ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Тема: Пластмассы, антифрикционные, композитные материалы

Практическая работа №7 Определение строения и свойств композитных материалов.
Цель: познакомиться с композиционными материалами, изучить их свойства и строение.
Теория прикреплена ниже. с.370-379

 Ответить на вопросы.
1. Что такое композиционные материалы?
2. Из чего изготавливаю волокна волокнистых композитов?
3. Где, как и для чего применяют композиционные материалы?
4. В чем преимущество композиционных материалов перед металлическими сплавами?
2. Составить таблицу или схему по классификации композиционных материалов.
3. Описать свойства композиционных материалов.

Теоретический материал

Композиционные материалы (композиты) представляют собой гетерогенные, т. е. неоднородные системы, состоящие из двух или более фаз-компонентов, причем каждый из компонентов сохраняет свои свойства. Для композитов характерно следующее:

• состав и форма компонентов определены заранее;

• компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих получение заданных свойств материала;

• макроструктура материала однородна при неоднородной мик­роструктуре;

• между компонентами, обладающими существенно различны­ми свойствами, существует явная граница раздела.

В большинстве случаев компоненты композита различны не только по свойствам, но и по геометрическому признаку. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, явля­ется матрицей. Второй, разделенный в объеме композиции, являет­ся армирующим (усиливающим). Материалы матрицы и армирую­щего компонента должны быть взаимно нейтральны, т. е. не образовывать химических соединений или твердых растворов, ко­эффициенты линейного и объемного расширения этих материалов должны быть близки. Соблюдение последнего требования необхо­димо для того, чтобы обеспечить целостность материала при изме­нении температуры, так как при различии коэффициентов линей­ного расширения будут возникать термические напряжения, которые могут привести к разрушению.

Матричным материалом могут быть металлы, сплавы, терморе­активные или термопластичные полимеры, керамика или другие ве­щества. Армирующие компоненты — это мелкодисперсные порош­ки или волокнистые материалы различной природы. По виду армирующего материала композиты делятся на две основные груп­пы: дисперсно-упрочненные и волокнистые.

Дисперсно-упрочненные композиты

Структура дисперсно-упрочненного композиционного материа­ла представляет собой матрицу, в которой равномерно распределе­ны мелкодисперсные частицы второго компонента. Упрочнение та­ких материалов осуществляется за счет создания барьеров перемещению дислокаций, аналогично тому, как это происходит в металлических сплавах с дисперсионным твердением, например, в системе «Аl—Сu». Наиболее сильное торможение перемещению дислокаций достигается при использовании в качестве второй, уп­рочняющей фазы частиц химических соединений — карбидов, нит­ридов, боридов, оксидов, обладающих высокими значениями твер­дости, прочности, а также высокой химической устойчивостью.

Для эффективного торможения дислокаций суммарная поверх­ность дисперсных частиц должна быть максимальной, т. е. их раз­меры минимальными (но не менее 2÷10 нм, так как при меньших размерах частицы перерезаются движущимися дислокациями, а не задерживают их).

Наиболее распространенная технология получения дисперс­но-упрочненного композита — порошковая металлургия. Основны­ми технологическими процессами являются получение порошковых смесей, прессование порошков с последующим спеканием и пла­стическая деформация полученной массы. В процессе пластической деформации повышается плотность и уменьшается пористость ком­позита.

В промышленности нашли применение композиты с алюминие­вой, магниевой, титановой, никелевой, вольфрамовой и другими матрицами.

Композиты на основе алюминия типа САП (спеченный алюми­ниевый порошок) нашли широкое применение, в частности, в авиационной промышленности. В этих композитах алюминиевая матрица упрочнена оксидными частицами А12О3. Свойства компо­зита определяются количеством А12О3. Так, предел прочности ком­позита САП-1 (6÷9 % А12О3) составляет 300 МПа, а композита САП-3 (13÷18 % А12О3) - 400 МПа.

При цеховой температуре механические свойства САПов ниже, чем у алюминиевых сплавов. Их основное преимущество достигает­ся при температурах свыше 300 °С, когда алюминиевые сплавы ра-зупрочняются. Так, при 500 °С предел прочности сплавов САП со­ставляет 80÷120 МПа, тогда как у сплавов Д19, Д20, АК-4 не превы­шает 5 МПа.

Композиты на основе бериллия предназначены для длительной работы при высоких температурах. В качестве упрочнителя бериллиевой матрицы используют оксид или карбид бериллия — ВеО, Ве2С. Наиболее эффективно сопротивление ползучести повышается для композитов системы Ве—Ве2С. Так, при температуре 650 °С 100-часовая прочность композита выше прочности чистого берил­лия в 3 раза (40 и 14 МПа соответственно), а при температуре 730 °С — более, чем в 5 раз (25 и 4 МПа соответственно).

Композиты на основе магния. Незначительная растворимость ки­слорода в магнии дает возможность упрочнять его оксидами. Наи­больший эффект достигается при введении около 1 % оксида, при этом предел прочности достигает 300 МПа, тогда как предел проч­ности магния составляет 180 МПа. Композиты на основе магния обладают низкой плотностью, высокой длительной прочностью и высоким сопротивлением ползучести. Наиболее перспективно при­менение композита в авиации для изготовления деталей, от кото­рых требуется сочетание малой массы с повышенной прочностью.

Композиты на основе никеля и кобальта предназначены для экс­плуатации при высоких температурах — свыше 1000 °С. Упрочне­ние достигается за счет введения оксидов тория или гафния в коли­честве 2÷4%. Матрицы этих композитов могут состоять из чистых металлов или сплавов на их основе. Так, в качестве матрицы нашел применение нихром (80 % Ni, 20 % Сr), а также сплав кобальта с цирконием (2 %). Композиты на основе нихрома обладают более высокой прочностью по сравнению с чисто никелевым композитом при температурах до 600÷800 °С. Легирование цирконием кобальто­вой матрицы приводит к повышению механических свойств во всем диапазоне температур, однако при этом заметно снижается пла­стичность материала. Основное применение композитов — авиаци­онная и космическая техника.

ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

У волокнистых композитов матрица (чаще всего пластичная) ар­мирована высокопрочными волокнами, проволокой, жгутами и т. п., воспринимающими нагрузку, за счет чего и достигается уп­рочнение композитов. Композит приобретает ряд свойств, которы­ми не обладают его компоненты. При этом появляется возможность создавать материалы или непосредственно детали с заранее заданными характеристиками для определенных условий эксплуатации.

Свойства волокнистых композитов определяются природой ма­териалов матрицы и волокна, а также способами армирования. Именно эти параметры лежат в основе классификации композитов.

В зависимости от материала матрицы композиты делятся на пластики (полимерная матрица), металлокомпозиты (металличе­ская матрица), композиты с керамической матрицей и матрицей из углерода.

При создании композиционных материалов применяются высо­копрочные волокна из стекла, бора, углерода, металлической про­волоки и нитевидных кристаллов оксидов, нитридов и других хими­ческих соединений.

Название композита определяется материалами матрицы и во­локна, например, стеклопластик — это композит, у которого материал матрицы — пластмасса, упрочняющий компонент — стекловолокно.

Армирующие компоненты применяются в виде моноволокон, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов. Различают компо­зиты, образованные из слоев; армированные непрерывными парал­лельными волокнами; армированные тканями (текстолиты). Распо­ложение волокон может быть направленным (одно- или многонаправленным) или хаотическим, двухмерным или трехмер­ным— пространственным (рис. 1).

Рис. 1 Классификация композитов по конструктивному признаку:

а — хаотически армированные (1 — короткие волокна; 2— непрерывные волокна); б— одномер­но-армированные (1 — непрерывные волокна; 2— короткие волокна); в — двухмерно-армиро­ванные (1 — непрерывные нити; 2 — ткани); г — пространственно-армированные (1 — три се­мейства нитей; 2 — п семейств нитей)

Текстолит — это материал, полученный прессованием пакета кусков хлопчатобумажной ткани, пропитанной смо­лой. Выпускается в виде листов, плит, труб и стержней. Обладает хорошей способностью поглощать вибрационные нагрузки, водостойкостью, высокой ударной вязкостью, электроизоляционными и антифрикционными свойствами. Теплостоек до 80°С. Используется для изготовления зубча­тых колес, вкладышей подшипников скольжения, электро­изоляционных деталей радиоаппаратуры.

Гетинакс представляет собой материал, полученный прессованием нескольких слоев бумаги, пропитанной смолой. Он обладает электроизоляционными свойства­ми, устойчив к действию химикатов, может применять­ся при температуре до 120-140 °С. Применяется в элект­ротехнике для изготовления печатных плат, в электри­ческих машинах и трансформаторах в качестве изоляции, как декоративно-облицовочный материал.

Материалы матриц волокнистых композитов. Матрица должна обеспечивать монолитность композита, фиксировать форму изде­лия и взаимное расположение армирующих волокон. Она обеспечи­вает равномерную нагрузку на армирующие волокна и перераспре­деление нагрузки в случае разрушения части волокон. Кроме того, материал матрицы определяет технологию изготовления изделий из композита. Таким образом, требования, предъявляемые к свойст­вам материала матриц, можно разделить на эксплуатационные и технологические.

К первым относятся механические, физические и химические свойства, которые определяют возможность эксплуатации компози­та в различных условиях. Прочность матрицы должна быть такой, чтобы обеспечить совместную работу всех армирующих элементов. При нагрузках, приложенных в направлениях, отличных от ориен­тации волокна, прочность композита определяется во многом, если не в основном, прочностью матрицы. Природа матрицы обусловли­вает также уровень рабочих температур и среду эксплуатации ком­позита.

В процессе операций изготовления композита должны быть обеспечены следующие условия:

• равномерное (без касания между собой) распределение воло­кон в матрице;

• достаточно прочная связь на границе раздела.

Для этого материал матрицы должен обеспечить хорошую смачиваемость волокна. Смачивание характеризуется растеканием жидкости по поверхности твердых тел. Если капля жидкости расте­кается по поверхности твердого тела, она его смачивает. Если же она принимает сферическую форму, например, капля ртути на стекле, жидкость обладает плохой смачивающей способностью.

Кроме того, желательно иметь невысокие значения параметров формообразования: температуру, давление, чтобы избежать измене­ния свойств или даже разрушения упрочняющей фазы, а также с целью снижения энергозатрат в процессе изготовления композита.

В качестве материала для изготовления матриц наибольшее при­менение нашли полимеры, углерод и металлы.

. Используются стеклоткани, углеткани, органоткани с разным типом плетения.

---

Дата добавления: 2022-07-01; просмотров: 28; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!