Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Uchebnoe_posobie_TPM.doc
Скачиваний:
455
Добавлен:
14.02.2015
Размер:
18.97 Mб
Скачать

5.4. Композиционные материалы (км)

Термин "композиционные материалы" (КМ), или "композиты", появился в середине ХХ века, когда потребовалось наиболее емкое название нового класса материалов, состоящих из армирующего компонента и связующего. Некоторые композиционные материалы зачастую называют армированными (АП), или наполненными пластиками.

Но это не говорит о том, что композиционные материалы не существовало ранее. Композиты существуют в природе, например дерево (лигнин упрочнен волокнами целлюлозы). Композиты изготавливаются и применяются человеком издавна: дома с каркасом из прутьев дерева и набитого саманом (глина с соломой), бетоны и др. В настоящее время композиционные материалы проявили себя с самых неожиданных сторон (сверхтекучесть, жаропрочность, радиационная стойкость, стойкость к термоциклированию и воздействию космического излучения и т.д.) и они получаются только искусственно. В настоящем разделе рассматриваются композиционные материалы, которые применяются в качестве конструкционных.

Композиционные материалы (КМ) представляют со­бой гетерофазные системы, состоящие из двух и более разнородных компонентов, имеющих границы раздела между ними и обладающие специфическими свойствами, отличными от суммарных свойств составляющих их компонентов. Компонент, непрерывный по всему объему материала, обеспечивающий его монолитность, называется матрицей или связующим. Компоненты, распределенные в матрице, называютсяармирующими или иногданаполнителями. Компоненты композитов не должны растворяться или иным способом поглощать друг друга и с этой точки зрения металлы с упрочняющей второй фазой, выделенной из матрицы (карбиды, нитриды, интерметаллиды), не являются композитами. Компоненты должны быть хорошо совместимы. Свойства КМ нельзя определить только по свойствам компонентов, без учета их взаимодействия.

По типу матрицы различают композиционные материалы на металлической, полимерной (органической и неорганической) и керамической основе. Матричный материал более вязкий и обеспечивает перераспределение действующей нагрузки по объему, защиту наполнителя от воздействия внешней окружающей среды, определяет электрические и теплофизические свойства, стойкость к старению, технологические и др. свойства композита.

Армирующие наполнители в композиционные материалы вводят с целью улучшения механических, теплофизических, электрических, магнитных и др. свойств. В качестве наполнителей используют твердые, жидкие и газообразные вещества органического и неорганического происхождения.

В зависимости от характера взаимодействия с материалом матрицы армирующие наполнители подразделяют на инертные и активные (упрочняющие). Механизм взаимодействия матрицы с армирущим материалом определяется химической природой этих материалов и состоянием поверхности армирующего наполнителя. Наибольший эффект усиления достигается при возникновении между армирующим материалом и материалом матрицы химических связей или значительного адгезионного взаимодействия. Армирующие наполнители, способные к такому взаимодействию с матрицей, называются активными. Инертными называются армирующие (наполнители), не способные к этому взаимодействию. Последние применяют для облегчения переработки или снижения стоимости изделий.

По виду и структуре армирующего материала композиты делятся на дисперсно-упрочненные, упрочненные волокнами, слоистые и га­зонаполненные (рис. 5.10).

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы с равномерно распределенным в объеме материала армирующим компонентом обладают изотропностью свойств, т.е. одинаковыми свойствами во всех направлениях (рис. 5.10,а).

Для создания материалов антифрикционного назначения широко используются слоистые твердые смазки MoS2,MoSe2,BN,CdO,CaF2, графит и др., а также жидкие наполнители, в качестве которых применяют минеральные масла.

Рис. 5.10. Схемы упрочнения композитов:

а - дисперсными наполнителями, б - дискретными волокнами, в - однонаправленными волокнами, г - хаотически распределенными волокнами,д -слоистыми наполнителями,е -объемно-армированными волокнами

В качестве волокнистых армирующих(рис.5.10, б, в, г, е) используют хлопковые и льняные очесы, стекловолокно, асбест, углеродное волокно. Все более широкое применение получают синтетические волокна, в частности, полиамидные и полиэфирные.

Пластмассы, содержащие синтетические волокна, характеризуются высокой коррозионной и химической стойкостью, малым коэффициентом трения и высокой износостойкостью, однако обладают низкой теплостойкостью.

Современные композиционные материалы содержат в качестве армирующих материалов угольные и графитовые волокна, волокна бора и др.

Упрочненные волокнами материалы анизотропны, кроме случая хаотического расположения волокон. Упрочняющий эффект при наполнении волокнами диаметром 3 ... 12 мкм сказывается уже при их длине, равной 2 ... 4 мм, благодаря взаимному переплетению и снижению напряжений в связующем. С увеличением длины волокон увеличиваются прочность и ударная вязкость. В свою очередь, упрочняющие волокна в композитах могут быть дискретными и непрерывными, а непрерывные волокна могут быть однонаправленными или направленными в разные стороны.

Из слоистых армирующих применяются: бумага (для получения гетинакса); хлопчатобумажная ткань, стеклоткань, асботкань, углеграфитная ткань (в различного рода текстолитах); древесный шпон (в древопластиках). Слоистые (двухмерно-армированные) композиты представляют собой набор слоев из одинаковых или разных армирующих материалов, пропитанных связующим (рис.5.10,д).

Слоистые материалы отличаются анизотропией свойств - имеют высокую прочность при растяжении вдоль слоев армирующего наполнителя и низкую в перпендикулярном направлении. Этот недостаток отсутствует у объемно-тканых или трехмерно-армированных материалов (рис. 5.10,е).

При создании поро- и пенопластов используют газообразные наполнители(углекислый газ, азот, воздух и инертные газы).

Различные сочетания матричного материала и наполнителя позволяют получать гибридные композиты с широким диапазоном характеристик, чего невозможно достичь на металлах и сплавах. Композиты выгодно отличаются от металлических сплавов своими удельными характеристиками: удельной прочностью В/ и удельным модулем упругости Е/.

Композиты с полимерной матрицей обеспечивают работоспособность изделий при температурах до 200 °С; металлокомпозиты на основе алюминия и магния, армированные углеродными, борными и другими волокнами - до 400 ... 500 °С. Более высокие допустимые температуры имеют композиты на основе титана и никеля. Керамические композиты на основе карбидов или нитридов кремния могут работать при температурах до 2000 °С.

Особенностью композитов является удачное сочетание высокой прочности с низкой плотностью и высокой химической стойкостью. Однако и эта прочность далека от теоретической, так как в кристаллических материалах имеется большое количество дефектов - дислокаций, микротрещин. Дефектность упрочняющих волокон зависит от их диаметра. Чем тоньше волокно, тем меньше его дефектность. В связи с этим, высокопрочные композиты армируют волокнами из бора, углерода, оксида алюминия, карбида кремния диаметром 3 ... 12 мкм. Широкий спектр материалов матрицы и армирующих волокон позволяет создавать материалы с заданными свойствами.

Технология получения материалов зависит от типа матрицы. Материалы на основе полимерных матриц получают путем полимеризации, отверждения или спекания пропитанных этим связующим армирующих волокон. При использовании металлической матрицы волокна погружают в жидкий металл. При создании таких материалов возможна ориентация упрочняющих волокон в оптимальном направлении с учетом действующих нагрузок в реальной конструкции.

В настоящее время широкое применение получили стеклопластики, на смену которым приходят органопластики, в которых используют армирующие арамидные волокна, в частности, кевлар. Эти волокна при плотности 1500 кг/м3и временном сопротивлении 4000 ... 5000 МПа, способны поглощать вибрации и ударные нагрузки. Из таких материалов изготавливают различные элементы конструкций в авиационной и космической технике, в судостроении.

Весьма перспективны углепластики, отличающиеся высокой радиационной стойкостью, тепло- и морозостойкостью, термостойкостью, термостабильностью свойств и геометрических размеров, высокой усталостной прочностью (в 1,5 ... 2 раза выше стали, и в 8 ... 9 раз - алюминия). Применение углепластиков позволяет увеличить эксплуатационный ресурс в 1,5 ... 2 раза, снизить массу конструкции на 20 ... 25% и трудоемкость производства изделий.

Углерод-углеродные композиты выдерживают температуру до 2500 °С, однако они хрупкие. Высокую термостойкость, жесткость, прочность, но и хрупкость имеют композиты на основе керамики. В качестве матрицы в керамических композитах используют оксиды алюминия, магния, циркония, нитриды бора и алюминия; упрочняющей фазой служат короткие волокна - усы и длинные термостойкие волокна. Такие материалы перспективны в авиации, ракетной технике, автомобилестроении, энергетике.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]