Определяем структуру композита
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВО «ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Институт механики и машиностроения
Кафедра машиностроения и материаловедения
Расчетно-графическая работа
по дисциплине:
«Проектирование изделий из композиционных материалов »
Тема: «Проектирование структуры и свойств композиционного материала с дискретными волокнами»
Вариант 4
| Выполнила: студентка группы МСм-11 Кукушкина А.П. Проверил: Крутских Н.А. |
ЙОШКАР-ОЛА
2017
Задание
Цилиндрический стержень длиной L=0,45 м, площадью поперечного сечения S=10-4 м2 , массой m=0,20 кг, растягивается усилием N=100кН, рабочая температура изделия T=600 К; армирование – произвольно ориентированными (хаотическими) дискретными волокнами; технология изделия – экструзия.
Необходимо подобрать:
- два варианта матричного материала из таблицы 1;
- армирующие волокна к выбранным матрицам из таблицы 2;
- определить структуру проектируемого композита;
- определить и сравнить энергетические затраты на изготовление изделия.
Таблица 1
Свойства матричных материалов композитов
| № | Материал | Плотность, γ кг/ м3 | Предел прочности, σ МПа | Рабочая температура, Т К | Удельная энергия на изготовление материала W кДж/кг |
| 1 | Алюминиевый сплав АД-1 | 2700 | 41 | 660 | 180 |
| 2 | Алюминиевый сплав АК-4 | 2650 | 430 | 600 | 200 |
| 3 | Алюминиевый сплав АЛ-1 | 2750 | 470 | 560 | 210 |
| 4 | В-95 | 2800 | 600 | 470 | 300 |
| 5 | ПТЭ-1 | 4700 | 1650 | 500 | 250 |
| 6 | Бериллий | 1300 | 1360 | 500 | 240 |
| 7 | НП-2 | 8900 | 450 | 1100 | 540 |
| 8 | ХН70Ю | 7800 | 750 | 1400 | 600 |
| 9 | Полистирол | 950 | 40 | 300 | 160 |
| 10 | Эпоксидная смола ЭД-10 | 1160 | 35 | 370 | 180 |
| 11 | Фенилон | 1350 | 120 | 400 | 200 |
| 12 | Полиэтилен | 1050 | 35 | 320 | 220 |
| 13 | Фторопласт Ф | 2150 | 35 | 560 | 120 |
| 14 | СП90-3 (Fe-C) | 7800 | 700 | 400 | 300 |
|
|
|
Таблица 2
Свойства армирующих компонентов композиционных материалов
| Материал | Диаметр волокна, d мкм | Плотность, γ кг/ м3 | Предел прочности, σ МПа | Рабочая температура, Т К | Удельная энергия на изготовление материала W кДж/кг | ||
| Керамические волокна | |||||||
| Al2O3 | 127 | 3960 | 2410 | 1300 | 950 | ||
| 280 | 3400 | 1300 | 950 | ||||
| 501 | 4140 | 1400 | 100 | ||||
| TiC | 280 | 4910 | 1540 | 1500 | 1380 | ||
| Стальные волокна (проволоки) | |||||||
| Ст. 35 | 140 | 7700 | 3150 | 600 | 1200 | ||
| 220 | 3100 | 1160 | |||||
| 400 | 3000 | 1140 | |||||
| 800 | 2950 | 1120 | |||||
| 1000 | 2800 | 1100 | |||||
| 90Х13Н13М | 40 | 7800 | 3600 | 700 | 1300 | ||
| 90 | 3400 | 1250 | |||||
| 120 | 3000 | 1220 | |||||
| 1170 | 3100 | 1180 | |||||
| Стеклянные волокна | |||||||
| СВ | 6 | 2580 | 1250 | 400 | 600 | ||
| 7 | 1950 | 590 | |||||
| 10 | 3500 | 580 | |||||
| 20 | 5000 | 500 | |||||
| Органические волокна
| |||||||
| ОВ | 10 | 1430 | 2500 | 420 | 350 | ||
| Оксалон | 15 | 1450 | 2950 | 420 | 400 | ||
| Углеродные волокна | |||||||
| ВМН | 6 | 1700 | 2210 | 2200 | 1146 | ||
| 7 | 1470 | 1440 | |||||
| 9 | 1140 | 1400 | |||||
Определение исходных физических величин для проектирования
1) Определение напряжения σ= 
=1000 (МПа);
2) Предельное напряжение σпред = σ*K=1000*1,5=1500 (МПа);
где К-коэффициент запаса
3) Плотность γ= 
= 
(кг/м3);
4) Удел прочности σуд= 
=0,34 (МДж/кг);
5) Рабочая температура Т=600К.
Подбор матричного материала.
Материал матрицы выбирается по рабочей температуре.
Траб м ≥ Т=600К
Матрица 1(m1)= алюминиевый сплав AK-4 : Тm1=600K;
γm1= 2650 кг/м3; σвм1=430МПа; Wm1=200кДж/кг.
Проверяем матрицу по удельной прочности:
σуд m1< σуд=0,34 МДж/кг
σуд m1= 
=0,16 (МДж/кг)
0,16<0,34 => условие выполняется.
Матрица 2(m2)= алюминиевый сплав AД-1 : Тm2=660K;
γm2= 2700 кг/м3; σвм2=41МПа; Wm2=180кДж/кг.
Проверяем матрицу по удельной прочности:
σуд m2< σуд=0,34 МДж/кг
σуд m2= 
=0,015 (МДж/кг)
0,015<0,34 => условие выполняется.
Подбор армирующего материала
Выбираем армирующие материалы по следующему условию:
σуд f > σуд m
Диаметр армирующих волокон должен быть в 90-100 раз меньше условного диаметра экструзера. Дусл=?
S= 
=> Дусл= 
= 2* 
= 113*10-4 м = 11300мкм
Дусл/100= 11300/100=113 мкм (диаметр волокна)
|
|
|
df ≤ 113мкм
Условия:
1) Габаритные изделия армируются протяженными волокнами.
2) Малогабаритные изделия армируются дискретными волокнами (это наш случай).
3) Полимерная матрица армируется стеклянными волокнами, органическими и углеродными.
4) Металлическая матрица армируется керамическими волокнам, металлической проволокой, углеродистыми волокнами.
Материал волокон подбирается по матрице, чтобы выполнялись условия.
Tf >600K
км1= (AK-4)-(Al2O3) f1= Al2O3
df1=127мкм (͌113мкм); Тf1=1300K; γf1=3960кг/м3; σf1=2410МПа; Wf1=950кДж/кг.
σуд f1= 
= 
= 1,64 (МДж/кг) (1,64 >0,16 Мдж/кг= σуд m1)
Условие выполняется, следовательно непрочную матрицу можно упрочнить этим армирующим.
км2= (AД-1)-ВМН f2= ВМН
df2=6мкм (͌113мкм); Тf1=1300K; γf2=1700кг/м3; σf2=2210МПа; Wf2=1146кДж/кг.
σуд f1= 
= 
= 1,3 (МДж/кг) (1,3 >0,015 Мдж/кг= σуд m2).
Определяем структуру композита
Vf=? По правилу аддитивности:
σпр= Vf+ σвf+ (1- Vf)* σвm => Vf = 
Для км1 Vf1 = 
= 0,54.
Для км2 Vf2 = 
= 0,67.
Проверка на ограничения: 0,05 < Vf <0,7
Если Vf < 0,05, то мало волокон – смысл армирования пропадает;
если Vf > 0,7, то много волокон – нельзя лить и экструдировать.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 696; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!