Прогресс в создание композиционных материалов
Московский Государственный Университет
им. М.В.Ломоносова
Факультет наук о материалах
Реферат
Тема: «Прогресс в создании композиционных материалов».
Студента V курса ФНМ
Кареева И.Е.
Москва 2000г.
Содержание.
Введение....................................................................
...............................2
Композиционные материалы армированные волокнами................3
Композиционные материалы с полимерной матрицей..............5
Композиционные материалы с металлической матрицей.......7
Направления развития композиционных материалов армированные
волокнами........................................................….....9
Композиционный материал «биокерамика-никелид титана»....10
Роль поверхности раздела в композиционных материалах..........12
Заключение..................................................................
...........................16
Список
литературы..................................................................
...........17
Введение.
Композиционные материалы, представляют собой металлические или
неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них
упрочнителей (волокон дисперсных частиц и др.); при этом эффективно
используются индивидуальные свойства составляющих композиции. По характеру
структуры композиционные материалы подразделяются на волокнистые,
упрочненные непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами,
дисперстноупрочненнные материалы, полученные путем введения в металлическую
матрицу дисперсных частиц упрочнителей, слоистые материалы, созданные путем
прессования или прокатки разнородных материалов. К композиционным
материалам также относятся сплавы с направленной кристаллизацией
эвтектических структур. Комбинируя объемное содержание, можно, в
зависимости от назначения, получать материалы с требуемыми значениями
прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также
создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими,
радиопоглощающими и другими специальными свойствами.
Волокнистые композиционные материалы, армированные нитевидными
кристаллами и непрерывными волокнами тугоплавких соединений и элементов
(SiC, Al2O3, бор, углерод и др.), являются новым классом материалов. Однако
принципы армирования для упрочнения известны в технике с глубокой
древности. Еще в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при
постройке жилищ, а в Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные
колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555-1560 гг. при постройке храма
Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали
армированные железными полосами каменные плиты. Прообразом композиционные
материалы являются широко известный железобетон, представляющий собой
сочетание бетона, работающего на сжатие и стальной арматуры, работающей на
растяжение, а также полученные в XIX веке прокаткой слоистые материалы.
Успешному развитию современным КМ содействовали: разработка и
применение в конструкциях волокнистых стеклопластиков, обладающих высокой
удельной прочностью (1940-1950 гг.). Открытие весьма высокой прочности,
приближающейся к теоретической, нитевидных кристаллов и доказательства
возможности использования их для упрочнения металлических и неметаллических
материалов (1950-1960 гг.), разработка новых армирующих материалов –
высокопрочных и высокомодульных непрерывных волокон бора, углерода, Al2O3,
SiC и волокон других неорганических тугоплавких соединений, а также
упрочнителей на основе металлов (1960-1970 гг.).
Важнейшими технологическими методами изготовления композиционных
материалов являются: пропитка армирующих волокон матричным материалом;
формирование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы, получаемых намоткой;
холодное прессование обоих компонентов с последующим спеканием;
электрохимическое нанесение покрытий на волокна с последующим прессованием;
осаждение матрицы плазменным напылением на упрочнитель с последующим
обжатием; пакетная диффузионная сварка монослойных лент компонентов;
совместная прокатка армирующих элементов с матрицей и др. Весьма
перспективны композиционные материалы, армированные нитевидными кристаллами
(усами) керамических, полимерных и др. материалов. Размеры усов обычно
составляют от долей до нескольких мкм. По диаметру и примерно 10-15мм. по
длине[4].
Композиционные материалы армированные волокнами.
Период 1974-1978 гг. явился началом нового этапа в развитии
конструкционных композиционных материалов, армированных волокнами. В
области материаловедения это характеризуется завершением изучения «простых»
механических свойств композиционные материалы. Созданием методик
исследований и испытаний, разработка теоретических основ механического
поведения материалов и переходом к стадии широкого комплексного
исследования служебных характеристик композиционные материалы при сложных
схемах нагружения, наличия концентраторов напряжений, совместном влиянии
механических, эксплутационных и климатических факторов. В области
технологии проведены разработки технологических процессов изготовления
типовых деталей из композиционных материалов. Наметился переход к созданию
специализированного технологического оборудования. Задачами на этом этапе
явилось создание научных основ технологии и разработка способов управления
процессом формирования качественных изделий из композиционных материалов,
завершение работ по созданию высокопроизводительного оборудования для
изготовления и переработки композиционные материалы. В области
проектирования деталей и узлов из композиционные материалы этот этап
характеризуется преодолением у конструкторов «психологического барьера»
недоверия к новым материалам, началом разработки принципов оптимального
проектирования конструкции из композиционные материалы, инженерных методов
расчета конструкций с использованием композиционные материалы. В
информационной области наблюдается переход к изданиям обобщающего типа.
Таковыми являются, например, восмитомная энциклопедия по композиционным
материалам, справочник по методам испытаний, свойствам и применению
композиционные материалы и др. В эти годы создано несколько
специализированных журналов по композиционные материалы: «Journal
Composites Materials» - США; «Composites» - Великобритания; «Transactions
of the Japan Society for Composite Materials» - Япония.
Наиболее распространены для армирования композиционных материалов
стеклянные волокна, выпуск которых в США достигает сотен тысяч тонн. Они
изготавливаются быстрым охлаждением расплавов стекломассы, фиксирующим в
волокнах аморфную структуру однородной жидкости. Стекловолокна дешевы,
хорошо отработан процесс изготовления пластиков на их основе;
стеклопластики широко применяют в течение последних 20-30 лет в изделиях
авиационной техники, в автомобилестроение, при производстве спортивных
товаров и т.п. Основными недостатками стеклянных волокон является низкая
жесткость, не позволяющая использовать стеклопластики в силовых
конструкциях ответственного назначения, и зависимость свойств от внешней
среды, обусловленная гидрофильностью волокон.
В последние годы для армирования полимерных матриц начинают
использовать синтетические органические волокна. Их свойства определяются
типом полимера, условиями формирования волокон и степенью ориентации их
структуры. Наиболее широко применяют полиарамидное волокно.
Наиболее прочные углеродные волокна, представляющие собой продукты
карбонизации исходных углеродсодержащих волокон, получают из
полиакрилонитрильного, вискозного и пекового сырья. Углеродные волокна
состоят из графитоподобных микро фрагментов, объединяемых зонами с аморфным
и турбостратным углеродом, и содержат в своем составе практически лишь
атомы углерода. Своеобразие этих волокон заключается в том, что организация
графитоподобных фрагментов отражает структуру органического полимера.
В связи усилившимся за последнее время интересом к композиционные
материалы с металлическими матрицами проводится интенсивная работа по
созданию совместимых с металлами волокон из карбида кремния, окиси циркония
или алюминия.
Композиционные материалы с полимерной матрицей
50-летний опыт технологической работы со стеклопластиками, показал,
что способы изготовления полимерных композиционных материалов с углеродными
и борными волокнами в достаточной степени отработаны. Изучены основные
механические характеристики угле - и боропластиков, накоплен опыт их
опробования и летной эксплуатации в деталях, не являющихся критическими с
точки зрения безопасности конструкции. Расширение внедрения композиционных
материалов с полимерной матрицей несколько сдерживается недостаточностью
знаний о механизме разрушения и свойствах композиционных материалов в
условиях, имитирующих реальные условия работы конструкций (наличие
концентраторов напряжений, сложная схема нагружения, комплексное
воздействие механических нагрузок и температуры, низкоэнергетический удар и
т.п.), о влиянии климатических факторов (влаги, солнечной радиации,
электричества). В последние годы наблюдается концентрация усилий именно на
этих направлениях исследований композиционных материалов с полимерной
матрицей.
Основные свойства пластиков, армированных борными и углеродными
волокнами, были известны к концу 60-х годов, что обусловило возможность их
опробования в различных изделиях. Однако из-за высокой стоимости волокон
использование композиционных материалов с полимерной матрицей было
возможным лишь в тех отраслях промышленности, в которых огромные затраты на
изготовление деталей из композиционных материалов окупались бы при
эксплуатации изделий. Именно по этой причине пионером в области
использования высокопрочных высокомодульных композиционных материалов с
полимерной матрицей стала авиационно-космическая промышленность. В
дальнейшем в связи с увеличением объема производства стоимость волокон и
композиционных материалов на их основе начала снижаться, что привело к
возможности использования армированных пластиков для изготовления
высококачественного спортивного инвентаря и позволило несколько снизить
расходы авиационно-космических компаний на развитие новых материалов.
Дальнейшее снижение стоимости углеродных волокон, связанное с переходом на
пековое сырье, обеспечивает рентабельность применения полимерных
композиционных материалов в других отраслях промышленности.
Одним из первых применений композиционных материалов с полимерной
матрицей явилось изготовление из углепластика в 1967 г. 22 панелей задней
кромки крыла самолета F-111A (США); эти панели были вдвое дороже
алюминиевых, но позволили снизить массу конструкции на 16%. На фоне
постоянного увеличения стоимости ручного труда, энергии и традиционных
материалов устойчивая тенденция к снижению стоимости композиционных
материалов инициирует усилия разработчиков по внедрению композиционных
материалов в изделия современной техники. Одним из наиболее впечатляющих
примеров внедрения композиционных материалов является разработка фирмой
Grumman Aerospace Corp. горизонтального стабилизатора тяжелого современного
бомбардировщика В-1B. Испытания показали, что при всех видах нагружения
разрушение конструкции наступает при нагрузках, составляющих 130-170% от
предельных расчетных. Так как стабилизатор испытывает мощные акустические
нагрузки (расчетная долговечность 26 ч при звуковой нагрузке 167 дБ), он
был испытан в соответствующих условиях и без разрушения простоял 181 ч при
уровне шума 152-167 дБ. Лакокрасочное покрытие стабилизатора проверялось в
Страницы: 1, 2
|