1.7. Принципы и проблемы конструирования деталей из композиционных материалов

Важное место среди основных требований, предъявляемых к современным конструкционным материалам, занимает обеспечение высокой прочности и надежности в работе при возможном снижение чувствительности к надрезам и дефектам.

Сочетание высокой прочности с необходимой вязкостью и нечувствительностью к трещинам достигается введением высокомодульных и высокопрочных веществ, например:

Конструирование машиностроительных деталей из КМ может происходить двумя путями.

Если используется готовый КМ с известными свойствами, то процесс конструирования не отличается от обычного.

Если же для заданной детали требуется необычное сочетание свойств или различные свойства, то КМ для такой детали может быть заранее рассчитан и затем синтезирован. Первый путь - экономичнее, второй - позволяет решать задачи оптимального проектирования. Во втором случае разработка новых КМ проводится в два этапа.

На первом (расчетном) –

На втором

Простому расчету поддается ряд свойств КМ:

Реальная величина этих свойств обычно находится между двумя крайними значениями, определяемыми из принципов равноупругого и равнонапряженного состояний матрицы и армирующих компонентов (частиц или волокон).

Верхний предел этих свойств, и в первую очередь модуля упругости, определяется по правилу смесей:

Нижний предел модуля упругости композита определяется из выражения

Другие прочностные характеристики КМ, упрочненных частицами, определяются пока только экспериментально.

Для КМ с однонаправленными волокнами и матрицей, более пластичной, чем волокна, значение минимальной концентрации волокон определяется из условия

Критическая концентрация волокон рассчитывается следующим образом:

Все это позволяет определить процентную долю наполнителя б матрице для обеспечения требуемых свойств.

2. Пластмассы

2.1. Основные условия применения пластмасс

Выбор пластмасс для конкретного применения основывается на знании эксплуатационных свойств, определяющих работоспособность пластмасс и технологических свойств, определяющих поведение пластмасс при переработке различными методами.

Пластмассы - это материалы, представляющие собой композиции, в которых основным компонентом является высокомолекулярное соединение (полимер). В отличие от других композиций на основе высокомолекулярных соединений (например, резин), пластмассы применяют в виде твёрдых соединений, разрушающихся при сравнительно небольших деформациях. Условной фаницей показателя, при превышении которой материал относится к классу пластмасс, можно считать значение модуля упругости 200 Мпа.

Все пластмассы, используемые в народном хозяйстве, можно разделить на четыре группы:

1)

2)

3)

4)

Пластмассы общего назначения - это материалы с прочностью

Применяются

Конструкционные, или высокопрочные, пластмассы имеют прочность

Применяются

Термостойкие полимеры эксплуатируются при температуре

Достоинства пластмасс:

Недостатки пластмасс.

Возможные варианты замены различных материалов пластмассами

Материал	Замена пластмассой
Сталь
Чугун
Цветные металлы
Керамика
Бетон
Стекло
Дерево

Каждый вид пластмассы имеет широкий спектр применения, но для эффективной эксплуатации изделий из пластмасс требуется, чтобы они работали при строго определенных температурных, силовых и временных нагрузках с учетом условий различных климатических зон.

Наиболее ценные технические и экономические свойства пластмасс проявляются только при их правильном подборе и эксплуатации.

Качественное сопоставление основных свойств пластмасс и других материалов

Показатель	Пластмасса	Металл	Бетон	Керамика	Стекло	Дерево
Плотность
Химическая стойкость
Диэлектрические свойства
Теплоизоляционные свойства
Жесткость
Сопротивление ползучести
Высокая рабочая температура
Огнестойкость
Окрашиваемость
Эффективность переработки в изделия
Энергоемкость при переработке

Примечание. Если показатель хороший, поставьте знак «+», если плохой - знак «-».

Один из важнейших показателей каждою материала - технологичность получения из него изделий (эффективность переработки). У пластмасс этот показатель высокий. Именно этим во многих случаях определяется эффективность их использования вместо традиционных материалов.