топик 3. Композиционные материалы
 Скачать 26.71 Kb.
|
|
Композиционные материалы Многие материалы обладают определенным комплексом свойств. Например, бетон, обладая высокой жесткостью и хрупкостью, отлично работает на сжатие и не работает на растяжение. В этой связи бетонные конструкции давно используют в качестве фундаментов и различных опор. В свою очередь, металлы обладают пластичностью, высокой прочностью и достаточно хорошо работают на растяжение. Поэтому из материала, состоящего из металла и бетона («железобетон») изготавливают конструкции, имеющие достаточную жесткость и одновременно работающие на растяжение (перекрытия, балки, пролеты мостов и др.). Такие материалы, сочетающие в себе свойства, присущие нескольким материалам, обычно называются композиционными материалами (КМ). Период использования человеком композиционных материалов насчитывает много веков, а представление о композиционных материалах заимствовано человеком у природы. Уже на ранних стадиях развития цивилизации человек использовал для строительства кирпич из глины, в которую замешивались солома и ветки, придававшие кирпичам повышенную прочность. Некоторые древние уникальные материалы также являются композиционными материалами (например, булатная сталь). Основные определения и классификация Композиционные материалы (КМ) — это материалы, обладающие следующей совокупностью признаков: состоят из двух или более компонентов, различающихся по своему химическому составу и разделенных выраженной границей; имеют новые свойства, отличающиеся от свойств, составляющих эти материалы компонентов; неоднородны в микромасштабе и однородны в макромасштабе; свойства определяются каждым из компонентов, которые в связи с этим должны содержаться в материале в достаточно большом количестве (больше некоторого критического значения). Компонент, непрерывный во всем объеме КМ, называется матрицей, а прерывистый, разъединенный в объеме композиции элемент (элементы) называется армирующим элементом (наполнителем). Композиционные материалы классифицируют по следующим основным признакам: типу матрицы, виду армирующего элемента, особенностям макростроения и методам получения. Матрица придает изделию из КМ заданную форму и монолитность, обеспечивая передачу и перераспределение нагрузки по объему материала, защищает армирующие элементы от внешних воздействий. Тип матрицы определяет технологические параметры процесса получения композита и его эксплуатационные характеристики (плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление воздействию агрессивных сред и усталостному разрушению). По типу материала матрицы КМ могут быть: полимерные (термопласты, реактопласты, смеси); металлические (в том числе материалы, получаемые методами порошковой металлургии, и сплавы, состоящие из макронеоднородных фаз); неорганические (неорганические полимеры, минералы, углерод, керамика); комбинированные (полиматричные). Армирующие или упрочняющие элементы распределены в матрице равномерно. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью, большим модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Армирующие элементы вводят в композиционный материал с целью изменения его свойств (увеличения прочности, жесткости и пластичности; изменения плотности, электрических, теплофизических и других характеристик в различных направлениях и отдельных местах изделия). Армирующий или упрочняющий компонент часто называют «наполнителем». Во многих случаях наполнителями называют элементы, применение которых позволяет достичь не более чем 1,5…2-кратного повышения прочности матрицы. Армирующие элементы (арматура) — высокопрочные усы, волокна, ткани, которые при соответствующем содержании в композиции способствуют повышению прочности материала в 2…10 и более раз по сравнению с прочностью матрицы. 4. Экономическая эффективность применения композиционных материалов. Области применения композиционных материалов не ограничены. Ониприменяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки,лонжеронов, нервюр, панелей и т. д.) и двигателей (лопаток компрессора итурбины и т. д.), в космической технике для узлов силовых конструкцийаппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов,бамперов и т. д., в горной промышленности (буровой инструмент, деталикомбайнов и т. д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементысборных конструкций высотных сооружений и т. д.) и в других областяхнародного хозяйства. Применение композиционных материалов обеспечивает новыйкачественный скачек в увеличении мощности двигателей, энергетических итранспортных установок, уменьшении массы машин и приборов. Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционныхматериалов достаточно хорошо отработана. Композитные материалы с неметаллической матрицей, а именнополимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузовагоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники,панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульныекарбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники,аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании идругом. Все увеличивающаяся доля ЛКМ, используемых в авиации, космической технике и энергетике свидетельствует о том, что разработка и использование подобных материалов является одним из путей создания новой техники. В этой связи будут развиваться новые классы КМ и технологии получения данных материалов. Одним из перспективных направлений в этой области является создание новых КМ с использованием нанотехнологий. Composite materials Many materials have a certain set of properties. For example, concrete, having high rigidity and brittleness, works perfectly for compression and does not work for stretching. In this regard, concrete structures have long been used as foundations and various supports. In turn, metals have plasticity, high strength and work well enough for stretching. Многие материалы обладают определенным набором свойств. Например, бетон, обладающий высокой жесткостью и хрупкость, отлично работает при сжатии и не работает при растяжении. В связи с этим бетонные конструкции уже давно используются в качестве фундаментов и различных опор. В свою очередь, металлы обладают пластичностью, высокой прочностью и достаточно хорошо поддаются растяжению. Therefore, structures are made of a material consisting of metal and concrete ("reinforced concrete") that have sufficient rigidity and simultaneously work for stretching (floors, beams, bridge spans, etc.). Such materials that combine the properties inherent in several materials are usually called composite materials (CM). Поэтому конструкции изготавливаются из материала, состоящего из металла и бетона ("железобетона"), которые обладают достаточной жесткостью и одновременно работают на растяжение (перекрытия, балки, пролеты мостов и т.д.). Такие материалы, которые сочетают в себе свойства, присущие нескольким материалам, обычно называются композитными материалами (CM). The period of human use of composite materials dates back many centuries, and the idea of composite materials is borrowed by man from nature. Already in the early stages of the development of civilization, man used to build a brick made of clay, in which straw and branches were mixed, which gave the bricks increased strength. Some ancient unique materials are also composite materials (for example, damask steel). Период использования человеком композитных материалов насчитывает много веков, и идея композитных материалов заимствована человеком у природы. Уже на ранних этапах развития цивилизации человек использовал для строительства кирпич из глины, в который были замешаны солома и ветки, что придавало кирпичам повышенную прочность. Некоторые древние уникальные материалы также являются композитными материалами (например, булатная сталь). Basic definitions and classification Основные определения и классификация Composite materials (CM) are materials that have the following set of characteristics: they consist of two or more components that differ in their chemical composition and are separated by a pronounced boundary; Композитные материалы (КМ) - это материалы, обладающие следующим набором характеристик: они состоят из двух или более компонентов, которые отличаются по своему химическому составу и разделены ярко выраженной границей; have new properties that differ from the properties of the components that make up these materials; обладают новыми свойствами, которые отличаются от свойств компонентов, входящих в состав этих материалов; inhomogeneous on the microscale and homogeneous on the macroscale; неоднородный на микромасштабе и однородный на макромасштабе the properties are determined by each of the components, which therefore must be contained in the material in a sufficiently large amount (more than some critical value). свойства определяются каждым из компонентов, которые, следовательно, должны содержаться в материале в достаточно большом количестве (больше некоторого критического значения). A component that is continuous throughout the entire volume of the CM is called a matrix, and an intermittent, disconnected element (elements) in the volume of the composition is called a reinforcing element (filler).Компонент, который является непрерывным по всему объему CM, называется матрицей, а прерывистый, разъединенный элемент (элементы) в объеме композиции называется армирующим элементом (наполнителем). Composite materials are classified according to the following main features: the type of matrix, the type of reinforcing element, the features of macrostructure and methods of production.Композитные материалы классифицируются по следующим основным признакам: тип матрицы, тип армирующего элемента, особенности макроструктуры и методы производства. The matrix gives the CM product a given shape and solidity, ensuring the transfer and redistribution of the load over the volume of the material, protects the reinforcing elements from external influences. The type of matrix determines the technological parameters of the composite production process and its operational characteristics (density, specific strength, operating temperature, resistance to aggressive media and fatigue failure).Матрица придает изделию CM заданную форму и прочность, обеспечивая передачу и перераспределение нагрузки по объему материала, защищает армирующие элементы от внешних воздействий. Тип матрицы определяет технологические параметры процесса производства композита и его эксплуатационные характеристики (плотность, удельная прочность, рабочая температура, устойчивость к агрессивным средам и усталостному разрушению). According to the type of material of the CM matrix, there can be: polymer (thermoplastics, reactoplastics, mixtures); metallic (including materials obtained by powder metallurgy methods and alloys consisting of macro-homogeneous phases); inorganic (inorganic polymers, minerals, carbon, ceramics);combined (polymatric). В зависимости от типа материала матрицы CM могут быть: полимерные (термопласты, реактопласты, смеси); металлические (включая материалы, полученные методами порошковой металлургии, и сплавы, состоящие из макрогомогенных фаз); неорганические (неорганические полимеры, минералы, углерод, керамика); комбинированные (полимерные). Reinforcing or reinforcing elements are distributed evenly in the matrix. They, as a rule, have high strength, hardness, a large modulus of elasticity and in these indicators are significantly superior to the matrix. Reinforcing elements are introduced into the composite material in order to change its properties (increase in strength, stiffness and plasticity; changes in density, electrical, thermal and other characteristics in various directions and individual parts of the product). армирующие или усиливающие элементы равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью, большим модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Армирующие элементы вводятся в композитный материал с целью изменения его свойств (увеличение прочности, жесткости и пластичности; изменения плотности, электрических, тепловых и других характеристик в различных направлениях и отдельных частях изделия). The reinforcing or strengthening component is often referred to as a "filler". In many cases, fillers are called elements, the use of which makes it possible to achieve no more than 1.5 ... 2-fold increase in the strength of the matrix. Reinforcing elements (reinforcement) are high—strength whiskers, fibers, fabrics, which, with an appropriate content in the composition, contribute to an increase in the strength of the material by 2 ... 10 or more times compared to the strength of the matrix.Армирующий или укрепляющий компонент часто называют "наполнителем". Во многих случаях наполнителями называют элементы, использование которых позволяет добиться не более 1,5 ... 2-кратное увеличение прочности матрицы. Армирующие элементы (армирование) представляют собой высокопрочные усы, волокна, ткани, которые при соответствующем содержании в составе способствуют увеличению прочности материала на 2... в 10 или более раз по сравнению с прочностью матрицы. 4. Economic efficiency of the use of composite materials. The fields of application of composite materials are not limited. They are used in aviation for high-loaded aircraft parts (skin, spars, ribs, panels, etc.) and engines (compressor blades and turbines, etc.), in space technology for components of power structures of devices subjected to heating, for rigidity elements, panels, in the automotive industry to facilitate bodies, springs, frames, body panels,bumpers, etc., in the mining industry (drilling tools, parts combines, etc. etc.), in civil engineering (bridge spans, elements of high-rise structures, etc.) and in other areas of the national economy.Области применения композитных материалов не ограничены. Они используются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивка, лонжероны, нервюры, панели и т.д.) и двигателей (лопатки компрессоров и турбин и т.д.), в космической технике для компонентов силовых конструкций устройств, подвергаемых нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобильной промышленности для облегчают кузова, пружины, рамы, панели кузова, бамперы и т.д. в горнодобывающей промышленности (буровые инструменты, детали комбайнов и т.д. и т.д.), в гражданском строительстве (пролетные строения мостов, элементы высотных сооружений и т.д.) и в других областях народного хозяйства. The use of composite materials provides a new high-quality leap in increasing the power of engines, power and transport installations, reducing the weight of machines and devices. The technology of obtaining semi-finished products and products from composite materials is quite well developed. Использование композитных материалов обеспечивает новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, снижении веса машин и устройств. Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов достаточно хорошо разработана. Composite materials with a non-metallic matrix, as well as polymer carbon fiber are used in the shipbuilding and automotive industry (car bodywork, chassis, propellers); bearings, heating panels, sports equipment, computer parts are made from them. High-modulus carbon fiber is used for the manufacture of aircraft parts, equipment for the chemical industry, in X-ray equipment and others. Композитные материалы с неметаллической матрицей, а также полимерное углеродное волокно используются в судостроении и автомобильной промышленности (кузов автомобиля, шасси, пропеллеры); из них изготавливают подшипники, нагревательные панели, спортивный инвентарь, компьютерные детали. Высокомодульное углеродное волокно используется для изготовления деталей самолетов, оборудования для химической промышленности, в рентгеновской аппаратуре и других. The increasing share of coatings used in aviation, space technology and energy indicates that the development and use of such materials is one of the ways to create new technology. In this regard, new classes of KM and technologies for obtaining these materials will be developed. One of the promising directions in this area is the creation of new KM using nanotechnology. Растущая доля покрытий, используемых в авиации, космической технике и энергетике, указывает на то, что разработка и использование таких материалов является одним из путей создания новых технологий. В связи с этим будут разработаны новые классы КМ и технологии получения этих материалов. Одним из перспективных направлений в этой области является создание новых КМ с использованием нанотехнологий. |