Реферат и к нему презентация

Введение
Композиционные материалы по праву считаются материалами будущего, поскольку сочетают в себе целый ряд уникальных свойств: лёгкость, прочность, достаточно высокую жёсткость, немагнитность, радиопрозрачность и т.д.
Разработка новых надежных и экономичных конструкций в в различных отраслях нуждается в применении материалов с высокими физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами: высокой прочностью, тепло- и жаростойкостью, коррозионной устойчивостью, сопротивлением распространению трещин, малой плотностью, специальными свойствами и др.
Прогресс науки и техники во многом зависит от успехов в области создания новых материалов. Это относится, прежде всего, к тем областям, где соотношение между прочностью (жесткостью) и массой конструкции определяет ее эффективность.
Традиционные материалы (преимущественно металлы) не в полной мере отвечают этим высоким требованиям.
Целью данной раᡃботы явᡃлялось изᡃучение разᡃличных броне-, ударопрочных и огнеупорных комᡃпозиционных материалов.
1 Броневые композиционные материалы
Для изготовления материалов и конструкций, предназначенных для однократного удержания высокоскоростного высокоэнергетического удара различной интенсивности используют :
1) ткани различной текстуры на основе волокон из ароматических полиамидов (Kevlar, СВМ, Русар, Twaron и др.), сверхвысокомолекулярного полиэтилена (Spectra, Dyneema и др.) – полимерная текстильная (тканая) броня;
2) органо- и стеклотекстолиты на основе тканей из волокон Kevlar, СВМ, Армос, Русар, стеклянных и их смесей с полимерными и термореактивных (олигоакрилаты, олигомалеинаты, эпоксидные), термопластичных (блоксополимерные, иономерные), эластомерных связующих с высокой энергией разрушения при ударных нагрузках – полимерная композиционная броня;
3) супергибридные полимер-металлические и полимер-керамические межслоевые композиционные материалы – комбинированная броня;
4) нанополимерные материалы на основе полимерных гелей и электроактивных полимеров.
Полимерные текстильные (тканые) броневые материалы
В полимерных текстильных материалах (рис. 1), обеспечивающих защиту от высокоскоростного инденторного воздействия («мягкая» броня) используют многослойные пакеты из тканей (и войлоков) с определенным плетением волокон (текстурой). Наиболее эффективны ткани из волокон со специфической фибриллярной структурой, образующейся на стадии вытяжки из растворов, расплавов, гелей, волокнообразующих полимеров при оптимальной степени вытяжки.
Наибольшее применение в качестве компонентов материалов «мягкой» брони получили волокна из ароматических полиамидов СВМ, Армос, Русар (Россия), Kevlar (DuPont, США), Twaron (Enka, Нидерланды) и волокна из CBMПЭ Spectra (Allied Fibers, США), DYNEEMA (DSM, Нидерланды).
Для многих полимеров в ориентированном состоянии характерна фибриллярная структура с чередованием аморфных и кристаллических участков с периодичностью порядка единиц десятков нм.
Наличие фибриллярной структуры (фибриллы в волокнах Kevlar– стержни из палочкообразных кристаллов диаметром около 50 нм, в волокнах из СВМПЭ – шиш-кебабной структуры длиной 50-70 им, длина фибрилл – функция молекулярной массы полимера) является одним из проявлений анизотропии энергетических характеристик волокнообразующих полимеров.
Рисунок 1 – Бaллиcтичecкая ткaнь
Удержание высокоскоростного удара полимерными волокнами с фибриллярной структурой обеспечивается комплексным механизмом торможения роста трещин:
1) созданием барьеров на пути трещин;
2) затуплением вершины трещины вследствие многостадийного протекания релаксацнонных процессов; демпфированием и релаксацией напряжений при создании растущей трещины поверхностью;
3) низкой чувствительностью волокон к концентраторам напряжений;
4) сильной фибрилляцией с отщеплением микрофибрилл с поверхности волокон при увеличении деформации, накоплением дефектов.
Исследования, проведенные на образцах «мягкой» (тканевой) брони из тканей ТСВМ (арт. ДЖ-56319) саржевого переплетения, ткани из волокон Twaron (фирма Akzo Nobel), ткани Twaros (полотно из нитей Twaron 93 текс), изготовленных на основе волокон подшлихтованых, отмытых и гидрофобизированных, показали сложность и многофакторность стойкости «мягкой» брони, которая повышается при увеличении энергоемкости тканевого материала (его прочности и деформируемости). Стойкость брони определяет комплекс свойств (деформируемый объем, его форма, поля нагружений-деформаций, коэффициенты внешнего трения, количество адсорбированной влаги, частота и амплитуда колебаний динамического «гружения, скорости распространения обратимой и необратимой деформаций) и особенно текстуру ткани. Так, искривленность нитей в ткани Twaros полотняного плетения по сравнению с тканью ТСВМ (саржа) с учетом зазора между нитями, зависящего от степени натяжения утка и основы, в 1,25 раза выше.
Важным свойством арамидных нитей (как и многих других волокнистых конструкций) является дискретность их структуры. Каждая нить состоит из множества моноволокон (филаментов). Например, в нити СВМ линейной плотностью 29,4 текс таких филаментов 200. Дискретность структуры определяет высокую стойкость нитей к изгибным напряжениям.
Малый диаметр моноволокон позволяет нитям выдерживать значительные изгибные напряжения без разрушения. В современной бронеодежде используются ткани полотняного, саржевого, сатинового (атлас) переплетения из нитей с линейной плотностью от 14 до 110 текс. Толщина тканых бронепакетов колеблется от 6-7 мм (1 класс защиты) до 18-20 мм (2 класс - предел текстильной брони).
Полимерная броня из непропитанных полимерными связующими тканями с определенным плетением волокон применяется в качестве защиты от высокоскоростных ударных нагрузок конструкций вертолетов, самолетов, ГТД (защита конструкций при разрушении разделительных колец турбинных лопаток). Так, кольцевой экран толщиной 38 мм, сформированный из 75-100 слоев тканей из полиарамидных волокон, задерживает осколки разрушенного колеса с частотой вращения 6000 об/мин из ванадий-никель-хромового сплава.
К преимуществам текстильной брони, при сравнении ее с другими защитными структурами 1-2 класса защиты, следует отнести меньший вес и больший комфорт при эксплуатации изделия. Толщина тканых бронепакетов разных фирм-производителей колеблется от 6-7 мм для 1 класса защиты, до 18-20 мм – для 2-го. В составе защитных структур могут применяться демпферы различных конструкций для уменьшения травмирования организма человека.
1.2 Полимерные композиционные броневые материалы
При разработке материалов, эффективных в качестве защитных от высокоскоростных инденторных воздействий, анализ свойств полимерных композиционных материалов с полимерными волокнами, в том числе непрерывными, и тканями из них в качестве наполнителей (ВПКМ, органоволокниты и органотекстолиты на основе термореактивных или термопластичных связующих, органопластики, органиты), характеризующих их поведение при статических и динамических нагрузках со скоростью деформирования при ударе 10-3 с-1 (разрушающие напряжения, трещиностойкость, коэффициенты концентрации напряжений, энергоемкость разрушения при ударе и др.), являются лишь первым шагом к оптимизации состава и структуры материалов с требуемой динамической работоспособностью при е* = 102-104 с-1.
Использование ВПКМ различного состава и структуры в качестве броневых материалов имеет ряд особенностей. Пенетрации высокоскоростного индентора в многослойные пакеты из тканей препятствуют волокна, деформирующиеся с растяжением и сжатием и поглощающие энергию удара при разрушении.
Деформации волокнистой фазы ВПКМ, зафиксированной в материале отвержденным, застеклованным связующим, ограничены, что приводит к определенному снижению показателей защитных свойств ВПКМ при воздействии высокоскоростного индентора по сравнению с показателями многослойных тканевых пакетов из волокон Kevlar, CBM, Русар. В то же время легкая формуемость полимерных композиций позволяет:
1) изготавливать защитные изделия с дискретными волокнами сложных фиксированных форм (бронешлемы, бронекаски и др.);
2) использовать ВПКМ с непрерывными волокнами и тканями в качестве наполнителей для бронезащиты от пенетрации инденторами короткоствольного стрелкового оружия, осколков или бронирования транспортных средств;
3) использовать в качестве жестких подложек в различных типах полимер-полимерной, полимер-керамической, полимер-металлической брони.
Для изготовления конструкций, предназначенных для однократного удержания высокоскоростного удара используются органо- и стеклопластики на основе «хрупких» полимерных матриц с высокой энергией разрушения. При высокоскоростном ударном воздействии накопление дефектов в ВПКМ сначала идет отдельно в матрице и волокнах (в матрице и стеклянных волокнах – хаотичная система трещин, в полимерных волокнах накапливаются аксиальные трещины с локальным обрывом фибрилл).
Разрушение полимерных волокон (Kevlar, CBM, Русар, СВМПЭ) при растяжении проходит по межфибриллярному механизму с выровом участков микрофибрилл. При увеличении деформации происходит сильная фибрилляция с отщиплением микрофибрилл с поверхности волокон.
1. 3 Комбинированные (супергибридные) полимер-металлические и полимер-керамические броневые материалы и конструкции
Полимерные текстильные и композиционные материалы не эффективны для защиты от высокоскоростных (1000-1100 м/с) пуль и осколков и низкоскоростных нуль особой конструкции, раздвигающих нити в тканях, пролетающих между нитями, не разрушая их. В этих случаях защита от высокоскоростных ударных воздействий, предотвращение пенетрации защитных материалов осуществляется использованием многослойных комбинированных (супергибридных) защитных конструкций (полимер-металлическая, полимер-керамическая броня). Комбинированная броня основана на использовании различных сочетаний разных типов брони, например, слоев из тканей и металлических или керамических бронеэлементов, слоев из органопластиков с волокнами или тканями из волокон ароматических полиамидов, СВМПЭ с бронеэлементами из металлов или керамики, слоев из тканей и органо (стекло) пластиков.
Разработка комбинированных броневых конструкций – наиболее рациональный путь совершенствования средств защиты 5-6 классов защиты (по ГОСТ Р50744-95), позволяющий оптимизировать их весовые и защитные характеристики. Особенности поглощения энергии высокоскоростного удара различными материалами позволяет разделить защитную конструкцию на функциональные слои, выполняющие специфические задачи:
1) торможение высокоскоростных инденторов, деформация (расплющивание) головной части бронебойного индентора, его разрушение в слоях с высокой вязкостью разрушения, высоким уровнем поглощения энергии высокоскоростного удара (твердые бронежилеты, пластины, слои из металлов, керамик, ВПКМ);
2) остановка индентора (остатков пули, осколков) в слоях, сформированных из полимерных волокон (тканевых пакетах). Жесткие слои из ВПКМ позволяют реализовать высокую прочность при сжатии керамических элементов, наклеенных на их поверхность, а высокая прочность органо- и стеклопластиков – существенно снизить энергию индентора. Низкая плотность полимерных слоев позволяет оптимизировать массу всей многослойной защитной конструкции.
Принцип проектирования комбинированной брони заключается в обеспечении снижения воздействия индентора до такого уровня, при котором после пенетрации индентором части защитной конструкции, его остаточная энергия уже недостаточна для пенетрации оставшихся слоев защитной конструкции. Например, если наружные слои тканевых пакетов изготавливать из высокопрочных волокон малого диаметра (бронежилеты фирмы «ФОРТ Технология»), то увеличивается размер осколков, что усложняет их пенетрацпю. В бронежилетах 5 и 6 классов защиты используются, как минимум, два типа материалов (ткани из полиарамидпых или СВМПЭ – волокон и бронеэлементы из керамики, стали, титана, алюминия). Масса м2 брони со стальными элементами составляет 50-60 кг, с керамическими (дороже в 2 раза) – 45-50 кг.
Ударопрочные композиты
Современные условия развития таких отраслей промышленности как авто-, авиа-, кораблестроение, космическая техника требуют использования прогрессивных видов композиционных материалов. Полимерные композиционные материалы – важный по своему значению класс конструкционных материалов, особенностью которых является способность к большим деформациям в широком диапазоне температур, стойкость к износу, высокая прочность и др.
Ударопрочный морозостойкий композиционный материал на основе эластомера
Эластифицированные марки полипропилена сохраняют свойства базового материала. Они устойчивы к кислотам, щелочам, растворам солей, минеральным и растительным маслам при высоких температурах. При комнатной температуре не растворимы в органических растворителях, имеют низкое влагопоглощение.
Эластомер растворяется во многих углеводородах и их хлорпроизводных. Не пластифицируется. Имеет превосходную атмосферо- и озоностойкость, высокую термо-, масло- износостойкость, воздухопроницаемость. Устойчив к агрессивным средам, обладает хорошими диэлектрическими свойствами.
Предел прочности при растяжении 20 - 28 МПа, относительное удлинение 400 - 600%, эластичность по отскоку 40 - 52%.
Благодаря указанным свойствам, изделия из материала могут долговременно работать в водных агрессивных средах. Температура хрупкости снижается до минус 60 °С, что в свою очередь сказывается на таком показателе, как морозостойкость.
Так как эластомерная фаза препятствует распространению микротрещин, данный материал является ударопрочным.
Механические свойства: свойства материала меняются в зависимости от процентного содержания эластомера.
Широко применяется ударопрочный морозостойкий композиционный материал на основе эластомера с наполнением 5% ППК-5 (рис. 2).
Рисунок 2 – Применение композиционного материала ППК-5
Свойства композита ППК-5 представлены в табл. 1.
Таблица 1 – Свойства композита ППК-5
Наименование показателей ППК-5
Плотность, кг/м3 880
Показатель текучести расплава, ПТР г/10 мин
(230 °С; 2,16 кг) 5,9
Термостойкость, С 280
Наполнение каучуком 5 %
Светостойкость 7 - 8
Модуль упругости при изгибе, МПа 300
Ударная вязкость по Шарпи с надрезом при +20 °С, кДж/м2 12
Огнеупорные композиционные материалы
Огнеупоры – это высокотехнологичные композитные материалы, работающие в агрессивных средах при сверхвысоких температурах.
Высокотемпературные композиционные материалы (ВТМК) производятся с применением различных компонентов: связующих, наполнителей, армирующих материалов, покрытий и других компонентов.
В настоящее время разработаны ВТКМ различного применения:
материалы для изготовления горелочных камней плоскопламенных, дискофакельных горелок;
материалов для производства плит, фасонных изделий на температуры применения 1200 – 16000С;
материалы для футеровки печей;
материалы для кладки огнеупорных материалов: кладочные растворы, замазки на температуру применения до 16000С;
материалы для ремонта футеровки печей и термического оборудования;
клей для склейки керамики, керамических изделий, работающих при высоких температурах;
защитные покрытия для материалов, применяемых при высоких температурах и в агрессивных средах;
клеи и связующие для производства теплоизоляционных и огнеупорных материалов;
материалы для футеровки фильерных питателей при производстве стекловолокна и базальтового волокна.
Высокотемпературные композиционные материалы на основе неорганических связующих
Высокотемпературные композиционные материалы серии ВТКМ предназначены для производства термостойких, огнестойких композиционных материалов для различных отраслей промышленности (энергетика, металлургия, химическая промышленность, производство керамики, фарфора, высокотехнологичные отрасли), для выполнения футеровочных работ при кладке печей (рис. 3), термического оборудования, для выполнения комплексного ремонта изношенной футеровки камерных, туннельных, вращающихся, проходных и других типов печей и оборудования, склейки высокотемпературной керамики, производства горелочных камней, в качестве связующего при производстве теплоизоляционных и огнеупорных материалов, а также в ряде других областей применения.
Рисунок 3 – Футеровка из ВТКМ газовой
печи скоростного нагрева
Потребители и рынок сбыта. Основными потребителями материалов серии ВТКМ являются промышленные предприятия:
машиностроения, металлургии, промышленности строительных материалов, химической, нефтехимической промышленности, энергетики и др. - эксплуатирующие нагревательные и термические печи, термическое оборудование, выполняющие их ремонт и реконструкцию;
производители теплоизоляционных и огнеупорных материалов – использование связующих ВТКМ при производстве теплоизоляционных и огнеупорных материалов;
изготовители печей и термического оборудования;
изготовители вспомогательного печного оборудования (защитные покрытия плавильных тиглей, элементов газовых горелок и др.);
предприятия, выполняющие работы по огнезащитным покрытиям конструкций зданий и сооружений (ответственных промышленных объектов – АЭС, химических заводов, нефтехимии и др.).
Применяемые в настоящее время материалы: огнеупорные глины, кладочные растворы на основе мертеля, шамотного порошка, жидкого стекла в значительной мере не удовлетворяют современным требованиям (имеют низкий коэффициент сцепления, низкую прочность, не устойчивы к теплосменам, имеют низкие эксплуатационные свойства, не могут применяться в принципе для выполнения многих операций при ремонте и реконструкции печей и термического оборудования, а также при применении волокнистых и ультралегковесных огнеупорных материалов) и морально устарели, хотя широко применяются в силу традиции и дешевизны.
Технология производства
Исходные компоненты: силикатные компоненты, присадки - окислы металлов, кислоты, щелочи, наполнители - каолин, глинозем, графит, и др., волокнистые наполнители дозируются, некоторые проходят термообоработку (обжиг в электро или газовой печи). В реакторе происходит их перемешивание. Готовую смесь ВТКМ фасуют в емкости по 5, 10, 30 и 50 килограмм.
Материалы ВТКМ производятся безобжиговым технологиям без применения высоких температур. Высокотемпературный обжиг заменяется процессами сушки материалов и изделий из ВТКМ. В зависимости от состава сушка изделий производится при температуре 3000С или при 6000С. Обжиг материалов и изделий из ВТКМ проходят непосредственно в печах и термическом оборудовании в процессе их применения.
Аналогично производятся огнеупорные материалы и изделия с применением клеев и связующих ВТКМ, формованные армированные волокнами изделия - плиты, сектора, горелочные камни, материалы для футеровки и кладки печей, материалы для футеровки фильерных питателей, изделия специального применения.
На основе готовой тщательно перемешанной исходной массы формуют материалы и изделия с применением специальных форм. При кладке печей, склейке керамики с применением ВТКМ производят кладку и склеивание при обычных температурах. Аналогично выполняют футеровку фильерных питателей и других изделий.
Производят сушку материалов и изделий при температурах 300 0С, иногда, если это требуется при температурах до 600 0С.
Окончательный обжиг материалов и изделий происходит в процессе выводки печей и термического оборудования на режим.
Материалы и изделия, производимые с применением ВТКМ не критичны к температурным перепадам, выдерживают множество теплосмен, быстро выходят на уровень рабочих температур.
Огнеупорные композиционные материалы высокой термостойкости
Область применения и назначение: огнеупорные вяжущие материалы предназначены для создания огнестойких и термостойких покрытий, обмазок, неорганических связок стеклообразных, керамических и металлических материалов и изделий.
Предлагаемый материал представляет собой композит на основе металлофосфатных и алюминатных вяжущих материалов, содержащих углеродные нанотрубки. Композиты имеют высокую огнеупорность и термостойкость, обеспечивают высокие прочностные и адгезионные свойства затвердевшего материала.
На их основе возможно создание тепловой защиты авиационной техники, специальных бетонов для футеровки тепловых агрегатов химической, нефтехимической, металлургической промышленности и энергетики.
Основные технические характеристики представлены в табл. 2.
Таблица 2 – Основные характеристики огнеупорных композиционных
материалов
Прочность через 3 сут, МПа 50-70
Огнеупорность, °C 1700 – 1800
Температура деформации под нагрузкой 1500 – 1600
Термостойкость, количество теплосмен 40 – 50
Преимущества (замещает ли импортную продукцию или технологию): основные характеристики предлагаемых композитов превосходят все известные огнеупорные вяжущие отечественных и зарубежных фирм.
Список использованных источников
1. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. - М.: Машиностроение, 1988. – 523 с.
2. Справочник по композиционным материалам в 2х кн. под редакцией Дж. Любина - М.: Машиностроение, 1988 – 484 с.
3. Справочник по конструкционным материалам: Справочник/ Б.Н. Арзамасов, Т.В. Соловьева, С.А. Герасимов и др.; Под ред. Б.Н. Арзамасова, Т.В. Соловьевой. – Москва: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. – 640 с.
4. Михайлин Ю. А. Специальные полимерные композиционные материалы Тв. пер 2009 – 700 с.
5. Батаев А.А., Батаев В.А.Б 28 Композиционные материалы: строение, получение, применение: Учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. –384 с.
6. Карпинос Д.М., Тучинский Л.И., Вишняков Л.Р. Новые композиционные материалы. –Киев: Вища школа, 1977. – 312 с.
7. Портной К.И., Заболоцкий А.А., Салибеков С.Е., Чубаров В.М. Классификация композиционных материалов // Порошковая металлургия. –1977. –N12. – С.70-75.
8. Композиционные материалы: Справочник /Под ред. Д.М. Карпиноса. –Киев: Наукова думка, 1985. –592 с.4. Справочник по композиционным материалам: В 2 кн. –Кн. 1 /Под ред. Дж. Любина. – М.: Машиностроение, 1988. –448 с