🗊Презентация Композиционные материалы

Лекция 14 Композиционные материалы Содержание Структура композиционных материалов Металломатричные композиты Композиты на основе полимерной матрицы Керамоматричные композиты Углерод-углеродные композиты

Введение. Общие сведения о композиционных материалах КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (композиты) – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

Механические свойства волокон

Композиционный материал магний + бор

Схемы структуры композита

Классификация структур композитов 1 – хаотичные частицы, 2 – хаотичные волокна, 3- непрерывные направленные волокна, 4 – сетки (ткани), 5 – дискретные волокна, 6 – фольги, 7 – ортогональные непрерывные волокна, 8 – двумерные волокна.

Требования к композиции Свойства композиций при армировании определяются свойствами матрицы и наполнителей в изделии и главным образом адгезией матрицы к их поверхности. Для изготовления прочных изделий необходимо создать требуемые ориентацию и степень напряжения всех армирующих элементов, что обеспечит их равномерное напряжение при работе; выбрать оптимальную форму и размеры армирующих элементов, позволяющих обеспечить максимальную удельную поверхность контакта с матрицей.

Схема нагружения волокнистого композита вдоль (а) и поперек (б) волокон

Зависимость модуля упругости композита от объемной доли волокнистого наполнителя Свойства композиционных материалов в основном определяются физико-химическими свойствами компонентов (матрицы и наполнителя), прочностью связи между ними и объемным соотношением матрицы и наполнителя. Так, модуль упругости волокнистого композита Ec при нагружении вдоль направления волокон описывается правилом смеси, представляющим собой линейную комбинацию модуля упругости волокон Ef и матрицы Em: Ec = Еf Vf + (1 - Vf ) Em, где Vf – объемная доля волокнистого наполнителя. Модуль упругости композита при нагружении в поперечном направлении описывается формулой: Ec = [Vf / Ef + (1 - Vf) / Em] – 1

Металломатричные композиты Композиты на металлической матрице — это чистые металлы, либо сплавы на основе алюминия, магния, титана, армированные как волокнами, не подверженными пластической деформации (карбид кремния, окись алюминия, бор, углерод, нитевидные кристаллы тугоплавких соединений), так и пластически деформируемыми металлическими волокнами (бериллий, вольфрам, молибден, сталь). Первая группа обладает максимальной прочностью, сопротивлением усталости, жаропрочностью, а также — высокими удельными характеристиками вследствие низкой плотности наполнителей. Вторая группа — технологичностью при сравнительно небольших значениях прочности и модуля упругости. Металлическая матрица существенно повышает упругость и прочность композита, сохраняя эти свойства почти до своей температуры плавления. Кроме того, металлические композиты обладают лучшей работоспособностью в вакууме и в условиях облучения, а также пониженной воспламеняемостью. Недостатки металлической матрицы — большой удельный вес, трудоемкость изготовления

Свойства спеченых алюминиевых порошков

Волокнистые металломатричные композиты Упрочнителями служат волокна или нитевидные кристаллы B, C, Al2O3, Si и др., а также проволока из металлов и сплавов: Mo, W, Be, высокопрочная сталь. Объемная доля упрочнителя колеблется в широких пределах: от нескольких единиц до 80-90%. В качестве матриц для металлические композиционных материалов используют металлы: Al, Mg, Ti, Ni и сплавы на их основе. Прочность композиционных материалов в большой степени зависит от прочности сцепления волокон наполнителя с матрицей. Для улучшения сцепления, проводят вискеризацию поверхности волокон, т.е. на поверхности углеродных, борных и других волокон перпендикулярно их длине выращивают монокристаллы карбида кремния SiC. Полученные таким образом "мохнатые" волокна называют "борсик". Вискеризация повышает сдвиговую прочность в 1,5-2 раза. Изготавливают композиционные волокнистые материалы сваркой взрывом, прокаткой в вакууме, диффузионном спеканием.

Волокнистый металломатричный композит титан+молибден

Композиты на основе полимерной матрицы Преимуществом являются: хорошая технологичность, низкая плотность и часто высокие удельная прочность и жесткость, высокая коррозионная стойкость. Недостатки же для большинства композиционных материалов на неметаллической основе характерны следующие: низкая прочность связи волокна с матрицей, резкое падение прочности при повышении температуры выше 100-200С. В качестве материала матрицы наибольшее распространение получили полимеры: эпоксидная, фенолоформальдегидная, полиамидная смолы. В качестве наполнителей используются углеродные, борные, стеклянные и органические волокна в виде нитей, жгутов, лент и т.д. По типу волокна композиционные материалы разделяют на следующие группы: углеволокниты, бороволокниты, стекловолокниты и органоволокниты.

Структура стеклопластика

Диаграммы растяжения волокнистых композитов на эпоксидной основе

Механические свойства композитов на основе полимеров

Керамоматричные композиты Керамоматричные композиционные материалы (КМК) представляют собой материал, состоящий из керамической матрицы, армированной углеродными волокнами.   КМК сочетают в себе трибологические свойства технической керамики, но при этом обладают высокой ударной прочностью, нехрупким характером разрушения и высокой устойчивостью к дефектам микроструктуры и различным напряжениям, возникающим при изготовлении и эксплуатации изделия. Изделия из КМК отличаются от традиционных керамик высокой надежностью и возможностью эксплуатации при вибрационных и ударных Области применения. Крупногабаритные и тонкостенные вставки для трибологических узлов (подшипники скольжения погружных насосов, линейных шаговых приводов) работающих в различных агрессивных средах при повышенных температурах и вибрационных нагрузках.   Торцовые уплотнения, детали клапанов и запорной арматуры добывающего и перекачивающего оборудования для нефтехимической, газовой и атомной промышленности.

Керамика Al2O3 + TiB2

Углерод-углеродные композиты (УУМК) УУКМ содержат в себе углеродный формирующий элемент в виде дискретных волокон, непрерывных нитей или жгутов, лент, тканей с плоским и объемным плетением, объемных каркасных структур. Волокна располагаются неупорядоченно в одном, двух и трех направлениях. Углеродная матрица объединяет в одно целое формирующие элементы в композите, что позволяет лучшим образом воспринять различные внешние нагрузки. К количеству специальных свойств УУКМ относится низкая пористость, низкий коэффициент термического расширения, сохранение структуры и свойств при нагреве до 2000 °С. Преимущества УУКМ позволяют успешно их применять в качестве тормозных дисков в самолетах, соплах ракетных двигателей, защиты крыльев космических челноков, пресс-формах, тиглях, роторах турбин.

Газонаполненные полимерные композиты Газонаполненные полимеры подразделяются на пенопласты, поропласты, интегральные и синтактные пены. Различают газонаполненные пластмассы с замкнуто-ячеистой структурой (пенопласты) и открыто-пористой структурой (поропласты), в к-рых элементарные ячейки или поры сообщаются между собой и с окружающей атмосферой. У интегральных пен наружные слои материала являются монолитными, а внутренние имеют ячеистую структуру (в). Особое место занимают синтактные пены (г). Они имеют закрытопористую структуру, но ячейки созданы не путем вспенивания полимера выделяющимся в процессе формования изделия газом, а с помощью мелких полых шариков (стеклянных или полимерных), которые смешиваются с жидкой полимерной композицией, сохраняя свои форму и размеры.

Структура газонаполненных полимерных композитов. а – пенопласт, б – поропласт, в – интегральная пена, г – синтактическая пена

Свойства некоторых композитов

Заключение Таким образом, композиционные материалы отличаются тем, что их свойства можно изменять в соответствие с инженерной задачей. Разумеется, жесткость, прочность и вязкость композита зависят от типа и объемной доли наполнителя. Однако можно двигаться дальше, укладывая волокна или слои наполнителя в определенных направлениях, упрочняя материал и изменяя жесткость в различных областях изделия. Вследствие такого управления свойствами композиты являются незаменимыми материалами для нужд любого вида транспорта.