Керамо-матричные композиционные материалы и их свойства на изгиб

Композит — это материал, образованный путем объединения матрицы и одного или нескольких армирующих материалов. Общая прочность композита на изгиб зависит от свойств материалов, из которых он состоит. Керамика – это твердый материал с сильными компрессионными свойствами, но этот материал также очень хрупкий. Смешав его со стеклом или полимерными волокнами, он превращается в более пластичный материал.

Например, в композитах искусственной кости керамика обеспечивает необходимую прочность на сжатие, в то время как полимерные волокна добавляют ей прочность на разрыв и изгиб. Комбинируя керамические и полимерные материалы в разных количествах, можно создать уникальные материалы, адаптированные к конкретному применению.

В этом видео будет показано, как сделать три композита с керамической матрицей из гипса Парижа и определить, какой препарат обладает самыми сильными изгибающими свойствами. Прочность этих образцов на изгиб будет измеряться с помощью испытания на трехточечный изгиб.

Давайте подробнее рассмотрим испытание на трехточечный изгиб. В этом методе образец в форме стержня устанавливается продольно на два параллельных штифта. Крепление должно быть таким, чтобы оно позволяло материалу растягиваться, а также изгибаться под действием внешней силы.

В этом испытании внешняя сила прикладывается перпендикулярно образцу посередине. В результате он подвергается сжимающему усилию на той стороне, где приложена внешняя нагрузка, и растягивающему усилию на противоположной стороне, где он растягивается. Комбинация этих двух сил также создает область чистого напряжения вдоль средней линии.

Эти три силы вместе определяют прочность на изгиб или изгиб данного образца. С увеличением внешней силы величина изгиба или прогиба материала также увеличивается до тех пор, пока материал не выйдет из строя. Деформация изгиба материала может быть рассчитана с использованием прогиба, длины пролета и толщины образца. Напряжение изгиба материала может быть рассчитано на основе приложенной силы, длины пролета, ширины и толщины образца.

Испытание на трехточечный изгиб дает кривую напряжения и деформации материала при изгибе. Наклон кривой в упругой области представляет собой модуль изгиба образца и измеряет, насколько данный материал может быть изгибаемым. Площадь под кривой зависимости деформации представляет собой количество энергии, поглощенной материалом до разрушения, следовательно, она является мерой ударной вязкости материала.

Теоретически максимальная прочность на изгиб композита может быть рассчитана по правилу смесей с использованием максимальной прочности на изгиб его матрицы и армирующих материалов по объемным долям.

Теперь, когда вы понимаете, как работает метод трехточечного изгиба и как измерить свойства изгиба материала, давайте изготовим три композита на основе керамики и выясним, какой из них имеет самую высокую прочность на изгиб.

Для начала сделаем три образца композитов с керамической матрицей. Для начала приобретите синюю резиновую форму, из которой можно сделать три образца в форме бруска. Мы изготовим для вас первый образец из обычной штукатурки. Для начала взвесьте 40 грамм сухого порошка гипса в пластиковый стаканчик, затем медленно добавьте 20 миллилитров деионизированной воды и размешайте ее палочкой до достижения однородной консистенции. Немедленно переходите к следующему шагу, потому что штукатурка начинает затвердевать примерно через пять минут. Далее залейте полученную кашицу в один из отсеков формы. Полностью заполните форму и разровняйте ее палочкой. Наконец, выбросьте чашку и излишки пластыря. Пожалуйста, сохраните стик для использования в будущем.

Вы сделаете свой второй композитный образец с использованием гипсового порошка и измельченных стекловолокон. Для этого сначала взвесьте четыре грамма измельченных стеклянных волокон в пластиковый стаканчик. Далее взвесьте 40 грамм гипсового порошка в ту же чашку, затем медленно добавьте 20 миллилитров деионизированной воды. Продолжайте помешивать кашицу палочкой, пока волокна полностью не перемешаются и не будет достигнута однородная консистенция. Вылейте суспензию во вторую форму, как описано для первого образца.

Вы сделаете последний композитный образец, используя обычный гипсовый порошок и стекловолоконную ленту. Для этого сначала отрежьте две полоски стекловолоконной ленты длиной около пяти дюймов и взвесьте их. Во-вторых, сделайте кашицу из обычного гипсового порошка, как вы делали для первого образца.

Далее заливаем в форму примерно 1/3 штукатурки. Положите одну полоску стекловолоконной ленты поверх пластыря и придавите палочкой. Всегда следите за тем, чтобы штукатурка хорошенько смачивала стеклоткань, затем насыпьте примерно 1/2 оставшейся штукатурки поверх стекловолоконной ленты.

Далее поверх пластыря положите вторую полоску скотча и придавите ее палочкой. Поверх второй полоски насыпьте оставшуюся штукатурку и придавите ее палочкой.

Измерьте среднюю длину, ширину и высоту каждого стержня. Измерьте длину пролета образца на трехточечном испытательном приспособлении с помощью калиброванных калибров. Установите прибор UTM на ноль и инициируйте дополнительную скорость смещения в пять миллиметров в минуту.

Для образцов из простого гипса и рубленого стекловолокна проводите тест до тех пор, пока образцы не выйдут из строя. Для композитной ленты из стекловолокна проводите тест до тех пор, пока прогиб не составит шесть миллиметров. Используйте программу лабораторного просмотра на компьютере для сбора данных каждого теста в текстовый файл.

UTM генерирует текстовый файл в одну колонку как для силы, так и для прогиба. Интерфейс лабораторного просмотра сортирует соответствующие показания по двум разным массивам. Теперь преобразуйте исходные данные в силу и прогиб, используя числа, сгенерированные UTM, и максимальное значение тензодатчика, равное 1000.

Далее, используя значения силы и прогиба, рассчитайте напряжение и деформацию при изгибе. Постройте кривую деформации и напряжения при изгибе трех образцов: гипса, рубленого стеклокомпозита и композита из волокнистой ленты. Найдите максимальную прочность на изгиб по кривой. Также найдите деформацию изгиба при максимальной прочности. Затем рассчитайте модуль изгиба и общую площадь под кривой для каждого образца.

Наконец, сравните результаты трех образцов. Этот эксперимент демонстрирует, что желаемая прочность образца может быть достигнута за счет использования различных армирующих материалов. Изучая данные образца, мы видим, что лента из стекловолокна обеспечивает наибольшую дополнительную прочность. Он также покрывает максимальную площадь под кривой, следовательно, является самым сложным из трех. Длина и ориентация волокна кардинально влияют на свойства композитных образцов.

Например, максимальное армирование может быть достигнуто только в том случае, если лента из стекловолокна установлена параллельно поверхностям образца. Такая пространственная ориентация позволяет стекловолоконной ленте выдерживать дополнительные нагрузки при разрушении гипсовой матрицы. Более длинные детали обеспечат максимальное сцепление при испытании, так как вокруг стеклопластиковой арматуры больше штукатурки.

Керамические матричные композиты используются в самых разных областях: космическая наука, биоинженерия, автомобильные тормозные системы. Композиты с керамической матрицей также используются при синтезе наших искусственных костей. Наши кости по своей природе имеют прочную композитную структуру, поэтому способность заменять и воспроизводить кость из-за болезни или травматического повреждения является важным компонентом медицинской науки.

Керамические композиты также обеспечивают исключительные автомобильные тормозные системы благодаря своей более высокой прочности, более высокой термической стабильности и меньшему износу. По этим причинам их используют в спортивных автомобилях.

Вы только что посмотрели книгу Джопитера «Введение в композитные материалы с керамической матрицей и их изгибающие свойства». Теперь вы должны понять, как сделать композитный материал, проверить его свойства изгиба с помощью трехточечного теста на изгиб и сравнить его с другими композитами.

Спасибо за просмотр.