Domov
Potrubie
Použitie kompozitných materiálov v obrannom a leteckom priemysle. Kompozitné materiály

Použitie kompozitných materiálov v obrannom a leteckom priemysle. Kompozitné materiály

Kompozitné materiály - umelo vytvorené materiály, ktoré pozostávajú z dvoch alebo viacerých zložiek, ktoré sa líšia zložením a sú oddelené výraznou hranicou, a ktoré majú vopred navrhnuté nové vlastnosti.

Komponenty kompozitného materiálu sa geometricky líšia. Zložka, ktorá je súvislá v celom objeme kompozitného materiálu, sa nazýva matice. Nespojitá zložka oddelená v objeme kompozitného materiálu sa nazýva armatúry. Matrica dáva požadovaný tvar výrobku, ovplyvňuje vytváranie vlastností kompozitného materiálu, chráni výstuž pred mechanickým poškodením a inými vplyvmi prostredia.

Ako matrice v kompozitných materiáloch možno použiť organické a anorganické polyméry, keramiku, uhlík a iné materiály. Vlastnosti matrice určujú technologické parametre procesu získavania kompozície a jej vlastnosti: hustota, merná pevnosť, prevádzková teplota, odolnosť proti únavovému porušeniu a vystavenie agresívnym médiám. Výstužné alebo výstužné zložky sú v matrici rovnomerne rozložené. Spravidla majú vysoké a v týchto ukazovateľoch výrazne prevyšujú maticu. Namiesto výrazu výstužný komponent možno použiť výraz plnivo.

Klasifikácia kompozitných materiálov

Podľa geometrie plniva sú kompozitné materiály rozdelené do troch skupín:

  • s plnivami s nulovými rozmermi, ktorých rozmery v troch rozmeroch sú rovnakého rádu;
  • s jednorozmernými plnivami, ktorých jeden rozmer výrazne prevyšuje ostatné dva;
  • s dvojrozmernými plnivami, ktorých dva rozmery sú podstatne väčšie ako tretí.

Podľa usporiadania plnív sa rozlišujú tri skupiny kompozitných materiálov:

  • s jednoosým (lineárnym) usporiadaním plniva vo forme vlákien, nití, fúzov v matrici navzájom paralelne;
  • s dvojosovým (rovinným) usporiadaním výstužnej výplne, metličiek, fólie v matrici v rovnobežných rovinách;
  • s trojosovým (objemovým) usporiadaním výstužného plniva a absenciou prevládajúceho smeru v jeho umiestnení.

Podľa povahy komponentov sú kompozitné materiály rozdelené do štyroch skupín:

  • kompozitné materiály obsahujúce zložku kovov alebo zliatin;
  • kompozitné materiály obsahujúce zložku anorganických zlúčenín oxidov, karbidov, nitridov atď.;
  • kompozitné materiály obsahujúce zložku nekovových prvkov, uhlíka, bóru atď.;
  • kompozitné materiály obsahujúce zložku organických zlúčenín epoxidu, polyesteru, fenolu atď.

Vlastnosti kompozitných materiálov závisia nielen od fyzikálno-chemických vlastností komponentov, ale aj od pevnosti väzby medzi nimi. Maximálna pevnosť je dosiahnutá, ak alebo nastane medzi matricou a výstužou.

V kompozitných materiáloch s plnivo s nulovým rozmerom najpoužívanejšia kovová matrica. Kompozície na báze kovu sú spevnené rovnomerne rozloženými rozptýlenými časticami rôznej jemnosti. Tieto materiály sú odlišné.

V takýchto materiáloch matrica vníma celé zaťaženie a rozptýlené častice plniva bránia rozvoju plastickej deformácie. Efektívne vytvrdnutie sa dosiahne pri obsahu 5...10% častíc plniva. Výstužné plnivá sú častice žiaruvzdorných oxidov, nitridov, boridov, karbidov. Kompozitné materiály spevnené disperziou sa získavajú metódami práškovej metalurgie alebo sa častice výstužného prášku zavádzajú do taveniny tekutého kovu alebo zliatiny.

Priemyselné uplatnenie našli kompozitné materiály na báze, vystužené časticami oxidu hlinitého (Al 2 O 3). Získavajú sa lisovaním hliníkového prášku s následným spekaním (SAP). Výhody SAP sa prejavujú pri teplotách nad 300 o C, kedy hliníkové zliatiny mäknú. Disperzne tvrdené zliatiny si zachovávajú účinok kalenia až do teploty 0,8T pl.

Zliatiny SAP sa uspokojivo deformujú, ľahko opracujú, zvárajú a. Polotovary sú vyrábané zo SAP vo forme plechov, profilov, rúr, fólií. Vyrábajú sa z nich lopatky kompresorov, ventilátorov a turbín, piestne tyče.

V kompozitných materiáloch s jednorozmerné plnivá tvrdidlá sú jednorozmerné prvky vo forme fúzov, vlákien, drôtu, ktoré drží pohromade matrica do jedného monolitu. Je dôležité, aby pevné vlákna boli v plastovej matrici rovnomerne rozložené. Na vystuženie kompozitných materiálov sa používajú kontinuálne diskrétne vlákna s rozmermi prierezu od frakcií po stovky mikrometrov.

Materiály vystužené fúzmi vznikli začiatkom sedemdesiatych rokov pre letectvo a vesmírne konštrukcie. Hlavným spôsobom pestovania fúzov je ich pestovanie z presýtenej pary (PC proces). Na výrobu obzvlášť vysoko pevných whiskerov oxidov a iných zlúčenín sa rast uskutočňuje podľa mechanizmu P-L-C: riadený rast kryštálov prebieha z parného stavu cez prechodnú kvapalnú fázu.

Vláknité kryštály vznikajú ťahaním kvapaliny cez zvlákňovacie dýzy. Pevnosť kryštálov závisí od prierezu a hladkosti povrchu.

Kompozitné materiály tohto typu sú perspektívne ako. Pre zvýšenie účinnosti tepelných motorov sú lopatky plynových turbín vyrábané zo zliatin niklu vystužených zafírovými vláknami (Al 2 O 3), čo umožňuje výrazne zvýšiť teplotu na vstupe do turbíny (pevnosť zafírových kryštálov v ťahu pri teplote 1680 o C je nad 700 MPa).

Vystuženie trysiek rakiet z práškov volfrámu a molybdénu sa vyrába zafírovými kryštálmi vo forme plsti aj jednotlivých vlákien, vďaka čomu bolo možné materiál zdvojnásobiť pri teplote 1650 o C. Vystuženie impregnačného polyméru sklotextolitov s vláknitými vláknami zvyšuje ich pevnosť. Liatinové vystuženie ho znižuje v konštrukciách. Sľubné je spevnenie skla s neorientovanými fúzmi.

Na vystuženie kompozitných materiálov sa kovový drôt používa z rôznych kovov: oceľ rôzneho zloženia, volfrám, niób, v závislosti od pracovných podmienok. Oceľový drôt sa spracováva na tkané siete, z ktorých sa vyrábajú kompozitné materiály s výstužou v dvoch smeroch.

Na vystuženie ľahkých kovov sa používajú vlákna bóru a karbid kremíka. Uhlíkové vlákna majú obzvlášť cenné vlastnosti, používajú sa na vystuženie kovových, keramických a polymérnych kompozitných materiálov.

Eutektické kompozitné materiály– zliatiny eutektického alebo eutektického zloženia, v ktorých sú zosilňujúcou fázou orientované kryštály vznikajúce v procese smerovej kryštalizácie. Na rozdiel od bežných kompozitných materiálov sa eutektické materiály získavajú v jednej operácii. Smerovo orientovanú štruktúru je možné získať na už hotových výrobkoch. Tvar výsledných kryštálov môže byť vo forme vlákien alebo dosiek. Metódami smerovej kryštalizácie sa vyrábajú kompozitné materiály na báze , kobaltu, nióbu a ďalších prvkov, preto sa používajú v širokom rozsahu teplôt.

Použitie kompozitných materiálov v stavebníctve

Lacný a všestranný betón je jedným z najlepších stavebných materiálov v ponuke. Typický betón, ktorý je skutočným kompozitom, pozostáva zo štrku a piesku spojeného dohromady v matrici cementu, s kovovou výstužou, ktorá sa zvyčajne pridáva na zvýšenie pevnosti. Betón je vynikajúci v tlaku, ale stáva sa krehkým a slabým v ťahu. Ťahové napätia, ako aj plastické zmršťovanie počas vytvrdzovania vedú k trhlinám, ktoré absorbujú vodu, čo v konečnom dôsledku vedie ku korózii kovovej výstuže a výraznej strate pevnosti betónu pri zlyhaní kovu.

Kompozitná výstuž sa na stavebnom trhu etablovala vďaka svojej osvedčenej odolnosti proti korózii. Nové a aktualizované konštrukčné pokyny a testovacie protokoly uľahčujú inžinierom výber vystužených plastov.

Plasty vystužené vláknami (sklolaminát, čadič) sa už dlho považujú za materiály na zlepšenie vlastností betónu.

Za posledných 15 rokov sa kompozitná výstuž zmenila z experimentálneho prototypu na účinnú náhradu ocele v mnohých projektoch, najmä keď ceny ocele stúpajú.

Kompozitné siete v prefabrikovaných betónových paneloch: C-GRID uhlíkové epoxidové siete s vysokým potenciálom nahrádzajú tradičnú oceľ alebo výstuž v prefabrikovaných konštrukciách ako sekundárna výstuž.

C-GRID je hrubá mriežka z uhlíkových/epoxidových živíc. Používa sa ako náhrada sekundárnej oceľovej siete v betónových paneloch a architektonických aplikáciách. Veľkosť siete sa líši v závislosti od typu betónu a kameniva, ako aj od požiadaviek na pevnosť panelov

Použitie krátkych vlákien v betóne na zlepšenie jeho vlastností je etablovanou technológiou po celé desaťročia, ba dokonca stáročia, ak vezmeme do úvahy, že v Rímskej ríši sa malty stužovali konským vlasom. Vláknová výstuž zvyšuje pevnosť a elasticitu betónu (schopnosť plasticky sa deformovať bez porušenia) tým, že drží časť zaťaženia pri poškodení matrice a zabraňuje rastu trhlín.

Pridanie vlákien umožňuje, aby sa materiál plasticky deformoval a odolal zaťaženiu v ťahu.

Na výrobu týchto predpätých mostných nosníkov bol použitý vláknobetón. Použitie výstuže nebolo potrebné vzhľadom na vysokú elasticitu a pevnosť materiálu, ktorú mu dodávali oceľové výstužné vlákna pridávané do betónovej zmesi.

Hliníkový kompozitný materiál je panel pozostávajúci z dvoch hliníkových plechov a plastového alebo minerálneho plniva medzi nimi. Kompozitná štruktúra materiálu mu dodáva ľahkosť a vysokú pevnosť v kombinácii s elasticitou a odolnosťou proti zlomeniu. Chemická a laková povrchová úprava poskytuje materiálu vynikajúcu odolnosť proti korózii a teplotným výkyvom. Vďaka kombinácii týchto jedinečných vlastností je hliníkový kompozitný materiál jedným z najvyhľadávanejších v stavebníctve.

Hliníkový kompozit má množstvo významných výhod, ktoré mu každoročne zabezpečujú rastúcu popularitu ako dokončovacieho materiálu.

Minimálna hmotnosť v kombinácii s vysokou tuhosťou. Hliníkové kompozitné panely sa vyznačujú nízkou hmotnosťou vďaka použitiu hliníkových krycích plechov a odľahčenej jadrovej vrstvy kombinovanej s vysokou tuhosťou danou kombináciou vyššie uvedených materiálov. Z hľadiska aplikácie na fasádne konštrukcie táto okolnosť priaznivo odlišuje hliníkové kompozitné materiály od alternatívnych materiálov, akými sú hliníkové a oceľové plechy, keramická žula, vláknocementové dosky. Použitie hliníkového kompozitného materiálu výrazne znižuje celkovú hmotnosť konštrukcie odvetranej fasády. kompozitný betón hliník kov

Hliníkový kompozitný materiál je schopný odolať krúteniu. Dôvodom je nanášanie vrchnej vrstvy valcovaním. Rovinnosť je zabezpečená použitím valcovania namiesto bežného lisovania, čo dáva vysokú rovnomernosť nanášania vrstvy. Maximálna rovinnosť je 2 mm na 1220 mm dĺžky, čo je 0,16 % z tejto dĺžky.

  • - Odolnosť laku voči vplyvom prostredia. Vďaka mimoriadne stabilnému viacvrstvovému náteru materiál dlhodobo nestráca farebnú intenzitu pod vplyvom slnečného žiarenia a agresívnych atmosférických zložiek.
  • - Široká škála farieb a textúr. Materiál sa vyrába s náterom z farieb: plné farby a metalické farby v akejkoľvek škále farieb a odtieňov, nátery s efektom kameňa a dreva. Okrem toho sa vyrábajú panely s povlakom "chróm", "zlato", panely s textúrovaným povrchom, panely s lešteným povlakom z nehrdzavejúcej ocele, titánu a medi.

Panely z hliníkového kompozitného materiálu majú zložitú štruktúru tvorenú hliníkovými plechmi a výplňou jadra. Párovanie týchto materiálov dodáva panelom tuhosť kombinovanú s elasticitou, vďaka čomu sú hliníkové kompozitné materiály odolné voči zaťaženiu a deformáciám spôsobeným prostredím. Materiál nestráca svoje vlastnosti extrémne dlho.

Odolnosť materiálu voči korózii je určená použitím plechov z hliníkovej zliatiny v štruktúre panelu, chránených viacvrstvovým náterom a lakom. V prípade poškodenia povlaku je povrch plechu chránený vytvorením oxidového filmu.

Kompozitná štruktúra panelu z hliníkového kompozitného materiálu poskytuje dobrú zvukovú izoláciu tým, že absorbuje zvukové vlny a vibrácie.

Panely sú ľahko prístupné takým druhom mechanického spracovania, ako je ohýbanie, rezanie, frézovanie, vŕtanie, valcovanie, zváranie, lepenie, bez poškodenia povlaku a narušenia štruktúry materiálu. Pri zaťažení vznikajúcom v procese ohýbania panelov, vrátane polomeru, nedochádza k delaminácii panelov ani k narušeniu povrchových vrstiev, ako je praskanie hliníkových plechov a laku. Pri výrobe v továrni sú panely chránené pred mechanickým poškodením špeciálnou fóliou, ktorá sa po dokončení montážnych prác odstráni.

Panely ľahko nadobúdajú takmer akýkoľvek daný tvar, napríklad polomer. Vhodnosť materiálu na spájkovanie umožňuje dosiahnuť zložitú geometriu výrobkov, čo je nemožné pri akomkoľvek inom obkladovom materiáli, okrem hliníka, pred ktorým v hmotnosti výrazne víťazia hliníkové kompozitné materiály.

Použitie hliníkového kompozitného materiálu umožňuje vytvárať obkladové panely rôznych veľkostí a tvarov, vďaka čomu je tento materiál nenahraditeľný pri riešení zložitých architektonických problémov.

  • - Dlhá životnosť. z hliníkového kompozitného materiálu sú dlhodobo odolné voči vplyvom prostredia, ako je slnečné žiarenie, zrážky, zaťaženie vetrom, kolísanie teplôt, a to vďaka použitiu stabilného povlaku a kombinácii tuhosti a pružnosti dosiahnutej v materiáli. Odhadovaná životnosť panelov v exteriéri je cca 50 rokov.
  • - Minimálna starostlivosť počas prevádzky. Prítomnosť vysokokvalitného náteru prispieva k samočisteniu panelov od vonkajších nečistôt. Panely sa tiež ľahko čistia neagresívnymi čistiacimi prostriedkami.

Kompozitné materiály vystužené vláknami alebo rozptýlenými pevnými látkami otvárajú dve sľubné cesty.

V prvom prípade sa najjemnejšie vlákna s vysokou pevnosťou vyrobené zo skla, uhlíka, bóru, berýlia, ocele alebo kryštálov fúzov zavedú do anorganickej kovovej alebo organickej polymérnej matrice. Výsledkom tejto kombinácie je maximálna pevnosť kombinovaná s vysokým modulom pružnosti a nízkou hustotou. Kompozitné materiály sú také materiály budúcnosti.

Kompozitný materiál je konštrukčný (kovový alebo nekovový) materiál, v ktorom sú výstužné prvky vo forme nití, vlákien alebo vločiek z odolnejšieho materiálu. Príklady kompozitných materiálov: plast vystužený bórom, uhlíkom, sklenenými vláknami, kúdele alebo tkaniny na ich báze; hliník vystužený oceľovými vláknami, berýlium.

Kombináciou objemového obsahu komponentov je možné získať kompozitné materiály s požadovanými hodnotami pevnosti, tepelnej odolnosti, modulu pružnosti, odolnosti proti oderu, ako aj vytvárať kompozície s potrebnými magnetickými, dielektrickými, rádiovo absorbčnými a inými špeciálnymi vlastnosti.

Všetky tieto kombinované materiály sú spojené do systému. Kompozitný výstužný systém sa používa pre takmer všetky typy konštrukcií:

  • 1. Betón a železobetón
  • 2. Kov (vrátane ocele a hliníka)
  • 3. Drevené
  • 4. Tehlové (kamenné) murivo.

Poskytujú tiež celý rad životných potrieb:

  • 1. Ochrana pred výbuchmi, vlámaním a poškodením.
  • 2. Vystuženie konštrukcií
  • 3. Balistická ochrana stien a ochrana proti výbuchu.
  • 4. Ochrana káblov a vodičov pred výbuchmi

Zvážte výhody a nevýhody kompozitných materiálov. dôstojnosť:

  • 1. Odolnosť proti korózii
  • 2. Pevnosť v ťahu
  • 3. Jednoduché použitie
  • 4. Nízka cena práce
  • 5. Krátka dodacia lehota
  • 6. Žiadne rozmerové obmedzenia
  • 7. Extrémne vysoká únavová pevnosť
  • 8. Nevyžaduje konzerváciu
  • 9. Možnosť použitia konštrukcií z rôznych materiálov

Nevýhody:

  • 1. Relatívne náklady na materiál
  • 2. Obmedzenie rozsahu

Z vyššie uvedených výhod a nevýhod môžeme konštatovať, že v porovnaní s konvenčnými materiálmi majú kompozitné materiály takmer jedinú nevýhodu - je to ich pomerne vysoká cena. Možno sa teda domnievať, že táto metóda je drahá, ale ak porovnáme objem spotreby oceľových materiálov na vystuženie, je to asi tridsaťkrát viac ako u kompozitov. Ďalšími výhodami kompozitných materiálov je výrazné zníženie nákladov na námahu v dôsledku zníženia pracovného času, práce a mechanického vybavenia. Preto sú kompozitné výstužné systémy hlavnými konkurentmi pri použití ocele.

Avšak aj napriek výhodám oproti konvenčným materiálom majú kompozitné materiály svoje nevýhody. Patrí medzi ne nízka požiarna odolnosť, zmena vlastností pri vystavení ultrafialovému žiareniu a možné praskanie pri zmene objemu v podmienkach obmedzenej voľnosti deformácie. Fyzikálne a mechanické vlastnosti týchto materiálov ich robia náchylnými na kolísanie teploty. Pri vysokých teplotách sú náchylné na výrazné deformácie dotvarovania.

1. Kompozitné alebo kompozitné materiály sú materiály budúcnosti.

Po tom, čo nám moderná fyzika kovov podrobne vysvetlila dôvody ich plasticity, pevnosti a jej zvyšovania, začal sa intenzívny systematický vývoj nových materiálov. To povedie, pravdepodobne v mysliteľnej budúcnosti, k vytvoreniu materiálov s mnohonásobne väčšou pevnosťou, ako majú dnešné konvenčné zliatiny. V tomto prípade bude veľká pozornosť venovaná už známym mechanizmom kalenia ocele a starnutia hliníkových zliatin, kombináciám týchto známych mechanizmov s procesmi tvárnenia a početným možnostiam vytvárania kombinovaných materiálov. Kompozitné materiály vystužené vláknami alebo rozptýlenými pevnými látkami otvárajú dve sľubné cesty. Prvýkrát sa do anorganickej kovovej alebo organickej polymérnej matrice zavádzajú najtenšie vysokopevnostné vlákna vyrobené zo skla, uhlíka, bóru, berýlia, ocele alebo fúzatých monokryštálov. Výsledkom tejto kombinácie je maximálna pevnosť kombinovaná s vysokým modulom pružnosti a nízkou hustotou. Kompozitné materiály sú také materiály budúcnosti.

Kompozitný materiál je konštrukčný (kovový alebo nekovový) materiál, v ktorom sú výstužné prvky vo forme nití, vlákien alebo vločiek z odolnejšieho materiálu. Príklady kompozitných materiálov: plast vystužený bórom, uhlíkom, sklenenými vláknami, kúdele alebo tkaniny na ich báze; hliník vystužený oceľovými vláknami, berýlium. Kombináciou objemového obsahu komponentov je možné získať kompozitné materiály s požadovanými hodnotami pevnosti, tepelnej odolnosti, modulu pružnosti, odolnosti proti oderu, ako aj vytvárať kompozície s potrebnými magnetickými, dielektrickými, rádiovo absorbujúcimi a iné špeciálne vlastnosti.

2. Druhy kompozitných materiálov.

2.1. Kompozitné materiály s kovovou matricou.

Kompozitné materiály alebo kompozitné materiály pozostávajú z kovovej matrice (zvyčajne Al, Mg, Ni a ich zliatin) vystuženej vysoko pevnými vláknami (vláknité materiály) alebo jemne rozptýlenými žiaruvzdornými časticami, ktoré sa nerozpúšťajú v základnom kove (disperzne spevnené materiály) . Kovová matrica spája vlákna (dispergované častice) do jedného celku. Vlákno (dispergované častice) plus spojivo (matrica), ktoré tvoria určitú kompozíciu, sa nazývajú kompozitné materiály.

2.2. Kompozitné materiály s nekovovou matricou.

Kompozitné materiály s nekovovou matricou našli široké uplatnenie. Ako nekovové matrice sa používajú polymérne, uhlíkové a keramické materiály. Z polymérnych matríc sú najpoužívanejšie epoxidové, fenolformaldehydové a polyamidové.
Uhlíkové matrice koksované alebo pyrouhlík získané zo syntetických polymérov podrobených pyrolýze. Matrica viaže kompozíciu a dáva jej formu. Posilňovače sú vlákna: sklenené, uhlíkové, bórové, organické, na báze fúzov (oxidy, karbidy, boridy, nitridy a iné), ako aj kovové (drôty), ktoré majú vysokú pevnosť a tuhosť.

Vlastnosti kompozitných materiálov závisia od zloženia komponentov, ich kombinácie, kvantitatívneho pomeru a pevnosti väzby medzi nimi.
Výstužné materiály môžu byť vo forme vlákien, kúdele, nití, pások, viacvrstvových tkanín.

Obsah tvrdidla v orientovaných materiáloch je 60-80 obj. %, v neorientovaných (s diskrétnymi vláknami a fúzmi) - 20-30 obj. %. Čím vyššia je pevnosť a modul pružnosti vlákien, tým vyššia je pevnosť a tuhosť kompozitného materiálu. Vlastnosti matrice určujú pevnosť kompozície v šmyku a tlaku a odolnosť proti únavovému porušeniu.

Podľa typu tvrdidla sa kompozitné materiály delia na sklenené vlákna, uhlíkové vlákna s uhlíkovými vláknami, bórové vlákna a organovlákna.

V laminovaných materiáloch sa vlákna, nite, pásky impregnované spojivom ukladajú paralelne k sebe v rovine kladenia. Ploché vrstvy sú zostavené do dosiek. Vlastnosti sú anizotropné. Pre prácu materiálu vo výrobku je dôležité vziať do úvahy smer pôsobiacich zaťažení. Môžete vytvárať materiály s izotropnými aj anizotropnými vlastnosťami.
Vlákna môžete položiť v rôznych uhloch a meniť vlastnosti kompozitných materiálov. Ohybová a torzná tuhosť materiálu závisí od poradia kladenia vrstiev pozdĺž hrúbky balíka.

Používa sa kladenie výstužných prvkov z troch, štyroch alebo viacerých závitov.
Najväčšie uplatnenie má štruktúra troch na seba kolmých závitov. Tvrdidlá môžu byť umiestnené v axiálnom, radiálnom a obvodovom smere.

Trojrozmerné materiály môžu mať akúkoľvek hrúbku vo forme blokov, valcov. Objemné tkaniny zvyšujú pevnosť proti roztrhnutiu a odolnosť proti strihu v porovnaní s vrstvenými tkaninami. Systém štyroch vlákien je vybudovaný rozšírením výstužného činidla pozdĺž uhlopriečok kocky. Štruktúra štyroch závitov je vyvážená, má zvýšenú šmykovú tuhosť v hlavných rovinách.
Vytváranie štvorsmerných materiálov je však náročnejšie ako trojsmerné materiály.

3. Klasifikácia kompozitných materiálov.

3.1. Vláknité kompozitné materiály.

Kompozitný materiál je často vrstvená štruktúra, v ktorej je každá vrstva vystužená veľkým počtom paralelných súvislých vlákien. Každá vrstva môže byť vystužená aj súvislými vláknami votkanými do tkaniny, ktorá má pôvodný tvar, zodpovedajúcu šírkou a dĺžkou finálnemu materiálu. Nie je nezvyčajné, že vlákna sú tkané do trojrozmerných štruktúr.

Kompozitné materiály sa od bežných zliatin líšia vyššími hodnotami pevnosti v ťahu a medze únosnosti (o 50–10 %), modulom pružnosti, koeficientom tuhosti a nižšou náchylnosťou na praskanie. Použitie kompozitných materiálov zvyšuje tuhosť konštrukcie a zároveň znižuje jej spotrebu kovu.

Pevnosť kompozitných (vláknitých) materiálov je určená vlastnosťami vlákien; matrica by mala hlavne prerozdeľovať napätia medzi výstužnými prvkami. Preto musí byť pevnosť a modul pružnosti vlákien výrazne väčší ako pevnosť a modul pružnosti matrice.
Pevné výstužné vlákna vnímajú napätia vznikajúce v kompozícii pri zaťažení, dodávajú jej pevnosť a tuhosť v smere orientácie vlákna.

Na spevnenie hliníka, horčíka a ich zliatin sa používajú vlákna bóru, ale aj vlákna zo žiaruvzdorných zlúčenín (karbidy, nitridy, boridy a oxidy), ktoré majú vysokú pevnosť a modul pružnosti. Ako vlákna sa často používa oceľový drôt s vysokou pevnosťou.

Na vystuženie titánu a jeho zliatin sa používa molybdénový drôt, zafírové vlákna, karbid kremíka a borid titánu.

Zvýšenie tepelnej odolnosti zliatin niklu sa dosiahne ich vystužením volfrámovým alebo molybdénovým drôtom. Kovové vlákna sa používajú aj v prípadoch, keď je potrebná vysoká tepelná a elektrická vodivosť. Sľubnými tvrdidlami pre vysokopevnostné a vysokomodulové vláknité kompozitné materiály sú fúzy vyrobené z oxidu a nitridu hliníka, karbidu a nitridu kremíka, karbidaboru atď.

Kompozitné materiály na báze kovu majú vysokú pevnosť a tepelnú odolnosť, zároveň majú nízku plasticitu. Vlákna v kompozitných materiáloch však znižujú rýchlosť šírenia trhlín iniciujúcich v matrici a náhly krehký lom takmer úplne zmizne. Charakteristickým znakom vláknitých jednoosových kompozitných materiálov je anizotropia mechanických vlastností pozdĺž a naprieč vláknami a nízka citlivosť na koncentrátory napätia.

Anizotropia vlastností vláknitých kompozitných materiálov sa berie do úvahy pri navrhovaní dielov s cieľom optimalizovať vlastnosti prispôsobením poľa odporu s poľami napätia.

Vystuženie zliatin hliníka, horčíka a titánu súvislými žiaruvzdornými vláknami bóru, karbidu kremíka, doboridu titánu a oxidu hlinitého výrazne zvyšuje tepelnú odolnosť. Charakteristickým znakom kompozitných materiálov je nízka rýchlosť mäknutia v čase so zvyšujúcou sa teplotou.

Hlavnou nevýhodou kompozitných materiálov s jedno a dvojrozmernou výstužou je nízka odolnosť voči interlaminárnemu šmyku a priečnemu šmyku. Materiály s objemovou výstužou sú o to zbavené.

3.2. Kompozitné materiály spevnené disperziou.

Na rozdiel od vláknitých kompozitných materiálov je v disperzne spevnených kompozitných materiáloch hlavným nosným prvkom matrica a rozptýlené častice v nej spomaľujú pohyb dislokácií.
Vysoká pevnosť sa dosahuje s veľkosťou častíc 10-500 nm s priemernou vzdialenosťou medzi nimi 100-500 nm a ich rovnomerným rozložením v matrici.
Pevnosť a tepelná odolnosť v závislosti od objemového obsahu fáz vytvrdzovania sa neriadia zákonom aditívnosti. Optimálny obsah druhej fázy pre rôzne kovy nie je rovnaký, ale zvyčajne nepresahuje 5-10 obj. %.

Použitie stabilných žiaruvzdorných zlúčenín (oxidy tória, hafnia, ytria, komplexné zlúčeniny oxidov a kovov vzácnych zemín), ktoré sú nerozpustné v matricovom kove ako spevňovacie fázy, umožňuje udržiavať vysokú pevnosť materiálu až do 0,9-0,95 T. V súvislosti s tým sa takéto materiály často používajú ako tepelne odolné. Kompozitné materiály spevnené disperziou možno získať na báze väčšiny kovov a zliatin používaných v strojárstve.

Najpoužívanejšie zliatiny na báze hliníka - SAP (sintrovaný hliníkový prášok).

Hustota týchto materiálov sa rovná hustote hliníka, nie sú nižšie ako odolnosť proti korózii a môžu dokonca nahradiť titán a nehrdzavejúce ocele pri prevádzke v teplotnom rozsahu 250 - 500 ° C. Z hľadiska dlhodobej pevnosti sú lepšie ako kované hliníkové zliatiny. Dlhodobá pevnosť zliatin SAP-1 a SAP-2 pri 500°C je 45-55 MPa.

Skvelé vyhliadky pre materiály spevnené disperziou niklu.
Zliatiny na báze niklu s 2-3 obj. oxidu thoritého alebo oxidu hafničitého. Matricou týchto zliatin je zvyčajne tuhý roztok Ni + 20 % Cr, Ni + 15 % Mo, Ni + 20 % Cr a Mo. Široké uplatnenie našli zliatiny VDU-1 (nikel tvrdený oxidom tóričitým), VDU-2 (nikel tvrdený oxidom hafničitým) a VD-3 (matrica Ni + 20% Cr vytvrdená oxidom tória). Tieto zliatiny majú vysokú tepelnú odolnosť. Kompozitné materiály spevnené disperziou, ako aj vláknité, sú odolné voči mäknutiu so zvyšujúcou sa teplotou a dobou výdrže pri danej teplote.

3.3. Sklolaminát.

Sklolaminát je kompozícia pozostávajúca zo syntetickej živice, ktorá je spojivom, a plniva zo sklenených vlákien. Ako plnivo sa používa kontinuálne alebo krátke sklenené vlákno. Pevnosť skleneného vlákna sa prudko zvyšuje so zmenšovaním jeho priemeru (v dôsledku nehomogenít a trhlín, ktoré sa vyskytujú v hrubých častiach). Vlastnosti sklolaminátu závisia aj od obsahu alkálií v jeho zložení; najlepší výkon bezalkalických skiel s hlinitokremičitanovým zložením.

Neorientované sklenené vlákna obsahujú krátke vlákno ako plnivo. To vám umožní lisovať diely zložitého tvaru s kovovými armatúrami. Materiál sa získava s izotopovými pevnostnými charakteristikami oveľa vyššími ako u lisovaných práškov a dokonca aj vlákien. Predstaviteľmi takéhoto materiálu sú sklenené vlákna AG-4V, ako aj DSV (odmerané sklenené vlákna), ktoré sa používajú na výrobu silových elektrických súčiastok, strojárskych dielov (cievky, tesnenia čerpadiel atď.). Pri použití nenasýtených polyesterov ako spojiva sa získajú PSK premixy (pastovité) a predimpregnované lamináty AP a PPM (na báze sklenenej rohože). Predimpregnované lamináty je možné použiť na veľkorozmerné výrobky jednoduchých tvarov (karosérie áut, člnov, kufríky na prístroje atď.).

Orientované sklolaminát má plnivo vo forme dlhých vlákien usporiadaných do orientovaných samostatných prameňov a starostlivo zlepených spojivom. To poskytuje vyššiu pevnosť sklolaminátu.

Sklolaminát môže pracovať pri teplotách od -60 do 200 ° C, ako aj v tropických podmienkach, odolávať veľkému inerciálnemu preťaženiu.
Pri starnutí dva roky je koeficient starnutia K = 0,5-0,7.
Ionizujúce žiarenie má malý vplyv na ich mechanické a elektrické vlastnosti. Používajú sa na výrobu dielov s vysokou pevnosťou, s tvarovkami a závitmi.

3.4. Uhlíkové vlákna.

Uhlíkové vlákna (uhlíkové plasty) sú kompozície pozostávajúce z polymérneho spojiva (matrice) a vystužovacích činidiel vo forme uhlíkových vlákien (uhlíkové vlákna).

Vysoká väzbová energia C-C uhlíkových vlákien im umožňuje zachovať pevnosť pri veľmi vysokých teplotách (v neutrálnom a redukčnom prostredí až do 2200 °C), ako aj pri nízkych teplotách. Vlákna sú chránené pred oxidáciou ochrannými povlakmi (pyrolytickými). Na rozdiel od sklenených vlákien sú uhlíkové vlákna slabo zmáčané spojivom.
(nízka povrchová energia), preto sú leptané. Tým sa zvyšuje stupeň aktivácie uhlíkových vlákien obsahom karboxylovej skupiny na ich povrchu. Interlaminárna šmyková pevnosť uhlíkových vlákien sa zvyšuje 1,6-2,5 krát. Používa sa whiskerizácia kryštálov kryštálov TiO, AlN a SiN, ktorá poskytuje 2-násobné zvýšenie tuhosti medzivrstvy a 2,8-násobné zvýšenie pevnosti. Používajú sa priestorovo vystužené konštrukcie.

Spojivá sú syntetické polyméry (polymérne uhlíkové vlákna); syntetické polyméry podrobené pyrolýze (koksované uhlíkové vlákna); pyrolytický uhlík (pyrokarbónové uhlíkové vlákna).

Epoxyfenolové uhlíkové vlákna KMU-1l, vystužené uhlíkovou páskou, a KMU-1u na kúdeli, viscerizované kryštálmi fúzov, dokážu dlhodobo pracovať pri teplotách do 200 °C.

Karbovlákna KMU-3 a KMU-2l sa získavajú na epoxyanilino-formaldehydovom spojive, možno ich prevádzkovať pri teplotách do 100°C, sú technologicky najpokročilejšie. Uhlíkové vlákna KMU-2 a
KMU-2l na báze polyimidového spojiva je možné použiť pri teplotách do
300 °C.

Uhlíkové vlákna sa vyznačujú vysokou statickou a dynamickou odolnosťou proti únave, túto vlastnosť si zachovávajú pri normálnych a veľmi nízkych teplotách (vysoká tepelná vodivosť vlákna zabraňuje samovoľnému zahrievaniu materiálu v dôsledku vnútorného trenia). Sú odolné voči vode a chemikáliám. Po vystavení röntgenovému žiareniu vo vzduchu sa E a E takmer nemenia.

Tepelná vodivosť uhlíkových vlákien je 1,5-2 krát vyššia ako tepelná vodivosť sklenených vlákien. Majú nasledujúce elektrické vlastnosti: = 0,0024-0,0034 Ohm cm (pozdĺž vlákien); ? \u003d 10 a tg \u003d 0,001 (pri aktuálnej frekvencii 10 Hz).

Carboglass vlákna obsahujú spolu s uhlíkovými sklenenými vláknami, čo znižuje cenu materiálu.

3.5. Uhlíkové vlákno s uhlíkovou matricou.

Koksovateľné materiály sa získavajú z konvenčných polymérnych uhlíkových vlákien podrobených pyrolýze v inertnej alebo redukčnej atmosfére. Pri teplote 800-1500 °C vznikajú karbonizované karbonizované vlákna, pri 2500-3000 °C grafitizované uhlíkové vlákna. Na získanie pyrouhľovodíkových materiálov sa tvrdidlo rozloží podľa tvaru produktu a vloží sa do pece, do ktorej prechádza plynný uhľovodík (metán). Pri určitom režime (teplota 1100 °C a zvyškový tlak 2660 Pa) sa metán rozkladá a vzniknutý pyrolytický uhlík sa ukladá na vláknach stužovača a viaže ich.

Koks vznikajúci pri pyrolýze spojiva má vysokú priľnavosť k uhlíkovým vláknam. V tomto ohľade má kompozitný materiál vysoké mechanické a ablatívne vlastnosti, odolnosť voči tepelným šokom.

Uhlíkové vlákno s uhlíkovou matricou typu KUP-VM z hľadiska pevnosti a rázovej húževnatosti 5-10x prevyšuje špeciálne grafity, pri zahrievaní v inertnej atmosfére a vákuu si zachováva pevnosť až 2200
°C, oxiduje na vzduchu pri 450 °C a vyžaduje ochranný náter.
Koeficient trenia jedného uhlíkového vlákna s uhlíkovou matricou je inak vysoký (0,35-0,45) a opotrebovanie je nízke (0,7-1 mikrónov pri brzdení).

3.6. Bórové vlákna.

Bórové vlákna sú kompozície polymérneho spojiva a spevňujúceho činidla - bórové vlákna.

Bórové vlákna sa vyznačujú vysokou pevnosťou v tlaku, šmykom, nízkym dotvarovaním, vysokou tvrdosťou a modulom pružnosti, tepelnou a elektrickou vodivosťou. Bunková mikroštruktúra bórových vlákien poskytuje vysokú pevnosť v šmyku na rozhraní s matricou.

Okrem kontinuálneho bórového vlákna sa používajú komplexné bórové sklovity, v ktorých je niekoľko paralelných bórových vlákien opletených skleneným vláknom, ktoré dodáva rozmerovú stálosť. Použitie bórových sklenených vlákien uľahčuje technologický proces výroby materiálu.

Modifikované epoxidové a polyimidové spojivá sa používajú ako matrice na získanie bórového vlákna. Bórové vlákna KMB-1 a
KMB-1k sú určené na dlhodobú prevádzku pri teplote 200 °C; KMB-3 a KMB-3k nevyžadujú vysoký tlak počas spracovania a môžu pracovať pri teplotách nepresahujúcich 100 °C; KMB-2k je funkčný pri 300 °C.

Bórové vlákna majú vysokú odolnosť proti únave, sú odolné voči žiareniu, vode, organickým rozpúšťadlám a palivám a mazivám.

3.7. Organické vlákna.

Organické vlákna sú kompozitné materiály pozostávajúce z polymérneho spojiva a stužujúcich činidiel (plnív) vo forme syntetických vlákien. Takéto materiály majú nízku hmotnosť, relatívne vysokú špecifickú pevnosť a tuhosť a sú stabilné pri pôsobení striedavého zaťaženia a prudkej zmeny teploty. U syntetických vlákien je strata pevnosti pri spracovaní textilu malá; sú menej citlivé na poškodenie.

Pre orgánové vlákna sú hodnoty modulu pružnosti a teplotné koeficienty lineárnej rozťažnosti tvrdidla a spojiva blízke.
Dochádza k difúzii zložiek spojiva do vlákna a k chemickej interakcii medzi nimi. Štruktúra materiálu je bez defektov. Pórovitosť nepresahuje 1-3% (v iných materiáloch 10-20%). Z toho vyplýva stabilita mechanických vlastností organických vlákien s prudkým poklesom teploty, pôsobením nárazov a cyklických zaťažení. Rázová húževnatosť je vysoká (400-700 kJ/m²). Nevýhodou týchto materiálov je relatívne nízka pevnosť v tlaku a vysoké dotvarovanie (najmä pri elastických vláknach).

Organické vlákna sú stabilné v agresívnom prostredí a vo vlhkom tropickom podnebí; dielektrické vlastnosti sú vysoké a tepelná vodivosť je nízka. Väčšina organových vlákien môže pracovať dlhú dobu pri teplote 100-150 °C a na báze polyimidového spojiva a polyoxadiazolových vlákien - pri teplote 200-300 °C.

V kombinovaných materiáloch sa spolu so syntetickými vláknami používajú minerálne vlákna (sklenené, uhlíkové vlákna a bórové vlákna). Takéto materiály majú väčšiu pevnosť a tuhosť.

4. Ekonomická efektívnosť použitia kompozitných materiálov.

Oblasti použitia kompozitných materiálov nie sú obmedzené. Používajú sa v letectve pre vysoko zaťažené časti lietadiel (plášť, nosníky, rebrá, panely atď.) a motorov (lopatky kompresorov a turbíny atď.), v kozmickej technike pre jednotky nosných konštrukcií vozidiel vystavených ohrevu , na stužovacie prvky, panely, v automobilovom priemysle na odľahčenie karosérií, pružín, rámov, panelov karosérií, nárazníkov atď., v banskom priemysle (vŕtacie nástroje, diely kombajnov atď.), v stavebníctve (rozpätia mostov, prvky prefabrikovaných konštrukcií výškových budov a pod.) atď.) a v iných oblastiach národného hospodárstva.

Použitie kompozitných materiálov poskytuje nový kvalitatívny skok vo zvyšovaní výkonu motorov, pohonných a dopravných zariadení, znižovaní hmotnosti strojov a zariadení.

Technológia získavania polotovarov a výrobkov z kompozitných materiálov je dobre vyvinutá.

Kompozitné materiály s nekovovou matricou, konkrétne polymérne uhlíkové vlákna, sa používajú v lodiarskom a automobilovom priemysle (karosérie, podvozky, vrtule); vyrábajú sa z nich ložiská, vykurovacie panely, športové potreby, počítačové diely. Vysokomodulové uhlíkové vlákna sa používajú na výrobu častí lietadiel, zariadení pre chemický priemysel, v röntgenových zariadeniach a iné.

Uhlíkové vlákno s uhlíkovou matricou nahrádza rôzne druhy grafitu. Používajú sa na tepelnú ochranu, brzdové kotúče lietadiel, chemicky odolné zariadenia.

Výrobky z bórových vlákien sa používajú v letectve a kozmickej technike (profily, panely, rotory a lopatky kompresorov, listy vrtulí a prevodové hriadele helikoptér a pod.).

Organové vlákna sa používajú ako izolačný konštrukčný materiál v elektrotechnickom a rádiovom priemysle, v leteckej technike a automobilovom strojárstve; vyrábajú sa z nich rúrky, nádoby na činidlá, nátery trupu lodí a ďalšie.


Oznámenia o kúpe a predaji techniky si môžete pozrieť na

O výhodách druhov polymérov a ich vlastnostiach môžete diskutovať na

Zaregistrujte svoju spoločnosť v Obchodnom adresári

V histórii vývoja technológie možno rozlíšiť dva dôležité smery:

  • vývoj nástrojov, štruktúr, mechanizmov a strojov,
  • vývoj materiálov.

Ťažko povedať, ktorý z nich je dôležitejší, pretože. sú dosť úzko prepojené, ale bez vývoja materiálov je technický pokrok v zásade nemožný. Nie je náhoda, že historici rozdeľujú rané civilizačné epochy na dobu kamennú, bronzovú a železnú.

Súčasné 21. storočie už možno pripísať dobe kompozitných materiálov (kompozitov).

Koncept kompozitných materiálov sa sformoval v polovici minulého, 20. storočia. Kompozity však vôbec nie sú novým fenoménom, ale iba novým pojmom, ktorý sformulovali materiáloví vedci, aby lepšie pochopili genézu moderných konštrukčných materiálov.

Kompozitné materiály sú známe už po stáročia. Napríklad v Babylone sa trstina používala na spevnenie hliny pri stavbe obydlí a starí Egypťania pridávali do hlinených tehál nasekanú slamu. V starovekom Grécku boli mramorové stĺpy zosilnené železnými tyčami pri stavbe palácov a chrámov. V rokoch 1555-1560 pri stavbe Chrámu Vasilija Blaženého v Moskve ruskí architekti Barma a Postnik použili kamenné dosky vystužené železnými pásmi. Železobetón a damaškové ocele možno nazvať priamymi predchodcami moderných kompozitných materiálov.

Existujú prírodné analógy kompozitných materiálov - drevo, kosti, škrupiny atď. Mnohé druhy prírodných minerálov sú vlastne kompozity. Sú nielen odolné, ale majú aj vynikajúce dekoratívne vlastnosti.

Kompozitné materiály- viaczložkové materiály pozostávajúce z plastovej základne - matrice a plnív, ktoré zohrávajú spevňujúce a niektoré ďalšie úlohy. Medzi fázami (zložkami) kompozitu existuje fázové rozhranie.

Kombinácia odlišných látok vedie k vytvoreniu nového materiálu, ktorého vlastnosti sa výrazne líšia od vlastností každej z jeho zložiek. Tie. znakom kompozitného materiálu je badateľný vzájomný vplyv jednotlivých prvkov kompozitu, t.j. ich nová kvalita, efekt.

Zmenou zloženia matrice a plniva, ich pomeru, použitím špeciálnych prídavných činidiel atď. sa získa široká škála materiálov s požadovaným súborom vlastností.

Veľký význam má umiestnenie prvkov kompozitného materiálu, a to ako v smeroch pôsobiacich zaťažení, tak aj voči sebe navzájom, t.j. poriadkumilovnosť. Vysokopevnostné kompozity majú spravidla vysoko usporiadanú štruktúru.

Jednoduchý príklad. Hrsť pilín hodená do vedra s cementovou maltou nijako neovplyvní jej vlastnosti. Ak sa polovica roztoku nahradí pilinami, hustota materiálu, jeho termofyzikálne konštanty, výrobné náklady a ďalšie ukazovatele sa výrazne zmenia. Hrsť polypropylénových vlákien však urobí betón odolným voči nárazom a opotrebovaniu a polovica vedra vlákna mu poskytne elasticitu, ktorá nie je vôbec charakteristická pre minerálne materiály.

V súčasnosti je v oblasti kompozitných materiálov (kompozitov) zvykom zaraďovať rôzne umelé materiály vyvinuté a implementované v rôznych odvetviach techniky a priemyslu, ktoré spĺňajú všeobecné princípy tvorby kompozitných materiálov.

Prečo je práve teraz záujem o kompozitné materiály? Pretože tradičné materiály už nie vždy alebo úplne nevyhovujú potrebám modernej strojárskej praxe.

Matricami v kompozitných materiáloch sú kovy, polyméry, cementy a keramika. Ako plnivá sa používa široká škála umelých a prírodných látok v rôznych formách (veľkorozmerné, plošné, vláknité, disperzné, jemne disperzné, mikrodispergované, nanočastice).

Sú tiež známe viaczložkové kompozitné materiály, vrátane:

  • polymatrix, keď je niekoľko matríc kombinovaných v jednom kompozitnom materiáli,
  • hybrid, vrátane niekoľkých rôznych plnív, z ktorých každý má svoju vlastnú úlohu.

Plnivo spravidla určuje pevnosť, tuhosť a deformovateľnosť kompozitu, zatiaľ čo matrica zabezpečuje jeho pevnosť, prenos napätia a odolnosť voči rôznym vonkajším vplyvom.

Osobitné miesto zaujímajú dekoratívne kompozitné materiály s výraznými dekoratívnymi vlastnosťami.

Vyvíjajú sa kompozitné materiály so špeciálnymi vlastnosťami, napríklad rádiotransparentné materiály a materiály pohlcujúce rádioaktívne žiarenie, materiály na tepelnú ochranu orbitálnych kozmických lodí, materiály s nízkym koeficientom lineárnej tepelnej rozťažnosti a vysokým špecifickým modulom pružnosti a iné.

Kompozitné materiály sa používajú vo všetkých oblastiach vedy, techniky, priemyslu, vr. v bytovom, priemyselnom a špeciálnom stavebníctve, všeobecnom a špeciálnom strojárstve, hutníctve, chemickom priemysle, energetike, elektronike, domácich spotrebičoch, výrobe odevov a obuvi, medicíne, športe, umení a pod.

Štruktúra kompozitných materiálov.

Podľa mechanickej štruktúry sa kompozity delia do niekoľkých hlavných tried: vláknité, vrstvené, disperzne spevnené, časticami spevnené a nanokompozity.

Vláknité kompozity sú vystužené vláknami alebo fúzmi. Aj malý obsah plniva v kompozitoch tohto typu vedie k výraznému zlepšeniu mechanických vlastností materiálu. Vlastnosti materiálu sa môžu tiež značne meniť zmenou orientácie veľkosti a koncentrácie vlákien.

V laminovaných kompozitných materiáloch sú matrica a plnivo usporiadané vo vrstvách, ako napríklad v triplexoch, preglejkách, lepených drevených štruktúrach a laminátoch.

Mikroštruktúra iných tried kompozitných materiálov sa vyznačuje tým, že matrica je vyplnená výstužnými časticami a líšia sa veľkosťou častíc. V kompozitoch vystužených časticami je ich veľkosť väčšia ako 1 mikrón a obsah je 20-25 % (objemových), zatiaľ čo disperzne spevnené kompozity obsahujú od 1 do 15 % (objemových) častíc s veľkosťou od 0,01 do 0,1 um. Veľkosti častíc, ktoré tvoria nanokompozity, sú ešte menšie a dosahujú 10-100 nm.

Niektoré bežné kompozity

betóny- najbežnejšie kompozitné materiály. V súčasnosti sa vyrába veľké množstvo betónov, ktoré sa líšia zložením a vlastnosťami. Moderné betóny sa vyrábajú ako na tradičných cementových matriciach, tak aj na polymérnych (epoxidové, polyesterové, fenolformaldehydové, akrylátové atď.). Moderné vysokohodnotné betóny sa pevnosťou blížia kovom. Dekoratívny betón sa stáva populárnym.

Organoplastika- kompozity, v ktorých slúžia organické syntetické plnivá, menej často prírodné a umelé vlákna vo forme zväzkov, nití, tkanín, papiera a pod. V termosetových organoplastoch spravidla slúžia ako matrica epoxidové, polyesterové a fenolové živice, ako aj polyimidy. Organoplasty majú nízku hustotu, sú ľahšie ako plasty zo sklenených a uhlíkových vlákien a majú relatívne vysokú pevnosť v ťahu; vysoká odolnosť proti nárazu a dynamickému zaťaženiu, ale zároveň nízka pevnosť v tlaku a ohybe. Najbežnejšími organoplastmi sú drevené kompozitné materiály. Z hľadiska výroby sú organoplasty lepšie ako oceľ, hliník a plasty.

V poslednej dobe sa v zahraničnej literatúre stali populárnymi nové pojmy - biopolyméry, bioplasty a podľa toho aj biokompozity.

Drevené kompozitné materiály. Medzi najbežnejšie drevené kompozity patria arbolity, xylolity, cementotrieskové dosky, lepené drevené konštrukcie, preglejky a ohýbané lepené diely, plasty na báze dreva, drevotrieskové dosky a drevovláknité dosky a nosníky, lisy na drevo a lisovacie prášky, termoplastické drevopolymérové ​​kompozity.

sklolaminát- polymérne kompozitné materiály vystužené sklenenými vláknami, ktoré sú lisované z roztaveného anorganického skla. Ako matrica sa najčastejšie používajú ako termosetové syntetické živice (fenolové, epoxidové, polyesterové a pod.), tak aj termoplastické polyméry (polyamidy, polyetylén, polystyrén atď.). Sklolaminát má vysokú pevnosť, nízku tepelnú vodivosť, vysoké elektrické izolačné vlastnosti, navyše sú transparentné pre rádiové vlny. Vrstvený materiál, v ktorom sa ako výplň používa tkanina utkaná zo sklenených vlákien, sa nazýva sklolaminát.

CFRP- plnivom v týchto polymérových kompozitoch sú uhlíkové vlákna. Uhlíkové vlákna sa získavajú zo syntetických a prírodných vlákien na báze celulózy, kopolymérov akrylonitrilu, ropných a uhoľných dechtov atď. Matrice z uhlíkových vlákien môžu byť termosetové aj termoplastické polyméry. Hlavnými výhodami plastov vystužených uhlíkovými vláknami v porovnaní so sklolaminátmi je ich nízka hustota a vyšší modul pružnosti, plasty vystužené uhlíkovými vláknami sú veľmi ľahké a zároveň odolné materiály.

Na báze uhlíkových vlákien a uhlíkovej matrice vznikajú kompozitné uhlíkovo-grafitové materiály - tepelne najodolnejšie kompozitné materiály (plasty s uhlíkovými vláknami), ktoré dlhodobo odolávajú teplotám do 3000 °C v inertnom alebo redukčnom prostredí.

Boroplastika- kompozitné materiály obsahujúce bórové vlákna ako plnivo uložené v termosetovej polymérnej matrici, pričom vlákna môžu byť buď vo forme monofilamentov, alebo vo forme zväzkov opletených pomocnou sklenenou niťou alebo páskami, v ktorých sú bórové vlákna prepletené inými vláknami . Použitie bórových plastov je limitované vysokými nákladmi na výrobu bórových vlákien, preto sa používajú najmä v letectve a kozmickej technike na diely dlhodobo namáhané v agresívnom prostredí.

Lisovacie prášky (lisovacie hmoty). Je známych viac ako 10 000 druhov plnených polymérov. Plnivá sa používajú na zníženie nákladov na materiál a na dodanie špeciálnych vlastností. Plnený polymér prvýkrát vyrobil Dr. Baekeland (Leo H. Baekeland, USA), ktorý objavil na začiatku 20. storočia. spôsob syntézy fenolformaldehydovej (bakelitovej) živice. Samotná táto živica je krehká látka s nízkou pevnosťou. Baekeland zistil, že pridanie vlákien, najmä drevitej múčky, do živice pred vytvrdnutím zvyšuje jej pevnosť. Materiál, ktorý vytvoril - bakelit - si získal veľkú obľubu. Technológia jeho prípravy je jednoduchá: zmes čiastočne vytvrdeného polyméru a plniva - lisovacieho prášku - nenávratne vytvrdne vo forme pod tlakom. Prvý sériový produkt bol vyrobený touto technológiou v roku 1916, ide o hlavicu radiacej páky automobilu Rolls-Royce. Plnené termosetové polyméry sú široko používané v širokej škále technických oblastí. Na plnenie termosetových a termoplastických polymérov sa používajú rôzne plnivá - drevná múčka, kaolín, krieda, mastenec, sľuda, sadze, sklolaminát, čadičové vlákno atď.

Textolity- laminované plasty vystužené tkaninami z rôznych vlákien. Technológia výroby textolitov bola vyvinutá v 20. rokoch 20. storočia. na báze fenolformaldehydovej živice. Tkanina sa impregnuje živicou, potom sa lisuje pri zvýšenej teplote, čím sa získajú textolitové dosky alebo tvarované výrobky. Spojivá v textolitoch predstavujú širokú škálu termosetových a termoplastických polymérov a niekedy aj anorganických spojív na báze silikátov a fosfátov. Ako plnivo sa používajú tkaniny zo širokej škály vlákien - bavlna, syntetika, sklo, uhlík, azbest, čadič atď. V súlade s tým sú vlastnosti a použitie textolitov rôznorodé.

Kompozitné materiály s kovovou matricou. Pri vytváraní kompozitov na báze kovu sa ako matrica používa hliník, horčík, nikel, meď atď. Plnivo sú vysokopevnostné vlákna, žiaruvzdorné častice rôznej jemnosti, whiskerové monokryštály oxidu hlinitého, oxidu berýlia, karbidy bóru a kremíka, nitridy hliníka a kremíka atď. 0,3-15 mm dlhé a 1-30 µm v priemere.

Hlavné výhody kompozitných materiálov s kovovou matricou v porovnaní s bežným (nevystuženým) kovom sú: zvýšená pevnosť, zvýšená tuhosť, zvýšená odolnosť proti opotrebeniu, zvýšená odolnosť proti tečeniu.

Kompozitné materiály na báze keramiky. Vystuženie keramických materiálov vláknami, ako aj kovovými a keramickými disperznými časticami, umožňuje získať vysokopevnostné kompozity, avšak rozsah vlákien vhodných na vystuženie keramiky je obmedzený vlastnosťami východiskového materiálu. Často sa používajú kovové vlákna. Odolnosť v ťahu sa mierne zvyšuje, ale zvyšuje sa odolnosť proti tepelným šokom - materiál pri zahrievaní menej praská, ale sú prípady, keď pevnosť materiálu klesá. Závisí to od pomeru koeficientov tepelnej rozťažnosti matrice a plniva.

Vystuženie keramiky rozptýlenými kovovými časticami vedie k novým materiálom (cermetom) so zvýšenou životnosťou, odolnosťou proti tepelným šokom a zvýšenou tepelnou vodivosťou. Z vysokoteplotných cermetov sa vyrábajú diely pre plynové turbíny, armatúry pre elektrické pece, diely pre raketovú a prúdovú techniku. Na výrobu rezných nástrojov a dielov sa používajú tvrdé cermety odolné voči opotrebovaniu. Okrem toho sa cermety používajú v špeciálnych oblastiach techniky - sú to palivové články jadrových reaktorov na báze oxidu uránu, trecie materiály pre brzdové zariadenia atď.

kompozitný materiál sudlal, kompozitný materiál impex
Kompozitný materiál(KM), zložený- umelo vytvorený nehomogénny pevný materiál, pozostávajúci z dvoch alebo viacerých zložiek s jasným rozhraním medzi nimi. Vo väčšine kompozitov (s výnimkou vrstvených) možno zložky rozdeliť na matricu (alebo spojivo) a v nej obsiahnuté výstužné prvky (alebo plnivá). V kompozitoch na konštrukčné účely výstužné prvky zvyčajne poskytujú potrebné mechanické vlastnosti materiálu (pevnosť, tuhosť atď.) A matrica zabezpečuje spoločnú činnosť výstužných prvkov a chráni ich pred mechanickým poškodením a agresívnym chemickým prostredím.

Mechanické správanie kompozície je určené pomerom vlastností výstužných prvkov a matrice, ako aj pevnosťou väzieb medzi nimi. Charakteristiky a vlastnosti vytvoreného produktu závisia od výberu počiatočných komponentov a technológie ich kombinácie.

Kombináciou výstužných prvkov a matrice sa vytvorí kompozícia, ktorá má súbor vlastností, ktoré odrážajú nielen počiatočné vlastnosti jej komponentov, ale aj nové vlastnosti, ktoré jednotlivé komponenty nemajú. Napríklad prítomnosť rozhraní medzi výstužnými prvkami a matricou výrazne zvyšuje odolnosť materiálu proti praskaniu a v kompozíciách, na rozdiel od homogénnych kovov, zvýšenie statickej pevnosti nevedie k zníženiu, ale spravidla k zvýšenie charakteristík lomovej húževnatosti.

Na vytvorenie kompozície sa používajú rôzne výstužné plnivá a matrice. Ide o getinax a textolit (laminované plasty z papiera alebo tkaniny zlepené termosetovým lepidlom), sklenené a grafitové plasty (látka alebo navinuté vlákno zo skla alebo grafitu impregnované epoxidovými lepidlami), preglejky. Existujú materiály, v ktorých je tenké vlákno vyrobené z vysokopevnostných zliatin vyplnené hliníkovou hmotou. Bulat je jedným z najstarších kompozitných materiálov. najtenšie vrstvy (niekedy vlákna) z ocele s vysokým obsahom uhlíka sú „zlepené“ mäkkým železom s nízkym obsahom uhlíka.

Materiáloví vedci experimentujú s cieľom vytvoriť materiály, ktoré sú pohodlnejšie na výrobu, a teda lacnejšie. Študujú sa samorastúce kryštalické štruktúry zlepené do jednej hmoty polymérnym lepidlom (cementy s prísadami vo vode rozpustných lepidiel), termoplastické kompozície s krátkymi výstužnými vláknami atď.

  • 1 Klasifikácia kompozitov
  • 2 Výhody kompozitných materiálov
  • 3 Nevýhody kompozitných materiálov
    • 3.1 Vysoké náklady
    • 3.2 Anizotropia vlastností
    • 3.3 Nízka rázová húževnatosť
    • 3.4 Vysoký špecifický objem
    • 3.5 Hygroskopickosť
    • 3.6 Toxicita
    • 3.7 Zlá údržba
  • 4 Aplikácie
    • 4.1 Spotrebný tovar
    • 4.2 Športové vybavenie
    • 4.3 Medicína
    • 4.4 Strojárstvo
      • 4.4.1 Charakteristika
      • 4.4.2 Špecifikácie
      • 4.4.3 Technické a ekonomické výhody
      • 4.4.4 Aplikácie technológie
    • 4.5 Letectvo a kozmonautika
    • 4.6 Výzbroj a vojenská technika
  • 5 Pozri tiež
  • 6 Poznámky
  • 7 Literatúra
  • 8 Odkazy

Klasifikácia kompozitov

Kompozity sa zvyčajne klasifikujú podľa typu výstužného plniva:

  • vláknité (spevňujúca zložka - vláknité štruktúry);
  • vrstvené;
  • plnené plasty (výstužný komponent - častice)
    • objemové (homogénne),
    • kostrové (počiatočné štruktúry vyplnené spojivom).

Kompozity sa niekedy klasifikujú aj podľa materiálu matrice:

  • kompozity s polymérovou matricou,
  • kompozity s keramickou matricou,
  • kompozity s kovovou matricou,
  • oxid-oxidové kompozity.

Výhody kompozitných materiálov

Hlavnou výhodou CM je, že materiál a štruktúra sa vytvárajú súčasne. Výnimkou sú predimpregnované lamináty, ktoré sú polotovarom na výrobu konštrukcií.

Hneď je potrebné poznamenať, že CM sú vytvorené na vykonávanie týchto úloh, preto nemôžu obsahovať všetky možné výhody, ale pri navrhovaní nového kompozitu môže inžinier voľne nastaviť charakteristiky, ktoré sú výrazne lepšie ako vlastnosti tradičných materiálov. pri plnení tohto cieľa v tomto mechanizme, ale v iných aspektoch sú im podriadené. To znamená, že CM nemôže byť vo všetkom lepší ako tradičný materiál, to znamená, že pre každý výrobok inžinier vykoná všetky potrebné výpočty a až potom vyberie medzi materiálmi optimum pre výrobu.

  • vysoká špecifická pevnosť (pevnosť 3500 MPa)
  • vysoká tuhosť (modul pružnosti 130…140 - 240 GPa)
  • vysoká odolnosť proti opotrebovaniu
  • vysoká únavová pevnosť
  • z CM je možné vyrobiť rozmerovo stále konštrukcie
  • ľahkosť

Okrem toho môžu mať rôzne triedy kompozitov jednu alebo viacero výhod. Niektoré výhody nie je možné dosiahnuť súčasne.

Nevýhody kompozitných materiálov

Kompozitné materiály majú pomerne veľké množstvo nevýhod, ktoré bránia ich distribúcii.

Vysoká cena

Vysoké náklady na CM sú spôsobené vysokou vedeckou intenzitou výroby, potrebou používať špeciálne drahé zariadenia a suroviny a následne rozvinutou priemyselnou výrobou a vedeckou základňou krajiny. To však platí len vtedy, keď kompozity nahrádzajú jednoduché valcované výrobky zo železných kovov. V prípade ľahkých výrobkov vyhrávajú výrobky zložitého tvaru, výrobky odolné voči korózii, výrobky s vysokou pevnosťou dielektrika, kompozity. Okrem toho sú náklady na kompozitné výrobky často nižšie ako na analógy vyrobené z neželezných kovov alebo nehrdzavejúcej ocele.

Anizotropia vlastnosti

Anizotropia je závislosť vlastností CM od výberu smeru merania. Napríklad modul pružnosti jednosmerného uhlíkového vlákna pozdĺž vlákien je 10-15 krát vyšší ako v priečnom smere.

Na kompenzáciu anizotropie sa zvyšuje bezpečnostný faktor, ktorý môže neutralizovať výhodu CM v špecifickej sile. Ako taký príklad môžu slúžiť skúsenosti s použitím CM pri výrobe vertikálneho chvosta stíhačky MiG-29. Vzhľadom na anizotropiu použitého KM bol vertikálny chvost navrhnutý s bezpečnostným faktorom, ktorý je násobkom štandardného faktora v letectve 1,5, čo v konečnom dôsledku viedlo k tomu, že kompozitný vertikálny chvost MiGu-29 hmotnosť sa rovná dizajnu klasického vertikálneho chvosta vyrobeného z duralu.

V mnohých prípadoch je však anizotropia vlastností užitočná. Napríklad rúry pracujúce pri vnútornom tlaku sú vystavené dvojnásobnému medznému namáhaniu v obvodovom smere v porovnaní s axiálnym. Potrubie preto nemusí mať rovnakú pevnosť vo všetkých smeroch. Pri kompozitoch sa dá tento stav jednoducho zabezpečiť zdvojením výstuže v obvodovom smere oproti osovému.

Nízka rázová húževnatosť

Nízka rázová húževnatosť je tiež dôvodom potreby zvýšenia miery bezpečnosti. Nízka rázová húževnatosť navyše spôsobuje vysoké poškodenie výrobkov CM, vysokú pravdepodobnosť výskytu skrytých chýb, ktoré je možné odhaliť len inštrumentálnymi metódami kontroly.

Vysoký špecifický objem

Vysoký špecifický objem je značnou nevýhodou pri použití CM v oblastiach s výraznými obmedzeniami obsadeného objemu. Týka sa to napríklad oblasti nadzvukového letectva, kde aj mierny nárast objemu lietadla vedie k výraznému zvýšeniu aerodynamického odporu vĺn.

Hygroskopickosť

Kompozitné materiály sú hygroskopické, to znamená, že majú tendenciu absorbovať vlhkosť, čo je spôsobené diskontinuitou vnútornej štruktúry CM. Pri dlhodobej prevádzke a opakovaných prechodoch teplôt cez 0 Celzia voda prenikajúca do štruktúry CM zvnútra ničí CM produkt (efekt je svojou povahou podobný deštrukcii ciest mimo sezóny). Pre spravodlivosť treba poznamenať, že táto nevýhoda sa týka kompozitov prvej generácie, ktoré mali nedostatočne účinnú priľnavosť spojiva k plnivu, ako aj veľký objem dutín v matrici spojiva. Moderné typy kompozitov s vysokou priľnavosťou spojiva k plnivu (dosiahnuté použitím špeciálnych mazív), získané vákuovým formovaním s minimálnym množstvom kaverien zvyškového plynu, nepodliehajú tejto nevýhode, čo umožňuje najmä stavať kompozitné lode, vyrábať kompozitné výstuže a kompozitné podpery pre nadzemné elektrické vedenia.

CM však môžu absorbovať iné vysoko penetrujúce kvapaliny, ako je letecký petrolej alebo iné ropné produkty.

Toxicita

Počas prevádzky môžu CM uvoľňovať výpary, ktoré sú často toxické. Ak sú výrobky vyrobené z CM, ktoré sa budú nachádzať v tesnej blízkosti osoby (takýmto príkladom môže byť kompozitný trup lietadla Boeing 787 Dreamliner), na schválenie materiálov sú potrebné ďalšie štúdie vplyvu komponentov CM na ľudí. používané pri výrobe CM.

Vyrobiteľnosť s nízkou údržbou

Kompozitné materiály môžu mať nízku prevádzkovú vyrobiteľnosť, nízku udržiavateľnosť a vysoké prevádzkové náklady. Je to spôsobené potrebou používať špeciálne metódy náročné na prácu (a niekedy aj manuálnu prácu), špeciálne nástroje na finalizáciu a opravu predmetov z CM. Výrobky od KM často nepodliehajú žiadnemu zdokonaľovaniu a opravám.

Oblasti použitia

Spotrebný tovar

  • Železobetón je jedným z najstarších a najjednoduchších kompozitných materiálov.
  • Rybárske prúty vyrobené zo sklolaminátu a uhlíkových vlákien
  • laminátové člny
  • Automobilové pneumatiky
  • Kovové kompozity

Športové vybavenie

Kompozity sa v športe pevne etablovali: pre vysoké úspechy je potrebná vysoká pevnosť a nízka hmotnosť a cena nehrá osobitnú úlohu.

  • Bicykle
  • Lyžiarske vybavenie - palice a lyže
  • Hokejky a korčule
  • Kajaky, kanoe a pádla
  • Časti karosérie pre pretekárske autá a motocykle
  • Prilby

Liek

Materiál na zubné výplne. Plastová matrica slúži na dobrú plniteľnosť, plnivo zo sklenených častíc zvyšuje odolnosť proti opotrebeniu.

mechanické inžinierstvo

V strojárstve sa na výrobu široko používajú kompozitné materiály ochranné nátery na trecích plochách, ako aj na výrobu rôznych častí spaľovacích motorov (piesty, ojnice).

Charakteristický

Táto technológia sa používa na vytváranie dodatočných ochranných povlakov na povrchoch v trecích pároch oceľ-guma. Aplikácia technológie umožňuje zvýšiť pracovný cyklus tesnení a hriadeľov priemyselných zariadení pracujúcich vo vodnom prostredí.

Kompozitné materiály sa skladajú z niekoľkých funkčne odlišných materiálov. Základom anorganických materiálov sú kremičitany horčíka, železa a hliníka modifikované rôznymi prísadami. Fázové prechody v týchto materiáloch sa vyskytujú pri dostatočne vysokom lokálnom zaťažení blízkom konečnej pevnosti kovu. Zároveň sa na povrchu v zóne vysokého lokálneho zaťaženia vytvára vysokopevnostná cermetová vrstva, vďaka ktorej je možné meniť štruktúru kovového povrchu.

Polymérne materiály na báze polytetrafluóretylénov sú modifikované ultradisperznými diamantovo-grafitovými práškami získanými z výbušných materiálov, ako aj ultrajemnými práškami mäkkých kovov. Plastifikácia materiálu sa uskutočňuje pri relatívne nízkych (menej ako 300 °C) teplotách.

Organokovové materiály odvodené od prírodných mastných kyselín obsahujú značné množstvo kyslých funkčných skupín. Vďaka tomu môže byť interakcia s povrchovými kovovými atómami uskutočňovaná v pokojovom režime. Trecia energia urýchľuje proces a stimuluje výskyt priečnych väzieb.

technické údaje

Ochranný náter, v závislosti od zloženia kompozitného materiálu, môže byť charakterizovaný nasledujúcimi vlastnosťami:

  • hrúbka do 100 mikrónov;
  • trieda čistoty povrchu šachty (do 9);
  • majú póry s veľkosťou 1 - 3 mikróny;
  • koeficient trenia do 0,01;
  • vysoká priľnavosť k povrchu kovu a gumy.

Technické a ekonomické výhody

  • V zóne vysokého lokálneho zaťaženia sa na povrchu vytvára vysokopevnostná cermetová vrstva;
  • Vrstva vytvorená na povrchu polytetrafluóretylénov má nízky koeficient trenia a nízku odolnosť proti abrazívnemu opotrebovaniu;
  • Kovovo-organické povlaky sú mäkké, majú nízky koeficient trenia, porézny povrch, hrúbka prídavnej vrstvy je niekoľko mikrónov.

Oblasti použitia technológie

  • nanesenie tesnení na pracovnú plochu, aby sa znížilo trenie a vytvorila sa separačná vrstva, ktorá zabraňuje prilepeniu gumy na hriadeľ počas doby odpočinku.
  • vysokorýchlostné spaľovacie motory pre automobilovú a leteckú konštrukciu.

Letectvo a kozmonautika

Od 60. rokov 20. storočia existuje v letectve a kozmonautike naliehavá potreba výroby pevných, ľahkých a opotrebenia odolných štruktúr. Kompozitné materiály sa používajú na výrobu nosných konštrukcií lietadiel, umelých družíc, tepelne izolačných náterov pre raketoplány, kozmické sondy. Čoraz častejšie sa kompozity používajú na výrobu plášťov leteckých a kozmických dopravných prostriedkov a na najviac zaťažované nosné prvky.

Výzbroj a vojenská technika

Vďaka svojim vlastnostiam (pevnosť a ľahkosť) sa KM používajú vo vojenských záležitostiach na výrobu rôznych typov brnenia:

  • nepriestrelná vesty (pozri tiež kevlar)
  • pancier pre vojenské vozidlá

Až do 4. stor pred Kr e. boli široko používané ako súčasť lukov ako zbrane.

pozri tiež

  • Kompozitná výstuž
  • hybridný materiál

Poznámky

  1. J. Lubin. 1.2 Termíny a definície // Príručka kompozitných materiálov: 2 knihy = Príručka kompozitov. - M.: Mashinostroenie, 1988. - T. 1. - 448 s. - ISBN 5-217-00225-5.

Literatúra

  • Kerber ML, polymérne kompozitné materiály. Štruktúra. Vlastnosti. technológie. - Petrohrad: Profesia, 2008. - 560 s.
  • Vasiliev VV, Mechanika štruktúr vyrobených z kompozitných materiálov. - M.: Mashinostroenie, 1988. - 272 s.
  • Karpinos D. M., Kompozitné materiály. Adresár. - Kyjev, Naukova Dumka

Odkazy

  • Journal of Mechanics of Composite Materials and Structures
  • "Kompozity z vedeckého mesta"
  • "Technológia čierneho krídla"

kompozitný materiál impex, kompozitný materiál sudlal, kompozitný materializmus, veda o kompozitných materiáloch

Informácie o kompozitnom materiáli O



Sekcie