Проектирование многослойного композиционного материала и определение его упругих свойств

Содержание

Содержание……………………………………………………………………..…….2

Введение………………………………………………………………………..……..3

Проектирование многослойного композиционного материала и определение его упругих свойств……………………………………………………………..………..7

1. Исходные данные…………………………………………………....…………….7

1.1. Толщины слоев hi и углы укладки слоев φ/π (Табл. 1)……………………7

1.2. Тип армирующего и матричного материалов и их упругие характеристики (Табл. 2)………………………………..................………….....7

2. Расчет………………………………………………................................................8

2.1. Определение упругих и прочностных характеристик однонаправленного слоя……………………………………………………………………………….8

2.2. Определение упругих и прочностных характеристик слоистого пакета.9

2.3. Проверка Расчетов………………………………………………………....11

3. Вывод………………………………………………………………………….....12

Список литературы…………………………………………………………….......13

 

 

ВВЕДЕНИЕ

После того как современная физика металлов подробно разъяснила нам причины их пластичности, прочности и ее увеличения, началась интенсивная систематическая разработка новых материалов. Именно такими материалами являются композиционные материалы.

Композиционный материал – конструкционный (металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

Арамидные волокна относятся к классу ароматических полиамидных волокон.Как определяет Федеральная торговая комиссия США арамидные волокна-это «химические волокна, полученные на основе линейных волокнообразующих полиамидов, в которых не менее 85% амидных групп непосредственно связано с двумя ароматическими кольцами».

За последние десять лет было проведено большое число исследовательских работ, в результате которых созданы волокна на основе полностью ароматических полиамидов, обладающие высокими прочностью,модулем и теплостойкостью.Впервые эти волокна появились под торговой маркой «Дюпон» в 1971г. Волокна кевлар сохраняют высокие механические характеристики в широком диапазоне температур и обладают хорошей химической стойкостью.

 

Получение Арамидных волокон и тканей:

Арамидные волокнообразующие полимеры, то есть ароматические полиамиды, получают методом поликонденсации диаминов и галогенангидридов дикарбоновых кислот в растворе при низкой температуре. Прядение осуществляется из растворов в сильных кислотах (в частности, при производстве кевлара используется концентрированная серная кислота) по «сухо-мокрому» способу. В принципе волокнообразующие полимеры получают быстрым добавлением хлорангидридов дикарбоновых кислот к холодному(5…10 ) раствору диамина при нитенсивном перемешивании. Образующийся при этом полимер в виде крошки или геля затем измельчается, промывается и высушивается. При формировании волокон и нитей раствор очищенного полимера в сильной кислоте экструдируется через фильеру при повышенной температуре (51…100 ) и после прохождения воздушной прослойки (толщиной 5…19мм) попадает в осадительную ванну с холодной (0…4 ) водой. Свойства волокна могут варьировать при изменении природы использованного растворителя, условий нитеобразования, а также при последующих термических обработках свежесформованных волокон. После тщательной промывки нити высушиваются на бобинах.

Получение Органопластиков:

Технология производства органопластиков и изделий из них такая же, как стеклопластиков.. Процесс формования заготовки из чередующихся армирующих и матричных волокон осуществляют при температуре выше температуры плавления связующего. Начинают процесс с подачи давления при температуре в пределах теплостойкости матричных волокон до полного трансверсального деформирования заготовки. После этого давление снижают до уровня, достаточного для поддержания заготовки в деформированном состоянии. Одновременно повышают температуру до температуры плавления матричных волокон. Затем при том же давлении органопластик охлаждают ниже температуры теплостойкости термопластичного связующего. Способ по изобретению позволяет:

- обеспечить полную монолитность термопластичных органопластиков любого состава;

- повысить физико-механические свойства армированных изделий из данных органопластиков;

- обеспечить им дополнительную эксплуатационную надежность;

- повысить экономическую эффективность и снизить трудоемкость технологических процессов изготовления армированных изделий.

Известен способ изготовления термопластичных органопластиков под давлением, включающий операции предварительного нагрева заготовки до температуры перехода матричных волокон в вязкотекучее состояние, последующего повышения давления до 1-2 МПа с кратковременной технологической выдержкой, охлаждения под давлением и извлечения готового изделия из формующего инструмента.

Однако известный способ не обеспечивает термопластичным органопластикам полной монолитности - остаточная пористость может достигать 10 об.% и более, поскольку высоковязкие расплавы матричных термопластичных волокон не способны полностью заполнить тонкие внутринитяные (межволоконные) капилляры в армирующих нитях.

Наиболее близким по технологической сущности к предлагаемому изобретению является способ (принятый за прототип) изготовления армированных изделий, заключающийся в том, что перед формованием под давлением заготовку из армирующих и термопластичных нитей нагревают до температуры выше температуры стеклования связующего.

Суть метода изготовления органопластика напылением состоит в следующем: на подготовленную определённым способом оснастку (матрицу) наносится защитно-декоративный слой - гелькоут. Гелькоут формирует наружную поверхность будущего изделия из органопластика. Гелькоуты имеют широкую палитру цветов, поэтому внешний вид изделия из органопластика может иметь практически любой цвет. После высыхания гелькоута происходит изготовление органопластика (напыление). Последний этап - прикатка еще не отвержденного органопластика жестким валиком для удаления пузырьков воздуха из него. После отверждения органопластика, готовое изделие из органопластика извлекается из формы и подвергается механообработке: обрезка облоя – излишков органопластика или отвержденной полиэфирной смолы по краям изделия; высверливание отверстий и т. д.

Применение Органопластиков:

Органопластики- это материалы, в которых в качестве наполнителя применяют синтетические или природные органические волокна,то есть они представляют собой полимер, наполненный полимером. Органопластики сочетают сравнительно низкую плотность с высокой удельной прочностью и жесткостью, стабильностью свойств при знакопеременных и циклических нагрузках.

Анализ свойств органопластиков показал широкие возможности применения этих материалов в конструкциях,испытывающих высокие растягивающие нагрузки от внутреннего действия среды с высоким давлением или центробежной силы,воздействия механического или акустического удара, длительного воздействия знакопеременных нагрузок.

Наиболее перспективными областями применения органопластиков является авиационная и космическая техника,так как применение этих материалов обеспечивает снижение массы при повышении прочности.Так, по прогнозу фирмы «Локхид» в ближайшие годы масса гражданских самолетов должна снизиться на 45%, что предполагается осуществить за счет изготовления 50-60% всех элементов конструкции самолета из ВКПМ, в том числе и из органопластиков. Уменьшение массы конструкции самолета типа «Конкорд» на 1 кг дает экономический эффект,оцениваемый в 445 фунтов стерлингов.

По американским данным, пластические материалы на основе органических волокон типа Кевлар 49,Кевлар 29,Номекс с успехом применяются в авиа-,судостроении,производстве спорттоваров(лыжи,удилища),космической технике(например в космическом корабле «Шаттл»).В американской ракете «Титан-Т» шесть запасных баков изготовлены намоткой на основе эпоксидного связующего с арамидным волокном Кевлар 49 фирмы «Дюпон».

Применение композиционных материалов на основе органических волокон СВМ в высоконагруженных агрегатах вертолета- лопасти несущего винта- дало возможность дифференциально изменять жесткостные характеристики лопасти в несколько раз при одновременном уменьшении ее массы на 20%.

Находят применение органопластики в электро- и радиотехнической промышленности для изготовления радиопрозрачных обтекателей антенн, корпусов и деталей приборов,крышек,панелей и тому подобное.

 

 

Проектирование многослойного композиционного материала и определение его упругих свойств

Исходные данные

1.1. Толщины слоев h_i и углы укладки слоев φ/π (Табл. 1)

Таблица 1

№ слоя	Толщина слоя, h (мм)	Угол укладки , (рад)
	0.25	1/3
	0.3	-1/3
	0.5
	0.3	-1/3
	0.25	1/3

Тип армирующего и матричного материалов и их упругие характеристики (Табл. 2)

Таблица 2

	E, ГПа	G, ГПа	n	s, МПа	Предельное удлинение,%
Органоволокно			0,25	2000-2500	3-4
Эпоксифенольное связующее	2,8-4,1	1,1-1,6	0,33-0,4	33-86	1,8-3,2

 

Коэффициент армирования ψ = 0,6

 

Расчет