Заказать звонок


все коммерческие предложения высылать на [email protected]
для оформления заявок [email protected]



Применение композитных материалов


Виды и применение композитных материалов

Эта статья продолжает рассказ о полимерных композитах, знакомит читателя с композитами на основе металлов и керамическими композитными материалами. Также в ней рассказывается об основных видах применения композитов.

  • Органопластики с органическими волокнами естественного и искусственного происхождения. Легче, чем стекло- и углепластики. Отличаются высокой прочностью на удар, но низкой — на растяжение/изгиб. К пластикам этого типа относится, например, кевлар.
  • Текстолиты, изготовленные из матрицы из полимера и тканей различной природы в качестве наполнителя. Некоторые текстолиты изготавливаются с матрицей из неорганических веществ (силикатов, фосфатов). Свойства материалов очень разнообразны, зависят от вида волокон ткани. Волокна производят из хлопка, асбеста, базальта, стекла, искусственных материалов и пр.
  • Полимеры с порошковым заполнением (полиэтилены, полипропилены, смолы с различными наполнителями, например, тальком, крахмалом, сажей, карбонатом кальция и пр.) — разработано уже более 10 тыс. видов пластиков этого типа. Обратите внимание, что у нас можно купить различные наполнители и другое необходимое сырье для изготовления композитов.
ТалькКальций углекислый (карбонат) Картофельный крахмал

Композиты на основе металлов

Металлокомпозиты изготавливают на основе многих цветных металлов, например, меди, алюминия, никеля. Для наполнения берутся волокна, устойчивые к высоким температурам, не растворяющиеся в основе. Чаще всего используются металлические волокна или монокристаллы из оксидов, нитридов, керамики, карбидов, боридов. Благодаря этому получаются композиты, гораздо более огнестойкие, прочные и износоустойчивые, чем исходный чистый металл.

Керамические композиты

Керамические композиты изготавливают методом спекания под давлением исходной керамической массы с добавлением волокон или частиц. В качестве наполнителей чаще всего применяются металлические волокна — получаются керметы. Они отличаются устойчивостью к тепловому удару, высокой теплопроводностью.

Керметы используются для производства износоустойчивых и термостойких деталей, например, газовых турбин, электропечей. Также они востребованы для изготовления режущего инструмента, деталей тормозных систем, тепловыделяющих стержней для атомных реакторов.

Применение композитов

Композитные материалы уже сейчас используются практически во всех областях производства. Их применяют:

  • в строительстве;
  • производстве безопасных и бронированных стекол для транспортных средств, витрин и дверей;
  • медицинских протезов;
  • покрытий для кухонных столов и основы для электронных плат;
  • деталей и корпусов бытовых приборов;
  • оконных рам и многого другого.

Это интересно: композиты с экстремальными свойствами востребованы в самолето-, авто-, судо- и ракетостроении. Они нужны при производстве деталей для космических аппаратов, атомных станций, спортивного инвентаря (например, легких и прочных велосипедов). Применяются для изготовления элементов приборов и оборудования, эксплуатирующихся в агрессивных средах и при высоких температурах.

pcgroup.ru

Композиционные материалы, области применения

Высокая коррозионная стойкость, способность к восприятию ударных нагрузок, отличное качество поверхности, красивый внешний вид обусловили широкое применение композиционных материалов практически во всех отраслях промышленности.

Видное место занимают эти материалы в производстве изделий для автомобильного и городского транспорта. Из них изготавливают корпуса легковых автомобилей, автобусов, детали внутреннего интерьера, кабины грузовиков, баки для горючего, цистерны для перевозки жидких и сыпучих грузов, корпуса и детали внутреннего интерьера трамваев и автобусов.

Широкое применение нашли композиционные материалы в авиационной и ракетно-космической технике, где используются такие их свойства, как высокая удельная прочность и стойкость к воздействию высоких температур, стойкость к вибрационным нагрузкам, малый удельный вес. Из этих материалов изготавливаются корпусные детали и детали внутреннего интерьера.

 

Очень широко композиционные материалы применяются в области судостроения. Уникальные свойства композиционных материалов позволяют изготавливать высокопрочные, легкие корпуса катеров, яхт, шлюпок. Из композиционных материалов также изготавливаются спасательные шлюпки для танкеров, перевозящих нефтепродукты. Такие шлюпки способны вынести экипаж судна из зоны разлившейся горящей нефти в случае аварии. Этой возможности позволили достигнуть уникальные свойства применяемых материалов, их высокая теплоизоляция и огнестойкость.

  
  

Развитие промышленности композитов в районе Персидского залива происходит чрезвычайно быстро. Композиционные материалы применены в одном из наиболее престижных проектов в регионе - строительстве гостиницы Jumeirah Reach Tower. Гостиница Jumeirah Reach Tower, строительство которой уже закончено в Дубаи, как объявляют, является самым высоким зданием гостиницы в мире. Ее высота 321 метр, это выше, чем Эйфелева башня в Париже. Приблизительно 33 000 квадратных метров сэндвичевых панелей соединяют гостиничные номера и гиганский, почти 200 метров высотой атриум. Панели произведены из композиционных материалов. Огнестойкая смола и гелькоут были спроектированы и полностью проверены для использования в этом проекте. Рекомендация и опыт этого проекта, как ожидается, вызовет значительный интерес в строительной промышленности.

В области железнодорожного транспорта композиционные материалы постепенно занимают лидирующее место благодаря своим великолепным свойствам. С каждым годом все больше компаний переходят на изготовление из композиционных материалов не только отдельных деталей, но и кузовов в целом. 

  

Настоящий переворот совершили композиционные материалы в области сельского хозяйства. Антикоррозионные свойства этих материалов позволяют применять их там, где не выдерживают другие материалы. Это элементы животноводческих ферм, емкости для хранения минеральных удобрений, отходов, сельскохозяйственных заготовок. Композиционные материалы используются для изготовления кузовов сельскохозяйственной техники. Это позволяет значительно сэкономить средства не только при производстве, но и в процессе эксплуатации, так как в межсезонье трактора, уборочные машины не требуют затрат на обслуживание кузовных деталей, а срок службы этих деталей намного больше. 

Одной из все более расширяющихся областей применения композиционных материалов является мостостроение. Использование стеклопластика открывает перспективный путь строительства мостов из новых материалов. Рассматриваемое строительство - мост длиной 40 метров, протянутый поперек одной из наиболее загруженных железных дорог в Дании. Изготовлен  первый композитный мост, специально разработанный, для создания железнодорожных переходов. Ключевым условием создания моста, для одной из наиболее загруженных железных дорог Дании, было то, что он должен был быть установлен в самые сжатые сроки. В то же время сооружение должно было соответствоватьопределенным практическим и эстетическим критериям. Мост был смонтирован за 16 часов. Работа была выполнена ночью. Мост состоял из трех компонентов, которые были установлены на опоры с болтами - кстати, единственные элементы моста, требующие соединений. 

Композиционные материалы будут все больше и больше использоваться как Материал в наземном строительстве. Налицо многочисленные преимущества: мосты из композиционных материалов, которые требуют только косметического обслуживания в течение более чем 50 последующих лет. Подобный мост, построенный из стали весил бы 28 тонн и нуждался в замене некоторых частей каждые 25 лет. То же самое применимо и к железобетонному мосту, который весил бы 90 тонн. Одно из главных преимуществ конструкций из композитов, имеющих небольшую массу, состоит в том, что они требуют меньших, менее дорогих опор. Кроме того, они не подвержены коррозии. Мост разработан из стандартных профилей и может производиться по более низкой стоимости, чем аналогичный стальной или бетонный мост.

Новый сложный мост был построен в Швейцарских Альпах прошлой осенью. Этот мост состоит из двух элементов, весящих по 900 кг, которые были установлены при помощи вертолета. Элементы были склеены и соеденены болтами вместе. Мост, собранный из стали, едва ли смог бы транспортироваться вертолетом. Еще одно преимущество проекта состоит в том, что мост может быть легко демонтирован в случае весенних наводнений.

В оборонной промышленности композиционные материалы сыграли важную роль в стратегии и направлении новейших разработок. Так защитные каски, бронежилеты, традиционно изготавливаемые во всех странах многие годы из металла, в настоящее время также изготавливаются из композиционных материалов. Скоростные суда, транспортные корабли, самолеты невидимки, все это создано только благодаря использованию композиционных материалов, постоянному поиску новых материалов и технологий.

В очень большом количестве композиционные материалы используются в нефтеперерабатывающей промышленности. В настоящее время из этих материалов изготавливают элементы нефтяных платформ, трубы для нефте- и газопроводов. В этом году заканчивается строительство завода в Узбекистане по производству труб для нефте- и газопроводов. Мощность предприятия определяется исходя из объема потребления только огнестойкого ненасыщеного полиэфира в колличестве 6,5 тыс. тонн в год. 

  

Лопасти и корпуса ветряных электростанций, трейлера, рефрежераторы, предметы бытового назначения, сантехника, искусственный мрамор, полимербетон, гидроизоляция тонелей метрополитенов, изолирующие накладки, сидения для транспорта и общественных мест, малые архитектурные формы, мебель, все это и многое другое в настоящее время производится из композиционных материалов.

Page 2

Высокая коррозионная стойкость, способность к восприятию ударных нагрузок, отличное качество поверхности, красивый внешний вид обусловили широкое применение композиционных материалов практически во всех отраслях промышленности.

Видное место занимают эти материалы в производстве изделий для автомобильного и городского транспорта. Из них изготавливают корпуса легковых автомобилей, автобусов, детали внутреннего интерьера, кабины грузовиков, баки для горючего, цистерны для перевозки жидких и сыпучих грузов, корпуса и детали внутреннего интерьера трамваев и автобусов.

Широкое применение нашли композиционные материалы в авиационной и ракетно-космической технике, где используются такие их свойства, как высокая удельная прочность и стойкость к воздействию высоких температур, стойкость к вибрационным нагрузкам, малый удельный вес. Из этих материалов изготавливаются корпусные детали и детали внутреннего интерьера.

 

Очень широко композиционные материалы применяются в области судостроения. Уникальные свойства композиционных материалов позволяют изготавливать высокопрочные, легкие корпуса катеров, яхт, шлюпок. Из композиционных материалов также изготавливаются спасательные шлюпки для танкеров, перевозящих нефтепродукты. Такие шлюпки способны вынести экипаж судна из зоны разлившейся горящей нефти в случае аварии. Этой возможности позволили достигнуть уникальные свойства применяемых материалов, их высокая теплоизоляция и огнестойкость.

  
  

Развитие промышленности композитов в районе Персидского залива происходит чрезвычайно быстро. Композиционные материалы применены в одном из наиболее престижных проектов в регионе - строительстве гостиницы Jumeirah Reach Tower. Гостиница Jumeirah Reach Tower, строительство которой уже закончено в Дубаи, как объявляют, является самым высоким зданием гостиницы в мире. Ее высота 321 метр, это выше, чем Эйфелева башня в Париже. Приблизительно 33 000 квадратных метров сэндвичевых панелей соединяют гостиничные номера и гиганский, почти 200 метров высотой атриум. Панели произведены из композиционных материалов. Огнестойкая смола и гелькоут были спроектированы и полностью проверены для использования в этом проекте. Рекомендация и опыт этого проекта, как ожидается, вызовет значительный интерес в строительной промышленности.

В области железнодорожного транспорта композиционные материалы постепенно занимают лидирующее место благодаря своим великолепным свойствам. С каждым годом все больше компаний переходят на изготовление из композиционных материалов не только отдельных деталей, но и кузовов в целом. 

  

Настоящий переворот совершили композиционные материалы в области сельского хозяйства. Антикоррозионные свойства этих материалов позволяют применять их там, где не выдерживают другие материалы. Это элементы животноводческих ферм, емкости для хранения минеральных удобрений, отходов, сельскохозяйственных заготовок. Композиционные материалы используются для изготовления кузовов сельскохозяйственной техники. Это позволяет значительно сэкономить средства не только при производстве, но и в процессе эксплуатации, так как в межсезонье трактора, уборочные машины не требуют затрат на обслуживание кузовных деталей, а срок службы этих деталей намного больше. 

Одной из все более расширяющихся областей применения композиционных материалов является мостостроение. Использование стеклопластика открывает перспективный путь строительства мостов из новых материалов. Рассматриваемое строительство - мост длиной 40 метров, протянутый поперек одной из наиболее загруженных железных дорог в Дании. Изготовлен  первый композитный мост, специально разработанный, для создания железнодорожных переходов. Ключевым условием создания моста, для одной из наиболее загруженных железных дорог Дании, было то, что он должен был быть установлен в самые сжатые сроки. В то же время сооружение должно было соответствоватьопределенным практическим и эстетическим критериям. Мост был смонтирован за 16 часов. Работа была выполнена ночью. Мост состоял из трех компонентов, которые были установлены на опоры с болтами - кстати, единственные элементы моста, требующие соединений. 

Композиционные материалы будут все больше и больше использоваться как Материал в наземном строительстве. Налицо многочисленные преимущества: мосты из композиционных материалов, которые требуют только косметического обслуживания в течение более чем 50 последующих лет. Подобный мост, построенный из стали весил бы 28 тонн и нуждался в замене некоторых частей каждые 25 лет. То же самое применимо и к железобетонному мосту, который весил бы 90 тонн. Одно из главных преимуществ конструкций из композитов, имеющих небольшую массу, состоит в том, что они требуют меньших, менее дорогих опор. Кроме того, они не подвержены коррозии. Мост разработан из стандартных профилей и может производиться по более низкой стоимости, чем аналогичный стальной или бетонный мост.

Новый сложный мост был построен в Швейцарских Альпах прошлой осенью. Этот мост состоит из двух элементов, весящих по 900 кг, которые были установлены при помощи вертолета. Элементы были склеены и соеденены болтами вместе. Мост, собранный из стали, едва ли смог бы транспортироваться вертолетом. Еще одно преимущество проекта состоит в том, что мост может быть легко демонтирован в случае весенних наводнений.

В оборонной промышленности композиционные материалы сыграли важную роль в стратегии и направлении новейших разработок. Так защитные каски, бронежилеты, традиционно изготавливаемые во всех странах многие годы из металла, в настоящее время также изготавливаются из композиционных материалов. Скоростные суда, транспортные корабли, самолеты невидимки, все это создано только благодаря использованию композиционных материалов, постоянному поиску новых материалов и технологий.

В очень большом количестве композиционные материалы используются в нефтеперерабатывающей промышленности. В настоящее время из этих материалов изготавливают элементы нефтяных платформ, трубы для нефте- и газопроводов. В этом году заканчивается строительство завода в Узбекистане по производству труб для нефте- и газопроводов. Мощность предприятия определяется исходя из объема потребления только огнестойкого ненасыщеного полиэфира в колличестве 6,5 тыс. тонн в год. 

  

Лопасти и корпуса ветряных электростанций, трейлера, рефрежераторы, предметы бытового назначения, сантехника, искусственный мрамор, полимербетон, гидроизоляция тонелей метрополитенов, изолирующие накладки, сидения для транспорта и общественных мест, малые архитектурные формы, мебель, все это и многое другое в настоящее время производится из композиционных материалов.

www.naftaros.ru

Композитные материалы — особенности свойств и основные виды

Композитные материалы (КМ) – говорят, первые упоминания о подобных материалах можно найти в Библии. Композит — это материал, состоящий из двух и более компонентов, которые усиливают и дополняют свойства друг друга. Благодаря чему, конечный  материал обладает свойствами, достижение которых невозможно каждым компонентом по отдельности. Возьмем, к примеру, стеклопластик. Так, если бы какая то  деталь была полностью из стекла, она обладала бы очень большой теоретической прочностью на растяжение или сжатие. Но  на практике, многочисленные поверхностные трещины приводят к разрушению изделия задолго до достижения ее теоретической прочности.  В таком же изделии из стеклопластика, рост какой-то конкретной микротрещины ограничится обрывом одного волокна. А полимерная матрица перераспределит нагрузку на оставшиеся волокна. Примерно так работает самая обычная стеклопластиковая арматура.  Так же, при изготовлении изделия можно заложить направление волокон с учетом предполагаемых направлений нагрузки на изделие. Что позволит избежать излишнего количества материалов в «ненужных» нам направлениях.

Рынок композитов в России

Доля России в мировом производстве композитов минимальна. Емкость рынка композиционных материалов, делает производство КМ одним из наиболее перспективных направлений деятельности в нашей стране.  Если в 1970-е  мы были 4-е в мире по производству композитов, то сейчас не обеспечиваем и 3% мирового спроса. Это в немалой степени обусловлено отсутствием своего сырья, до недавнего времени на долю импорта приходилось 90%.  Но программа импорта замещения работает и в композитной отрасли, так в 2015г. на территории Татарстана было открытие завода по производству углеродного волокна. Предприятие, при выходе на полную мощность, способно полностью удовлетворить потребности российского рынка.

Так же, производство КМ в промышленном масштабе тормозит отсутствие единых технических регламентов в этой сфере. Главгосэкспертиза попросту не пропускает многие проекты в строительстве из-за отсутствия СНИПов на технологию. Тем не менее, с помощью КМ в России усилено больше тысячи строительных объектов. Так в 2014г . в Башкирии 5 мостов были усилены лентами (в основе которых углеродное волокно и эпоксидная смола) для провоза по ним крупногабаритного оборудования ОАО «Газпром» весом почти 100т.

Применение композитных материалов в технике

Полимерные КМ имеют неоспоримый ряд преимуществ в сравнении с металлоконструкциями. Таких как: эксплуатационно-технические, -экономические, технологические. Именно поэтому они (в основном углепластик и стеклопластик) получили широкое применение почти во всех отраслях промышленности.

Авиация

В самолетостроении композитные материалы начали применять еще с 1940-ых, в настоящее же время доля КМ в некоторых образцах достигает 50% (Boeing787 Dreamliner). Из КМ изготавливаются такие детали как: обшивка, руль высоты, руль направления, обтекатели, воздухозаборники, закрылки и т.п. К примеру: замена элементов крепления лопастей к ротору на стеклопластиковые, в некоторых моделях вертолетов, позволила снизить массу деталей на 40%, а стоимость в 2,5 раза.

Ракетная техника

Одними из первых стеклопластиковых деталей, примененных в 60-х годах, в ракетной технике, стали корпуса двигателей боевых ракет. Дальность таких ракет увеличилась с 1500 до 4000км. Сейчас, доля КМ в некоторых типах ракет доходит до 85-90% от общей массы.

Космические аппараты

Посчитано что экономическая выгода от снижения массы космического аппарата всего на 1кг составляет от10000 $ до 50 000 $. Наилучших показателей в снижении веса космических аппаратов удалось добиться только с применением КМ. К концу прошлого века доля композитов в конструкции составляла 20%.

Автомобилестроение

Применение композитов в машиностроении так же продолжает набирать обороты. Сейчас есть проекты создания автомобилей с максимальным применением КМ. Расход топлива такого автомобиля должен составить менее 2,5л на 100км.

Углепластик, стеклопластик, кевларопластик в основе которых эпоксидная и полиэфирная смола и многие другие виды КМ так же обширно применяются в судостроении, железнодорожном транспорте, спортивной технике, строительстве. В качестве только развивающихся видов техники можно выделить радиотехнику, военную технику, ортопедические протезы и современную бытовую технику.

Композитный материал-технологии изготовления

На конечные свойства изделия также влияет то, каким способом оно произведено.   Некоторые методы позволяют организовать производство композитов даже у себя в гараже.  И так, рассмотрим наиболее часто встречающиеся методы производства КМ:

Напыление

Рубленное волокно, перемешанное с катализированной смолой напыляется с помощью пистолета на оснастку.

Связующее : преимущественно, полиэфирная смола

Наполнитель: стекловолокно

Ручная формовка

Сухие армирующие волокна в виде полотен укладываются на матрицу, после чего наносится смола.

Вакуумное формование

После укладки и пропитки ткани как при ручной формовке, на стадии отверждения, применяется давление для укрепления ламината.

Связующее : чаще, эпоксидная смола или фенольная

Намотка

Волокна, пропитанные связующим, наматываются в различных направлениях на оправку. Пример: стеклопластиковые трубы или баллоны.

Пултрузия

Процесс производства профильных изделий из одноосно-ориентированных пластиков непрерывным способом, является аналогией экструзии металлов.

RTM

Сухой армирующий слой укладывается на оснастку, затем вторая часть оснастки закрывается и происходит инъекция смолы в полость.

Автоклав

Препрег (предварительно пропитанное волокно или ткань) выкладывается на поверхность оснастки. Затем оснастка нагревается  под давлением до 120-180 °С. Давление создается автоклавом, а высокая температура активирует катализатор в связующем.

Связующее: обычно эпоксидная, полиэфирная или фенольная смола

Наполнитель: чаще всего углеродное или стекловолкно

В заключение

ХХI век давно называют веком композитных материалов, как были каменные и бронзовые века в древности. Композиты прочно вошли в нашу жизнь, изделия из углепластика и стеклопластика можно встретить во всех отраслях промышленности и в быту. Ясно, что у российского рынка композитов колоссальный потенциал. Производству ПКМ способствуют различные Государственные программы.  Технология изготовления изделий из композиционных материалов вошла в число 27 приоритетных направлений, предусмотренных Указом №899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ и перечня критических технологий РФ». Владение базовой теорией композитов может пригодиться и в быту от ремонта стеклопластиковой душевой кабины до упрочнения фундамента домов углеродной лентой. О перспективах компаний производящих композитные материалы  не приходиться и говорить.

composite-materials.ru

Волокнистые композиционные материалы

В истории развития техники может быть выделено два важных направления :

  • развитие инструментов, конструкций, механизмов и машин,
  • развитие материалов.

Какое из них главнее сказать сложно, т.к. они довольно тесно взаимосвязаны, но без развития материалов технический прогресс невозможен в принципе. Не случайно, историки подразделяют ранние цивилизационные эпохи на каменный век, бронзовый век и век железный.

Нынешний 21 век уже можно отнести к веку композиционных материалов (композитов).

Понятие композиционных материалов сформировалось в середине прошлого, 20 века. Однако, композиты вовсе не новое явление, а только новый термин, сформулированный материаловедами для лучшего понимания генезиса современных конструкционных материалов.

Композиционные материалы известны на протяжении столетий. Например, в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а древние египтяне добавляли рубленную солому в глиняные кирпичи. В Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555-1560 при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали армированные железными полосами каменные плиты. Прямыми предшественниками современных композиционнных материалов можно назвать железобетон и булатные стали.

Существуют природные аналоги композиционных материалов — древесина, кости, панцири и т.д. Многие виды природных минералов фактически представляют собой композиты. Они не только прочны, но обладают также превосходными декоративными свойствами.

Композиционные материалы — многокомпонентные материалы, состоящие из пластичной основы — матрицы, и наполнителей, играющих укрепляющую и некоторые другие роли. Между фазами (компонентами) композита имеется граница раздела фаз.

Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого существенно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Т.е. признаком композиционного материала является заметное взаимное влияние составных элементов композита , т.е. их новое качество, эффект.

Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, применяя специальные дополнительные реагенты и т.д., получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств.

Большое значение расположение элементов композитного материала, как в направлениях действующих нагрузок, так и по отношению друг к другу, т.е. упорядоченность. Высокопрочные композиты, как правило, имеют высокоупорядоченную структуру.

Простой пример. Горсть древесных опилок, брошенная в ведро цементного раствора никак не повлияет на его свойства. Если опилками заменить половину раствора — то существенно изменится плотность материала, его теплофизические константы, себестоимость производства и др. показатели. Но, горсть полипропиленовых волокон сделает бетон ударопрочным и износостойким, а полведра фибры обеспечат ему упругость, совсем не свойственную минеральным материалам.

В настоящее время в область композиционных материалов ( композитов ), принято включать разнообразные искусственные материалы, разрабатываемые и внедряемые в различных отраслях техники и промышленности, отвечающие общим принципам создания композитных материалов

Почему интерес к композиционным материалам проявляется именно сейчас ? Потому, что традиционные материалы уже не всегда или не вполне отвечают потребностям современной инженерной практики.

Матрицами в композиционных материалах являются металлы, полимеры, цементы и керамика. В качестве наполнителей используются самые разнообразные искусственные и природные вещества в различных формах ( крупноразмерные, листовые, волокнистые, дисперсные, мелкодисперсные, микродисперсные, наночастицы).

Известны также многокомпонентные композиционные материалы, в т.ч.:

  • полиматричные, когда в одном композиционном материале сочетают несколько матриц,
  • гибридные, включающие несколько разных наполнителей, каждый из которых имеет свою роль.

Наполнитель, как правило, определяет прочность, жесткость и деформируемость композита, а матрица обеспечивает его монолитность, передачу напряжений и стойкость к различным внешним воздействиям.

Особое место занимают декоративные композиционные материалы, имеющие выраженные декоративне свойства.

Разрабатываются композитные материалы со специальными свойствами, например радиопрозрачные материалы и радиопоглощающие материалы, материалы для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов, материалы с малым коэффициентом линейного термического расширения и высоким удельным модулем упругости и другие.

Композиционные материалы используются во всех областях науки, техники, промышленности, в т.ч. в жилищном, промышленном и специальном строительство, общем и специальном машиностроении, металлургии, химической промышленности, энергетике, электронике, бытовой технике, производстве одежды и обуви, медицине, спорте, искусствах и т.д.

Структура композиционных материалов.

По механической структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты.

Волокнистые композиты армируются волокнами или нитевидными кристаллами. Даже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к существенному улучшению механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон.

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в триплексах, фанере, клееных деревянных конструкциях и слоистых пластиках.

Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20-25% (по объему), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов еще меньше и составляют 10-100 нм.

Некоторые распространеные композиты

Бетоны — самые распространенные композиционные материалы. В настоящее время производится большая номенклатура бетонов, отличающихся по составам и свойствам. Современные бетоны производятся как на традиционных цементных матрицах, так и на полимерных ( эпоксидных, полиэфирных, фенолоформальдегидных, акриловых и т.д.). Современные высокоэффективные бетоны по прочности приближаются к металлам. Популярными становятся декоративные бетоны.

Органопластики — композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже — природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, обладают относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе. К наиболее распространенным органопластикам относятся древесные композиционные материалы. По объемам производства органопластики превосходят стали, аллюминий и пластмассы.

Что такое композитный материал

В зарубежной литературе в последнее время становятся популярными новые термины — биополимеры, биопластики и соответственно — биокомпозиты.

Древесные композиционные материалы. К наиболее распространенным древесным композитам относятся арболиты, ксилолиты, цементностружечные плиты, клееные деревянные конструкции, фанеры и гнутоклееные детали, древесные пластики, древесностружечные и древесноволокнистые плиты и балки, древесные прессмассы и пресспорошки, термопластичные древесно-полимерные композиты.

Стеклопластики — полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Стеклопластики обладают высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

Углепластики — наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Матрицами в угепластиках могут быть как термореактивные, так и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики — очень легкие и, в то же время, прочные материалы.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы — наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С.

Боропластики — композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Пресспорошки ( прессмассы). Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить др. Бакеланд (Leo H. Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола — вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бакеланд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал — бакелит — приобрел большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и наполнителя — пресс-порошок — под давлением необратимо затвердевает в форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это — ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются в самых разных областях техники. Для наполнения термореактивных и термопластичных полимеров применяются разнообразные наполнители — древесная мука, каолин, мел, тальк, слюда, сажа, стекловолокно, базальтовое волокно и др,

Текстолиты — слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х г.г. на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывают смолой, затем прессуют при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины или фасонные изделия. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, а иногда и неорганические связующие на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон — хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.

Композиционные материалы с металлической матрицей. При создании композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и т.д. Наполнителем служат высокопрочные волокна, тугоплавкие частицы различной дисперсности, нитевидными монокристаллы оксида алюминия, оксида бериллия, карбидов бора и кремния, нитридов алюминия и кремния и т.д. длиной 0,3-15 мм и диаметром 1-30 мкм.

Основными преимуществами композиционных материалов с металлической матрицей по сравнению с обычным (неусиленным) металлом являются: повышенная прочность, повышенная жесткость, повышенное сопротивление износу, повышенное сопротивление ползучести.

Композиционные материалы на основе керамики. Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами позволяет получать высокопрочные композиты, однако, ассортимент волокон, пригодных для армирования керамики, ограничен свойствами исходного материала. Часто используют металлические волокна. Сопротивление растяжению растет незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым ударам — материал меньше растрескивается при нагревании, но возможны случаи, когда прочность материала падает. Это зависит от соотношения коэффициентов термического расширения матрицы и наполнителя.

Армирование керамики дисперсными металлическими частицами приводит к новым материалам (керметам) с повышенной стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с повышенной теплопроводностью. Из высокотемпературных керметов делают детали для газовых турбин, арматуру электропечей, детали для ракетной и реактивной техники. Твердые износостойкие керметы используют для изготовления режущих инструментов и деталей. Кроме того, керметы применяют в специальных областях техники — это тепловыделяющие элементы атомных реакторов на основе оксида урана, фрикционные материалы для тормозных устройств и т.д.

Автор статьи: Абушенко Александр Викторович

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Композиционные материалы – это материалы, состоящие из двух или несколько компонентов, которые отличаются по своей природе или химическому составу, где компоненты объединены в единую монолитную структуру с границей раздела между компонентами, оптимальное сочетание которых позволяет получить комплекс физико-химических и механических свойств, отличающихся от комплекса свойств компонентов.

В широком смысле понятие «композиционный материал» включает в себя любой материал с гетерогенной структурой, т.е. структурой, состоящей из двух и более фаз.

Первым создателем композиционных материалов была сама природа. Множество природных конструкций (стволы деревьев, кости животных, зубы людей и т.д.) имеют характерную волокнистую структуру. Она состоит из сравнительно пластичного матричного вещества и более твердых и прочных веществ, имеющих форму волокон. Например: древесина – это композиция, состоящая из пучков высокопрочных целлюлозных волокон трубчатого строения, связанных между собой матрицей из органического вещества (лигнина), придающего древесине поперечную жесткость.

Примерами композиционных материалов могут быть и такие природные образования, как минералы. Нефрит – состоит из плотноупакованных игольчатых кристаллов, связанных друг с другом на поверхностях раздела. Такая структура обеспечивает высокую вязкость нефрита и поэтому различные племена использовали его как материал для изготовления топоров.

Общая характеристика композиционных материалов

И их классификация

Внимание к композиционным материалам в последнее время непрерывно возрастает. Это объясняется тем, что возможности повышения механических свойств традиционных конструкционных материалов в значительной степени исчерпаны.

Композиционные материалы по удельным прочности и жесткости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят все известные конструкционные сплавы. Уровень заданного комплекса свойств проектируется заранее и реализуется в процессе изготовления материала.

Рис. 20.1. Удельные прочность и жесткость стали, титановых, алюминиевых сплавов и композитов (КАС-1, ВКА-1Б).

Свойства композиционных материалов в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними.

Композитные материалы — что это такое?

Отличительной особенностью данных материалов является то, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Вместе с тем композиционным материалам присущи свойства, которыми не обладают отдельно взятые компоненты, входящие в их состав. Для оптимизации свойств композиции выбирают компоненты с резко отличающимися, но дополняющими друг друга свойствами.

По своему составу композиционные материалы состоят из основы (матрицы) и наполнителя (упрочнителя, армирующего компонента).

Основой (матрицей) композиционных материалов служат металлы или сплавы, полимеры, углеродные и керамические материалы.

Матрица связывает композицию, придает ей форму. От свойств матрицы в значительной степени зависят технологические режимы получения композиционных материалов и такие важные эксплуатационные характеристики как: рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению, плотность и удельная прочность.

Созданы композиционные материалы с комбинированными матрицами, состоящими из чередующихся слоев (двух и более) различного химического состава. Такие материалы называют полиматричными. Для полиматричных материалов характерен более обширный перечень полезных свойств. Например, использование в качестве матрицы наряду с алюминием титана увеличивает прочность композиционных материалов в направлении, перпендикулярном оси волокон. Алюминиевые слои в матрице способствуют уменьшению плотности материала.

В матрице равномерно распределен другой компонент, называемый арматурой или армирующим компонентом, или, иногда наполнителем. Понятие «армирующий» означает – «введенный в материал с целью изменения свойств», но не несет в себе однозначного понятия «упрочняющий».

Армирующие компоненты должны обладать высокими прочностью, твердостью, и модулем упругости. По этим свойствам они значительно превосходят матрицу.

Свойства композиционных материалов зависят также от формы или геометрии, размера, количества и характера распределения наполнителя (схемы армирования).

По форме наполнители разделяют на три основные группы:

1. Нульмерные наполнители, имеющие в трех измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы);

2. Одномерные наполнители имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в третьем измерении (волокна);

3. Двухмерные наполнители имеют два размера соизмеримых с размером композиционного материала и значительно превосходят третий (пластины, ткань).

Нитевидная форма армирующих элементов имеет как положительные так и отрицательные стороны. Преимущество их состоит в высокой прочности и возможности создать упрочнение только в том направлении, в котором это требуется конструктивно. Недостаток такой формы заключается в том, что волокна способны передавать нагрузку только в направлении своей оси, тогда как в перпендикулярном направлении упрочнения нет, а в некоторых случаях может проявиться даже разупрочнение.

Наполнители, используемые в качестве арматуры, должны иметь следующие свойства: высокую температуру плавления, малую плотность, высокую прочность во всем интервале рабочих температур, технологичность, минимальную растворимость в матрице, высокую химическую стойкость, отсутствие токсичности при изготовлении и в эксплуатации.

Композиционные материалы, которые содержат два и более различных наполнителя, называют полиармированными.

Если композиционные материалы состоят их трех и более компонентов, они называются гибридными.

Композиционные материалы классифицируются по нескольким основным признакам:

а) материалу матрицы и армирующих компонентов;

б) структуре: геометрии и рапсоложению компонентов;

в) методу получения;

г) области применения.

Рассмотрим некоторые классификационные характеристики композиционных материалов.

Дата добавления: 2017-01-26; просмотров: 3573;

Похожие статьи:

Волокнистые композиционные материалы представляют собой относительно мягкую матрицу, которая связывает прочные волокна (Рис.59.). Основную механическую нагрузку несут волокна, а матрица равномерно распределяет её.

Композитные материалы — особенности свойств и основные виды

Упрочняющие (или армирующие) волокна могут быть диаметром d = 10 нм – 100 мкм , как длинные, так и короткие. Если отношение длины волокна к диаметру (l/d) = 10 – 1000, то такие волокна называются дискретными. Если (l/d) > 1000 , то такие волокна называют непрерывными. В процентном содержании волокна могут составлять 20–80% массы материала.

В зависимости от способа укладки волокон различают структуры композиционных материалы:

1. Однонаправленные – волокна укладываются вдоль одного направления.

2. Сотканные – волокна уложены перекрестно в двух направлениях, как в ткани..

3. Объемные –пространственная укладка волокон. Волокна сшиваются в объёмную структуру в трёх и более направлениях.

Сотканные и слоистые материалы анизотропны, прочность вдоль слоев волокон заметно больше, чем в поперечном направлении. Наибольшей прочностью обладают материалы с объемной структурой. Они почти изотропные, т.е. в разных направлениях свойства одинаковы.

В качестве армирующих волокон используются сверхпрочные борные волокна, углеродные, карбидные, нитридные, оксидные и т.д. Из металлических материалов для армирования применяют проволоку из вольфрама, молибдена, углеродистой стали.

В качестве матрицы используются как металлы, так и не металлы, органические и не органические соединения – все подряд. При этом материалы выбираются таким образом, чтобы комбинировать и получить определенные сочетания положительных свойств матрицы и армирующих соединений.

Рассмотрим примеры волокнистых КМ композиционных материалов.

· Бор – алюминий

Алюминиевая матрица . Алюминий мягкий материал. Борные волокна – это прочный материал, но хрупкий. В сочетании эти два материала дают вязкий и прочный композиционный материал. С пределом прочности σв = 1300 МПа. Т.е. по прочности как легированная сталь, по весу как алюминий.

· Алюминий – сталь

Алюминиевая матрица. Стальные волокна. Обладает пределом прочности σв = 1600 МПа. Т.е. прочность ещё выше, но значительно легче стали.

· Никель-вольфрам

Никель – матрица, вольфрамовая нить – армирующий материал. Это жаростойкий материал. Имеет прочность σв = 700 МПа. Высокая прочность при высоких температурах.

· Углепласт

Углеродные волокна , которые пропитываются связующим – полимерной смолой.

После полимеризации смолы получается сверхпрочный материал углепласт σв = 1000 МПа. При этом он чрезвычайно легкий ρ = 1500 кг/см3, легче алюминия, сохраняет прочность при кратковременном нагреве до температуры 2200 ºС .

· Борноволокнистые материалы

Для армирования используют борные волокна. Такой КМ обладают еще большей прочностью σв = 1300 МПа, легкий ρ = 2000 кг/см3, выдерживает длительный нагрев до температуры tраб = 300 ºС.

Композиционные материалы благодаря своим уникальным свойствам все более широко используется в самых разнообразных областях. Это современные перспективные материалы, которые востребованы в первую очередь авиационной, автомобильной , ракетной технике. Их стоимость снижается и потому они все шире и чаще используются для изготовления легких конструкций и деталей в строительстве, машиностроении, бытовой техники и т.д..

· Контрольные вопросы

1. Какие материалы называют композиционными?

2. Строение дисперсноупрочнёных композиционных материалов.

3. Принципы упрочнения волокнистых материалов.

4. Способы укладки волокон.

5. Преимущества композиционных материалов?

6. Приведите примеры композиционных материалов.

Список литературы

  1. Шарипов И.З. Физика металлов:учебное пособие для студентов вузов–Уфимский гос.авиац.техн. ун-т, Уфа, 2005 – 89 с.
  2. Материаловедение. Технология конструкционных материалов:учебное пособие для студентов вузов под ред. Чередниченко. – 2-е изд. , перераб. – М.: Омега-Л, 2006. – 752 с.
  3. Колесов С. Н., Колесов И. С. Материаловедение и технология конструкционных материалов : учебник для студентов вузов– Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 2007 .— 536 с.
  4. Материаловедение:Учебник для высших техни­ческих учебных заведений. Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г. Ф. Косолапов и др.; Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова.— 7-е, стереотип..-М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. – 648 с.
  5. Материаловедение и технология металлов. Под ред. Фетисова Г.П. – М.: Высшая школа, 2001. – 638 с.
  6. Белоус М.В. Физика металлов:Учебное пособие для студентов вузов. – Киев: Вища школа,1986.-343с.:ил.;22см.
  7. Ермаков С.С. Физика металлов и дефекты кристаллического строения:Учебное пособие для студентов вузов. – Ленингр. политехн. ин-т им. М.И.Калинина.-Л.:Изд-во ЛГУ,1989.-271с.:ил.;22см.
  8. Епифанов Г. И. Физика твердого тела. Учеб. пособие для втузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Высш. школа», 1977. 288 с. с ил.
  9. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов.Учеб.пособие для вузов / 3-е изд., перераб. и доп.-М.:Металлургия, 1983 . – 232 с.
  10. Курс материаловедения в вопросах и ответах: учебное пособие для студентов высших учебных заведений / С. И. Богодухов, В. Ф. Гребенюк, А. В. Синюхин. -Изд. 2-е, испр. и доп..-М.: Машиностроение, 2005. – 288 с.
  11. Ржевская С. В. Материаловедение: учебник для вузов / -Изд. 4-е, перераб и доп..-М.: Логос, 2004. – 424 с.
  12. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение:Учебник для высших технических учебных заведений. —3-е изд., перераб. и доп. — М.: Ма­шиностроение, 1990. – 528 с.
  13. Журавлева Л. В. Электроматериаловедение:учебник /-2-е изд., стереотип..-М.: Academia, 2004. ­­– 312 с.
  14. Технология конструкционных материалов. Под ред. Дальского А.М. М.: Машиностроение, 1993. – 448 с.
  15. Коровский Ш. Я. Авиационное электрорадиоматериаловедение., М.:«Машиностроение», 1972 – 356 c.
  16. Пасынков В. В., Сорокин В. С. Материалы электроннойтехники: Учебник для студ. вузов. 3-е изд. — СПб.: Издательство «Лань», 2001. — 368 с.
  17. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника: Учеб. пособие.— 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Высш. школа. 1991.— 622 с.
  18. Лачин В. И., Савёлов Н. С. Электроника: Учеб. пособие. — Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2000. — 448 с.
  19. Тареев В.М. Электрорадиоматериаловедение. —М.: Машиностроение, 1986- 384 с.
  20. Электротехнические и конструкционные материалы. Под.ред.. Филикова В.А – М.: Мастерство: Высшая школа, 2000.– 280 c.
  21. Калинин Н.Н., Скибинский Г.Л., Новиков П.П. Электрорадиоматериалы. –М.:Высшая школа, 1981. –294 с.

Учебное издание

ШАРИПОВ Ильгиз Зуфарович

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Редактор З.Г. Кашаева

Подписано в печать 18.04.2008. Формат 60´84 1/16.

Усл. печ. л. 4,7. Усл. кр.-отт. 4,7. Уч.-изд. л. 4,6. Гарнитура Times New Roman. Тираж 100 экз. Заказ №

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет

Редакционно — издательский комплекс УГАТУ

450000. Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12

⇐ Предыдущая35363738394041424344

Дата публикования: 2014-11-18; Прочитано: 1275 | Нарушение авторского права страницы

Современные технологии требуют появления все новых и новых композитных материалов со специальными свойствами, находя им широкое применение в различной продукции. Одним из таких композитный материалов является – карбон. Уникальные свойства карбона позволяют использовать его для производства и тюнинга различных транспортных средств, яхт и морских судов, в авиастроении и космической техники. Свое рождение карбон начал с исследований Эдисона, именно он в 1880 году ведя поиск материала для спирали лампы накаливания исследовал уклеволокно являющееся основой карбона. Слабое развитие технического прогресса в то время не дало возможности полностью раскрыть свойства нового материала и найти ему достойное применение. Только выход человечества в космос и использование карбонового углеволокна при строительстве космических кораблей NASA раскрыло перед карбоном все двери. Основу композитного материала карбон тонкие углеродные нити сломать практически невозможно это гарантирует высокая прочность, износостойкость и жесткость углеродной нити. Используя нить уклеволокна в качестве одного армирующего элемента и нити резины или кевлара в качестве второго армирующего элемента связав их эпоксидными смолами можно получить карбоновое полотно. Особенностью углепластика является разнонаправленность физических свойств поэтому для получения однородного композитного материала армирующие волокна переплетают, образуя специальную сетку именно она и придает привлекательный вид карбону. Создавая армирующую сетку нити, всегда переплетают под заданным углом, при создании следующего слоя угол меняют. Для получения карбона толщиной 1 мм применяют 3-4 слоя переплетенных армирующих нитей, придавая композитному материалу заданную прочность и твердость.

Технология получения непосредственно самих нитей углеволокна довольно сложна, можно получить органические волокна углепластика используя автоклав высокого давления методом химической осадкой углерода или выращивать кристаллы нити углепластика в световой дуге. Современный автоклав промышленный более производителен и метод автоклавного формирования углеволокна более технологичен.

В качестве исходного материала для получения нитей углеволокна берут волокна полиакрилонитрила, их окисляют при температуре 250°C в течение 24 часов в воздушной среде. Далее волокна помещают в автоклав горизонтальный с рабочим объемом, заполненным инертным газом, автоклав электрический производит длительный высокотемпературный нагрев волокон в пределах 800-1500°C обеспечивая карбонизацию углеволокна. Такая термическая обработка обеспечивает пиролиз углеволокна в нем убывают летучие соединения, а сами волокнах образуют новые связи. Такая дилительная термическая обработка при автоклавировании исходный материал полностью обугливается и получается готовый продукт — нитей углеволокна.

astgift.ru

Введение в композиционные материалы

Содержание

Понятие о композиционных материалах

История создания и развития композиционных материалов

Закономерность внедрения КМ в технике

Особенности проектирования и внедрения изделий из КМ

Классификация композиционных материалов

Зависимость свойств композитов от характеристик исходных компонентов и структурно-технологических параметров

Проектирование изделий из КМ

Преимущества и недостатки современных композиционных материалов

Вопросы для самопроверки

Понятие о композиционных материалах

Бурное развитие науки и техники, крупные достижения в освоении космоса и овладении новыми источниками энергии, в создании новых видов транспорта и связи, в освоении глубин Мирового океана - вот характерные черты нашего времени. Прогресс науки и техники во мно­гом зависит от успехов в области создания новых материалов. Это от­носится, прежде всего, к тем областям, где соотношение между прочно­стью (жесткостью) и массой конструкции определяет ее эффективность.

Разработка новых надежных и экономичных конструкций в машино­строении нуждается в применении материалов с высокими физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами: высокой прочностью, тепло- и жаростойкостью, коррозионной устойчи­востью, сопротивлением распространению трещин, малой плотностью, специальными свойствами (электромагнитными, оптическими и др.). Традиционные материалы (преимущественно металлы) не в полной мере отвечают этим высоким требованиям. Например, на раннем этапе развития космонавтики в качестве теплоизоляционного покрытия воз­вращаемого на Землю аппарата использовались тугоплавкие сплавы на основе вольфрама. С учетом высокого значения его удельного веса -19,3 г/см3 - защитный слой изготавливался минимальной толщины. Это привело к тому, что при завершении программы полета летчиком-космонавтом Комаровым В.М. на «Союзе-1» в апреле 1967 г. из-за за­поздалого включения системы торможения температура на внешней поверхности возвращаемого аппарата поднялась выше расчетных зна­чений. В результате произошел прогар и разгерметизация аппарата, не оставив никаких шансов на выживание космонавта. В дальнейшем был разработан искусственно созданный материал для теплозащиты, теплофизические характеристики которого не уступают тугоплавким спла­вам на основе вольфрама, а удельный вес его более чем в 10 раз меньше, чем указанных сплавов - это углерод-углеродный композици­онный материал (УУКМ).

Композиционные материалы (КМ) открывают широкие возможности для улучшения существующих и разработки новых конструкций.

Композиционные материалы по праву считаются материалами бу­дущего, поскольку сочетают в себе целый ряд уникальных свойств: лёгкость, прочность, достаточно высокую жёсткость, немагнитность, ра­диопрозрачность и т.д.

Чаще всего композиты представляют собой двухкомпонентные гетерофазные системы, образованные объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними и свойствами, ко­торыми не обладают каждый из компонентов в отдельности. Обычно КМ состоят из армирующих элементов (наполнитель, арматура) и соеди­няющей их непрерывной среды (связующее, матрица).

Каждому компоненту, входящему в состав КМ, отводится своя роль:

- наполнитель - обеспечивает прочностные и жесткостные характеристики КМ, локализует появившиеся трещины и т.д.;

- матрица - передает нагрузки между элементами арматуры, пре­дохраняет ее от внешних повреждающих воздействий, обеспечивает монолитность, фиксирует форму и размеры изделий из КМ.

Особенность использования таких материалов заключается в том, что для конкретного изделия необходимо создать свой, зачастую уникальный, материал, то есть подобрать соответст­вующие компоненты, выбрать требуемую условиями нагружения схему расположения армирующих наполнителей, применить определённый технологический процесс изготовления.

История создания и развития композиционных материалов

Первым создателем КМ была природа. Стволы деревьев, кости жи­вотных, зубы имеют характерную волокнистую структуру. Она состоит из сравнительно пластичного матричного вещества и более твердых и прочных веществ, имеющих форму волокон. Например, древесина - это композиция, состоящая из пучков высокопрочных целлюлозных волокон трубчатого сечения, связанных между собой матрицей из органического вещества - лигнина, придающего древесине поперечную прочность. Древесина - природный анизотропный материал с различными свойст­вами. Зубы людей и животных состоят из твердого вязкого поверхност­ного слоя - эмали и более мягкой сердцевины - дентина. И эмаль, и дентин содержат неорганические кристаллы игольчатой формы, распо­ложенные в мягкой органической матрице. Примерную структуру имеет и слоновая кость.

Такие природные образования, как минералы, также можно рас­сматривать как КМ. Например, нефрит состоит из плотно упакованных игольчатых кристаллов, связанных друг с другом на поверхностях раз­дела, что обеспечивает высокую вязкость разрушения.

История использования и развития КМ связана с производственной деятельностью человека. Уже более миллиона лет назад, с момента выделения человека из животного мира, люди сознательно использова­ли природные КМ - кости животных, кожу, древесину и др. За 5 тыс. лет до н.э. при изготовлении глиняных изделий и кирпичей в них добавляли песок, измельченные камни, солому, камыш и т.п. для снижения усадки, уменьшения растрескивания, повышения прочности. В Библии упоми­нается, что за 4000-2000 лет до н.э. вавилоняне использовали в строи­тельстве материалы на основе тростника, пропитанного битумом. Поз­же из них египтяне строили свои суда. В Азии более чем за 1000 лет до н.э. изготавливали луки, стрелы из композиционных материалов, в которых использовали древесину, слои рога, сухожилия животных, соеди­ненных с помощью клея. Такие луки характеризовались большой убой­ной силой и радиусом действия. В Китае, Индии в качестве связующего широко использовался лак на основе природной смолы - шеллака (сложная смесь полиэфирных смол). Лак смешивали с песком, спекали и получали точильные камни. В 1555-1560 гг. при постройке храма Ва­силия Блаженного в Москве зодчие Барма и Постник использовали ар­мированные железными полосами каменные плиты. Таких примеров можно привести много, однако это все были хоть и удачные, но случай­ные находки.

В некоторых источниках первым осознанно созданным КМ назы­вают железобетон, запатентованный в 1867 году французским ученым Ж. Монье и получивший широкое применение с конца XIX века. Железо­бетон можно отнести к числу первых образцов армированной керамики.

Первый патент на полимерный композиционный материал (ПКМ) был выдан в 1909 г. Он предусматривал упрочнение синтетических смол природными волокнами. Армировали первые ПКМ рубленными природными волокнами, целлюлозной бумагой, хлопчатобумажными и льняными тканями. Хотя о приоритете патента на ПКМ вопрос спорный. В описании технологии изготовления первого фанерного самолета братьями Уилбером и Орвиллом Райт, на котором они 17 декабря 1903 года совершили первый полет продолжительностью 59 сек указа­но, что для защиты фанерных крыльев от дождя и других атмосферных воздействий их оклеивали пропитанной смолой тканью - а это и есть ПКМ.

Стеклопластики запатентованы в 1935 году - это первые полимер­ные КМ, в которых в качестве упрочняющего элемента использовались неорганические волокна. Промышленный выпуск стеклопластиков на­лажен после Второй мировой войны, и с тех пор их интенсивно исполь­зуют в технике.

В 1941 году в США был подписан первый правительственный кон­тракт на создание материала из хлопкового волокна, пропитанного фенольной смолой. Целенаправленно стеклопластики в авиастроении на­чали использовать с 1943 года, когда из них стали изготавливать кресла летчиков для учебных самолетов и облицовывать кабины.

В 1940-1950 гг. появляются современные, созданные сознательно, композиционные материалы - полимерные, керамические, металличе­ские и другие. Они были вызваны к жизни потребностями передовых областей науки и техники: судо- и авиастроения, военной техники, за­рождающейся космонавтики и др. (в США, Германии, Франции, СССР и др.). Их создание и совершенствование продолжается и в настоящее время.

В 50-х годах XX века было обнаружено, что многие материалы в виде тонких монокристаллов игольчатой формы обладают фантасти­чески высокой прочностью 10000 МПа и выше. Были получены новые виды неорганических поликристаллических волокон - углеродные, бор­ные с прочностью 3000-3500 МПа и модулем упругости (3-5)∙105 МПа. Эти сверхпрочные волокна стали использовать для армирования раз­личных матриц.

История развития современных КМ насчитывает чуть больше по­ловины столетия, но успехи в этом направлении достигнуты значитель­ные. Они нашли применение в самолетостроении и аэрокосмической промышленности, в автомобилестроении, в медицине и строительстве, в судостроении и производстве спортинвентаря, в быту и во многих дру­гих направлениях деятельности человека.

Сейчас самолеты-невидимки на 75-85% по массе состоят из КМ, престижные иномарки автомобилей содержат от 120 до 150 кг деталей из КМ, не только облицовочные материалы в строительстве, но и целые временные постройки выполнены из КМ. По объему производства эти материалы в развитых странах находятся на третьем, а в некоторых -на втором месте.

Закономерность внедрения КМ в технике

Основой научно-технического прогресса, его фундаментом всегда было и остается машиностроение. От уровня развития машинострое­ния, от степени совершенства машин в значительной мере зависят про­изводительность общественного труда и благосостояние народа. В на­стоящее время возможности повышения качества изделий лежат не только в совершенствовании их конструкций, но и в дальнейшем улуч­шении свойств конструкционных материалов, в использовании принци­пиально новых технологических процессов их обработки.

Перспективной тенденцией современного машиностроения являет­ся замена традиционных конструкционных материалов (поликристалли­ческих) на КМ в деталях различного назначения, как несущих, так и не­несущих. Это вызвано целым рядом причин научного, технического, экономического и социального характера.

Совершенство конструкций в значительной степени определяется параметрами прочности и жесткости конструкционных материалов, из которых они изготавливаются. В связи с этим рассмотрим, каковы ре­зервы повышения прочностных характеристик традиционных конструкционных материалов, например, стали и алюминиевых сплавов, для чего сравним их характеристики в начале 40-х годов и по прошествии 50-ти лет.

Предел прочности алюминиевых сплавов в 40-х годах был порядка 400 МПа, а стали - 1200 МПа. К началу 90-х годов они изменились в сторону увеличения и составили соответственно 650 МПа и 2200 МПа, причем дальнейшее увеличение этих характеристик дается с большим трудом. Специалисты приходят к выводу, что в связи с исчерпанием потенциальных возможностей механическая технология вступает в по­лосу своего заката. Совершенствование механических методов воздей­ствия на предмет труда не дает теперь большого экономического эф­фекта, не приносит больших качественных изменений в продуктах тру­да. Следовательно, резервы прочностных характеристик стали и алю­миниевых сплавов исчерпываются. Анализируя другую, не менее важ­ную характеристику материалов - модуль упругости первого рода, предварительно отметим, что в настоящее время особое значение при­дается материалоемкости и весовым параметрам конструкций. В связи с этим при оценке механических свойств материалов необходимо об­ращать внимание и на его удельный вес - γ. Оказалось, что обобщаю­щими и показательными характеристиками являются удельные модуль упругости и предел прочности, т.е. отношение модуля или предела прочности к удельному весу. Для алюминиевых сплавов γ = 2,5 г/см3, для стали - 7,8 г/см3. Оказывается, что значение удельного модуля уп­ругости для всех металлов изменяется в довольно узком диапазоне -2300-2600 км, причем изменить эту характеристику обычными техноло­гическими приемами невозможно.

Таким образом, можно сделать вывод: механические характеристи­ки традиционных конструкционных материалов, широко используемых в промышленности, находятся на предельном уровне.

Второй ограничительный фактор, которому до настоящего времени не уделялось должное внимание, - это исчерпание энергетических ре­сурсов, постепенное истощение наиболее богатых и наиболее доступ­ных месторождений полезных ископаемых, большинство из которых принадлежит к невозобновляемым, их добыча становится все сложнее и дороже.

Этот фактор характерен для большинства развитых стран. Одна из причин этого - постоянно увеличивающийся объем потребления метал­лов, что неизбежно приведет к тому, что месторождения руд, богатых по содержанию металлов, наиболее близко расположенных к сущест­вующим коммуникациям, удобных для добычи, будут в ближайшем бу­дущем выработаны. В период 1970-1990 гг. мировое производство же леза увеличилось в 2,7 раза, меди - в 2,3, алюминия - в 4,7, никеля - в 4, цинка - в 2 и титана - в 17 раз. По мнению специалистов, объемы производства и потребления металлов будут расти и дальше. Если предположить, что среднегодовое потребление, например, стали во всем мире приблизится к сегодняшнему уровню развитых стран (500 кг на душу населения), и условно допустить, что дальнейшего роста объ­емов потребления в этих странах не произойдет, то тогда на земном шаре должно производиться 2,5...3 млрд. тонн стали ежегодно.

Из анализа тенденций роста производства металлов естественно вытекает вопрос: является ли увеличение их производства единствен­ной формой удовлетворения растущих с каждым годом потребностей человечества в металлах или есть рациональная альтернатива - более эффективное их использование, появление и стремительное увеличе­ние использования наполненных КМ. В развитых странах (США, госу­дарствах Западной Европы, Японии) за последние 25 лет объем произ­водства КМ возрос более чем в 100 раз, что позволило наращивать производство товаров, снизив потребление стали. Производство стали в США снизилось со 134 млн. тонн в 1977 г. до 99 млн. тонн в 1990 г., в странах Евросоюза - с 117 млн. тонн до 103 млн. тонн за тот же период. В этой связи интересно сопоставить потребление стали в бывшем Со­ветском Союзе: потребление возросло за сопоставляемый период с 145 млн. тонн до 161 млн. тонн.

В мировом потреблении стали происходит перераспределение до­ли разных стран по этому показателю: доля США и Канады снизилась с 20,9% до 15,5%, а доля развивающихся стран возросла с 12,9% до 15,5%.

Композиционные материалы можно конструировать и получать с заранее заданными физико-механическими характеристиками, их плот­ность в 3...6 раз ниже стали, они безотходны при переработке в изде­лия, инертны к окружающей и агрессивным средам, т.е. не подвержены коррозии, обладают направленной тепло- и электропроводностью, зву­конепроницаемостью и т.д. Обычно эти характеристики превосходят характеристики поликристаллических материалов в несколько раз и да­же на несколько порядков. Считается, что 1 тонна изделий из КМ заме­няет, в среднем, 10 тонн стали.

Создание и внедрение КМ сопровождается рядом сопутствующих положительных эффектов. Так, во многих случаях существенно упро­щается технология изготовления деталей машин и конструкций из этих материалов, что позволяет экономить энергетические, человеческие и материальные ресурсы. Важны также эффекты снижения эксплуатационных расходов, выражающиеся в экономии топлива, увеличении дол­говечности, удлинении сроков межремонтной эксплуатации и т.д.

Композиционные материалы, за редким исключением, еще не­сколько десятков лет назад относились к разряду экзотических. Они создавались с целью обеспечения все возрастающих требований к ле­тательным аппаратам в области весового совершенства, обеспечения надежности, которые, в свою очередь, определялись экстремальными условиями эксплуатации элементов конструкции.

Следует отметить различия в подходах при освоении КМ, сущест­вовавшие в бывшем Советском Союзе и в зарубежных странах. Отече­ственные разработки по КМ по многим направлениям не уступали, а в некоторых случаях превосходили зарубежные, но в нашей стране они засекречивались, и только после снижения их актуальности разреша­лось их использование в гражданской авиации, автомобилестроении и т.д. Все это ограничивало объемы применения и приводило к высокой стоимости КМ в сравнении с металлами за единицу веса. За рубежом они, помимо использования в военно-промышленном комплексе в уп­рощенном варианте применялись при производстве большого количе­ства изделий народного потребления. Массовый и крупносерийный ха­рактер производства обеспечивал совершенствование технологий их переработки, высокое качество и степень автоматизации используемого оборудования.

В настоящее время композиты все шире используются в различных отраслях, где преобладают обычные, традиционные условия эксплуа­тации, далекие от экстремальных. Это приводит к существенному уде­шевлению их стоимости и созданию большой группы КМ из разнообраз­ных составляющих элементов, различающихся как по геометрическим, так и по физическим параметрам. Однако внедрение КМ связано с ря­дом специфических факторов, которые надо учитывать при разработке элементов конструкций на их основе.

Особенности проектирования и внедрения изделий из КМ

При проектировании, изготовлении и внедрении изделий из компо­зиционных материалов на основе волокнистых наполнителей (ВКМ) не­обходимо учитывать ряд особенностей, присущих этому классу мате­риалов:

а) Анизотропия физико-механических характеристик ВКМ.

Если традиционные материалы (сталь, чугун), а также дисперсно-упрочненные КМ обладают изотропностью свойств, то ВКМ имеют ярко выраженную анизотропию характеристик. При значительном различии характеристик волокнистой арматуры и матрицы соотношение между характеристиками ВКМ в различных направлениях может варьировать­ся в широких пределах: от 3-5 раз до 100 раз и более.

б) При проектировании конструкций, сооружений из традиционных материалов конструктор имеет дело с полуфабрикатами в виде листо­вого, профильного проката, литья и т.д. с гарантированными поставщи­ком свойствами. Его задача состоит в выборе подходящих полуфабри­катов, определении геометрии, исходя из функционального назначения, и способов соединения отдельных деталей. Задача технолога - обес­печить заданную форму, размеры и качество соединения конструктив­ных элементов. Анализ процессов, протекающих на всех этапах созда­ния полуфабриката, получение материала с требуемым уровнем харак­теристик относится к компетенции материаловедов. Сложилось вре­менное и организационное разделение процесса получения изделий из традиционных материалов на три этапа:

- материаловедческий - получение материала с требуемыми характеристиками;

- конструкторский - проектирование изделий конструкций;

- технологический - изготовление изделий и машин.

Эти этапы разнесены по времени и могут считаться не связанными между собой, если конструктор руководствуется характеристиками ма­териала, достигнутыми материаловедами, и имеет общие представле­ния об уровне современных технологий.

Изготовление конструкций из КМ происходит, как правило, за одну технологическую операцию с созданием материала. При этом синхрон­но с изготовлением конструкции протекают сложные физико-химические и теплофизические процессы, связанные с образованием структуры и агрегатными превращениями матрицы, взаимодействием ее с арми­рующим материалом. Им сопутствуют механические явления, прямо влияющие на свойства материала и несущую способность композитных деталей, на образование в ней дефектов в ненагруженном состоянии. Поэтому конструктор, проектирующий изделия из КМ, должен знать и учитывать при разработке материаловедческие принципы создания КМ и технологические приемы получения изделий из КМ. Технолог без кон­структорских знаний по условиям нагружения и эксплуатации создавае­мого изделия из ВКМ не может изготовить изделия, эффективно ис­пользуя отличия КМ от традиционных материалов, т.к. свойства КМ за­висят от структурно-геометрических факторов (объемного содержания армирующих волокон и матрицы, количества и расположения слоев и др.), которые заранее не известны. Поэтому подход должен быть конструкторско-технологическим, а это определяет организационные осо­бенности производства изделий из КМ.

в) В связи с тесной взаимосвязью этапов изготовления конструкций из КМ - создание материала, конструкций и технологии получения - более эффективно становится использовать специализированные КБ, имеющие конструкторский и технологический потенциал, оснащенные вычислительной техникой и мощным, но гибким опытным производ­ством, потому как все конструктивные решения необходимо отрабатывать на опытных образцах изделий. Такой поход в организации производства должен быть в каждой отрасли, где КМ находят широкое при­менение: в строительстве, на транспорте, в авиации, химическом машиностроении, электротехнической промышленности и др., т.к. предъявляемые к ним требования сильно различаются.

г) При конструировании деталей из полимерных КМ необходимо учитывать их недостатки:

- малую сдвиговую прочность;

- невысокие характеристики при сжатии;

- повышенную ползучесть;

- сравнительно низкую теплостойкость ПКМ.

Особое внимание следует уделить соединениям изделий из ПКМ в связи с малой сдвиговой и контактной прочностью.

д) Несмотря на большой интерес к вопросам предельного состояния, надежных методик, позволяющих определить запасы прочности конструкционных элементов из КМ, нет. В связи со сложностью проблем, связанных с прочностью изделий из КМ, возрастает значение выбора методов при обработке результатов экспериментальных испытаний.

В настоящее время оценка прочности конструкций из КМ состоит из комплекса испытаний, включающих:

- 100% испытания эксплуатационными нагрузками;

- выборочные испытания с доведением конструкции до разрушения.

Гарантию качества и успешное прохождение этих двух видов испы­таний обеспечивает стабильность технологических процессов.

В последние годы на первый план выходит индивидуальная оценка прочности каждой детали с помощью неразрушающих методов испыта­ния - ультразвук, акустическая эмиссия и др.

е) Определение допусков и посадок на детали из КМ.

Т.к. формирование поверхностей в изделиях из КМ происходит различными способами (намотка, прессование, выкладка и т.д.) и они чаще всего не подвергаются механической обработке, то система допусков и требования к чистоте поверхности должны строится весьма гибко. Аналогичный подход должен быть и к регламентации разброса массы, связанной с разбросом параметров исходных материалов и их соотношением в КМ, появлением в ходе технологического процесса объемов, различающихся по ориентации наполнителя, и т.д.

ж) Переход на КМ при изготовлении машиностроительной продук­ции затрагивает вопросы детализации узлов машин. Т.к. материал конструируется под конкретные детали, которые в дальнейшем нежелательно подвергать механической обработке, то, естественно, встает вопрос стыковки отдельных деталей. Методы, принятые при изготовле­нии аналогичных узлов машин из металлов, в данном случае либо малоэффективны, либо вообще неприемлемы. В связи с этим целесооб­разно изготавливать из КМ целиком узел, ранее расчленяемый на ряд деталей, которые затем собирались в изделие с помощью разъемных или неразъемных соединений. Это направление весьма эффективно, т.к. сокращаются трудозатраты и энергозатраты, хотя сокращение опе­раций требует перестройки технологического оборудования и процесса производства.

Например, в США в 1970 г. в массовое производство легковых ав­томобилей была внедрена передняя панель с проемом под облицовку радиатора, впервые изготовлявшаяся из листового КМ. Помимо сниже­ния массы на 50%, было достигнуто значительное сокращение расхо­дов за счет объединения нескольких деталей в одну. Эта цельная па­нель исключила множество операций листовой штамповки, механиче­ской обработки на станках и сборки, устранила связанные с ними штам­пы, формы и станочные зажимные приспособления. Она объединила 16 листовых штамповок и отлитых под давлением деталей в одну деталь из КМ. В 1979 г. на более чем 35 моделях легковых автомобилей стали применять передние панели из КМ, включающие корпуса и гнезда фар, стояночных фонарей, стоп-сигналов, сигналов поворота и габаритных огней.

з) Необходимо изменение подходов к определению экономической эффективности применения КМ. Как правило, экономический эффект от применения КМ образуется у «Потребителя» в виде повышения такти­ко-технических, эксплуатационных характеристик изделия, его долго­вечности, ремонтопригодности и т.п. Поэтому экономический эффект можно определить только при использовании системного подхода, учи­тывающего все составляющие общего эффекта от замены традицион­ного материала на КМ, и перехода на новую технологию при изготовле­нии деталей или конструкций в целом.

Только индивидуальный подход с учетом указанных особенностей делает переход к использованию КМ взамен металлов эффективным и перспективным, раскрывающим новые горизонты для развития и со­вершенствования техники.

Классификация композиционных материалов

По типу армирующих наполнителей современные КМ могут быть разделены на две группы:

- дисперсно-упрочненные;

- волокнистые.

Дисперсно-упрочненные композитные материалы (ДУКМ) представляют собой материа­лы, в матрице которых равномерно распределены мелкодисперсные частицы, которые призваны исполнять роль упрочняющей фазы. Дисперсные частицы наполнителя вводят в матрицу специальными технологическими приемами. Частицы не должны активно взаимодействовать с матрицей и не должны растворяться в ней вплоть до  температуры плавления. В этих материалах основную нагрузку воспринимает матрица, в которой за счет армирующей фазы создается структура, затрудняю­щая движение дислокаций. Дисперсно-упрочненные КМ - изотропны. Их применяют в авиации, ракетостроении и др. Содержание дисперсной фазы составляет ~5-7% (трубки, проволоки, фольга, прутки и т.п.).

Механизм упрочняющего действия от включения дисперсных частиц в матрице, отличается для разных типов ДУКМ.

1) Дисперсно-упрочненные композиционные материалы «пластичная матрица – хрупкий наполнитель»

Для этого типа материалов матрица может быть представлена, например, следующими металлами: Al, Ag, Cu, Ni, Fe, Co, Ti. В качестве наполнителя чаще всего выбираются соединения из оксидов (Al2O3; SiO2; Cr2O3; ThO2; TiO2), карбидов (SiC; TiC), нитридов (Si3N4; AlN), боридов (TiB2; CrB2; ZrB2).

На основании опытных данных могут быть сформулированы следующие требования к материалу наполнителя, обеспечивающие наиболее эффективное его использование в качестве упрочняющей фазы. Он должен обладать:

- высокой тугоплавкостью (tпл. > 1000°С);

- высокой твердостью и высоким модулем упругости;

- высокой дисперсностью (удельная поверхность – Sуд ≥ 10 м2/г);

- должна отсутствовать коалесценция (слияние) дисперсных частиц в процессе получения и эксплуатации;

- должно иметь место низкое значение скорости диффузии  дисперсных частиц в металлическую матрицу.

Механизм упрочнения композиционные материалы «пластичная матрица – хрупкий наполнитель».

Упрочнение идет по дислокационному механизму: если расстояние между частицами достаточно, то дислокация под действием касательного напряжения выгибается между ними, ее участки смыкаются за каждой частицей, образуя вокруг частиц петли. В областях между дислокационными петлями возникает поле упругих напряжений, затрудняющее проталкивание новых дислокаций между частицами (рис. 1). Этим достигается повышение сопротивления зарождению (инициированию) трещины.

Рис. 1. Схематическое изображение процесса формирования дислокационных петель в пластичной матрице:

1 – дисперсные частицы; 2 – линии дислокаций; 3 – дислокационные петли; 4 – поле упругих напряжений;

d – размер частицы наполнителя; L – расстояние между соседними частицами наполнителя;

τ – направление действия касательных напряжений.

Получение композиционных материалов «пластичная матрица – хрупкий наполнитель».

В общем случае последовательность технологических операций для получения ДУКМ типа «пластичная матрица – хрупкий наполнитель» является следующей:

а) Получение композитного порошка;

б) Прессование;

в) Спекание;

г) Деформация полуфабриката;

д) Отжиг.

2) Дисперсно-упрочненные композиционные материалы «хрупкая матрица – пластичный наполнитель»

Структура таких ДУКМ представлена керамической матрицей с равномерно распределенными в ней дисперсными металлическими частицами наполнителя. Эти композиты относятся к классу керметов. Расстояние между соседними частицами задается путем варьирования их объемной доли, а эффект от армирования может проявляться при содержании частиц 15-20% объема.

В качестве керамической фазы могут использоваться тугоплавкие оксиды и некоторые тугоплавкие неоксидные соединения: Al2O3, 3Al2O3∙2SiO2, Cr2O3, ZrO2, ThO2, Y2O3, Si3N4, TiN, ZrN, BN, ZrB2, TiB2, NbB2, HfB2. В качестве металлической фазы – Fe, Co, Ni, Si, Cu, W, Mo, Cr, Nb, Ta, V, Zr, Hf, Ti. Выбор каждой конкретной керметной пары для получения композита обусловлен возможностью создания стабильной границы раздела в результате твердофазного взаимодействия при температуре, не превышающей температуру плавления наиболее легкоплавкой составляющей пары, либо температуру образования эвтектического расплава.

Механизм торможения разрушения композиционных материалов «хрупкая матрица – пластичный наполнитель».

Процесс разрушения таких композитов условно можно разделить на две стадии. На первой стадии в ходе нагружения сначала инициируется хрупкое разрушение в матрице  вследствие повышенной концентрации напряжений  на микронеоднородностях ее структуры: микропорах, границах зерен, крупных неравноосных зернах. При достижении некоторого критического уровня напряжений происходит старт трещины.

На второй стадии распространяющаяся трещина взаимодействует с пластичными металлическими частицами (рис. 2): у ее вершины действуют максимальные напряжения, которые приводят к деформации, удлинению и разрыву металлических частиц. При этом работа разрушения данного композита существенно возрастает по сравнению с таковой характеристикой для неармированного материала. Это происходит за счет затрат энергии трещины на работу пластической деформации всех частиц, попадающих во фронт трещины. В результате сопротивление развитию трещины повышается, поскольку ее берега перекрываются «мостиками связи» из пластичного металла.

Рис. 2. Иллюстрация процесса торможения разрушения в хрупкой матрице:

1 – металлические частицы перед фронтом трещины; 2 – «мостики связи» образованные деформированными

металлическими частицами; 3 – разрушенные металлические частицы; 4 – берега трещины; σр – растягивающие напряжения

Получение композиционных материалов «хрупкая матрица – пластичный наполнитель».

Последовательность технологических операций, используемых для получения:

а) Получение композиционной порошковой смеси;

б) Введение в смесь органической связки;

в) Прессование;

г) Удаление органической связки;

д) Спекание;

е) Механическая обработка.

Для обеспечения прессуемости (придания пластичности) смеси порошков компонентов вводят органическую связку путем смешивания с раствором какого-либо органического вещества (поливиниловый спирт, поливинилбутираль, этиленгликоль, каучук и др.) с последующей сушкой для удаления растворителя. В результате выполнения этой операции каждая частица порошковой смеси покрыта тонким слоем пластификатора. Тогда при приложении давления прессования к порошковой смеси, засыпанной в пресс-форму, происходит связывание ее частиц по прослойкам пластификатора. После, путем термообработки изделий в вакууме или в порошковой засыпке из глинозема или сажи, происходит удаление связующего вещества при температуре термодеструкции или сгорания (300 – 400°С). После удаления органической связки частицы в объеме изделия удерживаются преимущественно за счет сил трения. Температура спекания композита лимитируется температурой спекания керамической матрицы. Оно проводится в нейтральных газовых средах (аргон, гелий) или в вакууме. В случае необходимости спеченный материал подвергают механической обработке с помощью алмазного инструмента.

Волокнистые КМ можно классифицировать по типу армирующего наполнителя. При их изготовлении в качестве арматуры применяются высокопрочные стеклянные, углеродные, борные, органические волок­на, металлические проволоки, нитевидные кристаллы ряда карбидов, оксидов, нитридов и др.

Армирующие материалы используются в виде моноволокон, нитей, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов. Волокнистые КМ можно различать также по способу армирования: ориентированное и стохастическое (случайное). В первом случае композиты обладают четко выраженной анизотропией свойств; во втором - квизиизотропны. Объемная доля наполнителя в волокнистых КМ составляет 60-70%.

По типу матрицы композиты различают:

- полимерные (ПКМ);

- металлические (МКМ);

- керамические (ККМ);

- углерод-углеродные (УУКМ).

Полимерные композитные материалы – это гетерофазные композиционные  материалы с непрерывной полимерной фазой (матрицей), в которой хаотически или в определенном порядке распределены твердые, жидкие или газообразные наполнители.  Эти вещества заполняют часть объема матрицы, сокращая тем самым расход дефицитного или дорогостоящего сырья, и (или) модифицируют композицию, придавая ей нужные качества, обусловленные назначением, особенностями технологических процессов производства и переработки, а также условиями эксплуатации изделий. К ним относятся подавляющее большинство пластмасс, резин, лакокрасочных материалов, полимерных компаундов, клеев и др.

В зависимости от типа полимерной матрицы различают наполненные реактопласты, термопласты (по­лиэтилен, поливинилхлорид, капрон и др.), синтетические смолы (полиэфирные, эпоксифенольные и др.) и каучуки. В зависимости от типа наполнителя ПКМ делят на дисперсно-наполненные пластики (наполнитель - дисперсные частицы разнообразной формы, в т. ч. измельченное волокно), армированные пластики (содержат упрочняющий наполнитель непрерывной волокнистой структуры), газонаполненные пластмассы, масло-наполненные каучуки; по природе наполнителя наполненные полимеры подразделяют на асбопластики (наполнитель-асбест), графито-пласты (графит), древесные слоистые пластики (древесный шпон), стеклопластики (стекловолокно), углепластики (углеродное волокно), органопластики (химические волокна), боропластики (борное волокно) и др., а также на гибридные, или поливолокнистые пластики (наполнитель-комбинация различных волокон).

По способу изготовления ПКМ можно разделить на полученные: выкладкой, намоткой, пултрузией, прессованием и др.

Металлические КМ по способу получения делят на литейные и де­формируемые. Литейные получают пропиткой арматуры расплавлен­ным матричным сплавом или направленной кристаллизацией, а для деформируемых КМ применяют спекание, горячее и взрывное прессо­вание, диффузионную сварку, штамповку, плазменное напыление и др.

С точки зрения механики, композиты можно разделить на силовые, несиловые и специальные. К силовым КМ предъявляются требования высокой прочности и жесткости. Несиловые КМ используются для раз­личных изделий бытового назначения, ограждений, покрытий и др. В специальных КМ обеспечивается достижение определенных физиче­ских свойств (жаропрочность, термостойкость, фрикционные свойства, ударопрочность, радиопрозрачность и др.).

Зависимость свойств композитов от характеристик исходных компонентов и структурно-технологических параметров

При создании новейших образцов современной техники требова­ния, предъявляемые к конструкционным материалам, предельно высо­ки. Поэтому композиционные материалы находят в настоящее время все более широкое применение в различных отраслях машиностроения. Как только в какой-либо области новой техники появляется необходи­мость создания материалов с комплексом свойств, которые ни один го­могенный материал не может обеспечить, то такими материалами ста­новятся композиты.

Интерес к этим материалам связан, прежде всего, с тем, что они обладают комплексом свойств и особенностей, существенно отличаю­щих их от традиционных конструкционных материалов (металлов, спла­вов) и в совокупности открывающих широкие возможности как для со­вершенствования существующих конструкций самого разнообразного назначения, так и для разработки новых перспективных конструктивных форм и технологических процессов.

Эти свойства порождаются, во-первых, характеристиками исходных компонентов - армирующих элементов (волокон, нитей, жгутов, тканей) и матрицы (полимерной, углеродной, металлической, керамической). Во-вторых, имеет место так называемым эффект синергизма, связан­ный с появлением у композиции свойств, которыми не обладает ни один из исходных компонентов в отдельности.

Из характеристик первого рода следует, прежде всего, отметить высокую удельную (по отношению к весу) прочность и жесткость компо­зитов при нагружении в направлении армирования, которые определяются как прочностью и жесткостью волокон, так и способностью матри­цы обеспечить их эффективную совместную работу по восприятию внешней нагрузки. Необходимость сочетания жесткости и прочности с низкой плотностью уже заставили конструкторов самолетов и автомо­билей обратиться к композитам как конструкционным материалам.

Из характеристик второго рода можно выделить высокую вязкость разрушения композиций, образованных из хрупких и обладающих низ­кой трещиностойкостью компонентов, например, стеклянных волокон и эпоксидной матрицы. Наличие многочисленных поверхностей раздела как между волокнами и матрицей, так и между отдельными слоями су­щественно повышает сопротивляемость хрупкому разрушению и позво­ляет создавать материалы, у которых высокий уровень статической прочности сочетается с высокой ударной вязкостью. Следует отметить, что повышение прочности металлов, как правило, сопровождается сни­жением ударной вязкости.

Свойства изделий из КМ можно проектировать под заданные тре­бования эксплуатации. Распределяя волокна или частицы одного мате­риала в матрице другого (используя его как связующее вещество), кон­структор КМ может получить материал с совершенно новыми свойства­ми.

Поэтому направления их использования самые разнообразные, иногда диаметрально противоположные - это теплозащитные материа­лы, высокопрочные конструкции, фрикционные и антифрикционные элементы, электропроводные и электроизоляционные материалы и многие другие.

Может показаться, что КМ - неоправданно сложные структуры. Ведь элементы с задатками идеальных конструкционных материалов находятся, что называется, под рукой - в центральной части периоди­ческой системы Д.И. Менделеева. Эти элементы, среди которых угле­род, алюминий, азот и кислород, образуют соединения с прочными ста­бильными связями. Такие соединения, типичными представителями которых являются керамические материалы, например, оксид алюминия (основа рубинов и сапфиров), карбид кремния и диоксид кремния (глав­ный компонент стекла), обладают высокими прочностью и жесткостью, а также теплостойкостью и устойчивостью к химическим воздействиям. Они имеют низкую плотность, а составляющие их элементы широко распространены в природе. Один из элементов, углерод, имеет такие же хорошие свойства и в свободном состоянии - в форме углеродного волокна (УВ).

Однако эти вещества имеют серьезный недостаток, из-за которого они редко используются в качестве конструкционных материалов, - хрупкость. Наличие царапины или внутреннего дефекта достаточно для образования трещины, которая может привести к разрушению всего из­делия, поэтому теоретическая прочность этих материалов на практике достигается редко. Трудно представить, чтобы они были совершенно свободны от дефектов или оставались таковыми долго при эксплуата­ции изделия.

Когда такой материал производится в форме мелких частиц или тонких волокон, его полезная прочность становится гораздо выше. На­пример, оконное стекло - достаточно непрочный материал, но стеклян­ная нить из волокон с диаметром в несколько микрон имеет прочность при растяжении, превышающую аналогичную характеристику стали в несколько раз. Заметное увеличение прочности на микроуровне обу­словлено статистическими факторами. Вероятность того, что образец материала содержит дефект, достаточно большой, чтобы вызвать хруп­кое разрушение, падает с уменьшением размера образца. Кроме того, если в стеклянной нити разрушилось одно волокно, дефект не распро­страняется и не затрагивает остальные волокна, а при наличии свя­зующего материала повреждение отдельного волокна «залечивается», т.е. нагрузка перераспределяется на другие волокна.

Представление о том, что многие материалы проявляют лучшие свойства, если имеют форму тонких волокон, справедливо и для многих органических полимерных материалов. Полимеры состоят из длинных цепей атомов, в основном, атомов углерода, связанных ковалентными связями. В большинстве случаев цепи либо свободно переплетаются, либо образуют структуры сложной формы. Они легко отделяются друг от друга, и в результате такой материал гибок и непрочен. Однако, если цепи ориентированы в направлении приложения нагрузки или тонкими слоями распределяется между армирующим волокном, то полимер мо­жет приобретать очень высокую прочность и жесткость. Некоторые по­лимерные молекулы (поливинилацетат, полиамид) имеют стержнеоб-разную форму и легко ориентируются нужным образом, когда полимер вытягивается в волокно. На этом эффекте основано производство ара-мидных волокон, обладающих высокой прочностью и жесткостью. Из некоторых полимеров, например, полиэтилена, с гибкими цепями, кото­рые при вытяжке ориентируются вдоль оси, получаются высокопрочные и жесткие волокна.

Прочность и жесткость КМ определяются, главным образом, свой­ствами армирующего материала, но и матрица вносит свой вклад в свойства КМ. Например, тепло- и электропроводность КМ сильно зави­сят от проводимости матрицы. Матрица играет роль адгезива, соеди­няющего волокна в материал, и придает изделию необходимую форму.

Кроме того, она защищает волокна от различных воздействий, источни­ком которых может быть окружающая среда, а также от физических по­вреждений, которые могут инициировать разрушение.

Сохранение прочности волокон при создании КМ - основная цель при получении армированных материалов. Просто пучок волокон имеет довольно низкую конструкционную ценность. В отсутствие матрицы разрыв каждого волокна приводит к уменьшению носителей нагрузки. Нагрузка, которую нес пучок волокон, перераспределяется на остав­шиеся волокна, увеличивая действующие усилия в них. Чтобы полнее использовать их прочность, конструктор должен поместить их в матрицу другого материала. Если волокна находятся в матрице, то разрыв одно­го или нескольких волокон не приводит к полной потере их механиче­ских функций.

Причина заключается в том, что матрица вязкая - упругая и пла­стичная. Когда концы разорванного волокна под действием растяги­вающей нагрузки вытягиваются из матрицы, то адгезионные связи меж­ду волокном и связующим вызывают появление упругих или пласти­ческих деформаций матрицы. Возникающие при этом сдвиговые напря­жения включают в работу разорванное волокно. Волокно, даже повреж­денное или разорванное продолжает вносить свой вклад в механиче­ские характеристики КМ.

Требования к пластичности материала матрицы, его совместимо­сти с армирующим волоконном в какой-то степени обусловливают его выбор. Однако обычно основным определяющим фактором служит об­ласть температур, в которой предполагается эксплуатировать изделие из КМ. Если температура эксплуатации 100-200°С, то обычно для КМ выбирают полимерную матрицу. Из них изготавливают лодки, корпус­ные изделия автомобилей, самолетов, товары широкого потребления и др. Применение ПКМ часто не только снижает вес изделия, но и уде­шевляет его производство, например, позволяет изготавливать детали сложной формы за одну операцию.

Для производства изделий из ПКМ используют термореактивные и термопластичные пластики. Термореактивные пластики более тепло­стойкие, чем большинство термопластов. Обычно в качестве терморе­активных матриц для КМ используют полиэфирные и эпоксидные смолы и их разновидности, однако в настоящее время все больший интерес вызывает класс смол, называемых полиимидными, которые могут вы­держивать длительный нагрев до температур, выше 300°С.

Выбор матричного материала определяет также и способ изготов­ления изделия из КМ. При использовании термореактивных связующих после изготовления изделия из КМ необходимо провести процесс отверждения, т.е. обеспечить условия для пространственной сшивки мо­лекул полимера - выдержать изделие из КМ при высокой температуре и давлении в течение нескольких часов.

Использование термопластичных материалов ускоряет процесс из­готовления, т.к. получение КМ в этом случае требует лишь сравнитель­но короткого нагрева, достаточного для размягчения пластика. Темпе­ратура плавления наиболее перспективных термопластов настолько велика, что по теплостойкости они превосходят термореактивы, напри­мер, полиэфиркетон плавится при 334°С.

Использование металлических матриц позволяет эксплуатировать КМ при температурах выше 300°С, более высокая прочность металли­ческой матрицы дополняет прочность армирующих волокон, а высокая пластичность придает КМ ударную вязкость. Однако при замене ПКМ на МКМ приходится «жертвовать», во-первых, плотностью (даже при ис­пользовании самых легких металлов - алюминия, магния и титана) и, во-вторых, простотой производства. Совмещение волокна с металличе­ским расплавом требует очень высоких температур, при которых могут протекать поверхностные химические реакции, продукты этих реакций могут ослабить связь между материалом матрицы и волокном, а в ряде случаев разрушить и волокна, и матрицу.

Для работы в условиях, превышающих температуры плавления ме­таллических матриц, используются керамические матрицы, которые об­ладают повышенной теплостойкостью, легкие и потенциально прочные, жесткие, как и армирующие волокна, но очень хрупкие. Основная уп­рочняющая роль в ККМ отводится волокнам. Волокна в ККМ тормозят рост трещин. Растущая трещина, столкнувшись с волокном, может либо отклониться, либо вытолкнуть волокно из матрицы. В обоих процессах поглощается энергия и замедляется рост трещины. У многих ККМ с рос­том температуры увеличивается вязкость, и в результате они упрочня­ются. Получают ККМ, в основном, спеканием, которое осуществляется при высоких температурах и давлениях, что усложняет процесс получе­ния изделий из ККМ.

Близкий к ККМ по характеру свойств, но отличающийся от них спо­собом получения - это композит, у которого и матрица, и армирующие волокна состоят из углерода - углерод-углеродный композиционный материал (УУКМ). УУКМ сохраняет свою прочность при 2500°С и ис­пользуется для теплозащиты носовых частей возвращаемых космиче­ских летательных аппаратов при прохождении плотных слоев атмосфе­ры. В отличие от керамических КМ УУКМ подвержен окислению. Чтобы предохранить его от окисления, на его поверхность наносят тонкий слой керамики - силицируют (SiC, SiO2).

Преимущества и недостатки современных композиционных материалов

По сравнению с традиционными конструкционными материалами (металлами) композиты обладают рядом преимуществ, среди которых главнейшие:

- сравнительно низкая плотность;

- высокие удельная прочность и жесткость, средние значения которых, в  сравнении  с традиционными материалами, приведены  в табл. 1;

- высокая химическая и коррозионная стойкость;

- технологичность переработки в изделия;

- высокие усталостные характеристики волокнистых КМ;

- возможность управлять силовыми потоками за счет рациональ­ного расположения арматуры;

- наличие специальных свойств (радиопрозрачность, термостойкость и др.).

К недостаткам КМ относятся:

- высокая стоимость большинства КМ по сравнению с металлическими сплавами;

- низкая межслоевая прочность и жесткость;

- низкая прочность полимерных КМ на сжатие, затрудняющая соединение изделий из них крепежными элементами;

- отсутствие зоны текучести, хрупкий характер разрушения;

- необходимость принятия специальных мер по охране труда и при переработке.

Таблица 1. Характеристики прочности и жёсткости

основных конструкционных материалов

Материал

МПа

Е,

ГПа

p,

кг/м3

Е/р

Сталь ЗОХГСА

1600

210

7850

26,8

Алюминий Д16Т

420

72

2850

25,3

Титан ВТ15

1500

110

4850

22,9

Углепластик высокопрочный

2070

143

1550

95,3

Углепластик высокомодульный

1040

281

1610

174,5

Стеклопластик

2100

70

2200

31,8

Органопластик

2200

95

1400

67,8

Боропластик

1200

250

2600

125

Бороалюминий

1750

260

2700

96,3

Вопросы для самопроверки

- По каким признакам классифицируют композиционные материалы?

- К какому типу композитов относится древесно-стружечная плита? Дайте полную оценку по материаловедческому, конструкционному, технологическому и эксплуатационному признакам.

- К какому типу композитов относятся текстолит, гетинакс, стеклопластик, триплекс, кермет?

- Какие физико-механические характеристики КМ определяются только свойствами входящих компонентов и их соотношением, а какие можно в широ­ких пределах регулировать технологическими и структурными параметрами в процессе изготовления? Приведите примеры.

- Можно ли изменить форму изделия из КМ на основе термореактивного связующего при его разогреве?

- Какие характеристики композита определяют его удельные прочность и жесткость?

- Как зависит плотность КМ от аналогичной характеристики входящих в него компонентов? Можно ли технологически регулировать плотность КМ и каким образом?

- Почему прочностные характеристики полимерных КМ в направлении армирования на растяжение и сжатие имеют большие отличия?

email: [email protected]

Адрес: Россия, 450071, г.Уфа, почтовый ящик 21

Теоретическая механика   Сопротивление материалов

Прикладная механика  Строительная механика  Теория машин и механизмов

www.detalmach.ru

Композиционные материалы

1. Композиционные или композитные материалы – материалы будущего.

После того как современная физика металлов подробно разъяснила нам причины их пластичности, прочности и ее увеличения, началась интенсивная систематическая разработка новых материалов. Это приведет, вероятно, уже в вообразимом будущем к созданию материалов с прочностью, во много разпревышающей ее значения у обычных сегодня сплавов. При этом большое внимание будет уделяться уже известным механизмам закалки стали и старения алюминиевых сплавов, комбинациям этих известных механизмов с процессами формирования и многочисленными возможностями создания комбинированных материалов. Два перспективных пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами. Упервых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы.

Композиционный материал – конструкционный (металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элементы ввиде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемымизначениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

2. Типы композиционных материалов.

2.1. Композиционные материалы с металлической матрицей.

Композитные материалы или композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.

2.2. Композиционные материалы с неметаллической матрицей.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ейформу. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов,нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов,их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80 об. %, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) – 20-30 об. %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон,тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиги и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композитные материалы классифицируют настекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты иоргановолокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слоисобираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работыматериала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можносоздать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.

Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивлениесдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трех направленных.

3. Классификация композиционных материалов.

3.1. Волокнистые композиционные материалы.

Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму,по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.

Композитые материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50 – 10 %), модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокондолжны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модульупругости. Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных сталей.

Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.

Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. Перспективными упрочнителями для высокопрочных ивысокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбидабора и др.

Композиционные материалы на металлической основе обладают высокойпрочностью и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исчезает внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью волокнистых одноосных композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность кконцентраторам напряжения.

Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления с полями напряжения.

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, доборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени с повышением температуры.

Основным недостатком композиционных материалов с одно и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого лишены материалы с объемным армированием.

3.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы.

В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом,несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций. Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100-500нм и равномерном распределении их в матрице.

Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5-10 об. %.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов иредкоземельных металлов), нерастворяющихся в матричном металле, позволяетсохранить высокую прочность материала до 0,9-0,95 Т [pic]. В связи с этимтакие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненныекомпозиционные материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.

Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – САП(спеченный алюминиевый порошок).

Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему покоррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкиестали при работе в интервале температур 250-500 °С. По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность для сплавов САП-1 и САП-2 при 500 °С составляет 45-55 МПа.

Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов. Наиболее высокую жаропрочность имеют сплавы на основе никеля с 2-3 об. % двуоксида тория или двуоксида гафния. Матрица этих сплавов обычно твердыйраствор Ni + 20 % Cr, Ni + 15 % Mo, Ni + 20 % Cr и Mo. Широкое применениеполучили сплавы ВДУ-1 (никель, упрочненный двуокисью тория), ВДУ-2 (никель,упрочненный двуокисью гафния) и ВД-3 (матрица Ni +20 % Cr, упрочненная окисью тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительностивыдержки при данной температуре.

3.3. Стекловолокниты.

Стекловолокниты – это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качественаполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствиевлияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатногосостава.

Неориентированные стекловолокниты содержат в качестве наполнителя короткое волокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы, сметаллической арматурой. Материал получается с изотопными прочностными характеристиками, намного более высокими, чем у пресс-порошков и дажеволокнитов. Представителями такого материала являются стекловолокниты АГ-4В, а также ДСВ (дозирующиеся стекловолокниты), которые применяют дляизготовления силовых электротехнических деталей, деталей машиностроения (золотники, уплотнения насосов и т. д.). При использовании в качествесвязующего непредельных полиэфиров получают премиксы ПСК (пастообразные) и препреги АП и ППМ (на основе стеклянного мата). Препреги можно применять для крупногабаритных изделий простых форм (кузова автомашин, лодки, корпусаприборов и т. п.).

Ориентированные стекловолокниты имеют наполнитель в виде длинных волокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями и тщательносклеивающихся связующим. Это обеспечивает более высокую прочность стеклопластика.

Стекловолокниты могут работать при температурах от –60 до 200 °С, атакже в тропических условиях, выдерживать большие инерционные перегрузки. При старении в течение двух лет коэффициент старения К = 0,5-0,7.

Ионизирующие излучения мало влияют на их механические и электрические свойства. Из них изготовляют детали высокой прочности, с арматурой и резьбой.

3.4. Карбоволокниты.

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции,состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в видеуглеродных волокон (карбоволокон).

Высокая энергия связи С-С углеродных волокон позволяет им сохранить прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительнойсредах до 2200 °С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными покрытиями (пиролитическими). В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержаниюкарбоксильной группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6-2,5 раза. Применяется вискеризациянитевидных кристаллов TiO[pic], AlN и Si[pic]N[pic], что дает увеличениемежслойной жесткости в 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются пространственно армированные структуры.

Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты).

Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненные углероднойлентой, и КМУ-1у на жгуте, висскеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200 °С.

Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-2л получают наэпоксианилиноформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать притемпературе до 100 °С, они наиболее технологичны. Карбоволокниты КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре до

300 °С.

Карбоволокниты отличаются высоким статистическим и динамическимсопротивлением усталости, сохраняют это свойство при нормальной и оченьнизкой температуре (высокая теплопроводность волокна предотвращаетсаморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химическистойкие. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения [pic] и Епочти не изменяются.

Теплопроводность углепластиков в 1,5-2 раза выше, чемтеплопроводность стеклопластиков. Они имеют следующие электрическиесвойства: [pic] = 0,0024-0,0034 Ом·см (вдоль волокон); ? = 10 и tg =0,001 (при частоте тока 10[pic] Гц).

Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклянныеволокна, что удешевляет материал.

3.5. Карбоволокниты с углеродной матриццей.

Коксованные материалы получают из обычных полимерныхкарбоволокнитов, подвергнутых пиролизу в инертной или восстановительнойатмосфере. При температуре 800-1500 °С образуются карбонизированные, при 2500-3000 °С графитированные карбоволокниты. Для получения пироуглеродныхматериалов упрочнитель выкладывается по форме изделия и помещается в печь,в которую пропускается газообразный углеводород (метан). При определенномрежиме (температуре 1100 °С и остаточном давлении 2660 Па) метанразлагается и образующийся пиролитический углерод осаждается на волокнахупрочнителя, связывая их.

Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет высокую прочностьсцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный материалобладает высокими механическими и абляционными свойствами, стойкостью ктермическому удару.

Карбоволокнит с углеродной матрицей типа КУП-ВМ по значениямпрочности и ударной вязкости в 5-10 раз превосходит специальные графиты;при нагреве в инертной атмосфере и вакууме он сохраняет прочность до 2200 °С, на воздухе окисляется при 450 °С и требует защитного покрытия.

Коэффициент трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другомувысок (0,35-0,45), а износ мал (0,7-1 мкм на тормажение).

3.6. Бороволокниты.

Бороволокниты представляют собой композиции из полимерногосвязующего и упрочнителя – борных волокон.

Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге исрезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости,теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борныхволокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела сматрицей.

Помимо непрерывного борного волокна применяют комплексныеборостеклониты, в которых несколько параллельных борных волокон оплетаютсястеклонитью, предающей формоустойчивость. Применение боростеклонитейоблегчает технологический процесс изготовления материала.

В качестве матриц для получения боровлокнитов используютмодифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200 °С; КМБ-3 и КМБ-3к не требуют высокого давления при переработке и могут работать притемпературе не свыше 100 °С; КМБ-2к работоспособен при 300 °С.

Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости, онистойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов.

3.7. Органоволокниты.

Органоволокниты представляют собой композиционные материалы,состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) в видесинтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительновысокими удельной прочностью и жесткостью, стабильны при действиизнакопеременных нагрузок и резкой смене температуры. Для синтетическихволокон потери прочности при текстильной переработке небольшие; онималочувствительны к повреждениям.

К органоволокнитах значения модуля упругости и температурныхкоэффициентов линейного расширения упрочнителя и связующего близки. Происходит диффузия компонентов связующего в волокно и химическоевзаимодействие между ними. Структура материала бездефектна. Пористось непревышает 1-3 % (в других материалах 10-20 %). Отсюда стабильностьмеханических свойств органоволокнитов при резком перепаде температур,действии ударных и циклических нагрузок. Ударная вязкость высокая (400-700кДж/мІ). Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочностьпри сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).

Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влажномтропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводностьнизкая. Большинство органоволокнитов может длительно работать притемпературе 100-150 °С, а на основе полиимидного связующего иполиоксадиазольных волокон – при температуре 200-300 °С.

В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнамиприменяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна). Такиематериалы обладают большей прочностью и жесткостью.

4. Экономическая эффективность применения композиционных материалов.

Области применения композиционных материалов не ограничены. Ониприменяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки,лонжеронов, нервюр, панелей и т. д.) и двигателей (лопаток компрессора итурбины и т. д.), в космической технике для узлов силовых конструкцийаппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов,бамперов и т. д., в горной промышленности (буровой инструмент, деталикомбайнов и т. д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементысборных конструкций высотных сооружений и т. д.) и в других областяхнародного хозяйства.

Применение композиционных материалов обеспечивает новыйкачественный скачек в увеличении мощности двигателей, энергетических итранспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционныхматериалов достаточно хорошо отработана.

Композитные материалы с неметаллической матрицей, а именнополимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузовагоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники,панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульныекарбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники,аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании идругом.

Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типыграфитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов,химически стойкой аппаратуры.

Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космическойтехнике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов итрансмиссионные валы вертолетов и т. д.).

Органоволокниты применяют в качестве изоляционного иконструкционного материала в электрорадиопромышленности, авиационнойтехнике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов,покрытия корпусов судов и другое.

Объявления о покупке и продаже оборудования можно посмотреть на         

Обсудить достоинства марок полимеров и их свойства можно на               

Зарегистрировать свою компанию в Каталоге предприятий

e-plastic.ru


Смотрите также