Композиционные материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Понятие композиционных материалов сформировалось в середине прошлого, 20 века. Однако, композиты вовсе не новое явление, а только новый термин, сформулированный материаловедами для лучшего понимания генезиса современных конструкционных материалов.

Композиционные материалы известны на протяжении столетий. Например, в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а древние египтяне добавляли рубленную солому в глиняные кирпичи. В Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555-1560 при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали армированные железными полосами каменные плиты. Прямыми предшественниками современных композиционных материалов можно назвать железобетон и булатные стали.

Существуют природные аналоги композиционных материалов - древесина, кости, панцири и т.д. Многие виды природных минералов фактически представляют собой композиты. Они не только прочны, но обладают также превосходными декоративными свойствами.

Композиционные материалы - это искусственные материалы, получаемые сочетанием компонентов с различными свойствами. Одним из компонентов является матрица (основа), другим - наполнители (волокна, частицы). В качестве матриц используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы. Наполнителями служат волокна - стеклянные, борные, углеродные, органические, нитевидные кристаллы (карбидов, берилов, нитридов и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и жесткостью. При составлении композиции эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиций. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности связи между ними. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемым и значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости или получать композиции с необходимыми специальными свойствами, например магнитными и т.п.

Содержание наполнителя в композиционных материалах составляет 20-80% по объему. Свойства матрицы определяют прочность композиционного материала при сжатии и сдвиге. Композиционные материалы имеют высокую прочность, жесткость, жаропрочность и термическую стабильность. Композиционные материалы являются весьма перспективными конструкционными материалами для многих отраслей.

Глава I. Классификация композитов

Композиты обычно классифицируются по виду армирующего наполнителя:

· волокнистые (армирующий компонент -- волокнистые структуры);

· слоистые;

· наполненные пластики (армирующий компонент -- частицы)

· насыпные (гомогенные),

· скелетные (начальные структуры, наполненные связующим).

Также композиты иногда классифицируют по материалу матрицы:

· композиты с полимерной матрицей,

· композиты с керамической матрицей,

· композиты с металлической матрицей,

· композиты оксид-оксид.

Главное преимущество композиционных материалов в том, что материал и конструкция создается одновременно. Исключение препреги которые являются полуфабрикатом для изготовления конструкций.

Стоит сразу оговорить, что композиционные материалы создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый композит, ему задают характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов.

· высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа)

· высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 -- 240 ГПа)

· высокая износостойкость

· высокая усталостная прочность

· легкость

Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.

Глава II. Недостатки композиционных материалов

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

2.1 Высокая стоимость

Высокая стоимость композиционных материалов обусловлена высокой наукоёмкостью производства, необходимостью применения специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы. Однако это справедливо лишь при замене композитами простых прокатных изделий из черных металлов. В случае легких изделий, изделий сложной формы, коррозионно-стойких изделий, высокопрочных диэлектрических изделий композиты оказываются в выигрыше. Причем стоимость композитных изделий зачастую оказывается ниже аналогов из цветных металлов или нержавеющей стали.

2.2 Анизотропия свойств

Анизотропия -- зависимость свойств композиционных материалов от выбора направления измерения. Например, модуль упругости однонаправленного углепластика вдоль волокон в 10-15 раз выше, чем в поперечном.

Для компенсации анизотропии увеличивают коэффициент запаса прочности, что может нивелировать преимущество композиционных материалов в удельной прочности. Таким примером может служить опыт применения композиционных материалов при изготовлении вертикального оперения истребителя МиГ-29. Из-за анизотропии применявшегося композиционного материала вертикальное оперение было спроектировано с коэффициентом запаса прочности кратно превосходящим стандартный в авиации коэффициент 1,5, что в итоге привело к тому, что композитное вертикальное оперение Миг-29 оказалось равным по весу конструкции классического вертикального оперения, сделанного из дюралюминия.

2.3 Низкая ударная вязкость

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

2.4 Высокий удельный объём

Высокий удельный объем является существенным недостатком при применении композиционные материалы в областях с жесткими ограничениями по занимаемому объёму. Это относится, например, к области сверхзвуковой авиации, где даже незначительное увеличение объёма самолёта приводит к существенному росту волнового аэродинамического сопротивления.

2.5 Гигроскопичность

Композиционные материалы гигроскопичны, то есть склонны впитывать влагу, что обусловлено несплошностью внутренней структуры композиционные материалы. При длительной эксплуатации и многократном переходе температуры через 0 по Цельсию вода, проникающая в структуру композиционного материала, разрушает изделие изнутри (эффект по природе аналогичен разрушению автомобильных дорог в межсезонье). Справедливости ради нужно отметить, что указанный недостаток относится к композитам первых поколений, которые имели недостаточно эффективное сцепление связующего с наполнителем, а также большой объем каверн в матрице связующего. Современные типы композитов с высокой адгезией связующего к наполнителю (достигается применением специальных замасливателей), получаемые методами вакуумного формования с минимальным количеством остаточных газовых каверн этому недостатку неподвержены, что позволяет в частности строить композитные корабли, производить композитную арматуру и композитные опоры воздушных линий электропередач. композит материал армирующий

Тем не менее композиционные материалы могут впитывать другие жидкости, обладающие высокой проникающей способностью, например, авиационный керосин или другие нефтепродукты.

2.6 Токсичность

При эксплуатации композиционные материалы могут выделять пары, которые часто являются токсичными. Если из композиционных материалов изготавливают изделия, которые будут располагаться в непосредственной близости от человека (таким примером может послужить композитный фюзеляж самолета Boeing 787 Dreamliner), то для одобрения применяемых при изготовлении материалов требуются дополнительные исследования воздействия компонентов на человека.

2.7 Низкая эксплуатационная технологичность

Композиционные материалы могут иметь низкую эксплуатационную технологичность, низкую ремонтопригодность и высокую стоимость эксплуатации. Это связано с необходимостью применения специальных трудоёмких методов (а подчас и ручного труда), специальных инструментов для доработки и ремонта объектов из композиционные материалы. Часто изделия из композиционные материалы вообще не подлежат какой-либо доработке и ремонту.

Глава III. Области применения

Товары широкого потребления:

· Железобетон -- один из старейших и простейших композиционных материалов

· Удилища для рыбной ловли из стеклопластика и углепластика

· Лодки из стеклопластика

· Автомобильные покрышки

· Металлокомпозиты

· Спортивное оборудование

Композиты надёжно обосновались в спорте: для высоких достижений нужны высокая прочность и малый вес, а цена особой роли не играет:

· Велосипеды

· Оборудование для горнолыжного спорта -- палки и лыжи

· Хоккейные клюшки и коньки

· Байдарки, каноэ и вёсла к ним

· Детали кузовов гоночных автомобилей и мотоциклов

· Шлемы

· Медицина

Материал для зубных пломб. Пластиковая матрица служит для хорошей заполняемости, наполнитель из стеклянных частиц повышает износостойкость.

· Машиностроение

В машиностроении композиционные материалы широко применяются для создания защитных покрытий на поверхностях трения, а также для изготовления различных деталей двигателей внутреннего сгорания (поршни, шатуны).

Заключение

Композиционные материалы -- многокомпонентные материалы, состоящие из пластичной основы - матрицы, и наполнителей, играющих укрепляющую и некоторые другие роли. Между фазами (компонентами) композита имеется граница раздела фаз.

Матрицами в композиционных материалах являются металлы, полимеры, цементы и керамика. В качестве наполнителей используются самые разнообразные искусственные и природные вещества в различных формах (крупноразмерные, листовые, волокнистые, дисперсные, мелкодисперсные, микродисперсные, наночастицы). Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, применяя специальные дополнительные реагенты и т.д., получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств.

Наполнитель, как правило, определяет прочность, жесткость и деформируемость композита, а матрица обеспечивает его монолитность, передачу напряжений и стойкость к различным внешним воздействиям.

Особое место занимают декоративные композиционные материалы, имеющие выраженные декоративные свойства.

Сочетание разнородных веществ, приводит к созданию нового материала, свойства которого существенно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Т.е. признаком композиционного материала является заметное взаимное влияние их новых качест, эффект.

Большое значение расположение элементов композитного материала, как в направлениях действующих нагрузок, так и по отношению друг к другу, т.е. упорядоченность. Высокопрочные композиты, как правило, имеют высокоупорядоченную структуру.

В настоящее время в область композиционных материалов (композитов), принято включать разнообразные искусственные материалы, разрабатываемые и внедряемые в различных отраслях техники и промышленности, отвечающие общим принципам создания композитных материалов.

Известны также многокомпонентные композиционные материалы, в т.ч.: полиматричные, когда в одном композиционном материале сочетают несколько матриц, гибридные, включающие несколько разных наполнителей, каждый из которых имеет свою роль.

Разрабатываются композитные материалы со специальными свойствами, например радиопрозрачные материалы и радиопоглощающие материалы, материалы для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов, материалы с малым коэффициентом линейного термического расширения и высоким удельным модулем упругости и другие.

Композиционные материалы используются во всех областях науки, техники, промышленности, в т.ч. в жилищном, промышленном и специальном строительстве, общем и специальном машиностроении, металлургии, химической промышленности, энергетике, электронике, бытовой технике, производстве одежды и обуви, медицине, спорте, искусствах и т.д.

Почему интерес к композиционным материалам проявляется именно сейчас? Потому, что традиционные материалы уже не всегда или не вполне отвечают потребностям современной инженерной практики.

Список используемой литературы

1. Волоконные композиционные материалы: Пер. с англ. / Под ред. Дж. Уиктна, Э. Скала. М.: Металлургия, 2011. 240 с.

2. Современные композиционные материалы: Пер. с англ. / Под ред. Л. Браутмана, Р. Крока. М.: Мир, 2010. 672 с.

3. Углеродные волокна и углекомпозиты: Пер. с англ. / Под ред. Э. Фитцера. М.: Мир, 2011. 336 с.

4. Берлин А. Современные полимерные композиционные материалы (ПМК) // Соросовский Образовательный Журнал. 2012. №1. С. 57-65.

5. Справочник по композиционным материалам: В 2 кн.: Пер. с англ.: / Под ред. Дж. Любина. М.: Машиностроение, 2012. Кн. 1. 448 с.; Кн. 2. 584 с.

6. Достижения в области композиционных материалов: Пер. с англ. / Под. ред. Дж. Пиатти. М.: Металлургия, 2012. 304 с.

7.Цирлин Н.К. Непрерывные неорганические волокна для композиционных материалов. М.: Металлургия, 2012. 206 с.

Размещено на Allbest.ru