Използването на композитни материали в отбранителната и аерокосмическата промишленост. Композитни материали

Композитни материали - изкуствено създадени материали, които се състоят от два или повече компонента, които се различават по състав и са разделени с ясно изразена граница, и които имат нови свойства, проектирани предварително.

Компонентите на композитния материал са различни геометрично. Нарича се компонент, който е непрекъснат през целия обем на композитен материал матрица. Прекъснат компонент, отделен в обема на композитен материал, се нарича фитинги. Матрицата придава желаната форма на продукта, влияе върху създаването на свойствата на композитния материал, предпазва армировката от механични повреди и други влияния на околната среда.

Органични и неорганични полимери, керамика, въглерод и други материали могат да се използват като матрици в композитни материали. Свойствата на матрицата определят технологичните параметри на процеса на получаване на състава и неговите свойства: плътност, специфична якост, работна температура, устойчивост на разрушаване от умора и излагане на агресивни среди. Подсилващите или подсилващите компоненти са равномерно разпределени в матрицата. Те, като правило, имат високо и по тези показатели значително надвишават матрицата. Вместо термина подсилващ компонент може да се използва терминът пълнител.

Класификация на композитните материали

Според геометрията на пълнителя композитните материали са разделени на три групи:

• с пълнители с нулеви размери, чиито размери в три измерения са от същия ред;
• с едномерни пълнители, чийто размер значително надвишава другите два;
• с двуизмерни пълнители, чиито две измерения са значително по-големи от третото.

Според разположението на пълнителите се разграничават три групи композитни материали:

• с едноосово (линейно) подреждане на пълнителя под формата на влакна, нишки, мустаци в матрицата, успоредни един на друг;
• с двуосно (планарно) разположение на подсилващия пълнител, подложки за мустаци, фолио в матрицата в успоредни равнини;
• с триосно (обемно) разположение на подсилващия пълнител и липса на преобладаваща посока в неговото местоположение.

Според естеството на компонентите композитните материали са разделени на четири групи:

• композитни материали, съдържащи компонент от метали или сплави;
• композитни материали, съдържащи компонент от неорганични съединения на оксиди, карбиди, нитриди и др.;
• композитни материали, съдържащи компонент от неметални елементи, въглерод, бор и др.;
• композитни материали, съдържащи компонент от органични съединения от епоксидна смола, полиестер, фенол и др.

Свойствата на композитните материали зависят не само от физикохимичните свойства на компонентите, но и от силата на връзката между тях. Максимална здравина се постига, ако или възникне между матрицата и армировката.

В композитни материали с пълнител с нулево измерениенай-широко използваната метална матрица. Съставите на метална основа са подсилени от равномерно разпределени диспергирани частици с различна финост. Тези материали са различни.

В такива материали матрицата възприема цялото натоварване, а диспергираните частици на пълнителя предотвратяват развитието на пластична деформация. Ефективно втвърдяване се постига при съдържание на 5...10% частици пълнител. Подсилващите пълнители са частици от огнеупорни оксиди, нитриди, бориди, карбиди. Усилените с дисперсия композитни материали се получават чрез методи на прахова металургия или подсилващи прахови частици се въвеждат в стопилка на течен метал или сплав.

Композитни материали на базата, подсилени с частици алуминиев оксид (Al 2 O 3), са намерили промишлено приложение. Получават се чрез пресоване на алуминиев прах, последвано от синтероване (SAP). Предимствата на SAP се проявяват при температури над 300 o C, когато алуминиевите сплави омекват. Дисперсионно закалените сплави запазват ефекта на втвърдяване до температура от 0,8 Т мн.ч.

SAP сплавите са задоволително деформирани, лесно се обработват, заваряват и. Полуфабрикатите се произвеждат от SAP под формата на листове, профили, тръби, фолио. Използват се за направата на лопатки на компресори, вентилатори и турбини, бутални пръти.

В композитни материали с едномерни пълнителивтвърдителите са едномерни елементи под формата на мустаци, влакна, тел, които се държат заедно от матрица в един монолит. Важно е силните влакна да са равномерно разпределени в пластмасовата матрица. За подсилване на композитни материали се използват непрекъснати дискретни влакна с размери на напречното сечение от фракции до стотици микрометри.

Материалите, подсилени с мустаци, са създадени в началото на седемдесетте години за авиационни и космически конструкции. Основният начин за отглеждане на мустаци е отглеждането им от пренаситена пара (PC процес). За производството на особено високоякостни мустаци от оксиди и други съединения, растежът се извършва по P-L-C - механизма: насоченият растеж на кристалите става от парно състояние през междинна течна фаза.

Филаментарните кристали се създават чрез изтегляне на течност през филъри. Силата на кристалите зависи от напречното сечение и гладкостта на повърхността.

Композитните материали от този тип са обещаващи като. За да се повиши ефективността на топлинните двигатели, лопатките на газовата турбина са изработени от никелови сплави, подсилени със сапфирни нишки (Al 2 O 3), което позволява значително повишаване на температурата на входа на турбината (якостта на опън на сапфировите кристали при температура от 1680 o C е над 700 MPa).

Подсилването на ракетни дюзи от прахове от волфрам и молибден се произвежда със сапфирени кристали както под формата на филц, така и под формата на отделни влакна, в резултат на което е възможно да се удвои материалът при температура от 1650 o C. Подсилване на импрегниращия полимер от стъкло-текстолити с нишковидни влакна увеличава здравината им. Летата метална армировка го намалява в конструкциите. Обещаващо е укрепването на стъклото с неориентирани мустаци.

За подсилване на композитни материали се използва метална тел от различни метали: стомана с различен състав, волфрам, ниобий, в зависимост от условията на работа. Стоманената тел се обработва в тъкани мрежи, които се използват за производство на композитни материали с армировка в две посоки.

За подсилване на леки метали се използват борни влакна и силициев карбид. Въглеродните влакна имат особено ценни свойства, те се използват за укрепване на метални, керамични и полимерни композитни материали.

Евтектични композитни материали– сплави с евтектичен или близък до евтектичен състав, при които усилващата фаза са ориентирани кристали, образувани в процеса на насочена кристализация. За разлика от конвенционалните композитни материали, евтектичните материали се получават с една операция. Насочена структура може да се получи върху вече готови продукти. Формата на получените кристали може да бъде под формата на влакна или плочи. Методите на насочена кристализация произвеждат композитни материали на базата на кобалт, ниобий и други елементи, така че те се използват в широк температурен диапазон.

Използването на композитни материали в строителството

Евтин и универсален, бетонът е един от най-добрите строителни материали, които се предлагат. Като истински композит, типичният бетон се състои от чакъл и пясък, свързани заедно в циментова матрица, като обикновено се добавя метална армировка за повишаване на здравината. Бетонът е отличен при натиск, но става крехък и слаб при опън. Опънните напрежения, както и пластмасовото свиване по време на втвърдяване, водят до пукнатини, които абсорбират вода, което в крайна сметка води до корозия на металната армировка и значителна загуба на здравина на бетона при разрушаване на метала.

Композитната арматура се наложи на строителния пазар благодарение на доказаната си устойчивост на корозия. Новите и актуализирани насоки за проектиране и протоколи за изпитване улесняват инженерите при избора на подсилена пластмаса.

Подсилените с влакна пластмаси (фибростъкло, базалт) отдавна се считат за материали за подобряване на производителността на бетона.

През последните 15 години композитната арматура се превърна от експериментален прототип до ефективен заместител на стоманата в много проекти, особено с покачването на цените на стоманата.

Композитни мрежи в сглобяеми бетонни панели: въглеродните епоксидни мрежи C-GRID с висок потенциал заменят традиционната стомана или арматура в сглобяемите конструкции като вторична армировка.

C-GRID е груба решетка от въглеродна/епоксидна смола. Използва се като заместител на вторичната стоманена мрежа в бетонни панели и архитектурни приложения. Размерът на мрежата варира в зависимост от вида на бетона и инертния материал, както и от изискванията за здравина на панела

Използването на къси влакна в бетона за подобряване на неговите свойства е утвърдена технология от десетилетия и дори векове, като се има предвид, че в Римската империя хоросаните са били подсилени с конски косми. Армировката с влакна повишава здравината и еластичността на бетона (способността за пластична деформация без счупване), като задържа част от товара, когато матрицата е повредена и предотвратява растежа на пукнатини.

Добавянето на влакна позволява на материала да се деформира пластично и да издържа на натоварвания на опън.

За направата на тези предварително напрегнати мостови греди е използван армиран с влакна бетон. Използването на армировка не се изисква поради високата еластичност и здравина на материала, която му се дава от стоманени армировъчни влакна, добавени към бетонната смес.

Алуминиевият композитен материал е панел, състоящ се от два алуминиеви листа и пластмасов или минерален пълнител между тях. Композитната структура на материала му придава лекота и висока якост, съчетана с еластичност и устойчивост на счупване. Химическата и боядисваща повърхностна обработка осигурява на материала отлична устойчивост на корозия и температурни колебания. Благодарение на комбинацията от тези уникални свойства, алуминиевият композитен материал е един от най-търсените в строителството.

Алуминиевият композит има редица значителни предимства, които гарантират нарастващата му популярност като довършителен материал всяка година.

Минимално тегло в съчетание с висока твърдост. Алуминиевите композитни панели се характеризират с ниско тегло, дължащо се на използването на алуминиеви покривни листове и олекотен основен слой, съчетан с висока твърдост, получена от комбинацията от горните материали. По отношение на приложение върху фасадни конструкции, това обстоятелство отличава благоприятно алуминиеви композитни материали от алтернативни материали, като листов алуминий и стомана, керамичен гранит, фиброциментови плоскости. Използването на алуминиев композитен материал значително намалява общото тегло на вентилируемата фасадна конструкция. композитен бетон алуминий метал

Алуминиевият композитен материал е в състояние да устои на усукване. Причината е нанасянето на горния слой чрез разточване. Плоскостността се осигурява от използването на валцоване вместо конвенционално пресоване, което дава висока равномерност при нанасяне на слоя. Максималната плоскост е 2 мм на 1220 мм дължина, което е 0,16% от последната.

• - Устойчивост на боята на въздействието на околната среда. Благодарение на изключително стабилното многослойно покритие, материалът не губи интензитета на цвета за дълго време под въздействието на слънчева светлина и агресивни атмосферни компоненти.
• - Широка гама от цветове и текстури. Материалът се произвежда с покритие от лакове: плътни цветове и цветове металик във всяка гама от цветове и нюанси, покрития с ефект на камък и дърво. Освен това се произвеждат панели с покритие от "хром", "злато", панели с текстурирана повърхност, панели с полирано покритие от неръждаема стомана, титан и мед.

Панелите от алуминиеви композитни материали имат сложна структура, образувана от алуминиеви листове и пълнител на сърцевината. Сдвояването на тези материали осигурява на панелите твърдост, съчетана с еластичност, което прави алуминиевите композитни материали устойчиви на натоварвания и деформации, създадени от околната среда. Материалът не губи свойствата си за изключително дълго време.

Устойчивостта на материала срещу корозия се определя от използването на листове от алуминиева сплав в структурата на панела, защитени с многослойно покритие от боя и лак. В случай на повреда на покритието, повърхността на листа е защитена от образуването на оксиден филм.

Композитната структура на панела от алуминиеви композитен материал осигурява добра звукоизолация чрез поглъщане на звукови вълни и вибрации.

Панелите лесно се поддават на такива видове механична обработка като огъване, рязане, фрезоване, пробиване, валцуване, заваряване, лепене, без да се уврежда покритието и да се нарушава структурата на материала. При натоварвания, възникващи в процеса на огъване на панела, включително в радиуса, няма разслояване на панели или нарушения на повърхностните слоеве, като напукване на алуминиеви листове и боя. По време на производството във фабриката панелите са защитени от механични повреди със специален филм, който се отстранява след приключване на монтажните работи.

Панелите лесно приемат почти всяка дадена форма, като радиус. Пригодността на материала за запояване позволява да се постигне сложна геометрия на продуктите, което е невъзможно с всеки друг облицовъчен материал, с изключение на алуминия, пред който алуминиевите композитни материали значително печелят по отношение на теглото.

Използването на алуминиев композитен материал прави възможно създаването на облицовъчни панели с различни размери и форми, което прави този материал незаменим при решаването на сложни архитектурни проблеми.

• - Дълъг експлоатационен живот. от алуминиев композитен материал са устойчиви на влияния на околната среда като слънчева светлина, валежи, натоварвания от вятър, температурни колебания за дълго време, благодарение на използването на стабилно покритие и комбинацията от твърдост и еластичност, постигната в материала. Прогнозният живот на панелите на открито е около 50 години.
• - Минимална грижа по време на работа. Наличието на висококачествено покритие допринася за самопочистването на панелите от външни замърсители. Освен това панелите се почистват лесно с неагресивни почистващи препарати.

Два обещаващи пътя са отворени от композитни материали, подсилени или с влакна, или с диспергирани твърди вещества.

При първия най-фините влакна с висока якост, изработени от стъкло, въглерод, бор, берилий, стомана или монокристали с мустаци, се въвеждат в неорганична метална или органична полимерна матрица. В резултат на тази комбинация максимална здравина се комбинира с висок модул на еластичност и ниска плътност. Композитните материали са такива материали на бъдещето.

Композитният материал е структурен (метален или неметален) материал, в който има подсилващи елементи под формата на нишки, влакна или люспи от по-издръжлив материал. Примери за композитни материали: пластмаса, подсилена с бор, въглерод, стъклени влакна, кълчища или тъкани на тяхна основа; алуминий, подсилен със стоманени нишки, берилий.

Комбинирайки обемното съдържание на компонентите, е възможно да се получат композитни материали с необходимите стойности на якост, топлоустойчивост, модул на еластичност, устойчивост на абразия, както и да се създадат композиции с необходимите магнитни, диелектрични, радиопоглъщащи и други специални Имоти.

Всички тези комбинирани материали са комбинирани в система. Композитната армировъчна система се използва за почти всички видове конструкции:

• 1. Бетон и стоманобетон
• 2. Метал (включително стомана и алуминий)
• 3. Дървени
• 4. Тухлена (каменна) зидария.

Те също така осигуряват редица нужди от поддържане на живота:

• 1. Защита срещу експлозии, взлом и повреди.
• 2. Укрепване на конструкции
• 3. Балистична защита на стената и защита от експлозия.
• 4. Защита на кабели и проводници от експлозии

Помислете за предимствата и недостатъците на композитните материали. достойнство:

• 1. Устойчивост на корозия
• 2. Якост на опън
• 3. Лесен за използване
• 4. Ниска цена на труда
• 5. Кратко време за изпълнение
• 6. Без ограничения в размерите
• 7. Изключително висока якост на умора
• 8. Не изисква консервация
• 9. Възможност за използване на конструкции от различни материали

недостатъци:

• 1. Относителна цена на материала
• 2. Ограничение на обхвата

От горните предимства и недостатъци можем да заключим, че в сравнение с конвенционалните материали, композитните материали имат почти единствения недостатък - това е тяхната доста висока цена. Следователно може да се смята, че този метод е скъп, но ако сравним обема на потреблението на стоманени материали за армировка, той е около тридесет пъти повече от композитите. Други предимства на композитните материали са значително намаляване на разходите за усилия поради намаляване на времето за работа, труд и механично оборудване. Следователно композитните армировъчни системи са основните конкуренти на използването на стомана.

Въпреки това, въпреки предимствата пред конвенционалните материали, композитните материали имат своите недостатъци. Те включват ниска огнеустойчивост, промяна в свойствата при излагане на ултравиолетово лъчение и възможно напукване при промяна на обема при условия на ограничена свобода на деформация. Физичните и механичните свойства на тези материали ги правят податливи на температурни колебания. При високи температури те са склонни към значителни деформации на пълзене.

1. Композитните или композитните материали са материалите на бъдещето.

След като съвременната физика на металите ни обясни подробно причините за тяхната пластичност, здравина и нейното повишаване, започна интензивно системно развитие на нови материали. Това ще доведе, вероятно във възможното бъдеще, до създаването на материали с многократно по-голяма якост от тази на днешните конвенционални сплави. В този случай много внимание ще се обърне на вече познатите механизми на втвърдяване и стареене на алуминиеви сплави, комбинации от тези известни механизми с формовъчни процеси и многобройни възможности за създаване на комбинирани материали. Два обещаващи пътя са отворени от композитни материали, подсилени или с влакна, или с диспергирани твърди вещества. За първи път най-тънките влакна с висока якост, изработени от стъкло, въглерод, бор, берилий, стомана или монокристали с мустаци, се въвеждат в неорганична метална или органична полимерна матрица. В резултат на тази комбинация максимална здравина се комбинира с висок модул на еластичност и ниска плътност. Композитните материали са такива материали на бъдещето.

Композитният материал е структурен (метален или неметален) материал, в който има подсилващи елементи под формата на нишки, влакна или люспи от по-издръжлив материал. Примери за композитни материали: пластмаса, подсилена с бор, въглерод, стъклени влакна, кълчища или тъкани на тяхна основа; алуминий, подсилен със стоманени нишки, берилий. Комбинирайки обемното съдържание на компонентите, е възможно да се получат композитни материали с необходимите стойности на якост, топлоустойчивост, модул на еластичност, устойчивост на абразия, както и да се създадат композиции с необходимите магнитни, диелектрични, радиопоглъщащи и други специални свойства.

2. Видове композитни материали.

2.1. Композитни материали с метална матрица.

Композитните материали или композитните материали се състоят от метална матрица (обикновено Al, Mg, Ni и техните сплави), подсилена с влакна с висока якост (влакнести материали) или фино диспергирани огнеупорни частици, които не се разтварят в основния метал (дисперсионно усилени материали) . Металната матрица свързва влакната (диспергираните частици) в едно цяло. Влакна (диспергирани частици) плюс свързващо вещество (матрица), които съставляват определен състав, се наричат ​​композитни материали.

2.2. Композитни материали с неметална матрица.

Композитните материали с неметална матрица са намерили широко приложение. Като неметални матрици се използват полимерни, въглеродни и керамични материали. От полимерните матрици най-широко използвани са епоксидни, фенолформалдехидни и полиамидни.
Въглеродни матрици, коксувани или пировъглеродни, получени от синтетични полимери, подложени на пиролиза. Матрицата свързва състава, придавайки му форма. Укрепителите са влакна: стъклени, въглеродни, борни, органични, на базата на мустаци (оксиди, карбиди, бориди, нитриди и други), както и метални (жици), които имат висока якост и твърдост.

Свойствата на композитните материали зависят от състава на компонентите, тяхната комбинация, количественото съотношение и силата на връзката между тях.
Подсилващите материали могат да бъдат под формата на влакна, влакна, нишки, ленти, многослойни тъкани.

Съдържанието на втвърдителя в ориентираните материали е 60-80 об. %, в неориентирани (с дискретни влакна и мустачки) - 20-30 об. %. Колкото по-високи са здравината и модулът на еластичност на влакната, толкова по-висока е здравината и твърдостта на композитния материал. Свойствата на матрицата определят якостта на състава при срязване и натиск и устойчивост на разрушаване от умора.

Според вида на втвърдителя композитните материали се класифицират като стъклени влакна, въглеродни влакна с въглеродни влакна, борни влакна и органови влакна.

В ламинираните материали влакната, нишките, лентите, импрегнирани със свързващо вещество, се полагат успоредно един на друг в равнината на полагане. Плоските слоеве се сглобяват в плочи. Свойствата са анизотропни. За работата на материала в продукта е важно да се вземе предвид посоката на действащите натоварвания. Можете да създавате материали както с изотропни, така и с анизотропни свойства.
Можете да полагате влакната под различни ъгли, като варирате свойствата на композитните материали. Коравината на огъване и усукване на материала зависи от реда на полагане на слоевете по дебелината на опаковката.

Използва се полагането на подсилващи елементи от три, четири или повече нишки.
Най-голямо приложение има структурата на три взаимно перпендикулярни нишки. Втвърдителите могат да бъдат разположени в аксиална, радиална и периферна посока.

Триизмерните материали могат да бъдат с всякаква дебелина под формата на блокове, цилиндри. Обемните тъкани увеличават якостта на разкъсване и устойчивостта на срязване в сравнение с многослойните тъкани. Система от четири нишки се изгражда чрез разширяване на подсилващия агент по диагоналите на куба. Структурата на четири нишки е балансирана, има повишена твърдост на срязване в основните равнини.
Създаването на четирипосочни материали обаче е по-трудно от трипосочните материали.

3. Класификация на композитните материали.

3.1. Влакнести композитни материали.

Често композитният материал е слоеста структура, в която всеки слой е подсилен с голям брой паралелни непрекъснати влакна. Всеки слой може също да бъде подсилен с непрекъснати влакна, вплетени в тъкан, която е с оригиналната форма, съответстваща по ширина и дължина на крайния материал. Не е необичайно влакната да бъдат вплетени в триизмерни структури.

Композитните материали се различават от конвенционалните сплави по по-високи стойности на якост на опън и граница на издръжливост (с 50-10%), модул на еластичност, коефициент на твърдост и по-ниска чувствителност към напукване. Използването на композитни материали увеличава твърдостта на конструкцията, като същевременно намалява нейната консумация на метал.

Силата на композитните (влакнести) материали се определя от свойствата на влакната; матрицата трябва основно да преразпределя напреженията между усилващите елементи. Следователно здравината и модулът на еластичност на влакната трябва да бъдат значително по-големи от здравината и модула на еластичност на матрицата.
Твърдите подсилващи влакна възприемат напреженията, възникващи в състава при натоварване, придават му здравина и твърдост в посоката на ориентация на влакната.

За укрепване на алуминия, магнезия и техните сплави се използват борни влакна, както и влакна от огнеупорни съединения (карбиди, нитриди, бориди и оксиди), които имат висока якост и модул на еластичност. Често като влакна се използва стоманена тел с висока якост.

За подсилване на титана и неговите сплави се използват молибденова тел, сапфирни влакна, силициев карбид и титанов борид.

Увеличаването на топлоустойчивостта на никелови сплави се постига чрез подсилването им с волфрамова или молибденова тел. Металните влакна се използват и в случаите, когато се изисква висока топло- и електрическа проводимост. Обещаващи втвърдители за високоякостни и високомодулни влакнести композитни материали са мустаци от алуминиев оксид и нитрид, силициев карбид и нитрид, карбидбор и др.

Композитните материали на основата на метал имат висока якост и устойчивост на топлина, в същото време имат ниска пластичност. Въпреки това, влакната в композитните материали намаляват скоростта на разпространение на пукнатини, започващи в матрицата, и внезапното крехко счупване почти напълно изчезва. Отличителна черта на влакнестите едноосни композитни материали е анизотропията на механичните свойства по протежение на и напречно на влакната и ниска чувствителност към концентратори на напрежение.

Анизотропията на свойствата на влакнестите композитни материали се взема предвид при проектирането на части за оптимизиране на свойствата чрез съпоставяне на полето на съпротивление с полета на напрежение.

Подсилването на алуминиеви, магнезиеви и титаниеви сплави с непрекъснати огнеупорни влакна от бор, силициев карбид, титанов доборид и алуминиев оксид значително повишава топлоустойчивостта. Характеристика на композитните материали е ниската скорост на омекване във времето с повишаване на температурата.

Основният недостатък на композитните материали с едно- и двуизмерна армировка е ниската устойчивост на междуслойно срязване и напречно срязване. Материалите с обемна армировка са лишени от това.

3.2. Усилени с дисперсия композитни материали.

За разлика от влакнести композитни материали, в композитните материали, усилени с дисперсия, матрицата е основният носещ елемент и диспергираните частици забавят движението на дислокациите в нея.
Висока якост се постига с размер на частиците 10-500 nm със средно разстояние между тях 100-500 nm и равномерното им разпределение в матрицата.
Якостта и устойчивостта на топлина, в зависимост от обемното съдържание на фазите на втвърдяване, не се подчиняват на закона за адитивността. Оптималното съдържание на втората фаза за различните метали не е еднакво, но обикновено не надвишава 5-10 об. %.

Използването на стабилни огнеупорни съединения (оксиди на торий, хафний, итрий, комплексни съединения на оксиди и редкоземни метали), които са неразтворими в матричния метал като укрепващи фази, позволява поддържане на висока якост на материала до 0,9-0,95 T. Във връзка с това такива материали често се използват като топлоустойчиви. Усилени с дисперсия композитни материали могат да бъдат получени на базата на повечето метали и сплави, използвани в инженерството.

Най-широко използваните сплави на базата на алуминий - SAP (синтерован алуминиев прах).

Плътността на тези материали е равна на плътността на алуминия, те не са по-ниски от него по устойчивост на корозия и дори могат да заменят титана и устойчивите на корозия стомани при работа в температурен диапазон от 250-500 °C. По отношение на дълготрайната якост те превъзхождат кованите алуминиеви сплави. Дългосрочната якост за сплави SAP-1 и SAP-2 при 500°C е 45-55 MPa.

Големи перспективи за материали, усилени с никелова дисперсия.
Сплави на никелова основа с 2-3 об. % ториев диоксид или хафниев диоксид. Матрицата на тези сплави обикновено е твърд разтвор на Ni + 20% Cr, Ni + 15% Mo, Ni + 20% Cr и Mo. Широко приложение са получили сплавите VDU-1 (никел, закален с ториев диоксид), VDU-2 (никел, закален с хафниев диоксид) и VD-3 (Ni + 20% Cr матрица, закалена с ториев оксид). Тези сплави имат висока устойчивост на топлина. Усилените с дисперсия композитни материали, както и влакнестите, са устойчиви на омекване с повишаване на температурата и времето на задържане при дадена температура.

3.3. Фибростъкло.

Фибростъклото е състав, състоящ се от синтетична смола, която е свързващо вещество, и пълнител от стъклени влакна. Като пълнител се използва непрекъснато или късо стъклено влакно. Силата на стъклените влакна се увеличава рязко с намаляване на диаметъра му (поради влиянието на нехомогенности и пукнатини, които се появяват в дебели участъци). Свойствата на фибростъклото също зависят от съдържанието на алкали в неговия състав; най-доброто представяне на безалкални стъкла от алуминоборосиликатен състав.

Неориентираните стъклени влакна съдържат късо влакно като пълнител. Това ви позволява да пресовате части със сложна форма, с метални фитинги. Материалът се получава с изотопни якостни характеристики, много по-високи от тези на пресови прахове и дори влакна. Представители на такъв материал са стъклените влакна AG-4V, както и DSV (дозирани стъклени влакна), които се използват за производството на силови електрически части, машинно инженерни части (шпули, уплътнения на помпа и др.). При използване на ненаситени полиестери като свързващо вещество се получават PSK премикси (пастообразни) и препреги AP и PPM (на базата на стъклена подложка). Препрегите могат да се използват за едрогабаритни продукти с прости форми (каросерия на автомобили, лодки, кутии за инструменти и др.).

Ориентираните фибростъкло имат пълнител под формата на дълги влакна, подредени в ориентирани отделни нишки и внимателно залепени заедно със свързващо вещество. Това осигурява по-висока якост на фибростъкло.

Фибростъклото може да работи при температури от -60 до 200 ° C, както и в тропически условия, издържа на големи инерционни претоварвания.
При стареене в продължение на две години коефициентът на стареене K = 0,5-0,7.
Йонизиращото лъчение има малък ефект върху техните механични и електрически свойства. Използват се за производство на части с висока якост, с фитинги и резби.

3.4. Въглеродни влакна.

Въглеродните влакна (въглеродни пластмаси) са състави, състоящи се от полимерно свързващо вещество (матрица) и подсилващи агенти под формата на въглеродни влакна (въглеродни влакна).

Високата енергия на свързване C-C на въглеродните влакна им позволява да поддържат здравина при много високи температури (в неутрални и редуциращи среди до 2200 °C), както и при ниски температури. Влакната са защитени от окисляване чрез защитни покрития (пиролитични). За разлика от стъклените влакна, въглеродните влакна са слабо овлажнени от свързващо вещество.
(ниска повърхностна енергия), така че те са гравирани. Това повишава степента на активиране на въглеродните влакна чрез съдържанието на карбоксилната група на тяхната повърхност. Интерламинарната якост на срязване на въглеродните влакна се увеличава с 1,6-2,5 пъти. Използва се мускиране на кристали от TiO, AlN и SiN, което дава увеличение на твърдостта на междуслоя с 2 пъти и здравината с 2,8 пъти. Използват се пространствено подсилени конструкции.

Свързващите вещества са синтетични полимери (полимерни въглеродни влакна); синтетични полимери, подложени на пиролиза (коксирани въглеродни влакна); пиролитичен въглерод (пировъглеродни въглеродни влакна).

Епоксифенолните въглеродни влакна KMU-1l, подсилени с въглеродна лента, и KMU-1u на кълчища, покрити с мустачни кристали, могат да работят дълго време при температури до 200 °C.

Въглеродните влакна KMU-3 и KMU-2l се получават върху епоксианилино-формалдехидно свързващо вещество, могат да се експлоатират при температури до 100 ° C, те са най-технологично напреднали. Въглеродни влакна KMU-2 и
KMU-2l на базата на полиимидно свързващо вещество може да се използва при температури до
300 °C.

Въглеродните влакна се отличават с висока устойчивост на статична и динамична умора, запазват това свойство при нормални и много ниски температури (високата топлопроводимост на влакното предотвратява самозагряване на материала поради вътрешно триене). Те са устойчиви на вода и химикали. След излагане на рентгенови лъчи във въздуха, E и E почти не се променят.

Топлопроводимостта на въглеродните влакна е 1,5-2 пъти по-висока от топлопроводимостта на фибростъклото. Те имат следните електрически свойства: = 0,0024-0,0034 Ohm cm (по дължината на влакната); ? \u003d 10 и tg \u003d 0,001 (при честота на тока 10 Hz).

Въглеродните стъклени влакна съдържат, заедно с въглеродни стъклени влакна, което намалява цената на материала.

3.5. Въглеродни влакна с въглеродна матрица.

Коксуващите се материали се получават от конвенционални полимерни въглеродни влакна, подложени на пиролиза в инертна или редуцираща атмосфера. При температура 800-1500 °C се образуват карбонизирани карбонизирани, а при 2500-3000 °C се образуват графитизирани въглеродни влакна. За да се получат пиро-въглеродни материали, втвърдителят се разпределя според формата на продукта и се поставя в пещ, в която се прекарва газообразен въглеводород (метан). При определен режим (температура 1100 °C и остатъчно налягане 2660 Pa) метанът се разлага и полученият пиролитичен въглерод се отлага върху влакната на усилващия агент, като ги свързва.

Коксът, образуван по време на пиролизата на свързващото вещество, има висока якост на адхезия към въглеродните влакна. В тази връзка композитният материал има високи механични и аблационни свойства, устойчивост на термичен удар.

Въглеродното влакно с въглеродна матрица от типа KUP-VM по отношение на якост и якост на удар е 5-10 пъти по-добро от специалните графити; при нагряване в инертна атмосфера и вакуум запазва якост до 2200
°C, окислява се на въздух при 450 °C и изисква защитно покритие.
Коефициентът на триене на едно въглеродно влакно с въглеродна матрица в противен случай е висок (0,35-0,45), а износването е ниско (0,7-1 микрона за спиране).

3.6. Борни влакна.

Борните влакна са състави от полимерно свързващо вещество и подсилващ агент - борни влакна.

Борните влакна се отличават с висока якост на натиск, срязване, ниско пълзене, висока твърдост и модул на еластичност, термична и електрическа проводимост. Клетъчната микроструктура на борните влакна осигурява висока якост на срязване на интерфейса с матрицата.

В допълнение към непрекъснатите борни влакна се използват сложни борни гласити, при които няколко успоредни борни влакна са оплетени със стъклени влакна, което придава стабилност на размерите. Използването на борни стъклени влакна улеснява технологичния процес на производство на материала.

Като матрици за получаване на борни влакна се използват модифицирани епоксидни и полиимидни свързващи вещества. Борни влакна KMB-1 и
KMB-1k са предназначени за продължителна работа при температура 200 °C; KMB-3 и KMB-3k не изискват високо налягане по време на обработка и могат да работят при температури не по-високи от 100 °C; KMB-2k работи при 300 °C.

Борните влакна имат висока устойчивост на умора, устойчиви са на радиация, вода, органични разтворители и горива и смазочни материали.

3.7. Органични влакна.

Органичните влакна са композитни материали, състоящи се от полимерно свързващо вещество и подсилващи агенти (пълнители) под формата на синтетични влакна. Такива материали имат ниско тегло, относително висока специфична якост и твърдост и са стабилни под действието на редуващи се натоварвания и рязка промяна на температурата. За синтетичните влакна загубата на якост при обработка на текстил е малка; те са по-малко чувствителни към повреди.

За органните влакна стойностите на модула на еластичност и температурните коефициенти на линейно разширение на втвърдителя и свързващото вещество са близки.
Налице е дифузия на компонентите на свързващото вещество във влакното и химическо взаимодействие между тях. Структурата на материала е без дефекти. Порьозността не надвишава 1-3% (в други материали 10-20%). Оттук и стабилността на механичните свойства на органовите влакна при рязък температурен спад, действието на ударни и циклични натоварвания. Якостта на удар е висока (400-700kJ/m²). Недостатъкът на тези материали е относително ниската якост на натиск и високото пълзене (особено за еластичните влакна).

Органичните влакна са стабилни в агресивна среда и във влажен тропически климат; диелектричните свойства са високи и топлопроводимостта е ниска. Повечето органови влакна могат да работят дълго време при температура 100-150 °C, а на базата на полиимидно свързващо вещество и полиоксадиазолни влакна - при температура 200-300 °C.

В комбинираните материали, наред със синтетичните влакна, се използват минерални влакна (стъклени, въглеродни влакна и борни влакна). Такива материали имат по-голяма здравина и твърдост.

4. Икономическа ефективност от използването на композитни материали.

Областите на приложение на композитните материали не са ограничени. Използват се в авиацията за силно натоварени части на самолети (кожа, лонжерони, ребра, панели и др.) и двигатели (компресорни лопатки и турбини и др.), в космическата техника за възли от носещи конструкции на превозни средства, подложени на нагряване , за подсилващи елементи, панели, в автомобилната индустрия за облекчаване на каросерии, пружини, рамки, каросерии, брони и др., в минната индустрия (пробивни инструменти, части за комбайни и др.), в гражданското строителство (период на мостове, елементи от сглобяеми конструкции на високи сгради и др.) и др.) и в други области на народното стопанство.

Използването на композитни материали осигурява нов качествен скок в увеличаване на мощността на двигателите, силови и транспортни инсталации, намаляване на теглото на машините и устройствата.

Технологията за получаване на полуфабрикати и продукти от композитни материали е добре разработена.

Композитни материали с неметална матрица, а именно полимерни въглеродни влакна, се използват в корабостроенето и автомобилната индустрия (каросерия, шасита, витла); От тях се изработват лагери, нагревателни панели, спортно оборудване, компютърни части. Високомодулните въглеродни влакна се използват за производство на части за самолети, оборудване за химическата промишленост, в рентгеново оборудване и други.

Въглеродните матрични въглеродни влакна заместват различни видове графит. Използват се за термична защита, спирачни дискове на самолети, химически устойчиви съоръжения.

Продуктите от борни влакна намират приложение в авиационната и космическата техника (профили, панели, ротори и лопатки на компресора, лопатки на витлата и трансмисионни валове на хеликоптери и др.).

Органовите влакна се използват като изолационен структурен материал в електрическата и радиоиндустрията, авиационната техника и автомобилното инженерство; От тях се изработват тръби, контейнери за реактиви, покрития на корабни корпуси и др.

Обяви за покупко-продажба на оборудване можете да разгледате на

Можете да обсъдите предимствата на полимерните класове и техните свойства на

Регистрирайте фирмата си в Бизнес справочника

В историята на развитието на технологиите могат да се разграничат две важни направления:

• разработване на инструменти, конструкции, механизми и машини,
• разработка на материали.

Трудно е да се каже кое от тях е по-важно, т.к. те са доста тясно свързани помежду си, но без развитието на материалите техническият прогрес е невъзможен по принцип. Неслучайно историците подразделят ранните цивилизационни епохи на каменната епоха, бронзовата епоха и желязната епоха.

Сегашният 21 век вече може да се отдаде на епохата на композитните материали (композити).

Концепцията за композитните материали се формира в средата на миналия, 20-ти век. Композитите обаче изобщо не са ново явление, а само нов термин, формулиран от учените по материали, за да се разбере по-добре генезиса на съвременните структурни материали.

Композитните материали са известни от векове. Например във Вавилон са използвали тръстика за укрепване на глина при строителството на жилища, а древните египтяни добавят нарязана слама към глинени тухли. В древна Гърция мраморните колони са били подсилени с железни пръти по време на строителството на дворци и храмове. През 1555-1560 г. при изграждането на катедралата Василий Василий в Москва руските архитекти Барма и Постник използват каменни плочи, подсилени с железни ленти. Стоманите от стоманобетон и дамаска могат да се нарекат преки предшественици на съвременните композитни материали.

Има естествени аналози на композитни материали - дърво, кости, черупки и др. Много видове естествени минерали всъщност са композитни материали. Те са не само издръжливи, но и имат отлични декоративни свойства.

Композитни материали- многокомпонентни материали, състоящи се от пластмасова основа - матрица, и пълнители, които играят укрепваща и някои други роли. Между фазите (компонентите) на композита има фазова граница.

Комбинацията от различни вещества води до създаването на нов материал, чиито свойства се различават значително от свойствата на всеки от компонентите му. Тези. признак на композитен материал е забележимо взаимно влияние на съставните елементи на композита, т.е. тяхното ново качество, ефект.

Чрез промяна на състава на матрицата и пълнителя, тяхното съотношение, използване на специални допълнителни реагенти и др., се получава широка гама от материали с необходимия набор от свойства.

От голямо значение е разположението на елементите на композитния материал, както в посоките на действащите натоварвания, така и по отношение един спрямо друг, т.е. подреденост. Високоякостните композити, като правило, имат силно подредена структура.

Един прост пример. Шепа дървени стърготини, хвърлени в кофа с циментов разтвор, по никакъв начин няма да повлияе на свойствата му. Ако половината от разтвора се замени с дървени стърготини, тогава плътността на материала, неговите топлофизични константи, производствени разходи и други показатели ще се променят значително. Но шепа полипропиленови влакна ще направят бетона устойчив на удар и износване, а половин кофа влакна ще му осигури еластичност, което изобщо не е характерно за минералните материали.

Понастоящем в областта на композитните материали (композити) е обичайно да се включват различни изкуствени материали, разработени и внедрени в различни отрасли на технологиите и индустрията, които отговарят на общите принципи за създаване на композитни материали.

Защо в момента има интерес към композитните материали? Тъй като традиционните материали вече не винаги или не отговарят напълно на нуждите на съвременната инженерна практика.

Матриците в композитните материали са метали, полимери, цименти и керамика. Като пълнители се използват голямо разнообразие от изкуствени и естествени вещества в различни форми (едроразмерни, листови, влакнести, диспергирани, фино диспергирани, микродисперсни, наночастици).

Известни са също многокомпонентни композитни материали, включително:

• полиматрица, когато няколко матрици са комбинирани в един композитен материал,
• хибрид, включващ няколко различни пълнителя, всеки от които има своя собствена роля.

Пълнителът, като правило, определя здравината, твърдостта и деформируемостта на композита, докато матрицата осигурява неговата здравина, пренос на напрежение и устойчивост на различни външни влияния.

Специално място заемат декоративните композитни материали с изразени декоративни свойства.

Разработват се композитни материали със специални свойства, например радиопрозрачни материали и радиопоглъщащи материали, материали за термична защита на орбитални космически кораби, материали с нисък коефициент на линейно топлинно разширение и висок специфичен модул на еластичност и др.

Композитните материали се използват във всички области на науката, технологиите, индустрията, вкл. в жилищното, промишленото и специалното строителство, общото и специалното машиностроене, металургията, химическата промишленост, енергетиката, електрониката, домакински уреди, производство на облекло и обувки, медицина, спорт, изкуство и др.

Структура на композитните материали.

Според механичната структура композитите се разделят на няколко основни класа: влакнести, слоести, дисперсно усилени, усилени с частици и нанокомпозити.

Влакнестите композити са подсилени с влакна или мустаци. Дори малкото съдържание на пълнител в композитите от този тип води до значително подобрение на механичните свойства на материала. Свойствата на материала също могат да варират значително чрез промяна на ориентацията на размера и концентрацията на влакната.

При ламинираните композитни материали матрицата и пълнителят са подредени на слоеве, като например в триплекси, шперплат, залепени дървени конструкции и ламинати.

Микроструктурата на други класове композитни материали се характеризира с факта, че матрицата е изпълнена с подсилващи частици и те се различават по размер на частиците. В композитите, подсилени с частици, техният размер е по-голям от 1 микрон и съдържанието е 20-25% (обемно), докато дисперсионно подсилените композити включват от 1 до 15% (по обем) частици с размер от 0,01 до 0,1 µm. Размерите на частиците, които изграждат нанокомпозитите, са още по-малки и възлизат на 10-100 nm.

Някои често срещани композити

бетони- най-често срещаните композитни материали. В момента се произвежда голям набор от бетони, които се различават по състав и свойства. Съвременните бетони се произвеждат както върху традиционни циментови матрици, така и върху полимерни (епоксидни, полиестерни, фенолформалдехидни, акрилни и др.). Съвременните високоефективни бетони са близки до металите по здравина. Декоративният бетон става популярен.

Органопластика- композити, в които служат органични синтетични пълнители, по-рядко естествени и изкуствени влакна под формата на снопове, конци, тъкани, хартия и др. В термореактивните органопласти, като правило, като матрица служат епоксидни, полиестерни и фенолни смоли, както и полиимиди. Органопластичните материали имат ниска плътност, те са по-леки от пластмасите от стъкло и въглеродни влакна и имат относително висока якост на опън; висока устойчивост на удар и динамични натоварвания, но в същото време ниска якост на натиск и огъване. Най-често срещаните органопласти са дървесните композитни материали. По отношение на производството органопластите превъзхождат стоманата, алуминия и пластмасите.

Напоследък в чуждата литература станаха популярни нови термини - биополимери, биопластмаси и съответно биокомпозити.

Дървесни композитни материали.Най-често срещаните дървесни композити включват арболити, ксилолити, плочи от циментови частици, залепени дървени конструкции, шперплат и огънати залепени части, пластмаси на дървесна основа, плочи от дървесни частици и плочи и греди, преси за дърво и пресови прахове, термопластични дървесно-полимерни композити.

фибростъкло- полимерни композитни материали, подсилени със стъклени влакна, които са формовани от разтопено неорганично стъкло. Като матрица най-често се използват както термореактивни синтетични смоли (фенолни, епоксидни, полиестерни и др.), така и термопластични полимери (полиамиди, полиетилен, полистирол и др.). Фибростъклото има висока якост, ниска топлопроводимост, високи електроизолационни свойства, освен това те са прозрачни за радиовълни. Слоест материал, в който като пълнител се използва плат, изтъкан от стъклени влакна, се нарича фибростъкло.

CFRP- пълнителят в тези полимерни композити са въглеродни влакна. Въглеродните влакна се получават от синтетични и естествени влакна на базата на целулоза, акрилонитрилови съполимери, нефтен и каменовъглен катран и др. Матриците от въглеродни влакна могат да бъдат както термореактивни, така и термопластични полимери. Основните предимства на пластмасите, подсилени с въглеродни влакна в сравнение с фибростъкло, са тяхната ниска плътност и по-висок модул на еластичност, подсилените с въглеродни влакна пластмаси са много леки и в същото време издръжливи материали.

На базата на въглеродни влакна и въглеродна матрица се създават композитни въглеродно-графитни материали - най-устойчивите на топлина композитни материали (пластмаси от въглеродни влакна), които могат да издържат на температури до 3000 ° C за дълго време в инертни или редуциращи среди.

Боропластика- композитни материали, съдържащи борни влакна като пълнител, вградени в термореактивна полимерна матрица, докато влакната могат да бъдат или под формата на монофиламенти, или под формата на снопове, оплетени със спомагателна стъклена нишка или ленти, в които борните нишки са преплетени с други нишки . Използването на борни пластмаси е ограничено от високата цена на производството на борни влакна, поради което те се използват главно в авиационната и космическата техника в части, подложени на дълготраен стрес в агресивна среда.

Пресови прахове (пресови маси).Известни са повече от 10 000 степени на пълни полимери. Пълнителите се използват както за намаляване на цената на материала, така и за придаване на специални свойства. Пълненият полимер е произведен за първи път от д-р Бекеланд (Leo H. Baekeland, САЩ), който открива в началото на 20 век. метод за синтез на фенолформалдехидна (бакелитна) смола. Сама по себе си тази смола е крехко вещество с ниска якост. Бекеланд установи, че добавянето на влакна, по-специално дървесно брашно, към смолата, преди да се втвърди, повишава нейната здравина. Създаденият от него материал – бакелит – добива голяма популярност. Технологията на приготвянето му е проста: смес от частично втвърден полимер и пълнител - пресов прах - се втвърдява необратимо във формата под налягане. Първият сериен продукт е произведен по тази технология през 1916 г., това е копчето за смяна на скоростите на автомобил Rolls-Royce. Напълнените термореактивни полимери се използват широко в голямо разнообразие от технически области. За пълнене на термореактивни и термопластични полимери се използват различни пълнители - дървесно брашно, каолин, креда, талк, слюда, сажди, фибростъкло, базалтови влакна и др.

Текстолити- ламинирана пластмаса, подсилена с тъкани от различни влакна. Технологията за производство на текстолити е разработена през 20-те години на миналия век. на базата на фенол-формалдехидна смола. Платове от плат се импрегнират със смола, след което се пресоват при повишена температура, като се получават текстолитови плочи или профилирани продукти. Свързващите вещества в текстолитите са широка гама от термореактивни и термопластични полимери, а понякога и неорганични свързващи вещества на базата на силикати и фосфати. Като пълнител се използват тъкани от голямо разнообразие от влакна - памук, синтетика, стъкло, въглерод, азбест, базалт и др. Съответно свойствата и приложението на текстолитите са разнообразни.

Композитни материали с метална матрица.При създаването на композити на метална основа като матрица се използват алуминий, магнезий, никел, мед и др. Пълнежът е влакна с висока якост, огнеупорни частици с различна финост, мустачни монокристали от алуминиев оксид, берилиев оксид, борни и силициеви карбиди, алуминиеви и силициеви нитриди и др. Дължина 0,3-15 mm и диаметър 1-30 µm.

Основните предимства на композитните материали с метална матрица в сравнение с конвенционалния (неподсилен) метал са: повишена якост, повишена твърдост, повишена устойчивост на износване, повишена устойчивост на пълзене.

Композитни материали на основата на керамика.Подсилването на керамични материали с влакна, както и метални и керамични диспергирани частици, дава възможност за получаване на високоякостни композити, но гамата от влакна, подходящи за армиране на керамика, е ограничена от свойствата на изходния материал. Често се използват метални влакна. Устойчивостта на опън се увеличава леко, но устойчивостта на термични удари се увеличава - материалът се напуква по-малко при нагряване, но има случаи, когато здравината на материала пада. Зависи от съотношението на коефициентите на топлинно разширение на матрицата и пълнителя.

Подсилването на керамиката с диспергирани метални частици води до нови материали (кермети) с повишена издръжливост, устойчивост на термични удари и повишена топлопроводимост. Високотемпературните металокерамики се използват за направата на части за газови турбини, арматура за електрически пещи, части за ракетна и реактивна техника. За производството на режещи инструменти и части се използват твърди устойчиви на износване металокерамика. Освен това металокерамиката се използва в специални области на технологията - това са горивни елементи на ядрени реактори на базата на уранов оксид, фрикционни материали за спирачни устройства и др.

композитен материал sudlal, композитен материал импекс
Композитен материал(КМ), композитен- изкуствено създаден нехомогенен твърд материал, състоящ се от два или повече компонента с ясен интерфейс между тях. В повечето композити (с изключение на слоевите) компонентите могат да бъдат разделени на матрица (или свързващо вещество) и подсилващи елементи (или пълнители), включени в нея. В композитите за конструктивни цели подсилващите елементи обикновено осигуряват необходимите механични характеристики на материала (якост, твърдост и др.), а матрицата осигурява съвместната работа на подсилващите елементи и ги предпазва от механични повреди и агресивни химически среди.

Механичното поведение на състава се определя от съотношението на свойствата на подсилващите елементи и матрицата, както и силата на връзките между тях. Характеристиките и свойствата на създадения продукт зависят от избора на изходни компоненти и технологията на тяхното комбиниране.

Когато се комбинират подсилващи елементи и матрица, се образува състав, който има набор от свойства, които отразяват не само първоначалните характеристики на неговите компоненти, но и нови свойства, които отделните компоненти не притежават. Например, наличието на интерфейси между подсилващите елементи и матрицата значително увеличава устойчивостта на пукнатини на материала, а в съставите, за разлика от хомогенните метали, увеличаването на статичната якост не води до намаляване, а като правило до повишаване на характеристиките на якост на счупване.

За да се създаде композиция, се използват различни подсилващи пълнители и матрици. Това са гетинакс и текстолит (ламинирани пластмаси от хартия или плат, залепени с термореактивно лепило), стъкло и графитни пластмаси (тъкан или навито влакно от стъкло или графит, импрегнирани с епоксидни лепила), шперплат. Има материали, при които тънко влакно от високоякостни сплави е запълнено с алуминиева маса. Булат е един от най-старите композитни материали. най-тънките слоеве (понякога нишки) от високовъглеродна стомана са "залепени" с меко нисковъглеродно желязо.

Учените по материали експериментират с цел да създадат материали, които са по-удобни за производство и следователно по-евтини. Изследват се саморастящи кристални структури, залепени в единна маса с полимерно лепило (цименти с добавки на водоразтворими лепила), термопластични състави с къси подсилващи влакна и др.

• 1 Класификация на композитите
• 2 Предимства на композитните материали
• 3 Недостатъци на композитните материали
  • 3.1 Висока цена
  • 3.2 Анизотропия на свойствата
  • 3.3 Ниска якост на удар
  • 3.4 Висок специфичен обем
  • 3.5 Хигроскопичност
  • 3.6 Токсичност
  • 3.7 Лоша поддръжка
• 4 Приложения
  • 4.1 Потребителски стоки
  • 4.2 Спортно оборудване
  • 4.3 Медицина
  • 4.4 Машиностроене
    • 4.4.1 Характеристика
    • 4.4.2 Спецификации
    • 4.4.3 Технически и икономически предимства
    • 4.4.4 Приложения на технологиите
  • 4.5 Авиация и космонавтика
  • 4.6 Въоръжение и военна техника
• 5 Вижте също
• 6 Бележки
• 7 Литература
• 8 Връзки

Класификация на композитите

Композитите обикновено се класифицират според вида на подсилващия пълнител:

• влакнести (усилващ компонент - влакнести структури);
• наслоен;
• пълни пластмаси (усилващ компонент - частици)
  • насипно (хомогенно),
  • скелетни (първоначални структури, пълни със свързващо вещество).

Също така композитите понякога се класифицират според материала на матрицата:

• полимерни матрични композити,
• композити с керамична матрица,
• композити с метална матрица,
• оксидно-оксидни композити.

Предимства на композитните материали

Основното предимство на CM е, че материалът и структурата се създават едновременно. Изключение правят препрегите, които са полуготов продукт за производството на конструкции.

Веднага трябва да се отбележи, че CM са създадени за изпълнение на тези задачи, следователно те не могат да съдържат всички възможни предимства, но при проектирането на нов композит инженерът е свободен да му зададе характеристики, които значително превъзхождат характеристиките на традиционни материали при изпълнение на тази цел в този механизъм, но по-ниско от тях във всички други аспекти. Това означава, че CM не може да бъде по-добър от традиционния материал във всичко, тоест за всеки продукт инженерът извършва всички необходими изчисления и едва след това избира оптимума между материалите за производство.

• висока специфична якост (якост 3500 MPa)
• висока твърдост (модул на еластичност 130…140 - 240 GPa)
• висока устойчивост на износване
• висока якост на умора
• възможно е да се правят стабилни по размери структури от CM
• лекота

Освен това различните класове композити могат да имат едно или повече предимства. Някои ползи не могат да бъдат постигнати едновременно.

Недостатъци на композитните материали

Композитните материали имат доста голям брой недостатъци, които пречат на тяхното разпространение.

Висока цена

Високата цена на CM се дължи на високата наукоемкост на производството, необходимостта от използване на специално скъпо оборудване и суровини и следователно на развитото промишлено производство и научна база на страната. Това обаче е вярно само когато композитите заменят обикновените валцувани продукти, изработени от черни метали. При леки продукти, продукти със сложна форма, устойчиви на корозия продукти, високоякостни диелектрични продукти, композити са победител. Освен това цената на композитните продукти често е по-ниска от аналозите, изработени от цветни метали или неръждаема стомана.

Анизотропия на свойствата

Анизотропията е зависимостта на свойствата на CM от избора на посока на измерване. Например, модулът на еластичност на еднопосочните въглеродни влакна по протежение на влакната е 10-15 пъти по-висок, отколкото в напречната посока.

За да се компенсира анизотропията, коефициентът на безопасност се увеличава, което може да неутрализира предимството на CM в специфичната якост. Опитът от използването на CM при производството на вертикалната опашка на изтребителя МиГ-29 може да послужи като такъв пример. Поради анизотропията на използваното КМ, вертикалната опашка е проектирана с коефициент на безопасност, кратен на стандартния коефициент в авиацията от 1,5, което в крайна сметка доведе до факта, че композитната вертикална опашка на МиГ-29 се оказа да бъде равен по тегло на дизайна на класическата вертикална опашка от дуралуминий .

Въпреки това, в много случаи анизотропията на свойствата е полезна. Например тръбите, работещи при вътрешно налягане, изпитват два пъти по-големи напрежения на скъсване в периферна посока в сравнение с аксиалната. Следователно тръбата не трябва да бъде с еднаква здравина във всички посоки. При композитите това условие може лесно да се осигури чрез удвояване на армировката в периферна посока спрямо аксиалната.

Ниска якост на удар

Ниската якост на удар също е причина за необходимостта от увеличаване на границата на безопасност. В допълнение, ниската якост на удар причинява големи щети на CM продуктите, голяма вероятност от поява на скрити дефекти, които могат да бъдат открити само чрез инструментални методи за контрол.

Висок специфичен обем

Високият специфичен обем е значителен недостатък при използване на CM в зони със сериозни ограничения на заемания обем. Това се отнася например за областта на свръхзвуковата авиация, където дори леко увеличаване на обема на самолета води до значително увеличаване на аеродинамичното съпротивление на вълната.

Хигроскопичност

Композитните материали са хигроскопични, тоест са склонни да абсорбират влагата, което се дължи на прекъсването на вътрешната структура на CM. При продължителна работа и многократни температурни преходи до 0 по Целзий, водата, проникваща в структурата на CM, унищожава продукта CM отвътре (ефектът е подобен по природа на разрушаването на пътищата в извън сезона). Честно казано, трябва да се отбележи, че този недостатък се отнася до композитите от първо поколение, които са имали недостатъчно ефективна адхезия на свързващото вещество към пълнителя, както и голям обем кухини в матрицата на свързващото вещество. Съвременните видове композити с висока адхезия на свързващото вещество към пълнителя (постигана чрез използване на специални смазки), получени чрез вакуумно формоване с минимално количество каверни от остатъчен газ, не са обект на този недостатък, което прави възможно, по-специално, изграждане на композитни кораби, производство на композитна армировка и композитни опори за въздушни електропроводи.

Въпреки това, CM могат да абсорбират други силно проникващи течности, като авиационен керосин или други петролни продукти.

токсичност

По време на работа CM могат да отделят изпарения, които често са токсични. Ако продуктите са направени от CM, които ще бъдат разположени в непосредствена близост до човек (такъв пример може да бъде композитният фюзелаж на самолета Boeing 787 Dreamliner), тогава са необходими допълнителни проучвания за въздействието на компонентите CM върху хората, за да се одобрят материалите използвани при производството на CM.

Ниска производствена поддръжка

Композитните материали могат да имат ниска експлоатационна производителност, ниска поддръжка и висока цена на експлоатация. Това се дължи на необходимостта от използване на специални трудоемки методи (а понякога и ръчен труд), специални инструменти за финализиране и ремонт на обекти от CM. Често продуктите от KM изобщо не подлежат на усъвършенстване и ремонт.

Области на използване

Потребителски стоки

• Стоманобетонът е един от най-старите и прости композитни материали.
• Въдици от фибростъкло и въглеродни влакна
• лодки от фибростъкло
• Гуми на кола
• Метални композити

Спортна екипировка

Композитите са се утвърдили здраво в спорта: висока якост и ниско тегло са необходими за високи постижения, а цената не играе специална роля.

• Велосипеди
• Ски оборудване - щеки и ски
• Хокейни пръчки и кънки
• Каяци, канута и гребла
• Части за каросерия за състезателни автомобили и мотоциклети
• Каски

Лекарството

Материал за зъбни пломби. Пластмасовата матрица служи за добра пълнеж, пълнителят от стъклени частици повишава износоустойчивостта.

машиностроене

В машиностроенето композитните материали се използват широко за създаване защитни покрития върху триещи се повърхности, както и за производството на различни части от двигатели с вътрешно горене (бутала, биели).

Характеристика

Технологията се използва за образуване на допълнителни защитни покрития върху повърхности в фрикционни двойки стомана-каучук. Прилагането на технологията дава възможност за увеличаване на работния цикъл на уплътненията и валовете на промишленото оборудване, работещо във водна среда.

Композитните материали са съставени от няколко функционално различни материала. Основата на неорганичните материали са силикати на магнезий, желязо и алуминий, модифицирани с различни добавки. Фазовите преходи в тези материали се случват при достатъчно високи локални натоварвания, близки до крайната якост на метала. В същото време върху повърхността в зоната на високи локални натоварвания се образува високоякостен металокерамичен слой, поради което е възможно да се промени структурата на металната повърхност.

Полимерните материали на базата на политетрафлуоретилени се модифицират с ултрадисперсни диамантено-графитни прахове, получени от експлозивни материали, както и с ултрафини прахове от меки метали. Пластифицирането на материала се извършва при относително ниски (под 300 °C) температури.

Органометалните материали, получени от естествени мастни киселини, съдържат значително количество киселинни функционални групи. Поради това взаимодействието с повърхностните метални атоми може да се осъществи в режим на покой. Енергията на триене ускорява процеса и стимулира появата на кръстосани връзки.

Спецификации

Защитното покритие, в зависимост от състава на композитния материал, може да се характеризира със следните свойства:

• дебелина до 100 микрона;
• клас на чистота на повърхността на шахтата (до 9);
• имат пори с размери 1 - 3 микрона;
• коефициент на триене до 0,01;
• висока адхезия към повърхността на метал и гума.

Технически и икономически предимства

• В зоната на високи локални натоварвания върху повърхността се образува високоякостен металокерамичен слой;
• Слоят, образуван върху повърхността на политетрафлуоретилените, има нисък коефициент на триене и ниска устойчивост на абразивно износване;
• Метално-органичните покрития са меки, имат нисък коефициент на триене, пореста повърхност, дебелината на допълнителния слой е няколко микрона.

Области на приложение на технологията

• полагане на уплътнения върху работната повърхност, за да се намали триенето и да се създаде разделителен слой, който предотвратява залепването на каучук към вала през периода на почивка.
• високоскоростни двигатели с вътрешно горене за автомобилостроене и самолетостроене.

Авиация и космонавтика

От 60-те години на миналия век има спешна нужда в авиацията и космическото пространство от производството на здрави, леки и устойчиви на износване конструкции. Композитните материали се използват за производството на носещи конструкции на самолети, изкуствени спътници, топлоизолационни покрития за совалки и космически сонди. Все по-често композитите се използват за производството на обшивки за въздушни и космически превозни средства и за най-натоварените носещи елементи.

Въоръжение и военна техника

Поради своите характеристики (сила и лекота), CM се използват във военното дело за производство на различни видове брони:

• бронежилетка (виж също кевлар)
• броня за военни превозни средства

До 4 век пр.н.е д. са били широко използвани като част от лъкове като оръжия.

Вижте също

• Композитна арматура
• хибриден материал

Бележки

1. Й. Любин. 1.2 Термини и дефиниции // Наръчник за композитни материали: 2 книги = Наръчник по композити. - М.: Машиностроение, 1988. - Т. 1. - 448 с. - ISBN 5-217-00225-5.

литература

• Kerber ML, Полимерни композитни материали. структура. Имоти. технология. – Санкт Петербург: Професия, 2008. – 560 с.
• Василиев В.В., Механика на конструкции от композитни материали. - М.: Машиностроение, 1988. - 272 с.
• Карпинос Д. М., Композитни материали. Указател. - Киев, Наукова дума

Връзки

• Списание по механика на композитните материали и конструкции
• "Композити от научния град"
• "Технология на черните крила"

композитен материал импекс, композитен материал судлал, композитен материализъм, наука за композитни материали

Информация за композитните материали за