ДОКЛАД. Композиционные материалы на основе алюминия
 Скачать 111.76 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Аэрокосмический институт Кафедра материаловедения и технологии материалов ДОКЛАД Тема: «Композиционные материалы на основе алюминия». Руководитель доцент кафедры __________________ В.С. Репях подпись, дата Студент группы 20ТБ(м)БТПТУ ____________________ С.В. Филева подпись, дата Оренбург  КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ В настоящее время перспективы прогресса связываются с разработкой и широким применением композиционных материалов. Разрабатываются новые материалы с улучшенными свойствами и характеристиками, материалы с привлекательными свойствами. Новые материалы, в свою очередь, открывают возможности для реализации новых конструкционных решений и технологических процессов. Композиционные материалы (КМ) обладают комплексом свойств и особенностей, отличающихся от традиционных конструкционных материалов и в совокупности открывающих широкие возможности, как для улучшения существующих конструкция самого разнообразного назначения, так и для разработки новых конструкций и технологических процессов. В последние годы проявляется повышенный интерес к пористым материалам на основе алюминия, обладающим многими привлекательными свойствами. Сегодняшнее и потенциальное будущее применение композиционных материалов на основе алюминиевых композитов сосредоточены на трех конкретных областях: автомобильной промышленности, авиакосмической промышленности, и строительная отрасль. Тем не менее, интерес также растет в области механических оборудования, в основном для износостойких или высокоточных установок и также в электрической и электронной отрасли. В настоящее время повышенное внимание получили такие методы улучшения технических свойств, как упрочнение или уплотнение различными сплавами. Они существенно улучшают износостойкость материала. Но самое сложное и экономически затратной областью является разработка единичных материалов с требуемыми свойствами: композиты могут быть получены в комбинации физических, механических и химических свойств, которые идеально подходит для данного оборудования. Типичными примером может являться экземпляр с хорошей теплопроводностью, и с определенным коэффициентом теплового расширения, также хорошие свойства износостойкости, например, поршневые кольца в двигателях внутреннего сгорания. Также могут быть получены этим образом любые детали со сложными параметрами и любой формы, которых трудно получить классическими методами. Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые один в другом компоненты, разделенные в материале ярко выраженной границей. Композиционным материалам (КМ) можно также дать следующее определение: это материалы, представляющие собой твердое вещество, состоящее из матриц и различных наполнителей, частицы которых особым образом расположенные внутри матрицы, армируют ее. Композиционный материал должен обладать свойствами, которыми не может обладать ни один из компонентов в отдельности. Лишь только при этом условии есть смысл их применения. Все КМ можно разделить на два вида: естественные и искусственные. Примером естественных КМ могут служить стволы и стебли растений (волокна целлюлозы соединены пластичным лигнином), кости человека и животных (тонкие прочные нити фосфатных солей соединены пластичным коллагеном), а также эвтектические сплавы. Основой матрицы КМ могут служить металлы или сплавы (КМ на металлической основе), а также полимеры, углеродные и керамические материалы (КМ на неметаллической основе). Ролью матрицы в КМ является придание формы и создании монолитного материала. Объединяя в одно целое армирующий наполнитель, матрица участвует в обеспечении несущей способности композита. Она передает напряжения на волокна и позволяет воспринимать различные внешние нагрузки: растяжение, сжатие, изгиб, удар. Матрица предохраняет наполнитель от механических повреждений и окисления. Выбором матрицы определяется температурная область применения КМ. Рабочая температура деталей из КМ повышается при переходе от полимерной матрицы к металлической, а далее – к углеродной и керамической. КМ с комбинированными матрицами называют полиматричными. Для полиматричных материалов характерен более обширный перечень полезных свойств. Например, использование в качестве матрицы наряду с алюминием титана увеличивает прочность КМ в направлении, перпендикулярном оси волокон. В соответствии с геометрией армирующих частиц различают порошковые (или гранулированные), волокнистые, пластинчатые КМ. Порошковые композиты представляют собой смесь порошков металлов и неметаллических соединений, которые образуют дисперсно-упрочненный сплав. Они отличаются изотропностью свойств. В волокнистых композитах матрицу упрочняют непрерывно и дискретно расположенные волокна. Волокнистые и пластинчатые композиты так же, как и металлические сплавы, имеют анизотропию механических свойств. В матрице равномерно распределены остальные компоненты (наполнители). Поскольку главную роль в упрочнении КМ играют наполнители, их часто называют упрочнителями. Основная функция наполнителя – обеспечить прочность и жесткость КМ. Частицы наполнителя должны иметь высокую прочность во всем интервале температур, малую плотность, быть нерастворимыми в матрице и нетоксичными. Армирующими веществами в КМ являются оксиды, карбиды (обычно – карбид кремния SiC), нитрид кремния (Si3N4), стеклянные или углеродные нити, волокна бора (бороволокна), стальная или вольфрамовая проволока. По форме наполнители разделяют на три основные группы (рис. 1,1): нульмерные, одномерные, двумерные. Нульмерными называют наполнители, имеющие в трех измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы). Одномерные наполнители имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в третьем измерении (волокна). У двумерных наполнителей два размера соизмеримы с размером КМ и значительно превосходят третий (пластины, ткань). По форме наполнителя КМ разделяют на дисперсно-упрочненные, слоистые и волокнистые. Дисперсно-упрочненными называют КМ, упрочненные нульмерными наполнителями; волокнистыми – КМ, упрочненные одномерными или двумерными наполнителями; слоистыми – КМ, упрочненные двумерными наполнителями. По схеме армирования КМ подразделяют на три группы: с одноосным, двуосным и трехосным армированием (рис. 1, 2– 4). Для одноосного (линейного) армирования используют нульмерные и одномерные наполнители (рис. 1,2). Нульмерные располагаются так, что расстояние между ними по одной оси значительно меньше, чем по другим. В этом случае содержание наполнителя составляет 1 – 5 %. Одномерные наполнители располагаются параллельно один другому. При двухосном (плоскостном) армировании используют нуль, одно и двумерные наполнители (рис. 1, 3). Нульмерные и одномерные наполнители располагаются в параллельных плоскостях. При этом расстояние между ними в пределах плоскости значительно меньше, чем между плоскостями. При таком расположении нульмерного наполнителя его содержание доходит до 15 – 16 %. Одномерные наполнители находятся также в параллельных плоскостях. При этом в пределах каждой плоскости они расположены параллельно, а по отношению к другим плоскостям – под разными углами. Двумерные наполнители параллельны один другому.  Рис.1 Виды наполнителей композиционных материалов При трехосном (объемном) (рис..1,4) армировании нет преимущественного направления в распределении наполнителя. Расстояние между наполнителями одного порядка. В этом случае их содержание может превышать 15 – 16. Одномерные наполнители располагаются в трех и более пересекающихся плоскостях.  Материал с закрытыми порами, получаемый методом вспенивания расплавленного или полурасплавленного алюминия, называют закрытоячеистым пеноалюминием. Закрытоячеистый пеноалюминий имеет некоторые преимущества, которые делает его полезным в использовании. В отличие от ячеистых бетонов и древесностружечных плит у пеноалюминия низкая гигроскопичность (1- 3%), что обусловливает морозостойкость и отсутствие трещин при сильном перепаде температур. Нет необходимости пропитывать антисептиками и антипиренами. На его поверхность свободно наклеиваются различные декоративные материалы, он хорошо воспринимает краску. Пеноалюминий применяется в строительстве в виде несгораемых перегородок и облицовочного материала. Также пеноалюминий с закрытыми порами применяется как конструкционный материал в машиностроении, судостроении, строительстве.Алюминиевые композиты с пенистой структурой и с закрытыми ячейками преимущественно используются: для защиты от удара; повышения жесткости полых профилей; упрочнения анкеров в бетонных стенах; изготовления негорючих фасадных элементов зданий и легких и огнестойких кабин лифтов, в производстве теплостойких демпфирующих материалов. Особый интерес к пеноалюминию проявляют автомобилестроительная область. В 1998 г. на автошоу в Детройте Вильгельм Карманн представил новинку, в которой при изготовлении кузова использовались трехслойные алюминиевые листы с алюминиевой пеной. Такой материал обладает высокой удельной жесткостью, малой термической и электрической проводимостью, не горит и хорошо подходит для поглощения или демпфирования энергии. Низкая масса подобной конструкции уменьшает расход бензина. Кузов примерно на 50% легче соответствующего стального, но в 10 раз стабильней. Трехмерные многослойные структуры усиливают жесткость рамы, из них можно изготавливать также заднюю стенку кузова и сидения. Карманн предлагает идею безопасного автомобиля XXI века, в котором будут использоваться не плоские алюминиевые элементы, а трехмерные многослойные детали с пеноалюминием — от дверец до сложной группы днища. Такие детали очень легкие и имеют в 15 раз более высокую жесткость, чем обычные листовые конструкции. Заметны также преимущества пеноалюминия по шумоглушению при повышенных частотах (более 800 гц). Также существует другой материал на основе алюминия, который называется открытоячеистый (пористый). В этом случае разница в том, что материал тут с открытыми порами. Получают этот материал методом литейного производства с использованием удаляемого наполнителя или путем гальванического покрытия на удаляемом пенополиуретане, которого затем удаляют. Плотность пористого алюминия лежит обычно в диапазоне от 0,9 до 1,2 г/см3, что соответствует пористости от 55 до 67%. Механические свойства этого материала изучались до последнего времени не так интенсивно, как пеноалюминия. Механическое поведение его весьма близко к тому, какое имеют пены с закрытой пористостью: начальный, почти линейный подъем напряжения сменяется областью значительной пластической деформации и затем при очень большой деформации переходит в уплотнение всей структуры при соответствующих высоких усилиях. Они требуются, чтобы деформировать пористую структуру. Таким образом, материал обладает высокой жесткостью. Прочность на сжатие соответствует почти тем же значениям, что и у пеноалюминия. Для многих сфер применения желательна контролируемая и управляемая проницаемость материала газами или жидкостями. Пористый алюминий имеет высокую развитую внутреннюю поверхность, составляющую при плотности 1,1 г/см3 от 1 до 2 м2/г. Это свойство может быть использовано в компактных теплообменниках. Акустические характеристики. Эти показатели несколько хуже, чем у специальных шумогасящих материалов, однако пористый алюминий имеет много других полезных свойств. Также пористый алюминий не горит, что придает ему возможность использоваться не только в строительстве, но и в различных установках. Хорошие результаты имеет также по отношению к стойкости к температурным изменениям. Не имеют гигроскопичные свойства. Вследствие этого использование пористого алюминия является выгодным в использовании для шумоглушения. Возможности применения открытоячеистого пористого алюминия очень широки. Их можно использовать в следующих целях. Например, в шумоглушителях. Пористый алюминий используется в конструкциях шумоглушителей, в которых путем декомпрессии шум, возникающий от выхода газа, уменьшается (например, в пневматических установках и компрессорах). Шумогасящие детали, изготовленные из неплотно спеченных порошков бронзы или стали, довольно дороги. Пористый алюминий, полученный литейным способом, может быть при изготовлении сочленен со сплошным металлом с резьбой, и соединение с выходом газа при этом становится простым. Область применения пористого алюминия в качестве фильтров довольно широка. Ими можно отделять твердые частички, например сажи, от жидкостей или газов. Что актуально в наше время. Вследствие развитой внутренней поверхности в комбинации с хорошей проницаемостью, пористый алюминий пригоден для использования в качестве несущей решетки для катализаторов. Высокая теплопроводность материала имеет значение при сильных экзотермических реакциях, например, при окислении этилена в этиленоксид. Высокая теплопроводность алюминия предполагает использование пористых конструкций из этого металла с развитой поверхностью для теплообмена между жидкостями, газами или между жидкостью и газом. Пористые материалы, в том числе алюминий, могут употребляться в качестве накопителей жидкости для последующей ее дозированной подачи, например, в пористых валках, в деталях подшипников скольжения (поры заполняют смазкой). При подаче газа через пористые материалы его можно в распределенном виде барботировать в жидкость или с помощью воздушной подушки создать поверхность скольжения (воздушный подшипник). Наконец, пористый алюминий благодаря своей теплопроводности используется в конструкциях пламегасителей. По результатам исследования можно сделать вывод то, что разработка новых материалов необходимо для бурного развития отечественной промышленности. Мы знаем что, большая часть высокотехнологичной продукции ввозятся в Россию в основном из заграницы, т.к. изделия отечественного производства неконкурентоспособны или не отвечают по тем или иным техническим характеристикам. При падении цен на сырьевые товары, нефть в отечественной экономике неизбежны кризисные явления. Для обеспечения устойчивого развития России необходима структурная перестройка производства и использование инновационных материалов, таких как композиты. Разработана технология изготовления пластинчато-армированного композита на алюминиевой матрице методом продувки расплава кислородом. Жидкий расплав обладает высокой жидкотекучестью и не формирует на поверхности оксидную пленку, что обеспечивает отпечаток формы чрезвычайно высокого качества. Список литературы Композиционные материалы: Справочник / Составляли справочник В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.Б. Болотин и др.; под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. – Москва: Машиностроение, 1990. Пространственно-армированные композиционные материалы: Справочник/ Составляли справочник Ю. М. Тарнопольский, И. Г. Жигун, В. А. Поляков. – Москва: Машиностроение, 1987. |