S=10-4(м2), массой m=0,11 (кг), силой N=90 (кH) 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) Расчетную плотность проектируемого композиционного материала (КМ):
2)Определяем 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:
Плотность проектируемого КМ должна находиться в диапазоне (2224÷2444)кг/м3, а удельная прочность – в диапазоне (0,368÷0,405)МДж/кг.
4)Выбираем из таблицы два наиболее близких по плотности материала: Фторопласт (Ф) =2150кг/м3 и АК-4 =2650кг/м3 .
Энергетические затраты на изготовление примерно одинаковы. Рабочая температура Ф составляет 560К, 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 – углеродные волокна ВМН диаметром 6 мкм.
6) Проверим выполнение условия удельной прочности:
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 композиционных материалов:
Проверка:
Вывод:
Расчет удельной прочности показывает, что для КМ (Ф+ВМН) выполняется ограничение по интервалу ТЗ удельной прочности.
Таким образом, для изготовления стержня необходимо выбрать матрицу из фторопласта, арматуру из углеродных волокон, диаметром 6 мкм и длиной 265 мкм концентрации 0,42 доли.