Численный пример решения задачи

Дано:

размеры детали : L= 1000 мм; S = 100 мм ;

масса детали : m =520г;

сила               : N = 64000Н;

рабочая температура: t= 350 С.

Решение:

 Часть 1. Расчетные формулы:

расчет предела прочности при растяжении:

= N/ S; =64000/0,0001=640 ;

определение верхнего  и нижнего значений плотности детали:

= ; =  кг/м ;

= - 0,1 ; =5200 – (0,1 5200)=4680 кг/м ;

расчет верхнего и нижнего значений удельной прочности:

= ; = ;

; .

Часть 2.Проектирование КМ.

2.1. Исходя из заданной рабочей температуры t = 350 С принимаем в качестве матричного материала алюминий марки АД-1 со следующими характеристиками:

 Н/м ;  кг/м ;  кДж/кг.

2.2. В качестве наполнителя принимаем совместимое с алюминиевой матрицей углеродное волокно ВМН-4, имеющее следующие характеристики:

 Н/м ;  кг/м ;  кДж/кг.

2.3. Выполняем вычисления для КМ по расчетным формулам:

2.3.1. Расчетные характеристики волокнистого наполнителя:

критическая (минимальная) длина волокна:

где ; ;

минимальная объемная концентрация волокон:

;

2.3.2. Расчет энергетических затрат:

удельные энергетические затраты на изготовление матричного материала и волокон для проектируемой детали:

 кДж/кг.

общие энергетические затраты, включая формование (изготовление) детали способом экструзии (W = 3000 кДж/кг):

;  кДж/кг.

2.3.3. Расчет плотности спроектированного КМ:

;

 кг/м .

2.3.4. Расчет удельной прочности спроектированного КМ:

; ;

2.4. Проверка выполнения необходимого условия для спроектированного КМ:

     > ; 0,271 > .

Необходимое условие выполняется.

Ответ.

Спроектированный КМ состоит из алюминиевой матрицы АД-1 и наполнителя в виде коротких углеродных волокон ВМН -4 диаметром 6 мкм, критической длиной 22,9 мкм. Минимальная объемная концентрация волокон составляет 33,9 %.

Данный КМ имеет расчетные плотность 2360 кг/м  и удельную прочность 0,271 10 Н м/кг.

7.3. Промышленные композиционные материалы с волокнистыми наполнителями.

В качестве промышленных КМ получили наибольшее применение материалы на основе неметаллических матриц. Это композиции, состоящие из отверждаемой синтетической смолы (олигомера) и волокон стекла, бора, синтетических волокон, керамических и др. В зависимости от материала наполнителя такие КМ называют стекловолокнитами (стеклопластиками), бороволокнитами, органоволокнитами, карбоволокнитами.

Стекловолокниты – композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве наполнителя применяют непрерывное или короткое волокно из силикатного стекла. Лучшие свойства у бесщелочных стекол алюмоборосиликатного состава. Для практических целей используют волокно диаметром 5…20 мкм с  до 3800 МПа и = 2,0…3,5 %.

Неориентированные стекловолокниты содержат в качестве наполнителя  короткое волокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы с металлической арматурой. Материал получается с изотропными прочностными характеристиками, намного более высокими, чем у пресс- порошков. Представителями такого материала являются стекловолокниты АГ- 4В.

Ориентированные стекловолокниты имеют наполнитель в виде длинных волокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями и тщательно склеивающихся связующим. Это обеспечивает более высокую прочность стеклопластика.

 Стекловолокниты могут работать при температурах от -60 до 200 С, а также в тропических условиях, выдерживать большие инерционные перегрузки.

Бороволокниты имеют в качестве матриц эпоксидные и полиимидные смолы, подвергающиеся отверждению. Наполнителем являются волокна бора.

Выпускаются бороволокниты марок КМВ -1м, КМБ -1к, КМБ -2к, КМБ -3к. Разные марки таких КМ работоспособны при температурах от 100 до 300 С. Предел прочности при растяжении составляет 900…1300 МПа, ударная вязкость равна 78…110 кДж/м .

Бороволокниты обладают высоким сопротивлением усталости, они стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горюче- смазочных материалов.

Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т. д.).

Органоволокниты в качестве матрицы используют термореактивные смолы: эпоксидные, полиимиды и др., проходящие отверждение.

Наполнителем являются органические синтетические волокна. Используются эластичные волокна: капрон, лавсан, нитрон и жесткие волокна: винол, ароматический полиамид и др.

Органоволокниты с наполнителем из эластичных волокон имеют предел прочности при растяжении 100…190 МПа, относительное удлинение 10…20%. В случаях применения жестких волокон прочность возрастает до 650…700 МПа, а относительное удлинение снижается до 2…5%.

Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопро- водность низкая. Большинство органоволокнитов может длительно работать при температуре 100…150 С.

Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электрорадиопромышленности, авиационной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов судов и др.

Карбоволокниты (углепластики) состоят из эпоксидных и др. смол, подвергаемых отверждению (матрица), и волокнистого наполнителя в виде углеродных волокон. Для предохранения от окисления поверхность волокон покрывают защитными покрытиями. Такие материалы выпускают марок КМУ -1 л, КМУ -2 л и др.

Высокая энергия связи С-С углеродных волокон позволяет им сохранять прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной средах до 2200 С).

Композиционные материалы на основе металлических матриц с волокнистыми наполнителями. У таких материалов матрицами являются алюминий, магний, никель и др.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные       ( =2500…3500 МПа, Е= 38…420 ГПа) и углеродные (  =1400…3500 МПа, Е= 160…450 ГПа) волокна, а также волокна из тугоплавких соединений           (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют =2500…3500 МПа, Е=450 ГПа. Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных сталей. Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость.

Механические свойства некоторых КМ даны в табл.27.

                                                                                                                       Таблица 27