Реферат комп мет. Классификация композиционных материалов

• Название: Классификация композиционных материалов
• Дата: 05.12.2021
• Размер: 398.91 Kb.
• Имя файла: Реферат комп мет.docx
• Тип: Документы; #292130
• страница: 2 из 4

Материалы матриц волокнистых композитов. Матрица должна обеспечивать монолитность композита, фиксировать форму изде­лия и взаимное расположение армирующих волокон. Она обеспечи­вает равномерную нагрузку на армирующие волокна и перераспре­деление нагрузки в случае разрушения части волокон. Кроме того, материал матрицы определяет технологию изготовления изделий из композита. Таким образом, требования, предъявляемые к свойст­вам материала матриц, можно разделить на эксплуатационные и технологические.

К первым относятся механические, физические и химические свойства, которые определяют возможность эксплуатации компози­та в различных условиях. Прочность матрицы должна быть такой, чтобы обеспечить совместную работу всех армирующих элементов. При нагрузках, приложенных в направлениях, отличных от ориен­тации волокна, прочность композита определяется во многом, если не в основном, прочностью матрицы. Природа матрицы обусловли­вает также уровень рабочих температур и среду эксплуатации ком­позита.

В процессе операций изготовления композита должны быть обеспечены следующие условия:

• равномерное (без касания между собой) распределение воло­кон в матрице;

• достаточно прочная связь на границе раздела.

Для этого материал матрицы должен обеспечить хорошую смачиваемость волокна. Смачивание характеризуется растеканием жидкости по поверхности твердых тел. Если капля жидкости расте­кается по поверхности твердого тела, она его смачивает. Если же она принимает сферическую форму, например, капля ртути на стекле, жидкость обладает плохой смачивающей способностью.

Кроме того, желательно иметь невысокие значения параметров формообразования: температуру, давление, чтобы избежать измене­ния свойств или даже разрушения упрочняющей фазы, а также с целью снижения энергозатрат в процессе изготовления композита.

В качестве материала для изготовления матриц наибольшее при­менение нашли полимеры, углерод и металлы.

Для изготовления полимерных матриц используют термореактив­ные эпоксидные и полиэфирные смолы, а также целый ряд термо­пластичных пластмасс. Свойства полимерной матрицы достигаются в результате полимеризации и отверждения (для реактопластов), при этом материал матрицы должен иметь низкую усадку.

3.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы.

В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом,несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций.
Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100-500нм и равномерном распределении их в матрице.
Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5-10 об. %.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов иредкоземельных металлов), нерастворяющихся в матричном металле, позволяетсохранить высокую прочность материала до 0,9-0,95 Т [pic]. В связи с этимтакие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненныекомпозиционные материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.

Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – САП(спеченный алюминиевый порошок).

Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему покоррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкиестали при работе в интервале температур 250-500 °С. По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность для сплавов САП-1 и САП-2 при 500 °С составляет 45-55 МПа.

Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов.
Наиболее высокую жаропрочность имеют сплавы на основе никеля с 2-3 об. % двуоксида тория или двуоксида гафния. Матрица этих сплавов обычно твердыйраствор Ni + 20 % Cr, Ni + 15 % Mo, Ni + 20 % Cr и Mo. Широкое применениеполучили сплавы ВДУ-1 (никель, упрочненный двуокисью тория), ВДУ-2 (никель,упрочненный двуокисью гафния) и ВД-3 (матрица Ni +20 % Cr, упрочненная окисью тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительностивыдержки при данной температуре.

Структура дисперсно-упрочненного композиционного материа­ла представляет собой матрицу, в которой равномерно распределе­ны мелкодисперсные частицы второго компонента. Упрочнение та­ких материалов осуществляется за счет создания барьеров перемещению дислокаций, аналогично тому, как это происходит в металлических сплавах с дисперсионным твердением, например, в системе «Аl—Сu». Наиболее сильное торможение перемещению дислокаций достигается при использовании в качестве второй, уп­рочняющей фазы частиц химических соединений — карбидов, нит­ридов, боридов, оксидов, обладающих высокими значениями твер­дости, прочности, а также высокой химической устойчивостью.

Для эффективного торможения дислокаций суммарная поверх­ность дисперсных частиц должна быть максимальной, т. е. их раз­меры минимальными (но не менее 2÷10 нм, так как при меньших размерах частицы перерезаются движущимися дислокациями, а не задерживают их).

Наиболее распространенная технология получения дисперс­но-упрочненного композита — порошковая металлургия. Основны­ми технологическими процессами являются получение порошковых смесей, прессование порошков с последующим спеканием и пла­стическая деформация полученной массы. В процессе пластической деформации повышается плотность и уменьшается пористость ком­позита.

В промышленности нашли применение композиты с алюминие­вой, магниевой, титановой, никелевой, вольфрамовой и другими матрицами.

Композиты на основе алюминия типаСАП (спеченный алюми­ниевый порошок) нашли широкое применение, в частности, в авиационной промышленности. В этих композитах алюминиевая матрица упрочнена оксидными частицами А1₂О₃. Свойства компо­зита определяются количеством А1₂О₃. Так, предел прочности ком­позита САП-1 (6÷9 % А1₂О₃) составляет 300 МПа, а композита САП-3 (13÷18 % А1₂О₃) - 400 МПа.

При цеховой температуре механические свойства САПов ниже, чем у алюминиевых сплавов. Их основное преимущество достигает­ся при температурах свыше 300 °С, когда алюминиевые сплавы ра-зупрочняются. Так, при 500 °С предел прочности сплавов САП со­ставляет 80÷120 МПа, тогда как у сплавов Д19, Д20, АК-4 не превы­шает 5 МПа.

Композиты на основе бериллияпредназначены для длительной работы при высоких температурах. В качестве упрочнителя бериллиевой матрицы используют оксид или карбид бериллия — ВеО, Ве₂С. Наиболее эффективно сопротивление ползучести повышается для композитов системы Ве—Ве₂С. Так, при температуре 650 °С 100-часовая прочность композита выше прочности чистого берил­лия в 3 раза (40 и 14 МПа соответственно), а при температуре 730 °С — более, чем в 5 раз (25 и 4 МПа соответственно).

Композиты на основе магния.Незначительная растворимость ки­слорода в магнии дает возможность упрочнять его оксидами. Наи­больший эффект достигается при введении около 1 % оксида, при этом предел прочности достигает 300 МПа, тогда как предел проч­ности магния составляет 180 МПа. Композиты на основе магния обладают низкой плотностью, высокой длительной прочностью и высоким сопротивлением ползучести. Наиболее перспективно при­менение композита в авиации для изготовления деталей, от кото­рых требуется сочетание малой массы с повышенной прочностью.

Композиты на основе никеля и кобальтапредназначены для экс­плуатации при высоких температурах — свыше 1000 °С. Упрочне­ние достигается за счет введения оксидов тория или гафния в коли­честве 2÷4%. Матрицы этих композитов могут состоять из чистых металлов или сплавов на их основе. Так, в качестве матрицы нашел применение нихром (80 % Ni, 20 % Сr), а также сплав кобальта с цирконием (2 %). Композиты на основе нихрома обладают более высокой прочностью по сравнению с чисто никелевым композитом при температурах до 600÷800 °С. Легирование цирконием кобальто­вой матрицы приводит к повышению механических свойств во всем диапазоне температур, однако при этом заметно снижается пла­стичность материала. Основное применение композитов — авиаци­онная и космическая техника. 

3.3. Стекловолокниты.

Стекловолокниты – это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качественаполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствиевлияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатногосостава.

Неориентированные стекловолокниты содержат в качестве наполнителя короткое волокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы, сметаллической арматурой. Материал получается с изотопными прочностными характеристиками, намного более высокими, чем у пресс-порошков и дажеволокнитов. Представителями такого материала являются стекловолокниты АГ-4В, а также ДСВ (дозирующиеся стекловолокниты), которые применяют дляизготовления силовых электротехнических деталей, деталей машиностроения (золотники, уплотнения насосов и т. д.). При использовании в качествесвязующего непредельных полиэфиров получают премиксы ПСК (пастообразные) и препреги АП и ППМ (на основе стеклянного мата). Препреги можно применять для крупногабаритных изделий простых форм (кузова автомашин, лодки, корпусаприборов и т. п.).

Ориентированные стекловолокниты имеют наполнитель в виде длинных волокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями и тщательносклеивающихся связующим. Это обеспечивает более высокую прочность стеклопластика.

Стекловолокниты могут работать при температурах от –60 до 200 °С, атакже в тропических условиях, выдерживать большие инерционные перегрузки.
При старении в течение двух лет коэффициент старения К = 0,5-0,7.
Ионизирующие излучения мало влияют на их механические и электрические свойства. Из них изготовляют детали высокой прочности, с арматурой и резьбой.

3.4. Карбоволокниты.

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции,состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в видеуглеродных волокон (карбоволокон).

Высокая энергия связи С-С углеродных волокон позволяет им сохранить прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительнойсредах до 2200 °С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными покрытиями (пиролитическими). В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующим
(низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержаниюкарбоксильной группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6-2,5 раза. Применяется вискеризациянитевидных кристаллов TiO[pic], AlN и Si[pic]N[pic], что дает увеличениемежслойной жесткости в 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются пространственно армированные структуры.

Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты).

Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненные углероднойлентой, и КМУ-1у на жгуте, висскеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200 °С.

Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-2л получают наэпоксианилиноформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать притемпературе до 100 °С, они наиболее технологичны. Карбоволокниты КМУ-2 и
КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре до
300 °С.

Карбоволокниты отличаются высоким статистическим и динамическимсопротивлением усталости, сохраняют это свойство при нормальной и оченьнизкой температуре (высокая теплопроводность волокна предотвращаетсаморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химическистойкие. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения [pic] и Епочти не изменяются.

Теплопроводность углепластиков в 1,5-2 раза выше, чемтеплопроводность стеклопластиков. Они имеют следующие электрическиесвойства: [pic] = 0,0024-0,0034 Ом·см (вдоль волокон); ? = 10 и tg =0,001 (при частоте тока 10[pic] Гц).

Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклянныеволокна, что удешевляет материал.

3.5. Карбоволокниты с углеродной матриццей.

Коксованные материалы получают из обычных полимерныхкарбоволокнитов, подвергнутых пиролизу в инертной или восстановительнойатмосфере. При температуре 800-1500 °С образуются карбонизированные, при 2500-3000 °С графитированные карбоволокниты. Для получения пироуглеродныхматериалов упрочнитель выкладывается по форме изделия и помещается в печь,в которую пропускается газообразный углеводород (метан). При определенномрежиме (температуре 1100 °С и остаточном давлении 2660 Па) метанразлагается и образующийся пиролитический углерод осаждается на волокнахупрочнителя, связывая их.

Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет высокую прочностьсцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный материалобладает высокими механическими и абляционными свойствами, стойкостью ктермическому удару.

Карбоволокнит с углеродной матрицей типа КУП-ВМ по значениямпрочности и ударной вязкости в 5-10 раз превосходит специальные графиты;при нагреве в инертной атмосфере и вакууме он сохраняет прочность до 2200
°С, на воздухе окисляется при 450 °С и требует защитного покрытия.
Коэффициент трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другомувысок (0,35-0,45), а износ мал (0,7-1 мкм на тормажение).

3.6. Бороволокниты.

Бороволокниты представляют собой композиции из полимерногосвязующего и упрочнителя – борных волокон.

Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге исрезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости,теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борныхволокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела сматрицей.

Помимо непрерывного борного волокна применяют комплексныеборостеклониты, в которых несколько параллельных борных волокон оплетаютсястеклонитью, предающей формоустойчивость. Применение боростеклонитейоблегчает технологический процесс изготовления материала.

В качестве матриц для получения боровлокнитов используютмодифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты КМБ-1 и
КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200 °С; КМБ-3 и КМБ-3к не требуют высокого давления при переработке и могут работать притемпературе не свыше 100 °С; КМБ-2к работоспособен при 300 °С.

Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости, онистойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов.

3.7. Органоволокниты.

Органоволокниты представляют собой композиционные материалы,состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) в видесинтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительновысокими удельной прочностью и жесткостью, стабильны при действиизнакопеременных нагрузок и резкой смене температуры. Для синтетическихволокон потери прочности при текстильной переработке небольшие; онималочувствительны к повреждениям.

К органоволокнитах значения модуля упругости и температурныхкоэффициентов линейного расширения упрочнителя и связующего близки.
Происходит диффузия компонентов связующего в волокно и химическоевзаимодействие между ними. Структура материала бездефектна. Пористось непревышает 1-3 % (в других материалах 10-20 %). Отсюда стабильностьмеханических свойств органоволокнитов при резком перепаде температур,действии ударных и циклических нагрузок. Ударная вязкость высокая (400-700кДж/мІ). Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочностьпри сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).

Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влажномтропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводностьнизкая. Большинство органоволокнитов может длительно работать притемпературе 100-150 °С, а на основе полиимидного связующего иполиоксадиазольных волокон – при температуре 200-300 °С.

В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнамиприменяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна). Такиематериалы обладают большей прочностью и жесткостью.

К эксплуатационным параметрам композита относятся механические и физико-химические свойства матрицы, при которых система «волокно—матрица» обеспечивает стабильную совместную работу. Механические свойства матрицы должны обеспечивать стабильную работу всего композита при эксплуатации, так как прочность и жесткость являются определяющими при нагрузках в направлениях, отличных от направления армирующих элементов композита. Также учитываются переменные напряжения, действующие на композит и температуру при его работе. Известно, что высокая температура снижает все характеристики композита; из этого следует, что при выборе его составляющих компонентов должна учитываться их теплостойкость, а также их химическая стойкость.

К технологическим параметрам композита относятся все процессы получения изделия из него. Это процесс размещения волокон в матрице без касания между ними, прочные действия на границе «волокно—матрица» (хорошая адгезия) и т.д. Поэтому материал матрицы должен иметь следующие свойства: хорошая смачиваемость, возможность получения полуфабрикатов для получения изделий из них, хорошее соединение ее фаз при формовании композита, низкие параметры температуры и давления при обработке образцов и т.п.

Максимальные напряжения композита при эксплуатации появляются непосредственно или вблизи зоны раздела «волокно—матрица», поэтому уровень свойств композитов определяется свойствами границы раздела его компонентов. Это, в свою очередь, определяется адгезией на границе раздела компонентов композита. Значит, адгезия не должна меняться при эксплуатации композита в параметрах, для которых изделия из него рассчитаны. Ламинированные композиты состоят из двух и более слоев разных материалов, связанных вместе.

Ламинирование используется для объединения лучших свойств материалов, входящих в состав композита, таких как прочность, жесткость, малый вес, коррозия, стойкость, износостойкость, теплоизоляция, звукоизоляция и т.д.

К слоистым композитам относятся биметаллы, имеющие в составе два разных металла с очень разными коэффициентами линейного расширения α-слой, β-слой (рис. 3). При изменении температуры биметаллы деформируются, и эту деформацию можно точно определять, поэтому биметаллы используют для производства измерительных приборов. Например, алюминий и некоторые высокопрочные алюминиевые сплавы обладают низкой коррозионной стойкостью, поэтому высокопрочный алюминий, покрытый коррозионным алюминиевым сплавом, обладает одновременно высокими прочностью и коррозионной стойкостью. Можно называть слоистое стекло и ламинаты на основе пластиков как слоистые КМ.