Структура и свойства композиционного материала

выборе армирующих волокон необходимо учитывать, что удельная прочность волокон должна быть больше удельной прочности матрицы. Для упрочнения матрицы из сплава НП-2(N1) выбираем 09X13H13 H2 диаметром 170 мкм (см.таблицу2), так как они обладают наименьшими энергетическими затратами на изготовление. Для матрицы из МоSi₂ выбираем волокна Урал-15 диаметром 6 мкм.

Проверим выполнение условия удельной прочности. Для волокон 09X13H13 H2 прочность соответствует 3100 МПа, а плотность - 7800 кг/м³ (см. таблицу 2), следовательно

 м

Для волокон из Урал-15 прочность соответствует 1600 МПа, а плотность – 1550 кг/м³ (см. таблицу 2), следовательно

 м

Таким образом, условие удельной прочности выполняется, т.е. удельная прочность волокон больше удельной прочности матрицы.

4 Определение критической длины волокна

Критическая длина волокна – это длина волокна, при которой начинается упрочнение материала при введении арматуры в матрицу. Критическая длина волокна _кр, мкм, определяется по формуле

,

где d_В – диаметр волокна, мкм;

 - прочность при растяжении волокна, МПа;

 - прочность границы раздела «волокно-матрица», МПа.

Для ужесточения расчета предполагаем, что разрушение матрицы происходит от сдвиговых напряжений, определяющих прочность границы раздела «волокно-матрица»

,

где  - прочность матрицы при растяжении, МПа.

Для матрицы из сплава НП-2(N1)  прочность соответствует 450МПа, а для матрицы из МоSi₂ - 60МПа (см. таблицу 1), отсюда

, МПа;

, МПа.

Следовательно, критическая длина волокна будет равна

, мкм;

, мкм.

5 Разработка рецептуры композиционного материала

Расчет концентрации хаотичных дискретных волокон проводим с использованием зависимости прочности композиционного материала при растяжении от свойств компонентов и доли волокна

,

где  - прочность КМ при растяжении, МПа;

 - объемная доля волокна.

Приравниваем  МПа, т.е. напряжению растяжения в стержне. Из выше приведенного уравнения выражаем концентрацию (объемную долю) волокна V_В

_;

6 Уточнение выбора компонентов и рецептуры проектируемых композиционных материалов по удельным энергетическим затратам

Рассчитываем удельные энергетические затраты W, кДж/кг, на изготовление КМ по формуле

,

где  ,  - энергетические затраты на изготовление волокна и матрицы, соответственно.

Энергетические затраты на изготовление волокна из 09X13H13 составляют 1180 кДж/кг, а на изготовление матрицы из сплава НП-2(N1) - 600кДж/кг (см. таблицы 1,2), отсюда

кДж/кг

Энергетические затраты на изготовление волокна из Урал-15 составляют 1200кДж/кг, а на изготовление матрицы из МоSi₂ - 590 кДж/кг (см. таблицы 1,2 ), отсюда

 кДж/кг

7 Уточнение стадий проектирования композиционного материала

На этой стадии проводится повторный расчет по всем указанным этапам с использованием вновь полученных данных и, главное, проверяется соблюдение условий и требований, заложенных в техническом задании.

3.7.1 Уточнение расчета плотности КМ

Расчет плотности , кг/м³, проектируемого композиционного материала проводим исходя из правила аддитивности

,

где  ,- плотность волокна и матрицы соответственно.

Плотность волокна  из 09X13H13M2 соответствует 7800 кг/м³ (см. таблицу 2),объемная доля волокна  равна 0.094; плотность матрицы - 7800 кг/м³ (см. таблицу 1), отсюда

, кг/м³.

Плотность волокна  из Уран-15 составляет 1550 кг/м³ (см. таблицу 2), объемная доля волокна 0,416; плотность матрицы из МоSi₂ - 6240кг/м³ (см. таблицу 1), отсюда

 кг/м³.

Таким образом для композиционного материала не выдерживается ограничение по плотности, а композиционного материала НП-2(N1) расчетная величина плотности входит в интервал  _кг/м³.

3.7.2 Расчет общих удельных энергетических затрат

Проводим расчеты общих удельных энергетических затрат , кДж/кг, на изготовление стержня по двум вариантам проектируемого композиционного материала

,

где - удельные энергетические затраты на изготовление КМ методом экструдирования, кДж/кг;

-удельные энергетические затраты на изготовление расчетного композиционного материала, кДж/кг.

Для изготовления металлического композиционного материала методом экструдирования энергетические затраты составляют 2 МДж/кг, а с полимерной в 1,5 раза меньше (см. исходные данные).Энергетические затраты на изготовление КМ из сплава НП-2, упрочненного волокнами из 09X13H13M2, составляют 1119.9 кДж/кг, а затраты на изготовление материала из МоSi₂, упрочненного волокнами Урал-15 – 921,6 кДж/кг (см. пункт 5 методических указаний), отсюда

 кДж/кг

 кДж/кг

Таким образом, общие удельные энергетические затраты на изготовление КМ с керамической матрицей ниже удельных энергетических затрат на изготовление композиционного материала с металлической матрицей.

3.7.3 Уточнение расчета удельной прочности

Расчет удельной прочности , м, проектируемого композиционного материала