Введение в композиционные материалы

 

 

Главная

Раздел 34. Введение в композиционные материалы

 

Содержание

Понятие о композиционных материалах

История создания и развития композиционных материалов

Закономерность внедрения КМ в технике

Особенности проектирования и внедрения изделий из КМ

Классификация композиционных материалов

Зависимость свойств композитов от характеристик исходных компонентов и структурно-технологических параметров

Проектирование изделий из КМ

Преимущества и недостатки современных композиционных материалов

Вопросы для самопроверки

 

Понятие о композиционных материалах

Бурное развитие науки и техники, крупные достижения в освоении космоса и овладении новыми источниками энергии, в создании новых видов транспорта и связи, в освоении глубин Мирового океана - вот характерные черты нашего времени. 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.

Разработка новых надежных и экономичных конструкций в машино­строении 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 (электромагнитными, оптическими и др.). Традиционные материалы (преимущественно металлы) не в полной мере отвечают этим высоким требованиям. Например, на раннем этапе развития космонавтики в качестве теплоизоляционного покрытия воз­вращаемого на Землю аппарата использовались тугоплавкие сплавы на основе вольфрама. С учетом высокого значения его удельного веса -19,3 г/см3 - защитный слой изготавливался минимальной толщины. Это привело к тому, что при завершении программы полета летчиком-космонавтом Комаровым В.М. на «Союзе-1» в апреле 1967 г. из-за за­поздалого включения системы торможения температура на внешней поверхности возвращаемого аппарата поднялась выше расчетных зна­чений. В результате произошел прогар и разгерметизация аппарата, не оставив никаких шансов на выживание космонавта. В дальнейшем был разработан искусственно созданный материал для теплозащиты, теплофизические характеристики которого не уступают тугоплавким спла­вам на основе вольфрама, а удельный вес его более чем в 10 раз меньше, чем указанных сплавов - это углерод-углеродный композици­онный материал (УУКМ).

Композиционные материалы (КМ) открывают широкие возможности для улучшения существующих и разработки новых конструкций.

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.

Чаще всего композиты представляют собой двухкомпонентные гетерофазные системы, образованные объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними и свойствами, ко­торыми не обладают каждый из компонентов в отдельности. Обычно КМ состоят из армирующих элементов (наполнитель, арматура) и соеди­няющей их непрерывной среды (связующее, матрица).

Каждому компоненту, входящему в состав КМ, отводится своя роль:

- наполнитель - обеспечивает прочностные и жесткостные характеристики КМ, локализует появившиеся трещины и т.д.;

- матрица - передает нагрузки между элементами арматуры, пре­дохраняет ее от внешних повреждающих воздействий, обеспечивает монолитность, фиксирует форму и размеры изделий из КМ.

Особенность использования таких материалов заключается в том, что для конкретного изделия необходимо создать свой, зачастую уникальный, материал, то есть подобрать соответст­вующие компоненты, выбрать требуемую условиями нагружения схему расположения армирующих наполнителей, применить определённый технологический процесс изготовления.

 

История создания и развития композиционных материалов

Первым создателем КМ была природа. Стволы деревьев, кости жи­вотных, зубы имеют характерную волокнистую структуру. Она состоит из сравнительно пластичного матричного вещества и более твердых и прочных веществ, имеющих форму волокон. Например, древесина - это композиция, состоящая из пучков высокопрочных целлюлозных волокон трубчатого сечения, связанных между собой матрицей из органического вещества - лигнина, придающего древесине поперечную прочность. Древесина - природный анизотропный материал с различными свойст­вами. Зубы людей и животных состоят из твердого вязкого поверхност­ного слоя - эмали и более мягкой сердцевины - дентина. И эмаль, и дентин содержат неорганические кристаллы игольчатой формы, распо­ложенные в мягкой органической матрице. Примерную структуру имеет и слоновая кость.

Такие природные образования, как минералы, также можно рас­сматривать как КМ. Например, нефрит состоит из плотно упакованных игольчатых кристаллов, связанных друг с другом на поверхностях раз­дела, что обеспечивает высокую вязкость разрушения.

История использования и развития КМ связана с производственной деятельностью человека. Уже более миллиона лет назад, с момента выделения человека из животного мира, люди сознательно использова­ли природные КМ - кости животных, кожу, древесину и др. За 5 тыс. лет до н.э. при изготовлении глиняных изделий и кирпичей в них добавляли песок, измельченные камни, солому, камыш и т.п. для снижения усадки, уменьшения растрескивания, повышения прочности. В Библии упоми­нается, что за 4000-2000 лет до н.э. вавилоняне использовали в строи­тельстве материалы на основе тростника, пропитанного битумом. Поз­же из них египтяне строили свои суда. В Азии более чем за 1000 лет до н.э. изготавливали луки, стрелы из композиционных материалов, в которых использовали древесину, слои рога, сухожилия животных, соеди­ненных с помощью клея. Такие луки характеризовались большой убой­ной силой и радиусом действия. В Китае, Индии в качестве связующего широко использовался лак на основе природной смолы - шеллака (сложная смесь полиэфирных смол). Лак смешивали с песком, спекали и получали точильные камни. В 1555-1560 гг. при постройке храма Ва­силия Блаженного в Москве зодчие Барма и Постник использовали ар­мированные железными полосами каменные плиты. Таких примеров можно привести много, однако это все были хоть и удачные, но случай­ные находки.

В некоторых источниках первым осознанно созданным КМ назы­вают железобетон, запатентованный в 1867 году французским ученым Ж. Монье и получивший широкое применение с конца XIX века. Железо­бетон можно отнести к числу первых образцов армированной керамики.

Первый патент на полимерный композиционный материал (ПКМ) был выдан в 1909 г. Он предусматривал упрочнение синтетических смол природными волокнами. Армировали первые ПКМ рубленными природными волокнами, целлюлозной бумагой, хлопчатобумажными и льняными тканями. Хотя о приоритете патента на ПКМ вопрос спорный. В описании технологии изготовления первого фанерного самолета братьями Уилбером и Орвиллом Райт, на котором они 17 декабря 1903 года совершили первый полет продолжительностью 59 сек указа­но, что для защиты фанерных крыльев от дождя и других атмосферных воздействий их оклеивали пропитанной смолой тканью - а это и есть ПКМ.

Стеклопластики запатентованы в 1935 году - это первые полимер­ные КМ, в которых в качестве упрочняющего элемента использовались неорганические волокна. Промышленный выпуск стеклопластиков на­лажен после Второй мировой войны, и с тех пор их интенсивно исполь­зуют в технике.

В 1941 году в США был подписан первый правительственный кон­тракт на создание материала из хлопкового волокна, пропитанного фенольной смолой. Целенаправленно стеклопластики в авиастроении на­чали использовать с 1943 года, когда из них стали изготавливать кресла летчиков для учебных самолетов и облицовывать кабины.

В 1940-1950 гг. появляются современные, созданные сознательно, композиционные материалы - полимерные, керамические, металличе­ские и другие. Они были вызваны к жизни потребностями передовых областей науки и техники: судо- и авиастроения, военной техники, за­рождающейся космонавтики и др. (в США, Германии, Франции, СССР и др.). Их создание и совершенствование продолжается и в настоящее время.

В 50-х годах XX века было обнаружено, что многие материалы в виде тонких монокристаллов игольчатой формы обладают фантасти­чески высокой прочностью 10000 МПа и выше. Были получены новые виды неорганических поликристаллических волокон - углеродные, бор­ные с прочностью 3000-3500 МПа и модулем упругости (3-5)105 МПа. Эти сверхпрочные волокна стали использовать для армирования раз­личных матриц.

История развития современных КМ насчитывает чуть больше по­ловины столетия, но успехи в этом направлении достигнуты значитель­ные. Они нашли применение в самолетостроении и аэрокосмической промышленности, в автомобилестроении, в медицине и строительстве, в судостроении и производстве спортинвентаря, в быту и во многих дру­гих направлениях деятельности человека.

Сейчас самолеты-невидимки на 75-85% по массе состоят из КМ, престижные иномарки автомобилей содержат от 120 до 150 кг деталей из КМ, не только облицовочные материалы в строительстве, но и целые временные постройки выполнены из КМ. По объему производства эти материалы в развитых странах находятся на третьем, а в некоторых -на втором месте.


 

Закономерность внедрения КМ в технике

Основой научно-технического прогресса, его фундаментом всегда было и остается машиностроение. От уровня развития машинострое­ния, от степени совершенства машин в значительной мере зависят про­изводительность общественного труда и благосостояние народа. В на­стоящее время возможности повышения качества изделий лежат не только в совершенствовании их конструкций, но и в дальнейшем улуч­шении свойств конструкционных материалов, в использовании принци­пиально новых технологических процессов их обработки.

Перспективной тенденцией современного машиностроения являет­ся замена традиционных конструкционных материалов (поликристалли­ческих) на КМ в деталях различного назначения, как несущих, так и не­несущих. Это вызвано целым рядом причин научного, технического, экономического и социального характера.

Совершенство конструкций в значительной степени определяется параметрами прочности и жесткости конструкционных материалов, из которых они изготавливаются. В связи с этим рассмотрим, каковы ре­зервы повышения прочностных характеристик традиционных конструкционных материалов, например, стали и алюминиевых сплавов, для чего сравним их характеристики в начале 40-х годов и по прошествии 50-ти лет.

Предел прочности алюминиевых сплавов в 40-х годах был порядка 400 МПа, а стали - 1200 МПа. К началу 90-х годов они изменились в сторону увеличения и составили соответственно 650 МПа и 2200 МПа, причем дальнейшее увеличение этих характеристик дается с большим трудом. Специалисты приходят к выводу, что в связи с исчерпанием потенциальных возможностей механическая технология вступает в по­лосу своего заката. Совершенствование механических методов воздей­ствия на предмет труда не дает теперь большого экономического эф­фекта, не приносит больших качественных изменений в продуктах тру­да. Следовательно, резервы прочностных характеристик стали и алю­миниевых сплавов исчерпываются. Анализируя другую, не менее важ­ную характеристику материалов - модуль упругости первого рода, предварительно отметим, что в настоящее время особое значение при­дается материалоемкости и весовым параметрам конструкций. В связи с этим при оценке механических свойств материалов необходимо об­ращать внимание и на его удельный вес - γ. Оказалось, что обобщаю­щими и показательными характеристиками являются удельные модуль упругости и предел прочности, т.е. отношение модуля или предела прочности к удельному весу. Для алюминиевых сплавов γ = 2,5 г/см3, для стали - 7,8 г/см3. Оказывается, что значение удельного модуля уп­ругости для всех металлов изменяется в довольно узком диапазоне -2300-2600 км, причем изменить эту характеристику обычными техноло­гическими приемами невозможно.

Таким образом, можно сделать вывод: механические характеристи­ки традиционных конструкционных материалов, широко используемых в промышленности, находятся на предельном уровне.

Второй ограничительный фактор, которому до настоящего времени не уделялось должное внимание, - это исчерпание энергетических ре­сурсов, постепенное истощение наиболее богатых и наиболее доступ­ных месторождений полезных ископаемых, большинство из которых принадлежит к невозобновляемым, их добыча становится все сложнее и дороже.

Этот фактор характерен для большинства развитых стран. Одна из причин этого - постоянно увеличивающийся объем потребления метал­лов, что неизбежно приведет к тому, что месторождения руд, богатых по содержанию металлов, наиболее близко расположенных к сущест­вующим коммуникациям, удобных для добычи, будут в ближайшем бу­дущем выработаны. В период 1970-1990 гг. мировое производство же леза увеличилось в 2,7 раза, меди - в 2,3, алюминия - в 4,7, никеля - в 4, цинка - в 2 и титана - в 17 раз. По мнению специалистов, объемы производства и потребления металлов будут расти и дальше. Если предположить, что среднегодовое потребление, например, стали во всем мире приблизится к сегодняшнему уровню развитых стран (500 кг на душу населения), и условно допустить, что дальнейшего роста объ­емов потребления в этих странах не произойдет, то тогда на земном шаре должно производиться 2,5...3 млрд. тонн стали ежегодно.

Из анализа тенденций роста производства металлов естественно вытекает вопрос: является ли увеличение их производства единствен­ной формой удовлетворения растущих с каждым годом потребностей человечества в металлах или есть рациональная альтернатива - более эффективное их использование, появление и стремительное увеличе­ние использования наполненных КМ. В развитых странах (США, госу­дарствах Западной Европы, Японии) за последние 25 лет объем произ­водства КМ возрос более чем в 100 раз, что позволило наращивать производство товаров, снизив потребление стали. Производство стали в США снизилось со 134 млн. тонн в 1977 г. до 99 млн. тонн в 1990 г., в странах Евросоюза - с 117 млн. тонн до 103 млн. тонн за тот же период. В этой связи интересно сопоставить потребление стали в бывшем Со­ветском Союзе: потребление возросло за сопоставляемый период с 145 млн. тонн до 161 млн. тонн.

В мировом потреблении стали происходит перераспределение до­ли разных стран по этому показателю: доля США и Канады снизилась с 20,9% до 15,5%, а доля развивающихся стран возросла с 12,9% до 15,5%.

Композиционные материалы можно конструировать и получать с заранее заданными физико-механическими характеристиками, их плот­ность в 3...6 раз ниже стали, они безотходны при переработке в изде­лия, инертны к окружающей и агрессивным средам, т.е. не подвержены коррозии, обладают направленной тепло- и электропроводностью, зву­конепроницаемостью и т.д. Обычно эти характеристики превосходят характеристики поликристаллических материалов в несколько раз и да­же на несколько порядков. Считается, что 1 тонна изделий из КМ заме­няет, в среднем, 10 тонн стали.

Создание и внедрение КМ сопровождается рядом сопутствующих положительных эффектов. Так, во многих случаях существенно упро­щается технология изготовления деталей машин и конструкций из этих материалов, что позволяет экономить энергетические, человеческие и материальные ресурсы. Важны также эффекты снижения эксплуатационных расходов, выражающиеся в экономии топлива, увеличении дол­говечности, удлинении сроков межремонтной эксплуатации и т.д.

Композиционные материалы, за редким исключением, еще не­сколько десятков лет назад относились к разряду экзотических. Они создавались с целью обеспечения все возрастающих требований к ле­тательным аппаратам в области весового совершенства, обеспечения надежности, которые, в свою очередь, определялись экстремальными условиями эксплуатации элементов конструкции.

Следует отметить различия в подходах при освоении КМ, сущест­вовавшие в бывшем Советском Союзе и в зарубежных странах. Отече­ственные разработки по КМ по многим направлениям не уступали, а в некоторых случаях превосходили зарубежные, но в нашей стране они засекречивались, и только после снижения их актуальности разреша­лось их использование в гражданской авиации, автомобилестроении и т.д. Все это ограничивало объемы применения и приводило к высокой стоимости КМ в сравнении с металлами за единицу веса. За рубежом они, помимо использования в военно-промышленном комплексе в уп­рощенном варианте применялись при производстве большого количе­ства изделий народного потребления. Массовый и крупносерийный ха­рактер производства обеспечивал совершенствование технологий их переработки, высокое качество и степень автоматизации используемого оборудования.

В настоящее время композиты все шире используются в различных отраслях, где преобладают обычные, традиционные условия эксплуа­тации, далекие от экстремальных. Это приводит к существенному уде­шевлению их стоимости и созданию большой группы КМ из разнообраз­ных составляющих элементов, различающихся как по геометрическим, так и по физическим параметрам. Однако внедрение КМ связано с ря­дом специфических факторов, которые надо учитывать при разработке элементов конструкций на их основе.


 

Особенности проектирования и внедрения изделий из КМ

При проектировании, изготовлении и внедрении изделий из компо­зиционных материалов на основе волокнистых наполнителей (ВКМ) не­обходимо учитывать ряд особенностей, присущих этому классу мате­риалов:

а) Анизотропия физико-механических характеристик ВКМ.

Если традиционные материалы (сталь, чугун), а также дисперсно-упрочненные КМ обладают изотропностью свойств, то ВКМ имеют ярко выраженную анизотропию характеристик. При значительном различии характеристик волокнистой арматуры и матрицы соотношение между характеристиками ВКМ в различных направлениях может варьировать­ся в широких пределах: от 3-5 раз до 100 раз и более.

б) При проектировании конструкций, сооружений из традиционных материалов конструктор имеет дело с полуфабрикатами в виде листо­вого, профильного проката, литья и т.д. с гарантированными поставщи­ком свойствами. Его задача состоит в выборе подходящих полуфабри­катов, определении геометрии, исходя из функционального назначения, и способов соединения отдельных деталей. Задача технолога - обес­печить заданную форму, размеры и качество соединения конструктив­ных элементов. Анализ процессов, протекающих на всех этапах созда­ния полуфабриката, получение материала с требуемым уровнем харак­теристик относится к компетенции материаловедов. Сложилось вре­менное и организационное разделение процесса получения изделий из традиционных материалов на три этапа:

- материаловедческий - получение материала с требуемыми характеристиками;

- конструкторский - проектирование изделий конструкций;

- технологический - изготовление изделий и машин.

Эти этапы разнесены по времени и могут считаться не связанными между собой, если конструктор руководствуется характеристиками ма­териала, достигнутыми материаловедами, и имеет общие представле­ния об уровне современных технологий.

Изготовление конструкций из КМ происходит, как правило, за одну технологическую операцию с созданием материала. При этом синхрон­но с изготовлением конструкции протекают сложные физико-химические и теплофизические процессы, связанные с образованием структуры и агрегатными превращениями матрицы, взаимодействием ее с арми­рующим материалом. Им сопутствуют механические явления, прямо влияющие на свойства материала и несущую способность композитных деталей, на образование в ней дефектов в ненагруженном состоянии. Поэтому конструктор, проектирующий изделия из КМ, должен знать и учитывать при разработке материаловедческие принципы создания КМ и технологические приемы получения изделий из КМ. Технолог без кон­структорских знаний по условиям нагружения и эксплуатации создавае­мого изделия из ВКМ не может изготовить изделия, эффективно ис­пользуя отличия КМ от традиционных материалов, т.к. свойства КМ за­висят от структурно-геометрических факторов (объемного содержания армирующих волокон и матрицы, количества и расположения слоев и др.), которые заранее не известны. Поэтому подход должен быть конструкторско-технологическим, а это определяет организационные осо­бенности производства изделий из КМ.

в) В связи с тесной взаимосвязью этапов изготовления конструкций из КМ - создание материала, конструкций и технологии получения - более эффективно становится использовать специализированные КБ, имеющие конструкторский и технологический потенциал, оснащенные вычислительной техникой и мощным, но гибким опытным производ­ством, потому как все конструктивные решения необходимо отрабатывать на опытных образцах изделий. Такой поход в организации производства должен быть в каждой отрасли, где КМ находят широкое при­менение: в строительстве, на транспорте, в авиации, химическом машиностроении, электротехнической промышленности и др., т.к. предъявляемые к ним требования сильно различаются.

г) При конструировании деталей из полимерных КМ необходимо учитывать их недостатки:

- малую сдвиговую прочность;

- невысокие характеристики при сжатии;

- повышенную ползучесть;

- сравнительно низкую теплостойкость ПКМ.

Особое внимание следует уделить соединениям изделий из ПКМ в связи с малой сдвиговой и контактной прочностью.

д) Несмотря на большой интерес к вопросам предельного состояния, надежных методик, позволяющих определить запасы прочности конструкционных элементов из КМ, нет. В связи со сложностью проблем, связанных с прочностью изделий из КМ, возрастает значение выбора методов при обработке результатов экспериментальных испытаний.

В настоящее время оценка прочности конструкций из КМ состоит из комплекса испытаний, включающих:

- 100% испытания эксплуатационными нагрузками;

- выборочные испытания с доведением конструкции до разрушения.

Гарантию качества и успешное прохождение этих двух видов испы­таний обеспечивает стабильность технологических процессов.

В последние годы на первый план выходит индивидуальная оценка прочности каждой детали с помощью неразрушающих методов испыта­ния - ультразвук, акустическая эмиссия и др.

е) Определение допусков и посадок на детали из КМ.

Т.к. формирование поверхностей в изделиях из КМ происходит различными способами (намотка, прессование, выкладка и т.д.) и они чаще всего не подвергаются механической обработке, то система допусков и требования к чистоте поверхности должны строится весьма гибко. Аналогичный подход должен быть и к регламентации разброса массы, связанной с разбросом параметров исходных материалов и их соотношением в КМ, появлением в ходе технологического процесса объемов, различающихся по ориентации наполнителя, и т.д.

ж) Переход на КМ при изготовлении машиностроительной продук­ции затрагивает вопросы детализации узлов машин. Т.к. материал конструируется под конкретные детали, которые в дальнейшем нежелательно подвергать механической обработке, то, естественно, встает вопрос стыковки отдельных деталей. Методы, принятые при изготовле­нии аналогичных узлов машин из металлов, в данном случае либо малоэффективны, либо вообще неприемлемы. В связи с этим целесооб­разно изготавливать из КМ целиком узел, ранее расчленяемый на ряд деталей, которые затем собирались в изделие с помощью разъемных или неразъемных соединений. Это направление весьма эффективно, т.к. сокращаются трудозатраты и энергозатраты, хотя сокращение опе­раций требует перестройки технологического оборудования и процесса производства.

Например, в США в 1970 г. в массовое производство легковых ав­томобилей была внедрена передняя панель с проемом под облицовку радиатора, впервые изготовлявшаяся из листового КМ. Помимо сниже­ния массы на 50%, было достигнуто значительное сокращение расхо­дов за счет объединения нескольких деталей в одну. Эта цельная па­нель исключила множество операций листовой штамповки, механиче­ской обработки на станках и сборки, устранила связанные с ними штам­пы, формы и станочные зажимные приспособления. Она объединила 16 листовых штамповок и отлитых под давлением деталей в одну деталь из КМ. В 1979 г. на более чем 35 моделях легковых автомобилей стали применять передние панели из КМ, включающие корпуса и гнезда фар, стояночных фонарей, стоп-сигналов, сигналов поворота и габаритных огней.

з) Необходимо изменение подходов к определению экономической эффективности применения КМ. Как правило, экономический эффект от применения КМ образуется у «Потребителя» в виде повышения такти­ко-технических, эксплуатационных характеристик изделия, его долго­вечности, ремонтопригодности и т.п. Поэтому экономический эффект можно определить только при использовании системного подхода, учи­тывающего все составляющие общего эффекта от замены традицион­ного материала на КМ, и перехода на новую технологию при изготовле­нии деталей или конструкций в целом.

Только индивидуальный подход с учетом указанных особенностей делает переход к использованию КМ взамен металлов эффективным и перспективным, раскрывающим новые горизонты для развития и со­вершенствования техники.

 

Классификация композиционных материалов

По типу армирующих наполнителей современные КМ могут быть разделены на две группы:

- дисперсно-упрочненные;

- волокнистые.

Дисперсно-упрочненные композитные материалы (ДУКМ) представляют собой материа­лы, в матрице которых равномерно распределены мелкодисперсные частицы, которые призваны исполнять роль упрочняющей фазы. Дисперсные частицы наполнителя вводят в матрицу специальными технологическими приемами. Частицы не должны активно взаимодействовать с матрицей и не должны растворяться в ней вплоть до  температуры плавления. В этих материалах основную нагрузку воспринимает матрица, в которой за счет армирующей фазы создается структура, затрудняю­щая движение дислокаций. Дисперсно-упрочненные КМ - изотропны. Их применяют в авиации, ракетостроении и др. Содержание дисперсной фазы составляет ~5-7% (трубки, проволоки, фольга, прутки и т.п.).

Механизм упрочняющего действия от включения дисперсных частиц в матрице, отличается для разных типов ДУКМ.

1) Дисперсно-упрочненные композиционные материалы «пластичная матрица – хрупкий наполнитель»

Для этого типа материалов матрица может быть представлена, например, следующими металлами: Al, Ag, Cu, Ni, Fe, Co, Ti. В качестве наполнителя чаще всего выбираются соединения из оксидов (Al2O3; SiO2; Cr2O3; ThO2; TiO2), карбидов (SiC; TiC), нитридов (Si3N4; AlN), боридов (TiB2; CrB2; ZrB2).

На основании опытных данных могут быть сформулированы следующие требования к материалу наполнителя, обеспечивающие наиболее эффективное его использование в качестве упрочняющей фазы. Он должен обладать:

- высокой тугоплавкостью (tпл. > 1000°С);

- высокой твердостью и высоким модулем упругости;

- высокой дисперсностью (удельная поверхность – Sуд 10 м2/г);

- должна отсутствовать коалесценция (слияние) дисперсных частиц в процессе получения и эксплуатации;

- должно иметь место низкое значение скорости диффузии  дисперсных частиц в металлическую матрицу.

Механизм упрочнения композиционные материалы «пластичная матрица – хрупкий наполнитель».

Упрочнение идет по дислокационному механизму: если расстояние между частицами достаточно, то дислокация под действием касательного напряжения выгибается между ними, ее участки смыкаются за каждой частицей, образуя вокруг частиц петли. В областях между дислокационными петлями возникает поле упругих напряжений, затрудняющее проталкивание новых дислокаций между частицами (рис. 1). Этим достигается повышение сопротивления зарождению (инициированию) трещины.

2.png

Рис. 1. Схематическое изображение процесса формирования дислокационных петель в пластичной матрице:

1 – дисперсные частицы; 2 – линии дислокаций; 3 – дислокационные петли; 4 – поле упругих напряжений;

d – размер частицы наполнителя; L – расстояние между соседними частицами наполнителя;

τ – направление действия касательных напряжений.

 

Получение композиционных материалов «пластичная матрица – хрупкий наполнитель».

В общем случае последовательность технологических операций для получения ДУКМ типа «пластичная матрица – хрупкий наполнитель» является следующей:

а) Получение композитного порошка;

б) Прессование;

в) Спекание;

г) Деформация полуфабриката;

д) Отжиг.

2) Дисперсно-упрочненные композиционные материалы «хрупкая матрица – пластичный наполнитель»

Структура таких ДУКМ представлена керамической матрицей с равномерно распределенными в ней дисперсными металлическими частицами наполнителя. Эти композиты относятся к классу керметов. Расстояние между соседними частицами задается путем варьирования их объемной доли, а эффект от армирования может проявляться при содержании частиц 15-20% объема.

В качестве керамической фазы могут использоваться тугоплавкие оксиды и некоторые тугоплавкие неоксидные соединения: Al2O3, 3Al2O32SiO2, Cr2O3, ZrO2, ThO2, Y2O3, Si3N4, TiN, ZrN, BN, ZrB2, TiB2, NbB2, HfB2. В качестве металлической фазы – Fe, Co, Ni, Si, Cu, W, Mo, Cr, Nb, Ta, V, Zr, Hf, Ti. Выбор каждой конкретной керметной пары для получения композита обусловлен возможностью создания стабильной границы раздела в результате твердофазного взаимодействия при температуре, не превышающей температуру плавления наиболее легкоплавкой составляющей пары, либо температуру образования эвтектического расплава.

Механизм торможения разрушения композиционных материалов «хрупкая матрица – пластичный наполнитель».

Процесс разрушения таких композитов условно можно разделить на две стадии. На первой стадии в ходе нагружения сначала инициируется хрупкое разрушение в матрице  вследствие повышенной концентрации напряжений  на микронеоднородностях ее структуры: микропорах, границах зерен, крупных неравноосных зернах. При достижении некоторого критического уровня напряжений происходит старт трещины.

На второй стадии распространяющаяся трещина взаимодействует с пластичными металлическими частицами (рис. 2): у ее вершины действуют максимальные напряжения, которые приводят к деформации, удлинению и разрыву металлических частиц. При этом работа разрушения данного композита существенно возрастает по сравнению с таковой характеристикой для неармированного материала. Это происходит за счет затрат энергии трещины на работу пластической деформации всех частиц, попадающих во фронт трещины. В результате сопротивление развитию трещины повышается, поскольку ее берега перекрываются «мостиками связи» из пластичного металла.

6.png

Рис. 2. Иллюстрация процесса торможения разрушения в хрупкой матрице:

1 – металлические частицы перед фронтом трещины; 2 – «мостики связи» образованные деформированными

металлическими частицами; 3 – разрушенные металлические частицы; 4 – берега трещины; σр – растягивающие напряжения

 

Получение композиционных материалов «хрупкая матрица – пластичный наполнитель».

Последовательность технологических операций, используемых для получения:

а) Получение композиционной порошковой смеси;

б) Введение в смесь органической связки;

в) Прессование;

г) Удаление органической связки;

д) Спекание;

е) Механическая обработка.

Для обеспечения прессуемости (придания пластичности) смеси порошков компонентов вводят органическую связку путем смешивания с раствором какого-либо органического вещества (поливиниловый спирт, поливинилбутираль, этиленгликоль, каучук и др.) с последующей сушкой для удаления растворителя. В результате выполнения этой операции каждая частица порошковой смеси покрыта тонким слоем пластификатора. Тогда при приложении давления прессования к порошковой смеси, засыпанной в пресс-форму, происходит связывание ее частиц по прослойкам пластификатора. После, путем термообработки изделий в вакууме или в порошковой засыпке из глинозема или сажи, происходит удаление связующего вещества при температуре термодеструкции или сгорания (300 – 400°С). После удаления органической связки частицы в объеме изделия удерживаются преимущественно за счет сил трения. Температура спекания композита лимитируется температурой спекания керамической матрицы. Оно проводится в нейтральных газовых средах (аргон, гелий) или в вакууме. В случае необходимости спеченный материал подвергают механической обработке с помощью алмазного инструмента.

Волокнистые КМ можно классифицировать по типу армирующего наполнителя. При их изготовлении в качестве арматуры применяются высокопрочные стеклянные, углеродные, борные, органические волок­на, металлические проволоки, нитевидные кристаллы ряда карбидов, оксидов, нитридов и др.

Армирующие материалы используются в виде моноволокон, нитей, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов. Волокнистые КМ можно различать также по способу армирования: ориентированное и стохастическое (случайное). В первом случае композиты обладают четко выраженной анизотропией свойств; во втором - квизиизотропны. Объемная доля наполнителя в волокнистых КМ составляет 60-70%.

По типу матрицы композиты различают:

- полимерные (ПКМ);

- металлические (МКМ);

- керамические (ККМ);

- углерод-углеродные (УУКМ).

Полимерные композитные материалы – это гетерофазные композиционные  материалы с непрерывной полимерной фазой (матрицей), в которой хаотически или в определенном порядке распределены твердые, жидкие или газообразные наполнители.  Эти вещества заполняют часть объема матрицы, сокращая тем самым расход дефицитного или дорогостоящего сырья, и (или) модифицируют композицию, придавая ей нужные качества, обусловленные назначением, особенностями технологических процессов производства и переработки, а также условиями эксплуатации изделий. К ним относятся подавляющее большинство пластмасс, резин, лакокрасочных материалов, полимерных компаундов, клеев и др.

В зависимости от типа полимерной матрицы различают наполненные реактопласты, термопласты (по­лиэтилен, поливинилхлорид, капрон и др.), синтетические смолы (полиэфирные, эпоксифенольные и др.) и каучуки. В зависимости от типа наполнителя ПКМ делят на дисперсно-наполненные пластики (наполнитель - дисперсные частицы разнообразной формы, в т. ч. измельченное волокно), армированные пластики (содержат упрочняющий наполнитель непрерывной волокнистой структуры), газонаполненные пластмассы, масло-наполненные каучуки; по природе наполнителя наполненные полимеры подразделяют на асбопластики (наполнитель-асбест), графито-пласты (графит), древесные слоистые пластики (древесный шпон), стеклопластики (стекловолокно), углепластики (углеродное волокно), органопластики (химические волокна), боропластики (борное волокно) и др., а также на гибридные, или поливолокнистые пластики (наполнитель-комбинация различных волокон).

По способу изготовления ПКМ можно разделить на полученные: выкладкой, намоткой, пултрузией, прессованием и др.


Металлические КМ по способу получения делят на литейные и де­формируемые. Литейные получают пропиткой арматуры расплавлен­ным матричным сплавом или направленной кристаллизацией, а для деформируемых КМ применяют спекание, горячее и взрывное прессо­вание, диффузионную сварку, штамповку, плазменное напыление и др.

С точки зрения механики, композиты можно разделить на силовые, несиловые и специальные. К силовым КМ предъявляются требования высокой прочности и жесткости. Несиловые КМ используются для раз­личных изделий бытового назначения, ограждений, покрытий и др. В специальных КМ обеспечивается достижение определенных физиче­ских свойств (жаропрочность, термостойкость, фрикционные свойства, ударопрочность, радиопрозрачность и др.).

 

Зависимость свойств композитов от характеристик исходных компонентов и структурно-технологических параметров

При создании новейших образцов современной техники требова­ния, предъявляемые к конструкционным материалам, предельно высо­ки. Поэтому композиционные материалы находят в настоящее время все более широкое применение в различных отраслях машиностроения. Как только в какой-либо области новой техники появляется необходи­мость создания материалов с комплексом свойств, которые ни один го­могенный материал не может обеспечить, то такими материалами ста­новятся композиты.

Интерес к этим материалам связан, прежде всего, с тем, что они обладают комплексом свойств и особенностей, существенно отличаю­щих их от традиционных конструкционных материалов (металлов, спла­вов) и в совокупности открывающих широкие возможности как для со­вершенствования существующих конструкций самого разнообразного назначения, так и для разработки новых перспективных конструктивных форм и технологических процессов.

Эти свойства порождаются, во-первых, характеристиками исходных компонентов - армирующих элементов (волокон, нитей, жгутов, тканей) и матрицы (полимерной, углеродной, металлической, керамической). Во-вторых, имеет место так называемым эффект синергизма, связан­ный с появлением у композиции свойств, которыми не обладает ни один из исходных компонентов в отдельности.

Из характеристик первого рода следует, прежде всего, отметить высокую удельную (по отношению к весу) прочность и жесткость компо­зитов при нагружении в направлении армирования, которые определяются как прочностью и жесткостью волокон, так и способностью матри­цы обеспечить их эффективную совместную работу по восприятию внешней нагрузки. Необходимость сочетания жесткости и прочности с низкой плотностью уже заставили конструкторов самолетов и автомо­билей обратиться к композитам как конструкционным материалам.

Из характеристик второго рода можно выделить высокую вязкость разрушения композиций, образованных из хрупких и обладающих низ­кой трещиностойкостью компонентов, например, стеклянных волокон и эпоксидной матрицы. Наличие многочисленных поверхностей раздела как между волокнами и матрицей, так и между отдельными слоями су­щественно повышает сопротивляемость хрупкому разрушению и позво­ляет создавать материалы, у которых высокий уровень статической прочности сочетается с высокой ударной вязкостью. Следует отметить, что повышение прочности металлов, как правило, сопровождается сни­жением ударной вязкости.

Свойства изделий из КМ можно проектировать под заданные тре­бования эксплуатации. Распределяя волокна или частицы одного мате­риала в матрице другого (используя его как связующее вещество), кон­структор КМ может получить материал с совершенно новыми свойства­ми.

Поэтому направления их использования самые разнообразные, иногда диаметрально противоположные - это теплозащитные материа­лы, высокопрочные конструкции, фрикционные и антифрикционные элементы, электропроводные и электроизоляционные материалы и многие другие.

Может показаться, что КМ - неоправданно сложные структуры. Ведь элементы с задатками идеальных конструкционных материалов находятся, что называется, под рукой - в центральной части периоди­ческой системы Д.И. Менделеева. Эти элементы, среди которых угле­род, алюминий, азот и кислород, образуют соединения с прочными ста­бильными связями. Такие соединения, типичными представителями которых являются керамические материалы, например, оксид алюминия (основа рубинов и сапфиров), карбид кремния и диоксид кремния (глав­ный компонент стекла), обладают высокими прочностью и жесткостью, а также теплостойкостью и устойчивостью к химическим воздействиям. Они имеют низкую плотность, а составляющие их элементы широко распространены в природе. Один из элементов, углерод, имеет такие же хорошие свойства и в свободном состоянии - в форме углеродного волокна (УВ).

Однако эти вещества имеют серьезный недостаток, из-за которого они редко используются в качестве конструкционных материалов, - хрупкость. Наличие царапины или внутреннего дефекта достаточно для образования трещины, которая может привести к разрушению всего из­делия, поэтому теоретическая прочность этих материалов на практике достигается редко. Трудно представить, чтобы они были совершенно свободны от дефектов или оставались таковыми долго при эксплуата­ции изделия.

Когда такой материал производится в форме мелких частиц или тонких волокон, его полезная прочность становится гораздо выше. На­пример, оконное стекло - достаточно непрочный материал, но стеклян­ная нить из волокон с диаметром в несколько микрон имеет прочность при растяжении, превышающую аналогичную характеристику стали в несколько раз. Заметное увеличение прочности на микроуровне обу­словлено статистическими факторами. Вероятность того, что образец материала содержит дефект, достаточно большой, чтобы вызвать хруп­кое разрушение, падает с уменьшением размера образца. Кроме того, если в стеклянной нити разрушилось одно волокно, дефект не распро­страняется и не затрагивает остальные волокна, а при наличии свя­зующего материала повреждение отдельного волокна «залечивается», т.е. нагрузка перераспределяется на другие волокна.

Представление о том, что многие материалы проявляют лучшие свойства, если имеют форму тонких волокон, справедливо и для многих органических полимерных материалов. Полимеры состоят из длинных цепей атомов, в основном, атомов углерода, связанных ковалентными связями. В большинстве случаев цепи либо свободно переплетаются, либо образуют структуры сложной формы. Они легко отделяются друг от друга, и в результате такой материал гибок и непрочен. Однако, если цепи ориентированы в направлении приложения нагрузки или тонкими слоями распределяется между армирующим волокном, то полимер мо­жет приобретать очень высокую прочность и жесткость. Некоторые по­лимерные молекулы (поливинилацетат, полиамид) имеют стержнеоб-разную форму и легко ориентируются нужным образом, когда полимер вытягивается в волокно. На этом эффекте основано производство ара-мидных волокон, обладающих высокой прочностью и жесткостью. Из некоторых полимеров, например, полиэтилена, с гибкими цепями, кото­рые при вытяжке ориентируются вдоль оси, получаются высокопрочные и жесткие волокна.

Прочность и жесткость КМ определяются, главным образом, свой­ствами армирующего материала, но и матрица вносит свой вклад в свойства КМ. Например, тепло- и электропроводность КМ сильно зави­сят от проводимости матрицы. Матрица играет роль адгезива, соеди­няющего волокна в материал, и придает изделию необходимую форму.

Кроме того, она защищает волокна от различных воздействий, источни­ком которых может быть окружающая среда, а также от физических по­вреждений, которые могут инициировать разрушение.

Сохранение прочности волокон при создании КМ - основная цель при получении армированных материалов. Просто пучок волокон имеет довольно низкую конструкционную ценность. В отсутствие матрицы разрыв каждого волокна приводит к уменьшению носителей нагрузки. Нагрузка, которую нес пучок волокон, перераспределяется на остав­шиеся волокна, увеличивая действующие усилия в них. Чтобы полнее использовать их прочность, конструктор должен поместить их в матрицу другого материала. Если волокна находятся в матрице, то разрыв одно­го или нескольких волокон не приводит к полной потере их механиче­ских функций.

Причина заключается в том, что матрица вязкая - упругая и пла­стичная. Когда концы разорванного волокна под действием растяги­вающей нагрузки вытягиваются из матрицы, то адгезионные связи меж­ду волокном и связующим вызывают появление упругих или пласти­ческих деформаций матрицы. Возникающие при этом сдвиговые напря­жения включают в работу разорванное волокно. Волокно, даже повреж­денное или разорванное продолжает вносить свой вклад в механиче­ские характеристики КМ.

Требования к пластичности материала матрицы, его совместимо­сти с армирующим волоконном в какой-то степени обусловливают его выбор. Однако обычно основным определяющим фактором служит об­ласть температур, в которой предполагается эксплуатировать изделие из КМ. Если температура эксплуатации 100-200°С, то обычно для КМ выбирают полимерную матрицу. Из них изготавливают лодки, корпус­ные изделия автомобилей, самолетов, товары широкого потребления и др. Применение ПКМ часто не только снижает вес изделия, но и уде­шевляет его производство, например, позволяет изготавливать детали сложной формы за одну операцию.

Для производства изделий из ПКМ используют термореактивные и термопластичные пластики. Термореактивные пластики более тепло­стойкие, чем большинство термопластов. Обычно в качестве терморе­активных матриц для КМ используют полиэфирные и эпоксидные смолы и их разновидности, однако в настоящее время все больший интерес вызывает класс смол, называемых полиимидными, которые могут вы­держивать длительный нагрев до температур, выше 300°С.

Выбор матричного материала определяет также и способ изготов­ления изделия из КМ. При использовании термореактивных связующих после изготовления изделия из КМ необходимо провести процесс отверждения, т.е. обеспечить условия для пространственной сшивки мо­лекул полимера - выдержать изделие из КМ при высокой температуре и давлении в течение нескольких часов.

Использование термопластичных материалов ускоряет процесс из­готовления, т.к. получение КМ в этом случае требует лишь сравнитель­но короткого нагрева, достаточного для размягчения пластика. Темпе­ратура плавления наиболее перспективных термопластов настолько велика, что по теплостойкости они превосходят термореактивы, напри­мер, полиэфиркетон плавится при 334°С.

Использование металлических матриц позволяет эксплуатировать КМ при температурах выше 300°С, более высокая прочность металли­ческой матрицы дополняет прочность армирующих волокон, а высокая пластичность придает КМ ударную вязкость. Однако при замене ПКМ на МКМ приходится «жертвовать», во-первых, плотностью (даже при ис­пользовании самых легких металлов - алюминия, магния и титана) и, во-вторых, простотой производства. Совмещение волокна с металличе­ским расплавом требует очень высоких температур, при которых могут протекать поверхностные химические реакции, продукты этих реакций могут ослабить связь между материалом матрицы и волокном, а в ряде случаев разрушить и волокна, и матрицу.

Для работы в условиях, превышающих температуры плавления ме­таллических матриц, используются керамические матрицы, которые об­ладают повышенной теплостойкостью, легкие и потенциально прочные, жесткие, как и армирующие волокна, но очень хрупкие. Основная уп­рочняющая роль в ККМ отводится волокнам. Волокна в ККМ тормозят рост трещин. Растущая трещина, столкнувшись с волокном, может либо отклониться, либо вытолкнуть волокно из матрицы. В обоих процессах поглощается энергия и замедляется рост трещины. У многих ККМ с рос­том температуры увеличивается вязкость, и в результате они упрочня­ются. Получают ККМ, в основном, спеканием, которое осуществляется при высоких температурах и давлениях, что усложняет процесс получе­ния изделий из ККМ.

Близкий к ККМ по характеру свойств, но отличающийся от них спо­собом получения - это композит, у которого и матрица, и армирующие волокна состоят из углерода - углерод-углеродный композиционный материал (УУКМ). УУКМ сохраняет свою прочность при 2500°С и ис­пользуется для теплозащиты носовых частей возвращаемых космиче­ских летательных аппаратов при прохождении плотных слоев атмосфе­ры. В отличие от керамических КМ УУКМ подвержен окислению. Чтобы предохранить его от окисления, на его поверхность наносят тонкий слой керамики - силицируют (SiC, SiO2).


При выборе вида армирующих волокон необходимо учитывать, что все армирующие волокна обладают высоким уровнем прочности, одна­ко по многим другим свойствам отличаются друг от друга. Сравнивая основные виды армирующих волокон: стеклянные, органические, угле­родные и борные, можно отметить, что если к материалу предъявляют­ся высокие требования по жесткости, то КМ, армированные стеклянными и органическими волокнами, не приемлемы. Предпочтение надо отдать армирующим углеродным и борным волокнам. По мере возрастания плотности их можно расположить следующим образом: органические (1,4 г/см3), углеродные (1,7 г/см3), борные (2,5 г/см3) и стеклянные (2,58 г/см3); по стоимости: стеклянные, органические, углеродные и бор­ные.

Армирующие волокна должны выбираться не только по механиче­ским свойствам, но и по физическим и химическим. Они должны удов­летворять условия получения композита, определяемые выбранной матрицей. Так, при использовании КМ с металлической матрицей орга­нические волокна могут обугливаться, а углеродные волокна при введе­нии в металлическую или керамическую матрицу могут окисляться и терять свою прочность, если высокотемпературный процесс изготовле­ния КМ не проводить в инертной среде.

Решающую роль химическая совместимость матрицы и волокна иг­рает при их контакте на поверхности волокна. Для совместной работы волокна и матрицы в КМ они должны иметь прочное сцепление. Пред­посылкой для адгезионного взаимодействия является способность не-отвержденной, или расплавленной матрицы смачивать волокно. На во­локна, не смачивающиеся выбранной матрицей, можно нанести специ­альное покрытие (аппрет), улучшающее сцепление матрицы с волок­ном. Связь возникает благодаря взаимодействию материала покрытия, как с волокном, так и с матрицей.

По электропроводности ПКМ подразделяются на изоляционные - на основе стеклянных и органических волокон и электропроводные - на основе углеродных и борных волокон.

Армирующие волокна имеют различные коэффициенты линейного температурного расширения (КЛТР). Если стеклянные и борные волок­на имеют положительные значения КЛТР, то углеродные и органиче­ские - отрицательные в некоторых диапазонах температур.

Для использования КМ в изделиях, требующих высокой ударной прочности, более пригодны органические волокна и стеклянные по сравнению с углеродными и борными. Свойства разрабатываемого из­делия из КМ определяются не только типом матрицы и армирующего волокна, но и другими факторами, не связанными с его составом, - технологией получения и структурными параметрами КМ (объемным со­держанием армирующего материала, его формой и расположением, пористостью и др.).

Композиты с высокой пористостью имеют хорошие характеристики по тепло- и звукоизоляции. Такие КМ широко используются в строи­тельстве, транспортном машиностроении, авиастроении. При изготов­лении таких КМ матрицу вспенивают.

Одним из направлений варьирования свойств КМ является исполь­зование в одном материале армирующих волокон нескольких видов, т.е. создание гибридных КМ. Свойства таких КМ определяются как ви­дами совместно используемых волокон в КМ, так и их соотношением.

Для изделий из волокнистых КМ определяющим принципом конст­руирования является обеспечение соответствия между характером на­грузок и схемой армирования. Если изделие испытывает одноосное растяжение, то оптимальной схемой армирования изделия будет рас­положение волокон только в направлении действующей силы. При плоском напряженном состоянии целесообразно укладывать волокна послойно с различной ориентацией арматуры в слоях. Недостатком та­ких КМ является слабая связь как между слоями, так и в каждом слое в поперечном направлении. Под действием экстремальной нагрузки КМ может расслоиться, а волокна внутри слоя разделиться. Для устране­ния этого явления КМ армируют в трех и более скрещивающихся на­правлениях, создавая пространственную схему армирования.

Подытоживая приведенный анализ зависимостей свойств КМ от характеристик исходных компонентов и структурно-технологических параметров КМ, можно отметить следующее.

Композиты на основе полимерных матриц отличаются высокой коррозионной стойкостью. Сочетание этих матриц с органическими или стеклянными волокнами позволяет получить материал, обладающий электроизоляционными свойствами и радиопрозрачностью, а комбина­ция полимерной или металлической матриц и углеродных волокон обеспечивает электропроводность. Низкая теплопроводность большин­ства КМ позволяет эксплуатировать их без дополнительной защиты в условиях интенсивного кратковременного поверхностного нагрева и оп­ределяет возможность их использования в качестве теплозащитных и теплоизоляционных материалов. Высокая теплостойкость углеродной карбонизированной и керамической матриц в сочетании с высокой прочностью, жесткостью и теплостойкостью углеродных волокон обес­печивает получение материалов, сохраняющих уровень механических характеристик близким к исходному, при температурах, превышающих температуры плавления металлических сплавов. Композиции на основе углеродных и органических волокон позволяют осуществлять направ­ленное изменение КЛТР, т.е. создавать конструкции, сохраняющие ста­бильность геометрических параметров в условиях переменного темпе­ратурного воздействия.

Таким образом, КМ обладают широким спектром полезных, а в не­которых отношениях и уникальных свойств, а их рациональное сочета­ние позволяет получать эффективные конструкции с высокой степенью весового совершенства.


 

Проектирование изделий из КМ

При проектировании и изготовлении изделий из КМ необходимо учитывать особенности конструирования материала в зависимости от условий работы будущего изделия. КМ должен рассматриваться как самостоятельная конструкция, требующая расчета и проектирования, результатом чего является получение материала с заданными пара­метрами. В принципе, для каждой конструкции должен быть разработан и реализован материал, наиболее полно соответствующий ее назначе­нию, полю действующих нагрузок и условиям эксплуатации.

При проектировании конструкции из КМ, помимо традиционного выбора формы и размеров изделия, конструкторы определяют вид и структуру композита, исходя из технических требований и геометрии изделия.

Анализируются следующие требования к изделию: температура и среда эксплуатации; нагрузки, испытываемые изделием, требования по весу, требуемый ресурс и предполагаемая программа выпуска изделий.

На основании анализа этих требований составляются технические требования к материалу конструкции, выбирается тип композита и предлагается схема армирования материала конструкции. На основа­нии принятой схемы армирования изделия и требований по технологич­ности предлагается метод изготовления. Этот этап проектирования можно назвать аналитическим.

На следующем этапе, который можно назвать технологическим, со­ставляются технические требования к монослоям КМ и его компонен­там. Выбираются вид связующего волокна, текстура КМ, дополнитель­ные операции по улучшению свойств КМ (обработка волокна для уда­ления замасливателя, аппретирование и т.п.). Уточняют метод изготов­ления, выбирают технологическую оснастку, оборудование, назначают режимы формования. Следует отметить, что в некоторых случаях уро­вень совершенства оборудования и его технологические возможности определяют фактические характеристики изделий из КМ, оптимальную реализацию в реальных конструкциях многих достижений в области ме­ханики и материаловедения композитов.

На третьем - проверочном этапе проектирования определяются характеристики монослоя КМ, уточняется схема армирования материа­ла конструкции, проводится ее оптимизация, параллельно проводят технологическую проработку этапов изготовления конструкции, расчет напряжений в монослоях и компонентах, а также уточняется геометрия конструкции и изготавливается опытный образец.

Опытный образец испытывается при номинальных нагрузках в ус­ловиях, соответствующих условиям его эксплуатации, затем при экс­тремальных условиях и предельных нагрузках, вплоть до разрушения, после чего делается заключение об использовании КМ в данной конст­рукции.


 

Преимущества и недостатки современных композиционных материалов

По сравнению с традиционными конструкционными материалами (металлами) композиты обладают рядом преимуществ, среди которых главнейшие:

- сравнительно низкая плотность;

- высокие удельная прочность и жесткость, средние значения которых, в  сравнении  с традиционными материалами, приведены  в табл. 1;

- высокая химическая и коррозионная стойкость;

- технологичность переработки в изделия;

- высокие усталостные характеристики волокнистых КМ;

- возможность управлять силовыми потоками за счет рациональ­ного расположения арматуры;

- наличие специальных свойств (радиопрозрачность, термостойкость и др.).

К недостаткам КМ относятся:

- высокая стоимость большинства КМ по сравнению с металлическими сплавами;

- низкая межслоевая прочность и жесткость;

- низкая прочность полимерных КМ на сжатие, затрудняющая соединение изделий из них крепежными элементами;

- отсутствие зоны текучести, хрупкий характер разрушения;

- необходимость принятия специальных мер по охране труда и при переработке.

 

Таблица 1. Характеристики прочности и жёсткости

основных конструкционных материалов

Материал

МПа

Е,

ГПа

p,

кг3

Е/р

Сталь ЗОХГСА

1600

210

7850

26,8

Алюминий Д16Т

420

72

2850

25,3

Титан ВТ15

1500

110

4850

22,9

Углепластик высокопрочный

2070

143

1550

95,3

Углепластик высокомодульный

1040

281

1610

174,5

Стеклопластик

2100

70

2200

31,8

Органопластик

2200

95

1400

67,8

Боропластик

1200

250

2600

125

Бороалюминий

1750

260

2700

96,3

 

Вопросы для самопроверки

- По каким признакам классифицируют композиционные материалы?

- К какому типу композитов относится древесно-стружечная плита? Дайте полную оценку по материаловедческому, конструкционному, технологическому и эксплуатационному признакам.

- К какому типу композитов относятся текстолит, гетинакс, стеклопластик, триплекс, кермет?

- Какие физико-механические характеристики КМ определяются только свойствами входящих компонентов и их соотношением, а какие можно в широ­ких пределах регулировать технологическими и структурными параметрами в
процессе изготовления? Приведите примеры.

- Можно ли изменить форму изделия из КМ на основе термореактивного связующего при его разогреве?

- Какие характеристики композита определяют его удельные прочность и жесткость?

- Как зависит плотность КМ от аналогичной характеристики входящих в него компонентов? Можно ли технологически регулировать плотность КМ и каким образом?

- Почему прочностные характеристики полимерных КМ в направлении армирования на растяжение и сжатие имеют большие отличия?


e-mail: KarimovI@rambler.ru

Адрес: Россия, 450071, гфа, почтовый ящик 21

 

 

 

 

Рейтинг@Mail.ru Каталог-Молдова - Ranker, Statistics

Directrix.ru - рейтинг, каталог сайтов