ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.03.2024
Просмотров: 32
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Композиционные материалы
Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно различающиеся по свойствам нерастворимые или мало растворимые друг в друге компоненты, разделённые в материале ярко выраженной границей.
Свойства композиционных материалов в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительной особенностью композиционных материалов является то, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Вместе с тем композиционным материалам присущи свойства, которыми не обладают отдельные компоненты, входящие в их состав. Для оптимизации свойств выбирают компоненты с резко различающимися, но дополняющими друг друга свойствами.
Композиционные материалы позволяют:
-
создавать элементы конструкций с заранее заданными свойствами, высокой эффективностью по массе и высокой технологичностью; -
создавать материалы с качественно новыми свойствами и не только повышать эксплуатационные характеристики существующих конструкций, но и создавать принципиально новые конструкции, недоступные при применении традиционных материалов.
На базе КМ создаются изделия с разнообразными высокими свойствами, используемые в разных отраслях промышленности: автомобилестроении (кузова автомобилей, детали двигателей), машиностроении (корпуса и детали машин), энергетическом машиностроении (лопатки турбин), судостроении (корпуса лодок, катеров, гребные винты). Благодаря высоким удельным прочности и жесткости КМ широко используются в конструкциях летательных аппаратов. Применение КМ позволяет существенно снизить массу конструкций, повысить их долговечность, уменьшить потери от коррозии, а на транспорте снизить расход топлива.
Практически любой современный материал представляет собой композицию, поскольку материалы редко используются в чистом виде. Отличие большинства КМ от традиционных материалов в том, что процесс получения КМ технологически совмещается с процессом изготовления изделия.
Строение и классификация композиционных материалов
Композиционные материалы состоят из матрицы-основы и наполнителя.
Матрица – компонент, непрерывный во всем объеме композиционного материала
Она связывает композицию и придаёт 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, воздействию окружающей среды, плотность и удельная прочность.
Название композиционных материалов происходит от материала матрицы. Композиты с металлической матрицей называют металлическими, с керамической - керамическими, с полимерной - полимерными.
Созданы композиционные материалы с комбинированными матрицами, состоящие из двух и более различных по химическому составу слоёв. Композиты, содержащие два или более различных матричных материала, называются полиматричными. Для них характерен более обширный перечень полезных свойств.
В матрице равномерно распределены наполнители, которые называют ещё упрочнителями или армирующими компонентами, так как они играют главную роль в повышении прочности материала.
Наполнитель – прерывистый компонент, разъединенный в объеме композиции. Свойства композиционного материала зависят от формы или геометрии, размера, количества и характера распределения наполнителя.
По форме наполнители разделяют на три основные группы: нульмерные, одномерные, двумерные.
По типу упрочняющих наполнителей композиционные материалы подразделяют на дисперсноупрочненные, армированные или волокнистые, и слоистые. Композиционные материалы, содержащие два или более различных армирующих элементов, называются полиармированными. Полиармированные композиты, в свою очередь, делятся на простые, если армирующие элементы имеют различный состав, но одинаковую геометрию (например, стеклоуглепластик - полимер, армированный стеклянными и углеродными волокнами), и комбинированные, если армирующие элементы имеют различные состав и геометрию (например, композит, состоящий из алюминиевой матрицы, борных волокон и прослоек из титановой фольги).
Рис.1 Классификация композиционных материалов
В дисперсноупрочненные композиционные материалы искусственно вводят мельчайшие равномерно распределенные тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов и другие, не взаимодействующие с матрицей и не растворяющиеся в ней вплоть до температуры плавления фаз.
Получают материалы этой группы преимущественно методами порошковой металлургии или непосредственным введением наполнителей в жидкий металл или сплав перед разливкой.
В дисперсно-упрочненных КМ основным несущим элементом, воспринимающим нагрузку, является матрица, а дисперсные частицы упрочнителя оказывают сопротивление движению дислокаций. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояния между ними, тем прочнее композиционный материал.
Промышленное применение получили КМ на основе алюминия - САП (спеченная алюминиевая пудра), жаропрочные материалы на основе никеля, вольфрама, молибдена, упрочненные оксидами тория, гафния, циркония, РЗМ.
В волокнистых КМ наполнителем являются волокна бора, углерода, карбида кремния, стекловолокно, нитевидные кристаллы карбида и нитрида кремния, металлическая проволока (сталь, вольфрам, бериллий). Группы КМ, армированные однотипными волокнами, имеют специальные названия, данные им по названию волокна: стекловолокниты, бороволокниты, углеволокниты, органоволокниты
В волокнистых КМ несущим элементом являются волокна различной формы и размеров (нити, ленты, сетки разного плетения). Прочность таких композиционных материалов определяется прочностью армирующих волокон, которые воспринимают основную нагрузку. Армирующие элементы по своей природе имеют высокие прочность и модуль упругости, а также, как правило, низкую плотность. Матрица связывает волокна, защищает их от повреждений. Она передает нагрузку на волокна, а в случае разрушения отдельных волокон перераспределяет напряжения в объеме материала.
Армирование дает больший прирост прочности, но дисперсное упрочнение технологически легче осуществимо.
 | Рис 2. Типы композиционных материалов: дисперсноупрочненные, армированные или волокнистые |
Слоистые композиционные материалы армированы двухмерными наполнителями в виде фольги, листовых материалов.
По виду наполнителя слоистые КМ разделяют на:
-
текстолиты (с хлопчатобумажными тканями); -
стеклотекстолита (с тканями из стеклянного волокна); -
асботекстолиты (с асбестовыми тканями); -
гетинаксы (с бумажным наполнителем).
Наименее прочными являются гетинаксы, наибольшую прочность имеют стеклотекстолиты, Текстолиты отличаются наиболее прочным сцеплением между наполнителем и полимерной матрицей и лучше поглощают вибрацию.
Слоистые КМ набираются из чередующихся слоев волокон и листов матричного материала (типа “сэндвич”). Слои волокон в таком композиционном материале могут иметь различную ориентацию. Возможно поочередное использование слоев матрицы из сплавов с различными механическими свойствами.
По структуре и расположению компонентов композиционные материалы подразделяются на группы с каркасной, матричной, слоистой и комбинированной структурой. К композитам с каркасной структурой относятся керметы, полученные пропиткой; с матричной – дисперсно-упрочненные и другие армированные материалы; со слоистой – композиции, полученные из набора чередующихся листов материалов различного состава, и комбинированной – материалы, содержащие комбинации первых трех групп.
В зависимости от геометрии армирующих элементов и их взаимного расположения композиты бывают изотропными или анизотропными. Если композиционный материал с матричной структурой армирован элементами, имеющими хаотичную ориентацию в пространстве (дисперсными включениями, дискретными или непрерывными волокнами), он является изотропным. Композиционные материалы с матричной структурой, упрочненные армирующими элементами, ориентированными определенным образом в пространстве, относятся к анизотропным.
Анизотропные материалы подразделяют на однонаправленные, слоистые и трехмерно-направленные. Анизотропия материала закладывается конструктором для получения КМ с заданными свойствами. Однонаправленные КМ чаще всего проектируют для изготовления изделий, работающих на растяжение. Слоистые КМ получают путем продольно-поперечной укладки с правильным чередованием слоев. Трехмерно-направленное армирование обычно достигается за счет использования сшитых в поперечном направлении армирующих тканей, сеток и пр. Кроме такой анизотропии образуется еще технологическая анизотропия, возникающая при пластическом деформировании изотропных материалов.
В последнее время находят широкое применение гибридные КМ, содержащие в своем составе три или более компонентов.
По методам изготовления композиционные материалы подразделяются на материалы, полученные жидко- и твердофазными методами, методами осаждения - напыления, и комбинированными методами.
К жидкофазным методам относятся пропитка (например, пропитка каркасов из карбида титана сталями или жаропрочными материалами), непрерывное литье, направленная кристаллизация эвтектических сплавов.
К твердофазным методам относятся прессование, прокатка, ковка, волочение, диффузионная сварка и др. Для композиционных материалов, полученных твердофазными методами, характерно использование матрицы в виде порошка, листов или фольги. При изготовлении композитов методом осаждения - напыления матрицу наносят на волокна из растворов солей, парогазовой фазы, газоплазменным и плазменным напылениями.
Комбинированные методы заключаются в использовании комбинации нескольких методов. Например, плазменное напыление используют как предварительную операцию, а в качестве окончательной операции применяют прокатку или прессование.
По назначению КМ подразделяют на конструкционные, термостойкие, пористые, фрикционные, антифрикционные и т.д.
Компоненты композиционных материалов
Армирующие компоненты
Армирующие компоненты подразделяются на порошковые и волокнистые.
Порошковые материалы должны удовлетворять требованиям по химическому составу, размерам и форме, по технологическим свойствам (насыпная плотность, текучесть, прессуемость, спекаемость – при изготовлении изделий методами ПМ). Они не должны содержать загрязнений, влаги, масел и др.примесей, должны храниться в условиях, исключающих их окисление.
Армирующие волокна должны иметь малую плотность, высокую температуру плавления, минимальную растворимость в материале матрицы, высокую прочность во всем интервале рабочих температур, химическую стойкость, технологичность, отсутствие фазовых превращений в рабочем интервале температур, отсутствие токсичности.
Применяют, в основном, три вида волокон: нитевидные кристаллы, металлическую проволоку, неорганические и поликристаллические волокна. Кроме того, применяют также монокристаллические керамические материалы и органические волокна.
