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 №10
Выполнил: Чернобай Ю.И.
Приняла: Воскресенская Т.А.
Нижний Новгород
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.
Для варианта №10 исходными данными являются:
Дано одноосное растяжение стержня длиной L=0,45 (м), сечением
S=10-4(м2), массой m=0,37 (кг), силой N=70 (кH) 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 7482,202 до 8222,2 кг/м3, а удельная прочность – в диапазоне от 0,085 до 0,094 МДж/кг.
4)Выбираем из таблицы два наиболее близких по плотности материала: НП-2(Ni) 
=8900 кг/м3 и ХН70Ю =7800 кг/м3 .
Энергетические затраты на изготовление примерно одинаковы. Рабочая температура НП-2(Ni) составляет 1100 К, а ХН70Ю 1400К.
Рассчитаем их удельную прочность:
5)Выбор армирующего материала КМ.
Из таблицы 2 выбираем для матрицы ХН70Ю стальные волокна из 09Х13Н13М диаметром 1170 мкм, так как они обладают небольшими энергетическими затратами на их изготовление. Для матрицы из НП-2(Ni) – стальные волокна Ст.35 диаметром 1000 мкм.
6) Проверим выполнение условия удельной прочности:
Как видно из неравенств условие удельной прочности выполняется.
7)Определим критическую длину волокна по формуле:
А) 
sвm(ХН70Ю)=750 МПа
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 изготовления стержня необходимо выбрать матрицу из фторопласта, арматуру из углеродных волокон ВМН диаметром 1000 мкм, длиной 3420,08 мкм и концентрации 0,11 доли.