Композиционные материалы (композиты)

Министерство общего и профессионального

образования РФ

Кемеровский государственный университет

Кафедра маркетинга

РЕФЕРАТ

По дисциплине: Тост

По теме: Композиционные материалы (композиты)

Выполнил:

студент группы

Проверила:

Кемерово

1999

План

1. Композиционные материалы – материалы будущего.

2. Типы композиционных материалов.

2.1. Композиционные материалы с металлической матрицей.

2.2. Композиционные материалы с неметаллической матрицей.

3. Классификация композиционных материалов.

3.1. Волокнистые композиционные материалы.

3.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы.

3.3. Стекловолокниты.

3.4. Карбоволокниты.

3.5. Карбоволокниты с углеродной матриццей.

3.6. Бороволокниты.

3.7. Органоволокниты.

4. Экономическая эффективность применения композиционных материалов.

5. Список литературы.

1. Композиционные материалы – материалы будущего.

После того как современная физика металлов подробно разъяснила нам

причины их пластичности, прочности и ее увеличения, началась интенсивная

систематическая разработка новых материалов. Это приведет, вероятно, уже в

вообразимом будущем к созданию материалов с прочностью, во много раз

превышающей ее значения у обычных сегодня сплавов. При этом большое

внимание будет уделяться уже известным механизмам закалки стали и старения

алюминиевых сплавов, комбинациям этих известных механизмов с процессами

формирования и многочисленными возможностями создания комбинированных

материалов. Два перспективных пути открывают комбинированные материалы,

усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами. У

первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу

введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора,

бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого

комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем

упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего

являются композиционные материалы.

Композиционный материал – конструкционный (металлический или

неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элементы в

виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Примеры

композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными,

стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий,

армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание

компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми

значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной

стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными,

диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

2. Типы композиционных материалов.

2.1. Композиционные материалы с металлической матрицей.

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al,

Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые

материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися

в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица

связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные

частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию,

получили название композиционные материалы.

2.2. Композиционные материалы с неметаллической матрицей.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое

применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные,

углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее

распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная.

Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических

полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей

форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные,

органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов,

нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой

прочностью и жесткостью.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов,

их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними.

Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент,

многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-

80 об. %, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными

кристаллами) – 20-30 об. %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон,

тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы

определяют прочность композиции при сдвиги и сжатии и сопротивление

усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на

стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и

органоволокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим,

укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои

собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы

материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно

создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами.

Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства

композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета

зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей.

Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных

нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном

направлениях.

Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков,

цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление

сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем

разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей

равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях.

Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем

трехнаправленных.

3. Классификация композиционных материалов.

3.1. Волокнистые композиционные материалы.

Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем)

по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение

длинны волокна к диаметру l/d(10(10і, и с непрерывным волокном, в которых

l/d(?. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон

от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длинны к диаметру

волокна, тем выше степень упрочнения.

Часто композиционный материал представляет собой слоистую

структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных

непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными

волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму,

по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна

сплетают в трехмерные структуры.

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более

высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50

– 10 %), модуля упругости, коэффициента жесткости (Е/?) и пониженной

склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов

повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее

металлоемкости.

Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется

свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения

между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон

должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы.

Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в

композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении

ориентации волокон.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные

([pic]= 2500(3500 МПа, Е = 38(420 ГПа) и углеродные ([pic]= 1400(3500 МПа,

Е = 160(450 ГПа) волокна, а также волокна из тугоплавких соединений

(карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль

упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют [pic]=

2500(3500 МПа, Е = 450 ГПа. Нередко используют в качестве волокон проволоку

из высокопрочных сталей.

Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую

проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.

Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием

их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна

используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и

электропроводимость. Перспективными упрочнителями для высокопрочных и

высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные

кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида

бора и др., имеющие [pic]= 15000(28000 МПа и Е = 400(600 ГПа.

В следующей таблице приведены некоторых волокнистых композиционных

материалов.

|Механические свойства композиционных материалов на металлической основе |

|Материал |[pic] |[pic] |Е, ГПа |[pic]/(|Е/( |

| |МПа | | | |

|Бор-алюминий (ВКА-1А) |1300 |600 |220 |500 |84,6 |

|Бор-магний (ВКМ-1) |1300 |500 |220 |590 |100 |

|Алюминий-углерод (ВКУ-1) |900 |300 |220 |450 |100 |

|Алюминий-сталь (КАС-1А) |1700 |350 |110 |370 |24,40 |

|Никель-вольфрам (ВКН-1) |700 |150 |- |- |- |

Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой

прочностью ([pic], [pic]) и жаропрочностью, в то же время они

малопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают

скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически

полностью исчезает внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью

волокнистых одноосных композиционных материалов являются анизотропия

механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность к

концентраторам напряжения.

Рассмотрим зависимость [pic] и Е бороалюминевого композиционного

материала от содержания борного волокна вдоль и поперек оси армирования.

Чем больше объемное содержание волокон, тем выше [pic], [pic] и Е вдоль оси

армирования. Однако необходимо учитывать, что матрица может передавать

напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на

поверхности раздела армирующее волокно – матрица. Для предотвращения

контакта между волокнами матрица должна полностью окружать все волокна =,

что достигается при содержании ее не менее 15-20 %.

Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать (должна

отсутствовать взаимная диффузия) при изготовлении и эксплуатации, так как

это может привести к понижению прочности композиционного материала.

Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов

учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем

согласования поля сопротивления с полями напряжения.

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными

тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, доборида титана и оксида

алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных

материалов является малая скорость разупрочнения во времени с повышением

температуры.

Основным недостатком композиционных материалов с одно и двумерным

армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному

обрыву. Этого лишены материалы с объемным армированием.

3.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы.

В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-

упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом,

несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций.

Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем

расстоянии между ними 100-500нм и равномерном распределении их в матрице.

Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих

фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы

Страницы: 1, 2