МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (МОСКОВСКИЙ ПОЛИТЕ) Транспортный факультет Направление подготовки: 01.03.02 «Прикладная математика и информатика» Кафедра «Динамика, прочность машин и сопротивление материалов» Лабораторная работа № 4 «Армирование композиционных материалов» Выполнил: Студент: Аширов А.А. Группа: 221-171 Проверил: Склемина О. Ю. Дата: ____________ Подпись: __________ Москва, 2023 Цель работы и задачи. Цель работы: изучение структуры и состава армированных композиционных материалов. Задание: изучить строение, виды и свойства армированных композиционных материалов. Задачи: 1. Изучить изложенный материал, а также повторить материал лекции №3. 2. Ответить на вопросы в письменном виде в форме отчета по лабораторной работе. Ответы на вопросы. 1. Что называется композиционными материалами (КМ) и какова их структура? Ответ: Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят отличающиеся по свойствам нерастворимые друг в друге компоненты. Основой композиционных материалов является сравнительно пластичный материал, называемый матрицей. В матрице равномерно распределены более твердые и прочные вещества, называемые упрочнителями или наполнителями. Матрица может быть металлической, полимерной, углеродной и керамической. 2. Какие существуют упрочнители для КМ? Ответ: По форме упрочнителя КМ делятся на дисперсно-упрочненные (с нульмерными упрочнителями), волокнистые (с одномерными упрочнителями) и сложные (с двумерными упрочнителями). 3. Расскажите об особенностях КМ с нульмерными упрочнителями. Ответ: Нульмерные упрочнители имеют очень малые размеры одного порядка во всех трех измерениях. Ими являются дисперсные частички карбидов, оксидов, нитридов и др 4. Какие бывают формы наполнителя? Ответ: По форме наполнители бывают нульмерными, одномерными и двухмерными. 5. Нарисуйте схемы армирования. Ответ: 6. Какие роли играют в КМ матрица и наполнитель? Ответ: Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям. 7. Каковы структура и свойства КМ (одномерные, двумерные наполнители)? Ответ: композитные материалы обладают высокой прочностью, легким весом при этом хорошо сочетаются с другими материалами. Одномерные наполнители обладают высокой прочностью и жесткостью вдоль своей оси, но не сильно обладают изгибной прочностью. Двумерные наполнители, такие как волокна или частицы, могут придавать материалу как плоскостную, так и изотропную жесткость и прочность. 8. Что Вы знаете о полиармированных и матричных КМ? Ответ: Полиармированные КМ - это КМ, в которых наполнитель состоит из нескольких видов волокон, частиц, тканей и т.д. Матричные КМ- это КМ, в которых наполнитель находится в матрице, которая выполняет функцию связующего элемента. Матрица может быть изготовлена из различных материалов, таких как полимеры, металлы, керамика или их сочетания. Наполнитель может быть одномерным, двумерным или трехмерным. 9. Какие КМ называют гибридными? Ответ: гибридными КМ называются материалы, в которых используются два или более различных типов наполнителя и/или матрицы. Такие материалы могут иметь свойства, которые значительно превосходят свойства отдельных компонентов. 10. Опишите структуру и свойства гибридных КМ. Ответ: структура гибридных композитных материалов (ГКМ) состоит из двух или более типов композитных материалов, которые могут иметь различные формы и направления. Каждый компонент выполняет свою роль в общей структуре и обеспечивает необходимые свойства материала. Свойства гибридных композитных материалов зависят от сочетания компонентов и контроля их соединения. Сочетание различных наполнителей может значительно улучшить свойства материала, такие как жесткость, прочность, устойчивость к ударам и износу, устойчивость к коррозии и т.д. 11. Какие строения и свойства у гибридного алюмополимерного КМ? Ответ: гибридные алюмополимерные КМ, состоят из: 1) Чередующихся склеенных тонких листов (0,3-0,8 мм) 2) Алюминиевых деформированных сплавов и прослоек полимера (0,2-0,5 мм) 3) Армированных стеклянным или органическим волокном. Типичная структура алюмополимерного КМ состоит из двух слоев алюминиевого сплава и прослойки армированного полимера (2:1) или из трех слоев алюминиевого сплава, разделенных прослойками стекло- или органоволокнитов (3:2). При этом слои алюминиевого сплава всегда расположены на поверхности КМ. По сравнению с обычными алюминиевыми сплавами эти материалы отличаются пониженной плотностью (на 15-20 %), повышенными прочностными и усталостными характеристиками. Скорость развития усталостной трещины у них на порядок ниже, чем у соответствующих алюминиевых сплавов. Кроме того, они имеют высокие акустические и демпфирующие свойства. 12. Почему в определении композитных материалов недостаточно термина «неоднородный» материал? Ответ: термин "неоднородный" не отражает того факта, что в композитном материале каждый компонент выполняет свою определенную роль, придавая материалу определенные характеристики. В композитных материалах компоненты обычно имеют различную структуру, состав и свойства. Кроме того, компоненты могут быть разработаны для работы вместе для достижения идеальной совместимости в материале. Например, наполнитель и матрица могут быть специально настроены для взаимодействия в процессе формования материала. 13. Чем обусловлены высокая прочность и не хрупкость волокнистых композитов? Ответ: Высокая прочность волокнистых композитов обусловлена комбинацией свойств матрицы и волокон. Волокна обладают высокой прочностью и жесткостью, а матрица обеспечивает сцепление и защиту волокон от повреждений. Кроме того, волокна распределены равномерно в матрице, что обеспечивает равномерное распределение нагрузок и предотвращает возникновение трещин. Не хрупкость композитов обусловлена тем, что они обладают высокой устойчивостью к разрушению и деформации при нагрузках. Композиты могут гнуться и деформироваться без разрушения, что делает их более прочными и долговечными по сравнению с другими материалами. 14. В каких объектах техники будущего применение композитов наиболее эффективно? Ответ: применение композитов может быть наиболее эффективным в объектах техники, где требуется высокая прочность и легкость материала, таких как: 1. Автомобили: композитные материалы могут использоваться для создания более легких и прочных автомобилей, что может привести к улучшению экономии топлива и производительности. 2. Суда: композиты могут использоваться для создания корпусов судов, что может снизить их вес и увеличить скорость. 3. Авиация: композиты могут использоваться для создания легких и прочных крыльев и других частей летательных аппаратов, что может улучшить их производительность и экономию топлива. 4. Энергетика: композиты могут использоваться для создания более эффективных и прочных лопастей ветрогенераторов или для создания более легких и прочных конструкций в ядерной энергетике. 5. Строительство: композиты могут использоваться для создания более легких и прочных конструкций зданий и мостов, что может снизить затраты на строительство и увеличить их долговечность. 15. Почему применение стеклопластика малоэффективно в конструкциях летательных аппаратов? Ответ: применение стеклопластика в конструкциях летательных аппаратов ограничено из-за следующий причин: 1. Низкая прочность на разрыв и растяжение: стеклопластик имеет низкую прочность на разрыв и растяжение по сравнению с другими материалами, такими как углепластик или металлы. Это означает, что он может не выдерживать высоких механических нагрузок, которые могут возникать во время полета. 2. Низкая термостойкость: стеклопластик не обладает высокой термостойкостью, что может быть проблемой в условиях высоких температур, таких как те, которые могут возникнуть при входе в атмосферу Земли или при работе двигателей. 3. Высокая плотность: стеклопластик имеет более высокую плотность, чем углепластик и некоторые другие композитные материалы, что может привести к увеличению массы летательного аппарата. 4. Чувствительность к воздействию влаги: стеклопластик может быть чувствителен к воздействию влаги, что может привести к деградации материала и ухудшению его свойств. В целом, стеклопластик может быть эффективным материалом для конструкций, которые не подвергаются высоким механическим нагрузкам или температурам, но в летательных аппаратах требуются более прочные и термостойкие материалы.