Применение композиционных материалов в технике

Введение
Прогресс науки и техники во многом зависит от успехов в области создания новых материалов. Разработка новых надежных и экономичных конструкций 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. Традиционные материалы (преимущественно металлы) не в полной мере отвечают этим высоким требованиям. Композиционные материалы по праву считаются материалами будущего, поскольку сочетают в себе целый ряд уникальных свойств.Целью данной работы являлось изучение областей применения различных композиционных материалов.1 Классификация композиционных материаловКомпозитные материалы (КМ), композиты – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жёсткостью и т. д.Характерными признаками композиционных материалов являются:- состав и форма компонентов определены заранее;- компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих заданные свойства материала;- композиционные материалы представляют собой гетерофазные системы, получаемые из двух или более компонентов с различными функциями.В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.Матрица непрерывна по всему объему материала.Армирующий элемент – это прерывный (дискретный) компонент, разделенный в объеме композиции.Кроме двух основных компонентов в состав композиционных материалов могут входить элементы, выполняющие другую функцию (изоляционную, защитную и т.д.)Классифицируют композиты по различным признакам:- по природе матрицы;- по природе армирующего компонента;- по характеру взаимодействия матрицы и упрочнителя;- по форме элементов упрочнителя;- по конструктивному признаку упрочнителя;- по назначению.На рис. 1 представлены виды композитов.Рисунок 1 – Виды композиционных материаловМатричными материалами могут быть неорганические и органические вяжущие, полимеры, керамика, металлы и их сплавы, находящиеся в твердом кристаллическом или аморфном состоянии. Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств композиционного материала, защищает арматуру от механических повреждений и других воздействий среды, обеспечивает равномерное распределение напряжений по объему материала. Матрица должна обеспечить: физико-химические (теплофизические, механические, электрические и др.) технологические (уровень рабочих температур, характер изменения свойств под воздействием среды и др.) свойства материала. Матрица определяет метод изготовления изделий.В качестве армирующих (упрочняющих) компонентов выступают:- волокнистые или слоистые материалы различной природы,- тонкодисперсные порошкообразные частицы или более крупные зерна.По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяют на три группы (рис. 2):- с нуль-мерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;- с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превосходит два других;- с двухмерными наполнителями, размеры которых значительно превосходят третий.а б ва – дисперсные (нуль-мерный наполнитель), б – волокнистые (одномерный наполнитель),в – слоистые (двухмерный наполнительРисунок 2 – Группы композиционных материалов по геометрии наполненияПо способу получения (технологический принцип) полимерные конструкционные материалы (ПКМ) можно разделить на литейные, прессованные, намоточные. ПКМ с неориентированной структурой обычно получают литьем и прессованием, а с ориентированной - намоткой и прессованием.Металлические КМ по этому способу делят на литейные, деформируемые.Литейные получают, пропитывая арматуру расплавленным матричным сплавом, либо применяя направленную кристаллизацию сплавов с выделением упрочняющей армирующей фазы из расплава.Для получения деформируемых МКМ применяют спекание, горячее прессование, диффузионную сварку, горячую штамповку и ковку на молотах, взрывное прессование и др.2 Композиты на металлической основеМеталлические композиционные материалы (КМ) представляют собой такие материалы, в которых матрицей выступают металлы и их сплавы, а арматурой – металлические и неметаллические наполнители.Преимуществом композиционных материалов на металлической основе являются более высокие значения характеристик, зависящих от свойств матрицы: временное сопротивление и модуль упругости при растяжении в направлении, перепендикулярном оси армирующих волокон, прочность при сжатии и изгибе, пластичность, вязкость разрушения. Кроме того, композиты с металлической матрицей сохраняют свои прочностные характеристики до более высоких температур, чем многие материалы с неметаллической основой. Они более влагостойки, негорючи, обладают электропроводностью.Композиционные материалы с алюминиевой матрицей.Преимущества: распространенность алюминия в технике и доступность, разнообразные механические характеристики, возможностью регулировать свойства алюминиевых сплавов термической обработкой и подвергать их практически всем видам обработки давлением, литья и порошковой металлургии. В качестве матрицы используют как технически чистый алюминий, так и его сплавы. В качестве наполнителя применяют стальную проволоку, борное волокно, углеродные волокна и дисперсные частицы.Композиционные материалы с магниевой матрицей отличаются малой плотностью (1,8 – 2,2 т/м3), имеют высокую прочность (σв=1000-1200 МПа). В качестве матричных сплавов применяют сплавы МА2-1, МА5, МА8.При создании данных композитов применяются углеродное, борное волокна и волокно карбида кремния. Хорошая совместимость магния и его сплавов с борным волокном позволяет изготавливать детали методом пропитки практически без последующей механической обработки и обеспечивает большой ресурс работы деталей при повышенных температурах.При создании композиционных материалов на титановой основе используют проволоку из бериллия, керамических тугоплавких оксидов (Al2O3), карбидов (SiC), тугоплавких металлов. Целью армирования является увеличение модуля упругости и рабочих температур. Титановый сплав ВТ6 армируют волокнами Mo, Be и SiC. Наиболее эффективно удельная жесткость повышается при армировании волокнами карбида кремния.Основная задача при создании композиционных материалов на никелевой основе заключается в повышении рабочих температур до 10000С и более. Одним из лучших упрочнителей является вольфрамовая проволока. Введение вольфрамовой проволоки в количестве от 40 до 70% в сплав никеля с хромом, обеспечивает σв=130-250 МПа. Тогда как назначенный для работы в аналогичных условиях сплав имеет σв= 75 МПа. Использование проволоки для армирования из сплавов вольфрама с рением или гафнием увеличивает этот показатель на 30-50%.КМ применяют во многих отраслях промышленности: в авиации, ракетной и космической технике, где большое значение имеет снижение массы конструкций при одновременном повышении прочности и жесткости. Благодаря высоким удельным характеристикам прочности и жесткости их используют при изготовлении, например, горизонтальных стабилизаторов и закрылков самолетов, лопастей винтов и контейнеров вертолетов, корпусов и камер сгорания реактивных двигателей и др. Использование КМ в конструкциях летательных аппаратов уменьшает их массу на 30-40%, увеличивает полезную нагрузку без снижения скорости и дальности полета.В настоящее время КМ применяют в энергетическом турбостроении (рабочие и сопловые лопатки турбины), автомобилестроении (кузова автомобилей и рефрижераторов, детали двигателей), машиностроении (корпуса и детали машин), химической промышленности (автоклавы, цистерны, емкости), судостроении, (корпуса лодок, катеров, гребные винты) и др.3 Композиционные материалы с полимерной матрицейПолимерными композиционными материалами (ПКМ) называют системы, состоящие из полимерной матрицы (связующего) и упрочняющего наполнителя в виде волокон или порошкообразных веществ.Основные преимущества ПКМ по сравнению с МКМ: простота изготовления, технологичность, дешевизна, низкая плотность; недостаток – ограниченная температура эксплуатации, сравнительно низкие значения межслойной сдвиговой прочности и отрыва. Современные полимерные связующие могут обеспечить работоспособность изделий до 300 - 400С.ПКМ с порошковыми наполнителями. В качестве наполнителей применяют органические (древесная мука) и минеральные (молотый кварц, асбест, слюда, графит и др.) порошки.Свойства порошковых пластмасс характеризуются изотропностью, невысокой механической прочностью и низкой ударной вязкостью, удовлетворительными электроизоляционными показателями. Их применяют для несиловых конструкционных и электроизоляционных деталей.Композиции на основе эпоксидных смол широко применяют в машиностроении для изготовления различной инструментальной оснастки, формовочных штампов, корпусов станочных приспособлений, литейных моделей, копиров и другой оснастки. ПКМ с волокнистыми наполнителями (волокниты, асбоволокниты, стекловолокниты и др.).Волокниты представляют собой композиции из волокнистого наполнителя в виде очесов хлопка, пропитанного фенолформальдегидным связующим. По сравнению с пресспорошками они имеют несколько повышенную ударную вязкость. Применяют для деталей общего технического назначения, работающих на изгиб и кручение (рукоятки, фланцы, направляющие втулки).Асбоволокниты содержат наполнителем асбест. Связующим служит в основном фенолформальдегидная смола. Преимущества – повышенная теплостойкость (свыше 200оС), устойчивость к кислым средам, высокие фрикционные свойства. Их используют в качестве материала тормозных устройств.Стекловолокниты состоят из синтетической смолы (связующее) и стекловолокнистого наполнителя. Применяют непрерывное или короткое волокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра. Для практических целей используют волокно 5 - 20 мкм. Стекловолокниты АГ-4В и ДСВ (дозирующиеся стекловолокниты) применяют для изготовления силовых электротехнических деталей, деталей машиностроения (золотники, уплотнители насосов и т.д.).Стекловолокниты могут работать при температурах от – 60оС до 200 оС, а также в тропических условиях, выдерживать большие инерционные нагрузки. Из них изготовляют детали высокой точности, с арматурой и резьбой.Углепластики – ПКМ, содержащие в качестве наполнителя углеродные волокна. Углепластики на основе эпоксидных смол имеют высокие характеристики прочности при температурах ниже 200С. В углепластиках, предназначенных для длительной работы при температурах до 250С, используют фенольные смолы, до 300С – кремнийорганические и до 330С - полиамидные связующие. Свойства углепластиков: сочетание высокой жесткости, усталостной и вибрационной прочности, высокая теплопроводность, достаточно высокая электропроводность.Полимерные материалы, армированные углеродными и стеклянными волокнами, называют карбостекловолокнитами. Полимерные материалы, в которых в качестве наполнителя используются углеродные и борные волокна, называют углеборопластиками или карбобороволокнитами. Применяются углепластики в первую очередь в космонавтике, авиации и ядерной технике. В космической технике углепластики применяют для солнечных батарей, баллонов высокого давления, теплозащитных покрытий. ПКМ с углеродными волокнами используют в качестве конструкционных радиационностойких материалов для рентгеновской аппаратуры и космических приборов, контейнеров для ядерных экспериментов.Слоистые пластмассы – силовые конструкционные и поделочные материалы. Листовые наполнители, уложенные слоями, придают пластику анизотропность. Материалы выпускают в виде листов, плит, труб, заготовок, из которых механической обработкой получают различные детали.Гетинакс получается на основе модифицированных фенольных, анилиноформальдегидных и карбомидных смол и различных сортов бумаги. По назначению подразделяют на электротехнический и декоративный. Гетинакс можно применять при температуре 120 – 140оС; устойчив к действию химикатов, пищевых продуктов. Используется для внутренней облицовки кабин самолетов, железнодорожных вагонов, кают судов, в строительстве.Текстолит (связующее - термореактивные смолы, наполнитель - хлопчатобумажные ткани) хорошо поглощает вибрационные нагрузки, сопротивляется раскалыванию. По назначению текстолиты делят на конструкционные (ПТК, ПТМ, ПТ), электротехнические, графитированные, гибкие прокладочные. Текстолит как конструкционный материал применяют для зубчатых колес. Текстолитовые вкладыши подшипников служат в 10 - 15 раз дольше бронзовых. Рабочая температура подшипников невелика (80 – 90оС). Они применяются в прокатных станах, центробежных насосах, турбинах и др.Древеснослоистые пластики (ДСП) состоят из тонких листов древесного шпона, пропитанных феноло- или крезольноформальдегидными смолами и спрессованных в виде листов и плит. ДСП имеют высокие физико-механические свойства, низкий коэффициент трения, заменяют текстолит и цветные сплавы. Недостаток ДСП – чувствительность к влаге. Из ДСП изготовляют шкивы, втулки, корпусы насосов, подшипники, детали автомобилей и вагонов, лодок, детали текстильных машин, матрицы для штамповки.Асботекстолит содержит 38 - 43% связующего, остальное асбестовая ткань. Асботекстолит является конструкционным, фрикционным и термоизоляционным материалом.Материал СВАМ – стекловлокнистый анизотропный материал, в котором стеклянные нити сразу по выходе из фильер склеиваются между собой в виде стеклянного шпона и затем укладываются, как в фанере. Связующие могут быть различными. СВАМ как конструкционный материал обладает большой жесткостью и высокой ударной вязкостью. Длительно стеклопластики работают при 200 – 400оС, однако кратковременно (десятки секунд) выдерживают несколько тысяч градусов, являясь теплозащитными материалами; применяются в авиационной и ракетной технике.Боропластики (бороволокниты) – это ПКМ, в которых как арматуру используют борные волокна диаметром 90 - 150 мкм. Борную арматуру применяют в виде арматурных нитей, однонаправленных лент различной ширины, листового шпона и тканей. Для боропластиков в качестве связующего чаще всего используются эпоксидные смолы. Плотность боропластиков выше, чем углепластиков, но они обеспечивают большую устойчивость изделий из них под действием сжимающих нагрузок. Недостаток – низкая прочность и жесткость в направлениях, перпендикулярных к оси волокон. Применяют в изделиях, работающих в условиях вибрации, в космической и авиационной технике. Их высокая прочность и жесткость при сжатии используется при конструировании несущих частей летательных аппаратов - балок, панелей и т.д. Металлопластики – ПКМ, содержащие в качестве наполнителя металлические волокна (стальную проволоку). Отличаются повышенной ударной вязкостью, высокой эрозионной стойкостью, мало разупрочняются во времени. Недостаток – высокий удельный вес и пониженная удельная прочность. Этого недостатка лишены металлопластики, армированные бериллиевой проволокой. Металлические волокна часто добавляют в боро- и углепластики. Это повышает вязкость разрушения, сопротивление распространению трещин, эрозионную стойкость, теплозащитные характеристики.4 Композиционные материалы с керамической матрицейКерамические композиционные материалы (ККМ) – материалы, в которых матрица состоит из керамики, а арматура из металлических или неметаллических наполнителей.Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами позволяет получать высокопрочные композиты.Керамические композиционные материалы с металлическими волокнами изготавливают методом горячего прессования. Используют волокна из вольфрама, молибдена, ниобия, стали. При армировании образуется пластическая сетка, способная создать целостность керамики после ее растрескивания и уменьшить вероятность преждевременного разрушения. Однако ККМ имеют низкую стойкость к окислению при высокой температуре.Армирование керамики дисперсными металлическими частицами приводит к новым материалам – керамико-металлическим (керметам) с повышенной стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с повышенной теплопроводностью. Их получают обработкой смеси керамических порошков с использованием методов порошковой металлургии.Металлической связкой в керметах служат порошки никеля, железа, кобальта, хрома. Для работы при температуре +450…630 °С используют сплавы на основе Аl2О3 (оксида алюминия), при температуре не выше +1000 °С – применяют керметы на основе карбида титана, при более высоких температурах – композиции на основе карбидов бора и кремния.Керметы на основе боридов переходных металлов (борметы) отличаются высокой жаропрочностью. Из высокотемпературных керметов изготавливают детали для газовых турбин, арматуру электропечей, детали для ракетной и реактивной техники.Керамические композиционные материалы с углеродными волокнами (оксидами, карбидами, силицидами) перспективны при высокотемпературных режимах использования.Кроме металлокерамических твердых сплавов используют минералокерамические материалы. Они состоят из зерен оксидов металлов или синтетических минералов, соединенных синтетическим стеклом. Из наиболее употребляемых следует назвать микролит. Для его изготовления применяют корунд (кристаллический оксид алюминия) с добавками оксида магния.Микролиты обладают большой химической стойкостью, твердостью, краскостойкостью, но очень хрупки. Хрупкость и низкая прочность ограничивают область их применения. Они эффективно используются для обработки изделий из цветных металлов с небольшими глубинами резания, для чистовой обработки стальных и чугунных изделий.Перспективно применение стеклокерамических и углеродо-керамических композиционных материалов конструкционного и теплозащитного назначения («Стекларм», «Геларм», «Кар- бокс» и др.).Области применения композиционных материалов многочисленны. Кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники они востребованы в энергетическом турбостроении, автомобильной, горнорудной, металлургической промышленности, в строительстве и т.д. Диапазон применения этих материалов постоянно увеличивается.
Заключение
В данной работе изучена классификация композиционных материалов по различным признакам (природе матрицы, геометрии наполнителя, способу получения).Рассмотрены состав, особенности строения, характерные свойства и области применения наиболее распространенных композиционных материалов с металлической, полимерной и керамической матрицей.В настоящее время композиционные материалы являются одними из наиболее востребованных материалов, применяемых в технике.КМ позволяют иметь заданное сочетание разнородных свойств: высокой удельной прочности и жесткости, жаропрочности, износостойкости, теплозащитных свойств и др. Их применение дает возможность создавать ранее недоступные, принципиально новые конструкции.Благодаря КМ стал возможен новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, уменьшении массы машин и конструкций и повышении весовой эффективности транспортных средств и авиационно-космических аппаратов.
Список использованных источников
1. Батаев А.А., Батаев В.А. Композиционные материалы: строение, получение, применение. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. – 384 с.2. Андреева А.В. Основы физикохимии и технологии композитов. Учеб. пособие для вузов. - М.: ИПРЖР, 2001. – 192 с.3. Справочник по композиционным материалам в 2х кн. под редакцией Дж. Любина - М.: Машиностроение, 1988 – 484 с.4. 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.5. Берлин А.А. и др. Принципы создания композиционных полимерных материалов. Берлин А.А. и др. – М.: Химия, 1999. – 240 с.6. Браутман Л., Крок Р. Композиционные материалы. Том 4: Композиционные материалы с металлической матрицей. Браутман Л., Крок Р., Крейдер К. (ред) М.: Машиностроение, 2008 – 503 с.7. Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композиционные материалы: Справочник. Под общ. ред. В. В. Васильева, Ю. М. Тарнопольского. –М.: Машиностроение, 1990. – 512 с;