Композитные материалы

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

1. Композиционные материалы

2. Композиты с полимерной матрицей

3. Композиты с металлической матрицей

4. Преимущество композитных материалов

5. Недостатки композитных материалов

Список используемых источников

1. Композиционные материалы

Композиционные материалы это искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т. д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50-10 %), модуля упругости, коэффициента жесткости и в частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трешиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.

Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это-гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита, пропитанные эпоксидными клеями), фанера и т.д.

В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр.

Классификация композитов. По виду армирующего наполнителя композиты бывают:

- волокнистые;

- наполненные пластики;

- насыпные;

По материалу матрицы композиты бывают:

- композиты с полимерной матрицей;

- композиты с керамической матрицей;

- композиты с металлической матрицей;

- композиты оксид-оксид;

Рисунок 1 - Схемы армирования композиционных материалов: 1 - однонаправленная; 2 - двунаправленная; 3 - трехнаправленная; 4 - четырехнаправленная

2. Композиты с полимерной матрицей

На рисунке 2 показано строение композиционного материала с полимерной матрицей.

В качестве матрицы при создании композиционных материалов данного вида используются полимеры самых разных типов: термопласты (полиолефины, алифатические и ароматические полиамиды, фторопласты и др.), реактопласты (фенопласты, аминопласты, эпоксидные, полиэфирные, кремнийорганические и другие полимерные связующие), эластомеры (вулканизированный натуральный, бутадиен-нитрильный, бутилкаучук и другие каучуки). Использование наполнителей позволяет изменять механические, электромагнитные, физико-химические характеристики исходного полимера, а, в ряде случаев, и снижать стоимость конечного композита по сравнению со стоимостью полимера за счет использования более дешевого, чем полимер, наполнителя, например, мела.

Многие широко используемые материалы являются композитными полимерными материалами, например, конструкционные материалы широкого назначения на основе реактопластов с волокнистыми наполнителями, шины автомобилей, зубные пломбы, различные покрытия.

Особый класс полимерных композиционных материалов представляют полимерные нанокомпозиты. В качестве добавки к полимерной матрице в них используются различные как по химическому составу, так и морфологии отдельных элементов наполнители. Отличительной особенностью данных наполнителей является размер составляющих их элементов (частиц, пластин, волокон и т. д.), который преимущественно должен быть менее 100 нм (см. нанонаполнители).

Рисунок 2 - Строение композиционных материалов с полимерной матрицей.

3. Композиты с металлической матрицей

Композиты, как показано на рисунке 3, с металлической матрицей разделяют на армированные волокнами (волокнистые композиты) и наполненные тонкодисперсными частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные композиты).

Волокнистые композиты с металлической матрицей имеют два основных преимущества по сравнению с более распространенными композитами с полимерной матрицей: они могут использоваться при значительно более высоких температурах и более эффективны в относительно малогабаритных сильно нагруженных элементах конструкций. Последний факт определяется возможностью существенно сократить массу стыковочных элементов конструкций благодаря большей прочности металлической матрицы по сравнению, например, с полимерной, и технологичностью обработки композитов с такой матрицей (возможность использования резьбовых соединений и т. д.).

Волокна в КММ несут основную нагрузку, при этом длина передачи нагрузки в такого типа композитах много меньше соответствующей длины в композитах с полимерной матрицей в силу больших возможных касательных напряжений в матрице (при условии достаточно прочной связи на границе раздела волокна и матрицы). Это обстоятельство сказывается положительным образом на прочностных свойствах композита в силу масштабной зависимости прочности волокна. Возможны также ситуации, в которых взаимодействие волокна и матрицы существенно повышает эффективную прочность волокна, в результате реальная прочность композита оказывается выше величины, полученной при использовании результатов испытаний отдельных волокон. Такого типа эффекты делают волокнистые КММ перспективными материалами. Важной особенностью КММ с пластичной металлической матрицей является возможность конструирования структур с хрупкими волокнами, трещиностойкость которых превышает трещиностойкость неармированной матрицы.

Типичными композитами с металлической матрицей являются бороалюминий (волокно бора -- матрица на основе алюминиевых сплавов), углеалюминий (композиты с углеволокном), композиты с волокном карбида кремния в титановой или титан-алюминидной матрице, а также с оксидными волокнами в матрице на основе никеля. Последние позволяют существенно поднять (до 1200 °С) рабочую температуру жаропрочных материалов.

В отличие от волокнистых композитов, в дисперсно-упрочненных материалах матрица является основной несущей нагрузку составляющей, а дисперсные частицы тормозят движения дислокаций, повышая предел текучести и прочность материала. Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100--500 нм и равномерном их распределении в матрице. Дисперсно-упрочненные композиты могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.

Композиты оксид-оксид. Композиты оксид-оксид это композиты, все ингредиенты которых оксиды.

Оксид-оксидные композиты, содержащие оксидные волокна и оксидную матрицу, наряду с композитами SiC-SiC важнейший тип высокотермостойких композитов, активно разрабатываемый в последнее десятилетие.

Поскольку все ингредиенты в таком композите хрупкие, то торможение трещины при нагружении, и, следовательно, обеспечение нехрупкого поведения может быть достигнуто одним из способов, характерных для композитов с керамической матрицей. Для этого в композит вводят ингредиенты, образующие слабую границу раздела. Такая граница возникает, например, в результате нанесения специального покрытия на волокно, которое обычно состоит либо из легко деформируемых оксидов типа ABO4 (например, LaVO4, LaPO4), либо из сильно анизотропных оксидов, таких, как гексаалюминат кальция CaAl12O19. Аналогичный результат достигается, если специальным образом организовать пористость матрицы.

Основные усилия разработчиков этого типа материалов сосредоточены на композитах с наноструктурированными волокнами, что ограничивает верхнюю температуру их применения (1100-1300 °С) из-за рекристаллизации последних. Известны также разработки оксид-оксидных композитов с монокристаллическими волокнами, рабочая температура которых может быть на 200-300 °С выше.

Рисунок 3 - Схема структуры КМ с металлической матрицей

1 -- зернистый (дисперсно-упрочненный) материал; 2 -- дискретный волокнистый композиционный материал; 3 -- непрерывно волокнистый композиционный материал; 4 -- непрерывная укладка волокон; 5 -- двухмерная укладка волокон; 6,7 -- объемная укладка волокон

4. Преимущества композиционных материалов

Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно. Исключением являются препреги, которые являются полуфабрикатом для изготовления конструкций. Стоит сразу оговорить, что КМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства.

К преимуществам композиционных материалов можно отнести их следующие качества:

-высокая удельная прочность (для некоторых материалов может достигать 3500 МПа);

-изделия из композиционных материалов имеют небольшую плотность

и при этом сохраняют стабильную формы изделия;

-высокая усталостная прочность;

-износостойкость изделий из КМ выше, чем у изделий, состоящих из этих же материалов, но использованных по отдельности.

5. Недостатки композиционных материалов

Композиционные материалы имеют достаточно большое количество недостатков, которые сдерживают их распространение.

Высокая стоимость КМ обусловлена высокой наукоёмкостью производства, необходимостью применения специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.

Анизотропия свойств. Низкая ударная вязкость также является причиной повышения коэффициента запаса прочности. Кроме этого, низкая ударная вязкость обуславливает высокую повреждаемость изделий из КМ, высокую вероятность возникновения скрытых дефектов, которые могут быть выявлены только инструментальными методами контроля.

Высокий удельный объем является существенным недостатком при применении КМ в областях с жесткими ограничениями по занимаемому объему.

Композиционные материалы гигроскопичны, т.е. склонны впитывать влагу, что обусловлено несплошностью внутренней структуры КМ. При длительной эксплуатации и многократном переходе температуры через 0 по Цельсию вода, проникающая в структуру КМ, разрушает изделие из КМ изнутри.

КМ могут впитывать также другие жидкости, обладающие высокой проникающей способностью, например, авиационный керосин.

Токсичность. При эксплуатации КМ могут выделять пары, которые часто являются токсичными. Если из КМ изготавливают изделия, которые будут располагаться в непосредственной близости от человека, то для одобрения применяемых при изготовлении КМ материалов требуются дополнительные исследования воздействия компонентов КМ на человека.

Низкая эксплуатационная технологичность.

Композиционные материалы обладают низкой эксплуатационной технологичностью, низкой ремонтопригодностью и высокой стоимостью эксплуатации. Это связано с необходимостью применения специальных трудоемких методов, специальных инструментов для доработки и ремонта объектов из КМ. Часто объекты из КМ вообще не подлежат какой-либо доработке и ремонту.

композитный материал армирующий матрица

Список использованных источников

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Композиционный_материал

2. http://xreferat.ru/88/768-1-kompozicionnye-materialy.html

3. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/3546/КОМПОЗИЦИОННЫЕ

4. http://nwpi-fsap.narod.ru/lists/materialovedenie_lect/22.html

5. http://www.coolreferat.com/Композиционные_материалы

6. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. Ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. - 7-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 648 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru