Проектирование структуры и свойств композиционных материалов с дискретными волокнами

Практическая работа

Проектирование структуры и свойств композиционных материалов с дискретными волокнами

Вариант 17

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. Исходные данные: одноосное растяжение стрежня длиной L = 0,45 (м), сечение S = 10-4 (м2), массой m = 0,37 (кг), силой N = 180 кН в нейтральной среде при температуре Т = 293 К. Факторы срока службы в расчете не учитываются. Плотность проектируемого композита может быть ниже на 10% от требуемой величины.

1. Рассчитываем предел прочности при растяжении:

2. Определяем верхнее и нижнее значение плотности детали (плотность КМ допускается меньше на 10%):

3. Рассчитываем верхнее и нижнее значение удельной прочности:

Отсюда следует, что плотность КМ должна находиться в диапазоне от 8200 до 7400 кг/м3, а удельная прочность – в диапазоне от 0,219 до 0,243 МДж/кг.

4. Выбираем материалы. В качестве материала матрицы выбираем АД-1 с плотностью γ = 2700 кг/м3. Выбираем в качестве наполнителя органические волокна оксалон с плотностью γ = 1450 кг/м3. Далее рассчитываем их удельную прочность, подставляя значения: σАД-1 = 410 МПа, σоксалон = 2950 МПа (диаметр волокон df = 15 мкм, σвм = 2950 МПа).

Удельная прочность волокон выше удельной прочности матрицы, упрочнение КМ наступит.

5. Расчет критической длины волокон:

6. Расчет минимальной объемной концентрации волокон:

7. Расчет плотности спроектированного композиционного материала:

8. Расчет удельной прочности спроектированного композиционного материала:

9. Проверяем выполнение необходимого условия для спроектированного КМ:

Неравенство выполняется.

10. Рассчитаем общие энергетические затраты на изготовление детали, учитывая, энергетические затраты при экструдировании

Вывод. Расчет удельной прочности показывает, что для спроектированного КМ выполняется требование по удельной прочности. Таким образом, для изготовления детали можно выбрать матрицу из АД-1, наполнитель из органических волокон оксалон диаметром 15 мкм и длиной 9 мкм при концентрации 51,7%.