Acasă
Conductă
Utilizarea materialelor compozite în industria de apărare și aerospațială. Materiale compozite

Utilizarea materialelor compozite în industria de apărare și aerospațială. Materiale compozite

Materiale compozite - materiale create artificial care constau din două sau mai multe componente care diferă ca compoziție și sunt separate printr-o limită pronunțată și care au proprietăți noi proiectate în prealabil.

Componentele materialului compozit sunt diferite din punct de vedere geometric. Se numește o componentă care este continuă pe întregul volum al unui material compozit matrice. Se numește o componentă discontinuă separată în volumul unui material compozit fitinguri. Matricea dă forma dorită produsului, afectează crearea proprietăților materialului compozit, protejează armătura de deteriorarea mecanică și alte influențe ale mediului.

Polimerii organici și anorganici, ceramica, carbonul și alte materiale pot fi utilizați ca matrici în materiale compozite. Proprietățile matricei determină parametrii tehnologici ai procesului de obținere a compoziției și proprietățile acesteia: densitatea, rezistența specifică, temperatura de funcționare, rezistența la cedarea prin oboseală și expunerea la medii agresive. Componentele de armare sau de armare sunt distribuite uniform în matrice. Ei, de regulă, au un nivel ridicat, iar în acești indicatori depășesc semnificativ matricea. În locul termenului de componentă de armare, poate fi folosit termenul de umplutură.

Clasificarea materialelor compozite

În funcție de geometria umpluturii, materialele compozite sunt împărțite în trei grupuri:

  • cu umpluturi zero-dimensionale ale căror dimensiuni în trei dimensiuni sunt de aceeași ordine;
  • cu umpluturi unidimensionale, una dintre dimensiunile cărora le depășește semnificativ pe celelalte două;
  • cu umpluturi bidimensionale, dintre care două dimensiuni sunt semnificativ mai mari decât a treia.

În funcție de aranjarea materialelor de umplutură, se disting trei grupuri de materiale compozite:

  • cu un aranjament uniaxial (liniar) al umpluturii sub formă de fibre, fire, mustăți în matrice paralele între ele;
  • cu o aranjare biaxială (plană) a umpluturii de armare, covorașe de mustăți, folie în matrice în planuri paralele;
  • cu o dispunere triaxială (volumică) a umpluturii de armare și absența unei direcții predominante în amplasarea acestuia.

În funcție de natura componentelor, materialele compozite sunt împărțite în patru grupe:

  • materiale compozite care conțin o componentă de metale sau aliaje;
  • materiale compozite care conțin o componentă de compuși anorganici de oxizi, carburi, nitruri etc.;
  • materiale compozite care conțin o componentă de elemente nemetalice, carbon, bor etc.;
  • materiale compozite care conțin o componentă de compuși organici epoxidici, poliester, fenolici etc.

Proprietățile materialelor compozite depind nu numai de proprietățile fizico-chimice ale componentelor, ci și de rezistența legăturii dintre ele. Rezistența maximă este atinsă dacă sau apare între matrice și armătură.

În materiale compozite cu umplutură zero-dimensională cea mai utilizată matrice metalică. Compozițiile pe bază de metal sunt întărite de particule dispersate uniform distribuite de diverse finețe. Aceste materiale sunt diferite.

În astfel de materiale, matricea percepe întreaga sarcină, iar particulele dispersate ale umpluturii împiedică dezvoltarea deformării plastice. Întărirea eficientă se realizează la un conținut de particule de umplutură de 5...10%. Umpluturile de armare sunt particule de oxizi refractari, nitruri, boruri, carburi. Materialele compozite întărite prin dispersie sunt obținute prin metode de metalurgie a pulberilor sau particulele de pulbere de armare sunt introduse într-o topitură de metal lichid sau aliaj.

Materialele compozite pe bază de, armate cu particule de oxid de aluminiu (Al 2 O 3), au găsit aplicație industrială. Sunt obținute prin presarea pulberii de aluminiu urmată de sinterizare (SAP). Avantajele SAP apar la temperaturi peste 300 o C, când aliajele de aluminiu se înmoaie. Aliajele întărite prin dispersie păstrează efectul de întărire până la o temperatură de 0,8 T pl.

Aliajele SAP sunt deformate satisfăcător, ușor prelucrate, sudate și. Produsele semifabricate din SAP sunt produse sub formă de table, profile, țevi, folie. Sunt folosite pentru a face palete de compresoare, ventilatoare și turbine, tije de piston.

În materiale compozite cu umpluturi unidimensionaleîntăritorii sunt elemente unidimensionale sub formă de mustăți, fibre, sârmă, care sunt ținute împreună de o matrice într-un singur monolit. Este important ca fibrele puternice să fie distribuite uniform în matricea de plastic. Pentru armarea materialelor compozite se folosesc fibre continue discrete cu dimensiuni transversale de la fracțiuni la sute de micrometri.

Materialele întărite cu mustăți au fost create la începutul anilor șaptezeci pentru structurile aviatice și spațiale. Principala modalitate de a crește mustăți este să le crească din abur suprasaturat (proces PC). Pentru producerea de oxizi și alți compuși de înaltă rezistență, creșterea se realizează conform mecanismului P-L-C -: creșterea dirijată a cristalelor are loc dintr-o stare de vapori printr-o fază lichidă intermediară.

Cristalele filamentare sunt create prin aspirarea lichidului prin filiere. Rezistența cristalelor depinde de secțiunea transversală și de netezimea suprafeței.

Materialele compozite de acest tip sunt promițătoare ca. Pentru a crește eficiența motoarelor termice, paletele turbinei cu gaz sunt realizate din aliaje de nichel armate cu filamente de safir (Al 2 O 3), ceea ce face posibilă creșterea semnificativă a temperaturii la intrarea turbinei (rezistența la tracțiune a cristalelor de safir la o temperatură de 1680 o C este peste 700 MPa).

Armarea duzelor de rachetă din pulberi de wolfram și molibden este produsă cu cristale de safir atât sub formă de pâslă, cât și de fibre individuale, în urma cărora a fost posibilă dublarea materialului la o temperatură de 1650 o C. Armarea polimerului de impregnare de sticla-textoliti cu fibre filamentoase le mareste rezistenta. Armatura metalica turnata o reduce in structuri. Este promițător să întărească sticla cu mustăți neorientate.

Pentru consolidarea materialelor compozite, se folosește sârmă metalică din diferite metale: oțel de compoziție diferită, wolfram, niobiu, în funcție de condițiile de lucru. Sârma de oțel este prelucrată în plasă țesută, care este utilizată pentru a obține materiale compozite cu armare în două direcții.

Pentru armarea metalelor ușoare se folosesc fibre de bor și carbură de siliciu. Fibrele de carbon au proprietăți deosebit de valoroase; sunt folosite pentru a întări materialele compozite metalice, ceramice și polimerice.

Materiale compozite eutectice– aliaje de compoziție eutectică sau apropiată de eutectică, în care faza de întărire este orientată cristale formate în procesul de cristalizare direcțională. Spre deosebire de materialele compozite convenționale, materialele eutectice sunt obținute într-o singură operație. Structura orientată direcțională poate fi obținută pe produse deja finite. Forma cristalelor rezultate poate fi sub formă de fibre sau plăci. Metodele de cristalizare direcțională produc materiale compozite pe bază de , cobalt, niobiu și alte elemente, astfel încât acestea sunt utilizate într-o gamă largă de temperaturi.

Utilizarea materialelor compozite în construcții

Ieftin și versatil, betonul este unul dintre cele mai bune materiale de construcție oferite. Fiind un adevărat compozit, betonul tipic constă din pietriș și nisip lipite împreună într-o matrice de ciment, cu armătură metalică adăugată de obicei pentru a spori rezistența. Betonul este excelent la compresie, dar devine fragil și slab la tensiune. Tensiunile de tracțiune, precum și contracția plastică în timpul întăririi, duc la fisuri care absorb apă, ceea ce duce în cele din urmă la coroziune a armăturii metalice și la o pierdere semnificativă a solidității betonului atunci când metalul cade.

Bara de armare compozită s-a impus pe piața construcțiilor datorită rezistenței sale dovedite la coroziune. Ghidurile de proiectare noi și actualizate și protocoalele de testare facilitează selectarea materialelor plastice armate de către ingineri.

Materialele plastice armate cu fibre (fibră de sticlă, bazalt) au fost considerate de mult timp materiale pentru îmbunătățirea performanței betonului.

În ultimii 15 ani, armatura compozită a trecut de la a fi un prototip experimental la a fi un înlocuitor eficient pentru oțel în multe proiecte, mai ales pe măsură ce prețurile oțelului cresc.

Plasele compozite în panouri prefabricate din beton: plasele epoxidice carbon C-GRID cu potențial ridicat înlocuiesc oțelul tradițional sau bara de armare în structurile prefabricate ca armătură secundară.

C-GRID este o grilă grosieră de câlți de carbon/rășină epoxidice. Folosit ca înlocuitor pentru plasa secundară de oțel în panouri de beton și aplicații arhitecturale. Dimensiunea ochiurilor variază în funcție de tipul de beton și agregat, precum și de cerințele de rezistență a panoului

Utilizarea fibrelor scurte în beton pentru a-și îmbunătăți proprietățile este o tehnologie consacrată de zeci de ani, și chiar de secole, având în vedere că în Imperiul Roman, mortarele erau armate cu păr de cal. Armarea cu fibre îmbunătățește rezistența și elasticitatea betonului (abilitatea de a se deforma plastic fără rupere) prin menținerea unei părți a încărcăturii atunci când matricea este deteriorată și prevenind creșterea fisurilor.

Adăugarea de fibre permite materialului să se deformeze plastic și să reziste la sarcini de tracțiune.

La realizarea acestor grinzi de pod precomprimate a fost folosit beton armat cu fibre. Utilizarea armăturii nu a fost necesară datorită elasticității și rezistenței ridicate a materialului, care i-au fost date de fibrele de armare din oțel adăugate amestecului de beton.

Materialul compozit din aluminiu este un panou format din două foi de aluminiu și un material de umplutură din plastic sau mineral între ele. Structura compozită a materialului îi conferă ușurință și rezistență ridicată, combinate cu elasticitate și rezistență la rupere. Tratamentul chimic și al suprafeței vopselei oferă materialului o rezistență excelentă la coroziune și la fluctuațiile de temperatură. Datorită combinației acestor proprietăți unice, materialul compozit de aluminiu este unul dintre cele mai căutate în construcții.

Compozitul de aluminiu are o serie de avantaje semnificative care îi asigură în fiecare an popularitatea în creștere ca material de finisare.

Greutate minimă combinată cu rigiditate ridicată. Panourile compozite din aluminiu se caracterizează prin greutate redusă datorită utilizării foilor de acoperire din aluminiu și a unui strat de miez ușor combinat cu rigiditate ridicată dată de combinația materialelor de mai sus. În ceea ce privește aplicarea pe structurile de fațadă, această circumstanță distinge favorabil materialele compozite din aluminiu de materialele alternative, cum ar fi tabla de aluminiu și oțel, granit ceramic, plăci de fibrociment. Utilizarea materialului compozit de aluminiu reduce semnificativ greutatea totală a structurii de fațadă ventilată. beton compozit aluminiu metal

Materialul compozit de aluminiu este capabil să reziste la răsucire. Motivul este aplicarea stratului superior prin rulare. Planeitatea este asigurată prin folosirea rulării în locul presarii convenționale, ceea ce conferă o uniformitate ridicată în aplicarea stratului. Planeitatea maximă este de 2 mm pe 1220 mm lungime, ceea ce reprezintă 0,16% din ultima.

  • - Rezistența vopselei la influențele mediului. Datorită stratului de acoperire multistrat extrem de stabil, materialul nu își pierde intensitatea culorii pentru o lungă perioadă de timp sub influența luminii solare și a componentelor atmosferice agresive.
  • - Gamă largă de culori și texturi. Materialul este produs cu un strat de vopsea: culori solide și culori metalice în orice gamă de culori și nuanțe, acoperiri cu efect de piatră și lemn. În plus, sunt produse panouri cu un strat de „crom”, „aur”, panouri cu o suprafață texturată, panouri cu un strat lustruit din oțel inoxidabil, titan și cupru.

Panourile din material compozit din aluminiu au o structură complexă formată din foi de aluminiu și umplutură de miez. Îmbinarea acestor materiale conferă panourilor rigiditate combinată cu elasticitate, ceea ce face ca materialele compozite din aluminiu să fie rezistente la sarcini și deformații create de mediu. Materialul nu își pierde proprietățile pentru un timp extrem de lung.

Rezistența materialului la coroziune este determinată de utilizarea în structura panoului de foi din aliaj de aluminiu, protejate de un strat de vopsea și lac multistrat. În cazul deteriorării stratului de acoperire, suprafața foii este protejată prin formarea unei pelicule de oxid.

Structura compozită a panoului din material compozit de aluminiu asigură o bună izolare fonică prin absorbția undelor sonore și vibrațiilor.

Panourile sunt ușor de adaptat la astfel de tipuri de prelucrare mecanică, cum ar fi îndoirea, tăierea, frezarea, găurirea, laminarea, sudarea, lipirea, fără a deteriora stratul de acoperire și fără a încălca structura materialului. Sub sarcinile care apar în procesul de îndoire a panourilor, inclusiv în rază, nu există delaminarea panourilor sau încălcări ale straturilor de suprafață, cum ar fi fisurarea foilor de aluminiu și a vopselei. În timpul producției din fabrică, panourile sunt protejate de deteriorări mecanice cu o peliculă specială, care este îndepărtată după finalizarea lucrărilor de instalare.

Panourile iau cu ușurință aproape orice formă dată, cum ar fi raza. Adecvarea materialului pentru lipire face posibilă realizarea unei geometrii complexe a produselor, ceea ce este imposibil cu orice alt material de acoperire, cu excepția aluminiului, în fața căruia materialele compozite din aluminiu câștigă semnificativ în ceea ce privește greutatea.

Utilizarea materialului compozit de aluminiu face posibilă crearea de panouri de placare de diferite dimensiuni și forme, făcând acest material indispensabil în rezolvarea problemelor arhitecturale complexe.

  • - Durată lungă de viață. din materialul compozit din aluminiu sunt rezistente la influențele mediului, cum ar fi lumina soarelui, precipitații, încărcăturile vântului, fluctuațiile de temperatură pentru o lungă perioadă de timp, datorită utilizării unui strat stabil și combinației de rigiditate și elasticitate realizată în material. Durata de viață estimată a panourilor în aer liber este de aproximativ 50 de ani.
  • - Ingrijire minima in timpul functionarii. Prezența unui strat de înaltă calitate contribuie la autocurățarea panourilor de contaminanții externi. De asemenea, panourile sunt ușor de curățat cu produse de curățare neagresive.

Două căi promițătoare sunt deschise de materialele compozite întărite fie cu fibre, fie cu solide dispersate.

În primul, cele mai fine fibre de înaltă rezistență din sticlă, carbon, bor, beriliu, oțel sau monocristale sunt introduse într-o matrice de metal anorganic sau polimer organic. Ca rezultat al acestei combinații, rezistența maximă este combinată cu un modul ridicat de elasticitate și densitate scăzută. Materialele compozite sunt astfel de materiale ale viitorului.

Materialul compozit este un material structural (metalic sau nemetalic) în care există elemente de armare sub formă de fire, fibre sau fulgi dintr-un material mai durabil. Exemple de materiale compozite: plastic armat cu bor, carbon, fibre de sticlă, câlți sau țesături pe bază de acestea; aluminiu armat cu filamente de otel, beriliu.

Combinând conținutul de volum al componentelor, este posibil să se obțină materiale compozite cu valorile cerute de rezistență, rezistență la căldură, modul elastic, rezistență la abraziune, precum și crearea de compoziții cu necesarul magnetic, dielectric, radioabsorbant și altele speciale. proprietăți.

Toate aceste materiale combinate sunt combinate într-un sistem. Sistemul de armare compozit este utilizat pentru aproape toate tipurile de structuri:

  • 1. Beton și beton armat
  • 2. Metal (inclusiv oțel și aluminiu)
  • 3. Lemn
  • 4. Zidărie de cărămidă (piatră).

Ele oferă, de asemenea, o serie de nevoi de susținere a vieții:

  • 1. Protecție împotriva exploziilor, spargerii și daunelor.
  • 2. Consolidarea structurilor
  • 3. Protecția peretelui balistic și protecția împotriva exploziilor.
  • 4. Protecția cablurilor și a firelor de explozie

Luați în considerare avantajele și dezavantajele materialelor compozite. Demnitate:

  • 1. Rezistenta la coroziune
  • 2. Rezistenta la tractiune
  • 3. Ușor de utilizat
  • 4. Costul redus al forței de muncă
  • 5. Timp scurt de livrare
  • 6. Fără restricții dimensionale
  • 7. Rezistență la oboseală extrem de mare
  • 8. Nu necesită conservare
  • 9. Posibilitatea folosirii constructiilor din diferite materiale

Dezavantaje:

  • 1. Cost material relativ
  • 2. Limitarea domeniului de aplicare

Din avantajele și dezavantajele de mai sus, putem concluziona că, în comparație cu materialele convenționale, materialele compozite au aproape singurul dezavantaj - acesta este prețul lor destul de ridicat. Prin urmare, se poate crede că această metodă este costisitoare, dar dacă comparăm volumul de consum al materialelor din oțel pentru armătură, acesta este de aproximativ treizeci de ori mai mult decât compozitele. Alte avantaje ale materialelor compozite sunt o reducere semnificativă a costului efortului datorită reducerii timpului de lucru, a forței de muncă și a echipamentelor mecanice. Prin urmare, sistemele de armare compozite sunt principalii concurenți la utilizarea oțelului.

Cu toate acestea, în ciuda avantajelor față de materialele convenționale, materialele compozite au propriile lor dezavantaje. Acestea includ rezistență scăzută la foc, o modificare a proprietăților atunci când este expus la radiații ultraviolete și posibile fisuri atunci când volumul se modifică în condiții de libertate limitată de deformare. Proprietățile fizice și mecanice ale acestor materiale le fac susceptibile la fluctuațiile de temperatură. La temperaturi ridicate, ele sunt predispuse la deformari semnificative de fluaj.

1. Materialele compozite sau compozite sunt materialele viitorului.

După ce fizica modernă a metalelor ne-a explicat în detaliu motivele plasticității, rezistenței și creșterii lor, a început o dezvoltare sistematică intensă a noilor materiale. Acest lucru va duce, probabil, într-un viitor imaginabil, la crearea unor materiale cu o rezistență de multe ori mai mare decât cea a aliajelor convenționale de astăzi. În acest caz, se va acorda multă atenție mecanismelor deja cunoscute de întărire și îmbătrânire a aliajelor de aluminiu, combinații ale acestor mecanisme cunoscute cu procesele de formare și numeroase posibilități de realizare a materialelor combinate. Două căi promițătoare sunt deschise de materialele compozite întărite fie cu fibre, fie cu solide dispersate. Pentru prima dată, cele mai subțiri fibre de înaltă rezistență din sticlă, carbon, bor, beriliu, oțel sau monocristale sunt introduse într-o matrice de metal anorganic sau polimer organic. Ca rezultat al acestei combinații, rezistența maximă este combinată cu un modul ridicat de elasticitate și densitate scăzută. Materialele compozite sunt astfel de materiale ale viitorului.

Materialul compozit este un material structural (metalic sau nemetalic) în care există elemente de armare sub formă de fire, fibre sau fulgi dintr-un material mai durabil. Exemple de materiale compozite: plastic armat cu bor, carbon, fibre de sticlă, câlți sau țesături pe bază de acestea; aluminiu armat cu filamente de otel, beriliu. Combinând conținutul de volum al componentelor, este posibil să se obțină materiale compozite cu valorile cerute de rezistență, rezistență la căldură, modul de elasticitate, rezistență la abraziune, precum și să se creeze compoziții cu necesarul magnetic, dielectric, radioabsorbant și alte proprietăți speciale.

2. Tipuri de materiale compozite.

2.1. Materiale compozite cu matrice metalică.

Materialele compozite sau materialele compozite constau dintr-o matrice metalică (de obicei Al, Mg, Ni și aliajele acestora) armată cu fibre de înaltă rezistență (materiale fibroase) sau particule refractare fin dispersate care nu se dizolvă în metalul de bază (materiale întărite prin dispersie) . Matricea metalică leagă fibrele (particulele dispersate) într-un singur întreg. Fibrele (particule dispersate) plus un liant (matrice) care alcătuiesc o anumită compoziție se numesc materiale compozite.

2.2. Materiale compozite cu matrice nemetalica.

Materialele compozite cu o matrice nemetalica au gasit o aplicatie larga. Materialele polimerice, carbon și ceramice sunt utilizate ca matrici nemetalice. Dintre matricele polimerice, cele mai utilizate sunt epoxidice, fenol-formaldehidă și poliamidă.
Matrice de carbon cocsificat sau pirocarbon obținut din polimeri sintetici supuși pirolizei. Matricea leagă compoziția, dându-i o formă. Întăritorii sunt fibre: sticlă, carbon, bor, organice, pe bază de mustăți (oxizi, carburi, boruri, nitruri și altele), precum și metal (sârme), care au rezistență și rigiditate ridicate.

Proprietățile materialelor compozite depind de compoziția componentelor, combinația lor, raportul cantitativ și rezistența legăturii dintre ele.
Materialele de armare pot fi sub formă de fibre, câlți, fire, benzi, țesături multistrat.

Conținutul de întăritor în materiale orientate este de 60-80 vol. %, în neorientat (cu fibre și mustăți discrete) - 20-30 vol. %. Cu cât rezistența și modulul de elasticitate al fibrelor sunt mai mari, cu atât rezistența și rigiditatea materialului compozit sunt mai mari. Proprietățile matricei determină rezistența compoziției la forfecare și compresiune și rezistența la rupere prin oboseală.

În funcție de tipul de întăritor, materialele compozite sunt clasificate ca fibre de sticlă, fibre de carbon cu fibre de carbon, fibre de bor și fibre organo.

În materialele laminate, fibrele, firele, benzile impregnate cu un liant sunt așezate paralel între ele în planul de așezare. Straturile plate sunt asamblate în plăci. Proprietățile sunt anizotrope. Pentru lucrul materialului din produs, este important să se țină cont de direcția sarcinilor care acționează. Puteți crea materiale atât cu proprietăți izotrope, cât și cu proprietăți anizotrope.
Puteți așeza fibrele în unghiuri diferite, variind proprietățile materialelor compozite. Rigiditatea la încovoiere și la torsiune a materialului depinde de ordinea de așezare a straturilor de-a lungul grosimii pachetului.

Se folosește așezarea elementelor de armare din trei, patru sau mai multe fire.
Structura a trei fire reciproc perpendiculare are cea mai mare aplicație. Întăritorii pot fi amplasați în direcții axiale, radiale și circumferențiale.

Materialele tridimensionale pot fi de orice grosime sub formă de blocuri, cilindri. Țesăturile voluminoase cresc rezistența la rupere și rezistența la forfecare în comparație cu țesăturile stratificate. Un sistem de patru fire este construit prin extinderea agentului de armare de-a lungul diagonalelor cubului. Structura a patru fire este echilibrată, are o rigiditate crescută la forfecare în planurile principale.
Cu toate acestea, crearea de materiale cu patru direcții este mai dificilă decât materialele cu trei direcții.

3. Clasificarea materialelor compozite.

3.1. Materiale compozite fibroase.

Adesea, materialul compozit este o structură stratificată în care fiecare strat este întărit cu un număr mare de fibre paralele continue. Fiecare strat poate fi, de asemenea, întărit cu fibre continue țesute într-o țesătură, care este forma originală, corespunzătoare ca lățime și lungime materialului final. Nu este neobișnuit ca fibrele să fie țesute în structuri tridimensionale.

Materialele compozite diferă de aliajele convenționale prin valori mai mari ale rezistenței la tracțiune și ale limitei de anduranță (cu 50-10%), modul de elasticitate, coeficient de rigiditate și susceptibilitate mai mică la fisurare. Utilizarea materialelor compozite crește rigiditatea structurii, reducând în același timp consumul de metal.

Rezistența materialelor compozite (fibroase) este determinată de proprietățile fibrelor; matricea ar trebui să redistribuie în principal tensiunile între elementele de armătură. Prin urmare, rezistența și modulul de elasticitate al fibrelor trebuie să fie semnificativ mai mari decât rezistența și modulul de elasticitate al matricei.
Fibrele rigide de armare percep tensiunile apărute în compoziția sub încărcare, îi conferă rezistență și rigiditate în direcția de orientare a fibrei.

Pentru a întări aluminiul, magneziul și aliajele acestora, se folosesc fibre de bor, precum și fibre din compuși refractari (carburi, nitruri, boruri și oxizi), care au rezistență și modul de elasticitate ridicat. Adesea, sârma de oțel de înaltă rezistență este folosită ca fibre.

Pentru a consolida titanul și aliajele sale, se utilizează sârmă de molibden, fibre de safir, carbură de siliciu și borură de titan.

O creștere a rezistenței la căldură a aliajelor de nichel se realizează prin întărirea acestora cu sârmă de wolfram sau molibden. Fibrele metalice sunt de asemenea utilizate în cazurile în care este necesară o conductivitate termică și electrică ridicată. Întăritorii promițători pentru materialele compozite fibroase de înaltă rezistență și modul înalt sunt mustații din oxid și nitrură de aluminiu, carbură și nitrură de siliciu, carburabor etc.

Materialele compozite pe bază de metal au rezistență ridicată și rezistență la căldură, în același timp au plasticitate scăzută. Cu toate acestea, fibrele din materialele compozite reduc rata de propagare a fisurilor care inițiază în matrice, iar fractura bruscă fragilă dispare aproape complet. O trăsătură distinctivă a materialelor compozite fibroase uniaxiale este anizotropia proprietăților mecanice de-a lungul și peste fibre și sensibilitatea scăzută la concentratorii de tensiuni.

Anizotropia proprietăților materialelor fibroase compozite este luată în considerare la proiectarea pieselor pentru optimizarea proprietăților prin potrivirea câmpului de rezistență cu câmpurile de tensiuni.

Întărirea aliajelor de aluminiu, magneziu și titan cu fibre refractare continue de bor, carbură de siliciu, doborură de titan și oxid de aluminiu crește semnificativ rezistența la căldură. O caracteristică a materialelor compozite este rata scăzută de înmuiere în timp odată cu creșterea temperaturii.

Principalul dezavantaj al materialelor compozite cu armătură monodimensională și bidimensională este rezistența scăzută la forfecare interlaminară și forfecare transversală. Materialele cu armare volumetrică sunt lipsite de acest lucru.

3.2. Materiale compozite întărite prin dispersie.

Spre deosebire de materialele compozite fibroase, în materialele compozite întărite cu dispersie, matricea este principalul element portant, iar particulele dispersate încetinesc mișcarea dislocațiilor în ea.
Rezistența ridicată este obținută cu o dimensiune a particulelor de 10-500 nm cu o distanță medie între ele de 100-500 nm și distribuția lor uniformă în matrice.
Rezistența și rezistența la căldură, în funcție de conținutul de volum al fazelor de întărire, nu respectă legea aditivității. Conținutul optim al fazei a doua pentru diferite metale nu este același, dar de obicei nu depășește 5-10 vol. %.

Utilizarea compușilor refractari stabili (oxizi de toriu, hafniu, ytriu, compuși complecși ai oxizilor și metalelor pământurilor rare) care sunt insolubili în metalul matricei ca faze de întărire permite menținerea rezistenței ridicate a materialului până la 0,9-0,95 T. În legătură cu aceasta, astfel de materiale sunt adesea folosite ca rezistente la căldură. Materialele compozite întărite prin dispersie pot fi obținute pe baza majorității metalelor și aliajelor utilizate în inginerie.

Cele mai utilizate aliaje pe bază de aluminiu - SAP (pulbere de aluminiu sinterizat).

Densitatea acestor materiale este egală cu densitatea aluminiului, nu sunt inferioare acestuia ca rezistență la coroziune și pot chiar înlocui titanul și oțelurile rezistente la coroziune atunci când funcționează în intervalul de temperatură de 250-500 °C. În ceea ce privește rezistența pe termen lung, acestea sunt superioare aliajelor de aluminiu forjat. Rezistența pe termen lung pentru aliajele SAP-1 și SAP-2 la 500°C este de 45-55 MPa.

Perspective mari pentru materialele întărite cu dispersie de nichel.
Aliaje pe bază de nichel cu 2-3 vol. % dioxid de toriu sau dioxid de hafniu. Matricea acestor aliaje este de obicei o soluție solidă de Ni + 20% Cr, Ni + 15% Mo, Ni + 20% Cr și Mo. Aliajele VDU-1 (nichel întărit cu dioxid de toriu), VDU-2 (nichel întărit cu dioxid de hafniu) și VD-3 (Matrice Ni + 20% Cr întărită cu oxid de toriu) au primit o aplicare largă. Aceste aliaje au o rezistență ridicată la căldură. Materialele compozite întărite prin dispersie, precum și cele fibroase, sunt rezistente la înmuiere odată cu creșterea temperaturii și timp de menținere la o anumită temperatură.

3.3. Fibra de sticla.

Fibra de sticlă este o compoziție constând dintr-o rășină sintetică, care este un liant, și un material de umplutură din fibră de sticlă. Ca umplutură se folosește fibră de sticlă continuă sau scurtă. Rezistența fibrei de sticlă crește brusc odată cu scăderea diametrului acesteia (datorită influenței neomogenităților și fisurilor care apar în secțiuni groase). Proprietățile fibrei de sticlă depind și de conținutul de alcali din compoziția sa; cea mai bună performanță a sticlelor fără alcali din compoziție de aluminoborosilicat.

Fibrele de sticlă neorientate conțin o fibră scurtă ca umplutură. Acest lucru vă permite să presați părți de formă complexă, cu fitinguri metalice. Materialul este obținut cu caracteristici de rezistență izotopică mult mai mari decât cele ale pulberilor de presare și chiar ale fibrelor. Reprezentanții unui astfel de material sunt fibrele de sticlă AG-4V, precum și DSV (fibre de sticlă măsurate), care sunt utilizate pentru fabricarea de piese electrice de putere, piese de inginerie mecanică (bobine, garnituri de pompe etc.). Când se utilizează poliesteri nesaturați ca liant, se obțin premixuri PSK (pastos) și preimpregnate AP și PPM (pe bază de covor de sticlă). Preimpregnatele pot fi utilizate pentru produse de dimensiuni mari de forme simple (caroserii de mașini, bărci, cutii de instrumente etc.).

Fibra de sticlă orientată are o umplutură sub formă de fibre lungi dispuse în fire separate orientate și lipite cu grijă împreună cu un liant. Acest lucru oferă fibră de sticlă cu rezistență mai mare.

Fibra de sticlă poate funcționa la temperaturi de la -60 la 200 ° C, precum și în condiții tropicale, rezista la suprasarcini inerțiale mari.
La îmbătrânire timp de doi ani, coeficientul de îmbătrânire K = 0,5-0,7.
Radiațiile ionizante au un efect redus asupra proprietăților lor mecanice și electrice. Sunt folosite pentru a produce piese de înaltă rezistență, cu fitinguri și filete.

3.4. Fibre de carbon.

Fibrele de carbon (materiale plastice de carbon) sunt compoziții formate dintr-un liant polimeric (matrice) și agenți de întărire sub formă de fibre de carbon (fibre de carbon).

Energia mare de legătură C-C a fibrelor de carbon le permite să mențină rezistența la temperaturi foarte ridicate (în medii neutre și reducătoare de până la 2200 ° C), precum și la temperaturi scăzute. Fibrele sunt protejate de oxidare prin straturi protectoare (pirolitice). Spre deosebire de fibrele de sticlă, fibrele de carbon sunt slab umezite de un liant.
(energie de suprafață scăzută), deci sunt gravate. Aceasta crește gradul de activare al fibrelor de carbon prin conținutul de grupare carboxil de pe suprafața lor. Rezistența la forfecare interlaminară a fibrei de carbon crește de 1,6-2,5 ori. Se folosește whiskerizarea cristalelor de whisker TiO, AlN și SiN, ceea ce oferă o creștere a rigidității interstraturilor de 2 ori și a rezistenței de 2,8 ori. Sunt folosite structuri armate spațial.

Lianții sunt polimeri sintetici (fibre de carbon polimerice); polimeri sintetici supusi pirolizei (fibre de carbon cocsificat); carbon pirolitic (fibre de carbon pirocarbon).

Fibrele de carbon epoxifenolice KMU-1l, întărite cu bandă de carbon, și KMU-1u pe câlți, viscerizate cu cristale de mustăți, pot funcționa mult timp la temperaturi de până la 200 °C.

Carbofibrele KMU-3 și KMU-2l sunt obținute pe un liant epoxianilino-formaldehidă, pot fi operate la temperaturi de până la 100 ° C, sunt cele mai avansate din punct de vedere tehnologic. Fibre de carbon KMU-2 și
KMU-2l pe bază de liant poliimid poate fi utilizat la temperaturi de până la
300 °C.

Fibrele de carbon se disting prin rezistență la oboseală statică și dinamică ridicată, păstrează această proprietate la temperaturi normale și foarte scăzute (conductivitatea termică ridicată a fibrei împiedică autoîncălzirea materialului datorită frecării interne). Sunt rezistente la apă și substanțe chimice. După expunerea la raze X în aer, E și E aproape nu se schimbă.

Conductivitatea termică a fibrei de carbon este de 1,5-2 ori mai mare decât conductivitatea termică a fibrei de sticlă. Au următoarele proprietăți electrice: = 0,0024-0,0034 Ohm cm (de-a lungul fibrelor); ? \u003d 10 și tg \u003d 0,001 (la o frecvență curentă de 10 Hz).

Fibrele de carboglass contin, alaturi de fibre de sticla de carbon, ceea ce reduce costul materialului.

3.5. Fibră de carbon cu matrice de carbon.

Materialele de cocsificare sunt obținute din fibre de carbon polimerice convenționale supuse pirolizei într-o atmosferă inertă sau reducătoare. La o temperatură de 800-1500 °C se formează cele carbonizate carbonizate; la 2500-3000 °C se formează fibre de carbon grafitizate. Pentru a obține materiale pirocarbonate, întăritorul este așezat după forma produsului și introdus într-un cuptor în care se trece o hidrocarbură gazoasă (metan). Într-un anumit regim (temperatura 1100 °C și presiune reziduală 2660 Pa), metanul se descompune și carbonul pirolitic rezultat se depune pe fibrele agentului de întărire, legându-le.

Cocsul format în timpul pirolizei liantului are o putere mare de aderență la fibra de carbon. În acest sens, materialul compozit are proprietăți mecanice și ablative ridicate, rezistență la șoc termic.

Fibra de carbon cu o matrice de carbon de tip KUP-VM în ceea ce privește rezistența și rezistența la impact este de 5-10 ori superioară grafiților speciali; atunci când este încălzită în atmosferă inertă și vid, își păstrează rezistența până la 2200
°C, se oxidează în aer la 450 °C și necesită un strat protector.
Coeficientul de frecare al unei fibre de carbon cu o matrice de carbon este altfel ridicat (0,35-0,45), iar uzura este redusă (0,7-1 microni pentru frânare).

3.6. Fibre de bor.

Fibrele de bor sunt compoziții dintr-un liant polimeric și un agent de întărire - fibrele de bor.

Fibrele de bor se disting prin rezistență ridicată la compresiune, forfecare, fluaj scăzut, duritate mare și modul de elasticitate, conductivitate termică și electrică. Microstructura celulară a fibrelor de bor oferă o rezistență ridicată la forfecare la interfața cu matricea.

Pe lângă fibra de bor continuă, se folosesc sticlă de bor complexe, în care mai multe fibre de bor paralele sunt împletite cu fibră de sticlă, ceea ce conferă stabilitate dimensională. Utilizarea fibrelor de sticlă cu bor facilitează procesul tehnologic de fabricare a materialului.

Lianții epoxidici și poliimidi modificați sunt utilizați ca matrici pentru obținerea fibrei de bor. Fibre de bor KMB-1 și
KMB-1k sunt proiectate pentru funcționare pe termen lung la o temperatură de 200 °C; KMB-3 și KMB-3k nu necesită presiune mare în timpul procesării și pot funcționa la temperaturi care nu depășesc 100 °C; KMB-2k este operațional la 300 °C.

Fibrele de bor au o rezistență ridicată la oboseală, sunt rezistente la radiații, apă, solvenți organici și combustibili și lubrifianți.

3.7. Fibre organice.

Fibrele organice sunt materiale compozite formate dintr-un liant polimeric și agenți de întărire (umpluturi) sub formă de fibre sintetice. Astfel de materiale au o greutate redusă, rezistență specifică și rigiditate relativ ridicată și sunt stabile sub acțiunea sarcinilor alternative și a unei schimbări bruște a temperaturii. Pentru fibrele sintetice, pierderea rezistenței în timpul prelucrării textilelor este mică; sunt mai puțin sensibili la daune.

Pentru fibrele de organe, valorile modulului de elasticitate și coeficienții de temperatură de expansiune liniară a întăritorului și liantului sunt apropiate.
Există o difuzie a componentelor liantului în fibră și interacțiune chimică între ele. Structura materialului este lipsită de defecte. Porozitatea nu depășește 1-3% (în alte materiale 10-20%). De aici stabilitatea proprietăților mecanice ale fibrelor organo cu o scădere bruscă a temperaturii, acțiunea șocurilor și a sarcinilor ciclice. Rezistența la impact este mare (400-700 kJ/m²). Dezavantajul acestor materiale este rezistența la compresiune relativ scăzută și fluajul mare (în special pentru fibre elastice).

Fibrele organice sunt stabile în medii agresive și într-un climat tropical umed; proprietățile dielectrice sunt ridicate și conductivitatea termică este scăzută. Majoritatea fibrelor organoleptice pot funcționa mult timp la o temperatură de 100-150 °C și pe bază de liant poliimid și fibre de polioxadiazol - la o temperatură de 200-300 °C.

În materialele combinate, alături de fibrele sintetice, se folosesc fibre minerale (sticlă, fibre de carbon și fibre de bor). Astfel de materiale au o rezistență și o rigiditate mai mare.

4. Eficiența economică a utilizării materialelor compozite.

Domeniile de aplicare ale materialelor compozite nu sunt limitate. Ele sunt utilizate în aviație pentru părțile puternic încărcate ale aeronavei (piele, lățișoare, nervuri, panouri etc.) și motoare (pale de compresor și turbine etc.), în tehnologia spațială pentru unitățile de structuri portante ale vehiculelor supuse încălzirii , pentru elemente de rigidizare, panouri , în industria auto pentru ușurarea caroseriei, arcuri, cadre, panouri caroserie, bare de protecție, etc., în industria minieră (unelte de foraj, piese de combine etc.), în construcții civile (traveți de poduri, elemente de structuri prefabricate ale clădirilor înalte etc.) etc.) şi în alte domenii ale economiei naţionale.

Utilizarea materialelor compozite oferă un nou salt calitativ în creșterea puterii motoarelor, a puterii și a instalațiilor de transport, reducerea greutății mașinilor și dispozitivelor.

Tehnologia de obținere a semifabricatelor și a produselor din materiale compozite este bine dezvoltată.

Materialele compozite cu matrice nemetalica, si anume fibrele de carbon polimerice, sunt utilizate in industria constructiei navale si a industriei auto (caroserii, sasiu, elice); Din ele sunt realizate rulmenti, panouri de incalzire, echipamente sportive, piese de calculator. Fibrele de carbon cu modul înalt sunt utilizate pentru fabricarea pieselor de avioane, echipamente pentru industria chimică, în echipamente cu raze X și altele.

Fibra de carbon cu matrice de carbon înlocuiește diferite tipuri de grafit. Se folosesc pentru protectie termica, discuri de frana aeronavelor, echipamente rezistente la substante chimice.

Produsele din fibre de bor sunt utilizate în domeniul aviației și al tehnologiei spațiale (profile, panouri, rotoare și palete de compresor, pale de elice și arbori de transmisie ai elicopterelor etc.).

Organofibrele sunt utilizate ca material structural izolant în industria electrică și radio, în tehnologia aviației și în ingineria auto; țevi, recipiente pentru reactivi, acoperiri pentru corpul navei și multe altele sunt fabricate din acestea.


Anunturile de cumparare si vanzare de echipamente pot fi vizualizate la adresa

Puteți discuta despre avantajele claselor de polimeri și proprietățile acestora la

Înregistrați-vă compania în Directorul de afaceri

În istoria dezvoltării tehnologiei, se pot distinge două direcții importante:

  • dezvoltarea de scule, structuri, mecanisme și mașini,
  • dezvoltarea materialelor.

Este greu de spus care dintre ele este mai important, pentru că. sunt destul de strâns legate între ele, dar fără dezvoltarea materialelor, progresul tehnic este imposibil în principiu. Nu este o coincidență faptul că istoricii împart epocile civilizaționale timpurii în epoca de piatră, epoca bronzului și epoca fierului.

Actualul secol al XXI-lea poate fi deja atribuit epocii materialelor compozite (compozite).

Conceptul de materiale compozite s-a format la mijlocul secolului XX. Cu toate acestea, compozitele nu sunt deloc un fenomen nou, ci doar un termen nou formulat de oamenii de știință din materiale pentru a înțelege mai bine geneza materialelor structurale moderne.

Materialele compozite sunt cunoscute de secole. De exemplu, în Babilon, stuful era folosit pentru a întări lutul în construcția locuințelor, iar egiptenii antici adăugau cărămizi de lut paie mărunțită. În Grecia antică, coloanele de marmură erau întărite cu tije de fier în timpul construcției palatelor și templelor. În 1555-1560, la construirea Catedralei Sf. Vasile din Moscova, arhitecții ruși Barma și Postnik au folosit plăci de piatră întărite cu fâșii de fier. Betonul armat și oțelurile damasc pot fi numite predecesori direcți ai materialelor compozite moderne.

Există analogi naturali ai materialelor compozite - lemn, oase, scoici etc. Multe tipuri de minerale naturale sunt de fapt compozite. Nu numai că sunt durabile, dar au și proprietăți decorative excelente.

Materiale compozite- materiale multicomponente constând dintr-o bază de plastic - o matrice și materiale de umplutură care joacă un rol de întărire și alte roluri. Există o limită de fază între fazele (componentele) compozitului.

Combinația de substanțe diferite duce la crearea unui nou material, ale cărui proprietăți diferă semnificativ de proprietățile fiecăruia dintre constituenții săi. Acestea. un semn al unui material compozit este o influență reciprocă notabilă a elementelor constitutive ale compozitului, i.e. noua lor calitate, efect.

Variind compoziția matricei și a umpluturii, raportul acestora, folosind reactivi speciali speciali, etc., se obține o gamă largă de materiale cu setul de proprietăți necesar.

Amplasarea elementelor materialului compozit este de mare importanță, atât în ​​direcțiile sarcinilor care acționează, cât și unele în raport cu altele, adică. ordine. Compozitele de înaltă rezistență, de regulă, au o structură foarte ordonată.

Un exemplu simplu. O mână de rumeguș aruncată într-o găleată de mortar de ciment nu îi va afecta în niciun fel proprietățile. Dacă jumătate din soluție este înlocuită cu rumeguș, atunci densitatea materialului, constantele sale termofizice, costurile de producție și alți indicatori se vor schimba semnificativ. Dar, o mână de fibre de polipropilenă va face betonul rezistent la impact și rezistent la uzură, iar o jumătate de găleată de fibre îi va oferi elasticitate, ceea ce nu este deloc caracteristic materialelor minerale.

În prezent, în domeniul materialelor compozite (compozite), se obișnuiește să se includă o varietate de materiale artificiale dezvoltate și implementate în diferite ramuri ale tehnologiei și industriei care îndeplinesc principiile generale de creare a materialelor compozite.

De ce există interes pentru materialele compozite în acest moment? Pentru că materialele tradiționale nu mai răspund întotdeauna sau nu îndeplinesc pe deplin nevoile practicii moderne de inginerie.

Matricele din materialele compozite sunt metale, polimeri, cimenturi și ceramică. Ca materiale de umplutură sunt utilizate o mare varietate de substanțe artificiale și naturale sub diferite forme (de dimensiuni mari, foaie, fibroase, dispersate, fin dispersate, microdispersate, nanoparticule).

Sunt cunoscute și materiale compozite multicomponente, printre care:

  • polimatrice, când mai multe matrice sunt combinate într-un material compozit,
  • hibrid, incluzând mai multe materiale de umplutură diferite, fiecare având propriul său rol.

Umplutura, de regulă, determină rezistența, rigiditatea și deformabilitatea compozitului, în timp ce matricea îi asigură soliditatea, transferul de tensiuni și rezistența la diferite influențe externe.

Un loc special îl ocupă materialele decorative compozite cu proprietăți decorative pronunțate.

Sunt dezvoltate materiale compozite cu proprietăți speciale, de exemplu, materiale radio-transparente și materiale radio-absorbante, materiale pentru protecția termică a navelor spațiale orbitale, materiale cu un coeficient scăzut de dilatare termică liniară și un modul specific de elasticitate ridicat și altele.

Materialele compozite sunt utilizate în toate domeniile științei, tehnologiei, industriei, inclusiv. în locuințe, construcții industriale și speciale, inginerie generală și specială, metalurgie, industrie chimică, energie, electronică, electrocasnice, producție de îmbrăcăminte și încălțăminte, medicină, sport, arte etc.

Structura materialelor compozite.

Conform structurii mecanice, compozitele sunt împărțite în mai multe clase principale: fibroase, stratificate, întărite în dispersie, întărite cu particule și nanocompozite.

Compozitele fibroase sunt întărite cu fibre sau mustăți. Chiar și un conținut mic de umplutură în compozitele de acest tip duce la o îmbunătățire semnificativă a proprietăților mecanice ale materialului. Proprietățile materialului pot fi, de asemenea, variate pe scară largă prin schimbarea orientării dimensiunii și concentrației fibrelor.

În materialele compozite laminate, matricea și umplutura sunt aranjate în straturi, cum ar fi, de exemplu, în triplex, placaj, structuri din lemn lipit și laminate.

Microstructura altor clase de materiale compozite se caracterizează prin faptul că matricea este umplută cu particule de armare și diferă în dimensiunea particulelor. În compozitele armate cu particule, dimensiunea acestora este mai mare de 1 micron, iar conținutul este de 20-25% (în volum), în timp ce compozitele întărite cu dispersie includ de la 1 la 15% (în volum) particule cu dimensiuni cuprinse între 0,01 și 0,01 până la 0,1 µm. Dimensiunile particulelor care alcătuiesc nanocompozitele sunt chiar mai mici și se ridică la 10-100 nm.

Câteva compozite comune

betoanelor- cele mai comune materiale compozite. În prezent, se produce o gamă largă de betoane, care diferă ca compoziție și proprietăți. Betoanele moderne sunt produse atât pe matrițe tradiționale de ciment, cât și pe cele polimerice (epoxidice, poliester, fenol-formaldehidă, acrilice etc.). Betoanele moderne de înaltă performanță sunt aproape de metale ca rezistență. Betonul decorativ devine popular.

Organoplastie- compozite în care servesc materiale de umplutură sintetice organice, mai rar fibre naturale și artificiale sub formă de mănunchiuri, fire, țesături, hârtie etc. În materialele organoplastice termorigide, de regulă, rășinile epoxidice, poliesterice și fenolice, precum și poliimidele servesc ca matrice. Organoplasticele au o densitate redusă, sunt mai ușoare decât materialele plastice din sticlă și fibră de carbon și au o rezistență la tracțiune relativ mare; rezistență ridicată la impact și sarcini dinamice, dar, în același timp, rezistență scăzută la compresiune și la încovoiere. Cele mai comune organoplastice sunt materialele compozite din lemn. În ceea ce privește producția, organele plastice sunt superioare oțelului, aluminiului și materialelor plastice.

Recent, termeni noi au devenit populari în literatura străină - biopolimeri, bioplastice și, în consecință, biocompozite.

Materiale compozite din lemn. Cele mai comune compozite din lemn includ arboliți, xilolit, plăci aglomerate de ciment, structuri din lemn lipite, placaj și piese lipite îndoite, materiale plastice pe bază de lemn, plăci aglomerate și plăci din fibre și grinzi, prese de lemn și pulberi de presare, compozite termoplastice din lemn-polimer.

fibra de sticla- materiale compozite polimerice armate cu fibre de sticla, care sunt turnate din sticla anorganica topita. Ca matrice se folosesc cel mai des atât rășini sintetice termorigide (fenolice, epoxidice, poliester etc.), cât și polimeri termoplastici (poliamide, polietilenă, polistiren etc.). Fibra de sticlă are rezistență ridicată, conductivitate termică scăzută, proprietăți de izolare electrică ridicate, în plus, sunt transparente la undele radio. Un material stratificat în care o țesătură țesută din fibre de sticlă este folosită ca umplutură se numește fibră de sticlă.

CFRP- umplutura din aceste compozite polimerice sunt fibre de carbon. Fibrele de carbon sunt obținute din fibre sintetice și naturale pe bază de celuloză, copolimeri de acrilonitril, smoală de gudron de petrol și de cărbune etc. Matricele din fibră de carbon pot fi atât polimeri termorigide, cât și termoplastici. Principalele avantaje ale materialelor plastice armate cu fibra de carbon in comparatie cu fibra de sticla sunt densitatea lor scazuta si modulul de elasticitate mai mare, plasticele armate cu fibra de carbon sunt materiale foarte usoare si, in acelasi timp, durabile.

Pe baza fibrelor de carbon și a unei matrice de carbon se creează materiale compozite carbon-grafit - cele mai rezistente la căldură materiale compozite (materiale plastice din fibră de carbon) care pot rezista la temperaturi de până la 3000 ° C timp îndelungat în medii inerte sau reducătoare.

Boroplastie- materiale compozite care conțin fibre de bor ca umplutură înglobate într-o matrice polimerică termorezistabilă, în timp ce fibrele pot fi fie sub formă de monofilamente, fie sub formă de mănunchiuri împletite cu un fir auxiliar de sticlă sau benzi în care firele de bor sunt împletite cu alte fire . Utilizarea materialelor plastice cu bor este limitată de costul ridicat de producere a fibrelor de bor; prin urmare, acestea sunt utilizate în principal în aviație și tehnologia spațială în părțile supuse la stres pe termen lung într-un mediu agresiv.

Pulberi de presat (mase de presare). Sunt cunoscute peste 10.000 de grade de polimeri umpluți. Materialele de umplutură sunt folosite atât pentru a reduce costul materialului, cât și pentru a-i conferi proprietăți speciale. Polimerul umplut a fost produs pentru prima dată de Dr. Baekeland (Leo H. Baekeland, SUA), care a descoperit la începutul secolului XX. metoda de sinteza a rășinii fenol formaldehidă (bachelit). Prin ea însăși, această rășină este o substanță fragilă cu rezistență scăzută. Baekeland a descoperit că adăugarea de fibre, în special făină de lemn, la rășină înainte de a se întări, a crescut rezistența acesteia. Materialul pe care l-a creat - bachelita - a câștigat o mare popularitate. Tehnologia de preparare a acestuia este simplă: un amestec de polimer parțial întărit și umplutură - pulbere de presare - se întărește ireversibil în matriță sub presiune. Primul produs de serie a fost produs folosind această tehnologie în 1916, este butonul schimbătorului de viteze al unei mașini Rolls-Royce. Polimerii termorigizi umpluți sunt utilizați pe scară largă într-o mare varietate de domenii tehnice. O varietate de materiale de umplere sunt folosite pentru a umple polimeri termorigizi și termoplastici - făină de lemn, caolin, cretă, talc, mică, funingine, fibră de sticlă, fibre de bazalt etc.

Textoliți- materiale plastice laminate armate cu tesaturi din diverse fibre. Tehnologia de producere a textoliților a fost dezvoltată în anii 1920. pe bază de rășină fenol-formaldehidă. Pânzele din țesătură sunt impregnate cu rășină, apoi presate la o temperatură ridicată, obținându-se plăci de textolit sau produse modelate. Lianții din textoliți sunt o gamă largă de polimeri termorigizi și termoplastici și uneori lianți anorganici pe bază de silicați și fosfați. Ca umplutură, se folosesc țesături dintr-o mare varietate de fibre - bumbac, sintetice, sticlă, carbon, azbest, bazalt etc. În consecință, proprietățile și aplicarea textoliților sunt diverse.

Materiale compozite cu matrice metalică. La crearea compozitelor pe bază de metal, ca matrice se utilizează aluminiu, magneziu, nichel, cupru etc. Umplutura este din fibre de înaltă rezistență, particule refractare de diferite finețe, monocristale de oxid de aluminiu, oxid de beriliu, bor și carburi de siliciu, nitruri de aluminiu și siliciu etc. 0,3-15 mm lungime și 1-30 µm în diametru.

Principalele avantaje ale materialelor compozite cu matrice metalică în comparație cu metalul convențional (nearmat) sunt: ​​rezistență crescută, rigiditate crescută, rezistență crescută la uzură, rezistență crescută la fluaj.

Materiale compozite pe bază de ceramică.Întărirea materialelor ceramice cu fibre, precum și a particulelor dispersate de metal și ceramică, face posibilă obținerea de compozite de înaltă rezistență, cu toate acestea, gama de fibre adecvate pentru armarea ceramicii este limitată de proprietățile materialului inițial. Fibrele metalice sunt adesea folosite. Rezistența la tracțiune crește ușor, dar rezistența la șocuri termice crește - materialul crapă mai puțin la încălzire, dar există cazuri când rezistența materialului scade. Depinde de raportul dintre coeficienții de dilatare termică ai matricei și umpluturii.

Armarea ceramicii cu particule metalice dispersate conduce la noi materiale (cermets) cu durabilitate crescuta, rezistenta la socuri termice si conductivitate termica crescuta. Cermeturile de înaltă temperatură sunt folosite pentru a face piese pentru turbine cu gaz, fitinguri pentru cuptoare electrice, piese pentru tehnologia rachete și cu jet. Cermeturile rezistente la uzură sunt folosite pentru a face unelte și piese de tăiere. În plus, cermeturile sunt utilizate în domenii speciale ale tehnologiei - acestea sunt elemente de combustibil ale reactoarelor nucleare pe bază de oxid de uraniu, materiale de frecare pentru dispozitivele de frânare etc.

material compozit sudlal, material compozit impex
Material compozit(KM), compozit- material solid neomogen creat artificial, format din două sau mai multe componente cu o interfață clară între ele. În majoritatea compozitelor (cu excepția celor stratificate), componentele pot fi împărțite într-o matrice (sau liant) și elemente de armare (sau umpluturi) incluse în aceasta. În compozitele cu scop structural, elementele de armare asigură de obicei caracteristicile mecanice necesare materialului (rezistență, rigiditate etc.), iar matricea asigură funcționarea în comun a elementelor de armare și le protejează de deteriorarea mecanică și mediile chimice agresive.

Comportarea mecanică a compoziției este determinată de raportul dintre proprietățile elementelor de armare și ale matricei, precum și de rezistența legăturilor dintre ele. Caracteristicile și proprietățile produsului creat depind de alegerea componentelor inițiale și de tehnologia combinației lor.

Atunci când elementele de armare și o matrice sunt combinate, se formează o compoziție care are un set de proprietăți care reflectă nu numai caracteristicile inițiale ale componentelor sale, ci și proprietăți noi pe care componentele individuale nu le posedă. De exemplu, prezența interfețelor între elementele de armare și matrice crește semnificativ rezistența la fisurare a materialului, iar în compoziții, spre deosebire de metalele omogene, o creștere a rezistenței statice nu duce la o scădere, ci, de regulă, la o creștere a caracteristicilor de duritate la fractură.

Pentru a crea o compoziție, se folosesc o varietate de umpluturi și matrice de armare. Acestea sunt getinax și textolit (materiale plastice laminate din hârtie sau țesături lipite cu adeziv termorezistent), sticlă și materiale plastice grafit (țesătură sau fibră înfăşurată din sticlă sau grafit impregnat cu adezivi epoxidici), placaj. Există materiale în care o fibră subțire din aliaje de înaltă rezistență este umplută cu o masă de aluminiu. Bulat este unul dintre cele mai vechi materiale compozite. cele mai subțiri straturi (uneori fire) de oțel cu conținut ridicat de carbon sunt „lipite” cu fier moale cu conținut scăzut de carbon.

Oamenii de știință în materie de materiale experimentează cu scopul de a crea materiale care sunt mai convenabile de fabricat și, prin urmare, mai ieftine. Sunt studiate structuri cristaline autocrescente lipite într-o singură masă cu lipici polimeric (cimenturi cu aditivi ai adezivilor solubili în apă), compoziții termoplastice cu fibre scurte de armare etc.

  • 1 Clasificarea compozitelor
  • 2 Beneficiile materialelor compozite
  • 3 Dezavantajele materialelor compozite
    • 3.1 Cost ridicat
    • 3.2 Anizotropia proprietăților
    • 3.3 Rezistență scăzută la impact
    • 3.4 Volum specific ridicat
    • 3.5 Higroscopicitate
    • 3.6 Toxicitate
    • 3.7 Mentenabilitate slabă
  • 4 Aplicații
    • 4.1 Bunuri de consum
    • 4.2 Echipament sportiv
    • 4.3 Medicină
    • 4.4 Inginerie mecanică
      • 4.4.1 Caracteristică
      • 4.4.2 Specificații
      • 4.4.3 Avantaje tehnice și economice
      • 4.4.4 Aplicații ale tehnologiei
    • 4.5 Aviație și astronautică
    • 4.6 Armament și echipament militar
  • 5 Vezi de asemenea
  • 6 Note
  • 7 Literatură
  • 8 legături

Clasificarea compozitelor

Compozitele sunt de obicei clasificate în funcție de tipul de umplutură de armare:

  • fibros (componenta de armare - structuri fibroase);
  • stratificat;
  • materiale plastice umplute (componentă de armare - particule)
    • vrac (omogen),
    • scheletice (structuri inițiale umplute cu un liant).

De asemenea, compozitele sunt uneori clasificate în funcție de materialul matricei:

  • compozite cu matrice polimerică,
  • compozite cu matrice ceramică,
  • compozite cu matrice metalică,
  • compozite oxid-oxid.

Avantajele materialelor compozite

Principalul avantaj al CM este că materialul și structura sunt create simultan. Excepție fac preimpregnatele, care sunt un produs semifabricat pentru fabricarea structurilor.

Trebuie remarcat imediat că CM-urile sunt create pentru îndeplinirea acestor sarcini, prin urmare, nu pot conține toate avantajele posibile, dar atunci când proiectează un nou compozit, inginerul este liber să-i stabilească caracteristici care sunt semnificativ superioare caracteristicilor materiale tradiționale atunci când îndeplinesc acest scop în acest mecanism, dar inferioare acestora în orice alte aspecte. Aceasta înseamnă că CM nu poate fi mai bun decât materialul tradițional în orice, adică pentru fiecare produs, inginerul efectuează toate calculele necesare și abia apoi alege optimul dintre materialele de producție.

  • rezistență specifică ridicată (rezistență 3500 MPa)
  • rigiditate ridicată (modul de elasticitate 130…140 - 240 GPa)
  • rezistență mare la uzură
  • rezistență mare la oboseală
  • se pot realiza din CM structuri stabile dimensional
  • uşura

Mai mult, diferitele clase de compozite pot avea unul sau mai multe avantaje. Unele beneficii nu pot fi obținute simultan.

Dezavantajele materialelor compozite

Materialele compozite au un număr destul de mare de dezavantaje care împiedică distribuția lor.

Preț mare

Costul ridicat al CM se datorează intensității științifice ridicate a producției, necesității de a utiliza echipamente și materii prime speciale scumpe și, în consecință, producției industriale dezvoltate și bazei științifice a țării. Cu toate acestea, acest lucru este valabil numai atunci când compozitele înlocuiesc produsele simple laminate din metale feroase. În cazul produselor ușoare, produsele de formă complexă, produsele rezistente la coroziune, produsele dielectrice de înaltă rezistență, compozitele sunt câștigătoare. În plus, costul produselor compozite este adesea mai mic decât analogii fabricați din metale neferoase sau oțel inoxidabil.

Anizotropie de proprietate

Anizotropia este dependența proprietăților CM de alegerea direcției de măsurare. De exemplu, modulul de elasticitate al fibrei de carbon unidirecționale de-a lungul fibrelor este de 10-15 ori mai mare decât în ​​direcția transversală.

Pentru a compensa anizotropia, factorul de siguranță este crescut, ceea ce poate neutraliza avantajul CM în rezistența specifică. Experiența utilizării CM în fabricarea cozii verticale a avionului de luptă MiG-29 poate servi ca un astfel de exemplu. Datorită anizotropiei KM utilizat, coada verticală a fost proiectată cu un factor de siguranță care este un multiplu al factorului standard în aviație de 1,5, ceea ce a condus în cele din urmă la faptul că coada verticală compozită a MiG-29 sa dovedit a fi să fie egală ca greutate cu designul cozii verticale clasice din duraluminiu .

Cu toate acestea, în multe cazuri, anizotropia proprietăților este utilă. De exemplu, țevile care funcționează la presiune internă experimentează tensiuni de rupere de două ori mai mari în direcția circumferențială față de cea axială. Prin urmare, conducta nu trebuie să fie de rezistență egală în toate direcțiile. In cazul compozitelor, aceasta conditie poate fi usor asigurata prin dublarea armaturii pe directia circumferentiala fata de cea axiala.

Rezistență scăzută la impact

Rezistența scăzută la impact este, de asemenea, motivul pentru necesitatea creșterii marjei de siguranță. În plus, rezistența scăzută la impact provoacă daune mari produselor CM, o probabilitate mare de apariție a defecte ascunse care pot fi detectate doar prin metode de control instrumental.

Volum specific ridicat

Un volum specific ridicat este un dezavantaj semnificativ atunci când se utilizează CM în zone cu restricții severe asupra volumului ocupat. Acest lucru se aplică, de exemplu, domeniului aviației supersonice, unde chiar și o ușoară creștere a volumului unei aeronave duce la o creștere semnificativă a rezistenței aerodinamice a valurilor.

Higroscopicitate

Materialele compozite sunt higroscopice, adică au tendința de a absorbi umiditatea, ceea ce se datorează discontinuității structurii interne a CM. În timpul funcționării pe termen lung și al tranzițiilor repetate de temperatură prin 0 Celsius, apa care pătrunde în structura CM distruge produsul CM din interior (efectul este similar în natură cu distrugerea drumurilor în afara sezonului). Pentru dreptate, trebuie remarcat faptul că acest dezavantaj se referă la compozitele de prima generație, care au avut o aderență insuficientă a liantului la material de umplutură, precum și un volum mare de cavități în matricea de liant. Tipurile moderne de compozite cu aderență ridicată a liantului la umplutură (obținute prin utilizarea lubrifianților speciali), obținute prin turnare în vid cu o cantitate minimă de caverne de gaz rezidual, nu sunt supuse acestui dezavantaj, ceea ce face posibilă, în special, construiți nave compozite, produceți armături compozite și suporturi compozite pentru liniile electrice aeriene.

Cu toate acestea, CM pot absorbi alte lichide foarte penetrante, cum ar fi kerosenul de aviație sau alte produse petroliere.

Toxicitate

În timpul funcționării, CM-urile pot emite vapori care sunt adesea toxici. Dacă produsele sunt fabricate din CM care vor fi amplasate în imediata apropiere a unei persoane (un astfel de exemplu poate fi fuselajul compozit al aeronavei Boeing 787 Dreamliner), atunci sunt necesare studii suplimentare privind impactul componentelor CM asupra oamenilor pentru a aproba materialele. folosit la fabricarea CM.

Productivitate cu întreținere redusă

Materialele compozite pot avea o fabricabilitate operațională scăzută, o întreținere scăzută și un cost ridicat de operare. Acest lucru se datorează nevoii de a folosi metode speciale care necesită forță de muncă (și uneori manoperă), instrumente speciale pentru finalizarea și repararea obiectelor din CM. Adesea, produsele de la KM nu sunt supuse nicio rafinare și reparație.

Domenii de utilizare

Bunuri de consum

  • Betonul armat este unul dintre cele mai vechi și mai simple materiale compozite.
  • Undițe din fibră de sticlă și fibră de carbon
  • bărci din fibră de sticlă
  • Anvelope auto
  • Compozite metalice

Echipament sportiv

Compozitele s-au consolidat ferm în sport: rezistența ridicată și greutatea redusă sunt necesare pentru realizări înalte, iar prețul nu joacă un rol deosebit.

  • Biciclete
  • Echipament schi - bețe și schiuri
  • Bețe și patine de hochei
  • Caiace, canoe și vâsle
  • Piese de caroserie pentru masini de curse si motociclete
  • Căști

Medicamentul

Material pentru obturatii dentare. Matricea de plastic servește pentru o umplere bună, umplutura cu particule de sticlă crește rezistența la uzură.

Inginerie Mecanică

În inginerie mecanică, materialele compozite sunt utilizate pe scară largă pentru a crea acoperiri de protecție pe suprafețele de frecare, precum și pentru fabricarea diferitelor părți ale motoarelor cu ardere internă (piston, biele).

Caracteristică

Tehnologia este utilizată pentru a forma acoperiri de protecție suplimentare pe suprafețe în perechi de frecare oțel-cauciuc. Aplicarea tehnologiei face posibilă creșterea ciclului de funcționare al etanșărilor și arborilor echipamentelor industriale care funcționează în mediul acvatic.

Materialele compozite sunt compuse din mai multe materiale distincte din punct de vedere funcțional. Baza materialelor anorganice este silicații de magneziu, fier și aluminiu modificați cu diverși aditivi. Tranzițiile de fază în aceste materiale au loc la sarcini locale suficient de mari aproape de rezistența finală a metalului. În același timp, se formează un strat de cermet de înaltă rezistență pe suprafață în zona de sarcini locale mari, datorită căruia este posibilă modificarea structurii suprafeței metalice.

Materialele polimerice pe baza de politetrafluoretilene sunt modificate cu pulberi ultradispersate de diamant-grafit obtinute din materiale explozive, precum si pulberi ultradispersate de metale moi. Plastificarea materialului se realizează la temperaturi relativ scăzute (sub 300 °C).

Materialele organometalice derivate din acizi grași naturali conțin o cantitate semnificativă de grupe funcționale acide. Datorită acestui fapt, interacțiunea cu atomii de metal de suprafață poate fi efectuată în modul de repaus. Energia de frecare accelerează procesul și stimulează apariția legăturilor încrucișate.

Specificații

Învelișul de protecție, în funcție de compoziția materialului compozit, poate fi caracterizat prin următoarele proprietăți:

  • grosime de până la 100 microni;
  • clasa de curatenie a suprafetei arborelui (pana la 9);
  • au pori cu dimensiuni de 1 - 3 microni;
  • coeficient de frecare până la 0,01;
  • aderență ridicată la suprafața metalului și cauciucului.

Avantaje tehnice și economice

  • Un strat de cermet de înaltă rezistență se formează la suprafață în zona de sarcini locale mari;
  • Stratul format pe suprafața politetrafluoretilenelor are un coeficient de frecare scăzut și rezistență scăzută la uzura abrazivă;
  • Acoperirile metalo-organice sunt moi, au un coeficient de frecare scăzut, suprafață poroasă, grosimea stratului suplimentar este de câțiva microni.

Domenii de aplicare ale tehnologiei

  • aplicarea de etanșări pe suprafața de lucru pentru a reduce frecarea și a crea un strat de separare care împiedică lipirea cauciucului de arbore în timpul perioadei de repaus.
  • motoare cu ardere internă de mare viteză pentru construcția de mașini și avioane.

Aviație și astronautică

Începând cu anii 1960, a existat o nevoie urgentă în aviație și aerospațială pentru fabricarea de structuri puternice, ușoare și rezistente la uzură. Materialele compozite sunt utilizate pentru fabricarea structurilor portante ale aeronavelor, sateliților artificiali, acoperirilor termoizolante pentru navete și sondelor spațiale. Din ce în ce mai mult, compozitele sunt utilizate pentru fabricarea de învelișuri pentru vehiculele aeriene și spațiale și pentru elementele portante cele mai încărcate.

Armament și echipament militar

Datorită caracteristicilor lor (rezistență și ușurință), KM sunt utilizați în afaceri militare pentru producerea diferitelor tipuri de armuri:

  • armătură (vezi și kevlar)
  • blindaj pentru vehicule militare

Până în secolul al IV-lea î.Hr e. au fost utilizate pe scară largă ca parte a arcurilor ca arme.

Vezi si

  • Bara de armare compozită
  • material hibrid

Note

  1. J. Lubin. 1.2 Termeni și definiții // Manual de materiale compozite: 2 cărți = Handbook of Composites. - M.: Mashinostroenie, 1988. - T. 1. - 448 p. - ISBN 5-217-00225-5.

Literatură

  • Kerber ML, Materiale compozite polimerice. Structura. Proprietăți. Tehnologie. - Sankt Petersburg: Profesie, 2008. - 560 p.
  • Vasiliev VV, Mecanica structurilor din materiale compozite. - M.: Mashinostroenie, 1988. - 272 p.
  • Karpinos D. M., Materiale compozite. Director. - Kiev, Naukova Dumka

Legături

  • Journal of Mechanics of Composite Materials and Structures
  • „Compozite din orașul științei”
  • „Tehnologia aripii negre”

material compozit impex, material compozit sudlal, materialism compozit, știință material compozit

Informații despre materialul compozit



Secțiuni