Прочность композитных материалов на изгиб

Введение

Композитные материалы состоят как минимум из двух разнородных веществ, которые объединяются для улучшения свойств. В этом обзоре мы рассмотрим, как эти материалы сопротивляются изгибающим нагрузкам.

Полимер, армированный углеродным волокном

Полимер, армированный углеродным волокном, обычно выдерживает температуру около 500 °C и обладает прочностью на изгиб около 1500 МПа. Его часто используют для строительства самолетов и высокопроизводительных автомобилей. Он очень прочен, но при этом имеет небольшой вес. Например, в велосипедах и гоночных автомобилях этот композитный материал используется для улучшения эксплуатационных характеристик. В конструкциях его прочность на изгиб делает его востребованным материалом. Углеродные волокна ориентированы таким образом, чтобы эффективно противостоять нагрузкам. При смешивании со смолой они образуют твердый и прочный материал. Многие дизайнеры полагаются на его высокое соотношение прочности и веса. Баланс прочности на изгиб и термостойкости делает этот композит очень подходящим для жестких условий эксплуатации.

Полимер, армированный стекловолокном

Полимер, армированный стекловолокном, имеет рабочую температуру 300°C при прочности на изгиб около 600 МПа. Этот композит широко используется в строительстве и в лопастях ветряных турбин. Он обладает оптимальным балансом между ценой и характеристиками. Стекловолокна придают высокую прочность, а смола хорошо скрепляет структуру. Этот материал можно использовать в корпусах лодок и в спортивном снаряжении. Он более доступен по цене по сравнению с композитами из углеродного волокна. При этом его характеристики делают его подходящим экономичным вариантом, когда не требуется высокая прочность. Он широко используется в большинстве областей применения, поскольку инженеры-конструкторы ценят его прочность и простоту производства при ремонте или модификации.

Композиты из арамидных волокон (на основе кевлара)

Композиты на основе арамидных волокон, как и композиты на основе кевлара, демонстрируют хорошие характеристики при температуре до 400°C и выдерживают нагрузку на изгиб около 600 МПа. Они известны своей прочностью и хорошей ударопрочностью. Они используются в защитном снаряжении и некоторых компонентах транспортных средств. Кевларовые композиты - оптимальный выбор для бронежилетов благодаря их способности поглощать энергию. Их прочность на изгиб достаточна для большинства применений с умеренной нагрузкой. Присущая им структура волокон делает их гибкими, не подверженными легкому разрушению. Такая устойчивость к нагрузкам делает их лучшим выбором для критически важных приложений. Они также реагируют на тепло, что делает их адаптируемыми.

Гибридные волокнистые композиты

Гибридные волокнистые композиты имеют различный диапазон прочности при изгибе до 600°C и около 1000 МПа. Гибридные материалы сочетают в себе свойства многих волокон для точной настройки характеристик. Обычно используется смесь углеродных и стеклянных волокон. Цель - реализовать наилучшие качества каждого материала. Конструкторы могут подбирать смесь в зависимости от требуемой жесткости или гибкости. Например, гибридные композиты можно встретить в спортивном снаряжении и электронных корпусах. Их универсальность привлекательна для инженеров, которым приходится соизмерять стоимость с прочностью и весом. Такие композиты могут стать неотъемлемой частью креативных решений в тех отраслях, где одного чистого углеродного или стеклянного волокна будет недостаточно.

Композиты из натуральных волокон

Композиты из натуральных волокон оптимально работают при более низких температурах, вплоть до 50°C, и обладают прочностью на изгиб около 150 МПа. В этих композитах используются волокна джута, конопли или льна с биоразлагаемой смолой. Они представляют собой экологичное решение для применения в автомобильных салонах, упаковке и строительных панелях. Несмотря на то, что их характеристики ниже, чем у синтетических материалов, их возобновляемость и доступность делают их привлекательными для дизайнеров. Растущий интерес к экологичным материалам делает эти композиты интересными. В менее ответственных областях применения, где высокие температуры и большие нагрузки не являются проблемой, композиты из натуральных волокон обеспечивают достаточные эксплуатационные характеристики при дополнительных экологических преимуществах.

Заключение

Существует несколько вариантов композитных материалов для решения различных инженерных задач. У каждой категории есть свои преимущества и недостатки.

Полимер, армированный углеродным волокном, прочен и термостоек. Полимер, армированный стекловолокном, экономичен и стабилен для общего применения. Композиты из арамидных волокон устойчивы к ударам и умеренным изгибающим нагрузкам. Гибридные волокнистые композиты позволяют инженерам подстраиваться под конкретные требования. Композиты из натуральных волокон - это экологически безопасное решение с пониженными эксплуатационными характеристиками.

Часто задаваемые вопросы

F: Что измеряет прочность на изгиб?

В: Это показатель сопротивления материала изгибающим усилиям.

F: Могут ли гибридные волокнистые композиты быть разработаны?

В: Да, их свойства можно изменять путем смешивания волокон различной природы.

F: Подходят ли композиты из натуральных волокон для работы при высоких температурах?

В: Нет, они пригодны для использования при низких температурах.