Реферат: Композиционные материалы

Федеральноеагентство по образованию

Белгородскийгосударственный технологический университет имени В. Г. Шухова

Институтстроительного материаловедения

Кафедра ТДКО

Реферат

На тему: "Композиционные материалы"

Выполнил: студент гр.ХТ-41

Соколенко И. В.

Принял: аспирант

Бедина В. И.

Белгород

2010г.

Содержание

Введение

1. Классификация композиционныхматериалов

2. Состав, строение и свойствакомпозиционных материалов

3. Экономическая эффективностьприменения композиционных материалов

Список использованной литературы

Введение

Композиционный материал — неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, средикоторых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимыемеханические характеристики материала, и матрицу, обеспечивающую совместнуюработу армирующих элементов. Механическое поведение композита определяетсясоотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связимежду ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильноговыбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечитьпрочную связь между компонентами при сохранении их первоначальныххарактеристик. В результате совмещения армирующих элементов и матрицыобразуется комплекс свойств композита, не только отражающий исходныехарактеристики его компонентов, но и включающий свойства, которымиизолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела междуармирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкостьматериала, и в композитах, в отличие от металлов, повышение статическойпрочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристиквязкости разрушения.

Преимуществакомпозиционных материалов:

-высокая удельнаяпрочность;

-высокая жёсткость(модуль упругости 130…140 ГПа);

-высокая износостойкость;

-высокая усталостнаяпрочность;

Из КМ возможно изготовитьразмеростабильные конструкции, причём, разные классы композитов могут обладатьодним или несколькими преимуществами.

Наиболее частые недостаткикомпозиционных материалов:

-высокая стоимость;

-анизотропия свойств;

-повышенная наукоёмкостьпроизводства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, аследовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.

1. Классификациякомпозиционных материалов

Композиты — многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической.,углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной наполнителямииз волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др. Путем подбора состава и свойствнаполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителяможно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных итехнологических свойств. Использование в одном материале нескольких матриц(полиматричные композиционные материалы) или наполнителей различной природы(гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможностирегулирования свойств композиционных материалов. Армирующие наполнителивоспринимают основную долю нагрузки композиционных материалов.

По структуре наполнителякомпозиционные материалы подразделяют на волокнистые (армированы волокнами инитевидными кристаллами), слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыминаполнителями), дисперсноармированные, или дисперсно-упрочненные (снаполнителем в виде тонкодисперсных частиц). Матрица в композиционныхматериалах обеспечивает монолитность материала, передачу и распределениенапряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне- и хим. стойкость.

По природе матричногоматериала различают полимерные, металлические, углеродные, керамические и др.композиты.

Композиционные материалыс металлической матрицей представляют собой металлический материал (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы),упрочненный высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) илитонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле(дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна(дисперсные частицы) в единое целое.

Композиционные материалыс неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллическихматриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Изполимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегиднаяи полиамидная. Угольные матрицы, коксованные или пироуглеродные, получают изсинтетических 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), обладающиевысокой прочностью и жесткостью.

Композиционные материалыс волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действияделят на дискретные, в которых отношение длинны волокна к диаметру относительноневелико, и с непрерывным волокном. Дискретные волокна располагаются в матрицехаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношениедлинны к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

Часто композиционныйматериал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армированбольшим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армироватьтакже непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собойисходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередковолокна сплетают в трехмерные структуры.

Композиционные материалыотличаются от обычных сплавов более высокими значениями временногосопротивления и предела выносливости (на 50 – 10 %), модуля упругости,коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещинообразованию.Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции приодновременном снижении ее металлоемкости. Прочность композиционных(волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основномдолжна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтомупрочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочностьи модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения,возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость внаправлении ориентации волокон.

Для упрочнения алюминия,магния и их сплавов применяют борные волокна, а также волокна из тугоплавкихсоединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность имодуль упругости. Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовуюпроволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана. Повышениежаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой илимолибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях,когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. Перспективнымиупрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционныхматериалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбидаи нитрида кремния, карбида бора и др. Композиционные материалы на металлическойоснове обладают высокой прочностью и жаропрочностью, в то же время онималопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скоростьраспространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностьюисчезает внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью волокнистыходноосных композиционных материалов являются анизотропия механических свойстввдоль и поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения.Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается приконструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования полясопротивления с полями напряжения. Необходимо учитывать, что матрица можетпередавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочнаясвязь на поверхности раздела армирующее волокно – матрица. Для предотвращенияконтакта между волокнами матрица должна полностью окружать все волокна, чтодостигается при содержании ее не менее 15-20 %. Матрица и волокно не должнымежду собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) приизготовлении и эксплуатации, так как это может привести к понижению прочностикомпозиционного материала. Армирование алюминиевых, магниевых и титановыхсплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, боридатитана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностьюкомпозиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени сповышением температуры.

Основным недостаткомкомпозиционных материалов с одно и двумерным армированием является низкоесопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого лишены материалы собъемным армированием.

В отличие от волокнистыхкомпозиционных материалов в дисперсно- упрочненных композиционных материалахматрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицытормозят движение в ней дислокаций.

Высокая прочностьдостигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними100-500нм и равномерном распределении их в матрице. Прочность и жаропрочность взависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются законуаддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металловнеодинаково, но обычно не превышает 5-10 об. %. Использование в качествеупрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния,иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), не растворяющихсяв матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала до0,9-0,95 Тпл. В связи с этим такие материалы чаще применяют какжаропрочные. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы могут быть полученына основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов. Наиболее широкоиспользуют сплавы на основе алюминия – САП (спеченный алюминиевый порошок).

2. Состав,строение и свойства композиционных материалов

Свойства композиционныхматериалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественногосоотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть ввиде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей. Содержание упрочнителяв ориентированных материалах составляет 60-80 об.%, в неориентированных (сдискретными волокнами и нитевидными кристаллами) 20-30 об.%. Чем выше прочностьи модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала.Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии исопротивление усталостному разрушению. В слоистых материалах волокна, нити,ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскостиукладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными.Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующихнагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропнымисвойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойствакомпозиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависятизгибные и крутильные жесткости материала. Применяется укладка упрочнителей изтрех, четырех и более нитей. Наибольшее применение имеет структура из трехвзаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом,радиальном и окружном направлениях. Трехмерные материалы могут быть любойтолщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыви сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитейстроится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырехнитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях.Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных.

Наибольшее применение встроительстве и технике получили композиционные материалы, армированныевысокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят:полимерные композиционные материалы на основе термореактивных (эпоксидных,полиэфирных, феноло-формальдегидных, полиамидных и др.) и термопластичныхсвязующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными(углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и др.волокнами; металлические композиционные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкремниевымиволокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой; композиционныематериалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами(углерод-углеродные материалы); композиционные материалы на основе керамики,армированной углеродными, карбидокремниевыми и др. жаростойкими волокнами и SiC. При использовании углеродных,стеклянных, амидных и борных волокон, содержащихся в материале в кол-ве 50-70%,созданы композиции с удельной прочностью и модулем упругости в 2-5 разбольшими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того,волокнистые композиционные материалы превосходят металлы и сплавы по усталостнойпрочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкостии др. свойствам. Так, армирование сплавов Аl волокнами бора значительно улучшает их механическиехарактеристики и позволяет повысить температуру эксплуатации сплава с 250-300 до450-500 °С. Армирование проволокой (из W и Мо) и волокнами тугоплавких соединений используют присоздании жаропрочных композиционных материалов на основе Ni, Cr, Co, Ti и их сплавов. Так, жаропрочныесплавы Ni, армированные волокнами, могутработать при 1300-1350°С. При изготовлении металлических волокнистыхкомпозиционных материалов нанесение металлической матрицы на наполнительосуществляют в основном из расплава материала матрицы, электрохимическимосаждением или напылением. Формование изделий проводят гл. обр. методомпропитки каркаса из армирующих волокон расплавом металла под давлением до 10МПа или соединением фольги (матричного материала) с армирующими волокнами сприменением прокатки, прессования, экструзии при нагреве до температурыплавления материала матрицы.

Один из общихтехнологических методов изготовления полимерных и металлических волокнистых ислоистых композиционных материалов — выращивание кристаллов наполнителя вматрице непосредственно в процессе изготовления деталей. Такой метод применяют,напр., при создании эвтектических жаропрочных сплавов на основе Ni и Со. Легирование расплавовкарбидными и интерметаллическими соединениями, образующими при охлаждении вконтролируемых условиях волокнистые или пластинчатые кристаллы, приводит к упрочнениюсплавов и позволяет повысить температуру их эксплуатации на 60-80oС. Композиционные материалы на основеуглерода сочетают низкую плотность с высокой теплопроводностью, хим.стойкостью, постоянством размеров при резких перепадах температур, а также свозрастанием прочности и модуля упругости при нагреве до 2000 °С в инертнойсреде. Высокопрочные композиционные материалы на основе керамики получают приармировании волокнистыми наполнителями, а также металлическими и керамическимидисперсными частицами. Армирование непрерывными волокнами SiC позволяет получать композиционныематериалы, характеризующиеся повышенной вязкостью, прочностью на изгиб ивысокой стойкостью к окислению при высоких температурах. Однако армированиекерамики волокнами не всегда приводит к значительному повышению ее прочностныхсвойств из-за отсутствия эластичного состояния материала при высоком значенииего модуля упругости. Армирование дисперсными металлическими частицамипозволяет создать керамико-металлические материалы (керметы), обладающие повышеннойпрочностью, теплопроводностью, стойкостью к тепловым ударам. При изготовлениикерамических композиционных материалов обычно применяют горячее прессование,прессование с последующим спеканием, шликерное литье. Армирование материалов дисперснымиметаллическими частицами приводит к резкому повышению прочности вследствиесоздания барьеров на пути движения дислокаций. Такое армирование гл. обр.применяют при создании жаропрочных хромоникелевых сплавов. Материалы получаютвведением тонкодисперсных частиц в расплавленный металл с последующей обычнойпереработкой слитков в изделия. Введение, напр., ТhO2 или ZrO2 в сплавпозволяет получать дисперсноупрочненные жаропрочные сплавы, длительно работающиепод нагрузкой при 1100-1200°С (предел работоспособности обычных жаропрочныхсплавов в тех же условиях 1000-1050°С). Перспективное направление созданиявысокопрочных композиционных материалов — армирование материалов нитевиднымикристаллами («усами»), которые вследствие малого диаметра практическилишены дефектов, имеющихся в более крупных кристаллах, и обладают высокойпрочностью. Наиболее практический интерес представляют кристаллы Аl2О3, BeO, SiC, B4C, Si3N4, AlN играфита диаметром 1-30 мкм и длиной 0,3-15 мм. Используют такие наполнители в виде ориентированной пряжи или изотропных слоистых материалов наподобие бумаги,картона, войлока. Введение в композицию нитевидных кристаллов может придаватьей необычные сочетания электрических и магнитных свойств. Выбор и назначениекомпозиционных материалов во многом определяются условиями нагружения и температуройэксплуатации деталей или конструкций, технол. возможностями. Наиболее доступныи освоены полимерные композиционные материалы. Большая номенклатура матриц ввиде термореактивных и термопластичных полимеров обеспечивает широкий выборкомпозиционные материалы для работы в диапазоне от отрицательных температур до100-200°С — для органопластиков, до 300-400 °С — для стекло-, угле — иборопластиков. Полимерные композиционные материалы с полиэфирной и эпоксиднойматрицей работают до 120-200°, с феноло-формальдегидной — до 200-300 °С,полиимидной и кремнийорганической — до 250-400°С. Металлические композиционныематериалы на основе Аl, Mg и их сплавов, армированные волокнамииз В, С, SiC, применяют до 400-500°С;композиционные материалы на основе сплавов Ni и Со работают при температуре до 1100-1200 °С, на основетугоплавких металлов и соединений — до 1500-1700°С, на основе углерода икерамики — до 1700-2000 °С. Использование композитов в качестве конструкционных,теплозащитных, антифрикционных, радио — и электротехнических и др. материаловпозволяет снизить массу конструкции, повысить ресурсы и мощности машин иагрегатов, создать принципиально новые узлы, детали и конструкции. Все видыкомпозиционные материалы применяют в химической, текстильной, горнорудной,металлургической промышленности, машиностроении, на транспорте, дляизготовления спортивного снаряжения и др.

3.Экономическая эффективность применения композиционных материалов

Области применениякомпозиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиации длявысоконагруженных деталей (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей, лопатоккомпрессора и турбины и т. д.), в космической технике для узлов силовыхконструкций аппаратов, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроениидля облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т. д., вгорной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т. д.), вгражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкцийвысотных сооружений и т. д.) и в других областях народного хозяйства.

Применение композиционныхматериалов обеспечивает новый качественный скачек в увеличении мощностидвигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин иприборов. Композиционные материалы с неметаллической матрицей, а именнополимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузовагоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панелиотопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокнитыприменяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры дляхимической промышленности, в рентгеновском оборудовании и другом. Карбоволокнитыс углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются длятепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры. Изделияиз бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили,панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов, трансмиссионные валывертолетов и т. д.). Органоволокниты применяют в качестве изоляционного иконструкционного материала в электрорадиопромышленности, авиационной технике ит. д.

Списокиспользованной литературы

1. Горчаков Г.И.,Баженов Ю.М. Строительные материалы/ Г.И. Горчаков, Ю.М. Баженов. — М.:Стройиздат, 1986.

2. Строительныематериалы / Под ред.В.Г. Микульского. — М.: АСВ, 2000.

3. Общий курсстроительных материалов / Под ред. И.А. Рыбьева. — М.: Высшая школа, 1987.

4. Строительныематериалы / Под ред.Г.И. Горчакова. — М: Высшая школа, 1982.

5. Эвальд В.В.Строительные материалы, их изготовление, свойства и испытания/ В.В. Эвальд. — С-Пб.: Л-М, 14-ое изд.,1933.