Možnosti uporabe kompozitnih materialov v strojništvu. Kompozitni materiali, področja uporabe

Značilnosti načrtovanja in izvedbe izdelkov iz CM

Pri načrtovanju, izdelavi in ​​uvajanju izdelkov iz kompozitnih materialov na osnovi vlaknastih polnil (FCM) niUpoštevati je treba številne značilnosti tega razreda materialov:

a) Anizotropija fizikalnih in mehanskih značilnosti ECM.

Če imajo tradicionalni materiali (jeklo, lito železo), kot tudi disperzijsko ojačani CM izotropne lastnosti, potem imajo ECM izrazito anizotropijo značilnosti. Če se značilnosti vlaknaste ojačitve in matrice bistveno razlikujejo, se lahko razmerje med značilnostmi ECM v različnih smereh razlikuje v širokem razponu: od 3-5-krat do 100-krat ali več.

b) Pri načrtovanju konstrukcij iz tradicionalnih materialov se projektant ukvarja s polizdelki v obliki plošč. jeklo, profilni valjani izdelki, ulitki itd. z zagotovljenimi dobavitelji com lastnosti. Njegova naloga je izbrati primerne polizdelke catov, določanje geometrije na podlagi funkcionalnega namena, in načine povezovanja posameznih delov. Naloga tehnologa je zagotoviti predpisano obliko, velikost in kakovost konstrukcijske povezave nih elementov. Analiza procesov, ki se pojavljajo na vseh stopnjah ustvarjanja polizdelka, pridobivanje materiala z zahtevano stopnjo lastnosti teristika je v pristojnosti znanstvenikov o materialih. Prišel je čas Formalna in organizacijska delitev procesa pridobivanja izdelkov iz tradicionalnih materialov na tri stopnje:

- znanost o materialih- pridobivanje materiala z zahtevanimi lastnostmiznačilnosti;

- oblikovanje- projektiranje konstrukcijskih izdelkov;

- tehnološko- izdelava izdelkov in strojev.

Ti stopnji sta časovno ločeni in se lahko štejeta za nepovezanimed seboj, če oblikovalca vodijo lastnosti materiala, ki so jih dosegli znanstveniki za materiale, in ima skupne zamisli informacije o stopnji sodobnih tehnologij.

Proizvodnja konstrukcij iz CM se praviloma pojavi v eni tehnološki operaciji z ustvarjanjem materiala. V tem primeru sinhrono toda pri izdelavi strukture pride do zapletenih fizikalno-kemijskih procesov in termofizikalni procesi, povezani s tvorbo strukture in agregatnimi transformacijami matrice, njeno interakcijo z ojačitvenim materialom. Spremljajo jih mehanski pojavi, neposredno vpliva na lastnosti materiala in nosilnost kompozitadelov, za nastanek napak v njem v neobremenjenem stanju. Zato mora oblikovalec, ki oblikuje izdelke iz CM, pri razvoju poznati in upoštevati načela materialne znanosti o ustvarjanju CM. in tehnološke metode za proizvodnjo izdelkov iz CM. Ustvarja tehnolog brez projektantskega znanja o obremenitvah in pogojih delovanja ne more proizvajati izdelkov iz VCM, pri čemer učinkovito uporablja razlike med CM in tradicionalnimi materiali, ker Lastnosti CM so odvisne od strukturnih in geometrijskih dejavnikov (volumenska vsebnost ojačitvenih vlaken in matrice, število in razporeditev plasti in itd.), ki niso vnaprej znane. Zato mora biti pristopstrukturno in tehnološko, kar določa organizacijske značilnostiprednosti proizvodnje izdelkov iz CM.

V)Zaradi tesne povezave med stopnjami proizvodnih strukturcije iz KM - ustvarjanje materiala, konstrukcij in proizvodne tehnologije - učinkovitejša postane uporaba specializiranih oblikovalskih birojev,ki ima oblikovalski in tehnološki potencial, opremljenračunalniško tehnologijo in zmogljivo, a prilagodljivo, izkušeno proizvodnjonosti, saj je treba vse oblikovalske rešitve izdelatitestiranje na prototipih izdelkov. Takšen pristop k organizaciji proizvodnje bi moral biti v vsaki panogi, kjer se CM pogosto uporablja.Spremembe: v gradbeništvu, prometu, letalstvu, kemijski mapnevmatikarstvo, elektroindustrija itd., saj predzahteve zanje so zelo različne.

G)Pri oblikovanju delov iz polimernih kompozitnih materialov je potrebnoupoštevati njihove slabosti:

Nizka strižna trdnost;

Nizke kompresijske lastnosti;

Povečano lezenje;

Relativno nizka toplotna odpornost PCM.

Posebno pozornost je treba nameniti povezavam izdelkov PCM zaradi nizke strižne in kontaktne trdnosti.

d)Kljub velikemu interesu za omejevanje državnih vprašanj raziskave, zanesljive metode za določanje varnostnih mejni nobenih strukturnih elementov iz CM. Zaradi kompleksnosti problemov, povezanih z močjo izdelkov iz CM, se vaš pomen povečuje metode burje pri obdelavi rezultatov eksperimentalnih preizkusov ny.

Trenutno je ocena trdnosti konstrukcij iz CM sestavljena iz niza preskusov, ki vključujejo:

100 % preizkušeno pod operativnimi obremenitvami;

Selektivni testi za uničenje strukturenia.

Zagotavljanje kakovosti in uspešen zaključek teh dveh vrst testov zagotavlja stabilnost tehnološki procesi.

IN zadnja leta v ospredje pride individualna ocena trdnosti posameznega dela z metodami neporušnih preiskavraziskave - ultrazvok, akustična emisija itd.

e)Določitev toleranc in prileganja na delih iz CM.

Ker oblikovanje površin pri izdelkih iz CM poteka na različne načine (navijanje, stiskanje, polaganje itd.) in jih največkrat niso podvrženi mehanski obdelavi, potem je sistem doizstrelitve in zahteve za čistočo površin je treba zgraditi zelo prilagodljiva. Podoben pristop je treba uporabiti pri regulaciji masne disperzije, povezane z disperzijo parametrov vhodnih materialov in njihovega razmerja v CM, videz med tehnološkim procesom prostornine, ki se razlikujejo po usmerjenosti polnila itd.

in)Prehod na CM v proizvodnji inženirskih izdelkov vpliva na vprašanja detajliranja strojnih komponent. Ker material kon je prilagojen posebnim delom, ki jih v prihodnosti ni zaželeno obdelovati, potem seveda stoji vprašanje spajanja posameznih delov. Metode izdelave raziskavo podobnih strojnih komponent iz kovin, tudi v tem primeruneučinkovito ali popolnoma nesprejemljivo. V zvezi s tem je priporočljivoDrugače je narediti celoten sklop iz CM, ki je bil prej razdeljen na serijodeli, ki so bili nato z ločljivimi ali stalnimi povezavami sestavljeni v izdelek. Ta smer je zelo učinkovita,ker zmanjšajo se stroški dela in energije, čeprav zmanjšanje obratovalnih walkie-talkie potrebuje obnovo tehnološka oprema in proizvodni proces.

Na primer, v ZDA leta 1970 množična proizvodnja osebnih avtomobilov vozila je bila uvedena sprednja plošča z odprtino za oblogoradiator, ki je bil najprej izdelan iz pločevine CM. Poleg spodajtežo za 50 %, dosegli občutno zmanjšanje porabe dov z združevanjem več delov v enega. Ta enodelna plošča je odpravila številne mehanske operacije vtiskovanja pločevine obdelavo na strojih in montažo, odpravili težave povezane z njimikalupi in strojna orodja vpenjalne naprave. Združila je 16štancane pločevine in brizgane dele v enem kosu od KM. Leta 1979 je več kot 35 modelov osebnih avtomobilov začelo uporabljati sprednje plošče iz CM, vključno z ohišji in vtičnicami žarometov, parkirne luči, zavorne luči, smerniki in parkirne luči.

h)Treba je spremeniti pristope k določanju ekonomske učinkovitosti uporabe CM. praviloma ekonomski učinek oduporabo CM oblikuje »potrošnik« v obliki povečane taktikesotehnični, značilnosti delovanja izdelek, njegova vzdržljivost, vzdržljivost itd. Torej ekonomski učinekje mogoče določiti le z uporabo sistematičen pristop, učiti ki upošteva vse sestavine skupnega učinka zamenjave tradicionalnih gradivo na KM, in prehod na nova tehnologija med proizvodnjo raziskave delov ali struktur na splošno.

Samo individualni pristop ob upoštevanju navedenih značilnosti naredi prehod na uporabo CM namesto kovin učinkovit in obetavno odpira nova obzorja za razvoj ter izboljšanje tehnologije.

Razvrstitev kompozitnih materialov

Po vrsti ojačitvenih polnil sodobni CM so lahko razdeljeni v dve skupini:

Disperzijsko ojačeno;

Vlaknasta.

Disperzijsko ojačen Kompozitni materiali (DCCM) so materiali, pri katerih so drobni delci enakomerno razporejeni v matrici, ki so zasnovani tako, da igrajo vlogo utrjevalne faze.Razpršeni delci polnila se vnašajo v matriko s posebnimi tehnološkimi metodami. Delci ne smejo aktivno vplivati ​​na matrico in se v njej ne smejo raztopiti do tališča. Pri teh materialih glavno obremenitev prevzame matrica, v kateri se zaradi ojačitvene faze ustvari struktura, ki otežuje trenutno gibanje dislokacij. Z disperzijo ojačene CM so izotropne. Njihovo uporablja se v letalstvu, raketni tehniki itd. Vsebnost razpršenih snovi faza ~5-7% (cevi, žice, folije, palice itd.).

Mehanizem krepitvenega učinka zaradi vključitve razpršenih delcev v matriko se razlikuje za različne vrste DUCM.

1) Disperzijsko utrjeni kompozitni materiali “plastična matrica – krhko polnilo”

Za to vrsto materiala lahko matriko predstavljajo na primer naslednje kovine: Al, Ag, Cu, Ni, Fe, Co, Ti. Najpogosteje izbrane spojine kot polnila so oksidi (Al 2 O 3 ; SiO 2 ; Cr 2 O 3 ; ThO 2 ; TiO 2 ), karbidi (SiC ; TiC ), nitridi (Si 3 N 4 ; AlN ), boridi (TiB 2 ). ; CrB 2 ;

Na podlagi eksperimentalnih podatkov je mogoče oblikovati naslednje zahteve za polnilni material, ki zagotavljajo njegovo najbolj učinkovito uporabo kot utrjevalno fazo. Imeti mora:

Visoka ognjevzdržnost ( t pl . > 1000 ° Z);

Visoka trdota in visok modul elastičnosti;

Visoka disperznost (specifična površina – Ssp≥ 10 m 2 /g);

Med proizvodnjo in delovanjem ne sme priti do koalescence (fuzije) razpršenih delcev;

Obstajati mora nizka stopnja difuzije razpršenih delcev v kovinsko matrico.

Mehanizem utrjevanja kompozitni materiali “plastična matrica – krhko polnilo”.

Krepitev poteka prek dislokacijskega mehanizma: če je razdalja med delci zadostna, se dislokacija pod vplivom tangencialne napetosti upogne med njimi, njeni deli se zaprejo za vsakim delcem in tvorijo zanke okoli delcev. V predelih med dislokacijskimi zankami nastane elastično napetostno polje, ki oteži potiskanje novih dislokacij med delce (slika 1). S tem dosežemo povečanje odpornosti proti nukleaciji (iniciaciji) razpok.

riž. 1. Shematski prikaz procesa nastajanja dislokacijskih zank v plastični matrici:

1 – razpršeni delci; 2 – dislokacijske črte; 3 – dislokacijske zanke; 4 – elastično napetostno polje;

d – velikost delcev polnila; L – razdalja med sosednjimi delci polnila;

τ – smer delovanja tangencialnih napetosti.

potrdilo o prejemu kompozitni materiali “plastična matrica – krhko polnilo”.

V splošnem primeru je zaporedje tehnoloških operacij za pridobivanje DUCM tipa "plastična matrica - krhko polnilo" naslednje:

a) Pridobivanje kompozitnega prahu;

b) stiskanje;

c) sintranje;

d) Deformacija polizdelka;

d) Žarjenje.

2) Disperzijsko utrjeni kompozitni materiali “krhka matrica – plastično polnilo”

Strukturo takšnega DUCM predstavlja keramična matrica z razpršenimi delci kovinskega polnila, ki so enakomerno porazdeljeni v njej. Ti kompoziti spadajo v razred kermetov. Razdalja med sosednjimi delci se nastavi s spreminjanjem njihovega volumskega deleža, učinek ojačitve pa se lahko pojavi pri vsebnosti delcev 15-20% prostornine.

Kot keramično fazo lahko uporabimo ognjevarne okside in nekatere ognjevzdržne neoksidne spojine: Al 2 O 3, 3Al 2 O 3∙ 2SiO 2, Cr 2 O 3, ZrO 2, ThO 2, Y 2 O 3, Si 3 N 4, TiN, ZrN, BN, ZrB 2, TiB 2, NbB 2, HfB 2. Kot kovinska faza – Fe, Co, Ni, Si, Cu, W, Mo, Cr, Nb, Ta, V, Zr, Hf, Ti. Izbira vsakega posebnega para kermetov za izdelavo kompozita je odvisna od možnosti ustvarjanja stabilnega vmesnika kot rezultat interakcije trdne faze pri temperaturi, ki ne presega tališča najbolj taljive komponente para, ali temperatura nastanka evtektične taline.

Mehanizem zaviranja destrukcije kompozitnih materialov "krhka matrica - plastično polnilo" .

Postopek uničenja takih kompozitov lahko razdelimo na dve stopnji. Na prvi stopnji, med obremenitvijo, se najprej sproži krhki lom v matrici zaradi povečane koncentracije napetosti na mikronehomogenosti njegova struktura: mikropore, meje zrn, velika neenakoosna zrna. Ko je dosežena določena kritična raven napetosti, se začne razpoka.

Na drugi stopnji širijoča ​​se razpoka interagira z nodularnimi kovinskimi delci (slika 2): na njeni konici delujejo največje napetosti, ki vodijo do deformacije, raztezka in zloma kovinskih delcev. V tem primeru se delo uničenja tega kompozita znatno poveča v primerjavi z lastnostjo nearmiranega materiala. To se zgodi zaradi porabe energije razpoke za delo plastične deformacije vseh delcev, ki vstopajo v čelo razpoke. Posledično se poveča odpornost proti razvoju razpok, saj so njene brežine prekrite s »povezovalnimi mostovi« iz nodularne kovine.

riž. 2. Prikaz procesa inhibicije loma v krhki matrici:

1 – kovinski delci pred čelom razpoke; 2 – oblikovani »komunikacijski mostovi«. deformiran

kovinski delci; 3 – uničeni kovinski delci; 4 – brežine razpok;σ r– natezne napetosti

potrdilo o prejemu kompozitni materiali “krhka matrica – plastično polnilo”.

Zaporedje tehnoloških operacij, ki se uporabljajo za pridobitev:

a) Pridobivanje sestavljene praškaste mešanice;

b) vnos organskega veziva v mešanico;

c) stiskanje;

d) Odstranitev organskega ligamenta;

e) sintranje;

f) Mehanska obdelava.

Za zagotovitev stisljivosti (daje plastičnost) mešanici prašnih komponent dodamo organsko vezivo z mešanjem z raztopino katere koli organske snovi (polivinil alkohol, polivinil butiral, etilen glikol, guma itd.), čemur sledi sušenje, da se odstrani topilo. Kot rezultat te operacije je vsak delec praškaste mešanice prevlečen s tanko plastjo plastifikatorja. Nato se ob pritisku na praškasto zmes, vlito v kalup, njeni delci vežejo v plasti mehčala. Nato se s toplotno obdelavo izdelkov v vakuumu ali v prašnem sloju aluminijevega oksida ali saj odstrani vezivo pri temperaturi toplotno uničenje ali zgorevanje (300 – 400° Z). Po odstranitvi organskega veziva se delci v volumnu izdelka zadržijo predvsem zaradi sil trenja. Temperatura sintranja kompozita je omejena s temperaturo sintranja keramične matrice. Izvaja se v nevtralnih plinskih okoljih (argon, helij) ali v vakuumu. Po potrebi se sintrani material obdela z diamantnim orodjem.

Vlaknasta KMlahko razvrstimo glede na vrsto ojačitvenega polnila. Pri njihovi izdelavi se uporabljajo visoko trdno steklo, ogljik, bor, organska vlakna, kovinske žice, lasje številnih karbidov, oksidi, nitridi itd.

Ojačitveni materiali se uporabljajo v obliki monofilamentov, niti, pramenov, mrež, tkanin, trakov in platna. Ločimo lahko vlaknate CMtudi glede na način ojačitve: orientirane in stohastične (naključne). V prvem primeru imajo kompoziti jasno izraženo anizotropijo lastnosti; v drugem pa so kvaziizotropni. Volumski delež polnilo v fibroznem CM je 60-70%.

Po vrsti matrice Kompoziti se razlikujejo:

polimer (PCM);

kovina (MKM);

Keramika (KKM);

- ogljik-ogljik(UUKM).

Polimerni kompozitni materiali - To heterofaznikompozitni materiali s kontinuirano polimerno fazo (matriko), v kateri so trdna, tekoča ali plinasta polnila razporejena naključno ali v določenem vrstnem redu. Te snovi zapolnijo del volumna matrice, s čimer zmanjšajo porabo redkih ali dragih surovin in (ali) spremenijo sestavo, tako da ji dajo želene lastnosti, ki jih določa namen, značilnosti tehnoloških procesov proizvodnje in predelave. , kot tudi pogoje delovanja izdelkov. Njim Velika večina plastike je, gume, barve in laki, polimerne zmesi, lepila itd.

Glede na vrsto polimerne matrice ločimo polnjene termoplaste in termoplaste (glede na polietilen, polivinilklorid, najlon itd.), sintetične smole (poliester, epoksifenol itd.) in gume . PCM glede na vrsto polnila delimo na plastiko z razpršenim polnilom (polnilo - razpršeni delci različnih oblik, vključno z zdrobljenimi vlakni), ojačane plastike(vsebujejo ojačitveno polnilo neprekinjene vlaknaste strukture), plastične mase, polnjene s plinom, napolnjena z oljem gume; Polnjene polimere glede na naravo polnila delimo na azbestno-plastične (azbestno polnilo), grafitne plasti (grafit), leseni laminati(lesni furnir), plastika iz steklenih vlaken (steklena vlakna), plastika iz ogljikovih vlaken (ogljikova vlakna), organoplastika (kemična vlakna), boroplastika(borovo vlakno) itd., pa tudi hibridno, oz polifiber umetne mase (polnilo - kombinacija različnih vlaken).

Glede na način izdelave lahko PCM razdelimo na naslednje: polaganje, navijanje, pultruzija, stiskanje itd.

Materiali, ki temeljijo na več komponentah, kar določa njihove operativne in tehnološke lastnosti. Kompoziti temeljijo na matriksu na osnovi kovine, polimera ali keramike. Dodatno ojačitev izvedemo s polnili v obliki vlaken, laskov in raznih delcev.

So kompoziti prihodnost?

Plastičnost, moč, širok obseg uporabe - to je tisto, kar odlikuje sodobne kompozitne materiale. Kaj je to s proizvodnega vidika? Ti materiali so sestavljeni iz kovinske ali nekovinske osnove. Za utrjevanje materiala se uporabljajo kosmiči večja moč. Med njimi lahko izpostavimo plastiko, ki je ojačana z borovimi, ogljikovimi, steklenimi vlakni ali aluminij, ojačan z jeklenimi ali berilijevimi nitmi. Če združite vsebino komponent, lahko dobite kompozite različnih trdnosti, elastičnosti in odpornosti na abrazive.

Glavne vrste

Razvrstitev kompozitov temelji na njihovi matriki, ki je lahko kovinska ali nekovinska. Materiali s kovinsko matriko na osnovi aluminija, magnezija, niklja in njihovih zlitin pridobijo dodatno trdnost zaradi vlaknastih materialov ali ognjevarnih delcev, ki se ne raztopijo v osnovni kovini.

Kompoziti z nekovinsko matriko temeljijo na polimerih, ogljiku ali keramiki. Med polimernimi matricami so najbolj priljubljene epoksidne, poliamidne in fenolformaldehidne. Obliko kompoziciji daje matrica, ki deluje kot nekakšno vezivo. Za utrjevanje materialov se uporabljajo vlakna, prameni, niti in večplastne tkanine.

Proizvodnja kompozitni materiali Izvaja se na podlagi naslednjih tehnoloških metod:

• impregnacija ojačitvenih vlaken z matričnim materialom;
• ojačitveni trakovi za oblikovanje in matrica v kalupu;
• hladno stiskanje komponent z nadaljnjim sintranjem;
• elektrokemična prevleka vlaken in nadaljnje stiskanje;
• nanašanje matriksa s plazemskim razprševanjem in kasnejšim stiskanjem.

Kakšen trdilec?

Kompozitni materiali so našli uporabo na številnih področjih industrije. Povedali smo že, kaj je. To so materiali, ki temeljijo na več komponentah, ki so nujno ojačane s posebnimi vlakni ali kristali. Trdnost samih kompozitov je odvisna od trdnosti in elastičnosti vlaken. Glede na vrsto ojačitve lahko vse kompozite razdelimo na:

• na steklenih vlaknih;
• kompoziti ogljikovih vlaken z ogljikovimi vlakni;
• borova vlakna;
• organovlakna.

Ojačitveni materiali se lahko polagajo v dveh, treh, štirih ali več nitih, tem močnejši in zanesljivejši bodo kompozitni materiali.

Lesni kompoziti

Ločeno je treba omeniti lesni kompozit. Pridobiva se s kombiniranjem različnih vrst surovin, pri čemer je glavna sestavina les. vsak lesno-polimerni kompozit je sestavljen iz treh elementov:

• delci zdrobljenega lesa;
• termoplastični polimer (PVC, polietilen, polipropilen);
• kompleks kemičnih dodatkov v obliki modifikatorjev - do 5% jih je v sestavi materiala.

Najbolj priljubljena vrsta lesni kompoziti- To je kompozitna plošča. Njegova edinstvenost je v tem, da združuje tako lastnosti lesa kot polimerov, kar bistveno razširi obseg njegove uporabe. Tako se plošča odlikuje po gostoti (na njen kazalnik vplivata osnovna smola in gostota lesnih delcev) ter dobri upogibni odpornosti. Hkrati je material okolju prijazen, ohranja teksturo, barvo in aromo naravni les. Uporaba kompozitnih plošč je popolnoma varna. Zaradi polimernih dodatkov kompozitna plošča pridobi visoko stopnjo odpornosti proti obrabi in odpornosti proti vlagi. Lahko se uporablja za zaključek teras in vrtnih poti, tudi če nosijo veliko obremenitev.

Proizvodne lastnosti

Lesni kompoziti imajo posebno strukturo zaradi kombinacije polimerne osnove z lesom. Med materiali te vrste lahko opazimo iverne plošče različnih gostot, usmerjene iverne plošče in lesno-polimerne kompozite. Proizvodnja kompozitnih materialov te vrste poteka v več fazah:

1. Les je zdrobljen. Za to se uporabljajo drobilniki. Po drobljenju se les preseje in razdeli na frakcije. Če je vsebnost vlage v surovini nad 15%, jo je treba posušiti.
2. Glavne komponente se dozirajo in mešajo v določenih razmerjih.
3. Končni izdelek se stisne in oblikuje, da dobi tržni videz.

Glavne značilnosti

Opisali smo najbolj priljubljene polimerne kompozitne materiale. Kaj je zdaj je jasno. Hvala za plastna struktura vsako plast je mogoče ojačati z vzporednimi neprekinjenimi vlakni. Ločeno je treba omeniti značilnosti sodobnih kompozitov, ki se razlikujejo:

• visoka vrednost začasne meje odpornosti in vzdržljivosti;
• visoka stopnja elastičnosti;
• moč, ki se doseže z ojačitvenimi plastmi;
• Zaradi togih ojačitvenih vlaken so kompoziti zelo odporni na natezne obremenitve.

Za kompozite na kovinski osnovi je značilna visoka trdnost in toplotna odpornost, medtem ko so praktično neelastični. Zaradi strukture vlaken se zmanjša hitrost širjenja razpok, ki se včasih pojavijo v matrici.

Polimerni materiali

Polimerni kompoziti so predstavljeni v različnih možnostih, kar odpira velike možnosti za njihovo uporabo v različna področja, od zobozdravstva do proizvodnje letalske opreme. Kompoziti na osnovi polimerov so polnjeni z različnimi snovmi.

Najbolj obetavna področja uporabe se lahko štejejo za gradbeništvo, naftno in plinsko industrijo, proizvodnjo avtomobilov in železniškega prometa. Te industrije predstavljajo približno 60% obsega uporabe polimernih kompozitnih materialov.

Zaradi visoke odpornosti polimernih kompozitov proti koroziji, gladke in gosta površina izdelkov, ki so pridobljeni z oblikovanjem, se povečata zanesljivost in trajnost končnega izdelka.

Oglejmo si priljubljene vrste

Steklena vlakna

Za ojačitev teh kompozitnih materialov se uporabljajo steklena vlakna, oblikovana iz staljenega anorganskega stekla. Matrica temelji na termoaktivnih sintetičnih smolah in termoplastičnih polimerih, ki jih odlikuje visoka trdnost, nizka toplotna prevodnost in visoke elektroizolacijske lastnosti. Sprva so jih uporabljali pri izdelavi antenskih kupol v obliki kupolastih struktur. V sodobnem svetu se steklena vlakna pogosto uporabljajo v gradbeništvu, ladjedelništvu, proizvodnji gospodinjske opreme in športnih predmetov ter radijski elektroniki.

V večini primerov se steklena vlakna proizvajajo na osnovi brizganja. Ta metoda je še posebej učinkovita v majhni in srednje veliki proizvodnji, na primer trupov čolnov, čolnov, kabin za cestni promet, železniški vagoni. Tehnologija brizganja je priročna in ekonomična, saj steklenega materiala ni treba rezati.

Plastika, ojačana z ogljikovimi vlakni

Lastnosti kompozitnih materialov na osnovi polimerov omogočajo njihovo uporabo na najrazličnejših področjih. Kot polnilo uporabljajo karbonska vlakna, pridobljena iz sintetičnih in naravnih vlaken na osnovi celuloze in smol. Vlakno je termično obdelano v več fazah. V primerjavi s plastiko iz steklenih vlaken imajo ogljikova vlakna manjšo in večjo gostoto, hkrati pa so lahka in močna. Zaradi svoje edinstvene zmogljivosti se plastika, ojačana z ogljikovimi vlakni, uporablja v strojništvu, raketnem inženirstvu, vesolju in medicinske opreme, kolesa in športna oprema.

Boroplastika

To so večkomponentni materiali na osnovi borovih vlaken, vnesenih v termoreaktivno polimerno matriko. Sama vlakna predstavljajo monofilamenti, prameni, ki so prepleteni s pomožno stekleno nitjo. Visoka trdota niti zagotavlja trdnost in odpornost materiala na agresivne dejavnike, hkrati pa je borova plastika krhka, kar otežuje obdelavo. Borova vlakna so draga, zato je področje uporabe borovih plastik omejeno predvsem na letalsko in vesoljsko industrijo.

Organoplastika

V teh kompozitih so polnila predvsem sintetična vlakna- vrvi, niti, tkanine, papir. Med posebnimi lastnostmi teh polimerov so majhna gostota, lahkotnost v primerjavi s steklenimi in ogljikovimi vlakni, visoka natezna trdnost ter visoka odpornost na udarce in dinamične obremenitve. Ta kompozitni material se pogosto uporablja na področjih, kot so strojništvo, ladjedelništvo, avtomobilska gradnja, v proizvodnji vesoljske tehnologije in kemijskem inženirstvu.

Kakšna je učinkovitost?

Kompozitni materiali se zaradi svoje edinstvene sestave lahko uporabljajo na različnih področjih:

• v letalstvu pri proizvodnji letalskih delov in motorjev;
• vesoljska tehnologija za proizvodnjo močnostnih struktur naprav, ki so podvržene ogrevanju;
• avtomobilska industrija za izdelavo lahkih karoserij, okvirjev, plošč, odbijačev;
• rudarska industrija v proizvodnji vrtalnih orodij;
• nizke gradnje za izdelavo mostnih razponov, elementov montažnih konstrukcij v visokih stavbah.

Uporaba kompozitov omogoča povečanje moči motorja, elektrarne, hkrati pa zmanjšati težo strojev in opreme.

Kakšni so obeti?

Po mnenju predstavnikov ruske industrije kompozitni materiali spadajo v novo generacijo materialov. Načrtuje se, da se bodo količine do leta 2020 povečale domače proizvodnje izdelki industrije kompozitov. Pilotni projekti za razvoj kompozitnih materialov nove generacije se že izvajajo po vsej državi.

Uporaba kompozitov je priporočljiva na različnih področjih, vendar je najbolj učinkovita v panogah, povezanih z visoko tehnologijo. Na primer, danes niti eno letalo ni ustvarjeno brez uporabe kompozitov, nekateri pa uporabljajo približno 60% polimernih kompozitov.

Zahvaljujoč možnosti kombiniranja različnih ojačitvenih elementov in matrik je mogoče dobiti sestavo z določenim nizom značilnosti. In to posledično omogoča uporabo teh materialov na različnih področjih.

Černišov E.A., Romanov A.D. // Revija za sodobne visoke tehnologije. – 2014. – št. 2. – Str. 46-51;

Članek predstavlja trenutno stanje tehnologije za proizvodnjo izdelkov iz kompozitnih materialov, vključno z informacijami o uporabljenih tehnologijah, programski opremi, opremi za izdelavo matrik, opremi za izdelavo kompozitnih izdelkov, opremi za spremljanje geometrije izdelkov in neporušitvene preiskave.

Kompozitni material je material, katerega strukturo sestavlja več komponent z različnimi fizikalnimi in mehanskimi lastnostmi: kovinske ali nekovinske matrice z dano porazdelitvijo ojačevalcev v njih, njihova kombinacija daje kompozitnemu materialu nove lastnosti. Glede na naravo strukture se kompozitni materiali delijo na vlaknate materiale, ojačane z neprekinjenimi vlakni in lasmi, disperzijsko utrjene materiale, pridobljene z vnosom razpršenih delcev trdilcev v matriko, plastne materiale, ustvarjene s stiskanjem ali valjanjem različnih materialov.

Danes so kompozitni materiali še posebej iskani v različnih panogah. Prve ladje iz steklenih vlaken so bile izdelane v drugi polovici tridesetih let dvajsetega stoletja. Od 50-ih let prejšnjega stoletja je ladjedelništvo iz steklenih vlaken postalo razširjeno v svetu; zgrajenih je bilo veliko število jaht, delovnih in reševalnih čolnov ter ribiških plovil, pristajalnih plovil itd. Ena prvih uporab kompozitnih materialov v letalstvu je bila izdelava plastičnih plošč, ojačanih z ogljikovimi vlakni, v zadnjem robu krila letala F-111A leta 1967. V zadnjih letih so vesoljski izdelki vse pogosteje videli strukture, izdelane iz trislojnega "sendviča" z jedrom iz aluminijastega satja in oblogami iz ogljikovih vlaken. Trenutno približno 50 % celotne teže letala Boeing 787 ali Airbus A350 sestavljajo kompozitni materiali. V avtomobilski industriji se kompozitni materiali uporabljajo že dolgo časa, predvsem je bila razvita tehnologija za izdelavo aerodinamičnih karoserijskih kompletov. Kompozitni materiali se v omejenem obsegu uporabljajo za izdelavo delov vzmetenja in motorja.

Vendar pa so do nedavnega podjetja uporabljala predvsem ročno polaganje delov iz kompozitov, serijska proizvodnja izdelkov pa ni zahtevala globoke avtomatizacije procesov. Danes, z razvojem konkurence na trgu, je nemogoče storiti brez sodobna sredstva načrtovanja in proizvodne priprave, pa tudi brez učinkovite opreme za delo s kompoziti.

Tehnologije za izdelavo izdelkov iz kompozitnih materialov

V večini primerov se kot vezivno polnilo uporablja kemično strjena termoreaktivna smola, za proces utrjevanja je značilna eksotermnost kemična reakcija. Uporabljajo se predvsem poliestrske, epoksi, fenolne in visokotemperaturne smole. Najpogosteje se pri izdelavi delov s kompleksnimi konfiguracijami uporabljajo tehnologije, katerih bistvo je postavitev "suhe" podlage, ki ji sledi impregnacija z vezivno sestavo ("mokro" oblikovanje, navijanje, brizganje, brizganje s smolo / RTM) ali izmenično polaganje "suhe" podlage s filmskim lepilom (vakuumska impregnacija, Infuzija smolnega filma / RFI). Obstaja več osnovnih tehnologij za izdelavo delov iz kompozitnih materialov, vključno z ročnimi in avtomatiziranimi metodami:

• impregnacija ojačitvenih vlaken z matričnim materialom;
• oblikovanje v kalupu ojačitvenih trakov in matrice, pridobljene z navijanjem;
• hladno stiskanje komponent, ki mu sledi sintranje;
• elektrokemična prevleka vlaken z naknadnim stiskanjem;
• nanašanje matrice s plazemskim razprševanjem na trdilec, ki mu sledi stiskanje;
• šaržno difuzijsko varjenje enoslojnih trakov komponent;
• skupno valjanje ojačitvenih elementov z matrico itd.

Poleg tega je tehnologija izdelave delov z uporabo prepregov (polzdelkov, sestavljenih iz osnovnega materiala, impregniranega z vezivno sestavo) postala zelo razširjena.

Programska oprema

Naloga oblikovanja izdelka iz kompozitnih materialov je pravilna izbira sestave, ki zagotavljajo kombinacijo lastnosti, zahtevanih v določenem operativnem primeru. Pri načrtovanju armiranih polimernih kompozitnih materialov se široko uporablja računalniška obdelava podatkov, za kar je bilo razvito veliko število različnih programskih izdelkov. Njihova uporaba omogoča izboljšanje kakovosti izdelkov, skrajšanje časa razvoja in organizacije proizvodnje konstrukcij ter celovito, kakovostno in hitro reševanje problemov njihove racionalne zasnove. Upoštevanje neenakomernosti obremenitev omogoča oblikovanje konstrukcije trupa iz armiranega kompozita z diferencirano debelino, ki se lahko spreminja več desetkrat.

Sodobne programske izdelke lahko razdelimo v dve skupini: tiste, ki izvajajo serijsko analizo laminatov v »dvodimenzionalni« ali »nosilec/plošča« formulaciji in v tridimenzionalni. Prva skupina so programi, kot so Laminator, VerctorLam Cirrus ipd. »Tridimenzionalna« rešitev je metoda končnih elementov, med razpoložljivimi programskimi izdelki pa je velika izbira. Na trgu »tehnologije modeliranja kompozitov« obstajajo različni izdelki programske opreme: FiberSim (Vistagy / Siemens PLM Software), Digimat (e-Xstream / MSC Software Corp.), Helius (Firehole Composites / Autodesk), ANSYS Composite PrepPost, ESAComp (Altair). Inženiring) itd.

Skoraj vse je specializirano programsko opremo razna podjetja, ima možnost integracije s CAD sistemi visoki ravni– Creo Elements/Pro, Siemens NX, CATIA. Na splošno je delo naslednje: izbran je material plasti, določeni so splošni parametri paketa plasti, določena je metoda oblikovanja plasti, metoda plast za plastjo se uporablja za izdelavo preprostih delov in conska ali strukturna metode oblikovanja se uporabljajo za kompleksne izdelke. Med polaganjem slojev je nastavljeno njihovo zaporedje. Glede na način izdelave izdelka (ročno polaganje, oblikovanje, polaganje s trakom, polaganje vlaken) se izvede poplastna analiza materiala za morebitne deformacije. Sestava slojev je prilagojena širini uporabljenega materiala.

Po končanem oblikovanju slojev uporabnik prejme podatke o izdelku, ki mu omogočajo uporabo v različne namene, npr.

• izhod v obliki projektne dokumentacije;
• uporaba kot začetni podatki za rezanje materiala;
• izvorni podatki za laserski projektor za prikaz obrisov območij postavitve vzorca.

Prehod na sodobne tehnologije za načrtovanje in pripravo proizvodnje izdelkov omogoča:

• zmanjšati porabo kompozitnih materialov z uporabo natančnih povrtal in rezalnih strojev;
• povečati hitrost in izboljšati kakovost ročnega polaganja materiala z uporabo natančnih surovin in laserskih projekcij njihovih polagalnih mest;
• doseči visoko stopnjo ponovljivosti izdelka;
• zmanjšanje vpliva človeški faktor o kakovosti proizvedenih izdelkov;
• zmanjšanje zahtev glede kvalifikacij za osebje, ki sodeluje pri namestitvi.

Oprema za ustvarjanje matric

Izdelava glavnega modela iz lesa je delovno intenziven in dolgotrajen proces, skrajšanje časa izdelave matrice in povečanje natančnosti se uporabljajo: tri-/petosni CNC rezkalni stroji, krmilno-merilni stroji ali 3D skenerji.

Portalni petosni rezkalni stroj (slika 1) je na voljo samo velikim proizvajalcem. Majhna podjetja uporabljajo robotske rezkalne komplekse na linearnih robotskih enotah (slika 2) ali izdelujejo glavne modele iz lepljenih obdelovancev. V tem primeru je za osnovo obdelovanca vzet togi votel okvir, ki je zlepljen na zunanji strani in nato popolnoma obdelan. Podjetja, ki nimajo možnosti obdelave celotnega izdelka, uberejo drugačno pot: najprej se v CAD-sistemu z ravninami zgradi poenostavljen 3D-model izdelka, na podlagi katerega se izdela togi nosilni okvir iz vezane plošče. poenostavljen model. Celotna zunanja površina je nato v sistemu CAD predstavljena kot obloga notranji okvir. Dimenzije obloge so izbrane tako, da jih je možno rezkati na obstoječem CNC rezkalnem stroju (slika 3). Nato natančno sestavljen okvir prekrijemo z modelno oblogo. S to metodo je natančnost glavnega modela nižja in potrebna je ročna končna obdelava spojev obloge, vendar to omogoča ustvarjanje izdelkov, katerih dimenzije bistveno presegajo zmogljivosti obstoječih CNC strojev.

riž. 1. Petosni rezkalni stroj MR 125 z možnostjo obdelave delov dimenzij 15x5 m in višine do 2,5 m.

riž. 2. Robotski rezkalni kompleks Kuka

riž. 3. "Mali" petosni rezkalni stroj

Oprema za ustvarjanje kompozitov

Prvi korak pri mehanizaciji procesa oblikovanja je bila uporaba impregnacijskih strojev, ki poleg impregnacije zbirajo steklene tkanine ali steklena vlakna v večslojne vreče s skupno debelino 4–5 mm. Za mehanizacijo procesov, zmanjšanje verjetnosti napak osebja in povečanje produktivnosti se na primer uporablja metoda brizganja, s katero lahko pridobite zunanja obloga, pregradne plošče in druge strukture iz steklenih vlaken. Metoda brizganja omogoča pridobivanje kotov za oblikovanje z mehanizacijo in zagotavlja večjo produktivnost dela v primerjavi z koti za oblikovanje, ročno oblikovanimi iz trakov iz steklenih vlaken ali steklenih vlaken. Naslednja faza v razvoju proizvodnje kompozitnih izdelkov je uvedba naprave za avtomatsko navijanje karbonsko-steklenih polnil. Ameriško podjetje Magnum Venus Plastech je predstavilo prvega "robota", namenjenega polaganju suhih tkanin v zvitkih. Prvič v Rusiji je bila taka oprema uvedena v JSC VASO. Ta oprema vam omogoča izdelavo kompozitnih delov z dolžino do 8 m in premerom do 3 m (slika 4).

Za lažje ročno polaganje blaga in zmanjšanje količine odpadkov se uporabljajo rezalni stroji za avtomatski razrez blaga/preprega, laserski projektorji LAP in LPT za konturno projekcijo pri polaganju preprega na proizvodno opremo. Z uporabo laserskega projekcijskega modula (slika 5) je možno samodejno generirati podatke o projekciji neposredno iz 3D modela kompozitnega izdelka. S takšnim načinom dela bistveno zmanjšamo časovne stroške, povečamo učinkovitost procesov, zmanjšamo verjetnost okvar in napak ter olajšamo upravljanje podatkov. Kompleks "programska oprema - rezalni stroj - projekcijski laser" v primerjavi s tradicionalnim polaganjem zmanjša delovno intenzivnost razreza za približno 50 %, delovno intenzivnost polaganja za približno 30 % in poveča stopnjo izkoriščenosti materialov, tj. lahko prihranite od 15 do 30% materiala.

Oblikovanje plastike, ojačane z ogljikovimi vlakni, z metodo navijanja omogoča pridobivanje izdelkov z najvišjimi deformacijskimi in trdnostnimi lastnostmi. Metode navijanja delimo na "suhe" in "mokre". V prvem primeru se za navijanje uporabljajo prepregi v obliki niti, pramenov ali trakov. V drugem so ojačitveni materiali impregnirani z vezivom neposredno med postopkom navijanja. Pred kratkim je bila razvita oprema, ki uporablja računalniške sisteme za nadzor vzorca orientacije vlaken. To omogoča pridobivanje cevastih izdelkov z zavoji in nepravilne oblike, kot tudi izdelke s kompleksno geometrijo. Razvija se oprema za navijanje z uporabo fleksibilne tehnologije pri ojačitvi vlaknatih materialov lahko položite na trn v kateri koli smeri.

riž. 4 Stroj za avtomatsko navijanje in polaganje karbonsko-steklenih polnil Viper 1200 FPS podjetja MAG Cincinnati

riž. 5. Laserski sistem za določanje položaja (zelen obris)

Oprema za spremljanje geometrije in notranje strukture izdelka

Obrisi izdelkov imajo pogosto krivulje generatrise, ki jih ni mogoče preveriti s tradicionalnimi »plaz« metodami. S 3D skeniranjem lahko ugotovite, kako natančno fizični vzorec ustreza 3D računalniškemu modelu. Za 3D skeniranje lahko uporabite tudi ročno koordinatno merilno napravo (CMM) ali brezkontaktni optični/laserski sistem za skeniranje. Vendar pa brezkontaktni sistemi za skeniranje ob uporabi na splošno ne morejo pravilno delovati na zrcalnih površinah in površinah z visokim sijajem. Pri uporabi "merilnih ročic" bo potrebnih več zaporednih ponastavitev, saj delovni prostor zaradi zasnove merilnih krakov je običajno omejena na kroglo s polmerom 1,2-3,6 m.

Poleg tega imajo materiali iz steklenih vlaken številna problematična področja. Eden glavnih je nadzor kakovosti. končni izdelek(pomanjkanje zračnih votlin) in korozija med delovanjem. Za neporušitvene preiskave ladijskih trupov iz kompozitov se rentgensko sevanje pogosto uporablja, vendar ga iz več razlogov poskušajo zmanjšati. V zadnjem času so se začele pojavljati publikacije, ki opisujejo detekcijo razslojev z uporabo infrardeče termografije (termovizije). Hkrati pa tako termovizijske kot rentgenske NDT metode za odkrivanje razslojev ne omogočajo merjenja njihove velikosti in določanja globine napak, da bi ocenili njihov vpliv na spremembe trdnostnih karakteristik.

Zaključek

Trenutno se v Rusiji skoraj šele začenja intenziven razvoj avtomatizacije montaže kompozitnih izdelkov, vključno z opremo za ustvarjanje matric. Najpogosteje se za "tuning" avtomobilov izvajajo le posamezni elementi aerodinamičnega kompleta karoserije. Implementacija sistema FiberSIM v ladjedelnici Srednevsky med načrtovanjem in gradnjo osnovnega minolovca projekta 12700, kot tudi v VASO, avtomatskem stroju za polaganje tkanin, je uspešna. A to so posamezni primeri, potrebno je celovito uvajanje novih tehnologij.

kompozitni material sudlal, kompozitni material impex
Kompozitni material(KM), sestavljeno- umetno ustvarjen heterogen neprekinjen material, sestavljen iz dveh ali več komponent z jasnim vmesnikom med njimi. V večini kompozitov (z izjemo večplastnih) lahko komponente razdelimo na matriko (ali vezivo) in ojačitvene elemente (ali polnila), ki so v njej vključeni. V kompozitih za konstrukcijske namene ojačitveni elementi običajno zagotavljajo potrebne mehanske lastnosti materiala (trdnost, togost itd.), Matrica pa zagotavlja skupno delovanje ojačitvenih elementov in njihovo zaščito pred mehanskimi poškodbami in agresivnimi kemičnimi okolji.

Mehansko obnašanje sestavka je določeno z razmerjem med lastnostmi ojačitvenih elementov in matrice ter trdnostjo vezi med njimi. Značilnosti in lastnosti ustvarjenega izdelka so odvisne od izbire začetnih komponent in tehnologije njihove kombinacije.

Pri kombiniranju ojačitvenih elementov in matrice se oblikuje sestava, ki ima nabor lastnosti, ki odražajo ne le prvotne lastnosti njenih komponent, temveč tudi nove lastnosti, ki jih posamezne komponente nimajo. Na primer, prisotnost vmesnikov med ojačitvenimi elementi in matrico bistveno poveča odpornost materiala na razpoke, v sestavah pa za razliko od homogenih kovin povečanje statične trdnosti ne povzroči zmanjšanja, ampak praviloma povečanje lastnosti lomne žilavosti.

Za ustvarjanje sestave se uporabljajo različna ojačitvena polnila in matrice. To sta getinaks in tekstolit (laminirana plastika iz papirja ali tkanine, lepljena z duroplastnim lepilom), steklo in grafitna plastika (tkanina ali navita vlakna iz stekla ali grafita, impregnirana epoksi lepila), vezan les. Obstajajo materiali, v katerih so tanka vlakna iz zlitin visoke trdnosti napolnjena z aluminijevo maso. Bulat je eden najstarejših kompozitnih materialov. V njem so najtanjše plasti (včasih niti) visokoogljičnega jekla "zlepljene" skupaj z mehkim nizkoogljičnim železom.

Znanstveniki za materiale eksperimentirajo s ciljem ustvariti materiale, ki so enostavnejši za izdelavo in zato cenejši. Preučujejo se samorastoče kristalne strukture, zlepljene v enotno maso s polimernim lepilom (cementi z dodatkom vodotopnih lepil), termoplastični sestavki s kratkimi ojačitvenimi vlakni itd.

• 1 Razvrstitev kompozitov
• 2 Prednosti kompozitnih materialov
• 3 Slabosti kompozitnih materialov
  • 3.1 Visoki stroški
  • 3.2 Anizotropija lastnosti
  • 3.3 Majhna udarna trdnost
  • 3.4 Visoka specifična prostornina
  • 3.5 Higroskopičnost
  • 3.6 Strupenost
  • 3.7 Nizka uporabnost
• 4 aplikacije
  • 4.1 Blago široke porabe
  • 4.2 Športna oprema
  • 4.3 Zdravilo
  • 4.4 Strojništvo
    • 4.4.1 Značilnosti
    • 4.4.2 Tehnične specifikacije
    • 4.4.3 Tehnične in ekonomske prednosti
    • 4.4.4 Področja uporabe tehnologije
  • 4.5 Letalstvo in astronavtika
  • 4.6 Orožje in vojaška oprema
• 5 Glej tudi
• 6 Opombe
• 7 Literatura
• 8 Povezave

Razvrstitev kompozitov

Kompoziti so običajno razvrščeni glede na vrsto ojačitvenega polnila:

• vlaknati (ojačitvena komponenta - vlaknate strukture);
• večplastna;
• polnjena plastika (ojačitvena komponenta - delci)
  • razsuto (homogeno),
  • skeletne (začetne strukture zapolnjene z vezivom).

Kompoziti so včasih razvrščeni tudi glede na material matrice:

• kompoziti s polimerno matrico,
• kompoziti s keramično matrico,
• kompoziti s kovinsko matriko,
• oksid-oksidni kompoziti.

Prednosti kompozitnih materialov

Glavna prednost CM je, da sta material in struktura ustvarjena hkrati. Izjema so prepregi, ki so polizdelki za izdelavo konstrukcij.

Vredno je takoj določiti, da so CM ustvarjeni za opravljanje teh nalog in zato ne morejo vsebovati vseh možnih prednosti, vendar lahko inženir pri oblikovanju novega kompozita svobodno dodeli lastnosti, ki so bistveno boljše od lastnosti tradicionalnih materialov pri izpolnjevanju dani namen v danem mehanizmu, vendar slabši od njih v vseh drugih vidikih. To pomeni, da KM ne more biti boljši tradicionalni material v vsem, torej za vsak izdelek inženir opravi vse potrebne izračune in šele nato izbere optimum med materiali za izdelavo.

• visoka specifična trdnost (trdnost 3500 MPa)
• visoka togost (modul elastičnosti 130…140 - 240 GPa)
• visoka odpornost proti obrabi
• visoka utrujenostna trdnost
• Iz CM je možno izdelati dimenzijsko stabilne konstrukcije
• enostavnost

Poleg tega imajo lahko različni razredi kompozitov eno ali več prednosti. Nekaterih koristi ni mogoče doseči hkrati.

Slabosti kompozitnih materialov

Kompozitni materiali imajo precej veliko število pomanjkljivosti, ki ovirajo njihovo širjenje.

Visoki stroški

Visoki stroški CM so posledica visoke intenzivnosti znanja proizvodnje, potrebe po uporabi posebne drage opreme in surovin, zato razvitih industrijske proizvodnje in znanstveno bazo države. Vendar to velja le pri zamenjavi preprostih valjanih izdelkov iz železnih kovin s kompoziti. pri lahkih izdelkih izdelki kompleksna oblika, izdelki, odporni proti koroziji, visoko trdni dielektrični izdelki, kompoziti so zmagovalci. Poleg tega stroški kompozitni izdelki pogosto se izkaže za nižje od analogov iz barvnih kovin ali nerjavečega jekla.

Anizotropija lastnosti

Anizotropija je odvisnost lastnosti CM od izbire merilne smeri. Na primer, modul elastičnosti enosmernih ogljikovih vlaken vzdolž vlaken je 10-15-krat večji kot v prečni smeri.

Za kompenzacijo anizotropije se varnostni faktor poveča, kar lahko izravna prednost CM v specifični trdnosti. Primer tega so izkušnje z uporabo CM pri izdelavi navpičnega repa lovca MiG-29. Zaradi anizotropije uporabljenega CM je bil navpični rep zasnovan z varnostnim faktorjem, ki je bil večkratnik standardnega letalskega koeficienta 1,5, kar je na koncu privedlo do dejstva, da se je kompozitni navpični rep Mig-29 izkazal za po teži enak strukturi klasičnega navpičnega repa iz duraluminija.

Vendar pa je v mnogih primerih anizotropija lastnosti koristna. Na primer, cevi, ki delujejo pod notranjim tlakom, imajo dvakrat večjo pretrgalno obremenitev v obodni smeri v primerjavi z aksialno smerjo. Zato cev ne sme biti enako močna v vseh smereh. Pri kompozitih je ta pogoj enostavno doseči s podvojitvijo armature v obodni smeri v primerjavi z aksialno.

Nizka udarna trdnost

Nizka udarna trdnost povzroča tudi potrebo po povečanju varnostnega faktorja. Poleg tega nizka udarna trdnost povzroča veliko poškodb izdelkov CM in veliko verjetnost skritih napak, ki jih je mogoče zaznati le z instrumentalnimi metodami testiranja.

Visok specifični volumen

Visoka specifična prostornina je pomembna pomanjkljivost pri uporabi CM na območjih s strogimi omejitvami zasedene prostornine. To velja na primer za področje nadzvočnega letalstva, kjer že rahlo povečanje prostornine letala povzroči znatno povečanje aerodinamičnega upora valov.

Higroskopičnost

Kompozitni materiali so higroskopični, to pomeni, da nagnjeni k vpijanju vlage, kar je posledica prekinitve notranje strukture CM. Pri dolgotrajnem delovanju in ponavljajočih se temperaturnih prehodih preko 0 Celzija voda, ki prodre v strukturo CM, uniči izdelek CM od znotraj (učinek je po naravi podoben uničenju avtocest izven sezone). Po pravici povedano je treba opozoriti, da se ta pomanjkljivost nanaša na prvo generacijo kompozitov, ki so imeli nezadostno učinkovito oprijem veziva na polnilo, pa tudi velik obseg votlin v matrici veziva. Sodobne vrste kompozitov z visoko oprijemljivostjo veziva na polnilo (doseženo z uporabo posebnih maziv), pridobljenih z metodami vakuumskega oblikovanja z minimalno količino preostalih plinskih votlin, niso predmet te pomanjkljivosti, kar omogoča zlasti gradnja kompozitnih ladij, proizvodnja kompozitne armature in kompozitnih nosilcev za nadzemne daljnovode.

Vendar pa lahko CM absorbira druge tekočine z visoko prodorno sposobnostjo, na primer letalski kerozin ali druge naftne derivate.

Toksičnost

Med delovanjem lahko CM oddajajo hlape, ki so pogosto strupeni. Če se CM uporablja za izdelavo izdelkov, ki bodo nameščeni v neposredni bližini ljudi (kompozitni trup letala Boeing 787 Dreamliner je lahko tak primer), potem so za odobritev materialov potrebne dodatne raziskave o učinkih komponent CM na ljudi. uporablja pri izdelavi CM.

Nizka operativna učinkovitost

Kompozitni materiali imajo lahko nizko sposobnost izdelave, nizko vzdržljivost in visoke obratovalne stroške. To je posledica potrebe po uporabi posebnih delovno intenzivnih metod (in včasih ročno delo), posebna orodja za predelavo in popravilo predmetov iz CM. Pogosto izdelki, izdelani iz CM, sploh niso predmet sprememb ali popravil.

Aplikacije

Blago široke porabe

• Armirani beton je eden najstarejših in najpreprostejših kompozitnih materialov
• Ribiške palice iz steklenih vlaken in ogljikovih vlaken
• Čolni iz steklenih vlaken
• Avtomobilske gume
• Kovinski kompoziti

Športna oprema

Kompoziti so se trdno uveljavili v športu: visoki dosežki zahtevajo visoko trdnost in majhno težo, cena pa ne igra posebne vloge.

• Kolesa
• Oprema za smučanje- palice in smuči
• Hokejske palice in drsalke
• Kajaki, kanuju in vesla zanje
• Karoserijski deli za dirkalne avtomobile in motocikle
• Čelade

Zdravilo

Material za zobne plombe. Plastična matrica služi dobremu polnjenju, polnilo iz steklenih delcev pa povečuje odpornost proti obrabi.

Strojništvo

V strojništvu se kompozitni materiali pogosto uporabljajo za ustvarjanje zaščitne prevleke na tornih površinah, kot tudi za izdelavo različnih delov motorjev z notranjim zgorevanjem (bati, ojnice).

Značilno

Tehnologija se uporablja za oblikovanje dodatnih zaščitnih premazov na površinah v tornih parih jeklo-guma. Uporaba tehnologije omogoča povečanje delovnega cikla tesnil in gredi industrijske opreme, ki deluje v vodnem okolju.

Kompozitni materiali so sestavljeni iz več funkcionalno različnih materialov. Osnova anorganskih materialov so silikati magnezija, železa in aluminija, modificirani z različnimi dodatki. Fazni prehodi v teh materialih se pojavijo pri dokaj visokih lokalnih obremenitvah, blizu končne trdnosti kovine. V tem primeru se na površini v območju visokih lokalnih obremenitev oblikuje kovinsko-keramična plast visoke trdnosti, zaradi katere je mogoče spremeniti strukturo kovinske površine.

Polimerni materiali na osnovi politetrafluoroetilena so modificirani z ultrafinimi diamantno-grafitnimi prahovi, pridobljenimi iz eksplozivnih materialov, pa tudi z ultrafinimi prahovi mehkih kovin. Plastificiranje materiala poteka pri relativno nizkih (manj kot 300 °C) temperaturah.

Organokovinski materiali, pridobljeni iz naravnih maščobnih kislin, vsebujejo znatne količine kisline funkcionalne skupine. Zahvaljujoč temu se lahko interakcija s površinskimi kovinskimi atomi izvaja v načinu mirovanja. Energija trenja pospeši proces in spodbudi nastanek prečnih povezav.

Specifikacije

Glede na sestavo kompozitnega materiala lahko zaščitni premaz označimo z naslednjimi lastnostmi:

• debelina do 100 mikronov;
• razred čistosti površine gredi (do 9);
• imajo pore velikosti 1-3 mikronov;
• koeficient trenja do 0,01;
• visoka oprijemljivost na kovinske in gumijaste površine.

Tehnične in ekonomske prednosti

• Na površini v območju visokih lokalnih obremenitev se oblikuje kovinsko-keramična plast visoke trdnosti;
• Plast, oblikovana na površini politetrafluoroetilena, ima nizek koeficient trenja in nizko odpornost proti abrazivni obrabi;
• Kovinsko-organski premazi so mehki, imajo nizek koeficient trenja, porozno površino, debelina dodatne plasti pa je nekaj mikronov.

Področja uporabe tehnologije

• aplikacija za delovna površina tesnila za zmanjšanje trenja in ustvarjanje ločilne plasti, ki preprečuje, da bi se guma med mirovanjem prijela na gred.
• visokohitrostni motorji z notranjim zgorevanjem za avtomobilsko in letalsko gradnjo.

Letalstvo in astronavtika

V letalski in vesoljski industriji že od šestdesetih let prejšnjega stoletja obstaja nujna potreba po izdelavi struktur, ki so močne, lahke in odporne proti obrabi. Kompozitni materiali se uporabljajo za izdelavo močnostnih struktur letal, umetnih satelitov, toplotnoizolacijskih premazov za rakete in vesoljske sonde. Vse pogosteje se kompoziti uporabljajo za izdelavo oblog za letala in vesoljska plovila ter najbolj obremenjene napajalne elemente.

Orožje in vojaška oprema

Zaradi svojih lastnosti (moč in lahkotnost) se CM uporabljajo v vojaških zadevah za izdelavo različnih vrst oklepov:

• neprebojni jopiči (glej tudi kevlar)
• oklepniki za vojaško opremo

Do 4. stoletja. pr. n. št e. so se široko uporabljali v lokih kot orožje.

Glej tudi

• Kompozitna ojačitev
• Hibridni material

Opombe

1. J. Lubin. 1.2 Izrazi in definicije // Priročnik o kompozitnih materialih: 2 knjigi = Handbook of Composites. - M .: Strojništvo, 1988. - T. 1. - 448 str. - ISBN 5-217-00225-5.

Literatura

• Kerber M. L., Polimerni kompozitni materiali. Struktura. Lastnosti. Tehnologije. - Sankt Peterburg: Poklic, 2008. - 560 str.
• Vasiliev V.V., Mehanika konstrukcij iz kompozitnih materialov. - M .: Strojništvo, 1988. - 272 str.
• Karpinos D.M., Kompozitni materiali. Imenik. - Kijev, Naukova duma

Povezave

• Journal of Mechanics of Composite Materials and Structures
• TV zgodba "Kompoziti iz mesta znanosti".
• TV zgodba "Black Wing Technology".

kompozitni material impex, kompozitni material sudlal, kompozitni materializem, znanost o kompozicijskih materialih

Informacije o kompozitnem materialu

Uporaba kompozitnih materialov v gradbeništvu

Poceni in vsestranski beton je eden najboljših gradbenih materialov v številnih ponudbah. Pravi sestavljeni tipični beton je sestavljen iz gramoza in peska, povezanih v cementni matriki, s kovinsko ojačitvijo, ki je običajno dodana za povečanje trdnosti. Beton se odlično obnaša pri stiskanju, pod napetostjo pa postane krhek in šibak. Natezne napetosti in plastično krčenje med sušenjem vodijo do razpok, ki absorbirajo vodo, kar na koncu vodi do korozije kovinske armature in znatne izgube celovitosti betona, ko kovina odpove.

Kompozitna armatura se je na gradbenem trgu uveljavila zaradi svoje dokazane odpornosti proti koroziji. Nove in posodobljene smernice za načrtovanje in preskusni protokoli inženirjem olajšajo izbiro ojačane plastike.

Z vlakni ojačane plastike (steklena vlakna, bazaltna plastika) že dolgo veljajo za materiale, ki lahko izboljšajo lastnosti betona.

V zadnjih 15 letih se je kompozitna armaturna palica premaknila iz eksperimentalnega prototipa v učinkovit nadomestek za jeklo v številnih projektih, zlasti zaradi dviga cen jekla.

Kompozitne mreže v montažnih betonskih ploščah: Karbonske epoksidne mreže C-GRID z visokim potencialom nadomeščajo tradicionalno jeklo ali armaturne palice v montažnih konstrukcijah kot sekundarna ojačitev.

C-GRID je velika vlečna mreža iz karbona/epoksi smole. Uporablja se kot nadomestek za ojačitev iz reciklirane jeklene mreže v betonskih ploščah in arhitekturnih aplikacijah. Velikost mrežnega očesa se razlikuje glede na beton in vrsto agregata ter zahteve glede trdnosti plošče

Uporaba kratkih vlaken v betonu za izboljšanje njegovih lastnosti je bila priznano tehnologijo desetletja in celo stoletja, če upoštevamo, da v rimskem cesarstvu možnarji so bili ojačani s konjsko žimo. Ojačitev z vlakni poveča trdnost in elastičnost betona (sposobnost plastične deformacije brez loma), tako da zadrži del obremenitve, ko je matrika poškodovana, in prepreči rast razpok.

Dodatek vlaken omogoča, da se material plastično deformira in prenese natezne obremenitve.

Za izdelavo teh prednapetih mostnih nosilcev je bil uporabljen beton, armiran z vlakni. Uporaba armature ni bila potrebna zaradi visoke elastičnosti in trdnosti materiala, ki so mu jo dajala jeklena armaturna vlakna, dodana betonski mešanici.

Aluminijev kompozitni material je plošča, sestavljena iz dveh aluminijastih plošč in plastičnega ali mineralnega polnila med njima. Kompozitna struktura materiala mu daje lahkotnost in visoko trdnost v kombinaciji z elastičnostjo in odpornostjo proti zlomu. Kemična in barvna površinska obdelava zagotavlja materialu odlično odpornost proti koroziji in temperaturnim nihanjem. Zahvaljujoč kombinaciji teh edinstvene lastnosti, je aluminijev kompozitni material eden najbolj priljubljenih v gradbeništvu.

Aluminijev kompozit ima številne pomembne prednosti, zaradi česar je vsako leto vedno bolj priljubljen kot zaključni material.

Minimalna teža v kombinaciji z visoko togostjo. Za aluminijaste kompozitne plošče je značilna nizka teža zaradi uporabe aluminijastih prekrivnih plošč in lahkega jedrnega sloja v kombinaciji z visoko togostjo zaradi kombinacije zgornjih materialov. Pri uporabi na fasadnih konstrukcijah ta okoliščina razlikuje aluminijeve kompozitne materiale od alternativni materiali, kot so aluminijaste in jeklene pločevine, keramični granit, vlaknocementne plošče. Uporaba aluminijastega kompozitnega materiala znatno zmanjša skupno težo konstrukcije prezračevane fasade. kompozitni beton aluminij kovina

Aluminijev kompozitni material je odporen na torzijo. Razlog je nanašanje zgornje plasti z valjanjem. Ploskost je zagotovljena z uporabo valjanja namesto konvencionalnega stiskanja, kar daje visoko enakomernost nanosa plasti. Največja ravnost je 2 mm na 1220 mm dolžine, kar je 0,16 % slednje.

• - Odpornost premaza barve in laka na vplive okolja. Zahvaljujoč izredno stabilnemu večslojnemu premazu material dolgo časa ne izgubi intenzivnosti barve pod vplivom sončne svetlobe in agresivnih atmosferskih komponent.
• - Široka izbira barv in tekstur. Material je izdelan s premazom iz barv: enobarvne in kovinske barve v poljubni paleti barv in odtenkov, premazi za kamen in les. Poleg tega se proizvajajo plošče s kromirano in zlato prevleko, plošče s teksturirano površino in plošče s poliranim premazom iz nerjavečega jekla, titana in bakra.

Aluminijeve kompozitne plošče imajo kompleksno strukturo, ki jo tvorijo aluminijaste plošče in osrednji sloj polnila. Kombinacija teh materialov zagotavlja ploščam togost v kombinaciji z elastičnostjo, zaradi česar so aluminijasti kompozitni materiali odporni na obremenitve in deformacije, ki jih okolju. Material zelo dolgo ne izgubi svojih lastnosti.

Odpornost materiala proti koroziji je določena z uporabo plošč iz aluminijeve zlitine v strukturi plošče, zaščitene z večslojnim barvnim premazom. V primeru poškodbe prevleke je površina pločevine zaščitena s tvorbo oksidnega filma

Kompozitna struktura plošče iz aluminijastega kompozitnega materiala zagotavlja dobro zvočno izolacijo z absorbiranjem zvočnih valov in vibracij.

Plošče so zlahka primerne za takšne vrste mehanske obdelave, kot so krivljenje, rezanje, rezkanje, vrtanje, valjanje, varjenje, lepljenje, ne da bi poškodovali premaz ali porušili strukturo materiala. Pri obremenitvah, ki nastanejo pri upogibanju panelov, vključno z radijem, ne pride do razslojevanja panelov ali poškodb površinskih slojev, kot je pokanje aluminijaste pločevine in nanosa barve. Med proizvodnjo v tovarni so plošče zaščitene pred mehanskimi poškodbami s posebno folijo, ki se po končanih montažnih delih odstrani.

Plošče zlahka prevzamejo skoraj vsako dano obliko, na primer polmer. Primernost materiala za spajkanje omogoča doseganje kompleksnih geometrij izdelkov, kar pri nobenem drugem ni mogoče obrnjeni material, razen aluminija, nad katerim so aluminijevi kompozitni materiali bistveno boljši po teži.

Uporaba aluminijevega kompozitnega materiala omogoča izdelavo obložnih plošč različnih velikosti in oblik, zaradi česar je ta material nepogrešljiv pri reševanju kompleksnih arhitekturnih problemov.

• - Dolgoročno storitve. aluminijev kompozitni material je odporen na zunanje vplive kot npr sončna svetloba, padavine, obremenitve vetra, temperaturna nihanja, zahvaljujoč uporabi stabilnega premaza in kombinaciji togosti in elastičnosti, doseženi v materialu. Predvidena življenjska doba plošč je na prostem je okoli 50 let.
• - Minimalna nega med delovanjem. Prisotnost visokokakovostnega premaza pomaga pri samočiščenju plošč pred zunanjimi onesnaževalci. Plošče je tudi enostavno očistiti z neagresivnimi čistili.

Kombinirani materiali, ojačeni z vlakni ali razpršenimi trdnimi delci, nudijo dve obetavni poti.

Prvi uvajajo najfinejša visoko trdna vlakna iz stekla, ogljika, bora, berilija, jekla ali nitastih monokristalov v anorgansko kovinsko ali organsko polimerno matrico. Kot rezultat te kombinacije je največja trdnost združena z visokim modulom elastičnosti in nizko gostoto. To so materiali prihodnosti, ki so kompozitni materiali.

Kompozitni material je konstrukcijski (kovinski ali nekovinski) material, ki vsebuje ojačitvene elemente v obliki niti, vlaken ali kosmičev iz močnejšega materiala. Primeri kompozitnih materialov: plastika, ojačana z borom, ogljikovimi, steklenimi vlakni, niti ali tkanine na njihovi osnovi; aluminij ojačan z jeklenimi in berilijevimi nitmi.

S kombiniranjem volumetrične vsebnosti komponent je mogoče dobiti kompozitne materiale z zahtevanimi vrednostmi trdnosti, toplotne odpornosti, modula elastičnosti, abrazivne odpornosti, pa tudi ustvariti sestavke s potrebnimi magnetnimi, dielektričnimi, radioabsorbcijskimi in drugimi posebne lastnosti.

Vsi ti kombinirani materiali so združeni v sistem. Kompozitni armaturni sistemi se uporabljajo za skoraj vse vrste konstrukcij:

• 1. Beton in armirani beton
• 2. Kovina (vključno z jeklom in aluminijem)
• 3. Lesena
• 4. Opečni (kamniti) zid.

Zagotavljajo tudi celo vrsto življenjskih potreb:

• 1. Zaščita pred eksplozijami, vlomi in poškodbami.
• 2. Krepitev struktur
• 3. Balistična zaščita sten in zaščita pred eksplozijo.
• 4. Zaščita kablov in žic pred eksplozijami

Razmislimo o prednostih in slabostih kompozitnih materialov. Dostojanstvo:

• 1. Odpornost proti koroziji
• 2. Natezna trdnost
• 3.Enostaven za uporabo
• 4. Nizki stroški delovna sila
• 5. Kratek čas izvedbe
• 6. Brez omejitev glede velikosti
• 7. Izjemno visoka utrujenost
• 8. Ne zahteva ohranjanja
• 9. Možnost uporabe struktur iz različnih materialov

Napake:

• 1. Relativni stroški materiala
• 2. Omejitev področja uporabe

Iz zgoraj navedenih prednosti in slabosti lahko sklepamo: da v primerjavi z navadni materiali, kompozitni imajo skoraj edino pomanjkljivost - dovolj jih je visoka cena. Zato lahko obstaja mnenje, da je ta metoda draga, vendar če primerjate količino porabljenih materialov - jeklo za ojačitev - približno tridesetkrat več kot kompoziti. Druge prednosti kompozitnih materialov so znatno zmanjšanje stroškov napora zaradi zmanjšanja proizvodnega časa, uporabe delovne sile in strojne opreme. Posledično so kompozitni armaturni sistemi glavni konkurenti uporabi jekla.

Kljub prednostim pred običajnimi materiali pa imajo kompozitni materiali svoje značilne pomanjkljivosti. Ti vključujejo nizko požarno odpornost, spremembe lastnosti pri izpostavljenosti ultravijoličnemu sevanju in možne razpoke pri spremembi volumna v pogojih omejene svobode deformacije. Zaradi fizikalnih in mehanskih lastnosti so ti materiali dovzetni za temperaturna nihanja. Pri visokih temperaturah so nagnjeni k znatnim deformacijam zaradi lezenja.