31.Понятие о композиционных материалах. Классификация композиционных материалов по типу упрочнителей. Понятие о матрице (основе) и армирующем элементе (упрочнителе).

Понятие композиционного материала должно удовлетворять следующим требованиям:

Композиция должна представлять собой объемное сочетание хотя бы двух химически разнородных материалов с четкой границей раздела между этими компонентами и характеризоваться свойствами, которых не имеет ни один из ее компонентов в отдельности. Композицию получают путем введения в основной материал(матрицу) определенного количества другого материала для получения специальных свойств.

Размер частиц компонентов может колебаться от нескольких сотых микрона до нескольких миллиметров и даже больше. Как правило процесс получения композиционного материала технологически совмещен с процессом получения изделия. Физико-химические свойства композиционного материала могут меняться в широких пределах в зависимости от концентрации компонентов их геометрических параметров, ориентации, а также технологии изготовления.

Классификация композиционных материалов

Сравнительно пластичный компонент основы, непрерывный в объеме композиционного материала, называется матрицей. Более прочный, прерывистый компонент называется армирующим элементом. В зависимости от геометрии армирующего элемента и их взаимного расположения, свойства композиционного материала м/б изотропными и анизотропными.

Матрица связывает композицию в монолит, придает ей форму и служит для передачи внешних нагрузок армирующим элементам. Ведущую роль в упрочнении композиционного материала играют армирующие элементы, которые часто называют упрочнителями . Как правило это материалы с высокой прочностью и модулем упругости. По геометрии армирующего элемента композиционные материалы подразделяют на дискретно-упрочненные, волокнистые, слоистые.

Дискретно- упрочненные композиционные материалы (ДУКМ)

Вводят мелкие, равномерно распределенные, тугоплавкие частицы карбидов , оксидов, нитридов, не взаимодействующих с матрицей и не расплавляющиеся в ней вплоть до

,,.

L- Размер композита; ,,- размеры армирующего элемента в трех направлениях.

Чем меньше частицы, наполнителя, чем меньше расстояние между ними, тем прочнее композиционные материалы. Основным, несущим элементом является матрица. Ансамбль дисперсных частиц наполнителя упрочняет материал за счет сопротивления движению дислокаций при нагружении, что образует пластичную деформацию. Эффект сопротивления движению дислокаций создается вплоть до матрицы, поэтому ДУКМ характеризуются высокой жаропрочностью к сопротивлениям ползучести, наиболее часто применяют ДУКМ на Al, Ni, основе.

Волокнистые композиционные материалы (ВКМ).

Арматурой в ВКМ могут быть волокна различной формы(ленты, стержни).

Армирование материала осуществляется по однослойной 2-хслойной,, 3-хслойной схеме.

,,.

Прочность, жесткость таких композиционных материалов определяется свойствами волокон, воспринимающих остаточную нагрузку. Такое армирование дает большой прирост прочности.

Для изготовления композиционных материалов, применяемых до Т=200С используют полимерные матрицы. К таким композитам относят стекло ; пластики, армированные короткими стеклянными волокнами в матрице из полиэфирной смолы. Для работы в условиях более высоких температур применяют Металлические матрицы обычно это металлы с малой плотностью.

Для армирования металлических композитов используют неметаллические волокна (С,В, карбиды, оксиды, Al,нитриды).

Слоистые композиционные материалы (СКМ).

Набираются из чередующихся слоев и наполнителей и матричного материала.

,,.

Слои наполнителей таких СКМ могут иметь различную ориентацию . Возможно поочередное использование различных наполнителей из разных материалов с различными свойствами. Для СКМ используют неметаллические материалы, в качестве основы материала используется пластмасса, керамика, в качестве наполнителя ленты из ткани, полимерные волокна.

Вопрос №32

Жидкофазные методы получения композиционных материалов : направленная кристаллизация, пропитка волокон полимером или жидким металлом. Сущность, схемы методов, назначение, преимущества и недостатки.

Изготовление композиционных материалов.

Все методы изготовления композиционных материалов относят преимущественно к двум группам: Жидкофазные и твердофазные методы.

К жидкофазным методам относят пропитку арматуры полимером или жидким металлом и направленную кристаллизацию. К твердофазным методам относят прессование , прокатку, ковку, волочение, сварку взрывом и диффузионную сварку.

Получение композиционных материалов жидкофазными методами.

Выбор метода получения композиционного материала основан на анализе межфазного взаимодействия компонентов, их химической и механической совместимости. Химическая совместимость-это способность элементов в процессе эксплуатации не образовывать хрупких химических соединений, которые разрушаются под действием внешней нагрузки Ме в композиционных мат-х могут образовывать твердые растворы, технические смеси или хрупкие химические соединения. Если в зоне в зоне соединения компонентов композитного материала не образуется хрупких соединений, а формируется пластичный, переходный слой, такой композит обладает хорошими эксплуатационными свойствами.

Из жидкофазных методов широко распространена непрерывная пропитка волокон расплавленным металлом или термореактивными смолами с формированием профиля протягиванием через фильеру.

1. исходное армирующее волокно.

2. ванна с термореактивной смолой.

3, 5, 7 – формирующие фильеры.

4. печь

6. охладитель.

8 . тянущее устройство.

9. устройство для резки композита на мерные заготовки.

Вопрос №33

Твердофазные ( прокатка , прессование, взрывное компактирование) методы получения композиционных материалов. Получение эвтектических композиционных материалов. Сущность, схемы методов, назначение, преимущества и недостатки.

В твердофазных методах получения композитов материал матрицы может иметь вид порошка, фольги, волокна, может быть дискретным в виде ткани. Для получения композитов используют высокопроизводительные методы ОМД.

Волокна могут быть аморфной( стекловолокна или кремниевые) композиционной (борные), кристаллической (углеродные) основой.

В качестве металлической матрицы используют сплавы Al, Cu,Mn,Co керамической матрицей могут быть оксиды Si,Ti. Основой полимерной матрицы являются термореактивные смолы. Для двухкомпонентных композиционных материалов с непрерывными волокнами прочность композита определяют по условию аддитивности.

,- Коэффициенты зависящие от условия работы волокна и матрицы.

-предел прочности волокна

-объемная доля волокна

- приведенная прочность матрицы (прочность матрицы на момент разрушения волокна).

Применение в композиционных материалах дискретных волокон требуют создание условий при которых волокна не вытягиваются из матрицы, а воспринимают нагрузку.

Прочное сцепление волокна и матрицы определяется длиной волокна, которая должна быть больше кристаллического значения.

и - предел прочности и диаметр волокна.

Получение эвтектических композитных материалов (ЭКМ)

ЭКМ- называют материалы, полученные кристаллизацией сплавов, эвтектического состава, в которых армирующий фазой служат ориентированные волокна или пластинчатые кристаллы, образованные в процессе направленной кристаллизации. Направленную кристаллизацию осуществляют перемещением расплава в зону охлаждения с постоянным температурным градиентом, при этом создается плоский фронт кристаллизации. Если объемная доля армирующей фазы меньше 12% образуется волокнистая структура, если 32% то пластическая, а между смешанная. С ростом объемной доли прочность композита аддитивно повышается. Эвтектические композиты изготавливают на основе Al,Ni,Co. Высокопрочные эвтектические композиты имеют совершенную структуру, стабильную до температуры плавления эвтектики.

Их применяют для изготовления высокопрочных электрических проводов, лопаток, крепежа выключателя.

Вопрос № 34

Методы получения дисперсно-упрочненных и слоистых композиционных материалов. Сущность, схемы методов, назначение, преимущества и недостатки.

Изготовление дисперсно-упрочненных композиционных материалов.

Дисперсно-упрочненные композиты относятся к классу порошковых материалов. Упрочняющей фазой является высокопрочные дисперсные частицы( оксиды, карбиды, нитриды) размером не более 0,1 микрона объемной доле до 15%.

Методы получения:

1) Поверхностное окисление металла упрочнителя осуществляется при распылении металла в контролируемой окислительной атмосфере.

2) внутреннее окисление заключается в контролируемом окислении порошков низколигированных твердых растворов. Окисляется компонент имеющий большее сродство к кислороду.

Процесс идет при температуре обеспечивающей достаточную скорость к диффузии Кислорода. Средний размер частиц упрочняющей фазы 0,01…0,02 микрона.

3)Смешиванием получают порошковые материалы, содержащие матричные и дисперсные упрочняющие частицы. Эти смеси подвергают прессованию или прокатке для уплотнения и получения формы. Дисперсные упрочненные композиты применяют как правило для изготовления изделий, работающих в условиях повышенных температур.

Изготовление слоистых композитов

СКМ изготавливают прессование, волочением, центробежным литьем, сваркой взрывом, диффузионной сваркой, пайкой исходных компонентов. Соединение компонентов по большой поверхности контакта при твердо-фазных методах требует определенного давления, температуры, выдержки для протекания диффузионных процессов. При жидкофазном методе хорошей смачивакмости. Для соединения компонентов необходима тщательная очистка поверхности от оксидов, масел и других загрязнителей. Слоистые композиты применяют для изготовления биметаллического инструмента высокопрочных и коррозионно-стойких конструкционных материалов.