Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Предельные рабочие температуры различных материалов матриц КМ ⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 9
Таблица 24 Характеристики материалов матриц (примеры)
В материале матрицы распределяются наполнители. Концентрация наполнителя в различных композиционных материалах изменяется в широких пределах от 1 до 70% по объему. В качестве наполнителя используются короткие и длинные волокна, порошки, тканые материалы, сетки. Соответственно различают волокнистые, порошковые, слоистые композиционные материалы. Некоторые данные о характеристиках волокнистых наполнителей КМ представлены в табл.25. Таблица 25 Характеристики волокнистых наполнителей (примеры)
Как видно, характерной особенностью волокнистых наполнителей является высокий предел прочности на растяжение ~2200…3400 МПа при малом диаметре волокон ≤(90…127) микрометров. Удельные энерге- тические затраты на изготовление волокон значительно превышают аналогичные затраты для матричных материалов.
При выборе матричного материала и волокнистого наполнителя принимают во внимание следующие ограничения: по плотности (массе); по рабочей температуре изделия из КМ; по прочности; по удельной прочности, т.е. отношению ; по энергетическим затратам на изготовление; по стоимости КМ. Особым ограничением является необходимость обеспечения совместимости (межфазного взаимодействия) материалов матрицы и волокна КМ. Некоторые примеры совместимых материалов приведены в табл.26. Таблица 26 Примеры совместимых материалов матрицы и волокна
Композиционные материалы интенсивно развиваются и возрастает объем их применения в конструкциях различных летательных аппаратов (самолетов, вертолетов, космических аппаратах и т.д.) и, в меньшей степени, в машиностроении. Ограниченное применение в значительной мере обусловлено высокой стоимостью КМ, т.е. экономическими причинами. Так, по данным начала 1990-х годов, КМ из алюминия с волокнами карбида кремния SiC имел стоимость в 800 раз более высокую по сравнению с алюминием, а у КМ алюминий-волокна бора (бороалюминий) в 1800 раз выше, чем у алюминия. Бороалюминий применен в США при изготовлении силовых деталей космических кораблей „Шаттл”. Тем не менее, производство композиционных материалов растет и в 2007 году мировой рынок композитов составил 9,0 миллионов тонн (по данным журнала «Композитный мир» («Composite world»), 2007, №3). Глобальный рост производства композитов в мире составляет около 8% в год (данные 2007 г.). Наибольший годовой прирост композитов происходит в области термопластиковых композитов (9%) при значительно меньшем росте объема производства реактопластовых композитов (3%). Интенсивно развивается производство композиционных материалов в Китае. Объем выпуска композитов в этой стране составляет чуть более 10% от мирового уровня (2006 г.).
7.2. Основные понятия о проектировании композиционных материалов с короткими волокнами. Рассмотрим последовательность проектирования КМ на следующем учебном примере. Задание. Дана цилиндрическая деталь длиной L c площадью поперечного сечения S массой m. Вдоль оси детали действует сила N, рабочая температура t, С. Требуется: Часть 1. Выполнить расчеты прочности, плотности и удельной проч- ности детали. Допускается плотность материала на 10% ниже расчетной. Часть 2. Выполнить проектирование КМ с короткими волокнами, провести расчеты и проверить выполнение необходимого условия для спроектированного КМ: > . 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
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2021-02-07; просмотров: 135; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.144.127.232 (0.05 с.) |