1. Класифікація композиційних матеріалів
2. Склад, будова і властивості композиційних матеріалів
3. Економічна ефективність застосування композиційних матеріалів
Список використаної літератури
Композиційний матеріал - неоднорідний суцільний матеріал, що складається з двох або більше компонентів, серед яких можна виділити армирующие елементи, що забезпечують необхідні механічні характеристики матеріалу, і матрицю, що забезпечує спільну роботу армуючих елементів. Механічне поведінка композиту визначається співвідношенням властивостей армуючих елементів і матриці, а також міцністю зв'язку між ними. Ефективність і працездатність матеріалу залежать від правильного вибору вихідних компонентів і технології їх поєднання, покликаної забезпечити міцний зв'язок між компонентами при збереженні їх початкових характеристик. В результаті поєднання армуючих елементів і матриці утворюється комплекс властивостей композиту, не тільки відображає вихідні характеристики його компонентів, але і включає властивості, якими ізольовані компоненти не володіють. Зокрема, наявність кордонів розділу між армуючими елементами і матрицею істотно підвищує тріщиностійкість матеріалу, і в композитах, на відміну від металів, підвищення статичної міцності призводить не до зниження, а, як правило, до підвищення характеристик в'язкості руйнування.
Переваги композиційних матеріалів:
-висока питома міцність;
-висока жорсткість (модуль пружності 130 ... 140 ГПа);
-висока втомна міцність;
З КМ можливо виготовити размеростабільние конструкції, причому, різні класи композитів можуть мати одну або декілька перевагами.
Найбільш часті недоліки композиційних матеріалів:
-підвищена наукоємність виробництва, необхідність спеціального дорогого устаткування і сировини, а отже розвиненого промислового виробництва та наукової бази країни.
1. Класифікація композиційних матеріалів
Композити - багатокомпонентні матеріали, що складаються з полімерної, металевої. вуглецевої, керамічної або ін. основи (матриці), армованої наповнювачами з волокон, ниткоподібних кристалів, тонкодіспeрсних частинок і ін. Шляхом підбору складу і властивостей наповнювача і матриці (сполучного), їх співвідношення, орієнтації наповнювача можна отримати матеріали з необхідним поєднанням експлуатаційних і технологічних властивостей. Використання в одному матеріалі декількох матриць (поліматричного композиційні матеріали) або наповнювачів різної природи (гібридні композиційні матеріали) значно розширює можливості регулювання властивостей композиційних матеріалів. Армуючі наповнювачі сприймають основну частку навантаження композиційних матеріалів.
За структурою наповнювача композиційні матеріали поділяють на волокнисті (армовані волокнами і ниткоподібними кристалами), шаруваті (армовані плівками, платівками, шаруватими наповнювачами), дісперсноармірованние, або дисперсно-зміцнені (з наповнювачем у вигляді тонкодисперсних частинок). Матриця в композиційних матеріалах забезпечує монолітність матеріалу, передачу і розподіл напруги в наповнювачі, визначає тепло-, волого-, вогне- і хім. стійкість.
За природою матричного матеріалу розрізняють полімерні, металеві, вуглецеві, керамічні та ін. Композити.
Композиційні матеріали з металевою матрицею представляють собою металевий матеріал (частіше Al, Mg, Ni та їх сплави), зміцнений високоміцними волокнами (волокнисті матеріали) або тонкодисперсних тугоплавкими частками, що не розчиняються в основному металі (дисперсно-зміцнені матеріали). Металева матриця пов'язує волокна (дисперсні частинки) в єдине ціле.
Композиційні матеріали з неметалевої матрицею знайшли широке застосування. Як неметалічних матриць використовують полімерні, вуглецеві та керамічні матеріали. З полімерних матриць найбільшого поширення набули епоксидна, фенолоформальдегидная і поліамідна. Вугільні матриці, коксованого або піроуглеродних, отримують з синтетичних полімерів, підданих піролізу. Матриця пов'язує композицію, надаючи їй форму. Упрочнітелямі служать волокна: скляні, вуглецеві, борні, органічні, на основі ниткоподібних кристалів (оксидів, карбідів, боридів, нітридів та інших), а також металеві (дроту), що володіють високою міцністю і жорсткістю.
Композиційні матеріали з волокнистих наповнювачем (упрочнителем) за механізмом армуючого дії поділяють на дискретні, в яких відношення довжини волокна до діаметру відносно невелике, і з безперервним волокном. Дискретні волокна розташовуються в матриці хаотично. Діаметр волокон від часток до сотень мікрометрів. Чим більше відношення довжини до діаметру волокна, тим вище ступінь зміцнення.
Часто композиційний матеріал являє собою шарувату структуру, в якій кожен шар армований великим числом паралельних безперервних волокон. Кожен шар можна армувати також безперервними волокнами, виткані в тканину, яка представляє собою вихідну форму, по ширині і довжині відповідну кінцевого матеріалу. Нерідко волокна сплітають в тривимірні структури.
Композиційні матеріали відрізняються від звичайних сплавів більш високими значеннями тимчасового опору і межі витривалості (на 50 - 10%), модуля пружності, коефіцієнта жорсткості і зниженою схильністю до утворення тріщин. Застосування композиційних матеріалів підвищує жорсткість конструкції при одночасному зниженні її металоємності. Міцність композиційних (волокнистих) матеріалів визначається властивостями волокон; матриця в основному повинна перерозподіляти напруги між армуючими елементами. Тому міцність і модуль пружності волокон повинні бути значно більше, ніж міцність і модуль пружності матриці. Жорсткі армуючі волокна сприймають напруги, що виникають в композиції при навантаженні, надають їй міцність і жорсткість в напрямку орієнтації волокон.
Для зміцнення алюмінію, магнію і їх сплавів застосовують виборні волокна, а також волокна з тугоплавких сполук (карбідів, нітридів, боридів і оксидів), що мають високі міцність і модуль пружності. Для армування титану і його сплавів застосовують молибденовую дріт, волокна сапфіру, карбіду кремнію і борида титану. Підвищення жароміцності нікелевих сплавів досягається армуванням їх вольфрамової або молібденової дротом. Металеві волокна використовують і в тих випадках, коли потрібні високі теплопровідність і електропровідність. Перспективними упрочнителями для високоміцних і високомодульних волокнистих композиційних матеріалів є ниткоподібні кристали з оксиду і нітриду алюмінію, карбіду і нітриду кремнію, карбіду бору та ін. Композиційні матеріали на металевій основі мають високу міцність і жароміцних, в той же час вони малопластичних. Однак волокна в композиційних матеріалах зменшують швидкість поширення тріщин, що зароджуються в матриці, і практично повністю зникає раптове крихке руйнування. Відмінною особливістю волокнистих одноосьових композиційних матеріалів є анізотропія механічних властивостей вздовж і поперек волокон і мала чутливість до концентраторів напруги. Анізотропія властивостей волокнистих композиційних матеріалів враховується при конструюванні деталей для оптимізації властивостей шляхом узгодження поля опору з полями напруги. Необхідно враховувати, що матриця може передавати напруги волокнам тільки в тому випадку, коли існує міцний зв'язок на поверхні розділу армуюче волокно - матриця. Для запобігання контакту між волокнами матриця повинна повністю оточувати все волокна. що досягається при вмісті її не менше 15-20%. Матриця і волокно не повинні між собою взаємодіяти (має бути відсутня взаємна дифузія) при виготовленні і експлуатації, так як це може привести до зниження міцності композиційного матеріалу. Армування алюмінієвих, магнієвих і титанових сплавів безперервними тугоплавкими волокнами бору, карбіду кремнію, борида титану та оксиду алюмінію значно підвищує жароміцність. Особливістю композиційних матеріалів є мала швидкість знеміцнення в часі з підвищенням температури.
Основним недоліком композиційних матеріалів з одно і двовимірним армуванням є низький опір міжшарових зрушення і поперечному обриву. Цього позбавлені матеріали з об'ємним армуванням.
На відміну від волокнистих композиційних матеріалів у дісперсно- зміцнених композиційних матеріалах матриця є основним елементом, що несе навантаження, а дисперсні частинки гальмують рух в ній дислокацій.
2. Склад, будова і властивості композиційних матеріалів
Найбільше застосування в будівництві та техніці отримали композиційні матеріали, армовані високоміцними і високомодульний безперервними волокнами. До них відносять: полімерні композиційні матеріали на основі термореактивних (епоксидних, поліефірних, феноло-формальдегідних, поліамідних та ін.) І термопластичних зв'язуючих, армованих скляними (склопластики), вуглецевими (вуглепластики), органічними (органопластікі), борними (боропластікі) і ін . волокнами; металеві композиційні матеріали на основі сплавів Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сr, армованих борними, вуглецевими або карбідкремнієві волокнами, а також сталевий, молібденової або вольфрамової дротом; композиційні матеріали на основі вуглецю, армованого вуглецевими волокнами (вуглець-вуглецеві матеріали); композиційні матеріали на основі кераміки, армованої вуглецевими, карбідокремнієвих і ін. жаростійкими волокнами і SiC. При використанні вуглецевих, скляних, амідних і борних волокон, що містяться в матеріалі в кол-ве 50-70%, створені композиції з питомою міцністю і модулем пружності в 2-5 разів більшими, ніж у звичайних конструкційних матеріалів і сплавів. Крім того, волокнисті композиційні матеріали перевершують метали і сплави по втомної міцності, термостійкості, виброустойчивости, шумопоглощению, ударної в'язкості та ін. Властивостям. Так, армування сплавів Аl волокнами бору значно покращує їх механічні характеристики і дозволяє підвищити температуру експлуатації сплаву з 250-300 до 450-500 ° С. Армування дротом (з W і Мо) і волокнами тугоплавких сполук використовують при створенні жароміцних композиційних матеріалів на основі Ni, Cr, Co, Ti і їх сплавів. Так, жароміцні сплави Ni, армовані волокнами, можуть працювати при 1300-1350 ° С. При виготовленні металевих волокнистих композиційних матеріалів нанесення металевої матриці на наповнювач здійснюють в основному з розплаву матеріалу матриці, електрохімічним осадженням або напиленням. Формування виробів проводять гл. обр. методом просочування каркаса з армуючих волокон розплавом металу під тиском до 10 МПа або з'єднанням фольги (матричного матеріалу) з армуючими волокнами із застосуванням прокатки, пресування, екструзії при нагріванні до температури плавлення матеріалу матриці.
3. Економічна ефективність застосування композиційних матеріалів
Області застосування композиційних матеріалів не обмежені. Вони застосовуються в авіації для високонавантажених деталей (обшивки, лонжеронів, нервюр, панелей, лопаток компресора і турбіни і т. Д.), В космічній техніці для вузлів силових конструкцій апаратів, для елементів жорсткості, панелей, в автомобілебудуванні для полегшення кузовів, ресор, рам, панелей кузовів, бамперів і т. д. в гірській промисловості (буровий інструмент, деталі комбайнів і т. д.), в цивільному будівництві (прольоти мостів, елементи збірних конструкцій висотних споруд і т. д.) і в інших галузях народного господарства.
Застосування композиційних матеріалів забезпечує новий якісний стрибок у збільшенні потужності двигунів, енергетичних і транспортних установок, зменшенні маси машин і приладів. Композиційні матеріали з неметалевої матрицею, а саме полімерні карбоволокніти використовують в судо- і автомобілебудуванні (кузова гоночних машин, шасі, гребні гвинти); з них виготовляють підшипники, панелі опалення, спортивний інвентар, частини ЕОМ. Високомодульні карбоволокніти застосовують для виготовлення деталей авіаційної техніки, апаратури для хімічної промисловості, в рентгенівському устаткуванні і другом. Карбоволокніти з вуглецевої матрицею замінюють різні типи графітів. Вони застосовуються для теплового захисту, дисків авіаційних гальм, хімічно стійкою апаратури. Вироби з бороволокнітов застосовують в авіаційній і космічній техніці (профілі, панелі, ротори і лопатки компресорів, лопаті гвинтів, трансмісійні вали вертольотів і т. Д.). Органоволокніти застосовують в якості ізоляційного і конструкційного матеріалу в електрорадіопромишленності, авіаційній техніці і т. Д.
Список використаної літератури
Горчаков Г.І. Баженов Ю.М. Будівельні матеріали / Г.І. Горчаков, Ю.М. Баженов. - М. Стройиздат, 1986.
Загальний курс будівельних матеріалів / За ред. І.А. Рибьева. - М. Вища школа, 1987.
Будівельні матеріали / Під ред.Г.І. Горчакова. - М: Вища школа, 1982.
Евальд В.В. Будівельні матеріали, їх виготовлення, властивості і випробування / В.В. Евальд. - С-Пб. Л-М, 14-е изд., 1933.