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.
2. Типы композиционных материалов.
2.1. Композиционные материалы с металлической матрицей.
2.2. Композиционные материалы с неметаллической матрицей.
3. Классификация композиционных материалов.
3.1. Волокнистые композиционные материалы.
3.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы.
3.3. Стекловолокниты.
3.4. Карбоволокниты.
3.5. Карбоволокниты с углеродной матриццей.
3.6. Бороволокниты.
3.7. Органоволокниты.
4. Экономическая эффективность применения композиционных материалов.
5. Список литературы.
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.
2.1. Композиционные материалы с металлической матрицей.
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 ей форму. 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 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. 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 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.
Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем
трехнаправленных.
3. Классификация композиционных материалов.
3.1. Волокнистые композиционные материалы.
Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по
механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение
длинны волокна к диаметру l/d(10(10?, 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 – 10
%), модуля упругости, коэффициента жесткости (Е/?) 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 волокон должны 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.
= 2500(3500 МПа, Е = 450 ГПа. 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.
= 15000(28000 МПа и Е = 400(600 ГПа.
В следующей таблице приведены некоторых волокнистых композиционных
материалов.
Механические свойства композиционных материалов на металлической основе
Материал
/( Е/(
МПа
Бор-алюминий (ВКА-1А) 1300 600 220 500 84,6
Бор-магний (ВКМ-1) 1300 500 220 590 100
Алюминий-углерод (ВКУ-1) 900 300 220 450 100
Алюминий-сталь (КАС-1А) 1700 350 110 370 24,40
Никель-вольфрам (ВКН-1) 700 150 – – –
) 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.
и Е вдоль оси армирования. Однако необходимо учитывать, что матрица
может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда
существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно –
матрица. Для предотвращения контакта между волокнами матрица должна
полностью окружать все волокна =, что достигается при содержании ее не
менее 15-20 %.
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. 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. %.
. 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.
для сплавов САП-1 и САП-2 при 500 °С составляет 45-55 МПа.
( 65 МПа. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, так же как
волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и
длительности выдержки при данной температуре.
3.3. Стекловолокниты.
= 600/3800 МПа и ? = 2/3,5 %.
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-4В, а также ДСВ (дозирующиеся стекловолокниты), которые применяют для
изготовления силовых электротехнических деталей, деталей машиностроения
(золотники, уплотнения насосов и т. д.). При использовании в качестве
связующего 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, корпуса приборов и т. п.).
Ориентированные стекловолокниты имеют наполнитель в виде длинных
волокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями и тщательно
склеивающихся связующим. Это обеспечивает более высокую прочность
стеклопластика.
= 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 виде углеродных
волокон (карбоволокон).
, что дает увеличение межслойной 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 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 КМУ-2л на основе
полиимидного связующего можно применять при температуре до 300 °С.
и Е почти не изменяются.
Гц).
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 2500-3000 °С
графитированные карбоволокниты. Для получения пироуглеродных материалов
упрочнитель выкладывается по форме изделия и помещается в печь, в
которую пропускается газообразный углеводород (метан). При определенном
режиме (температуре 1100 °С и остаточном давлении 2660 Па) метан
разлагается и образующийся пиролитический углерод осаждается на волокнах
упрочнителя, связывая их.
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 °С, на
воздухе окисляется при 450 °С и требует защитного покрытия. Коэффициент
трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другому высок
(0,35-0,45), а износ мал (0,7-1 мкм на тормажение).
Физико-механические свойства карбоволокнитов приведены в следующих
таблицах.
Физико-механические свойства однонаправленных композиционных материалов
с полимерной матрицей
Материал Предел прочности, МПа Модуль упругости, ГПа
При растяжении При сжатии При изгибе При сдвиге При растяжении При
изгибе При сдвиге
Карбоволокниты:
КМУ-1л 650 350 800 25 120 100 2,8
КМУ-1у 1020 400 1100 30 180 145 3,50
КМУ-1в 1000 540 1200 45 180 160 5,35
КМУ-2в 380 – – – 81 – –
Бороволокниты:
КМВ-1м 1300 1160 1750 60 270 250 9,8
КМВ-1к 900 920 1250 48 214 223 7,0
КМВ-2к 1250 1250 1550 60 260 215 6,8
КМВ-3к 1300 1500 1450 75 260 238 7,2
Карбоволокнит с углеродной матрицей КУП-ВМ 200 260 640 42 160 165 –
Органоволокниты:
С эластичным волокном 100-190 75 100-180 – 2,5-8,0 – –
С жестким волокном 650-700 180-200 400-450 – 35 – –
Физико-механические свойства однонаправленных композиционных материалов
с полимерной матрицей
Материал Удель-
Ная жест-кость Е/?, 10? км Относи-
тельное удли-нение при разрыве, % Удель-
ная проч-
ность ?/?, км Удар-
ная вяз-кость, кДж/м? Сопро-
тивление уста-
циклов, МПа Дли-тельная проч-
нось при изгибе за 1000 ч, МПа Плот-
ность, т/м?
Карбоволокниты:
КМУ-1л 8,6 0,5 46 50 300 480 1,4
КМУ-1у 12,2 0,6 70 44 500 880 1,47
КМУ-1в 11,5 0,6 65 84 350 900 1,55
КМУ-2в 6,2 0,4 30 – – – 1,3
Бороволокниты:
КМВ-1м – 0,3-0,5 – 90 400 1370 2,1
КМВ-1к 10,7 0,3-0,4 43 78 350 1220 2,0
КМВ-2к 13,0 0,3-0,4 50 110 400 1200 2,0
КМВ-3к 12,5 0,3-0,4 65 110 420 1300 2,0
Карбоволокнит с углеродной матрицей КУП-ВМ – – – 12 240 – 1.35
Органоволокниты:
С эластичным волокном 0,22-0,6 10-20 8-15 500-600 – – 1,15-1,3
С жестким волокном 2,7 2-5 50 – – – 1.2-1,4
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 КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200 °С;
КМБ-3 и КМБ-3к не требуют высокого давления при переработке и могут
работать при температуре не свыше 100 °С; КМБ-2к работоспособен при 300
°С.
Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости, они стойки к
воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных
материалов.
Гц). Для бороволокнитов прочность при сжатии в 2-2,5 раза больше, чем
для карбоволокнитов.
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.
Происходит диффузия компонентов связующего в волокно и химическое
взаимодействие между ними. Структура материала бездефектна. Пористось не
превышает 1-3 % (в других материалах 10-20 %). Отсюда стабильность
механических свойств органоволокнитов при резком перепаде температур,
действии ударных и циклических нагрузок. Ударная вязкость высокая
(400-700 кДж/м?). Недостатком этих материалов является сравнительно
низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть (особенно для
эластичных волокон).
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.
5. Список литературы.
Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для высших
технических заведений. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение,
1990.
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, 1987.
Политехнический словарь. Гл. ред. И. И. Артоболевский. – М.: «Советская
энциклопедия», 1977.
PAGE
PAGE 15
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
