Композиционные материалы

1.1. Основные  понятия

 

Композиционные материалы (КМ) - новейшая группа конструкционных  материалов, получаемых с использованием различных технологий КМ представляют собой гетерофазные системы, получаемые из двух или более компонентов  с сохранением индивидуальных свойств каждого отдельного компонента. Признаки КМ:

• состав и форма компонентов материала определены заранее;
• компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих заданные свойства материала;
• материал является однородным в макромасштабе (компоненты различаются по свойствам, между ними существует явная граница раздела).

Наиболее перспективные  композиционные материалы с полимерной матрицей (ПКМ) и металлической матрицей (МКМ). Свойства ПКМ и МКМ:

ПКМ – термопласты, реактопласты, эластомеры.

МКМ – бороалюминий, углеалюминий, с оксидными волокнами в матрице на основе никеля.

 

Литейные композиционные материалы (ЛКМ) - композиционные материалы  с металлической матрицей, получаемые литьем.

В зависимости от вида дисперсных частиц и механизма упрочнения ЛКМ могут быть:

1) дисперсионно-упрочненные      

2) упрочненные частицам      

3) армированные волокном       

 

1.2. Виды КМ  е машиностроении

Существует - три основных класса КМ по Браутману и Кроку:

1) дисперсионно-упрочненные      

2) упрочненные частицам      

3) армированные волокном       

Приведенная классификация построена  по признаку формы и размеров дисперсной или армирующей фазы, а также с  учетом механизма упрочнения композиции.

Усовершенствованная классификация  КМ

 

1. По расположению фаз:

- изотропные

- анизотропные

 

2. По геометрии фаз:

- дисперсноупрочненные  композиты и композиты, армированные  частицами;

- волокнистые композиты;

 

- слоистые композиционные  материалы.

 

3. По природе матрицы:

1. Металлические композиционные материалы или композиционные

материалы на основе металлов и сплавов

2. Композиционные материалы на основе интерметаллидов

3. Керамические  композиционные материалы

4. Композиционные материалы на основе неметаллических компонентов 

5. Композиционные  материалы с матрицей из полимеров

 

КМ можно получить жидкофазным и твердофазными методами. К жидкофазным методам относят

1) Пропитка; 2) направленная  кристаллизация сплавов   

 

К твердофазным:

Прессование; волочение; прокатка; ковка; штамповка; уплотнение взрывом; диффузная сварка 

 

1.3. КМ с полимерной матрицей

От полимерной матрицы  зависят следующие свойства ПКМ:

матрица определяет тепло-, влаго-, огне- и химстойкость ПКМ               

 

Полимерную матрицу  выбирают исходя из:

1) полимерную матрицу для ПКМ выбирают исходя из условий эксплуатации изделия  

2) технологических условий изготовления  изделия   

 

Полимерами, используемыми  в качестве матрицы для ПКМ. Являются

политетрафторэтилен, полиамид, полиэтилен, полиформальдегид              

 

К свойствам, зависящим  от полимерной матрицы, относятся

Температурное поведение,  ударная  прочность,  водо-  и  тмосферостойкость,  химическая стойкость,  механические  свойства  ПКМ  при  сжатии,  сдвиге  в  плоскости  сечения образца, межслоевой и ударной  прочности композита 

 

Армирующие компоненты ПКМ определяются свойствами, которые они должны придать КМ.

Для придания твердости  и износостойкости в полимерную матрицу вводят твердые вещества в виде частиц или волокон:

частицы карбидов, оксидов, нитридов; алюминиевую пудру      

 

Для снижения плотности, коэффициента трения, удешевления материала вводят

древесная мука, асбест, стекловолокно, хлопчатобумажные очесы, бумага и др           

 

Степень влияний армирующих компонентов на свойства П1Ш зависит  от ряда факторов:

от природы волокна, его структуры, степени кристалличности, определяемой величиной и характером надмолекулярных образований, равномерностью их распределения в волокне и степенью ориентации

 

К армирующим фазам для  ПКМ предъявляются следующие  требования:

1) размер частиц        

2) адгезионные свойства        

3) прочность        

4) коэффициент трения        

 

Армирующие материалы  могут быть по структуре;

1) волокнистые         

2) слоистые         

3) наполненные        

 

Природа наполнителя  ввиду важности этого компонента отражается в классификации и названиях ПКМ, например, стеклопластики с армирующей фазой на основе стекловолокна и стеклотканей:

•углепластики  с армирующей фазой на основе нитей углерода

•текстолиты армированные хлопковыми волокнами

• асбоготастики, гетинаксы слоистый прессованный материал, имеющий бумажную основу, пропитанную фенольной или эпоксидной смолой.
• органоволокниты с армирующей фазой на основе синтетических волокон - капрона, нитрона, найлона, лавсана    

•пресс-порошковые ПКМ  с аримрующей фазой на основе пресс-порошка – белая глина, полиэтилена и полипропилена, древесную муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна  

• боропластики содержат в кач-ве упрочняющего (армирующего) наполнителя борные волокнистые материалы

1.4. КМ с металлической матрицей

 

Свойства МКМ, отличающие их от ПКМ.

Теплостойкость, жесткость, высокая прочность при малых  сечениях                    

 

 

Свойства ЭКМ:

1) жаропрочность         

2) сопротивление ползучести        

 

Преимущества ЭКМ:

хорошее сопряжение матрицы с упрочняющей фазой и высокая термодинамическая стабильность структуры                      

Недостатки ЭКМ:

Анизотропия, разброс  прочности                        

Чаще всего используются следующие составы ЭКМ:

Ni-Ni₃Nb, Al-CuAl₂, Ta-Ta₂C                         

 

Основой эвтектических  композиций являются жаростойкие и  жаропрочные металлы:

Ni,Co,Cr,Al, Ti                    

 

Это в основном определяет и область применения ЭКМ в  машиностроении. Шире возможности МКМ, армированных частицами или волокнами. Эти материалы классифицируются в зависимости от матрицы и армирующей фазы.

В качестве матриц чаще всего  используются

Al, Ni, Co, Fe, Ta, Nb                          

 

Выбор матричного сплава в МКМ, как и в ПКМ, зависит  от технологических свойств, которые эта матрица придает материалу.

Наиболее перспективными в качестве армирующих элементов  для МКМ являются волокна

нитевидные кристаллы  из оксида и нитрида алюминия, карбида  и нитрида кремния, карбида бора  

 

Волокна в МКМ используются чаще всего для придания деталям повышенной прочности и жесткости.

 

1.5. Свойства различных композиционных материалов и их применение в машиностроении

Свойства и применение КМ с полимерной матрицей

 

№ п/п	ПКМ	Свойства	Применение
1	На основе полиэтилена	Обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн	В строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов
2	На основе фторопластов с порошками никеля	Снижение горючести	Строительстве, ответственные  конструкции для с высокой  огнестойкостью
3	Стеклопластики, на основе фторопластов	Повышенные износостойкость, прочность, твердость или упругость	Специзделий, электроизоляционной и конденсаторной пленок, электротехнических изделий и других изделий повышенной надежности
4	На основе формальдегидных  смол	Изностойкость, твердость, достаточная прочность	Строительство, изг бытовых  предметов
5	На основе поликарбоната дифлона СТН	Высокие электрические  свойства	Для изготовления диэлектриков, защитных пленок
6	На основе эпоксидных смол	Высокая прочность, низкая влагопроницаемость, высокая химстойкость	строительство
7	На основе фенольных смол	отличаются высокой  твердостью, тепло - и термостойкостью, совершенно не растворимы	в производстве высоковольтной изоляции, зубчатых колес, подшипников  с водяной смазкой, декоративных пластиков для облицовки столов и стен

 

Свойства и применение КМ с металлической матрицей

 

№п/п	МКМ	Состав	Свойства	Применение
1	На основе алюминия	оксид алюминия, армированный усами SiC; оксида алюминия, армированной нитевидными кристаллами А12О3 и SiC	механическая прочность, абразивостойкость, огнеупорность, химическая инертность	при производстве огнеупоров, в микроэлектронике
2	На основе магния и  его сплавов	MA2-1, МА5, МА8	хорошие удельные свойства, стабильный температурный коэффициент  линейного расширения в широком  диапазоне температур; легкость конструкции	в авиационной технике
3	На основе титана	титан, армированный волокнами  бора или карбида кремния	КМ с повышенной жесткостью и малой массой, Пониженная усталостная прочность	Жаропрочные материалы
4	На основе меди	Оксид меди армированной вольфрамовыми волокнами	Повышенные прочностные  и механические свойства	Строительство, авиастроение, электроника
5	На основе никеля		Малая плотность, повышенная температуро- и жаростойкость	Применение где требуется  повышенная жаропрочность

 

1.6. Основы технологии получения  и конструирования деталей из  композиционных материалов

 

Важнейшей технологической  особенностью производства КМ является то, что в них сочетаются и взаимодействуют самые разные материалы. По видам межфазного взаимодействия различают три класса КМ:

1) у которых волокна и матрица взаимно нерастворимы и не образуют химических соединений

2) у которых волокна и матрица образуют друг с другом твердые растворы и не образуют химических соединений

3) у которых волокна и матрица взаимодействуют с образованием химических соединений

 

Технология получения  деталей машин из КМ с металлической  матрицей аналогична приготовлению ПКМ, однако для каждой группы КМ с металлической матрицей имеются свои особенности в технологии. Например, для получения МКМ на основе алюминия применяют жидкофазные и твердофазные методы, а также метод охлаждения.

МКМ на основе магния - технологии пропитки, компрессионного литья и горячего изостатического прессования; МКМ на основе титана – метод литья 

 

Твердофазные процессы представляют собой.

Заключается в спекании волокон или нитевидных кристаллов с матрицей представляющую собой  порошки металлов       

 

Матрица в этом случае

Порошок металла        

 

Жидкофазные процессы представляют собой

заключаются в пропитке упрочняющих волокон или нитевидных кристаллов, расположенных в определенной последовательности или беспорядочно, расплавом материала матрицы

 

Матрица в этом случае

Расплав соответствующего металла    

 

Процессы охлаждения представляют собой.

 

 

 

1.7. Принципы и проблемы конструирования деталей из композиционных материалов

 

Важное место среди  основных требований, предъявляемых к современным конструкционным материалам, занимает обеспечение высокой прочности и надежности в работе при возможном снижение чувствительности к надрезам и дефектам.

Сочетание высокой прочности  с необходимой вязкостью и  нечувствительностью к трещинам достигается введением высокомодульных и высокопрочных веществ, например:

бора           

 

Конструирование машиностроительных деталей из КМ может происходить  двумя путями.

Если используется готовый  КМ с известными свойствами, то процесс  конструирования не отличается от обычного.

Если же для заданной детали требуется необычное сочетание  свойств или различные свойства, то КМ для такой детали может быть заранее рассчитан и затем  синтезирован. Первый путь - экономичнее, второй - позволяет решать задачи оптимального проектирования. Во втором случае разработка новых КМ проводится в два этапа.

На первом (расчетном) –

выбрать материалы матрицы  и волокон композита, оценить  энергоемкости изготовления возможных  вариантов проектируемого материала

 

На втором

Для спроектированного материала  рассчитать плотность, прочность, удельную прочность и энергоемкость изготовления 

 

Простому расчету поддается  ряд свойств КМ:

Длина волокон; плотность; модуль упругости; концентрация волокон 

 

Реальная величина этих свойств обычно находится между двумя крайними значениями, определяемыми из принципов равноупругого и равнонапряженного состояний матрицы и армирующих компонентов (частиц или волокон).

Верхний предел этих свойств, и в первую очередь модуля упругости, определяется по правилу смесей:

а) Концентрации обычно выражаются через объем, в виде объемных долей наполнителя, Vf, и