Волокнистые композиционные материалы, принципы их формирования, способы производства, свойства и область применения

 

 

 

   В таблице 2 и 3 представлены свойства нитевидных кристаллов и непрерывных волокон.

 

  Таблица 2 – Непрерывные волокна

Упрочни-тель	Температура плавления,  °С	Плотность, кг/м3	Предел прочности, Гн/м2	Удельная прочность, Мн•м/кг	Модуль упругости, Гн/м2	Удельный модуль упругости, Мн•м/кг
Al2O3	2050	3960	2,1	0,53	450	113
B	2170	2630	3,5	1,33	420	160
С	3650	1700	2,5	1,47	250-400	147-235
B4C	2450	2360	2,3	0,98	490	208
SiC	2650	3900	2,5	0,64	480	123
W	3400	19400	4,2	0,22	410	21
Mo	2620	10200	2,2	0,21	360	35
Be	1285	1850	1,5	0,81	240	130

 

 

  

 Таблица 3 – Нитевидные кристаллы

 

Упрочни-тель	Температу-ра плавления,  °С	Плотность, кг/м3	Предел прочности, Гн/м2	Удельная прочность, Мн•м/кг	Модуль упругости, Гн/м2	Удельный модуль упругости, Мн•м/кг
Al2O3	2050	3960	28*	7,1	500	126
AlN	2400	3300	15*	4,55	380	115
B4C	2450	2520	14*	5,55	480	190
SiC	2650	3218	24*	8,4	580	180
Si2N4	1900	3180	15*	4,72	495	155
C	3650	1700	21*	12,35	700	410

 

 

 В узлах конструкций, требующих наибольшего упрочнения, армирующие волокна располагаются по направлению приложенной нагрузки. Цилиндрические изделия и другие тела вращения (например, сосуды высокого давления) армируют волокнами, ориентируя их в продольном и поперечном направлениях. Увеличение прочности и надежности в работе цилиндрических корпусов, а также уменьшение их массы достигается внешним армированием узлов конструкций высокопрочными и высокомодульными

 волокнами, что позволяет  повысить в 1,5—2 раза удельную  конструктивную прочность по  сравнению с цельнометаллическими  корпусами. Упрочнение материалов волокнами из тугоплавких веществ значительно повышает их жаропрочность. Например, армирование никелевого сплава вольфрамовым волокном (проволокой) позволяет повысить его жаропрочность при 1100 °С в 2 раза [4].

Весьма перспективны КМ, армированные нитевидными кристаллами (усами) керамических, полимерных и др. материалов. Размеры усов обычно составляют от долей до нескольких мкм по диаметру и примерно 10—15 мм по длине.

   Разрабатываются КМ со специальными свойствами, например радиопрозрачные материалы и радиопоглощающие материалы, материалы для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов, с малым коэффициентом линейного термического расширения и высоким удельным модулем упругости и другие. Свойства КМ на основе алюминия и магния (прочность, модуль упругости, усталостная и длительная прочность) более чем в 2 раза (до 500 °С) выше, чем у обычных сплавов. К. м. на никелевой и кобальтовой основах увеличивают уровень рабочих температур от 1000 до 1200 °С, а на основе тугоплавких металлов и соединений — до 1500—2000 °          Повышение прочностных и упругих свойств материалов позволяет существенно облегчить конструкции, а увеличение рабочих температур этих материалов даёт возможность повысить мощность двигателей, машин и агрегатов [8].

    Области применения КМ многочисленны; кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной промышленности — для деталей двигателей и кузовов автомашин; в машиностроении — для корпусов и деталей машин; в горнорудной промышленности — для бурового инструмента, буровых машин и др.; в металлургической промышленности — в качестве огнеупорных материалов для футеровки печей, кожухов и другой арматуры печей, наконечников термопар; в строительстве — для пролётов мостов, опор мостовых ферм, панелей для высотных сборных сооружений и др.; в химической промышленности — для автоклавов, цистерн, аппаратов сернокислотного производства, ёмкостей для хранения и перевозки нефтепродуктов и др.; в текстильной промышленности — для деталей прядильных машин, ткацких станков и др.; в сельскохозяйственном машиностроении — для режущих частей плугов, дисковых косилок, деталей тракторов и др.; в бытовой технике — для деталей стиральных машин, рам гоночных велосипедов, деталей радиоаппаратуры и др [3].

    Применение КМ в ряде случаев потребует создания новых методов изготовления деталей и изменения принципов конструирования деталей и узлов конструкций.

    В волокнистых композиционных материалах волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в композите при действии внешних нагрузок, и обеспечивают прочность и жесткость композиции в направлении ориентации волокон. Матрица, заполняющая межволокнистое пространство, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счет собственной жесткости и взаимодействия, существующего на границе раздела матрица - волокно. Механические свойства волокнистого композиционного материала определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица-волокно[5].

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные и углеродные волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют

 равные  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.

 Повышение жаропрочности  никелевых сплавов достигается  армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. Перспективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др., имеющие = 15000¸28000 МПа и Е = 400¸600 ГПа[1].

     Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью и жаропрочностью, в то же время они мaлопластичны. 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.

     Рассмотрим зависимость  и  бороалюминевого композиционного материала от содержания борного волокна вдоль и поперек оси армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше ,  и  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[4].

     Основным недостатком композиционных материалов с одно и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого лишены материалы с объемным армированием.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Заключение

 

   В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр.

   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.

    Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачек в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов[2].

   Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов достаточно хорошо отработана.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

  

 

  1. Липатов, Ю. С. Композиционные материалы [ Текст] : Композиционные материалы:справочник/Ю.С.Липатов,Э.С.Уманский.:

Изд-во  «Наукова думка», 1985. -294 с.

   2. А. Т. Туманов, К. И. Портной. Волокнистые композиционные материалы [ Текст] : Волокнистые композиционные материалы, пер. с англ., М., 1967:  Туманов А. Т., Портной К. И.

   3. Любина Дж.Справочник по композиционным материалам [ Текст] :  Справочник по композиционным материалам:В 2-х кн.кн 1/ Под ред.Дж.Любина;Пер с англ.А.Б. Геллера,М.М. Гельмонта:Под ред.Б.Э. Геллера.-М.:Машиностроение,1988-448с.

   4. Браутмана, Л. Структура и свойства композиционных материалов [ Текст] : Структура и свойства композиционных материалов, М., 1979; Композиционные материалы, под ред. Л. Браутмана, Р. Крока, пер. с англ., т. 1-8, М., 1978

   5. Салибеков, С. Е. Композиционные материалы [ Текст] :

  Композиционные материалы, М., 1981; Салибеков С. Е., Строганова В. Ф.

    6. Арзамасова, Б.Н. Материаловедение [ Текст]: Материаловедение:учебник для вузов/Под ред. Б.Н Арзамасова.-М.:Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана,2005.-528с.

  7. Карпинос, Д. М. Композиционные материалы [ Текст] :

 Композиционные материалы. Справочник. - Киев, Наукова думка

   8. Ковалевская, Ж. Г. Основы материаловедения [ Текст] :

 Основы материаловедения.Конструкционные материалы:учебное пособие/Ж.Г. Ковалевская,В.П. Безбородов.-Томск:Изд-во Томского политехнического университета,2009,-110с.

 

 

Содержание

 

     Введение……………………………………………………….........................2

     1 Классификация  волокнистых композиционных материалов……………..3  

     2 Формирование  волокнистых композиционных материалов……………...4

     3Свойства  и применение волокнистых композиционных материалов…….9

     4 Заключение………………………………………………………………….16                  

     Список литературы…………………………………………………………...17