Композициялық материалдар. Жалпы сипаттамасы

 

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ  МИНИСТРЛІГІ

ӘЛ-ФАРАБИ АТЫНДАҒЫ ҚАЗАҚ ҰЛТТЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ

 

                                                                                               

                                                                                               

                                                                                                Факультет:             физика-техникалық

 

                                                                                         Кафедра: жылуфизика, стандартизация            

                                                                                                                  және метрология

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

Тақырыбы:   Композициялық материалдар.

                                     Жалпы сипаттамасы      

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                 Орындаған:   Сайдолдаева А.Б.

                                                                                                                            СМС - 421 топ студенті

 

                                                                                                                Тексерген:    Нурмуханова А.З.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Алматы  2013 жыл

 

Жоспар

 

1. Кіріспе
2. Негізгі бөлім

1. Композициялық материалдардың жалпы сипаттамасы

2. Композициялық материалдардың классификациясы
3. Композициялық материалдардың артықшылықтары мен кемшіліктері
4. Композициялық материалдардың технологиясы мен қасиеттері
5. Композициялық материалдардың қолданылуы

3. Қорытынды

4. Қолданған әдебиеттер

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кіріспе

Композициялық материалдар  – болашақтың материалдары.

        Заманауи металлдар физикасы олардың иілгіштігінің, беріктігінің және осы сияқты қасиеттерінің өзгеруін толығымен түсіндіргеннен кейін, жаңа материалдарды қарқынды жүйелік жасау басталды.  Бұл болашақта беріктігі қазіргі қарапайым қорыптапалардан қарағанда бірнеше есе артық болатын материалдарды ойлап табуға алып келері анық. Болатты шыңдау және алюминді қорытпалардың тозуының белгілі механизмдеріне, осы белгілі механизмдердің жасалу процесстері мен құрылымдық материалдарды жасау мүмкіндіктерімен  комбинацияларына үлкен назар аударылады. Құрылымдық материалдарды қолдану екі перспективті жолды ашады – талшықпен немесе дисперленген қатты бөлшектермен нығайту. Біріншіде бейорганикалық металлдық немесе органикалық полимерлі матрицаға шыңы, көміртек, бор, бериллий, болат, немесе жіп тәрізді монокристаллдардан аса жіңішке жоғары талшықтар еңгізілген. Осындай құрылымдау нәтижесінде максималды беріктік жоғарғы модульді иілгіштік пен кішкене тығыздықпен үйлестіріледі. Осындай композициялық материалдар болашақтың материалдары болады.

Композициялық материалдар – анағұрлым берік материалдардың жіп, талшық немесе үлпен тәрізді элементтері бар құрылымдық (металл немесе бейметалл) материалдар. Композициялық материалдардың мысалдары: борлы, көміртекті, шыңы талшықтармен немес олардың негізіндегі материалмен армирленген пластик; болат, бериллий талшықтарымен армирленген алюминий. Компоненттердің үлкен көлемін құрылымдау арқылы беріктіктің, ыстыққа беріктіктің, серпімділік модулінің, абразиялық беріктіктің қажетті мәндеріне ие композициялық материалдарды алуға болады, сонымен қатар қажетті магнитті, диэлектрлі, радиожұтқыш және басқа да арнайы қасиеттерге ие композицияларды жасап шығаруға болады.

 

 

Композициялық материалдардың жалпы сипаттамасы

Композициялық материалдар немесе композиттер деп құрылымы әрқайсысының ерекшелігін қолдануға мүмкіндік беретін бір бірінен қасиеттері бойынша қатты айырмашылыға бар компоненттерден тұратын көлемді   гетерогенді жүйені атайды. Композициялық материалдардың қасиеттерінің спектрін кәдімгі материалдарды қолдану арқылы алуға болмайды. Олар осыған дейін әлі қолжетімсіз болған принципиалды жаңа құрылымдарды қолдануға мүмкіндік береді.

Композиялық материалдар құрылыс материалдарының негізгі көлемін және оларды бір-бірімен байланыстыратын жанаспалы қабат беріктігін анықтайды, сондай-ақ талшық пен оның қатты бөлшектегі құрамдық бөлігін құрайды.

Композициялық материалдардың маңызды сипатамалары – меншікті беріктік    пен меншікті қаттылық   , мұндағы    – уақытша кедергі, Е – нормальді серпімділіктің модулі,   – материал тығыздығы, g – ерікті құлаудың үдеуі. Меншікті беріктігі мен қаттылығы бойынша композициялық материалдар барлық белгілі құрылымдық қоспалардан асып түседі. (1-сурет).

1-сурет. –  Кейбір армирленбеген және талшықтармен армирленген композициялық материалдардың меншікті беріктілігі пен меншікті серпімділігінің өзара байланысы : 1 – алюминий; 2 – титан мен болат; 3 – берилий сымымен армирленген титан; 4 – SiC талшықтарымен армирленген титан; 5 – борсик (SiC/B) талшықтарымен армирленген титан; 6 – бор талшықтарымен армирленген алюминий: 7 – графит талшықтарымен армирленген эпоксидті шайыр; 8 – бор талшықтарымен армирленген эпоксидті шайыр.

 

Жеңіл, берік және ұзақ тұратын  бұйымдар мен конструкциялар алуға мүмкіндік береді, коррозиямен электромагнитті және радиациялық сәулеленуге төзімді, жеңіл жиналады және өзгереді, яғни құрылыста техникалық төңкеріс жасауға бейімді.

Композициялық материалдың негізі болып, полимерлер, органикалық тұтқырлар, күшейткіш дисперсті толтырғыштар танылады. Қазіргі заманғы композиялық материалдардағы толтырғыштарды, тек тұтқырдың ысырабын азайтатын және композиттің қөрылысын беріктендіретін қоспа ғана емес, сонымен қатар жүйе құрылыстың пайда болуын басқаратын және материалдағы берілген қасиеттерді жобалауға мүмкіндік беретін компонент есебінде қаралады.

Композициялық материалдар бірнеше  жүйе қүрылыстық деңгейдегі бірінен  кейін бірін ірілендіру мен жүйелік ұйымдастыруды түрлендіру принципі бойынша бөлінетін қырлары арқылы бір блокқа топтастырылған жүйе. Конгломератты көп құрылымды жүйе сияқты сипатта және осылайша ұйымдастыруды «блоктағы блок» немесе «құрылымдағы құрылым» деп атайды.

Дүниежүзілік масштабта композициялық материалдар өндірісі жылдан жылға осуде. Композициялық материалдар салыстырмалы төменгі тығыздықта бола тұра, жоғарғы беріктігімен сипатталады. Олардың қасиеттері, үлкен меншікті қырымен, әр түрлі құрылымдағы заттардың физика-химиялық қоспасындағы энергетикалық деңгейімен сипатталады.

Композициялық материалдардың салмағы, болатқа қарағанда 4—5 есе аз. Сондай бола тұра олардың беріктігі 25 есе көп болу мүмкін. Композициялық материал әр түрлі құрылымдағы заттардың физикалық, химиялық қоспаларынан пайда болған жаңа энергетикалық сападағы материал.

Дүниежүзілік масштабта жылдан-жылға композициялық ма-териалдардың өндірісі үлғаюда. Егер Батыс Европа мен АҚШ 1977 жылы әрқайсысы 350 мың тоннадан композициялык материалдар өндірген болса, осыдан 10 жылдан кейін, яғни 1986 жылы, осы көрсеткіш үш есе өсті. 2000—2005 жылдары композициялық материалдарға сұраныс 2,5—3 млн тонна құрауы мүмкін. Демек, композициялық материалға қарағанда оның қымбаттығына орай, болашақта болатқа деген сұраныс кілт азаяды.

Европалық елдерде басқа материалдармен салыстырғанда, композициялық материалдар 2—3 есе көп шығарылады. Композитті материалардың төзімділігі өзіне ұқсас материалдарға қарағанда 2—3 есе жоғары. Теориялық есеп бойынша 1 т композициялық материал 15-20 т болатты ауыстырады, ал іс жүзінде 1 т композитті материалдарды 4—5 т болаттың орнына қолдануға болады екен.

Техникалық сипаттамалары. Композициялық материалдың құрамына байланысты қорғаушы қабат келесі сипаттамаларға ие бола алады:

• Қалыңдығы 100 мкм дейін;
• Білік бетінің тазалық класы (9 дейін);
• 1 — 3 мкм болатын тесікшелер (поры);
• Үйкеліс коэффициенті 0,01 дейін.

 

 

Композициялық материалдардың классификациясы

Композициялық материал салыстырмалы иілгіш матрицалы материалды – негіз бен толтырғыш болатын анағұрлым қатты және берік компоненттерден тұрады. Композициялық материалдар қасиеттері негіздің, толтырғыштардың қасиеттеріне және олардың арасындағы берік байланыстан тәуелді болады.

Матрица композицияны монополитке біріктіреді,оған пішін береді және толтырғыштан жасалған арматураға сыртқы күштерді беру үшін қызмет етеді. Негіздің материалына байланысты композициялық материалдар мынадай болып бөлінеді: металл матрицалы, немесе металл композициялық материалдар, полимерлі матрицалы – полимерлі композициялық материалдар, және керамикалық матрицалы –керамикалық композициялық материалдар.

Композициялық материалдарды беріктетуде  басты рөлді толықтырғыштар атқарады, олар көбінесе беріктеткіштер деп аталады. Олар жоғары беріктікке, қаттылыққа және серпімділік модуліне ие. Беріктеткіш толтырғыштардың типі бойынша композициялық материалдар дисперстіберіктетілген, талшықты және қатпарлы деп бөлінеді (2-сурет).

 

2-сурет. – Композициялық материалдардың құрылым сызбасы: а – дисперстіберіктетілген; б – талшықты; в – қатпарлы.

 

Диспертіберіктетілген композициялық материалдарға бір  қалыпты үлестірілген баяу балқитын матрицамен әсерлеспейтін және онда фазалардың балқу температурасына  дейін еріп кетпейтін карбидтер, оксидтер, натридтер және т.б. бөлшектерін  жасанды еңгізеді. Толтырғыш бөлшегі  және олардың арасындағы байланыс кішкене  болған сайын  композициялық материал соғұрлым берік болады. Талшықтыларға  қарағанда, диспертіберіктетілген  композициялық материалдарда негізгі элемент матрица болады. Толтырғыштың дисперсті бөлшектері мариалды жүктелу кезінде дислокация қозғалысына қарсы тұру есебінен берікті қылады, бұл иілгіш деформацияны қиындатады. Дислокация қозғалысына эффективті кедергі матрицаның балқу температурасына дейін болады, осының арқасында дисперстіберіктетілген композициялық материалдар жоғары қызутөзімділік пен жылжығыштық кедергісіне ие болады.

Талшықты  композициялық материалдарда әр түрлі формалы талшықтар арматура бола алады: жіптер, ленталар, әр түрлі өрілген сеткалар. Талшықты композициялық материалдардың армирленуі біросьті, екіосьті және үшосьті сұлба бойынша орындала алады (3-cурет, а).

 

 

 

 

 

3-сурет. – Схемы армирования Талшықты (а) және қатпарлы (б) композициялық материалдардың армирлену сұлбалары.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мұндай  материалдардың беріктігі мен қаттылығы  негізгі күш түсетін армирлейтін  талшықтар қасиеттерімен анықталады. Армирлеу беріктілікке үлкен өсу  береді, бірақ дисперсті беріктету  технологиялы оңай орындалады.

Қатпарлы  композициялық материалдар (3-cурет, б) толтырғыш пен матрицалы материалдың кезек-кезек орналасқан қабаттарынан тұрады («сэндвич» тәрізді). Мұндай композициялық материалдардағы толтырғыштар қабаттары әрқилы бейімделуге ие бола алады. Әр түрлі механикалық қасиеттері бар әр түрлі материалды толтырғыш қабаттарын кезекпен қолдану мүмкін. Қатпарлы құрылымдар үшін әдетте бейметалл материалдар қолданылады.

 

 

Композициялық материалдардың артықшылықтары мен кемшіліктері

Композициялық материалдардың басты артықшылығы  – материал мен құрылымының бір уақытта жасалуында. Композициялық материалдарды жасау барысында қажетті барлық сипаттамалар ескеріледі, соның арқасында инженер оған дәстүрлі материалдан асып түсетін сипаттамаларды бере алады.

Басты артықшылықтары:

• Жоғарғы меншікті беріктік ( 3500 МПа);
• Жоғарғы қаттылық (серпімділік модулі 130…140 - 240 ГПа);
• Жоғарғы төзімділік;
• Композициялық материалдан размерлері тұрақты құрылымдар жасап шығаруға болады;
• Жеңілдік.

Композициялық материалдар олардың кең таралуына  кедергі болатын бірнеше кемшіліктерге  ие.

• Құнының жоғарылығы. Құнының жоғары болу себебі, өндірістің жоғары ғылымның қажеттілігі, яғни қымбат құрылғы мен шикізаттың керектігі, ал осының салдарынан мемлекеттің де ғылым базасы мен дамыған өнеркәсіптік өндірісі болуы керек.
• Төмен екпінді тұтқырлығы. Төмен екпінді тұтқырлық жоғары беріктік қорын арттырудың себебі болады. Сонымен қатар, төмен екпінді тұтқырлық композициялық материалдардан жасалған бұйымдардың тез бұзылғыштығын, жасырын ақаулардың пайда болу ықтималдығының жоғарылылығын түсіндіреді, олар тек бақылаудың инструменталды әдісімен анықталады.
• Жоғарғы меншікті көлем. Композициялық материалдарды қолдану кезінде олардың жоғарғы меншікті көлемі алатын көлемі шектеулі салаларда маңызды кемшілігі болады. Оған, мысалы, аса жоғарғы дыбыс авиация саласы жатады, ол жерде тікұшақтың кішкене болса да көлемінің артуы, толқынды аэродинамикалық кедергінің көп өсуіне алып келеді.
• Гигроскоптығы (ылғал сіңіргіш). Композициялық материалдар ылғал сіңіргіш болып келеді. Ұзақ қолдану және температуралардың көп өзгеруі кезінде, судың композициялық материал құрылымына енуінен, бұйымды ішінен бұзады. Композициялық материалдар, мысалы, авиациялық керосин сияқты жоғары өтімділікке ие басқа да  сұйықтықтарды да сіңіре алады.
• Ұлағыштығы. Эксплуатация кезінде коспозициялық материалдар көбінесе улы болатын бу бөледі. Сол себепті композициялық материалдарды жасау барысында, оның компоненттерінің адамға әсері ескерілуі керек.
• Төмен эксплуатациялық технологиялылығы. Композициялық материалдар төмен эксплуатациялық технологиялылық пен төмен жөндеуге қабілеттілікке және эксплуатацияның жоғары бағасына ие. Көп жағдайларда композициялық материалдардан жасалған бұйымдарды мүлде жөндеуге жарамсыз болады.