Elyaf hajmining nisbati - Fiber volume ratio

Elyaf hajmining nisbati muhim ahamiyatga ega matematik kompozitsiyadagi element muhandislik. Elyaf hajmining nisbatiyoki tola hajm ulushi, a ning butun hajmidagi tola hajmining foiz nisbati tola bilan mustahkamlangan kompozit material.^[1] Polimer kompozitlarini ishlab chiqarishda tolalar qatron bilan singdiriladi. Qatronlar tolasiga nisbati tolalarning geometrik tashkiloti bilan hisoblanadi, bu esa kompozitsiyaga kirishi mumkin bo'lgan qatronlar miqdoriga ta'sir qiladi. Elyaflar atrofidagi singdirish tolalar yo'nalishi va tolalar me'morchiligiga juda bog'liq. Kompozitning geometrik tahlilini kompozitsiyaning kesimida ko'rish mumkin. Bo'shliqlar ko'pincha ishlab chiqarish jarayonida kompozitsion tuzilishda hosil bo'ladi va kompozitning umumiy tola hajmiga qarab hisoblab chiqilishi kerak. Kompozitning umumiy mexanik xususiyatlarini aniqlashda tolani mustahkamlash qismi juda muhimdir. Elyafning yuqori miqdordagi fraktsiyasi odatda kompozitsiyaning yaxshi mexanik xususiyatlariga olib keladi.^[2]

Kompozitdagi tola nisbati hajmini hisoblash nisbatan sodda. Hajmi tolaning fraktsiyasini og'irliklar, zichlik, elastik modullar, tegishli yo'nalishdagi stresslar, zahar nisbati va matritsa (qatronlar tizimi) hajmlari, tolalar va bo'shliqlar kombinatsiyasi yordamida hisoblash mumkin.

${displaystyle V_ {f} = {frac {v_ {f}} {v_ {c}}}!}$ ^[3]

qaerda:

${displaystyle V_ {f}}$ bo'ladi tola hajmi nisbat

va

${displaystyle v_ {f}}$ bu tolalar hajmi

${displaystyle v_ {c}}$ bu kompozitsiyaning hajmi

Tola hajmining fraktsiyalarini aniqlash usullari

Kislota hazm qilish

Ushbu protsedura polimer matritsasini tolalarga ta'sir qilmaydigan kislota yordamida hazm qilishni o'z ichiga oladi. Ovqat hazm qilishdan so'ng qolgan tolalar yuviladi, quritiladi va tortiladi. Kompozit namunaning boshlang'ich og'irligini, shuningdek tola va qatronlarning zichligini bilib, asl laminat tarkibidagi tola va matritsaning hajm ulushini aniqlash mumkin. Ushbu usul odatda uglerod tolasini mustahkamlashdan tashkil topgan kompozitsiyalar uchun ishlatiladi.^[4]

Optik mikroskopiyaga asoslangan usullar

Optik mikroskopga asoslangan usullar laminatning kesilgan namunalarini, standart metallografik usullar yordamida sayqallangan va optik mikroskop yordamida 100 dan 2500 gacha kattalashtirish orqali raqamli kesma fotomikrograflarni olishni o'z ichiga oladi.^[5] Raqamli tasvirlar laminatning uzunligi va qalinligi bo'ylab bir qator joylarda yozilishi mumkin. Kompyuter dasturlari sayqallangan kompozitsion namunaning fotomikrografidagi tola nisbatlarini tahlil qilishda yordam beradi. Ushbu usul tolaning hajmini aniqlashga zarar etkazmaydigan yondashuv sifatida afzallik beriladi.^[4]

Qatronlarni yoqish usuli

Ushbu usul tarkibida qatronlar eriydigan va tolalar barqaror bo'lib turadigan, qatronlar yonib turgan va tolalarni tortadigan haroratgacha bo'lgan kompozitni isitishni o'z ichiga oladi, hajm fraktsiyasini kompozit va tolalar vaznining dastlabki og'irligidan hisoblash mumkin.^[6] Ushbu usul odatda shisha tolalar bilan ishlatiladi.^[7]

Tola hajmining fraktsiyasining ahamiyati

Elyaf bilan mustahkamlangan kompozit tarkibidagi tola miqdori to'g'ridan-to'g'ri kompozitning mexanik xususiyatlariga mos keladi. Nazariy jihatdan dumaloq tolalarning kompozitsiyada erishiladigan maksimal tola nisbati 90,8% ni tashkil qiladi, agar tolalar bir tomonlama olti burchakli qadoqlangan konfiguratsiyada bo'lsa. Haqiqatan ham tolaning eng yuqori nisbati ishlab chiqarish parametrlari tufayli 70% atrofida va odatda 50% dan 65% gacha.^[4] Kompozitga juda oz miqdordagi tolani qo'shib qo'yish, aslida materialning xususiyatlarini yomonlashtiradi. Matritsaning tolalarni to'liq o'rab turishi va ularni bog'lab turishi uchun joy etishmasligi tufayli juda ko'p miqdordagi tola hajmi kompozitsiyaning kuchini pasaytirishi mumkin.^[8] Shu sababli, tolalar orasidagi optimal bo'shliq mavjud bo'lib, ular tolalar orasidagi bir xil yuk o'tkazilishini to'liq ishlatadi.^[7] Elyaf hajmining fraktsiyasini hisobga olgan holda, kompozitsiyaning nazariy elastik xususiyatlarini aniqlash mumkin. The elastik modul bir tomonlama kompozitning tola yo'nalishidagi kompozitsiyani quyidagi tenglama yordamida hisoblash mumkin:

${displaystyle E = (1- {V_ {f}}) {E_ {m}} + {V_ {f}} {E_ {f}}}$

Qaerda:

${displaystyle V_ {f}}$ bo'ladi tola hajmi nisbat

va

${displaystyle E_ {m}}$ matritsaning elastik moduli

${displaystyle E_ {f}}$ tolalarning elastik moduli hisoblanadi

Umumiy tolalarni qadoqlash tartibi

Elyaflar odatda to'rtburchak yoki olti burchakli panjarada, shuningdek qatlamli donali tola massivida joylashgan bo'lib, har bir tolaning diametri bir xil bo'lgan dairesel tasavvurlar mavjud deb taxmin qilsak, ushbu ikki turdagi qadoqlashning tola hajmining ulushi mos ravishda:

Olti burchakli

${displaystyle {V_ {f}} = ({frac {pi} {2 {sqrt {3}}}}) {({frac {r} {R}}) ^ {2}}}$

Kvadrat

${displaystyle {V_ {f}} = ({frac {pi} {4}}) {({frac {r} {R}}) ^ {2}}}$

qaerda:

${displaystyle r}$ tolaning radiusi

va

${displaystyle 2R}$ tolalarning markaziy masofasini markazidir.

Maksimal tola hajmining ulushi tolalar tegib turganda paydo bo'ladi, ya'ni r = R. Olti burchakli qator uchun ${displaystyle V_ {f, max}}$ = 0,907 va kvadrat qadoqlash uchun ${displaystyle V_ {f, max}}$ = 0.785.

Biroq, bu faqat nazariy tahlil qilish uchun ishlatiladigan ideal holatlardir. Amaliy hollarda tolalar diametri va tartibsiz qadoqlash o'zgarishi mumkin. Amalda, 0.7 dan katta hajmdagi ulushga erishish qiyin va bu tijorat materiallari uchun haqiqiy chegara sifatida qaralishi kerak.

Ishlab chiqarish jarayonida tolaning turli xil me'morchilik usullari yordamida har xil hajmdagi fraksiyalar olinishi mumkin. 2D bilan bir tomonlama matolarni tekislang preg preg (odatda uglerodli) tolalar umumiy tola me'morchiligi orasida eng katta hajmli ulushga ega deb hisoblanadi.^[6] Filamentli sarg'ish odatda tolaning katta hajmli fraktsiyalari bilan bog'liq - tolalar tarangligi va qatronlar tarkibini sinchkovlik bilan boshqarish bilan 70% qiymatlari mumkin.^[4]

Bo'sh ovozli qism

G'ovaklik yoki bo'sh qism - bu materialdagi bo'sh joy (ya'ni "bo'sh") bo'shliqlarning o'lchovidir va bo'shliqlar hajmining umumiy hajmdagi 0 dan 1 gacha bo'lgan yoki 0 dan 100% gacha bo'lgan foizdagi qismidir. Kompozit qismda bo'shliqlar mavjudligini aniqlashning ko'plab usullari mavjud, masalan, sanoat tomografiyasi yoki ultratovush. Agar tolalar va matritsaning hajm ulushi ma'lum bo'lsa, bo'shliqlarni quyidagi tenglama yordamida ham topish mumkin:

${displaystyle V_ {v} = 1-V_ {f} -V_ {m} = {frac {v_ {v}} {v_ {c}}}!}$ ^[3]

qaerda:

${displaystyle V_ {v}}$ bo'sh hajm nisbati

va

${displaystyle V_ {f}}$ bu tola hajmining nisbati

${displaystyle V_ {m}}$ matritsa hajmining nisbati

${displaystyle v_ {v}}$ bo'shliqlarning hajmi

${displaystyle v_ {c}}$ kompozitsiyaning hajmi

Void hajmini hisoblash uchun ishlatiladigan yana bir tenglama:

${displaystyle V_ {v} = {frac {({p_ {ct}} - {p_ {cm}})} {p_ {ct}}}!}$

qaerda:

${displaystyle V_ {v}}$ bo'sh hajm nisbati

va

${displaystyle p_ {ct}}$ bo'shliqsiz kompozitsiyaning nazariy zichligi

${displaystyle p_ {cm}}$ kompozitning o'lchangan zichligi

Bo'sh tarkibni o'lchash

Materiallarning bo'sh tarkibini (shu jumladan kompozitsiyalarni) baholashning ko'plab usullari mavjud. Birinchisi, qo'lda yoki kompyuter yordami yordamida tahlil qilib, kompozitsiyaning hajm fraktsiyasiga mos keladigan maydon ulushini aniqlab, qismdagi bo'shliqlarni aniqlab, parlatilgan qismni tekshirish.

Boshqa usul namunaning zichligini aniq o'lchashni va oldingi bobda tasvirlangan tenglamadagi nazariy zichlik bilan taqqoslashni talab qiladi. Zichlik namunani havoda, so'ngra ma'lum zichlikdagi suyuqlikda tortish yo'li bilan aniqlanadi. Arximed printsipini qo'llash "a" va "L" yozuvlari mos ravishda suv va suyuqlikni nazarda tutgan holda, o'lchovning og'irligi bo'yicha namunaning o'lchangan zichligi uchun quyidagi ifodani keltirib chiqaradi:^[5]

${displaystyle p = {frac {(W_ {apL} -W_ {Lpa})} {(W_ {a} -W_ {L})}}!}$ ^[1]

Qaerda:

${displaystyle p}$ kompozitsion namunaning o'lchangan zichligi

va

${displaystyle W_ {apL}}$ havodagi kompozitsiyaning og'irligi

${displaystyle W_ {Lpa}}$ suyuqlikning tarkibidagi kompozitsiyaning og'irligi

${displaystyle W_ {a}}$ bu havoning og'irligi

${displaystyle W_ {L}}$ suyuqlikning og'irligi

Ushbu usulda ishlatiladigan suyuqlik yuqori zichlikka va kimyoviy barqarorlikka va past bug 'bosimi va sirt tarangligiga ega bo'lishi kerak. Hozirgi kunda qo'llanilayotgan eng mashhur suyuqlik bu perfluoro- 1 - metil dekalin.^[2]

Adabiyotlar

Tashqi havolalar

• Og'irlikdagi fraktsiyani hisoblash vositasi