Нижегородский 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 № 5
Выполнил:
Принял:
Нижний Новгород
2013 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.
Дано одноосное растяжение стержня длиной L=0,45 (м), сечением
S=10-4(м2), массой m=0,24 (кг), силой N=90 000 (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 (4853÷5333) кг/м3, а удельная прочность – в диапазоне (0,169÷0,185) МДж/кг.
4)Выбираем из таблицы два наиболее близких по плотности материала: СП90-3(Fe-C) 
=7800 кг/м3 и НП-2(Ni) =8900 кг/м3 .
Энергетические затраты на изготовление примерно одинаковы. Рассчитаем их удельную прочность:
Из таблицы выбираем для матрицы НП-2(Ni) стальные волокна из Ст-35 диаметром 1000мкм, так как они обладают небольшими энергетическими затратами на их изготовление. Для матрицы из СП90-3(Fe-C) – 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 КМ:
Проверка:
Вывод: Расчет удельной прочности показывает, что для КМ(СП90-3(Fe-C)+ВМН) выполняется ограничение по интервалу ТЗ удельной прочности.
Таким образом, для изготовления стержня необходимо выбрать матрицу из
СП90-3(Fe-C), арматуру из углеродных волокон, диаметром 6 мкм и длиной 13 мкм концентрации 0,47.
