Реферат комп мет. Классификация композиционных материалов
 Скачать 398.91 Kb.
|
|
Тоже записать это как пример (надо убрать описание КМ, которое было в предыдущих абзацах) Снижение веса и увеличения полезной нагрузки является первоочередной задачей проектирования космического летательного аппарата. Многие достижения в области создания тонкостенных оболочек обязаны своим происхождением этому требованию. Типичными примерами такой конструкции являются жидкостная ракета-носитель «Атлас» и конструкция твердотопливной ракеты. Для «Атласа» была создана специальная монококовая оболочка с наддувом. Ракета с двигателем на твердом топливе, получается, посредством наматывания на оправку, имеющую форму твердотопливного заряда, стеклянной нити и пропитки намотанного слоя специальной смолой, которая отверждается после вулканизации. При такой технологии получается сразу и несущая оболочка летательного аппарата, и ракетный двигатель с соплом. В ракетно-космической технике успешно применяются легкие сосуды и емкости, изготовленные из полимерных композиционных материалов и работающие под давлением, а также созданы и эксплуатируются топливные баки, шары-баллоны, корпусы ракетных двигателей, силовые конструкции ракет, аккумуляторы давления, дыхательные баллоны для летчиков и космонавтов [2]. Композиционные материалы с металлической матрицей. При создании композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и т.д. Наполнителем служат или высокопрочные волокна, или тугоплавкие, не растворяющиеся в основном металле частицы различной дисперсности. Свойства дисперсно-упрочненных металлических композитов изотропны – одинаковы во всех направлениях. Добавление 5–10 % армирующих наполнителей (тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов) приводит к повышению сопротивляемости матрицы нагрузкам. Эффект увеличения прочности сравнительно невелик, однако ценно увеличение жаропрочности композита по сравнению с исходной матрицей. Так, введение в жаропрочный хромоникелевый сплав тонкодисперсных порошков оксида тория или оксида циркония позволяет увеличить температуру, при которой изделия из этого сплава способны к длительной работе, с 1 000 до 1 200 °С. Дисперсно-упрочненные металлические композиты получают, вводя порошок наполнителя в расплавленный металл, или методами порошковой металлургии [3]. Армирование металлов волокнами, нитевидными кристаллами, проволокой значительно повышает как прочность, так и жаростойкость металла. Например, сплавы алюминия, армированные волокнами бора, можно эксплуатировать при температурах до 450–500 °С, вместо 250–300 °С. Применяют оксидные, боридные, карбидные, нитридные металлические наполнители, углеродные волокна. Керамические и оксидные волокна из-за своей хрупкости не допускают пластическую деформацию материала, что создает значительные технологические трудности при изготовлении изделий, тогда как использование более пластичных металлических наполнителей позволяет переформование. Получают такие композиты пропитыванием пучков волокон расплавами металлов, электроосаждением, смешением с порошком металла и последующим спеканием и т. д. [1]. В 1970-х появились первые материалы, армированные нитевидными монокристаллами («усами»). Нитевидные кристаллы получают, протягивая расплав через фильеры. Используются «усы» оксида алюминия, оксида бериллия, карбидов бора и кремния, нитридов алюминия и кремния и т.д. длиной 0,3–15 мм и диаметром 1–30 мкм. Армирование «усами» позволяет значительно увеличить прочность материала и повысить его жаростойкость. Например, предел текучести композита из серебра, содержащего 24 % «усов» оксида алюминия, в 30 раз превышает предел текучести серебра и в 2 раза – других композиционных материалов на основе серебра. Армирование «усами» оксида алюминия материалов на основе вольфрама и молибдена вдвое увеличило их прочность при температуре 1 650 °С, что позволяет использовать эти материалы для изготовления сопел ракет [4]. Современная ракетно-космическая техника двойного назначения немыслима без полимерных композиционных материалов. При разработке средств исследования космического пространства требуются новые материалы, которые должны выдерживать нагрузки космических полетов (высокие температуры и давление, вибрационные нагрузки на этапе выведения, низкие температуры космического пространства, глубокий вакуум, радиационное воздействие, воздействие микрочастиц и т. д.), имея при этом достаточно низкую массу. Многие из таких материалов легче и прочнее наиболее подходящих по своим физическим свойствам металлических (алюминиевых и титановых) сплавов. Применение композиционных материалов позволяет снизить вес изделия (ракеты, космического корабля) на 10…50 % в зависимости от типа конструкции и, соответственно, сократить расход топлива, повысив при этом надежность. Таким образом, проанализировав вышесказанную информацию, можно сделать вывод о том, что применение композиционных материалов с металлической матрицей позволяет нам в будущем уменьшить массу ракеты на 10–50 % и тем самым увеличить массу полезной нагрузки на 10–30 %, а применение армирования «усами» из оксида алюминия на основе вольфрама и молибдена, позволяет увеличить прочность в два раза. https://cyberleninka.ru/article/n/perspektivy-primeneniya-kompozitsionnyh-materialov-v-raketostroeniii В настоящее время применение композиционных материалов постоянно растёт, особенно последние десять лет. Современные композиционные материалы могут существенно снизить вес и увеличить прочность, но в то же время они сложнее для "предсказания" поведения их по сравнению, например, с алюминием, также представляется более трудной проверка на различные трещины и прочие скрытые дефекты. Это накладывает особые требования в области применения данных материалов на турбоустановках и других силовых агрегатах. В стадии разработки сейчас находятся так называемые самовосстанавливающиеся композиты, которые смогут "затягивать" небольшие трещины в структуре. Примерно 15% от структурной массы современного гражданского самолёта составляют различные пластиковые композиты, преимущественно изготовленные из углеволокна. В настоящее время проектируется новый российский самолёт МС-21\Як-242, где доля используемых композитов должна превысить 30%. В основном в авиации использование современных материалов ограничивается обшивкой и элементами фюзеляжа. Заметна тенденция использования углеволокна в силовых деталях, типа шпангоутов, кессонов. Свойства композиционных материалов в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительной особенностью композиционных материалов является то, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Вместе с тем композиционным материалам присущи свойства, которыми не обладают отдельные компоненты, входящие в их состав. Для оптимизации свойств выбирают компоненты с резко отличающимися, но дополнительными друг от друга свойствами. Использование новых материалов позволяет иметь заданное сочетание разнородных свойств: высокой удельной прочности и жесткости, жаропрочности, износостойкости, теплозащитных свойств и др. Спектр свойств композитов невозможно получить при использовании обычных материалов. Их применение даёт возможность создавать ранее недоступные, принципиально новые конструкции. Благодаря композиционным материалам стал возможен новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, уменьшении массы агрегатов и конструкций и повышении весовой эффективности наземных транспортных средств и авиакосмических аппаратов. Рассматривая современные работы по данному направлению, можно выделить несколько перспективных тем по металлическим композиционным материалам: · высоконаполненные карбидом кремния (с содержанием армирующих частиц 60-70% по объёму) алюминиевые композиты – для получения высокой теплопроводности при низком температурном коэффициенте расширения; · антифрикционные композитные материалы на основе меди, алюминия или свинца, армированные микронными частицами квазикристалла системы Al-Cu-Fe; · композиты системы алюминий – рубленое углеродное волокно, полученные особым способом, – для использования в качестве специальных датчиков или образцов свидетелей, способных накапливать информацию о внешнем воздействии на изделие, конструкцию, установку. Армирование алюминия частицами бора (карбида бора) приводит к усилению защитных свойств композитов и к появлению у него возможности использования в качестве конструкционного материала, непосредственно интегрированного в конструкцию. Фирма Talon Composites, LLC рекламирует материал для защиты от нейтронного излучения Talbor®, представляющий металлический композиционный материал на алюминиевой матрице (сплавы 6ХХХ, 7ХХХ, 2ХХХ, 11ХХ и 5ХХХ серии), армированной карбидом бора (объёмная доля от 1 до 40%). Кроме алюминия, хорошие перспективы есть и у армированного борсодержащими частицами свинца. Эксперименты показали, что материал после армирования приобретает механическую прочность, повышенный модуль упругости, механическую и деформационную обрабатываемость на стандартном оборудовании на уровне, близком к обычным материалам. В областях применения, не требующих высокой весовой эффективности, этот материал может стать незаменимым элементом конструкции, принимающим на себя часть эксплуатационных нагрузок. Наполнение алюминиевой матрицы частицами карбида кремния, с содержанием 60- 70% по объёму, позволяет достичь в композите высокой теплопроводности при низком температурном коэффициенте расширения, обеспечивая эффективное применение в качестве теплоотводящих элементов конструкции. Эти материалы уже используются в качестве теплоотводящих подложек для приборов силовой электроники на Западе такие фирмы, как MC21, AMETEK, CPS. Производство таких материалов освоено и в Китае. Работа по освоению промышленного производства высоконаполненных металлических композиционных материалов ведётся в настоящее время и в России (ОАО «Электровыпрямитель», г. Саранск; ОАО «СКЛ», г. Ульяновск). Кроме того, ведутся работы по использованию неметаллических композиционных материалов в качестве конструкционных материалов. Например, ОАО НПО «Наука» совместно с ВИАМ работают над изготовлением корпусных деталей на базе полиамидного композита, наполненного углеродом. Проблемой данной работы является возможность изготавливать отливки небольшого объёма (до 80 дм3 ). Развиваются и технологии изготовления деталей и узлов из композитов. Кроме традиционного литья, в данный момент идёт освоение современной «3D печати» и плазменного напыления, а также технологий, включающих жидкофазные технологии замешивания в расплав, принудительную и реакционную пропитку, твердофазные технологии механического легирования. Однако в настоящее время в России практически отсутствует промышленное производство металлических композиционных материалов в целом. Это связанно со стереотипом о высокой стоимости и сложности технологии металлических композитов. Но уже появились российские компании, проявляющие интерес к данной тематике, появились государственные программы софинансирования подобных технологий. С учётом анализа физико-химических свойств композиционных материалов рассмотрена номенклатура деталей и узлов системы кондиционирования воздуха на авиационном транспорте, которые могут быть изготовлены из композитов. Первый опыт в этом направлении был получен при замене в подшипниковых опорах турбокомпрессора металлических шариков на шарики из композитного материала. Эксплуатация подобных гибридных шарикоподшипников – как радиальных, так и радиально-упорных – показала их надежность и долговечность. Перспективным направлением является перевод следующих деталей и узлов системы кондиционирования воздуха на транспорте: · корпусные детали пластинчатых теплообменников; · вентиляторы; · лопатки компрессора и воздушной турбины; · запорные устройства в выпускных клапанах; · корпуса выпускных клапанов. Для реализации расширенного применения композитных материалов необходимо ре- Серия «Транспортные средства и энергетические установки» 44 Известия МГТУ «МАМИ» № 2(20), 2014, т. 1 шить следующие задачи: 1) разработка конструкторской документации с учётом технологии изготовления деталей и узлов из композиционных материалов; 2) разработка методов расчёта температурных и прочностных характеристик деталей и узлов из композиционных материалов. Перевод ряда деталей и узлов системы кондиционирования воздуха на транспорте позволяет существенно улучшить такие эксплуатационные свойства конструкций, как снижение массы, улучшение вибрационных и шумовых параметров, увеличение ресурса. https://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-kompozitsionnyh-materialov-v-sisteme-konditsionirovaniya-vozduha-na-transporte Большинство дорожно-строительных материалов: грунты, бетонные, асфальтобетонные и другие смеси – это композиционные материалы, состоящие из пластичной основы (матрицы), служащей связующим материалом, и включений различных компонентов в виде минеральных порошков, твердых заполнителей (песок, щебень), дисперсной арматуры (фибры) и т. п. Исходная композиционная смесь состоит из газообразной фазы (например, воздух), жидкой (битум, цементный раствор, вода) и твердой (песок, щебень). Задача прессования – это удаление в соответствии с техническими условиями из приготовленной смеси воздуха, избыточного количества технологической жидкости и сближения твердых частиц с целью получения максимальных контактных поверхностей. Для получения высококачественных прессовок используют дополнительные технологические приемы: вакуумирование смеси, воздухопроницаниемые пресс-формы, пластификаторы и суперпластификаторы. Увеличение усилия сжатия для получения плотных прессовок не всегда приводит к желаемым результатам из-за разрушения твердых заполнителей. В.Е. Перельман в своих работах предлагает получать высокоплотные текстуры из порошков без разрушения гранул, если в процессе уплотнения использовать не только сжимающие деформации, но и сдвиговые [1]. В Южно-Уральском государственном университете (НИУ) и в ОАО «Научно-исследовательском институте транспортного строительства», ООО «Машмир-Инноцентр», ООО «ИнтеллектКапитал» (Москва) разработаны технологии уплотнения и устройства для их осуществления с использованием сдвиговых деформаций [2, 3]. ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (Москва) и ООО «Машмир-Инноцентр» разработали «Руководство по применению зонного нагнетания при формировании бетонных и железобетонных изделий посредством нагнетателей сред типа «Русские качели». Общество с ограниченной ответственностью «Интеллект-Капитал» занимается внедрением в производство новой технологии уплотнения маловлажных сыпучих материалов, являющейся альтернативой известным сегодня технологиям уплотнения, таким как прессование, вибрирование, трамбование, укатка или их комбинации. Новая технология называется «Зонное нагнетание» или «Русские качели» – это официально зарегистрированный товарный знак. Технология защищена тринадцатью патентами РФ. Как отмечают разработчики, преимущества зонного нагнетания по сравнению с традиционными технологиями уплотнения: 1) получение равномерной плотности и прочности по всему объёму; 2) отсутствие дозирования в процессе уплотнения; 3) отсутствие необходимости в тяжелых и прочных формах; 4) возможность получения однородной предельно плотной структуры бесконечной длины; 5) уменьшение усилия уплотнения в 50–100 раз по сравнению с прессованием. https://cyberleninka.ru/article/n/pressovanie-kompozitsionnyh-materialov-s-ispolzovaniem-sdvigovyh-deformatsiy |