Обоснование актуальности использования КМ

Обоснование актуальности использования КМ

Улучшение прочностных характеристик конструкционных материалов считается одной из основных проблем в машиностроении. Повышение прочности материалов ведет к резкому снижению их пластичности, склонности к хрупкому разрушению. Все это крайне ограничивает применение материалов, имеющих высокую прочность, в качестве конструкционного материала. Эта проблема решается путем использования композиционного материала.

Получая КМ, в результате имеем материал с высокой удельной прочностью (3500 МПа), которая сочетается с высокой жесткостью (модулем упругости 130…140-240 ГПа)  и небольшой плотностью (легкость КМ), а также: высокая износостойкость; высокая усталостная прочность и из КМ возможно изготовить  размеростабильные конструкции, свободный выбор геометрии изделия, а еще можно управлять прочностными и жесткостными хар-ками конструкциис помощью анизотропии механических св-в материала.

Их использование позволяет снизить массу конструкции на 25-50%. За счет их применения можно увеличить эксплуатационный ресурс, снизить до минимума потери от коррозии, расход топлива.

пример: Первым самолетом, где были применены композитные материалы, был Airbus 380 Доля композитных материалов в нем достигала 30 %. В следующем году намечен выпуск нового самолета, в котором будет применено уже 52 % композитных материалов.

Существуют и недостатки у КМ экология, дороговизна и электропроводность(безопасность) и д.р. но тут не будем об этом писать.

Определение КМ и основа разработки КМ

Композиционные материалы (КМ) — искусственно созданные неоднородные сплошные сложные материалы, состоящие из 2-х или более компонентов (дискретных элементов и связующей их матрицы) из химически разнородных компонентов, нерастворимых друг в друге и связанных между собой в результате адгезии и обладающие специфическими свойствами, отличными от суммарных свойств составляющих их компонентов.

Основа разработки КМ

1. Условия эксплуатации изделия определяют основные требования к свойствам композита и его компонентов.

2. Выбор материала матрицы определяется в первую очередь рабочей температурой композиционного материала, а также механическими, химическими и физическими параметрами требующего КМ.

3. В выборе материала волокон руководствуются четырьмя критериями:

● видом прочности композита (постоянной или ударной);

● жёсткостью (деформируемостью) композита;

● смачиванием волокна и его химической устойчивостью в расплаве матрицы.

Выбор конфигурации армирующего элемента композита определяется следующими факторами:

● зависимостью прочности композита от ориентации волокон;

● гибкостью волокон;

● экономическими затратами на изготовление

4. Затем оптимизируют состав композита по технико-экономическим критериям.

5. Выбор материала матрицы и геометрической структуры композита диктует выбор способа его изготовления.

Разработка композиционного материала, как правило, базируется на результатах научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области материаловедения.

Варианты взаимодействия в КМ

- свойства КМ определяются из взаимодействия компонентов

Взаимодействием между волокном и матрицей (межфазное взаимодействие):

1. механические взаимодействия (Механическое скрепление);

Процесс механического совмещения компонентов ПКМ представляет собой два следующих друг за другом процесса:

1) Смачивание поверхности наполнителя;

2) Адсорбция - процесс поглощения компонента (нескольких компонентов) из газовой смеси или жидкого раствора твердым материалом.

2. физическое взаимодействие (адгезия);

Адгезия – молекулярная связь, возникающая между поверхностями разнородных тел, приведенных в контакт.

3. химические взаимодействия (нежелательны, так как такое взаимодействие разрушаю материал)

(а) Растворение и смачиваемость связующего.

(б) Связующие реакции.

Улучшение межфазного сцепления в композиционных материалах, как правило, достигается двумя способами:

• Обработка поверхности армирующих компонентов.

• Модификация матрицы.

Термодинамическая совместимость материалов матрицы и наполнителей

Термодинамическая совместимость - это способность матрицы и армирующих элементов находиться в состоянии термодинамического равновесия неограниченное время при температурах получения и эксплуатации.

Деградация компонентов КМ

Деградация – процесс ухудшения характеристик объекта с течением времени вследствие внешнего взаимодействия.

Свойства границы раздела определяются адгезионным взаимодействием и с одной стороны должны обеспечить монолитность материала. С другой стороны такое взаимодействие не должно приводить к деградации компонентов в результате диффузионных или химических процессов.

Пример: окисление углеродных волокон; обугливание полимерных волокон в расплаве металла.

Адгезия — сцепление поверхностей разнородных тел.

Адгезия обусловлена межмолекулярными взаимодействиями (Ван-дер-Ваальсовыми, полярными, иногда — химическими или взаимной диффузией) в поверхностном слое и характеризуется удельной работой, необходимой для разделения поверхностей.

Вид уравнения

Уравнение выглядит следующим образом:

где σ₁₂ — поверхностное натяжение на границе раздела двух фаз (жидкость-газ), cosθ — краевой угол смачивания, Wa — обратимая работа адгезии.

Физический смысл

Наглядный пример смачивания жидкостью твёрдой поверхности. А — краевой угол много больше 90° и как следствие плохое смачивание (капля имеет почти шарообразную форму и слабое взаимодействие с твёрдой поверхностью), В и С — краевой угол меньше θ<90°, капли жидкости приобретают менискообразную форму (лучшее взаимодействие с твёрдой поверхностью), S —краевой угол θ=0°(по сути его нет) — полное смачивание, происходит растекание жидкости по твёрдой поверхности.

Уравнение Дюпре — Юнга позволяет вычислять работу адгезии жидкости к твёрдому телу, поскольку входящие в неё величины (θ и σ_ЖГ) могут быть достаточно легко определены, в отличие от величин σ_ТЖ и σ_ТГ.

 

 

Методы анализа свойств КМ

Свойства композита определяются усредненными характеристиками материалов матрицы и наполнителя. Если взять два вещества с близкими свойствами и образовать из них композиционный материал, то свойство КМ будет среднее. По характеру воздействия на материал методы испытаний разделяются на:

-прямые - разрушающие и методы, основанные на непосредственном измерении перемещений и деформаций, т. е. методы механических испытаний;

 -косвенные - неразрушающие методы.

У неразрушающих методов испытаний выделяются три направления:

 -контроль физико-механических характеристик,

 -дефектоскопия элементов конструкций

 -измерение напряжений.

Косвенные неразрушающие методы исключительно важны, но они должны быть обоснованы и проверены при помощи прямых методов. С помощью прямых методов испытаний получают сведения о свойствах конструкционных материалов, необходимых при проектировании разных конструкций.

Наиболее перспективные прямые методы кратковременных статистических испытаний композитов на растяжение, сжатие, сдвиг и изгиб.

 

ПРИМЕРЫ:

Определение предела прочности при растяжении и сжатии. Образцы для испытаний на растяжение плоские – в виде двусторонних лопаточек; при испытаниях на сжатие – прямоугольные параллелепипеды.

Испытания на растяжение проводят на образцах, вырезанных в трех направлениях: вдоль и поперек листа и под углом в 45° (рис. 2.24, а). Испытанию на сжатие подвергают образцы, вырезанные параллельно и перпендикулярно направлению слоев (рис. 2.24, б).

Испытания проводятся на обычных универсальных разрывных машинах с применением специальных приспособлений для закрепления образцов, а также на специальных машинах.

Рис. 2.24. Вырезка образцов слоистого пластика для испытаний:

а – на растяжение; б – на сжатие; в – на изгиб

Предел прочности и при растяжении, и при сжатии определяют как отношение разрушающего усилия к площади поперечного сечения образца: σΒ = P/(bh), где Р – разрушающая нагрузка, b и h – ширина и толщина (высота) образца до испытания.

Определение предела прочности при изгибе проводится на образцах прямоугольного сечения, вырезанных как вдоль, так и поперек листа. Испытания проводят при сосредоточенном (трехточечном) изгибе (рис. 2.24, в).

Предел прочности определяется по формуле σизг = M/W, где М – изгибающий момент, М = Р1/ 2; Р – разрушающая сила; I – расстояние между опорами; W – момент сопротивления, W = (bh) 2 / 6; b и h – ширина и высота образца до испытания.

Определение ударной вязкости проводится на образцах с надрезом прямоугольной формы и без надреза. Оценивают коэффициент ослабления ударной вязкости – отношение значений ударной вязкости образца с надрезом к образцу без надреза.

Определение твердости выполняется по методу Бринелля,: диаметр шарика 5 мм, нагрузка 250 кгс (2452 H), толщина образцов не менее 5 мм.

Помимо стандартных механических проводится определение специфических свойств (например, прочность кольцевых образцов для композитов, определение температуры хрупкости). Выбор испытаний тех или иных свойств определяется условиями эксплуатации изделий. Ниже рассмотрены некоторые специальные методы испытаний.

Испытания на растяжение и сжатие кольцевых образцов связаны с распространением намоточных технологий формообразования композитов. Одним из методов определения прочности является метод равномерного давления (рис. 2.27, а, б), создаваемого гидравлической системой. При этом предел прочности (П) определяется следующими зависимостями:   и    соответственно при растяжении и сжатии, где р – разрушающее давление;   и   – внутренний и наружный диаметр кольца соответственно; h – толщина стенки кольца.

Рис. 2.27. Определение прочности кольцевых образцов на растяжение (а), сжатие (б), прочности при межслойном сдвиге (в)

Испытания на межслойный сдвиг вызваны тем, что большинство слоистых и волокнистых композитов слабо сопротивляются межслойному сдвигу (относительное перемещение слоев композита). Один из методов испытаний – кручение образцов с кольцевой проточкой (рис. 2.27, в). Сопротивление сдвигу () определяют соотношением разрушающего крутящего момента () и момента сопротивления кручению:, где

Установлено , что в пределах    отношения длина рабочей части образца () не влияет на значения сдвиговой прочности ().

 

 

 

 

 

Обоснование актуальности использования КМ

Улучшение прочностных характеристик конструкционных материалов считается одной из основных проблем в машиностроении. Повышение прочности материалов ведет к резкому снижению их пластичности, склонности к хрупкому разрушению. Все это крайне ограничивает применение материалов, имеющих высокую прочность, в качестве конструкционного материала. Эта проблема решается путем использования композиционного материала.

Получая КМ, в результате имеем материал с высокой удельной прочностью (3500 МПа), которая сочетается с высокой жесткостью (модулем упругости 130…140-240 ГПа)  и небольшой плотностью (легкость КМ), а также: высокая износостойкость; высокая усталостная прочность и из КМ возможно изготовить  размеростабильные конструкции, свободный выбор геометрии изделия, а еще можно управлять прочностными и жесткостными хар-ками конструкциис помощью анизотропии механических св-в материала.

Их использование позволяет снизить массу конструкции на 25-50%. За счет их применения можно увеличить эксплуатационный ресурс, снизить до минимума потери от коррозии, расход топлива.

пример: Первым самолетом, где были применены композитные материалы, был Airbus 380 Доля композитных материалов в нем достигала 30 %. В следующем году намечен выпуск нового самолета, в котором будет применено уже 52 % композитных материалов.

Существуют и недостатки у КМ экология, дороговизна и электропроводность(безопасность) и д.р. но тут не будем об этом писать.