2. Расчет количества армирующего материала и связующего

Для определения общей площади ткани, необходимо найти расход ткани, используемой, при армировании со структурой .

Расчет количества армирующего материала (ткани) производим, используя данные из схемы раскроя и данные таблицы 1.

Имеем общую длину ткани, учитывая ее ширину, можем посчитать затраченную площадь ткани:

S затр = 22.42 м 2

Рассчитаем потребную площадь, то есть площадь панели, учитывая количество слоев ткани, необходимой для укладки:

S потр = 27.14 м 2

Теперь, зная потребную и затраченную площади тканей, можно определить коэффициент использования материала (КИМ):

Рассчитаем массу АМ, воспользовавшись формулой:

m= с·S пот р

где с - поверхностная плотность ткани Т-13-76;

S потр - потребная площадь ткани.

m= 0,32·22,42 = 7.174 кг.

Определим количество связующего, необходимое для пропитки ткани по формуле:

где - масса необходимого для пропитки связующего, кг;

Масса пропитываемого армирующего материала, кг;

Процентное содержание связующего в КМ, K c = 57%;

Коэффициент технологических потерь, .

Рассчитаем массу каждого компонента связующего по формуле:

где - масса искомого компонента связующего, кг;

Масса необходимого для пропитки связующего, кг;

Удельное массовое содержание искомого компонента в рецептуре связующего, масс. ч.

Используя рецептуру связующего L-285, запишем:

смола L-285 - 100 масс. ч.;

отвердитель H-285 - 40 масс. ч.;

замедлитель полимеризации NLC-10 - 0.5%;

Замедлитель полимеризации применяется, чтобы продлить время, в течение которого связующее сохраняет допустимое для выкладки значение вязкости (чтобы предотвратить преждевременно начало полимеризации). Масса смолы L-285:

Масса отвердителя H-285:

Масса замедлителя полимеризации NLC-10:

Перед применением армирующего материала необходимо производить входной контроль. Проверке качества армирующего материала по порокам внешнего вида, соответствия геометрическим размерам...

Лонжерон крыла из КМ самолета РСМ-25 "Robust"

Лонжерон крыла из КМ самолета РСМ-25 "Robust"

Для нахождения потребного количества стеклоленты ЛСК-ВМ-0.1Ч35-76 и стеклоткани Т-10-14 воспользовался схемой раскроя. S??д= Sд.ткани+ Sд.ленты=4,617+2,395=7,012м2 S??п= Sп.ткани+ Sп.ленты=4,309+2,053=6...

Лонжерон крыла из КМ самолета РСМ-25 "Robust"

Считаю, что подкос будет изготавливаться в ручную намоткой, так как изготовление фильеры очень дорогое мероприятие по сравнению с ручным формообразованием. Масса AM, необходимая для изготовления одного стержня рассчитывается по формуле: ,(2...

Стеклопластики являются одним из наиболее применяемых композиционных материалов. В 1979 г. в США было произведено более 900 тыс. т материалов данного типа...

Получение вольфрамовой нити путем порошковой металлургии

Объем армирующего элемента определяем по формуле: выражение, устанавливающие связь между прочностными и упругими характеристиками однонаправленного КМ через долю волокна в случае поперечного растяжения материала;...

Проектирование конструкции лонжерона крыла с подкосом самолета RWD-13

Расчет количества стеклоткани Т-14 производим, используя данные из таблицы 2.1. Схема раскроя ткани Т-14 приведена на рисунке 2.1 Рис.2.1 - Схема раскроя ткани Т-14 Следовательно...

Разработка технологического процесса изготовления створки шасси для самолета АН-158

Определим количество связующего, необходимое для пропитки ткани по формуле : , где- масса, необходимого для пропитки связующего, кг; - масса пропитываемого армирующего материала...

Расчет количества армирующего материала производим используя схему раскроя и приложения программы КОМПАС-3D V8 Plus+. Расчет количества связующего был рассчитан в программе Mathcad 13, результаты расчета оформлены ниже...

Технология производства изделий из композиционных материалов

Расчет количества армирующего материала производим, используя схему раскроя рис.1 Рис.1 Схема раскроя УТ-900-2,5А+ЭДТ-69Н Посчитаем затраченную площадь ткани: Рассчитаем потребную площадь (площадь накладки), учитывая количество слоев ткани...

Технология производства изделий из композиционных материалов

Подготовка армирующего материала включает в себя несколько технологических операций: входной контроль АМ, расшлихтовку, аппретирование...

Подготовка армирующего материала включает в себя несколько технологических операций: входной контроль АМ, аппретирование...

Технология производства композиционных материалов

Перед выкладкой панели необходимо произвести раскрой армирующего материала и материала рифтов. Данная операция проводится на специальных раскройных столах с использованием ножа. ножниц, линейки...

Технология производства композиционных материалов

Для определения общей площади ткани, необходимо найти расход ткани, используемой, при армировании со структурой . Расчет количества армирующего материала (ткани) производим, используя данные из схемы раскроя и данные таблицы 1...

Классификация композиционных материалов (КМ)

Крупнейшим достижением в материаловедении за последние полвека является создание так называемых композиционных материалов . Большой интерес к ним обусловлен высоким уровнем свойств:

Высокой прочностью;

Высокой жесткостью;

Высокой жаропрочностью;

Значительным сопротивлением распространению трещин и др.

В отличие от обычного конструкционного материала композиционный материал (КМ) – искусственный продукт, не встречающийся в природе, его компоненты выбирают и рассчитывают преднамеренно. КМ содержит по крайней мере две различные химические фазы и его свойства определяются свойствами этих фаз.

Основная идея создания КМ – получить комбинацию свойств, которые не присущи каждому материалу в отдельности.

Традиционно применяемые металлические и неметаллические материалы в значительной мере достигли своего предела конструктивной прочности. Вместе с тем развитие современной техники требует создания материалов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Зачастую требования, предъявляемые к материалам, могут носить противоречивый характер. Удовлетворить эти требования можно путем использования композиционных материалов.

Принцип построения КМ человек позаимствовал у природы. Типичными композиционными материалами являются стволы растений, стебли деревьев, кости человека и животных.

Как известно, для оценки эксплуатационных характеристик конструкций существует квадратно-кубическая зависимость: прочность и жесткость повышаются пропорционально квадрату линейных размеров (поперечное сечение), в то время, как масса растет пропорционально кубу (объем) линейных размеров. Т.е. для достижения высоких значений жесткости и прочности должны быть использованы новые высокопрочные и более жесткие материалы, чтобы масса в известном смысле не опережала механические характеристики.

Важной характеристикой в свете этого является удельный модуль упругости Еуд=G/γ. Промышленные материалы, такие, как сталь, алюминий, титан, стекло – имеют близкие значения Е УД. Для его увеличения конструктор вынужден, в основном, использовать материалы с более низкой плотностью γ и увеличенным размером сечения.

Композиционный материал – это материал, состоящий из двух или нескольких компонентов, отличных по своей природе и химическому составу.

Компоненты образуют единую структуру с границами раздела.

Компонент, непрерывный во всем объеме материала, называется матрицей . Компонент (компоненты) прерывистые, разъединенные матрицей, называются арматурой или армирующим компонентом (фазой). Понятие «армирующий» означает «введенный с целью изменения свойств материала», но всегда «упрочняющий».

КМ принято классифицировать по нескольким основным признакам:

По материалам матрицы и арматуры;

По структуре – геометрии и расположению компонентов;

По методу получения;

По области применения, впрочем, этот принцип классификации используется редко, т.к. разные материалы могут иметь одно применение (или один и тот же материал использоваться для различных целей).

Классификация по материалам

1. КМ на основе металлов и сплавов. Чаще всего используется Al, Mg, Ti, Cu и сплавы на их основе;

2. КМ на основе интерметаллидов, т.е. химических соединений «металл–металл», например TiAl, Ti 3 Al, NiAl, Ni 3 Al и др.;

3. керамические КМ – соединения оксидов, карбидов, нитридов, обладающие высокой жаропрочностью;

4. КМ на основе неметаллов, например на основе углерода;

5. КМ с матрицей из полимеров.

Классификация по структурным признакам

1. Волокнистые КМ (ВКМ);

2. Слоистые КМ;

3. Дисперсно-упрочненные КМ (ДУКМ или ДКМ).

Классификация по методам получения

1. Химические методы, связанные с химическим, электрохимическим и термохимическим осаждением или напылением;

2. Твердофазные методы совмещения матрицы и арматуры (методы порошковой металлургии, сварка взрывом, обработка давлением и т.д.);

3. Жидкофазные методы - пропитка волокон расплавом матрицы на воздухе, в вакууме или инертном газе и др.;

4. Комбинированные методы.

Волокнистые композиционные материалы

Несущим элементом волокнистых композиционных материалов (ВКМ) является волокно, проволока. Эти компоненты имеют высокую прочность, высокий модуль упругости и, как правило, невысокую плотность. Именно волокна определяют уровень свойств композиционных материалов. Наиболее перспективными являются волокна бора и углерода. Они используются для упрочнения матриц из Al, Mg, Ti.

Приведем для сравнения свойств армирующих компонентов следующую таблицу.

Свойства волокон, проволоки и нитевидных кристаллов («усов»).

Матрица скрепляет волокна, защищает от механических повреждений и окисления, передает нагрузку на волокна. При разрушении некоторых волокон матрица перераспределяет напряжения. Состояние поверхности раздела компонентов оказывает существенное влияние на поведение КМ. Эта поверхность представляет собой некоторую область, где протекают различные процессы – растворения, образования новых фаз, перераспределения примесей. Некоторые следователи склонны считать поверхность раздела еще одной фазой.

ВКМ находят применение в авиационной и космической технике, судостроении, автомобилестроении, металлургии, химической промышленности, медицине (ортопедии). Их используют для изготовления корпусных элементов, обшивки, силовых конструкций, поршней, лопаток компрессоров, турбин, протезов, медицинских инструментов. В технологическом отношении необходимо отметить, что правильно выбранная технология оказывает существенное влияние на свойства КМ. При этом следует исходить по крайней мере из 3-х условий. Во-первых, техпроцесс должен обеспечить равномерное распределение волокон при заданном их объемном содержании; они должны быть изолированы между собой слоем матрицы. Во-вторых, механическое повреждение волокон должно быть сведено к минимуму. В-третьих, взаимодействие волокон с окружающей средой и с матрицей в процессе их совмещения и снижение при этом прочности волокон должно быть минимальным.

Механическое поведение ВКМ.

Армирование волокнами дает возможность получать наиболее эффективное упрочнение.

Требования к волокнам:

Высокая прочность;

Высокий модуль упругости;

Легкость изготовления и низкая стоимость;

химическая стабильность.

Разрушение ВКМ состоит из ряда последовательных дискретных этапов. В каждом из них происходит перераспределение напряжений. Трещина возникает в матрице и, развиваясь, встречает препятствие на границе раздела «волокно-матрица». Наступает период относительной стабильности. В подобных композитах сочетаются два противоположных свойства – высокий предел прочности за счет использования высокопрочных волокон и достаточная вязкость разрушения за счет пластичного материала матрицы.

Дадим оценку прочности ВКМ с непрерывными волокнами. В ВКМ непрерывные волокна обычно распределены равномерно по всему объему.

В целях упрощения предположим, что они однородны, прочно скреплены с матрицей так, что при деформировании между ними отсутствует проскальзывание, т.е. деформации композита, волокон и матрицы равны.

.

Схематично кривая «напряжение-деформация» выглядит следующим образом и имеет 4 характерные стадии.

I стадия: упругое волокно и упругая матрица (деформация невелика, оба компонента работают в упругой области).

II стадия: упругое волокно, пластичная матрица (линейна зависимость сохраняется, т.к. модуль упругости волокна много больше модуля упругости матрицы , объемная доля волокон высокая и поведение композита определяется свойствами волокон).

III стадия: пластичные волокно и матрица.

IV стадия: разрушение волокна.

Поведение композита с непрерывными волокнами проще представить, если рассматривать следующую модель.

Здесь σ - растягивающие напряжения, действующие на поперечное сечение ;

τ – напряжения сдвига, воздействующие на площадь .

Пусть к образцу из ВКМ приложена осевая нагрузка P, которая связана с напряжением соотношением

где F – площадь поперечного сечения стержня.

Предположим также, что поверхность разрушения плоская; тогда разрушающая нагрузка P max связана с осевым напряжением разрушения σ max аналогичным образом:

.

Определим теперь прочность КМ при растяжении

.

Поскольку поверхность разрушения проходит через оба компонента, можно записать

,

где F В – площадь волокон в поперечном сечении; F М – площадь матрицы.

Это уравнение можно переписать в ином виде

,

где σ В – средняя прочность волокон в композиции; σ М – среднее напряжение течения в матрице в момент разрушения.

Если в любом поперечном сечении относительная площадь волокон и матрицы одинакова, то последнее уравнение принимает вид

где V B и V M – объемные доли волокон и матрицы соответственно.

Это уравнение называется правилом смеси или аддитивности. Оно широко используется для расчета прочности композиций.

При выводе правила смеси предполагали, что между составляющими композита существует прочная связь. Это означает равенство деформаций разрушения .

Правило смеси имеет определенные границы применения. Это связано с существованием верхней и нижней границ объемных долей волокон и , что в свою очередь определяется технологическими возможностями. При очень плотной укладке волокон матричный материал почти отсутствует, как показано ниже.

Плотная укладка

И, напротив, доля волокон слишком мала, упрочнение незначительно:

V В слишком мало

В силу указанных причин для ВКМ существует понятие оптимальной объемной доли волокон.

Примечание: При малых деформациях правило аддитивности для напряжений можно записать как

Это уравнение выполняется до тех пор, пока не будет достигнута деформация разрушения одной из структурных составляющих.

Разрушение ВКМ с непрерывными волокнами.

Характер разрушения ВКМ зависит от объемного содержания волокон и матрицы и соотношения их деформаций до разрушения.

до разрушения.

а) однократное разрушение.

Ему соответствует диаграмма разрушения

б) множественное разрушение

Диаграмма разрушения при этом имеет вид

Волокна дробятся на меньшие длины. Ниспадающие ветви диаграммы соответствуют вытягиванию концов разорвавшихся волокон из матрицы.

Матрица и волокна могут разрушаться не в одной плоскости.

ВКМ, обладая высоким пределом прочности и еще меньшей пластичностью, чем высокопрочные сплавы, имеют, однако, меньшую чувствительность к концентраторам напряжений и большое сопротивление усталостному разрушению. Это объясняется тем, что у материалов различный механизм развития трещин. В традиционных изотропных высокопрочных сталях и сплавах развитие трещин идет прогрессирующим темпом.

В КМ трещина обычно возникает в матрице и, развиваясь, встречает препятствия на границе раздела «матрица-волокно». Волокна тормозят развитие трещин и наступает период относительной стабильности, в течение которого развитие трещин приостанавливается.

Влияние ориентации волокон.

Волокна не всегда параллельны действующей нагрузке. По расположению компонентов (схемы армирования) КМ могут быть разделены на 3 группы:

1. Композиты с одноосным (линейным) расположением армирующего компонента. Волокна, проволоки или нитевидные кристаллы располагаются в матрице в плоскостях, параллельных друг другу.

2. Композиты с двухосным (плоскостным) расположением армирующего компонента, составляющие которого в виде волокон, фольг, матов из нитевидных волокон и т.п. расположены в матрице в плоскостях, параллельных друг другу.

3. КМ с трехосным (объемным) расположением компонентов, когда невозможно выделить одно или два преимущественных направления в материале.

Размер пучка нити, шаг пучков, плотность упаковки нити в каждом направлении характеризуют свойством ткани.

Пусть Θ – угол между направлением (ориентацией) волокон и направлением нагрузки однонаправленного ВКМ.

1. При небольших Θ разрушение происходит вследствие разрыва волокон.

2. При средних значениях Θ – в результате сдвига матрицы по плоскости, параллельной волокнам, либо по поверхности раздела.

3. При больших углах Θ – либо путем разрыва матрицы, либо по поверхности раздела путем отрыва .

Если принять, что σ 0 – прочность композита при Θ=0 0 ;

τ м – предел прочности матрицы на сдвиг;

σ м – предел прочности матрицы при растяжении, то графически зависимость прочности композита σ К от угла Θ выг8лядит следующим образом

Волокнистые композиционные материалы с дискретными волокнами.

Здесь, как и в предыдущем случае, обратим внимание скорее на качественную сторону вопроса без достаточно строгого вывода основных формул.

В том случае, когда армирующие волокна непрерывны, напряжения в них постоянны по всей длине за исключением концевых участков. При малом разбросе частных значений прочности волокон в момент разрушения композиции напряжения почти во всех волокнах достигают их предела прочности. Если же композиция армирована короткими волокнами или усами, то активная роль матрицы состоит в том, чтобы путем пластической деформации передать напряжения волокнам и нагрузить их. В КМ с непрерывными волокнами (особенно высокопрочными) активная роль матрицы состоит скорее в том, чтобы «сплотить» волокна, заставить их работать как единое целое.

Матрица передает нагрузку в результате сдвиговых напряжений на поверхность волокна вблизи разрушенных волокон.

Рассмотрим распределение напряжений в волокне конечной длины l, находящемся в материале матрицы. При этом будем считать, что волокно и матрица работает в упругой области. Если нагрузка приложена к матрице, то в упругой области последняя удлиняется пропорционально напряжению.

Модули упругости соотносятся как - это условие является основным для получения композиции с более высокими механическими свойствами. Т.е. волокно будет ограничивать свободное удлинение матрицы в соседней с волокном зоне.

Рассматриваем отдельно взятое волокно, окруженное матрицей. Влияние других волокон в нашей модели исключается.

Ненагруженное состояние

Схема совместной деформации волокна и матрицы (а) и эпюры распределения растягивающих напряжений в волокне и напряжений сдвига на поверхности раздела «волокно – матрица» в упругом (б) и упруго – пластическом приближении (в).

На некотором удалении от волокна матрица свободно и равномерно пластически удлиняется, тогда как в прилегающей к волокну зоне удлинение матрицы будет равняться упругому удлинению последнего. Это приводит к возмущению поля деформации в прилежащей к волокну зоне. По мере удаления от волокна его возмущающее действие ослабевает, пока полностью не сойдет на нет.

Предполагается, что между волокном и матрицей существует идеальная связь и отсутствует передача напряжений через торцы волокна. Это распределение растягивающего напряжения σ вдоль волокна показано на рисунке б.

Поскольку нагрузка не передается через торцы волокна, то растягивающее напряжение увеличивается от нуля на его концах до максимального значения в точке l кр /2. Критическая длина lкр определяется как длина короткого волокна, которая необходима для достижения напряжения, равного напряжению в волокне бесконечной длины.

Распределение касательных напряжений τ вдоль поверхности раздела нетрудно найти, если рассмотреть равновесие сил, действующих на элемент волокна. Касательные напряжения максимальны на концах волокон и минимальны в середине волокна (рис.б).

Анализ отношения τ max /σ max показывает, что максимальные касательные напряжения на поверхности раздела могут достигать и превышать предел текучести матрицы. В этом случае матрица пластически деформируется, и эпюры напряжений будут такими, как это показано на рис. В. При небольшой растягивающей нагрузке изменение касательных напряжений определяется упругим поведением матрицы. По мере увеличения нагрузки максимальные значения ограничиваются пределом текучести матрицы τ Т.

Таким образом, упругопластическое поведение матрицы представляется более вероятным в процессе работы композиции. За пределами упругой области длина передачи нагрузки и, следовательно, l кр зависят от напряжения разрушения волокна. Эту зависимость легко получить из уравнения равновесия элементов волокна и матрицы в предположении равенства τ пределу текучести матрицы τ Т.

,

где - напряжение разрушения волокна.

Из этого выражения следует, что критическая длина волокна l кр возрастает пропорционально напряжению разрушения волокна.

В рассмотренной выше модели не учитывалось влияние соседних волокон на распределение напряжений и деформацию. Существуют работы, где приводятся расчеты распределения σ вдоль оси волокна и распределения τ по периметру волокна в зависимости от расположения соседних волокон.

В современной промышленности вряд ли найдется такая отрасль, где не использовались бы те или иные композиционные материалы (КМ). Для материаловедения весьма актуальной является задача получения КМ с требуемым комплексом свойств. Решение данной задачи в значительной степени связано с изучением процессов самоорганизации, устойчивости и распада различных неравновесных полиструктурных систем, к которым с полным основанием могут быть отнесены КМ. Главным признаком композитов является способность образовывать в процессе формирования специфические структуры из частиц наполнителя и матрицы. В результате новый составной материал приобретает неаддитивные, иногда уникальные свойства, не присущие составляющим КМ в отдельности. К таким структурам, прежде всего, могут быть отнесены кластерные, решеточные и каркасные.

Из всех физико-механических показателей КМ прочность является одной из наиболее сложнопрогнозируемых величин. Она непосредственно определяется вероятностными процессами возникновения и развития структурных повреждений в нагруженных композитах. Природа экстремального изменения прочности при повышении содержания наполнителя в КМ интересна и мало изучена. Тем не менее, характер ее изменения находит вполне ясное описание в довольно простых математических моделях дисперсно-наполненных композитов, предлагаемых А.Н. Бобрышевым, В.Т. Ерофеевым, В.Н. Козомазовым .

Физико-механический показатель прочности КМ с дисперсным наполнителем непосредственно зависит от процентного соотношения объема матрицы и наполнителя. С повышением содержания наполнителя в КМ развиваются два одновременных альтернативных процесса в большей мере обусловленных возникновением границы раздела между фазами в композите и поэтому обязанных проявлению комплексных свойств, не присущих компонентам в отдельности.

С одной стороны, протекает процесс упрочнения композита за счет введения в матрицу дисперсных частиц. Такое упрочнение преимущественно осуществляется в результате близкодействующего взаимодействия отдельных частиц наполнителя, способствующего переводу матричного материала в контактном пространстве между частицами наполнителя из его объемного состояния в пленочное с более высокой прочностью и структурированностью.

С другой стороны, в композите проявляется процесс разупрочнения, развивающийся с повышением содержания наполнителя. Прежде всего, источником дефектов является поверхность раздела фаз. Кроме того, с повышением содержания наполнителя в КМ проявляется пустотность, вызванная дефицитом связующего материала.