Общие представления о композиционных материалах
К новым конструкционным материалам, которые по прочности, жёсткости и другим физико-механическим свойствам значительно превосходят известные конструкционные материалы, относятся так называемые композиционные материалы (КМ). Они представляют собой искусственно созданные материалы, состоящие из двух и более разнородных и нерастворимых друг в друге компонентов, соединённых между собой физико-химическими связями, и обладающими характеристиками, превосходящими средние показатели составляющих его компонентов [3].
В общем случае в КМ чётко выражено различие в свойствах компонентов. Основой КМ является сравнительно пластичный материал, называемый матрицей. В матрице равномерно распределены более твёрдые и прочные вещества, называемые наполнителями или арматурой.
Принципиальное значение замены металлов на КМ в том, что вместо ограниченного числа материалов с постоянными и практически равными во всех направлениях свойствами появляется возможность применять большое число новых материалов со свойствами, отличающимися в различных направлениях в зависимости от направления ориентации наполнителя в матрице (анизотропные свойства КМ). Это различие свойств КМ является регулируемым.
У конструктора появляется возможность направленно создавать КМ под конкретную конструкцию в соответствии с действующими нагрузками и особенностями её эксплуатации. Поэтому правильно спроектированная и хорошо изготовленная конструкция из КМ может быть более совершенной, чем выполненная из металла.
|
|
|
Само создание изделий из КМ является примером единства конструкции и технологии, поскольку материал, спроектированный конструктором, создаётся одновременно с изделием при его изготовлении, и свойства КМ в значительной степени зависят от параметров технологического процесса.
Вместе с тем специфика КМ, в частности их низкая прочность и жёсткость при сдвиге, требует внимательного отношения к конструктивно-технологической обработке конструкции: расчёту сложных многослойных систем, сохранению в изделии высоких прочностных свойств армирующих волокон, получению стабильных характеристик КМ.
Композиционные материалы получают общее название по типу материала матрицы. КМ с полимерной матрицей называют полимерными (ПКМ), с металлической – металлическими (МКМ), с керамической – керамическими (ККМ). с углеродной – углерод-углеродными (УУКМ).
В качестве матрицы в ПМК используют эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные и другие смолы; в МКМ – алюминий, магний, титан, никель, жаропрочные стали и другие металлы.
Матрица в КМ выполняет функцию среды, в которой распределён наполнитель. Податливая матрица, заполняющая межволоконное пространство, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счет собственной жёсткости и взаимодействия, существующего на границе раздела матрица – волокно.
|
|
|
Наполнитель в КМ воспринимает основные напряжения, возникающие при действии внешних нагрузок, придавая конструкции прочность и жёсткость в направлении ориентации волокон. Арматура в КМ может быть любой природы и иметь любую форму поверхности: непрерывные и дискретные волокна, чешуйки, микросферы, порошки и т.д.
При изготовлении композиционных материалов большое значение имеет адгезия (сцепление) матрицы с наполнителем. Величина адгезии может быть повышена путём очистки поверхности наполнителя. При плохой адгезии матрицы с наполнителем в материале появляются микропоры, которые значительно снижают прочность материала.
В современной технике наиболее широко применяют непрерывные высокопрочные волокна, которые обеспечивают наиболее высокие механические характеристики получаемого КМ. Чаще всего используют стеклянные, органические, углеродные, борные и различные металлические волокна.
Работоспособность КМ обеспечивается как правильным выбором и сочетанием матрицы и наполнителя, так и рациональной технологией их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между ними.
|
|
|
Область применения КМ
Стеклопластики – один из первых конструкционных материалов на полимерной основе. Они наиболее полно изучены, их давно применяют в судостроении, на транспорте, в строительстве, нефтехимической и других отраслях промышленности. Они являются самыми дешёвыми, поэтому их применение оправдано в серийном производстве. Кроме того, стеклопластики обладают высокой коррозионной стойкостью, способностью к восприятию ударных нагрузок, отличным качеством поверхности и красивым внешним видом.
Из них изготавливают воздуховоды, различные ёмкости, химически стойкие и прочные трубы, корпуса насосов, вентиляторов, детали различных машин и механизмов, строительные панели и др.
Органопластики обладают низкой плотностью, высокой прочностью, жёсткостью, влагостойкостью, химической стойкостью, диэлектрическими свойствами. Эти свойства определили их применение в качестве материалов электро- и радиотехнического, теплоизоляционного, коррозионностойкого, фрикционного назначения в изделиях различных отраслей промышленности.
|
|
|
Для углепластиков характерно сочетание ряда уникальных свойств: высокие значения жёсткости и прочности, относительно невысокая плотность, химическая инертность, тепло- и электропроводность и др. Важным фактором, определяющим перспективность производства углепластиков, являются доступность и налаженное производство исходного сырья.
Применение боропластиков эффективно в элементах конструкций, определяющими критериями работоспособности которых являются высокие удельные значения жёсткости и прочности при действии сжимающих нагрузок. В настоящее время они используются в основном в авиационной и ракетно-космической технике из-за высокой стоимости волокон.
Металлические композиционные материалы применяют в таких областях современной техники, где они должны работать при низких, высоких и сверхвысоких температурах, в агрессивных средах, при статических, циклических, ударных, вибрационных и других нагрузках. Наиболее эффективно применение МКМ в таких конструкциях, особые условия работы которых не допускают применения традиционных металлических материалов.
Керамические углерод-углеродные КМ характеризуются высокими температурами плавления, высокой прочностью при сжатии, сохраняющейся при достаточно высоких температурах, и высокой стойкостью к окислению. Эти свойства и определяют их область применения: используют в технике при экстремальных условиях эксплуатации.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 319; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!