Галузеве машинобудування

Скачков В.О., Воденнікова О.С., Іванов В.І., Мосейко Ю.В.

ПРОГНОЗУВАННЯ КОЕФІЦІЄНТІВ ЛІНІЙНОГО ТЕПЛОВОГО РОЗШИРЕННЯ БАГАТОКОМПОНЕНТНИХ МЕТАЛОВУГЛЕЦЕВИХ КОМПОЗИТІВ

Запорізька державна інженерна академія

Наявність різноманіття матричних матеріалів та схем армування триботехнічного призначення дозволяє регулювати різні службові властивості багатокомпонентних металовуглецевих композитів шляхом підбору складу, а також змінювання співвідношення компонентів і макроструктури композиту.

Як компоненти досліджуваних композитів використовували лусковий (ЛГ) і штучний графіт (ШГ), алюмінієвий порошок (АП), оксид алюмінію (ОА) та карбід титану (КТ). Для підвищення адгезії під час формування щільнішої структури композиту на його основні компоненти заздалегідь наносили гальванічне нікелеве покриття (НП). Склад композитів і початкові дані для розрахунків подано у табл. 1 і 2.

Таблиця 1. Склад композитів триботехнічного призначення

Компоненти композиту	Вміст компонентів, %, за серіями зразків
	I	II	III	IV	V	VI	VII
ЛГ	9,6	4,9	4,9	9,8	4,9	3,8	19,6
ШГ	69,6	9,8	-	9,8	9,8	8,5	18,6
АП	20,0	85,0	25,0	30,0	15,0	62,4	13,0
ОА	-	-	70,0	50,0	-	-	-
КТ	-	-	-	-	69,7	-	48,0
НП	0,8	0,3	0,1	0,4	0,6	0,3	0,8

Таблиця 2. Початкові дані для розрахунку КЛТР композитів

Компонент	ЧГ	ШГ	АП	ОА	КТ	НП
КЛТР, 10^-6 1/К	5,2	4,0	22,6	8,5	7,5	13,7

Випадкові модулі пружності та коефіцієнти лінійного теплового розширення (КЛТР) , що задано на елементах другого порядку мализни для композитів у вигляді середовища класу В₂ [1], можна записати як

; (1)

, (2)

де , – модулі пружності та КЛТР компоненту середовища з номером k відповідно; –

Фізичне рівняння для статистичного завдання термопружності у рамках середовища класу В₂ з урахуванням формул (1) і (2) має вигляд:

, (3)

де – випадкові мікроструктурні деформації.

Після усереднювання рівняння (3) з урахуванням статистичної незалежності і можна записати

, (4)

де , – варіації випадкових функцій.

Враховуючи, що макроскопічні напруження дорівнюють , а перший доданок у рівнянні (3) величині, яка становить , одержують:

, (5)

де ; , – макроскопічні значення модулів пружності та КЛТР відповідно.

Для хаотично армованих композитів, що мають ізотропні фізико-механічні характеристики, макроскопічні КТЛР визначають із системи рівнянь (5) з використанням співвідношень:

, (6)

де – зворотна матриця для .

Результати розрахунків КЛТР для досліджуваних серій композитів наведено у табл. 3.

Таблиця 3. Результати розрахунків КЛТР композиту

Зразок серії	I	II	III	IV	V	VI	VII
КЛТР, 10^-6 1/К	2,805	8,949	15,293	11,426	11,472	6,396	9,338

Як свідчать результати розрахунків, значення показника КЛТР для всіх серій зразків змінюється у широкому діапазоні – від 2·10^-6 до 16,8·10^-6 1/К. Встановлено, що під час збільшення вмісту алюмінієвого порошку в композитах значення показника КЛТР зростає, що можна пояснити високими індивідуальними показниками для алюмінієвого порошку. Ще більше впливає оксид алюмінію: під час збільшення його вмісту від 40 до 80 % значення показника КЛТР підвищуються у 1,30 разів. Зіставлення обчислених та експериментальних значень КЛТР вказує на їх достатню збіжність [2].

Література

1. Богачев, И. Н. Введение в статистическое металловедение [Текст] / И. Н. Богачев, А. А. Вайнштейн, С. Д. Волков. – М. : Металлургия, 1972. – 216 с.

2. Воденникова, О. С. Исследование и прогнозирование теплофизических характеристик многокомпонентных композиционных материалов [Текст] / О. С. Воденникова // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2012. – № 1/5 (55). – С. 11-13.