книги / Новые материалы и технологии.-1
.pdfВПП. Разработка УУКМ собственно и ставила своей задачей создание нового углеродного материала, намного превосходя щего по свойствам известные углеграфиты. УУКМ пришел на смену углеграфитовым материалам в ракетной и космической технике. Он является перспективным материалом и для другой техники, работающей в самых различных отраслях. Для изделий народно-хозяйственного применения УУКМ используют огра ниченно, из-за сложной, длительной и дорогой технологии. На зовем некоторые области, где УУКМ уже нашел применение:
•авиастроение (тормозные диски шасси, элементы со пел и др.);
•ракетостроение (элементы соплового блока, элементы теплозащиты);
•возвращаемые космические аппараты (элементы теп ловой защиты носовой части, крыльев, нижней части фюзе ляжа и др.);
•металлургия (пресс-формы для тугоплавких металлов, штампы для титановых деталей, ковши);
•машиностроение (подшипники скольжения, нагревате ли, тепловые экраны и др.);
•химическая и нефтехимическая отрасли (детали насосов, подшипники скольжения, трубы, соединительные элементы);
•ядерная энергетика (элементы конструкций ядерных ус тановок);
•медицина (протезы суставов и костей, крепежные эле менты, пластинки).
8. Керамические композиционные материалы
Керамические КМ представляют собой такие композиты, в которых матрица из керамики, а армирующая составляющая из металлических или неметаллических наполнителей. Сама ке рамика - это обширный класс тугоплавких неорганических ма териалов. Ее свойства отличаются от свойств металлов и поли мерных композитов. Для ККМ характерны высокая температура плавления, твердость, прочность при сжатии и ее сохранение даже при высоких температурах, стойкость к окислению. Новые виды керамики на основе оксидов алюминия, тория, бериллия, циркония, ванадия, магния нашли применение в технике, рабо тающей в экстремальных условиях. Температура плавления этих керамик находится в пределах 2000...3000 °С. Наряду с туго плавкостью керамика обладает высокой прочностью при растя жении, ударной вязкостью, стойкостью к вибрациям и термоударам.
В большинстве ККМ керамическая матрица сочетается с металлическими армирующими элементами в виде порошка. Называют такие композиты керметами, они содержат более 50 % тугоплавкого компонента. Используют также армирующие волокна из разных материалов: металлов, углерода, керамикиЭти волокна располагаются как направленно, так и хаотично. В основном применяют керамические оксидные и карбидокрем ниевые волокна. Первые имеют ряд ценных свойств: хорошие физико-механические характеристики, термо- и износостой кость, коррозиестойкость, сравнительно малый вес. Основным их недостатком является хрупкость, Кроме того, стоимость их довольно высокая. Карбидокремниевые волокна по физикР-
механическим свойствам аналогичны борным волокнам, но от личаются от них высокой термоокислительной стойкостью. Так, при температуре около 1400 °С они теряют лишь 30 % от ис ходной прочности, в то время как борные волокна разрушаются от термоокисления уже при 650 °С. Карбидокремниевые волок на эластичны (во™ ~ 1,5 %), а.значит, и более технологичны. В табл. 8 приведены их механические характеристики.
Таблица 8
Механические характеристики керамических волокон
Тип |
Плот |
Прочность |
Модуль |
Температура |
|
ность, |
на растяже |
упругости, |
эксплуатации, |
||
волокон |
|||||
г/см3 |
ние, МПа |
ГПа |
°С |
||
Керамические |
|||||
|
|
|
|
||
оксидные |
3...4 |
1500...2000 |
250...300 |
1000... 1400 |
|
Карбидокрем |
|
2500...3000 |
350...400 |
|
|
ниевые |
2,8...3,4 |
1000... 1300 |
Для получения армированных ККМ пользуются преиму щественно методами порошковой металлургии. Применяют также гидростатический, изостатический методы, горячее прес сование, литье (шликерное, центробежное, вакуумное).
Особенности технологии получения ККМ:
•так как керамика тугоплавка, то имеют место большие энергозатраты;
•при обычной температуре керамика не пластична, это ограничивает применение методов переработки;
•так как керамика тверда, она плохо поддается механиче ской обработке резанием.
В основном изделия получают методами высокотемпера турного прессования из порошкового сырья. Фасонные изделия стараются получить уже готовые, с заданной формой и размера ми. Прочность и плотность изделий тем выше, чем меньше раз мер частиц и чем более они упорядочены по форме. В зависимо сти от способа формования по-разному приготовляют массу,
ввиде:
•гранул (при механическом прессовании);
•шликера - жидкоподвижной массы (при формовании изделия литьем);
•пластической массы (при формовании протяжкой или прокаткой).
При изготовлении ККМ применяют порошки различных
размеров:
•тонкие - 10...40 мкм;
•средние-400... 1500 мкм;
•грубые - 1500...500 мкм.
Технологический процесс порошковых ККМ включает
всебя:
•получение порошков (железа, никеля, вольфрама, мо либдена);
•приготовление смеси компонентов;
•формование (прессование с прогревом);
•спекание заготовок под давлением;
•окончательную доработку (термообработку, доводку, калибровку).
На рис. 27 показана схема прессования ККМ.
Рассмотрим еще один метод |
|
|
|
|
|
|||
формования |
- изостатический. |
|
|
|
|
|
||
Смесь компонентов помещают в |
|
|
|
|
|
|||
эластичную |
оболочку и |
прикла |
|
|
|
|
|
|
дывают к ней равномерно гидро |
|
|
|
|
|
|||
статическое |
давление. |
Процесс |
|
|
|
|
|
|
осуществляют в гидростатах при |
|
|
|
|
|
|||
давлении 10... 12 МПа. |
|
Рис. |
27. |
Схема |
прессования |
|||
При мундштучном |
формо |
изделия из ККМ: 1 - пуан |
||||||
сон; |
2, |
5 |
- |
нагреватели; |
||||
|
|
|
||||||
вании вязкопластичную смесь по 3 - матрица; |
4 - |
изделие из |
рошков продавливают через ККМ; б - выталкиватель
длинную фильеру с профильным отверстием и с подогревом. Так получают трубки, прутки, уголки и другие изделия большой длины. После формования проводят окончательное спекание.
|
Следующий способ формо |
|
||||
вания - прокатка. Исходное сы |
|
|||||
рье помещают в загрузочный бун |
|
|||||
кер и затем прокатывают между |
|
|||||
валками, |
обеспечивая |
при |
этом |
|
||
прогрев |
и давление. Окончатель |
|
||||
ное |
спекание осуществляют от |
|
||||
дельно. Схема формования ККМ |
|
|||||
прокаткой показана на рис. 28. |
|
|||||
|
Металлокерамические |
ком |
|
|||
позиты используют как конструк |
|
|||||
ционный материал при производ |
Рис. 28. Схема прокатки за |
|||||
стве |
автомобилей, |
тракторов, |
готовки ККМ: / - загрузоч |
|||
станков, |
сельхозмашин, электро |
ный бункер; 2 - компоненты |
||||
сырья; 3 - прокатные валы; |
||||||
машин и приборов. Из ККМ для |
||||||
4 - получаемая заготовка |
них делают различные типовые детали: шестерни, кулачки, на кладки, шайбы, колпачки, заглушки, храповики, фланцы и т.д. Из ККМ изготовляют также элементы теплозащиты (используя ком позицию SiOî - В) для возвращаемых космических аппаратов ти па «Шатл».
9. Гибридные композиционные материалы
Казалось бы, разнообразие рассмотренных здесь компози тов сможет полностью удовлетворить потребности конструкто ра при разработке изделий из КМ. Однако при решении задачи рационального проектирования возникает потребность в ис пользовании в одной конструкции сразу нескольких материалов, существенно отличающихся по свойствам, но в конструкции дополняющих друг друга.
Гибридными композитами называются материалы, содер жащие в своем составе три и более основных компонента, регу лирующие свойства композита. Другими словами, это компози ты, в которых два или более вида армирующих волокон, либо два или более вида связующих, либо то и другое одновременно. При этом возможны различные варианты сочетаний компонен тов и их размещения в структуре КМ (рис. 29), например:
• волокна одного вида идут по основе ткани, а волокна
другого - по утку;
•один слой намотки или выкладки выполнен волокнами одного вида, другой - волокнами другого вида;
•один слой намотан с применением одного связующего» другой - с применением другого связующего;
Существует несколько поводов для применения гибрид ных композитов:
•компенсация некоторых недостатков волокон первого типа (например, органоволокна слабо «работают» на сжатие, поэтому добавка к ним некоторого количества углеродных во локон увеличит прочность КМ);
•выраженность характера нагрузок и напряжений в из делии по видам и направлениям (растяжение, сжатие, кручение, осевое, кольцевое и т.п.);
•стремление снизить цену получаемого композита (на пример, наряду с дорогостоящими волокнами СВМ можно час тично использовать дешевые стекловолокна, если это не будет в ущерб несущей способности изделия).
Рис. 29. Варианты гибридных структур: 1 , 3 , 5 - стеклянная нить; 2 - борная нить; 4 , 6 - углеродная нить; 7 - связующее
Гибридизация оказывает большое влияние на модуль уп ругости, на прочность при сжатии, ударную вязкость, теплофи зические характеристики и др. Уровень этих свойств определя ется содержанием каждого типа волокон и их общего количест ва по отношению к связующему. Следует заметить, что механи ка гибридных композитов значительно сложнее, чем негиб ридных.
Наглядным примером эффективного применения гибрид ного композита является параболическая конструкция космиче-
ской антенны. Такая антенна должна обладать минимальным коэффициентом линейного термического расширения а с усло вием его постоянства в широком интервале температур. Эта проблема решена за счет применения органоуглепластикового гибридного композита. Каждый из компонентов: углепластик и органопластик - имеет свои теплофизические зависимости, су щественно отличающиеся от аналогичных зависимостей другого компонента. Но после объединения в один композит теплофизи ческие параметры компонентов усредняются и получается зна чение а, минимальное по величине и постоянное в заданном ин тервале температур (рис. 30).
Рис. 30. Зависимость коэффициента линейного тер мического расширения от температуры для трех КПМ: 1 - углепластик; 2 - органоуглепластик; 3 - ор ганопластик
Другой пример: гибридный композит, содержащий 20 %
углеродных волокон и 80 % стекловолокна (от общего объема армирующих компонентов), обладает прочностью, равной 75 % от прочности углепластика, а его стоимость составляет 30 % от
6.8
стоимости углепластика. Другими словами, небольшая добавка к стеклопластику углеродных волокон значительно повышает прочность композита, не увеличивая существенно его цену.
Таким образом, возможность варьирования свойств гиб ридных композитов (возможность конструирования) в доста точно широком диапазоне путем изменения комбинаций арми рующих волокон и их соотношения делает эти материалы весь ма перспективными для использования в различных областях техники.
Список рекомендуемой литературы
1.Бочкарев, С.В. Технология производства полимерных композиционных материалов и конструкций на их основе учеб, пособие / С.В. Бочкарев; Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 1999.-204 с.
2.Аношкин, А.Н. Теория и технология намотки конст
рукций из полимерных композиционных материалов учеб,
пособие / А.Н. Аношкин; Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь,
2003.-118 с.
3.Буланов, И.М. Технология ракетных и аэрокосмиче ских конструкций из композиционных материалов / И.М. Бу ланов, В.В. Воробей. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998.-516 с.
4.Соколкин, Ю.В. Технология и проектирование углеродуглеродных композитов и конструкций / Ю.В. Соколкин [и др.].
-М.: Наука; Физматлит, 1996. - 240 с.
Олейник Борис Дмитриевич
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
Учебное пособие
Редактор и корректор Н.Г Важенина
Лицензия ЛР № 020370
Подписано в печать 25.08.06. Формат 60x90/16. Набор компьютерный. Уел. печ. л. 4,37. Уч.-изд. л. 3,00. Тираж 120 экз. Заказ № 114.
Издательство Пермского государственного технического университета
Адрес: 614000, Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел. (342) 2-198-033