Во время такого метода используются заранее подготовленные наполнители. Благодаря такому методу гарантируется высокая однородность продукции на прочность, и контролируются показатели. Однако качество получаемого изделия зависит в высокой степени от мастерства и опыта рабочих.
Производство изделий из стеклопластика ручным формованием разделено на несколько этапов. Первый этап называется подготовительным, в процессе которого отчищается поверхность матрицы ожидаемого изделия, затем обезжиривается и в конце наносится слой разделительного воска. В конце первого этапа матрица покрывается защитно-декоративным слоем - гелькоутом. Благодаря такому слою формируется наружная поверхность будущего изделия, задается цвет и обеспечивается защита от действия вредных факторов, таких как вода, ультрафиолет и химические реагенты. В основном используют негативные матрицы для производства готового изделия. После того, как высохнет специальный слой гелькоут, можно перейти к последующему этапу, который называется формовка. В процессе этого этапа в матрицу закладывается изначально раскроенный стекломатериал, также можно использовать другой тип наполнителя. Далее идет процесс формирования «скелета» ожидаемого изделия. Затем смола с катализатором, предварительно смешанная, наносится на подготовленный стекломатериал. Смолу необходимо равномерно распределить благодаря кисточкам и мягким валикам по матрице. Последний этап можно назвать прикаткой. Его используют, чтобы удалить из еще не отверделого ламината пузырьки воздуха. Если их не удалить, то это скажется на качестве готового изделия, поэтому ламинат необходимо прикатать жёстким валиком. Когда готовое изделие застыло, его достают из формы и придают механообработке, включающую в себя высверливание отверстий, обрезку излишков стеклопластика по краям и др.
Преимущества такого метода:
- существует реальная возможность получить продукт сложной формы и немалого размера с минимальными вложениями;
- конструкция изделия поддается легкому изменению, поскольку в изделие вводятся закладные детали и арматура, а цена оснастки и требуемого оборудования достаточно низкая;
- чтобы изготовить матрицу используется любой материал, который способен сохранить свои пропорции и форму.
Недостатки такого метода:
- существенные затраты ручного труда;
- производительность достаточно низкая;
- качество изделия будет зависеть от квалификации формовщика;
- этот метод подойдет для выпуска мелкосерийной продукции.
2. Напыление.
Для мелкого и среднесерийного производства подойдет именно такой метод. Метод напыления имеет множество достоинств по сравнению с контактным формованием, даже несмотря на то, что предстоят определенные затраты на покупку оборудования для этого метода.
Специальная установка позволяет нанести защитное покрытие и пластик. Благодаря чему не понадобится предварительный раскрой материала и приготовление связующего вещества, вследствие чего резко сокращается часть ручного труда. Специальные установки автоматически производят жёсткий отсчет доз смолы и отвердителя, также они осуществляют рубку ровинга на части необходимых размеров (0,8 - 5 см). После процесса рубки части нити должны попасть в струю связующего и пропитаться во время переноса на матрицу. За счет ручного труда осуществляется уплотнительный процесс для стеклопластика в матрице с помощью прикаточного валика.
Ряд преимуществ при производстве стеклопластика методом напыления:
- происходит экономия времени и полезных площадей за счет того, что не надо раскраивать материал и подготавливать связующее вещество;
- можно уменьшить количество производственных площадей за счет снижения числа специально подготовленных мест для формовки;
- скорость формования изделия увеличивается;
- контроль над качеством продукции упрощается;
- фонд заработной платы существенно экономится;
- за счет того, что ровинг - относительно недорогой материал, то существенно понижается стоимость полученного изделия.
Когда связующее вещество готовится небольшим количеством, то при ручном формовании на инструментах и стенках тары остается до 5% связующего вещества, что довольно неэкономично. Известно, что от мастерства и опыта оператора установки будет зависеть качество полученного продукта. Этот метод использует ту же оснастку, что и во время ручной формовки.
3. Пултрузия.
Технология пултрузии основывается на производстве непрерывным способом профильных изделий из волокнистых пластиков одноосно-ориентированных. Профильное изделие с неизменным поперечным сечением из подходящего материала как раз и можно получить методом пултрузии.
Благодаря специальной пултрузионной машине происходит изготовление профиля из стеклопластика. Такая машина состоит из секции для подачи армирующих материалов, фильера, из секции для пропитки, тянущего агрегата, блока управления нагревательными элементами и из секции для обрезки. Паковку ориентированного волокна лучше укреплять в сухом состоянии и пропитывать полимерной композицией, прокачиваемой через сухую паковку. Благодаря такой технологии в материал не попадет воздух. Излишки смолы стекут обратно в поддон и поступят на рециркуляцию. Ровинг, который используется, как армирующий материал сматывается с бобин в сухом состоянии и собирается в пучок специальным способом. Затем материал поступает в устройство пропитки - это специальная ванна со смолой, где полностью смачивается полиэфирным, эпоксидным или другим связующим. Затем уже пропитанный материал отправляется в нагретую фильеру, задачей которой является сформировать конфигурацию профиля. Затем композиции затвердевает при указанном температурном режиме. В итоге получился профиль из стеклопластика, конфигурация которого повторяет форму фильеры.
Доказано, что изделия, полученные путем пултрузации, по свойствам превосходят детали, выполненные классическими методами формования. Увеличение стоимости такого метода обуславливается рядом преимуществ, которые характерны для этого процесса. К преимуществам можно отнести строгость контроля натяжения и направленность волокна, уменьшение количества пор и удержание неизменного содержания волокна в композите. Очевидно, что даже свойство межслоевого сдвига однозначно улучшается. На данный момент разработано несколько вариантов главного процесса пултрузии, которые интересуют многих и много значат для промышленности. Их преимуществами являются хорошие электрические, физические, химические и тепловые свойства, высокая производительность и отличный допуск по размерам. Для изготовления постоянных пластинчатых и листовых полуфабрикатов как раз и предназначен один из таких методов пултрузии.
Однако каждый метод имеет свои недостатки. Для этого метода характерен такой недостаток, как скорость процесса, которая будет зависеть от температуры и скорости затвердевания связующего. Обычно она невелика для низкотеплостойких полиэфирных смол. Ещё одним недостатком является то, что тяжело предоставить постоянное сечение изделия по длине, за исключением изделий с не особо сложной формой сечения - квадратной, круглой, двутавровой и других. Чтобы получить изделие необходимо использовать только нити или жгуты. Однако за последнее время эти недостатки метода получения профильных изделий помаленьку устранились и применение этого процесса заметно расширилось. Композиция, которая основывается на поливиниловых эфирах и эпоксидных смолах используются в качестве полимерных матриц. Применение таких полимерных матриц на основе полисульфона, полиэфирсульфона и пластифицированного полиимида дает возможность достигнуть скорости формования стержней диаметром около пяти мм со скоростью порядка сто два м/мин.
Чтобы получить сложные армированные профильные изделия, необходимо воспользоваться методом протяжки слоистых материалов, которые состоят из волокнистых матов или тканей. На текущий момент разработаны методы получения трубчатых изделий, которые сочетают в себе намотку спирального слоя и протяжку. Лопасти ветряных двигателей, которые имеют сложный профиль поперечного сечения, можно привести в качестве примера использования материалов, имеющие сложную схему армирования. Уже разработана оснастка для формования полуфабрикатов для листовых автомобильных рессор, которые имеют криволинейную поверхность и непостоянное поперечное сечение.
4. Намотка.
Одним из самых многообещающих методов формования изделий из стеклопластика выступает метод намотки волокном, за счет того, что он создает требуемую структуру наполнителя в фабрикатах в зависимости от их формы и особенностей эксплуатации. Благодаря использованию жгутов, лент, нитей в качестве наполнителей позволяет обеспечить максимальную прочность изделий. Тем более, что такие наполнители являются наиболее дешевыми.
Процесс намотки волокном можно назвать относительно несложным методом, в котором на вращающуюся оправку наматывается армирующий материал в виде постоянного ровинга (жгута) или нити (пряжи). Специальные механизмы следят за углом намотки и нахождением армирующего материала. Эти устройства передвигаются со скоростью, совпадающей с вращением оправки. Материал обертывается вокруг оправки в виде полос, соприкасающихся друг с другом, либо по какому-то специальному рисунку до полного перекрытия оправочной поверхности. Идущие друг за другом слои, могут наноситься под одним углом или под разными углами намотки, пока не наберется требуемая толщина. Угол намотки меняется от очень малого, который имеет название продольного, до большого - окружного. Такое расположение подразумевает 90 0 относительно оси оправки, захватывая все углы спирали этого интервала.
Термореактивная смола служит связующим веществом для армирующего материала. В процессе мокрой намотки смола наносится непосредственно во время самой намотки. Процесс сухой намотки основан на применении ровинга, который предварительно пропитывается смолой в В-стадии. Затвердение осуществляется при увеличенной температуре без лишнего давления. Завершающая стадия процесса основывается на взятии изделия с оправки. По необходимости можно провести отделочные операции: обработку механическим путем или шлифовальный способ. Основной процесс намотки характеризуется множеством вариантов, которые различаются лишь характером намотки, а также особенностями конструкции, сочетанием материалов и разновидностью оборудования. Конструкцию необходимо намотать как на поверхности вращения. Однако существует возможность отформовать изделия и другого вида, например, сжатием еще незатвердевшей намотанной детали внутри закрытой формы.
Конструкция получается похожа на гладкий цилиндр, трубу или тюбинг, диаметр которых получается от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Намотка позволяет формовать изделия конической, сферической и геодезической формы. Чтобы получить сосуды высокого давления и резервуары для хранения, в намотку необходимо ввести торцевую заглушку. Есть возможность сформовать изделия, которые будут работать в нестандартных условиях нагружения, например, наружное или внутреннее давление, нагрузки на сжатие или крутящий момент. Термопластичные трубы и сосуды из металла высокого давления укрепляются при намотке наружными бандажами. Полученным изделиям характерна высокая степень точности. Однако существует и другая сторона процесса намотки, для такого процесса характерны меньшие скорости производства. Плюсом является то, что для намотки сгодится абсолютно любой постоянно армирующий материал.
Для процесса намотки можно использовать машины разных типов: от различных токарных станков и машин на основе цепного привода до более сложных компьютеризованных агрегатов, характеризующимися тремя или четырьмя осями движения. Применяются также машины, которые непрерывно производят трубы. Для удобства намотки больших резервуаров должно быть спроектировано портативное оборудование на месте установки.
Основные достоинства метода намотки:
- доходный с точки зрения экономики метод укладки материала за счет быстроты процесса;
- возможность регулировки соотношения смола/стекло;
- малый собственный вес, но при этом высокая прочность;
- данный метод не расположен к коррозии и гниению;
- относительно недорогие материалы;
- хорошая структура ламинатов, за счет того, что профили обладают направленными волокнами, и хорошее содержание стекломатериалов.
5. Прессование.
Процесс прессования состоит в непосредственном придании нужной формы изделию под воздействием высокого давления, которое образуется в пресс-форме при температуре быстрого затвердения материала. Благодаря внешнему давлению в материале, который прессуется, происходит его уплотнение и частичная деструктуризация прежней структуры. Трение между соприкасающимися частичками материала, которое образуется во время уплотнения, вызывает появление тепловой энергии, которая однозначно приведет к плавлению связующего вещества. После того, как материал перейдет в вязкопластичное состояние, он растекается в пресс-форме под действием давления, образуя целостную и уплотненную структуру. Процесс затвердевания основан на протекании реакции сшивки макромолекул благодаря поликонденсации между свободными группами связующего вещества. Для реакции необходимо тепло, в процессе которого происходит выделение низкомолекулярных, летучих веществ таких как, метанол, вода, формальдегид, аммиак и др.
Параметры для технологии прямого прессования:
- температура заблаговременного подогрева;
- давление прессования;
- температура прессования;
- временная выдержка под давлением;
- параметры подпрессовок;
Давление направленно действует на материал, находящийся в полости формы, при прямом прессовании, поэтому детали формы могут преждевременно износиться. В зависимости от типоразмеров изделия цикл прессования может составлять от 4 до 7 мин. Прямое прессование пластиков для армирования имеет две разновидности, которые зависят от того, как пропитывается волокнистый наполнитель:
- Прессуются сухие, предварительно пропитанные холсты и ткани;
- Прессуются с пропиткой именно в форме.
Большей популярностью пользуется первый способ. Для выполнения изделий относительно простой формы применяется прямое прессование. Благодаря высоким требованиям, предъявляемых к качеству наружной поверхности детали, были созданы автоматические установки для дозировки компонентов при приготовлении заготовок из препрегов. Спроектированы специальные автоматические манипуляторы, которые загружают пакеты заготовок в многогнездные формы пресса. Поколение новых прессов высокой точности оснащены современными системами контроля, благодаря которым можно получить детали с высококачественной поверхностью, а их стоимость примерно одинакова со стальными деталями.
6. Технология SMC.
Серьёзным препятствием для распространения композиционных материалов является плохое приспосабливание традиционных технологий их выпуска к потребностям современного крупносерийного производства, к тому же полностью автоматизированного. На сегодняшний день композитные детали все-таки остаются «штучным товаром». Дорогой труд опытного персонала вносит высокий вклад в долю стоимости этих материалов. Несмотря на это, за последние годы мы достигли значительного прогресса в подготовке автоматических методов производства композитов. SMC-технология стала одной из самых востребованных разработок.
Конечные изделия по такой технологии подлежат двухстадийному процессу. Первая стадия технологии характеризуется тем, что производится препрег на автоматической конвейерной установке, а уже на второй стадии происходит переработка препрега в стальных пресс-формах в готовые детали. Опишем эти этапы подробнее. Ненасыщенная полиэфирная смола используется в качестве основы для связующего материала. К ее достоинствам относится низкая цена и короткое время отверждения. Армирующим компонентом выступает рубленое стекловолокно, которое хаотично распределяется в объёме листа. Долгое хранение в течение нескольких месяцев при комнатной температуре обеспечено системой отверждения смолы. Химические загустители увеличивают вязкость связующего после того как стекловолокно было пропитано на несколько порядков, благодаря чему улучшается технологичность препрега, а также увеличивается срок его хранения. Минеральные наполнители, которые вводятся в связующее в большом количестве, повышают огнестойкость готовых изделий и, а качество их поверхности заметно улучшается.
Получившийся препрег, подлежит переработке в автоматическом процессе благодаря прессованию в обогреваемых стальных пресс-формах. Эти формы по конструкции похожи на литьевые формы для термопластов. Благодаря рецептуре связующего препрег твердеет при температуре 150 С и давлении 50-80 бар со скоростью ~30 сек/мм толщины. Очень низкая усадка при затвердении является важной особенностью технологии SMC. Благодаря высокому содержанию минерального наполнителя и специальных термопластичных добавок усадка получается величиной до 0,05%. У полученных изделий ударная вязкость составляет 50-100 кДж/м 2 , а разрушительная прочность на изгиб - 120-180 МПа. Экономически целесообразно использовать SMC технологию при получении высококачественных композитных изделий большими партиями от нескольких тысяч до сотен тысяч в месяц. На европейском рынке похожих материалов выпускается сотни тысяч в год. Электроэнергетическая, автомобильная и железнодорожная промышленности являются крупнейшими потребителями этих материалов.
7. Метод RTM (Resin Transfer Moulding).
Метод RTM основывается на пропитке и формовании композитов под давлением, в процессе которого связующее вещество переходит в закрытую матрицу, в которой уже содержится наполнители или преформы. Различные ткани разнообразного переплетения могут выступать как армирующий материал, например, мультиаксиальный или эмульсионный материал, и порошковые стекломаты. Связующим веществом выступает смола, которая гелеобразуется 50-120 мин, имеющая низкую динамическую вязкость. ГОСТ 28593-90 определяет вязкость и время гелеобразования смолы.
Такой метод отлично подойдет для стандартных объёмов 500 -10000 изделий в год. Конструкция матрицы состоит из композиционных или стальных форм, которые повторяют с двух сторон внешние обводы детали. Конструкции обладают высокотемпературными характеристиками, которые удерживаются точным совмещением закрытых стальных рам, которые поддерживаются в местах зажимов.
Этот метод идеален для производства матриц 0,2м 2 до 100м 2 . Конструкция матрицы состоит из композиционных или стальных форм. Контур матрица состоит из более легкой и гибкой конструкции. Половинки матрицы соединяются между собой под воздействием вакуума.
Преимущества технологии RTM:
- автоматизированное производство, благодаря чему уменьшается случайный характер вмешательства человека;
- происходит сокращение и контроль количества используемого сырья;
- снижено влияние материла на экологию;
- улучшены условия труда;
- создаются относительно прочные изделия, за счет лучшей пропитки;
- относительно дешевое оборудование.
Композитные материалы , или, как их принято называть, композиты , произвели революцию во многих отраслях промышленности и стали популярными в высокотехнологичных изделиях, которые должны характеризоваться малым весом, но одновременно и высокой стойкостью к механическим нагрузкам. Ожидаемые экономические выгоды в таких высокотехнологичных проектах, как разработки в области военной и космической техники, связаны, в первую очередь, с легкими, стойкими к воздействию высоких температур композитными материалами, позволяющими снизить вес конечных изделий, эксплуатационные расходы и расход горючего.
Современная авиация, как военная, так и гражданская, была бы значительно менее эффективной без композитных материалов. Фактически требования именно этой отрасли промышленности для материалов (которые, с одной стороны, должны быть легкими, а с другой стороны – достаточно прочными) и были главной направляющей силой в их разработке и развитии. Сейчас является общепринятым, чтобы крылья самолетов, их хвостовое оперение, пропеллеры, лопатки турбин двигателей были выполнены из современных композитных материалов. Это же касается и большей части их внутренней структуры и частей фюзеляжа. Корпуса некоторых небольших летательных аппаратов уже полностью выполнены из композитных материалов. В больших коммерческих самолетах из таких материалов, как правило, выполнены крылья, хвостовое оперение и панели корпуса.
Композитные разъемы для внутренних подключений, поставляемые на рынок в соответствии с его запросами и требованиями потребителей, успешно заменяют собой прежние разъемы, которые изготавливали из латуни, никеля, алюминия, бронзы или нержавеющей стали. Разъемы из композитных материалов идеально подходят для использования в условиях окружающей среды, где требуется стойкость к высоким температурам и выполнение требований по электромагнитной совместимости. При их использовании практически не выделяются токсичные газообразные продукты и, в частности, что особенно важно, галогены. Композитные материалы более прочны, чем сталь, они обеспечивают высокую коррозионную стойкость, имеют более высокую надежность и долговечность и при этом обладают еще и существенно меньшим весом, чем их выполненные из стали аналоги.
Производство композитных материалов
Композиты состоят из нескольких отдельных материалов. Цель создания композитного материала – создать некую новую субстанцию, которая комбинирует свойства ее составляющих частей наиболее выгодным способом. В композитных материалах имеется две составляющие: матрица (связующее) и армирующие элементы (наполнители).
Для создания композитного материала требуется наличие, по крайней мере, одного составляющего каждого вида. Для матрицы большинство современных композиционных материалов используют термопластичные или термореактивные пластмассы (также называемые смолами). Пластмассы – это полимеры, которые скрепляют армирующие элементы, и именно они помогают задать нужные физические свойства конечного продукта.
Термопластичные пластмассы характеризуются тем, что они тверды при низких температурах, но размягчаются при нагревании. Хотя они используется реже, чем термореактивные пластмассы, они в действительности имеют некоторые преимущества, например, большую вязкость разрушения, продолжительный срок годности в виде сырья, возможность повторной переработки. Использование термопластичных пластмасс более безопасно и менее загрязняет рабочее место, потому что при подготовке их к непосредственному использованию нет надобности в органических растворителях для их затвердевания.
Серия Deutsch ACT представляет собой высокопроизводительные композитные разъемы , выполненные в соответствии со стандартом MIL-DTL-38999 .
Производительность любого разъема складывается из производительности его составных частей. Использование композитных материалов в серии ACT увеличило прочность корпуса разъема и фиксирующего резьбового механизма, в результате чего количество возможных циклов сочленений достигло 1500. Также применение композитных материалов повысило стойкость разъемов к коррозии (2000 часов в условиях солевого тумана). Кроме того, в конструкции данной серии разъемов предусмотрены фиксаторы, которые благоприятно влияют на производительность и продолжительность жизненного цикла соединителя.
Реактопласты, или термореактивные пластмассы , в исходном виде находятся в жидком состоянии, но затвердевают и становятся твердыми (вулканизируются) после их нагревания. Процесс затвердевания необратим, таким образом, эти материалы уже не становятся мягкими под воздействием высоких температур. Когда пластмассовая матрица усилена, например, стекловолокнами, реактопласты успешно противостоят износу и воздействию агрессивных химикатов, они являются весьма долговечными даже в условиях крайне неблагоприятной окружающей среды. Такие материалы обеспечивают как гибкость конструкции, так и высокую электрическую прочность.
Если классифицировать композиты по материалу матрицы, то различают: композиты-реактопласты, композиты с использованием коротких (рубленых) волокон и реактопласты с длинными волокнами или усиленные волокнами. Наиболее известные материалы для таких матриц: полиэфиры (полиэстер), эпоксидные смолы, фенолформальдегиды, полиимиды, полиамиды и полипропилен. Керамика, углерод и металлы также используются как матрицы для некоторых очень специфических применений. Например, керамика используется в случае, когда материал подвергается воздействию очень высоких температур, а углерод используется для изделий, которые подвержены трению и износу.
Полимеры используются не только в качестве материала для матрицы, они также используются и в качестве хорошо зарекомендовавших себя армирующих материалов для усиления композитов. Например, кевлар – полимерное волокно, которое является очень прочным и добавляет в композитный материал жесткость в сочетании с вязкостью. Хотя стекловолокна – наиболее часто употребляемый вариант армирования, в композитах может также быть использовано армирование элементами из металла в виде арматуры, усиливающее другие металлы, как, например, в металло-матричных композитных материалах (MMC). По сравнению с композитами на основе полимерных матриц, MMC являются более стойкими к воспламенению и могут работать в более широком диапазоне температур, не гигроскопичны, имеют более высокую электропроводность и удельную теплопроводность, они стойки к воздействию радиационного облучения и не выделяют токсичные газы. Однако они, как правило, более дороги, чем заменяемые ими аналоги, и используются там, где их более высокие технические характеристики и свойства могут оправдать увеличение стоимости.
На сегодня эти материалы наиболее часто находят применение в узлах самолетов и космических системах.
Прочность и устойчивость к повышенным температурам – наиболее важные характеристики в полимерах, используемых для высокотехнологических приложений. Изделия, предназначенные для коммерческих и военных космических приложений, должны быть изготовлены с использованием так называемых специальных конструкционных пластмасс (в англоязычной технической литературе – «engineering plastics») или других специализированных высокотемпературных полимеров. Конструкционные пластмассы типа полиэфиримида (PEI), полифталамида (PPA), полифениленсульфида (PPS) и полиэстеримида (Polyamide-imide – PAI) разработаны и предназначены именно для использования в условиях повышенной рабочей температуры. Смолы типа полиэфирэфиркетона (PEEK) и различные жидкокристаллические полимеры (LCP) также способны противостоять чрезвычайно высоким температурам. Эти современные высокотехнологичные пластики также удовлетворяют требованиям по выделению токсичных газов и устойчивы к воспламенению.
Преимущества использования композиционных материалов
Мы зависим от композиционных материалов в целом ряде моментов нашей повседневной жизни. Композитные материалы на основе стекловолокна были разработаны еще в конце 40-х годов прошлого столетия, они являются первыми современными композитными материалами и до сих пор находят широкое применение. В общем объеме выпускаемых на текущее время композитных материалов материалы на основе стекловолокна занимают примерно 65%. Вы можете использовать изделия, сделанные из стекловолоконного композитного материала, даже не подозревая этого.
Все увеличивающееся количество производителей композитных материалов и рост их предложений на рынке позволяет потребителям выбирать нужный материал с учетом целого ряда их преимуществ, таких как:
- Композиты невероятно легки и поэтому находят все большее применение в системах внутренних подключений (разъемы), для которых малый вес является определяющим. Для большинства таких приложений типичное снижение веса при использовании композитов по сравнению с алюминием составляет приблизительно 40 %, и 80 % по сравнению с деталями из латуни и нержавеющей стали.
- Композитные материалы чрезвычайно прочны. Как пример, высокопрочные композиты, структурированные волокном, широко используются в бронежилетах. Благодаря высокой прочности таких композитных материалов солдаты хорошо защищены от осколков и пуль.
- Композиты являются очень стойкими к агрессивным химическим реагентам, они никогда не будут ржаветь или разъедаться. Это как раз то, почему морская индустрия была одной из первых, которая приняла их для использования.
- Полимерные пластики менее подвержены механическому резонансу, поэтому детали с резьбовыми соединениями, выполненные из таких материалов, с меньшей долей вероятности ослабятся и отвинтятся при воздействии ударов и сильной вибрации.
- Некоторые композиты не электропроводны. Это важно, потому что часто композитные материалы необходимы там, где нужна прочность и высокие электроизоляционные свойства.
- Композиты могут ослаблять магнитные поля, уменьшать влияние магнитных полей на коррозию и заглушать так называемую «акустическую подпись», то есть характерное для каждого устройства акустическое излучение, что является весьма важным свойством при разработке изделий, для которых важна малая вероятность их обнаружения.
Детали из композитов будут разрушаться под напряжением со значительно меньшей степенью вероятности, чем детали из металла. Небольшая трещина в металлической детали может развиться в катастрофическую, причем очень быстро и с очень серьезными последствиями. Волокнистые материалы в своей сложной композитной структуре могут распределить внутреннее напряжение и блокировать расширение небольших трещин.
Нагрузка в любом композите распределяется по его волокнам, именно волокна несут всю нагрузку, поэтому их тип, количество, ориентация и линейность определяют их эффективность. Стекловолоконные композиты используются для приложений, в которых одновременно требуются жесткость, высокие электроизоляционные свойства и абразивная стойкость. Углеродные волокна в композиционных материалах используются для приложений, требующих высокой прочности и жесткости. Матрица из смолы в композите, распределенная между волокнами, предохраняет их и удерживает волокна в их правильной локализации и ориентации. Тип смолы матрицы определяет ее абсорбционные свойства, как к воде (гигроскопичность), так и к химическим соединениям, механические свойства при высоких температурах, прочность на сжатие и механическую жесткость.
Кроме того, тип смолы определяет метод изготовления конечного изделия и его стоимость относительно альтернативных типов смол и методов изготовления.
Использование композитов в оборонной и авиационной промышленности
Самое главное из всех преимуществ композитных материалов – их прочность и жесткость, объединенные с малым удельным весом. Наиболее трудно конструировать сложные детали из композитов, которые используют в своих целях перечисленные свойства, но при этом должны выполнять необходимые требования по геометрическим размерам, установке и функциональному использованию. Но, выбирая соответствующую комбинацию армирующего материала и материала матрицы, производители могут обеспечить все необходимые характеристики изделия, которые будут соответствовать требованиям как для его конкретной конструкции, так и для специфической цели его использования.
Электрические соединители, которые применяются для подачи питания и передачи данных в изделиях, предназначенных для использования в вооруженных силах и космической технике, постоянно уменьшаются в размерах и весе. Многие военные заказчики ищут меньшие по габаритам, более легкие и более гибкие решения, которые соответствуют жестким индустриальным требованиям по прочности и долговечности. Недавние разработки в области конструктивных решений и материалов позволили совершить скачок в технологии производства и исполнения соединителей, которые обеспечивают как их высокие технические характеристики, так и необходимые требования по защите окружающей среды.
Композиты – это основа многих современных проектов в области развития устройств с минимально заметным действием. Одним из них являются беспилотные летательные аппараты (БЛА). Композитные материалы весьма активно использовались в их конструкции, результатом чего стала возможность их обнаружения только лишь с близкого расстояния.
Композиты обеспечивают высокую долговечность и жесткость, благодаря чему они являются подходящими материалами для систем, которые используются в авионике.
Эти материалы дают уменьшение веса, высокую прочность и эксплуатационную устойчивость, что значительно превышает аналогичные характеристики многих металлов и некомпозитных термореактивных материалов.
Особое состояние окружающей среды в космосе требует и особых узлов, которые могут использоваться в условиях космического пространства, кроме того, они должны отвечать требованиям по отсутствию выделения токсичных газов и быть изготовленными из немагнитных материалов. Композиты на основе углерода – основной материал в современных ракетоносителях и тепловых экранах многоразовых космических кораблей. Они также широко используются в отражателях антенн, траверсах космического корабля, в переходниках к отсеку полезного груза, межблочных конструкциях и тепловых экранах многоразовых космических кораблей.
Несомненный факт, что композитные материалы все чаще разрабатываются под специфические требования к системам внутренних подключений, несмотря на усложнение как их конструкции, так и производственного процесса их изготовления, эти материалы благодаря своим свойствам стоят того, чтобы их использовать. Камень преткновения при использовании композитов – обычно их стоимость. Хотя сами производственные процессы изготовления, когда используются композитные материалы, часто более эффективны, однако само сырье – дорого. Конечно, композиты никогда не смогут полностью заменить традиционные материалы, такие, например, как сталь, однако существенные преимущества композитов дают реальную экономию средств, уменьшая расход горючего и экономя на обслуживании системы в целом, увеличивают срок службы для большого количества изделий оборонного и космического назначения. Без сомнения, мы должны знать обо всех возможностях, которые композиты могут нам дать.
По материалам сайта www.connectorsupplier.com
Дженни Бикша (Jenny Bieksha, Bishop & Associates Inc.)
Перевод: Владимир Рентюк
Статья опубликована в журнале «Вестник Электроники» №1 2014
Композиционные материалы – искусственно созданные материалы, которые состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу и разделенных выраженной границей, и которые имеют новые свойства, запроектированные заранее.
Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку. Компонент, непрерывный во всем объеме композиционного материала, называется матрицей . Компонент прерывистый, разделенный в объеме композиционного материала, называется арматурой . Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств композиционного материала, защищает арматуру от механических повреждений и других воздействий среды.
В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы , полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее : плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред. Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой , и и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Вместо термина армирующий компонент можно использовать термин наполнитель.
Классификация композиционных материалов
По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяются на три группы:
- с нульмерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;
- с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превышает два других;
- с двухмерными наполнителями, два размера которых значительно превышают третий.
По схеме расположения наполнителей выделяют три группы композиционных материалов:
- с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;
- с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях;
- с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его расположении.
По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:
- композиционные материалы, содержащие компонент из металлов или сплавов;
- композиционные материалы, содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;
- композиционные материалы, содержащие компонент из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;
- композиционные материалы, содержащие компонент из органических соединений эпоксидных, полиэфирных, фенольных и др.
Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и от прочности связи между ними. Максимальная прочность достигается, если между матрицей и арматурой происходит образование или .
В композиционных материалах с нульмерным наполнителем наибольшее распространение получила металлическая матрица. Композиции на металлической основе упрочняются равномерно распределенными дисперсными частицами различной дисперсности. Такие материалы отличаются .
В таких материалах матрица воспринимает всю нагрузку, а дисперсные частицы наполнителя препятствуют развитию пластической деформации. Эффективное упрочнение достигается при содержании 5…10 % частиц наполнителя. Армирующими наполнителями служат частицы тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов. Дисперсионно упрочненные композиционные материалы получают методами порошковой металлургии или вводят частицы армирующего порошка в жидкий расплав металла или сплава.
Промышленное применение нашли композиционные материалы на основе , упрочненные частицами оксида алюминия (Al 2 O 3). Их получают прессованием алюминиевой пудры с последующим спеканием (САП). Преимущества САП проявляются при температурах выше 300 o С, когда алюминиевые сплавы разупрочняются. Дисперсионно упрочненные сплавы сохраняют эффект упрочнения до температуры 0,8 Т пл .
Сплавы САП удовлетворительно деформируются, легко обрабатываются резанием, свариваются и . Из САП выпускают полуфабрикаты в виде листов, профилей, труб, фольги. Из них изготавливают лопатки компрессоров, вентиляторов и турбин, поршневые штоки.
В композиционных материалах с одномерными наполнителями упрочнителями являются одномерные элементы в форме нитевидных кристаллов, волокон, проволоки, которые скрепляются матрицей в единый монолит. Важно, чтобы прочные волокна были равномерно распределены в пластичной матрице. Для армирования композиционных материалов используют непрерывные дискретные волокна с размерами в поперечном сечении от долей до сотен микрометров.
Материалы, армированные нитевидными монокристаллами, были созданы в начале семидесятых годов для авиационных и космических конструкций. Основным способом выращивания нитевидных кристаллов является выращивание их из перенасыщенного пара (ПК-процесс). Для производства особо высокопрочных нитевидных кристаллов оксидов и других соединений осуществляется рост по П-Ж-К – механизму: направленный рост кристаллов происходит из парообразного состояния через промежуточную жидкую фазу.
Осуществляется создание нитевидных кристаллов вытягиванием жидкости через фильеры. Прочность кристаллов зависит от сечения и гладкости поверхности.
Композиционные материалы этого типа перспективны как . Для увеличения КПД тепловых машин лопатки газовых турбин изготавливают из никелевых сплавов, армированных нитями сапфира (Al 2 O 3), это позволяет значительно повысить температуру на входе в турбину (предел прочности сапфировых кристаллов при температуре 1680 o С выше 700 МПа).
Армирование сопл ракет из порошков вольфрама и молибдена производят кристаллами сапфира как в виде войлока, так и отдельных волокон, в результате этого удалось удвоить материала при температуре 1650 o С. Армирование пропиточного полимера стеклотекстолитов нитевидными волокнами увеличивает их прочность. Армирование литого металла снижает его в конструкциях. Перспективно упрочнение стекла неориентированными нитевидными кристаллами.
Для армирования композиционных материалов применяют металлическую проволоку из разных металлов: стали разного состава, вольфрама, ниобия, – в зависимости от условий работы. Стальная проволока перерабатывается в тканые сетки, которые используются для получения композиционных материалов с ориентацией арматуры в двух направлениях.
Для армирования легких металлов применяются волокна бора, карбида кремния. Особенно ценными свойствами обладают углеродистые волокна, их применяют для армирования металлических, керамических и полимерных композиционных материалов.
Эвтектические композиционные материалы – сплавы эвтектического или близкого к эвтектическому состава, в которых упрочняющей фазой выступают ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации. В отличие от обычных композиционных материалов, эвтектические получают за одну операцию. Направленная ориентированная структура может быть получена на уже готовых изделиях. Форма образующихся кристаллов может быть в виде волокон или пластин. Способами направленной кристаллизации получают композиционные материалы на основе , кобальта, ниобия и других элементов, поэтому они используются в широком интервале температур.
Введение
Введение
Композиционный материал – неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу, обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. Механическое поведение композита определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик. В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композита, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композитах, в отличие от металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.
Преимущества композиционных материалов:
Высокая удельная прочность;
Высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 ГПа);
Высокая износостойкость;
Высокая усталостная прочность;
Из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции, причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами.
Наиболее частые недостатки композиционных материалов:
Высокая стоимость;
Анизотропия свойств;
Повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.
1. Классификация композиционных материалов
Композиты – многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической., углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные композиционные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойств композиционных материалов. Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки композиционных материалов.
По структуре наполнителя композиционные материалы подразделяют на волокнистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами), слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями), дисперсноармированные, или дисперсно-упрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц). Матрица в композиционных материалах обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне- и хим. стойкость.
По природе матричного материала различают полимерные, металлические, углеродные, керамические и др. композиты.
Композиционные материалы с металлической матрицей представляют собой металлический материал (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненный высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое.
Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы, коксованные или пироуглеродные, получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.
Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длинны волокна к диаметру относительно невелико, и с непрерывным волокном. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длинны к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.
Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.
Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50 – 10 %), модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости. Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.
Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана. Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. Перспективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др. Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исчезает внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью волокнистых одноосных композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения. Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления с полями напряжения. Необходимо учитывать, что матрица может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно – матрица. Для предотвращения контакта между волокнами матрица должна полностью окружать все волокна, что достигается при содержании ее не менее 15-20 %. Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при изготовлении и эксплуатации, так как это может привести к понижению прочности композиционного материала. Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, борида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени с повышением температуры.
Основным недостатком композиционных материалов с одно и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого лишены материалы с объемным армированием.
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 и редкоземельных металлов), не растворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала до 0,9-0,95 Тпл. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов. Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – САП (спеченный алюминиевый порошок).
2. Состав, строение и свойства композиционных материалов
Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей. Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80 об.%, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) 20-30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению. В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала. Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях. Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных.
Наибольшее применение в строительстве и технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят: полимерные композиционные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальдегидных, полиамидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и др. волокнами; металлические композиционные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой; композиционные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы); композиционные материалы на основе керамики, армированной углеродными, карбидокремниевыми и др. жаростойкими волокнами и SiC. При использовании углеродных, стеклянных, амидных и борных волокон, содержащихся в материале в кол-ве 50-70%, созданы композиции с удельной прочностью и модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые композиционные материалы превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и др. свойствам. Так, армирование сплавов Аl волокнами бора значительно улучшает их механические характеристики и позволяет повысить температуру эксплуатации сплава с 250-300 до 450-500 °С. Армирование проволокой (из W и Мо) и волокнами тугоплавких соединений используют при создании жаропрочных композиционных материалов на основе Ni, Cr, Co, Ti и их сплавов. Так, жаропрочные сплавы Ni, армированные волокнами, могут работать при 1300-1350°С. При изготовлении металлических волокнистых композиционных материалов нанесение металлической матрицы на наполнитель осуществляют в основном из расплава материала матрицы, электрохимическим осаждением или напылением. Формование изделий проводят гл. обр. методом пропитки каркаса из армирующих волокон расплавом металла под давлением до 10 МПа или соединением фольги (матричного материала) с армирующими волокнами с применением прокатки, прессования, экструзии при нагреве до температуры плавления материала матрицы.
Один из общих технологических методов изготовления полимерных и металлических волокнистых и слоистых композиционных материалов – выращивание кристаллов наполнителя в матрице непосредственно в процессе изготовления деталей. Такой метод применяют, напр., при создании эвтектических жаропрочных сплавов на основе Ni и Со. Легирование расплавов карбидными и интерметаллическими соединениями, образующими при охлаждении в контролируемых условиях волокнистые или пластинчатые кристаллы, приводит к упрочнению сплавов и позволяет повысить температуру их эксплуатации на 60-80oС. Композиционные материалы на основе углерода сочетают низкую плотность с высокой теплопроводностью, хим. стойкостью, постоянством размеров при резких перепадах температур, а также с возрастанием прочности и модуля упругости при нагреве до 2000 °С в инертной среде. Высокопрочные композиционные материалы на основе керамики получают при армировании волокнистыми наполнителями, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами. Армирование непрерывными волокнами SiC позволяет получать композиционные материалы, характеризующиеся повышенной вязкостью, прочностью на изгиб и высокой стойкостью к окислению при высоких температурах. Однако армирование керамики волокнами не всегда приводит к значительному повышению ее прочностных свойств из-за отсутствия эластичного состояния материала при высоком значении его модуля упругости. Армирование дисперсными металлическими частицами позволяет создать керамико-металлические материалы (керметы), обладающие повышенной прочностью, теплопроводностью, стойкостью к тепловым ударам. При изготовлении керамических композиционных материалов обычно применяют горячее прессование, прессование с последующим спеканием, шликерное литье. Армирование материалов дисперсными металлическими частицами приводит к резкому повышению прочности вследствие создания барьеров на пути движения дислокаций. Такое армирование гл. обр. применяют при создании жаропрочных хромоникелевых сплавов. Материалы получают введением тонкодисперсных частиц в расплавленный металл с последующей обычной переработкой слитков в изделия. Введение, напр., ТhO2 или ZrO2 в сплав позволяет получать дисперсноупрочненные жаропрочные сплавы, длительно работающие под нагрузкой при 1100-1200°С (предел работоспособности обычных жаропрочных сплавов в тех же условиях 1000-1050°С). Перспективное направление создания высокопрочных композиционных материалов – армирование материалов нитевидными кристаллами ("усами"), которые вследствие малого диаметра практически лишены дефектов, имеющихся в более крупных кристаллах, и обладают высокой прочностью. Наиболее практический интерес представляют кристаллы Аl2О3, BeO, SiC, B4C, Si3N4, AlN и графита диаметром 1-30 мкм и длиной 0,3-15 мм. Используют такие наполнители в виде ориентированной пряжи или изотропных слоистых материалов наподобие бумаги, картона, войлока. Введение в композицию нитевидных кристаллов может придавать ей необычные сочетания электрических и магнитных свойств. Выбор и назначение композиционных материалов во многом определяются условиями нагружения и температурой эксплуатации деталей или конструкций, технол. возможностями. Наиболее доступны и освоены полимерные композиционные материалы. Большая номенклатура матриц в виде термореактивных и термопластичных полимеров обеспечивает широкий выбор композиционные материалы для работы в диапазоне от отрицательных температур до 100-200°С – для органопластиков, до 300-400 °С – для стекло-, угле – и боропластиков. Полимерные композиционные материалы с полиэфирной и эпоксидной матрицей работают до 120-200°, с феноло-формальдегидной – до 200-300 °С, полиимидной и кремнийорганической – до 250-400°С. Металлические композиционные материалы на основе Аl, Mg и их сплавов, армированные волокнами из В, С, SiC, применяют до 400-500°С; композиционные материалы на основе сплавов Ni и Со работают при температуре до 1100-1200 °С, на основе тугоплавких металлов и соединений – до 1500-1700°С, на основе углерода и керамики – до 1700-2000 °С. Использование композитов в качестве конструкционных, теплозащитных, антифрикционных, радио – и электротехнических и др. материалов позволяет снизить массу конструкции, повысить ресурсы и мощности машин и агрегатов, создать принципиально новые узлы, детали и конструкции. Все виды композиционные материалы применяют в химической, текстильной, горнорудной, металлургической промышленности, машиностроении, на транспорте, для изготовления спортивного снаряжения и др.
3. Экономическая эффективность применения композиционных материалов
Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей, лопаток компрессора и турбины и т. д.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т. д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т. д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т. д.) и в других областях народного хозяйства.
Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачек в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов. Композиционные материалы с неметаллической матрицей, а именно полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании и другом. Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры. Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов, трансмиссионные валы вертолетов и т. д.). Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электрорадиопромышленности, авиационной технике и т. д.
Список использованной литературы
Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы/ Г.И. Горчаков, Ю.М. Баженов. – М.: Стройиздат, 1986.
Строительные материалы / Под ред.В.Г. Микульского. – М.: АСВ, 2000.
Общий курс строительных материалов / Под ред. И.А. Рыбьева. – М.: Высшая школа, 1987.
Строительные материалы / Под ред.Г.И. Горчакова. – М: Высшая школа, 1982.
Эвальд В.В. Строительные материалы, их изготовление, свойства и испытания/ В.В. Эвальд. – С-Пб.: Л-М, 14-ое изд.,1933.
Композиционный материал
Композицио́нный материа́л (компози́т, КМ ) - искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.
Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.
В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов , повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.
Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это - гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита, пропитанные эпоксидными клеями), фанера … Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. Булат - один из древнейших композиционных материалов. В нем тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.
В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит - и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр.
Классификация композитов
Композиты обычно классифицируются по виду армирующего наполнителя:
- волокнистые (армирующий компонент - волокнистые структуры);
- слоистые;
- наполненные пластики (армирующий компонент - частицы)
- насыпные (гомогенные),
- скелетные (начальные структуры, наполненные связующим).
Преимущества композиционных материалов
Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно. Исключением являются препреги , которые являются полуфабрикатом для изготовления конструкций. Стоит сразу оговорить, что КМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства.
- высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа)
- высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 - 240 ГПа)
- высокая износостойкость
- высокая усталостная прочность
- из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции
- легкость
Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.
Недостатки композиционных материалов
Композиционные материалы имеют достаточно большое количество недостатков, которые сдерживают их распространение.
Высокая стоимость
Высокая стоимость КМ обусловлена высокой наукоёмкостью производства, необходимостью применения специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.
Анизотропия свойств
Низкая ударная вязкость
Высокий удельный объем
Гигроскопичность
КМ могут впитывать также другие жидкости, обладающие высокой проникающей способностью, например, авиационный керосин .
Токсичность
При эксплуатации КМ могут выделять пары, которые часто являются токсичными . Если из КМ изготавливают изделия, которые будут располагаться в непосредственной близости от человека (таким примером может послужить композитный фюзеляж самолета Boeing 787 Dreamliner), то для одобрения применяемых при изготовлении КМ материалов требуются дополнительные исследования воздействия компонентов КМ на человека.
Низкая эксплуатационная технологичность
Композиционные материалы обладают низкой эксплуатационной технологичностью , низкой ремонтопригодностью и высокой стоимостью эксплуатации. Это связано с необходимостью применения специальных трудоемких методов, специальных инструментов для доработки и ремонта объектов из КМ. Часто объекты из КМ вообще не подлежат какой-либо доработке и ремонту.
Области применения
Товары широкого потребления
Характеристика
Технология применяется для формирования на поверхностях в парах трения сталь -резина дополнительных защитных покрытий . Применение технологии позволяет увеличить рабочий цикл уплотнений и валов промышленного оборудования, работающих в водной среде .
Композиционные материалы состоят из нескольких функционально отличных материалов. Основу неорганических материалов составляют модифицированные различными добавками силикаты магния , железа , алюминия . Фазовые переходы в этих материалах происходят при достаточно высоких локальных нагрузках, близких к пределу прочности металла . При этом на поверхности формируется высокопрочный металлокерамический слой в зоне высоких локальных нагрузок, благодаря чему удается изменить структуру поверхности металла.
- брони для военной техники
Литература
- Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. - М.: Машиностроение, 1988. - 272 с.
- Карпинос Д. М. Композиционные материалы. Справочник. - Киев, Наукова думка
См. также
Примечания
Ссылки
Wikimedia Foundation . 2010 .