Теория конструкционных материалов

Триплекс - это два листа закаленного стекла, склеенные прозрачной полимерной пленкой. Могут быть плоскими и гнутыми. При разрушении триплекса осколки удерживаются на полимерной пленке и не травмируют окружающих.

Термопан: между двумя стеклами имеется воздушный промежуток, который обеспечивает теплоизоляцию.

Есть стекла с высокой защитой от инфракрасных лучей. Они содержат индий и олово, изготавливаются многослойными. Ими остекляют японские машины («Ниссан», «Тойота»), предназначенные для эксплуатации в жарких странах.

Ситаллы (кристаллические стекла)

Их еще называют стеклокерамикой. Они состоят из стекловидной и кристаллической фазы. Структура ситаллов однородная, мелкозернистая: зерна имеют размер 1-2 мкм.

Получают ситаллы введением в расплав стекла веществ, служащих центами кристаллизации (солей золота, серебра, меди). В результате 95 % объема занимает кристаллическая фаза, остальное - стекловидная прослойка.

Свойства ситаллов: их твердость близка к твердости закаленной стали, они термостойки до 700-900 С. Их ударная вязкость в 3-4 раза выше, чем у стекол. Они износостойки, являются диэлектриками и проявляют высокую химическую стойкость.

Применение ситаллов включает детали ДВС, подшипники, трубы для химической промышленности, оболочки вакуумных электронных приборов, детали радиоэлектроники, жаростойкие покрытия на металлах, фильеры для вытягивания синтетических волокон, лопасти компрессоров и сопла реактивных двигателей.

Композиционные материалы

Композиционные материалы (композиты) - это новый класс легких и высокопрочных материалов с большим сопротивлением развитию трещины.

По удельной прочности и удельной жесткости композиты превосходят все обычные конструкционные материалы. Кроме того, они сохраняют высокую прочность при повышенных температурах, хорошо сопротивляются усталостному разрушению.

Композиты - сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам, не растворимые друг в друге компоненты, разделенные ярко выраженной границей.

Сам принцип создания композитов заимствован у природы: стволы деревьев состоят из жестких волокон целлюлозы и мягкого лигнина, кости человека и животных строятся из жестких нитей фосфатных солей и мягкого, вязкого белка коллагена.

Свойства композиционных материалов (КМ) зависят от свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительная особенность: композиты проявляют достоинства компонентов, а не их недостатки. Вдобавок появляются свойства, которых не имели отдельно взятые компоненты. Поэтому для создания композитов выбирают компоненты с дополняющими друг друга свойствами.

Строение композитов

Композиционный материал состоит из основы, или матрицы (металлической или полимерной) и наполнителя, или армирующего компонента.

Матрица связывает материал в единое целое, придает ему форму. От свойств матрицы зависят технология получения материала, рабочая температура, удельная прочность ув/г, предел усталости у-1.

Наполнитель равномерно распределяется в матрице в определенном порядке. Наполнитель воспринимает нагрузку, поэтому должен иметь высокие прочность, твердость, модуль упругости.

Матрица распределяет нагрузку между частицами наполнителя, защищает их поверхность и повышает энергию распространения трещины, предупреждая хрупкое разрушение. Сама матрица не упрочняется, и в этом отличие композитов от металлических сплавов.

По форме наполнители могут быть:

нуль-мерными одномерными двумерными

Композиционные материалы, упрочненные мелкими частицами наполнителя, называют дисперсно-упрочненными. Композиты, содержащие волокна, - волокнистыми. Двумерные наполнители применяются, в основном, в полимерных композитах.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы

Наполнителями в них являются частицы тугоплавких веществ: оксиды, карбиды, нитриды. Обычно это Al2O3, SiO2, BN, SiC.

Для матриц используют либо материалы с малой плотностью (алюминий, магний, титан и их сплавы), либо жаропрочные материалы (никель).

Получают дисперсно-упрочненные КМ прессованием и спеканием или введением наполнителя в жидкую матрицу перед разливкой.

В этом виде КМ матрица воспринимает основную нагрузку, а частицы наполнителя мешают движению дислокаций. Для них справедливо соотношение , где R - расстояние между частицами наполнителя. Наилучшее сочетание механических свойств достигается при размере частиц 0,01-0,1 мкм и расстоянии между ними 0,05-0,5 мкм.

Примером является спеченная алюминиевая пудра (САП). Она имеет высокую жаропрочность и коррозионную стойкость. Состоит из алюминия и частиц Al2O3 в виде чешуек толщиной менее 1 мкм. Чем больше в этом материале доля Al2O3, тем выше прочность, твердость, жаропрочность, но ниже пластичность.

Преимуществом такого материала по сравнению с обычными сплавами алюминия являются очень мелкие зерна, равномерное распределение упрочняющих частиц, отсутствие линейных дефектов.

Изделия из САП: листы, фольга, профили, трубы. Получают детали для работы при 300-500 С: лопатки компрессоров, лопасти турбин и вентиляторов.

Волокнистые композиционные материалы

Наполнителями в них служат волокна или нитевидные кристаллы: углеродные, борные, из SiC, Al2O3, стекла, а также проволока из коррозионно-стойкой стали, молибдена, вольфрама, бериллия. Волокна являются элементами, воспринимающими нагрузку. Для матриц используются те же металлы, что и для предыдущей группы.

Для достижения максимальной прочности композиционного материала волокна должны быть расположены параллельно направлению действия напряжения. Поэтому расположение волокон может быть одноосным, двухосным или трехосным:

одноосное двухосное трехосное

При одноосном армировании проявляется анизотропия: в направлении волокон прочность выше, чем в поперечном (так как нагрузку воспринимает волокно, а матрица - передающая среда). При двухосном армировании анизотропии нет, но прочность вдоль оси волокон уменьшается примерно в 3 раза.

Чем тоньше и длиннее волокно, тем выше степень упрочнения:

Объемная доля волокна составляет от нескольких процентов до 80-90 %. Увеличение доли наполнителя повышает прочность и другие характеристики.

Например, материал ВКА-1 состоит из алюминия и борного волокна. Предел прочности у него 1200 МПа (как у углеродистых сталей), а удельная прочность - намного выше, чем у сталей.

Получают волокнистые композиты формованием волокон в порошке матрицы, пропиткой волокна жидким металлом матрицы, осаждением матрицы на волокна с последующим формованием и спеканием и другими способами. Все больше применяется способ направленной кристаллизации эвтектик.

Проблемы технологии композитов в том, что волокна бора, углерода, карбида кремния и другие плохо слипаются с матрицей, не смачиваются жидким металлом матрицы. Прочность сцепления обеспечивается диффузионными процессами и химическими реакциями (обычно на границе матрица-волокно образуются интерметаллиды). Приходится применять различные приемы, например, наносить предварительно металлические покрытия на волокна, которые улучшают сцепление, но удорожают материал. Или проводят травление поверхности волокна. Это тоже улучшает схватываемость с металлом матрицы. На поверхности борных или углеродных волокон выращивают монокристаллы карбида кремния SiC. Получаются ворсистые волокна - борсик. Если основой волокна является тончайшая вольфрамовая проволока диаметром 12 мкм, то на ней можно нарастить кристаллы бора. Все волокно будет иметь диаметр 70-200 мкм. Такие волокна прочнее сцепляются с матрицей.

Основной недостаток волокнистых композитов - их высокая стоимость и сложная технология получения.

Углеродные волокна несколько дешевле. Их получают из синтетических органических волокон высокотемпературной обработкой. Они могут быть изготовлены в виде жгутов, нитей, ткани, лент. Каждое волокно состоит из мельчайших ленточек - фибрилл.

Стекловолокно производят с квадратной, прямоугольной, шестигранной формой - для лучшей укладки в матрице.

Применение КМ увеличивается с каждым годом. Главный потребитель - авиа-, ракетная и космическая техника. Из них изготавливают легкие и прочные корпуса, камеры сгорания ракетных двигателей, лопатки турбин, лопасти винтов, кузовные детали автомобилей.

Важнейшая деталь турбины - лопатка, изготовленная из никелевого сплава, упрочненного нитями сапфира Al2O3, выдерживает температуру газов на входе 1650 С! При этом предел прочности нитей составляет более 700МПа.

Сопла ракет изготавливают из порошков вольфрама или молибдена с керамическими нитями Al2O3 в виде волокон или войлока. При этом прочность увеличивается в два раза.

Размещено на Allbest.ru