Анализ эффектов применения композитов.
Эффекты от применения ПКМ следует подразделять на:
· прямые, связанные с физико-механическими свойствами материалов (низкая плотность, высокая прочность, химическая стойкость, немагнитность и др.);
· технологические (безотходность и низкая энергоемкость производства, отсутствие необходимости в механической обработке и отделке, простота создания изделий сложной формы);
· конструкционные, связанные с возможностью оптимального проектировании не только на уровне размеров и формы детали, но и на уровне структуры армирования материала (оптимизация схемы армирования, снижение числа деталей, рост критических частот колебаний и вращения, повышение точности движения за счет малых инерционных сил).
В идеале речь идет о проектировании и создании материала-конструкции заданного назначения с применением безотходной и низкоэнергоемкой технологии.
Прямые эффекты. Снижение массы, например, в автомобилестроении эффективно в тех случаях, когда она оказывается основным лимитирующим фактором, все более важным с ростом скорости автомобилей. Трехслойные панели с сотовым заполнителем становятся оптимальным материалом для грузовых контейнеров, и в данном случае из-за огромного объема производства и большого числа транспортно-погрузочных операций снижение массы контейнера в 2 раза оказывается экономически выгодно даже при заметном росте его стоимости. Эффективно прямое снижение массы стеклопластикового кузова военных грузовиков, для которых в боевых условиях жизненно важна возможность быстрого набора скорости.
|
|
|
Коррозионная стойкость стеклопластиков делает их применение эффективным для деталей, контактирующих с влагой (панели кузова) или с горюче-смазочными материалами (ГСМ): бензобак, топливные и тормозные магистрали. Например, сейчас уже забыли о железных канистрах, и почти забыли – о дюралюминиевых. Простота изготовления методом экструзионно-ваукуумного формования, легкость и химическая стойкость к коррозии сделали пластиковые канистры и ёмкости безусловно предпочтительными.
Для машин, работающих при низких температурах (условия Крайнего Севера), решающую роль играет нехрупкость, практическая нечувствительность ПКМ к низким температурам даже при наличии конструкционных (отверстия, канавки) или эксплуатационных (трещины) концентраторов напряжений.
К другим физическим свойствам относится немагнитность стеклопластиков, делающая их незаменимыми для минных тральщиков. Радиопрозрачность позволяет изготавливать из стеклопластика несущую часть оболочки ракет, где расположены радиолокационные приборы. Технология создания малозаметных летательных аппаратов также опирается на свойство радиопрозрачности органопластиков.
|
|
|
Нехрупкость при криогенных температурах обеспечивает возможность использования стеклопластиков в среде жидкого гелия: 4 К (или азота: 77 К = –1960 С), где реализуется явление сверхпроводимости (в том числе, так называемой – «высокотемпературной»). Стойкость к морской воде – основное свойство стеклопластиков, благодаря которому 99% малых судов изготовлены в США и в других развитых странах из стеклопластика. Такие примеры можно множить, важно отметить лишь, что композиты – не просто замена металла (как дермантин – заменитель кожи), а материалы, способные принципиально улучшить служебные характеристики новой техники и машин будущего.
Технологические эффекты. Композитные технологии позволяют существенно уменьшить число деталей, например, в элементах интерьера легковых автомобилей, переднего интегрального оперения грузовиков. Низкая энергоемкость производства и ремонта (не нужны высокие температуры и большие усилия формования) позволяет производить конструкции (наматывать трубы), например, в космосе, в труднодоступных областях при отсутствии тяжелого оборудования и стационарных источников энергии. Следует отметить принципиальное отличие всей технологической цепочки производства композитных изделий от традиционных «металлических» технологий, которые включают в себя энергоёмкие и вредные в экологическом отношении процессы: «добыча руды и кокса – выплавка чугуна и стали – отливка – прокатка – изготовление заготовок – механическая обработка – сборка – отделка – покраска». Наибольший эффект может быть достигнут, когда удаётся реализовать «композитную» низкоэнергоёмкую (невысокие температуры полимеризации, небольшие усилия формования), безотходную технологическую цепочку: «производство компонентов (волокна, матрицы) – создание полуфабрикатов (ткани, ленты, ровинги, препреги) – формование готовых изделий (без механической обработки и сборки, с окраской в массе)».
|
|
|
Конструкционные эффекты. Преимущества ПКМ особенно заметны в конструкциях, где наиболее полно используются свойства армирующих волокон. Прочность и жесткость композитов, отнесенные к плотности материала, зависят от схемы армирования и принимают максимальные значения для продольного направления однонаправленного материала. Поэтому наибольший эффект может быть достигнут в тех изделиях, где можно применять почти однонаправленное армирование (шест, рессора, лук, арматура), или когда усилия направлены вдоль волокон (сосуды давления). Основная потеря эффективности, как правило, связана с местами крепления. Так как композит, по сути, не существует вне изделия (материал и конструкция создаются одновременно), задача состоит в выборе конструкции и способа крепления под волокнистый материал, а не только в подборе схемы армирования под известную деталь.
|
|
|
Применение полимерных волокнистых композитов – одно из революционных направлений в конструкционном материаловедении не только для космоса и авиации, но и для строительства, спорта, наземного транспорта. Выбор объектов наиболее эффективного применения ПКМ позволяет создавать варианты транспортных средств, обеспечивающих с применением композитов новые возможности: дизайна, снижения массы, экономии топлива, упрощения технологии, уменьшения числа деталей, повышения коррозионной и химической стойкости.
Основной вывод для конструктора – «Think composites – думай композитно»: нельзя разделять материал и деталь. Процесс проектирования и создания материала-конструкции с заданными свойствами включает в себя неразрывно связанные: проектный расчет, технологию и механику композитов – как основу изучения зависимостей свойств материала от структуры армирования.
Дата добавления: 2021-04-06; просмотров: 153; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!