Составить перечень композиционных материалов и указать их строение
Теоретический материал
Композиционные материалы (композиты) представляют собой гетерогенные, т. е. неоднородные системы, состоящие из двух или более фаз-компонентов, причем каждый из компонентов сохраняет свои свойства. Для композитов характерно следующее:
• состав и форма компонентов определены заранее;
• компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих получение заданных свойств материала;
• макроструктура материала однородна при неоднородной микроструктуре;
• между компонентами, обладающими существенно различными свойствами, существует явная граница раздела.
В большинстве случаев компоненты композита различны не только по свойствам, но и по геометрическому признаку. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей. Второй, разделенный в объеме композиции, является армирующим (усиливающим). Материалы матрицы и армирующего компонента должны быть взаимно нейтральны, т. е. не образовывать химических соединений или твердых растворов, коэффициенты линейного и объемного расширения этих материалов должны быть близки. Соблюдение последнего требования необходимо для того, чтобы обеспечить целостность материала при изменении температуры, так как при различии коэффициентов линейного расширения будут возникать термические напряжения, которые могут привести к разрушению.
|
|
Матричным материалом могут быть металлы, сплавы, термореактивные или термопластичные полимеры, керамика или другие вещества. Армирующие компоненты — это мелкодисперсные порошки или волокнистые материалы различной природы. По виду армирующего материала композиты делятся на две основные группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые.
Дисперсно-упрочненные композиты
Структура дисперсно-упрочненного композиционного материала представляет собой матрицу, в которой равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго компонента. Упрочнение таких материалов осуществляется за счет создания барьеров перемещению дислокаций, аналогично тому, как это происходит в металлических сплавах с дисперсионным твердением, например, в системе «Аl—Сu». Наиболее сильное торможение перемещению дислокаций достигается при использовании в качестве второй, упрочняющей фазы частиц химических соединений — карбидов, нитридов, боридов, оксидов, обладающих высокими значениями твердости, прочности, а также высокой химической устойчивостью.
Для эффективного торможения дислокаций суммарная поверхность дисперсных частиц должна быть максимальной, т. е. их размеры минимальными (но не менее 2÷10 нм, так как при меньших размерах частицы перерезаются движущимися дислокациями, а не задерживают их).
|
|
Наиболее распространенная технология получения дисперсно-упрочненного композита — порошковая металлургия. Основными технологическими процессами являются получение порошковых смесей, прессование порошков с последующим спеканием и пластическая деформация полученной массы. В процессе пластической деформации повышается плотность и уменьшается пористость композита.
В промышленности нашли применение композиты с алюминиевой, магниевой, титановой, никелевой, вольфрамовой и другими матрицами.
Композиты на основе алюминия типа САП (спеченный алюминиевый порошок) нашли широкое применение, в частности, в авиационной промышленности. В этих композитах алюминиевая матрица упрочнена оксидными частицами А12О3. Свойства композита определяются количеством А12О3. Так, предел прочности композита САП-1 (6÷9 % А12О3) составляет 300 МПа, а композита САП-3 (13÷18 % А12О3) - 400 МПа.
При цеховой температуре механические свойства САПов ниже, чем у алюминиевых сплавов. Их основное преимущество достигается при температурах свыше 300 °С, когда алюминиевые сплавы ра-зупрочняются. Так, при 500 °С предел прочности сплавов САП составляет 80÷120 МПа, тогда как у сплавов Д19, Д20, АК-4 не превышает 5 МПа.
|
|
Композиты на основе бериллия предназначены для длительной работы при высоких температурах. В качестве упрочнителя бериллиевой матрицы используют оксид или карбид бериллия — ВеО, Ве2С. Наиболее эффективно сопротивление ползучести повышается для композитов системы Ве—Ве2С. Так, при температуре 650 °С 100-часовая прочность композита выше прочности чистого бериллия в 3 раза (40 и 14 МПа соответственно), а при температуре 730 °С — более, чем в 5 раз (25 и 4 МПа соответственно).
Композиты на основе магния. Незначительная растворимость кислорода в магнии дает возможность упрочнять его оксидами. Наибольший эффект достигается при введении около 1 % оксида, при этом предел прочности достигает 300 МПа, тогда как предел прочности магния составляет 180 МПа. Композиты на основе магния обладают низкой плотностью, высокой длительной прочностью и высоким сопротивлением ползучести. Наиболее перспективно применение композита в авиации для изготовления деталей, от которых требуется сочетание малой массы с повышенной прочностью.
Композиты на основе никеля и кобальта предназначены для эксплуатации при высоких температурах — свыше 1000 °С. Упрочнение достигается за счет введения оксидов тория или гафния в количестве 2÷4%. Матрицы этих композитов могут состоять из чистых металлов или сплавов на их основе. Так, в качестве матрицы нашел применение нихром (80 % Ni, 20 % Сr), а также сплав кобальта с цирконием (2 %). Композиты на основе нихрома обладают более высокой прочностью по сравнению с чисто никелевым композитом при температурах до 600÷800 °С. Легирование цирконием кобальтовой матрицы приводит к повышению механических свойств во всем диапазоне температур, однако при этом заметно снижается пластичность материала. Основное применение композитов — авиационная и космическая техника.
|
|
Волокнистые композиционные материалы
У волокнистых композитов матрица (чаще всего пластичная) армирована высокопрочными волокнами, проволокой, жгутами и т. п., воспринимающими нагрузку, за счет чего и достигается упрочнение композитов. Композит приобретает ряд свойств, которыми не обладают его компоненты. При этом появляется возможность создавать материалы или непосредственно детали с заранее заданными характеристиками для определенных условий эксплуатации.
Свойства волокнистых композитов определяются природой материалов матрицы и волокна, а также способами армирования. Именно эти параметры лежат в основе классификации композитов.
В зависимости от материала матрицы композиты делятся на пластики (полимерная матрица), металлокомпозиты (металлическая матрица), композиты с керамической матрицей и матрицей из углерода.
При создании композиционных материалов применяются высокопрочные волокна из стекла, бора, углерода, металлической проволоки и нитевидных кристаллов оксидов, нитридов и других химических соединений.
Название композита определяется материалами матрицы и волокна, например, стеклопластик — это композит, у которого материал матрицы — пластмасса, упрочняющий компонент — стекловолокно.
Армирующие компоненты применяются в виде моноволокон, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов. Различают композиты, образованные из слоев; армированные непрерывными параллельными волокнами; армированные тканями (текстолиты). Расположение волокон может быть направленным (одно- или многонаправленным) или хаотическим, двухмерным или трехмерным— пространственным (рис. 1).
Рис. 1 Классификация композитов по конструктивному признаку:
а — хаотически армированные (1 — короткие волокна; 2— непрерывные волокна); б— одномерно-армированные (1 — непрерывные волокна; 2— короткие волокна); в — двухмерно-армированные (1 — непрерывные нити; 2 — ткани); г — пространственно-армированные (1 — три семейства нитей; 2 — п семейств нитей)
Текстолит — это материал, полученный прессованием пакета кусков хлопчатобумажной ткани, пропитанной смолой. Выпускается в виде листов, плит, труб и стержней. Обладает хорошей способностью поглощать вибрационные нагрузки, водостойкостью, высокой ударной вязкостью, электроизоляционными и антифрикционными свойствами. Теплостоек до 80°С. Используется для изготовления зубчатых колес, вкладышей подшипников скольжения, электроизоляционных деталей радиоаппаратуры.
Стеклотекстолит отличается от текстолита тем, что в качестве наполнителя используется стеклоткань. Более прочен и теплостоек, чем текстолит, имеет лучшие электроизоляционные свойства. Применяется для изготовления корпусов судов, самолетов, автомобилей и других крупногабаритных изделий, для электроизоляционных деталей, работающих при повышенных температурах.
В асботекстолите наполнителем является асбестовая ткань. Кроме электроизоляционных, он имеет хорошие теплоизоляционные и фрикционные свойства. Применяется в качестве теплозащитного и теплоизоляционного материала, для изготовления тормозных колодок, дисков сцепления и др.
Гетинакс представляет собой материал, полученный прессованием нескольких слоев бумаги, пропитанной смолой. Он обладает электроизоляционными свойствами, устойчив к действию химикатов, может применяться при температуре до 120-140 °С. Применяется в электротехнике для изготовления печатных плат, в электрических машинах и трансформаторах в качестве изоляции, как декоративно-облицовочный материал.
Материалы матриц волокнистых композитов. Матрица должна обеспечивать монолитность композита, фиксировать форму изделия и взаимное расположение армирующих волокон. Она обеспечивает равномерную нагрузку на армирующие волокна и перераспределение нагрузки в случае разрушения части волокон. Кроме того, материал матрицы определяет технологию изготовления изделий из композита. Таким образом, требования, предъявляемые к свойствам материала матриц, можно разделить на эксплуатационные и технологические.
К первым относятся механические, физические и химические свойства, которые определяют возможность эксплуатации композита в различных условиях. Прочность матрицы должна быть такой, чтобы обеспечить совместную работу всех армирующих элементов. При нагрузках, приложенных в направлениях, отличных от ориентации волокна, прочность композита определяется во многом, если не в основном, прочностью матрицы. Природа матрицы обусловливает также уровень рабочих температур и среду эксплуатации композита.
В процессе операций изготовления композита должны быть обеспечены следующие условия:
• равномерное (без касания между собой) распределение волокон в матрице;
• достаточно прочная связь на границе раздела.
Для этого материал матрицы должен обеспечить хорошую смачиваемость волокна. Смачивание характеризуется растеканием жидкости по поверхности твердых тел. Если капля жидкости растекается по поверхности твердого тела, она его смачивает. Если же она принимает сферическую форму, например, капля ртути на стекле, жидкость обладает плохой смачивающей способностью.
Кроме того, желательно иметь невысокие значения параметров формообразования: температуру, давление, чтобы избежать изменения свойств или даже разрушения упрочняющей фазы, а также с целью снижения энергозатрат в процессе изготовления композита.
В качестве материала для изготовления матриц наибольшее применение нашли полимеры, углерод и металлы.
Армирующие компоненты композиционных материалов. Армирующие волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в процессе эксплуатации, и обеспечивают жесткость и прочность композита в направлении ориентации волокна. Таким образом, волокна должны обладать высокой прочностью и жесткостью, т. е. большим модулем упругости Е, химической стойкостью, и сохранять этих свойств в интервале эксплуатационных температур.
В качестве армирующих используют моноволокна, жгуты или ткани, сформированные из моноволокна. Основное применение получили следующие типы волокон.
Стеклянные волокна наиболее широко применяют при создании композитов с неметаллической матрицей. При малой плотности они имеют высокую прочность и теплостойкость, нейтральны к химическому и биологическому воздействию. Непрерывные волокна получают вытягиванием расплавленной стекломассы через фильеры диаметром 0,8÷3 мм и дальнейшим быстрым вытягиванием их до диаметра 3÷9 мкм. Поверхность стеклянных волокон покрывают замасливателем (например, парафиновая эмульсия) для предотвращения истирания волокон при транспортировке и технологических операциях.
Органические волокна используют для получения композитов с полимерной матрицей. Вследствие низкой плотности они обладают высокой удельной прочностью, превосходящей все известные в настоящее время армирующие волокна и металлические сплавы. Применяют волокна на основе ароматических полиамидов, которые обладают высокими значениями предела прочности при растяжении и модуля упругости.
Прочность углеродного волокна достигает 1500÷2000 МПа, что соответствует прочности молибденовой проволоки.
Эксплуатационные свойства и область применения композитов
Композиты с полимерной матрицей. К их достоинствам следует отнести высокие удельные прочностные и упругие характеристики, стойкость в химически агрессивных средах, а также достаточную простоту изготовления,— для их производства не требуется высоких температур и давлений. Однако им присущ ряд недостатков, определяемых свойствами полимерной матрицы. Это, прежде всего, низкие значения прочности при сжатии и сдвиге (при их высоких удельных значениях), низкая теплостойкость, гигроскопичность и склонность к старению, т. е. к изменению физико-механических свойств под воздействием климатических факторов.
Стеклопластики нашли достаточно широкое применение из-за высокой прочности, в том числе при знакопеременных нагрузках, коррозионной стойкости. Они легко обрабатываются резанием. Их недостатком является снижение механических свойств в водной среде из-за ослабления связи «стекло — полимер». Стеклопластики были первыми конструкционными материалами, используемыми в силовых конструкциях. Из них изготовляют детали фюзеляжа и крыльев летательных аппаратов, баллоны высокого давления. В качестве армирующего компонента используют нити, жгуты, ткани. Слоистые композиты на основе тканей называются стеклотекстолитами. Матричным материалом могут быть как термореактивные, так и термопластичные полимеры.
Органопластики. В качестве армирующего компонента используются синтетические волокна. Природа связующего и армирующего компонентов одинакова, что приводит к их химическому взаимодействию. Компоненты имеют близкие значения коэффициентов линейного расширения. В связи с этим органопластики получают монолитную, беспористую структуру с сильной адгезионной связью связующего и арматуры. Монолитность структуры обеспечивает высокое сопротивление ударным и циклическим нагрузкам, высокую вибростойкость. Органопластики — самые легкие композиционные материалы, их применение позволяет снизить вес конструкции (при одинаковых размерах) на 20÷50 % по сравнению с стеклопластиками или сплавами алюминия. Однако в силовых конструкциях они практически не используются из-за низких значений предела прочности при сжатии и модуля упругости.
Углепластики — наиболее перспективный вид композитов. Их отличают высокие характеристики удельной прочности и жесткости, термостойкость, коррозионная стойкость. Композиты на основе эпоксидных связующих могут длительно работать при температуре до 200 °С, а на основе кремнийорганических смол до 300 °С. Благодаря высокой электропроводности углеродного волокна угле-пластики могут выполнять функции антистатика. Такое сочетание свойств определило их достаточно широкое применение — в авиационной и космической технике, автомобилестроении, для изготовления спортивного инвентаря. Форма армирующего компонента — нити, жгуты, ткани.
Боропластики обладают высокой прочностью при сжатии. Так, если пределы прочности при растяжении угле- и боропластиков близки, то предел прочности при сжатии боропластика практически в два раза выше — 1020÷1160 МПа и 520÷530 МПа, для боро- и углепластика соответственно. Поэтому их целесообразно применять в силовых конструкциях, воспринимающих напряжения сжатия. Недостаток боропластиков — технологический, у них низкая обрабатываемость резанием.
Композиты с углеродной матрицей. В качестве армирующего компонента таких композитов используется углеродное волокно. Основное назначение таких композитов — тепловая защита. Они сохраняют высокие механические свойства при очень высоких температурах. При нагреве до 2000 °С наблюдается даже некоторое повышение пределов прочности при растяжении и сжатии. По прочности «углерод — углеродный» композит в 5—10 раз превосходит специальные графиты. Высокие теплозащитные свойства композита определяются также тем, что при нагреве происходит снижение теплопроводности и рост теплоемкости графита. «Углерод — углеродные» композиты нашли применение для изготовления дисков авиационных тормозов.
Композиты с металлической матрицей сочетают в себе достоинства и металлов, и композитов. Они обладают высокими значениями модуля упругости, предела прочности, ударной вязкости. Эти материалы сохраняют свои свойства при температурах значительно более высоких, чем композиты с полимерной матрицей. Важным является то, что прочная металлическая матрица обеспечивает высокие механические свойства в направлении, перпендикулярном оси волокон. Это определило конструкцию композитов с металлической матрицей как одноосную, т. е. более технологичную. Особо следует отметить, что только такие композиты возможно упрочнить путем термической обработки или наклепа. Повышение механических характеристик достигается при этом за счет упрочнения материала матрицы.
Наиболее распространены композиты с матрицей из алюминия или сплавов на его основе вследствие их высокой технологичности при производстве композитов. В качестве армирующего компонента используют борные и углеродные волокна, стальную проволоку.
Основное применение композитов с матрицей на основе алюминиевых сплавов — авиационная промышленность. Их используют вместо алюминиевых сплавов для повышения механических свойств, наиболее важно — увеличение модуля упругости. Так, замена сплава Д16 на композит ВКА-1 позволила повысить жесткость лонжерона крыла примерно в 1,5 раза.
Композиты в автомобилестроении
Композиционные материалы и изделия на основе непрерывных волокон и армирующих тканей
широко используются для производства внешних деталей автомобиля. Чаще всего из них делают:
Силовые конструкции – силовые структуры дверей и сидений, защитные элементы днища.
Элементы крепления бамперов и радиаторов.
Декоративные элементы – декоративные панели салона, внешние декоративные панели.
Крышки багажников, кузовные панели, тормозные диски, элементы кузова, термо- и звукоизоляцию.
Всё чаще кузова многих типов машин (в том числе тяжёлых грузовиков) полностью создаются из
лёгких, прочных и недорогих углепластиков.
Углепластик в автомобилестроении
Композитные материалы для автомобилестроения – это в первую очередь продукция из углеродного
волокна. Она используется в автомобилестроении уже много лет, и с каждым годом объём его
применения растёт. Наиболее важное преимущество углеволокна — небольшой вес и высокая
прочность.
Углепластик в 5 раз легче стали и в 1,8 раза легче алюминия. Использование композитов в автомобилестроении позволяет снизить массу транспортного средства на 20-25%.
За счёт этого заметно повышается эффективность работы двигателя и снижается расход горючего.
Углеродные волокна производят из синтетических и природных волокон на основе полимеров.
В зависимости от режима обработки и исходного сырья получают материалы разной структуры и с
разными свойствами. В этом заключается главное преимущество композитных материалов. Их можно создавать с изначально заданными свойствами под определённую задачу.
Развитие технологии в автомобилестроении в первую очередь связано с развитием автоспорта.
Наблюдая технический прогресс в области развития и применения композиционных материалов,
можно уверенно сказать, что в ближайшем будущем появятся серийные автомобили с полностью
композитным кузовом и многими узлами и агрегатами.
Составить перечень композиционных материалов и указать их строение
Отчет, выполненной работы выслать на почту преподавателя в форме фотоотчета
Оценка знаний, умений и навыков производится в соответствии с универсальной шкалой.
Процент результативности (правильных ответов) | Качественная оценка индивидуальных образовательных достижений | |
балл (отметка) | вербальный аналог | |
90 ÷ 100 | 5 | отлично |
80 ÷ 89 | 4 | хорошо |
70 ÷ 79 | 3 | удовлетворительно |
менее 70 | 2 | не оценивается |
1. ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2015. - 368 с. (Профессиональное образование) ISBN 978-5-8199-0352-0.: - URL: h: https://znanium.com/catalog/product/508597 - Текст: электронный.
2. https://vk.com/public19437621
Дата добавления: 2020-11-29; просмотров: 1796; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!