Керамо-матричные композиционные материалы и их свойства на изгиб

1. Изготовление одного образца простой штукатурки

1. Получите у инструктора синюю резиновую форму. Из каждой формы можно изготовить 3 образца в форме стержня, размер каждого бруска составляет примерно около 26 мм в ширину, 43 мм в длину и 10 мм в толщину.
2. Взвесьте 40 грамм сухого порошка штукатурки в бумажный стаканчик. Медленно добавьте 20 мл деионизированной воды, и перемешайте кашицу деревянной палочкой, пока не будет достигнута однородная консистенция. Немедленно переходите к шагу 3! Штукатурка начинает застывать через ~5 минут.
3. Полученную кашицу вылейте в одно из отделений формы. Полностью заполните форму и разровняйте ее деревянной палочкой. Выбросьте чашку и излишки пластыря; Сохраните палочку для дальнейшего использования.

2. Изготовление двух составных образцов

1. Подготовьте образец, изготовленный из армирования измельченным волокном:
   a.) Взвесьте 4 грамма измельченных стеклянных волокон в бумажный стаканчик.
   b.) В эту же чашку взвесьте 40 грамм порошка для гипса.
   c.) Медленно добавьте 20 мл деионизированной воды и перемешайте кашицу деревянной палочкой, пока волокна полностью не перемешаются, и не будет достигнута однородная консистенция.
   d.) Перелейте кашицу в один из отсеков для формы. Полностью заполните форму и разровняйте ее деревянной палочкой.
2. Подготовьте образец, изготовленный из стекловолоконной ленты:
   a.) Отрежьте 2 полоски стекловолоконной ленты длиной около 5 дюймов. Взвесьте полоски.
   b.) Взвесьте 40 грамм сухого порошка штукатурки в бумажный стаканчик. Медленно добавьте 20 мл деионизированной воды, и перемешайте кашицу до достижения однородной консистенции.
   c.) Залейте в форму примерно одну треть штукатурки. Сверху на штукатурку положите одну полоску стекловолоконной ленты, и придавите ее деревянной палочкой. Следите за тем, чтобы штукатурка хорошенько смачивалась стеклопластиковой лентой.
   d.) Сверху на стеклопластиковую ленту насыпьте примерно половину оставшейся штукатурки. Поместите вторую полоску скотча поверх штукатурки, и придавите ее деревянной палочкой.
   e.) Поверх второй полоски насыпьте оставшуюся штукатурку, и придавите ее деревянной палочкой. Следите за тем, чтобы штукатурка хорошенько смачивалась стеклопластиковой лентой, и выдавливайте любые пузырьки воздуха.

3. Проведение экспериментов

1. Измерьте среднюю длину, толщину и ширину каждого стержня Измерьте L (длина пролета на рисунке ниже) на 3-точечном испытательном приспособлении, используйте для измерения калиброванные штангенциркули.
2. Для всех испытаний используйте скорость перемещения 5 мм/мин. (Затем UTM должен быть обнулен и запущен со скоростью смещения 5 мм/мин). Для образца простого гипса и рубленого волокна проводите тест до тех пор, пока образец не завершится неудачей. Для образца стекловолоконной ленты проводите испытание до тех пор, пока прогиб не составит 6 мм.
3. Используйте программу LabVIEW на компьютере для сбора данных из каждого теста в текстовый файл.

4. Программа MATLAB

1. Создайте программу MATLAB, которая будет выполнять следующие действия:
2. Чтение текстового файла в одну колонку и разделение показаний на данные силы и прогиба. Преобразуйте необработанные данные в силу и прогиб с использованием следующих коэффициентов конвертации:
   Сила = (Максимальное значение тензодатчика / 30000) * Число, сгенерированное UTM (2)
   Прогиб = 0,001 мм * Число, сгенерированное UTM (3)
3. Рассчитайте прочность на изгиб и деформацию при изгибе каждого образца:
   Прочность на изгиб σ_f = (3FL)/(2wt²) (4)
   Деформация при изгибе ε_f = (6Dt)/(L²) (5)
4. Постройте кривую зависимости напряжения-деформации для каждого образца. Пусть ε_f — горизонтальная ось, а σ_f — вертикальная ось.
5. Найдите максимальные значения σ_f и ε_f для каждого образца. Для составных образцов выберите значение ε_f, которое соответствует максимальному значению σ_f.
6. Найдите модуль упругости E_f, вычислив наклон кривой в упругой области.
7. Найдите площадь под каждой кривой зависимости деформации от напряжения.

5. Анализ данных

1. Сравнение прочности и модуля упругости на изгиб композитных образцов с таковыми у обычного образца штукатурки
   Поскольку UTM генерирует текстовый файл в одну колонку, как для силы, так и для прогиба, интерфейс MATLAB должен сортировать соответствующие значения по разным массивам. Таким образом, чтобы определить как силу, так и прогиб, необходимые для Уравнения 4 и 5, Уравнения 2 и 3} должны быть реализованы в MATLAB.
   При использовании тензодатчика максимума 1000 определение прочности на изгиб и деформации представляет собой комбинацию всех уравнений. Поскольку MATLAB также генерирует кривую зависимости напряжения от деформации каждого образца, модуль изгиба был определен путем расчета наклона упругой области. Используя уравнение 6, модуль изгиба будет рассчитан относительно двух выбранных точек на графике напряжения-деформации:
   (6)
   Изучив данные образца, мы увидим, что при добавлении различных форм армирования прочность образцов будет увеличиваться, при этом лента из стекловолокна обеспечит наибольшую дополнительную прочность. По пластичности, (которую можно считать «наиболее пластически деформируемой»), наибольшим будет и экземпляр, армированный стеклопластиковой лентой.
   Кроме того, длина и ориентация волокон кардинально влияют на свойства композитных образцов. Например, максимальное армирование может быть достигнуто только в том случае, если лента из стекловолокна установлена параллельно поверхностям образца. При этом такая пространственная ориентация позволяет стекловолоконной ленте выдерживать дополнительные нагрузки при разрушении гипсовой матрицы. Кроме того, можно также сделать вывод, что более длинные полосы стекловолоконной ленты обеспечивают большую прочность, чем более короткие полосы. Более длинные куски обеспечат максимальное сцепление в условиях испытания на 3-точечный изгиб, так как вокруг стеклопластиковой арматуры больше штукатурки.
2. Поглощение энергии во время испытания на сцепление
   Площадь под кривой зависимости деформации представляет собой энергию, которую материал поглощает перед разрушением. По результатам, которых мы достигнем, будет показано, что изготовление, армированное стекловолокном, поглощает наибольшее количество энергии. Кроме того, поскольку ударная вязкость соответствует способности материала поглощать энергию и пластически деформироваться без разрушения, а образец стекловолокна оказался наиболее пластичным, поглощая наибольшее количество энергии; Образец из стекловолокна по своей сути является самым прочным из трех. Следовательно, ударная вязкость — это баланс между прочностью и пластичностью, и образец стекловолокна имел самую большую площадь ниже кривой напряженной деформации.
3. Расчет теоретической прочности композитов из рубленого волокна и стеклопластиковой ленты по формуле «правило смесей» (соответствующие свойства материала приведены в таблице 1).
   Теоретическая прочность композита может быть рассчитана с помощью уравнения 1, где:
   V_F = объемная доля волокна = (объем волокна)/(общий объем образца)
   Объем волокна = (масса волокна)/(плотность волокна)
   Объемная доля штукатурки = V_P = 1- V_F .

	Плотность, г/мл	Прочность на изгиб, МПа
Измельченное стекловолокно	2.5	35
Лента из стекловолокна	0.45	35
Гипс	НД	НД

Таблица 1. Свойства материала.