| |||||
МЕНЮ
| Композиционные материалы (композиты)Композиционные материалы (композиты)Министерство общего и профессионального образования РФ Кемеровский государственный университет Кафедра маркетинга РЕФЕРАТ По дисциплине: Тост По теме: Композиционные материалы (композиты) Выполнил: студент группы Проверила: Кемерово 1999 План 1. Композиционные 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 раз превышающей 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. У первых 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 в виде 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 требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами. 2. Типы композиционных материалов. Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, 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. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов,
их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60- По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты. В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим,
укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои
собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы
материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно
создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков,
цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление
сдвигу 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. 3. Классификация композиционных материалов. Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длинны волокна к диаметру l/d(10(10і, и с непрерывным волокном, в которых l/d(?. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длинны к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения. 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. Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более
высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50 Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется
свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения
между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон
должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные 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 и высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др., имеющие [pic]= 15000(28000 МПа и Е = 400(600 ГПа. В следующей таблице приведены некоторых волокнистых композиционных материалов. |Механические свойства композиционных материалов на металлической основе | Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью ([pic], [pic]) 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 к концентраторам напряжения. Рассмотрим зависимость [pic] и Е бороалюминевого композиционного
материала от содержания борного волокна вдоль и поперек оси армирования. Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при изготовлении и эксплуатации, так как это может привести к понижению прочности композиционного материала. 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. Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), нерастворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала до 0,9-0,95 Т [pic]. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов. Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – САП Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов. 3.3. Стекловолокниты. Стекловолокниты – это композиция, состоящая из синтетической
смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве
наполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность
стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствие
влияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Для
практических целей используют волокно диаметром 5-20 мкм с [pic] = 600ч3800 Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатного состава. Неориентированные стекловолокниты содержат в качестве наполнителя
короткое волокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы, с
металлической арматурой. Материал получается с изотопными прочностными
характеристиками, намного более высокими, чем у пресс-порошков и даже
волокнитов. Представителями такого материала являются стекловолокниты АГ- Ориентированные стекловолокниты имеют наполнитель в виде длинных волокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями и тщательно склеивающихся связующим. Это обеспечивает более высокую прочность стеклопластика. Стекловолокниты могут работать при температурах от –60 до 200 °С, а
также в тропических условиях, выдерживать большие инерционные перегрузки. 3.4. Карбоволокниты. Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон). Высокая энергия связи С-С углеродных волокон позволяет им сохранить
прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной
средах 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 Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты). Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненные углеродной лентой, и КМУ-1у на жгуте, висскеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200 °С. Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-2л получают на
эпоксианилиноформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать при
температуре до 100 °С, они наиболее технологичны. Карбоволокниты КМУ-2 и Карбоволокниты отличаются высоким статистическим и динамическим сопротивлением усталости, сохраняют это свойство при нормальной и очень низкой температуре (высокая теплопроводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химически стойкие. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения [pic] и Е почти не изменяются. Теплопроводность углепластиков в 1,5-2 раза выше, чем
теплопроводность стеклопластиков. Они имеют следующие электрические
свойства: [pic] = 0,0024ч0,0034 Ом·см (вдоль волокон); ? = 10 и tg [pic]= Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклянные волокна, что удешевляет материал. 3.5. Карбоволокниты с углеродной матриццей. Коксованные материалы получают из обычных полимерных
карбоволокнитов, подвергнутых пиролизу в инертной или восстановительной
атмосфере. При температуре 800-1500 °С образуются карбонизированные, при Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет высокую прочность сцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный материал обладает высокими механическими и абляционными свойствами, стойкостью к термическому удару. Карбоволокнит с углеродной матрицей типа КУП-ВМ по значениям
прочности и ударной вязкости в 5-10 раз превосходит специальные графиты;
при нагреве в инертной атмосфере и вакууме он сохраняет прочность до 2200 Физико-механические свойства карбоволокнитов приведены в следующих таблицах. |Физико-механические свойства однонаправленных композиционных материалов с | |Физико-механические свойства однонаправленных композиционных материалов с | 3.6. Бороволокниты. Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного связующего и упрочнителя – борных волокон. Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости, теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела с матрицей. Помимо непрерывного борного волокна применяют комплексные боростеклониты, в которых несколько параллельных борных волокон оплетаются стеклонитью, предающей формоустойчивость. Применение боростеклонитей облегчает технологический процесс изготовления материала. В качестве матриц для получения боровлокнитов используют
модифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты КМБ-1 и Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости, они стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов. Поскольку борные волокна являются полупроводниками, то
бороволокниты обладают повышенной теплопроводностью и электропроводимостью: Физико-механические свойства бороволокнитов приведены предыдущей таблицы. 3.7. Органоволокниты. Органоволокниты представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) в виде синтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительно высокими удельной прочностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременных нагрузок и резкой смене температуры. Для синтетических волокон потери прочности при текстильной переработке небольшие; они малочувствительны к повреждениям. К органоволокнитах значения модуля упругости и температурных
коэффициентов линейного расширения упрочнителя и связующего близки. Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая. Большинство органоволокнитов может длительно работать при температуре 100-150 °С, а на основе полиимидного связующего и полиоксадиазольных волокон – при температуре 200-300 °С. В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнами применяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна). Такие материалы обладают большей прочностью и жесткостью. 4. Экономическая эффективность применения композиционных материалов. Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т. д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т. д.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т. д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т. д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т. д.) и в других областях народного хозяйства. Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачек в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов. Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов достаточно хорошо отработана. Композиционные материалы с неметаллической матрицей, а именно полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании и другом. Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры. Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т. д.). Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электрорадиопромышленности, авиационной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов судов и другое.
Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для высших
технических заведений. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, Материалы будущего: перспективные материалы для народного хозяйства. Пер. с нем./ Под ред. А. Неймана. – Л.: Химия, 1985. Тарнопольский Ю. М., Жигун И. Г., Поляков В. А. Пространственно-
армированные композиционные материалы: Справочник. – М.: Машиностроение, Политехнический словарь. Гл. ред. И. И. Артоболевский. – М.: |
ИНТЕРЕСНОЕ | |||
|