compozite ranforsate sunt cele mai interesante si promitatoare materiale pentru tehnologia modernă. Ele sunt angajate în dezvoltarea de sute de laboratoare din întreaga lume. Ideea care stă la baza acestor evoluții, este simplă și directă. Pentru a intari unele materiale (matrice), este necesar să se introducă fibrele având o mai mare decât rezistența matrice. Astfel, ei trebuie să fie legat în siguranță la matrice și sunt aranjate astfel încât să ia cea mai mare parte a sarcinii care acționează asupra materialului.
Această idee este nici o modalitate de a recunoaște noul. Dacă vă gândiți la cărămizi și paie, cunoscute de mii de ani, pe beton. inventat în urmă cu mai mult de 100 de ani, din polimeri armate cu fibre naturale, care au fost create la începutul secolului XX, și altele. Dar acum, consolidarea ideii a apărut într-o nouă lumină.
Proprietățile materialelor armate
materiale ranforsate nu sunt considerate anterior ca grele, superrigid, extra-vâscos, supraconductoare, și așa mai departe. N. Acum, este de așteptat de la ei toate aceste „super-...“ Și nu este doar de așteptat, dar, de asemenea, să primească proprietăți nu pot fi atinse în materialele convenționale. compozite ranforsate câștigă aplicații noi în fiecare an - de la rachete de tenis și schiuri pentru aeronave și nave spațiale.
Pune-te în designerul care a proiectat toată viața piese din aliaj, și apoi spune-i că-i construit din fibra de carbon. Nici cărbune, nici rășină nu poate inspira încredere într-un om care știe cât de fragilă, fragile și nesigure sunt.
Și nu este ușor să-l convingă că compozit de fibre de carbon și rășină - nu este ceva ce gudron de cărbune și individual. El nu are încredere. Ea vine doar ca rezultat al experienței și că experiența a venit, trebuie să decidă cu privire la aplicarea de noi materiale, în cazul în care utilizarea sa au temut. E un cerc vicios, care este uneori dificil de a sparge decât materialul cel mai durabil.
Pentru oamenii de știință materiale compozite ranforsate, de asemenea, au fost neobișnuite, astfel încât timpul de a face cu ei nu este foarte activ. Dar, din moment ce 60-e ale secolului XX. situația sa schimbat drastic. Motivul pentru care a fost suficient de puternic pentru a încălzi interesul de materiale ranforsate la limita. Din acest motiv - o caracteristică importantă compozite întărite, ceea ce le distinge de materialele traditionale - anizotropie lor pronunțat.
Anizotropia și izotropie
Anizotropie - dependența de proprietățile materialului (mediu) al direcției. Și atunci există conceptul de izotropie - independența proprietăților pe direcția. În consecință, izotrope proprietățile materialului în toate direcțiile sunt aceleași, în timp ce anizotropică - diferit. Ele sunt izotropă cărămidă, cretă, ceară, oțel turnat, o bucată de lut; anizotropic - lemn, mica, os, placaj. (Mai multe: biocompozite).
monocristale (cristale simple) este întotdeauna anizotrop. La acești atomi sunt aranjate ordonat, iar acest lucru conduce la faptul că, în direcții diferite între atomii distanțe diferite, cantități diferite de interacțiuni de forță, și proprietăți în consecință, diferite.
metale sunt izotropă
Cele mai multe metale și aliaje, care au de obicei, să se ocupe de aproape izotrop. deși au o structură cristalină. Ce o contradicție aici, deoarece numai că a afirmat că cristalele sunt anizotrope.
Nu există nici o contradicție. Metale obișnuite și aliaje au o structură policristalină. Aceasta înseamnă că acestea constau dintr-un număr mare de cristale mici (granule), având o dimensiune de câțiva micrometri până la câțiva milimetri, fiecare dintre care poate ocupa orice poziție în spațiu.
Astfel de boabe aranjament haotic duce la o medie a proprietăților unui policristalină în toate direcțiile și devine izotropie. În cazul în care boabele să se orienteze într-o anumită direcție (cu ajutorul rulare, presare, desen, și așa mai departe. P.), policristalină devine anizotrop. Dar acest anizotropie este relativ ușoară, acesta poate fi obținut ca urmare a unor deformări plastice a materialului.
compozite ranforsate sunt anizotrope
, Montantul compozite anizotropia este structural, adică, este prevăzută în materialul se bazează în special pe condițiile de muncă sale viitoare. Ea și-a exprimat sunt, de obicei, foarte brusc.
Este bine sau rău? Totul depinde de circumstanțele specifice. În unele cazuri, materialele izotrope nevoie, în altele - anizotrope. Dar, dacă o afacere bună, se pare că materialele de multe ori izotrope sunt utilizate în cazul în care nu este necesară izotropia.
Materialul pentru lame unei turbine cu gaz
Să presupunem că doriți să dezvolte un material pentru lame de tip turbină cu gaz. Aceste lame se rotesc foarte repede, și inerție le face mari eforturi de întindere dirijate de-a lungul razei de rotație. Numiți-o direcție radială. În alte direcții, în particular circumferențial (de-a lungul unei tangente la cercul de rotație) tensiune mică. Desigur, trebuie să ne bazăm pe lama cea mai mare stres, în caz contrar se va prăbuși.
Dacă lama este făcută din material izotrop și este proiectat pentru sarcini radiale în direcția circumferențială a obținut printr-o rezistență mare. Această putere în această direcție nu este absolut necesar, dar nimic nu se poate face, excedentul este natura materialului utilizat.
Creați un material anizotrop
Dar crearea unui material de anizotrop. proprietățile sale pot fi ajustate în direcții diferite, în conformitate cu tensiunile din ea. În această direcție, în cazul în care acestea sunt, pentru a face mai durabil, și în cazul în care mici - mai puțin. Cum să-l pună în aplicare în practică? Pur și simplu - de armare. O modalitate de a stabili mai multe fibre în cealaltă - mai puțin.
Deci, familiar întrebarea tradițională de material - ceea ce este puterea (duritate, rezistivitate electrică, conductivitate termică, etc ...) - de la sine pentru compozite armate lipsite de sens. Este nevoie în mod necesar o chestiune de răspuns, și în ce direcție? Deoarece compozite armate - este materiale anizotrope, și proprietățile lor în direcții diferite pot fi diferite de zeci de ori.
De exemplu, rășini epoxidice armate cu fibre paralele de bor, are o rezistență la tracțiune de-a lungul fibrelor de peste 1000 MPa și în direcția transversală - cel puțin 100 MPa. Într-o direcție compozit armat poate fi un conductor, iar celălalt - un dielectric (de exemplu, materiale compozite de carbon).
Pentru a caracteriza materialul anizotrop nevoie de mai multă performanță decât izotrop. Aceasta depinde de natura anizotropiei.
modulul lui Young
Luați în considerare această problemă într-un exemplu de caracteristicile materialului - modulul de elasticitate sau modulul lui Young.
Pentru a începe cu vom înțelege, ce este. Deși programa școlară modulul Young este listat, esența ei este oarecum prost stocate. Ce rezistență - este tensiunea la care materialul este distrus, asimilat cu ușurință. Dar că, în notație matematică legea lui Hooke (σ = Eε) stabilirea de proporționalitate σ stres și ε deformarea relativă a materialului elastic are un coeficient de proporționalitate E, numit modulul de elasticitate sau modulul lui Young, nu toate amintesc.
Acest factor - o caracteristică foarte importantă a materialului, care determină comportamentul sub sarcină. E, mai mare, este, materialul este mai rigid, cu atât mai puțin este deformată la o anumită sarcină. Cantitatea E este inclusă în multe din formulele care determină structurile maxime admisibile de încărcare. Ea determină rigiditatea materialului. Pentru mai multe modele, împreună cu valoarea absolută a E este importantă, valoarea specifică raportul modulului E / γ (γ - densitatea materialului). Se pare a fi ușor.
Acum, încercați să înțelegeți următoarele:
Modulus este orice substanță pilon această substanță este capabilă să producă o presiune pe baza sa, care este atât de legată de greutate, ceea ce duce la un anumit grad de comprimare, deoarece lungimea medicamentului de a reduce această lungime.
Dupa ce a citit acest puzzle la omul cel mai probabil, curios a pierdut dorința de a face cu modulul de elasticitate și de a înțelege ceea ce este.
În același timp, definiția dată în 1807 de către Young - el este primul care a introdus acest material caracteristică. Inginerii au început să-l folosească după aproximativ o jumătate de secol. Este posibil ca acesta a luat-le atât de mult pentru a trece peste aceasta după ce a citit definiția lui Jung.
Complexitatea prezentării lui Jung ușor de a ierta. În timpul său, nu a existat concepte de stres și tulpina, și să încerce să determine ce e fără aceste concepte. În plus, el a fost un mare învățat și multe mare iertat, inclusiv complexitatea limbajului.
Dacă materialul este izotrop, atunci un modulul lui Young (ca o rezistență la tracțiune, o rezistență electrică, un coeficient de dilatare termică și altele asemenea. D.). Și dacă materialul este anizotropic - că cel puțin două, și, probabil, mai mult.
Ia cel mai simplu caz dintr-un material armat cu fibre anizotrope, atunci când toate fibrele sunt orientate într-o singură direcție. Un astfel de compozit se referă la un izotrop transversal (sau transtropic) materiale. Dacă modulul lui Young al fibrelor este mai mare decât matricea, fibra compozit de-a lungul rigiditatea va fi mai mare decât în direcția transversală.
Pentru caracterizarea acestui compozit trebuie să intre două modul de elasticitate, una care ia în considerare dependența de tensiune-deformație într-o direcție paralelă cu fibrele (E ‖), altele - în direcție perpendiculară (E perp). În orice altă direcție valoarea E poate fi calculată din valorile cunoscute ale E și E ‖ făptașul.
Alte caracteristici ale materialelor anizotrope
De asemenea, printre modulul lui Young al constantele elastice ale materialului includ modul de forfecare, raportul modulul vrac, raportul Poisson. Și tot ce sa spus despre modulul lui Young, se aplică aceste caracteristici, de asemenea.
materiale izotrope au doar trei constante independente elastice, transversal izotrope - cinci, orto-tropic (care includ materiale compozite armate cu două direcții reciproc perpendiculare) - nouă. In cazul cel mai general al unui număr de material anizotrop caracteristicilor sale elastice pot fi de până la 21 de ani.
Toate cele de mai sus se aplică la putere. În descrierea conductivității termice, dilatare termică, conductivitate electrică și alte proprietăți fizice ale materialelor anizotrope, de asemenea, trebuie să intre în diferite direcții de performanță a acestora.
sisteme de anizotrope
Este clar că pentru a rezolva problemele legate de comportamentul sistemelor anizotrope. mult mai greu decât izotrop. Soluția lor a trebuit să se dezvolte tehnici speciale pentru a crea o teorie a mass-media anizotrope. Apariția unor noi materiale ranforsate a stimulat aceste evoluții.
La determinarea proprietăților materialelor anizotrope trebuie să suporte mult mai multe probe decât atunci când este testat izotrop. De exemplu, pentru identificarea tuturor constantele elastice ale materialului ortotropic pentru a testa șase specimene diferite în tensiune, izotrop - doar unul.
In testele de compozite anizotrope trebuie să țină cont de particularitățile comportamentului lor, materialele convenționale sunt absente. Deci, atunci când întins pot apărea deformarea de forfecare, și bara, care avea forma unui paralelipiped, deformate, devin paralelipiped oblic.
Indoire rotund o probă cilindrică a unui compozit anizotrop poate fi însoțită de pierderea de o formă de cerc, îndoire și răsucirea axei sale, și așa mai departe. Toate aceste caracteristici necesită atenție în calculul structurilor materiale anizotrope.
Și o astfel de construcție sunt tot mai folosite în domeniu. rezervoare imense pentru depozitarea diferitelor lichide, corpul de submarine și rachete, nave sferice pentru diverse aplicații, elice lama elicopter, lame de turbine de aeronave și camioane care transportă construcția de panouri solare și alte articole de diverse forme și dimensiuni de azi sunt realizate din materiale anizotrope. Mai mult decât atât fabricate rațional proiectarea atât a produsului și materialul.
Poate că aceasta este una dintre cele mai importante avantaje ale compozitelor anizotrope - posibilitatea de material de construcție sub un anumit produs, ținând seama de condițiile de muncă și robustețe.
De exemplu, în cazul în care se știe că sunt de două ori mai mult decât axial, apoi plasate fibrele circumferențial de două ori decât de-a lungul axei, vom oferi o rezistență uniformă o fibră exemplară armat compozit în aceste direcții cilindrice tensiune vas în direcția circumferinței. Aceasta este proiectarea rațională a navei, în acest caz.
De multe ori produsul și materialul compozit sub el, nu numai că sunt proiectate împreună, dar în același timp sunt făcute. Acest lucru este foarte important punct de vedere economic, deoarece operațiunile sunt excluse, iar tratamentul de presiune prin tăiere, sudură și m. P. Care sunt necesare pentru producerea de piese din materiale izotrope convenționale.
Motivul pentru care acest lucru a trezit un interes deosebit pentru compozite armate. A fost recunoașterea faptului că fibrele subțiri pot obține mult mai multe puncte forte decât materiale în vrac.