doma
Cevovod
Uporaba kompozitnih materialov v obrambni in vesoljski industriji. Kompozitni materiali

Uporaba kompozitnih materialov v obrambni in vesoljski industriji. Kompozitni materiali

Kompozitni materiali - umetno ustvarjeni materiali, ki so sestavljeni iz dveh ali več komponent, ki se razlikujejo po sestavi in ​​so ločene z izrazito mejo ter imajo vnaprej oblikovane nove lastnosti.

Sestavni deli kompozitnega materiala so geometrijsko različni. Imenuje se komponenta, ki je neprekinjena skozi celotno prostornino kompozitnega materiala matriko. Prekinjena komponenta, ločena v prostornini kompozitnega materiala, se imenuje pribor. Matrica daje izdelku želeno obliko, vpliva na ustvarjanje lastnosti kompozitnega materiala, ščiti ojačitev pred mehanskimi poškodbami in drugimi vplivi okolja.

Kot matrice v kompozitnih materialih se lahko uporabljajo organski in anorganski polimeri, keramika, ogljik in drugi materiali. Lastnosti matrice določajo tehnološke parametre postopka pridobivanja sestave in njene lastnosti: gostoto, specifično trdnost, delovno temperaturo, odpornost proti utrujenosti in izpostavljenost agresivnim medijem. Ojačitvene ali ojačitvene komponente so enakomerno razporejene v matrici. Praviloma imajo visoko in v teh kazalcih znatno presegajo matriko. Namesto izraza ojačitvena komponenta se lahko uporabi izraz polnilo.

Razvrstitev kompozitnih materialov

Glede na geometrijo polnila so kompozitni materiali razdeljeni v tri skupine:

  • z ničdimenzionalnimi polnili, katerih dimenzije v treh dimenzijah so enakega vrstnega reda;
  • z enodimenzionalnimi polnili, katerih ena dimenzija bistveno presega drugi dve;
  • z dvodimenzionalnimi polnili, katerih dve dimenziji sta bistveno večji od tretje.

Glede na razporeditev polnil ločimo tri skupine kompozitnih materialov:

  • z enoosno (linearno) razporeditvijo polnila v obliki vlaken, niti, brkov v matrici vzporedno drug z drugim;
  • z dvoosno (planarno) razporeditvijo ojačitvenega polnila, preprog za brkove, folije v matrici v vzporednih ravninah;
  • s triosno (volumetrično) razporeditvijo ojačitvenega polnila in odsotnostjo prevladujoče smeri na njegovi lokaciji.

Glede na naravo komponent so kompozitni materiali razdeljeni v štiri skupine:

  • kompozitni materiali, ki vsebujejo sestavine kovin ali zlitin;
  • kompozitni materiali, ki vsebujejo sestavino anorganskih spojin oksidov, karbidov, nitridov itd.;
  • kompozitni materiali, ki vsebujejo sestavino nekovinskih elementov, ogljik, bor itd.;
  • kompozitni materiali, ki vsebujejo sestavino organskih spojin epoksida, poliestra, fenola itd.

Lastnosti kompozitnih materialov niso odvisne le od fizikalno-kemijskih lastnosti komponent, temveč tudi od trdnosti vezi med njimi. Največja trdnost je dosežena, če ali se pojavi med matriko in armaturo.

V kompozitnih materialih z ničdimenzionalno polnilo najbolj razširjena kovinska matrica. Sestavine na osnovi kovin so ojačane z enakomerno razporejenimi razpršenimi delci različne finosti. Ti materiali so različni.

V takšnih materialih matrica zazna celotno obremenitev, razpršeni delci polnila pa preprečujejo razvoj plastične deformacije. Učinkovito utrjevanje se doseže pri vsebnosti 5...10% delcev polnila. Ojačitvena polnila so delci ognjevzdržnih oksidov, nitridov, boridov, karbidov. Disperzijsko ojačane kompozitne materiale pridobivamo z metodami prašne metalurgije ali pa v talino tekoče kovine ali zlitine vnesemo ojačitvene praškaste delce.

Kompozitni materiali na osnovi, ojačani z delci aluminijevega oksida (Al 2 O 3), so našli industrijsko uporabo. Pridobivajo se s stiskanjem aluminijevega prahu, ki mu sledi sintranje (SAP). Prednosti SAP se pokažejo pri temperaturah nad 300 o C, ko se aluminijeve zlitine zmehčajo. Disperzijsko utrjene zlitine ohranijo učinek utrjevanja do temperature 0,8 T pl.

SAP zlitine so zadovoljivo deformirane, enostavno obdelane, varjene in. Polizdelki so izdelani iz SAP v obliki listov, profilov, cevi, folije. Uporabljajo se za izdelavo lopatic kompresorjev, ventilatorjev in turbin, batnic.

V kompozitnih materialih z enodimenzionalna polnila trdilci so enodimenzionalni elementi v obliki brkov, vlaken, žice, ki jih matrica drži skupaj v en sam monolit. Pomembno je, da so močna vlakna enakomerno razporejena v plastični matrici. Za ojačitev kompozitnih materialov se uporabljajo neprekinjena diskretna vlakna z dimenzijami prečnega prereza od frakcij do sto mikrometrov.

Materiali, ojačani z brki, so bili ustvarjeni v zgodnjih sedemdesetih za letalske in vesoljske strukture. Glavni način za gojenje brkov je gojenje iz prenasičene pare (PC proces). Za proizvodnjo posebej visoko trdnih brkov oksidov in drugih spojin se rast izvaja po P-L-C - mehanizmu: usmerjena rast kristalov poteka iz parnega stanja skozi vmesno tekočo fazo.

Filamentni kristali nastanejo z vlečenjem tekočine skozi predilne mreže. Trdnost kristalov je odvisna od preseka in gladkosti površine.

Kompozitni materiali te vrste so obetavni kot. Za povečanje učinkovitosti toplotnih motorjev so lopatice plinske turbine izdelane iz nikljevih zlitin, ojačanih s safirnimi filamenti (Al 2 O 3), kar omogoča znatno povečanje temperature na vstopu v turbino (natezna trdnost safirnih kristalov pri temperaturi 1680 o C je nad 700 MPa).

Ojačitev raketnih šob iz prahov volframa in molibdena se proizvaja s safirnimi kristali tako v obliki klobučevine kot posameznih vlaken, zaradi česar je bilo mogoče podvojiti material pri temperaturi 1650 o C. Ojačitev impregnacijskega polimera steklenih tekstolitov z nitastimi vlakni povečuje njihovo trdnost. Ojačitev iz lite kovine jo zmanjša v strukturah. Obetavno je okrepiti steklo z neorientiranimi brki.

Za ojačitev kompozitnih materialov se uporablja kovinska žica iz različnih kovin: jeklo različne sestave, volfram, niobij, odvisno od delovnih pogojev. Jeklena žica se predela v pletene mreže, ki se uporabljajo za izdelavo kompozitnih materialov z ojačitvijo v dveh smereh.

Za ojačitev lahkih kovin se uporabljajo borova vlakna in silicijev karbid. Posebno dragocene lastnosti imajo ogljikova vlakna, ki se uporabljajo za ojačitev kovinskih, keramičnih in polimernih kompozitnih materialov.

Evtektični kompozitni materiali– zlitine evtektične ali blizu evtektične sestave, pri katerih so utrjevalna faza usmerjeni kristali, ki nastanejo v procesu usmerjene kristalizacije. Za razliko od običajnih kompozitnih materialov se evtektični materiali pridobijo v eni operaciji. Smerno usmerjeno strukturo lahko dobimo na že končnih izdelkih. Oblika nastalih kristalov je lahko v obliki vlaken ali plošč. Metode usmerjene kristalizacije proizvajajo kompozitne materiale na osnovi kobalta, niobija in drugih elementov, zato se uporabljajo v širokem temperaturnem območju.

Uporaba kompozitnih materialov v gradbeništvu

Poceni in vsestranski beton je eden najboljših gradbenih materialov v ponudbi. Kot pravi kompozit je tipičen beton sestavljen iz gramoza in peska, ki sta povezana skupaj v cementno matrico, s kovinsko armaturo, ki je običajno dodana za povečanje trdnosti. Beton je odličen pri stiskanju, vendar postane krhek in šibek pri napetosti. Natezne napetosti, pa tudi krčenje plastike med strjevanjem, vodijo do razpok, ki absorbirajo vodo, kar na koncu vodi do korozije kovinske armature in znatne izgube trdnosti betona, ko kovina odpove.

Kompozitna armatura se je na gradbenem trgu uveljavila zaradi dokazane odpornosti proti koroziji. Nove in posodobljene smernice za načrtovanje in testni protokoli inženirjem olajšajo izbiro ojačane plastike.

Umetne mase, ojačane z vlakni (steklena vlakna, bazalt), so že dolgo veljale za materiale za izboljšanje učinkovitosti betona.

V zadnjih 15 letih se je kompozitna armatura iz eksperimentalnega prototipa spremenila v učinkovit nadomestek za jeklo v številnih projektih, še posebej, ko cene jekla naraščajo.

Kompozitne mreže v montažnih betonskih ploščah: ogljikove epoksidne mreže C-GRID z visokim potencialom nadomeščajo tradicionalno jeklo ali armaturno palico v montažnih konstrukcijah kot sekundarno ojačitev.

C-GRID je groba mreža iz ogljikovih/epoksidnih smol. Uporablja se kot nadomestek za sekundarne jeklene mreže v betonskih ploščah in arhitekturnih aplikacijah. Velikost mreže se razlikuje glede na vrsto betona in agregata ter zahteve glede trdnosti plošč

Uporaba kratkih vlaken v betonu za izboljšanje njegovih lastnosti je že desetletja in celo stoletja uveljavljena tehnologija, glede na to, da so v rimskem cesarstvu malte utrdili s konjsko žimo. Ojačitev z vlakni povečuje trdnost in elastičnost betona (zmožnost plastične deformacije brez lomljenja) tako, da zadrži del obremenitve, ko je matrica poškodovana, in preprečuje rast razpok.

Dodatek vlaken omogoča, da se material plastično deformira in prenese natezne obremenitve.

Za izdelavo teh prednapetih mostnih nosilcev je bil uporabljen beton, ojačan z vlakni. Uporaba armature ni bila potrebna zaradi visoke elastičnosti in trdnosti materiala, ki so mu jo dala jeklena armaturna vlakna, dodana betonski mešanici.

Aluminijasti kompozitni material je plošča, sestavljena iz dveh aluminijastih listov in plastičnega ali mineralnega polnila med njima. Kompozitna struktura materiala mu daje lahkotnost in visoko trdnost v kombinaciji z elastičnostjo in odpornostjo na lom. Kemična in barvna površinska obdelava zagotavlja materialu odlično odpornost proti koroziji in temperaturnim nihanjem. Zaradi kombinacije teh edinstvenih lastnosti je aluminijev kompozitni material eden najbolj iskanih v gradbeništvu.

Aluminijev kompozit ima številne pomembne prednosti, ki zagotavljajo njegovo rastočo priljubljenost kot zaključni material vsako leto.

Najmanjša teža v kombinaciji z visoko togostjo. Za aluminijaste kompozitne plošče je značilna majhna teža zaradi uporabe aluminijastih pokrivnih plošč in lahkega jedrnega sloja v kombinaciji z visoko togostjo, ki jo daje kombinacija zgornjih materialov. V smislu uporabe na fasadnih konstrukcijah ta okoliščina ugodno loči aluminijeve kompozitne materiale od alternativnih materialov, kot so aluminij in jeklo, keramični granit, vlaknocementne plošče. Uporaba aluminijevega kompozitnega materiala bistveno zmanjša skupno težo prezračevane fasadne konstrukcije. kompozitni beton aluminij kovina

Aluminijev kompozitni material je odporen na zvijanje. Razlog je nanos zgornje plasti z valjanjem. Ravnost je zagotovljena z uporabo valjanja namesto običajnega stiskanja, kar daje visoko enakomernost nanosa sloja. Največja ravnost je 2 mm na 1220 mm dolžine, kar je 0,16 % slednje.

  • - Odpornost laka na vplive okolja. Zaradi izjemno stabilne večslojne prevleke material dolgo časa ne izgubi barvne intenzivnosti pod vplivom sončne svetlobe in agresivnih atmosferskih komponent.
  • - Široka paleta barv in tekstur. Material je izdelan s prevleko iz lakov: enobarvne in kovinske barve v poljubni paleti barv in odtenkov, premazi z efektom kamna in lesa. Poleg tega se proizvajajo plošče s prevleko "krom", "zlato", plošče s teksturirano površino, plošče s poliranim premazom iz nerjavečega jekla, titana in bakra.

Aluminijaste kompozitne plošče imajo kompleksno strukturo, ki jo tvorijo aluminijaste pločevine in polnilo za jedro. Kombinacija teh materialov zagotavlja ploščam togost v kombinaciji z elastičnostjo, zaradi česar so aluminijasti kompozitni materiali odporni na obremenitve in deformacije, ki jih povzroča okolje. Material zelo dolgo ne izgubi svojih lastnosti.

Odpornost materiala proti koroziji je določena z uporabo plošč iz aluminijeve zlitine v strukturi plošče, zaščitene z večslojnim premazom barve in laka. V primeru poškodbe prevleke je površina pločevine zaščitena s tvorbo oksidnega filma.

Kompozitna struktura plošče iz aluminijastega kompozitnega materiala zagotavlja dobro zvočno izolacijo z absorbiranjem zvočnih valov in vibracij.

Plošče so zlahka primerne za takšne vrste mehanske obdelave, kot so upogibanje, rezanje, rezkanje, vrtanje, valjanje, varjenje, lepljenje, ne da bi poškodovali prevleko in kršili strukturo materiala. Pri obremenitvah, ki nastanejo v procesu upogibanja plošč, vključno s polmerom, ni razslojevanja plošč ali kršitev površinskih plasti, kot so razpoke aluminijaste pločevine in laka. Med tovarniško proizvodnjo so plošče zaščitene pred mehanskimi poškodbami s posebnim filmom, ki se po zaključku montažnih del odstrani.

Plošče zlahka prevzamejo skoraj vsako dano obliko, kot je polmer. Primernost materiala za spajkanje omogoča doseganje kompleksne geometrije izdelkov, kar je nemogoče pri nobenem drugem obložnem materialu, razen pri aluminiju, pred katerim po teži znatno zmagajo aluminijevi kompozitni materiali.

Uporaba aluminijevega kompozitnega materiala omogoča izdelavo oblog različnih velikosti in oblik, zaradi česar je ta material nepogrešljiv pri reševanju kompleksnih arhitekturnih problemov.

  • - Dolga življenjska doba. aluminijevih kompozitnih materialov so dolgo časa odporni na vplive okolja, kot so sončna svetloba, padavine, vetrne obremenitve, temperaturna nihanja, zahvaljujoč uporabi stabilne prevleke ter kombinaciji togosti in elastičnosti, dosežene v materialu. Ocenjena življenjska doba plošč na prostem je približno 50 let.
  • - Minimalna skrb med delovanjem. Prisotnost visokokakovostnega premaza prispeva k samočiščenju plošč pred zunanjimi onesnaževalci. Poleg tega so plošče enostavne za čiščenje z neagresivnimi čistili.

Dve obetavni poti se odpirajo s kompozitnimi materiali, ojačanimi z vlakni ali razpršenimi trdnimi snovmi.

Pri prvem so najboljša vlakna visoke trdnosti, izdelana iz stekla, ogljika, bora, berilija, jekla ali monokristalov, vnesena v anorgansko kovinsko ali organsko polimerno matrico. Kot rezultat te kombinacije je največja trdnost združena z visokim modulom elastičnosti in nizko gostoto. Takšni materiali prihodnosti so kompozitni materiali.

Kompozitni material je konstrukcijski (kovinski ali nekovinski) material, v katerem so ojačitveni elementi v obliki niti, vlaken ali kosmičev iz bolj trpežnega materiala. Primeri kompozitnih materialov: plastika, ojačana z borom, ogljikom, steklenimi vlakni, predivo ali tkaninami na njihovi osnovi; aluminij ojačan z jeklenimi filamenti, berilij.

Z združevanjem volumske vsebnosti komponent je mogoče pridobiti kompozitne materiale z zahtevanimi vrednostmi trdnosti, toplotne odpornosti, modula elastičnosti, odpornosti proti obrabi, pa tudi ustvariti kompozicije s potrebnimi magnetnimi, dielektričnimi, radijsko absorbcijskimi in drugimi posebnimi. lastnosti.

Vsi ti kombinirani materiali so združeni v sistem. Kompozitni ojačitveni sistem se uporablja za skoraj vse vrste konstrukcij:

  • 1. Beton in armirani beton
  • 2. Kovina (vključno z jeklom in aluminijem)
  • 3. Leseni
  • 4. Zidanje iz opeke (kamna).

Zagotavljajo tudi vrsto potreb po življenjski podpori:

  • 1. Zaščita pred eksplozijami, vlomom in poškodbami.
  • 2. Okrepitev konstrukcij
  • 3. Balistična zaščita sten in zaščita pred eksplozijo.
  • 4. Zaščita kablov in žic pred eksplozijami

Razmislite o prednostih in slabostih kompozitnih materialov. dostojanstvo:

  • 1. Odpornost proti koroziji
  • 2. Natezna trdnost
  • 3. Enostaven za uporabo
  • 4. Nizki stroški dela
  • 5. Kratek dobavni rok
  • 6. Brez dimenzijskih omejitev
  • 7. Izjemno visoka utrujenost
  • 8. Ne zahteva konzervacije
  • 9. Možnost uporabe konstrukcij iz različnih materialov

Slabosti:

  • 1. Relativni stroški materiala
  • 2. Omejitev obsega

Iz zgornjih prednosti in slabosti lahko sklepamo, da imajo kompozitni materiali v primerjavi z običajnimi materiali skoraj edino pomanjkljivost - to je njihova precej visoka cena. Zato lahko verjamemo, da je ta metoda draga, vendar če primerjamo količino porabe jeklenih materialov za ojačitev, je približno tridesetkrat večja kot pri kompozitih. Druge prednosti kompozitnih materialov so znatno zmanjšanje stroškov truda zaradi zmanjšanja delovnega časa, dela in mehanske opreme. Zato so kompozitni armaturni sistemi glavni konkurenti uporabi jekla.

Kljub prednostim pred običajnimi materiali pa imajo kompozitni materiali svoje pomanjkljivosti. Ti vključujejo nizko požarno odpornost, spremembo lastnosti pri izpostavljenosti ultravijoličnemu sevanju in možne razpoke, ko se prostornina spremeni v pogojih omejene svobode deformacije. Zaradi fizikalnih in mehanskih lastnosti teh materialov so občutljivi na temperaturna nihanja. Pri visokih temperaturah so nagnjeni k znatnim deformacijam lezenja.

1. Kompozitni ali kompozitni materiali so materiali prihodnosti.

Potem ko nam je sodobna fizika kovin podrobno razložila razloge za njihovo plastičnost, trdnost in njeno povečanje, se je začel intenziven sistematičen razvoj novih materialov. To bo verjetno v predstavljivi prihodnosti pripeljalo do ustvarjanja materialov z mnogokrat večjo trdnostjo kot pri današnjih običajnih zlitinah. V tem primeru bo veliko pozornosti posvečeno že znanim mehanizmom utrjevanja jekla in staranja aluminijevih zlitin, kombinacijam teh znanih mehanizmov s procesi oblikovanja in številnim možnostim za ustvarjanje kombiniranih materialov. Dve obetavni poti se odpirajo s kompozitnimi materiali, ojačanimi z vlakni ali razpršenimi trdnimi snovmi. Prvič so v anorgansko kovinsko ali organsko polimerno matrico uvedena najtanjša vlakna visoke trdnosti iz stekla, ogljika, bora, berilija, jekla ali mokrih kristalov. Kot rezultat te kombinacije je največja trdnost združena z visokim modulom elastičnosti in nizko gostoto. Takšni materiali prihodnosti so kompozitni materiali.

Kompozitni material je konstrukcijski (kovinski ali nekovinski) material, v katerem so ojačitveni elementi v obliki niti, vlaken ali kosmičev iz bolj trpežnega materiala. Primeri kompozitnih materialov: plastika, ojačana z borom, ogljikom, steklenimi vlakni, predivo ali tkaninami na njihovi osnovi; aluminij ojačan z jeklenimi filamenti, berilij. Z združevanjem volumske vsebnosti komponent je mogoče dobiti kompozitne materiale z zahtevanimi vrednostmi trdnosti, toplotne odpornosti, modula elastičnosti, odpornosti proti obrabi, pa tudi ustvariti kompozicije s potrebnimi magnetnimi, dielektričnimi, radijsko absorbcijskimi in druge posebne lastnosti.

2. Vrste kompozitnih materialov.

2.1. Kompozitni materiali s kovinsko matriko.

Kompozitni materiali ali kompozitni materiali so sestavljeni iz kovinske matrice (običajno Al, Mg, Ni in njihovih zlitin), ojačane z vlakni visoke trdnosti (vlakneni materiali) ali fino dispergiranimi ognjevzdržnimi delci, ki se ne raztopijo v osnovni kovini (disperzijsko ojačani materiali) . Kovinska matrica veže vlakna (razpršene delce) v eno samo celoto. Vlakna (razpršeni delci) in vezivo (matrika), ki sestavljajo določeno sestavo, se imenujejo kompozitni materiali.

2.2. Kompozitni materiali z nekovinsko matriko.

Kompozitni materiali z nekovinsko matriko so našli široko uporabo. Kot nekovinske matrice se uporabljajo polimerni, ogljikovi in ​​keramični materiali. Od polimernih matrik so najbolj razširjeni epoksi, fenol-formaldehidni in poliamidni.
Ogljikove matrice, koksane ali piroogljik, pridobljen iz sintetičnih polimerov, podvrženih pirolizi. Matrica veže kompozicijo in ji daje obliko. Ojačevalci so vlakna: steklena, ogljikova, borova, organska, na osnovi brkov (oksidi, karbidi, boridi, nitridi in drugi), pa tudi kovinska (žice), ki imajo visoko trdnost in togost.

Lastnosti kompozitnih materialov so odvisne od sestave komponent, njihove kombinacije, količinskega razmerja in trdnosti vezi med njimi.
Ojačitveni materiali so lahko v obliki vlaken, predelov, niti, trakov, večplastnih tkanin.

Vsebnost trdilca v usmerjenih materialih je 60-80 vol. %, v neorientiranih (z diskretnimi vlakni in brki) - 20-30 vol. %. Večja kot sta trdnost in modul elastičnosti vlaken, večja je trdnost in togost kompozitnega materiala. Lastnosti matrice določajo trdnost sestavka pri strigu in stiskanju ter odpornost proti utrujenosti.

Glede na vrsto trdilca se kompozitni materiali razvrščajo na steklena vlakna, ogljikova vlakna z ogljikovimi vlakni, borova vlakna in organovlakna.

V laminiranih materialih so vlakna, niti, trakovi, impregnirani z vezivom, položeni vzporedno drug proti drugemu v ravnini polaganja. Ravne plasti so sestavljene v plošče. Lastnosti so anizotropne. Za delo materiala v izdelku je pomembno upoštevati smer delujočih obremenitev. Ustvarite lahko materiale z izotropnimi in anizotropnimi lastnostmi.
Vlakna lahko položite pod različnimi koti, pri čemer spreminjate lastnosti kompozitnih materialov. Upogibna in torzijska togost materiala je odvisna od vrstnega reda polaganja plasti vzdolž debeline embalaže.

Uporablja se polaganje ojačitvenih elementov iz treh, štirih ali več niti.
Največjo uporabo ima struktura treh medsebojno pravokotnih niti. Trdilci so lahko nameščeni v aksialni, radialni in obodni smeri.

Tridimenzionalni materiali so lahko poljubne debeline v obliki blokov, valjev. Obsirne tkanine povečajo trdnost na trganje in odpornost na striženje v primerjavi z večplastnimi tkaninami. Sistem štirih pramenov je zgrajen s širitvijo ojačitvenega sredstva vzdolž diagonal kocke. Struktura štirih niti je uravnotežena, ima povečano strižno togost v glavnih ravninah.
Vendar je ustvarjanje štirismernih materialov težje kot trismernih materialov.

3. Klasifikacija kompozitnih materialov.

3.1. Vlaknasti kompozitni materiali.

Pogosto je kompozitni material večplastna struktura, v kateri je vsak sloj ojačan z velikim številom vzporednih neprekinjenih vlaken. Vsako plast je mogoče tudi ojačati z neprekinjenimi vlakni, vtkanimi v tkanino, ki je prvotne oblike, ki po širini in dolžini ustreza končnemu materialu. Ni nenavadno, da so vlakna vtkana v tridimenzionalne strukture.

Kompozitni materiali se od običajnih zlitin razlikujejo po višjih vrednostih natezne trdnosti in meje vzdržljivosti (za 50–10%), modulu elastičnosti, koeficientu togosti in nižji občutljivosti na razpoke. Uporaba kompozitnih materialov poveča togost konstrukcije, hkrati pa zmanjša porabo kovin.

Trdnost kompozitnih (vlaknenih) materialov je določena z lastnostmi vlaken; matrica naj bi predvsem prerazporedila napetosti med ojačitvenimi elementi. Zato morata biti trdnost in modul elastičnosti vlaken bistveno večji od trdnosti in modula elastičnosti matriksa.
Trda ojačitvena vlakna zaznavajo napetosti, ki nastanejo v sestavi pod obremenitvijo, ji dajejo trdnost in togost v smeri orientacije vlaken.

Za krepitev aluminija, magnezija in njihovih zlitin se uporabljajo borova vlakna, pa tudi vlakna iz ognjevzdržnih spojin (karbidi, nitridi, boridi in oksidi), ki imajo visoko trdnost in modul elastičnosti. Pogosto se kot vlakna uporablja jeklena žica visoke trdnosti.

Za ojačitev titana in njegovih zlitin se uporabljajo molibdenova žica, safirna vlakna, silicijev karbid in titanov borid.

Povečanje toplotne odpornosti nikljevih zlitin se doseže z ojačanjem z volframovo ali molibdenovo žico. Kovinska vlakna se uporabljajo tudi v primerih, ko je potrebna visoka toplotna in električna prevodnost. Obetavni trdilci za visoko trdne in visokomodulne vlaknaste kompozitne materiale so brki iz aluminijevega oksida in nitrida, silicijevega karbida in nitrida, karbidabora itd.

Kompozitni materiali na osnovi kovine imajo visoko trdnost in toplotno odpornost, hkrati pa imajo nizko plastičnost. Vendar pa vlakna v kompozitnih materialih zmanjšajo hitrost širjenja razpok, ki se začnejo v matriksu, in nenadni krhki lom skoraj popolnoma izgine. Posebnost vlaknastih enoosnih kompozitnih materialov je anizotropija mehanskih lastnosti vzdolž in čez vlakna ter nizka občutljivost na koncentratorje napetosti.

Anizotropnost lastnosti vlaknastih kompozitnih materialov se upošteva pri načrtovanju delov za optimizacijo lastnosti z usklajevanjem upornega polja z napetostnimi polji.

Ojačitev aluminija, magnezija in titanovih zlitin z neprekinjenimi ognjevzdržnimi vlakni bora, silicijevega karbida, titanovega doborida in aluminijevega oksida znatno poveča toplotno odpornost. Značilnost kompozitnih materialov je nizka stopnja mehčanja v času z naraščanjem temperature.

Glavna pomanjkljivost kompozitnih materialov z eno- in dvodimenzionalno ojačitvijo je nizka odpornost na interlaminarni in prečni striž. Materiali z volumetrično ojačitvijo so tega prikrajšani.

3.2. Disperzijsko ojačani kompozitni materiali.

Za razliko od vlaknastih kompozitnih materialov je pri disperzijsko ojačanih kompozitnih materialih matrica glavni nosilni element, razpršeni delci pa upočasnijo gibanje dislokacij v njej.
Visoka trdnost se doseže z velikostjo delcev 10-500 nm s povprečno razdaljo med njimi 100-500 nm in njihovo enakomerno porazdelitvijo v matriksu.
Trdnost in toplotna odpornost, odvisno od volumske vsebnosti utrjevalnih faz, nista v skladu z zakonom aditivnosti. Optimalna vsebnost druge faze za različne kovine ni enaka, vendar običajno ne presega 5-10 vol. %.

Uporaba stabilnih ognjevzdržnih spojin (oksidi torija, hafnija, itrija, kompleksne spojine oksidov in redkih zemeljskih kovin), ki so netopne v matrični kovini kot utrjevalne faze, omogoča ohranjanje visoke trdnosti materiala do 0,9-0,95 T. V zvezi s tem se takšni materiali pogosto uporabljajo kot toplotno odporni. Disperzijsko ojačane kompozitne materiale je mogoče pridobiti na osnovi večine kovin in zlitin, ki se uporabljajo v inženirstvu.

Najbolj razširjene zlitine na osnovi aluminija - SAP (sintrani aluminijev prah).

Gostota teh materialov je enaka gostoti aluminija, po odpornosti proti koroziji mu niso slabši in lahko celo nadomestijo titan in jekla, odporna proti koroziji, ko delujejo v temperaturnem območju 250-500 °C. Glede na dolgotrajno trdnost so boljši od kovanih aluminijevih zlitin. Dolgotrajna trdnost za zlitine SAP-1 in SAP-2 pri 500°C je 45-55 MPa.

Velike možnosti za materiale, ojačane z disperzijo niklja.
Zlitine na osnovi niklja z 2-3 vol. % torijev dioksid ali hafnijev dioksid. Matrica teh zlitin je običajno trdna raztopina Ni + 20 % Cr, Ni + 15 % Mo, Ni + 20 % Cr in Mo. Zlitine VDU-1 (nikelj kaljen s torijevim dioksidom), VDU-2 (niklj kaljen s hafnijevim dioksidom) in VD-3 (Ni + 20 % Cr matrika, kaljen s torijevim oksidom) so se široko uporabljale. Te zlitine imajo visoko toplotno odpornost. Disperzijsko ojačani kompozitni materiali, pa tudi vlaknati, so odporni na mehčanje z naraščanjem temperature in časa zadrževanja pri določeni temperaturi.

3.3. Fiberglass.

Fiberglass je sestavek, sestavljen iz sintetične smole, ki je vezivo, in polnila iz steklenih vlaken. Kot polnilo se uporablja neprekinjena ali kratka steklena vlakna. Trdnost steklenih vlaken se močno poveča z zmanjšanjem njegovega premera (zaradi vpliva nehomogenosti in razpok, ki se pojavljajo v debelih odsekih). Lastnosti steklenih vlaken so odvisne tudi od vsebnosti alkalij v njegovi sestavi; najboljša učinkovitost stekel brez alkalij aluminoborosilikatne sestave.

Neorientirana steklena vlakna vsebujejo kratko vlakno kot polnilo. To vam omogoča stiskanje delov kompleksne oblike s kovinskimi okovi. Material je pridobljen z izotopsko trdnostnimi lastnostmi, ki so veliko višje kot pri stiskalnih praških in celo vlaknih. Predstavniki takšnega materiala so steklena vlakna AG-4V, pa tudi DSV (merjena steklena vlakna), ki se uporabljajo za izdelavo električnih delov, delov strojništva (tuljavi, tesnila črpalk itd.). Pri uporabi nenasičenih poliestrov kot veziva dobimo PSK premikse (pastozne) ter preprege AP in PPM (na osnovi steklene blazine). Preprege se lahko uporabljajo za velike izdelke preprostih oblik (karoserije, čolni, ohišja instrumentov itd.).

Usmerjena steklena vlakna imajo polnilo v obliki dolgih vlaken, razporejenih v ločene orientirane pramene in skrbno zlepljene skupaj z vezivom. To zagotavlja večjo trdnost steklenih vlaken.

Fiberglass lahko deluje pri temperaturah od -60 do 200 ° C, pa tudi v tropskih razmerah, prenese velike inercialne preobremenitve.
Pri staranju dve leti je koeficient staranja K = 0,5-0,7.
Ionizirajoče sevanje slabo vpliva na njihove mehanske in električne lastnosti. Uporabljajo se za izdelavo delov visoke trdnosti, z okovjem in navoji.

3.4. Ogljikova vlakna.

Ogljikova vlakna (ogljikova plastika) so sestavki, sestavljeni iz polimernega veziva (matriksa) in ojačitvenih sredstev v obliki ogljikovih vlaken (karbonska vlakna).

Visoka energija vezi C-C ogljikovih vlaken jim omogoča ohranjanje trdnosti pri zelo visokih temperaturah (v nevtralnem in reducirnem okolju do 2200 °C), pa tudi pri nizkih temperaturah. Vlakna so zaščitena pred oksidacijo z zaščitnimi premazi (pirolitičnimi). Za razliko od steklenih vlaken se ogljikova vlakna slabo navlažijo z vezivom.
(nizka površinska energija), zato so jedkane. To poveča stopnjo aktivacije ogljikovih vlaken z vsebnostjo karboksilne skupine na njihovi površini. Medlaminarna strižna trdnost ogljikovih vlaken se poveča za 1,6-2,5-krat. Uporabljeno je brkanje kristalov TiO, AlN in SiN, ki poveča togost vmesnega sloja za 2-krat in trdnost za 2,8-krat. Uporabljajo se prostorsko ojačane konstrukcije.

Veziva so sintetični polimeri (polimerna ogljikova vlakna); sintetični polimeri, podvrženi pirolizi (koksana ogljikova vlakna); pirolitski ogljik (pirokarbonska ogljikova vlakna).

Epoksifenolna ogljikova vlakna KMU-1l, ojačana s karbonskim trakom, in KMU-1u na vleki, viscerizirani s kristali z brki, lahko delujejo dolgo časa pri temperaturah do 200 °C.

Ogljikova vlakna KMU-3 in KMU-2l so pridobljena na epoksianilino-formaldehidnem vezivu, lahko delujejo pri temperaturah do 100 °C, so tehnološko najbolj napredna. Ogljikova vlakna KMU-2 in
KMU-2l na osnovi poliimidnega veziva se lahko uporablja pri temperaturah do
300 °C.

Ogljikova vlakna odlikuje visoka statična in dinamična odpornost proti utrujenosti, ohranijo to lastnost pri normalnih in zelo nizkih temperaturah (visoka toplotna prevodnost vlaken preprečuje samosegrevanje materiala zaradi notranjega trenja). Odporne so na vodo in kemikalije. Po izpostavljenosti rentgenskim žarkom v zraku se E in E skoraj ne spremenita.

Toplotna prevodnost ogljikovih vlaken je 1,5-2 krat višja od toplotne prevodnosti steklenih vlaken. Imajo naslednje električne lastnosti: = 0,0024-0,0034 Ohm cm (vzdolž vlaken); ? \u003d 10 in tg \u003d 0,001 (pri trenutni frekvenci 10 Hz).

Ogljikova steklena vlakna vsebujejo skupaj z ogljikovimi steklenimi vlakni, kar znižuje stroške materiala.

3.5. Ogljikova vlakna z ogljikovo matriko.

Materiali za koksanje so pridobljeni iz običajnih polimernih ogljikovih vlaken, podvrženih pirolizi v inertni ali redukcijski atmosferi. Pri temperaturi 800-1500 °C nastanejo karbonizirana karbonizirana, pri 2500-3000 °C pa grafitizirana ogljikova vlakna. Za pridobitev pirokarbonskih materialov se trdilec razporedi glede na obliko izdelka in ga postavi v pečico, v katero prehaja plinasti ogljikovodik (metan). Pod določenim režimom (temperatura 1100 °C in preostali tlak 2660 Pa) se metan razgradi in nastali pirolitični ogljik se odloži na vlakna ojačevalne snovi in ​​jih veže.

Koks, ki nastane med pirolizo veziva, ima visoko oprijemljivo moč na ogljikova vlakna. V zvezi s tem ima kompozitni material visoke mehanske in ablativne lastnosti, odpornost na toplotni udar.

Ogljikova vlakna z ogljikovo matriko tipa KUP-VM glede na trdnost in udarno trdnost so 5-10-krat boljša od posebnih grafitov; pri segrevanju v inertni atmosferi in vakuumu ohrani trdnost do 2200
°C, oksidira na zraku pri 450 °C in zahteva zaščitni premaz.
Koeficient trenja enega ogljikovega vlakna z ogljikovo matriko je sicer visok (0,35-0,45), obraba pa nizka (0,7-1 mikronov za zaviranje).

3.6. Borova vlakna.

Borova vlakna so sestavke polimernega veziva in ojačitvenega sredstva - borova vlakna.

Borova vlakna odlikujejo visoka tlačna trdnost, strižna strižna, nizko lezenje, visoka trdota in modul elastičnosti, toplotna in električna prevodnost. Celična mikrostruktura borovih vlaken zagotavlja visoko strižno trdnost na vmesniku z matriko.

Poleg neprekinjenih borovih vlaken se uporabljajo kompleksni borovi glasiti, pri katerih je več vzporednih borovih vlaken prepletenih s steklenimi vlakni, kar daje dimenzijsko stabilnost. Uporaba borovih steklenih vlaken olajša tehnološki proces izdelave materiala.

Modificirana epoksi in poliimidna veziva se uporabljajo kot matrice za pridobivanje borovega vlakna. Borova vlakna KMB-1 in
KMB-1k so zasnovani za dolgotrajno delovanje pri temperaturi 200 °C; KMB-3 in KMB-3k med obdelavo ne zahtevata visokega tlaka in lahko delujeta pri temperaturah, ki ne presegajo 100 °C; KMB-2k deluje pri 300 °C.

Borova vlakna imajo visoko odpornost proti utrujenosti, odporna so na sevanje, vodo, organska topila ter goriva in maziva.

3.7. Organska vlakna.

Organska vlakna so kompozitni materiali, sestavljeni iz polimernega veziva in ojačitvenih sredstev (polnil) v obliki sintetičnih vlaken. Takšni materiali imajo majhno težo, relativno visoko specifično trdnost in togost ter so stabilni pod vplivom izmeničnih obremenitev in ostre spremembe temperature. Pri sintetičnih vlaknih je izguba trdnosti med predelavo tekstila majhna; so manj občutljivi na poškodbe.

Za organska vlakna so vrednosti modula elastičnosti in temperaturnih koeficientov linearne ekspanzije trdilca in veziva blizu.
Pojavi se difuzija komponent veziva v vlakno in kemična interakcija med njimi. Struktura materiala je brez napak. Poroznost ne presega 1-3% (v drugih materialih 10-20%). Od tod tudi stabilnost mehanskih lastnosti organskih vlaken z močnim temperaturnim padcem, udarnimi in cikličnimi obremenitvami. Udarna trdnost je visoka (400-700 kJ/m²). Pomanjkljivost teh materialov je relativno nizka tlačna trdnost in visoko lezenje (zlasti za elastična vlakna).

Organska vlakna so stabilna v agresivnih okoljih in v vlažnem tropskem podnebju; dielektrične lastnosti so visoke, toplotna prevodnost pa nizka. Večina organskih vlaken lahko deluje dlje časa pri temperaturi 100-150 °C, na osnovi poliimidnega veziva in polioksadiazolnih vlaken pa pri temperaturi 200-300 °C.

V kombiniranih materialih se poleg sintetičnih vlaken uporabljajo mineralna vlakna (steklena, ogljikova vlakna in borova vlakna). Takšni materiali imajo večjo trdnost in togost.

4. Ekonomska učinkovitost uporabe kompozitnih materialov.

Področja uporabe kompozitnih materialov niso omejena. Uporabljajo se v letalstvu za visoko obremenjene dele letal (koža, rebra, rebra, plošče itd.) in motorjev (lopatice kompresorjev in turbine itd.), v vesoljski tehniki za enote nosilnih konstrukcij vozil, ki so izpostavljena segrevanju. , za ojačitvene elemente, plošče , v avtomobilski industriji za olajšanje karoserij, vzmeti, okvirjev, karoserijskih plošč, odbijačev itd., v rudarski industriji (vrtalna orodja, deli kombajna itd.), v gradbeništvu (razponi mostov, elementi montažnih objektov stolpnic itd.). itd.) ter na drugih področjih narodnega gospodarstva.

Uporaba kompozitnih materialov zagotavlja nov kvalitativni preskok pri povečanju moči motorjev, močnostnih in transportnih naprav, zmanjšanju teže strojev in naprav.

Tehnologija pridobivanja polizdelkov in izdelkov iz kompozitnih materialov je dobro razvita.

Kompozitni materiali z nekovinsko matriko, in sicer polimerna ogljikova vlakna, se uporabljajo v ladjedelništvu in avtomobilski industriji (karoserije, šasije, propelerji); Iz njih so izdelani ležaji, grelne plošče, športna oprema, računalniški deli. Visokomodulna ogljikova vlakna se uporabljajo za izdelavo letalskih delov, opreme za kemično industrijo, v rentgenski opremi in drugo.

Ogljikova matrična ogljikova vlakna nadomeščajo različne vrste grafita. Uporabljajo se za toplotno zaščito, zavorne diske za letala, opremo, odporno na kemikalije.

Izdelki iz borovih vlaken se uporabljajo v letalski in vesoljski tehniki (profili, plošče, rotorji in kompresorske lopatice, lopatice propelerja in prenosne gredi helikopterjev itd.).

Organovlakna se uporabljajo kot izolacijski strukturni material v električni in radijski industriji, letalski tehnologiji in avtomobilskem inženirstvu; Iz njih se izdelujejo cevi, posode za reagente, premaze ladijskih trupov in drugo.


Objave za nakup in prodajo opreme si lahko ogledate na

O prednostih polimernih razredov in njihovih lastnostih lahko razpravljate na

Registrirajte svoje podjetje v Poslovni imenik

V zgodovini razvoja tehnologije je mogoče razlikovati dve pomembni smeri:

  • razvoj orodij, struktur, mehanizmov in strojev,
  • razvoj materialov.

Težko je reči, kateri od njih je pomembnejši, ker. so med seboj precej tesno povezani, a brez razvoja materialov je tehnični napredek načeloma nemogoč. Ni naključje, da zgodovinarji zgodnje civilizacijske dobe delijo na kameno, bronasto in železno dobo.

Sedanje 21. stoletje že lahko pripišemo starosti kompozitnih materialov (kompozitov).

Koncept kompozitnih materialov se je oblikoval sredi prejšnjega, 20. stoletja. Vendar pa kompoziti sploh niso nov pojav, ampak le nov izraz, ki so ga oblikovali znanstveniki z materiali, da bi bolje razumeli nastanek sodobnih konstrukcijskih materialov.

Kompozitni materiali so znani že stoletja. Na primer, v Babilonu so trst uporabljali za ojačitev gline pri gradnji stanovanj, stari Egipčani pa so glinenim opekam dodajali sesekljano slamo. V stari Grčiji so bili marmorni stebri med gradnjo palač in templjev ojačani z železnimi palicami. V letih 1555-1560 sta ruska arhitekta Barma in Postnik pri gradnji katedrale Vasilija Vasilija v Moskvi uporabila kamnite plošče, ojačane z železnimi trakovi. Armirani beton in damast jekla lahko imenujemo neposredni predhodniki sodobnih kompozitnih materialov.

Obstajajo naravni analogi kompozitnih materialov - les, kosti, školjke itd. Številne vrste naravnih mineralov so pravzaprav kompoziti. Niso samo trpežni, ampak imajo tudi odlične dekorativne lastnosti.

Kompozitni materiali- večkomponentni materiali, sestavljeni iz plastične podlage - matrice, in polnil, ki imajo ojačitvene in nekatere druge vloge. Med fazami (komponentami) kompozita obstaja fazna meja.

Kombinacija različnih snovi vodi do nastanka novega materiala, katerega lastnosti se bistveno razlikujejo od lastnosti vsake od njegovih sestavin. tiste. znak kompozitnega materiala je opazen medsebojni vpliv sestavnih elementov kompozita, t.j. njihova nova kakovost, učinek.

S spreminjanjem sestave matriksa in polnila, njihovega razmerja, z uporabo posebnih dodatnih reagentov itd., dobimo široko paleto materialov z zahtevanim naborom lastnosti.

Lokacija elementov kompozitnega materiala je velikega pomena, tako v smeri delujočih obremenitev kot med seboj, t.j. urejenost. Kompoziti visoke trdnosti imajo praviloma visoko urejeno strukturo.

Preprost primer. Peščica žagovine, vržena v vedro cementne malte, nikakor ne bo vplivala na njene lastnosti. Če polovico raztopine nadomestimo z žagovino, se bo gostota materiala, njegove termofizične konstante, proizvodni stroški in drugi kazalniki bistveno spremenili. Toda peščica polipropilenskih vlaken bo naredila beton odporen na udarce in obrabo, polovica vedra vlaken pa mu bo zagotovila elastičnost, ki sploh ni značilna za mineralne materiale.

Trenutno je na področju kompozitnih materialov (kompozitov) običajno vključiti različne umetne materiale, razvite in implementirane v različnih vejah tehnologije in industrije, ki ustrezajo splošnim načelom ustvarjanja kompozitnih materialov.

Zakaj je prav zdaj zanimanje za kompozitne materiale? Ker tradicionalni materiali ne zadovoljujejo več vedno oziroma ne v celoti ustrezajo potrebam sodobne inženirske prakse.

Matrice v kompozitnih materialih so kovine, polimeri, cementi in keramika. Kot polnila se uporabljajo najrazličnejše umetne in naravne snovi v različnih oblikah (velike, listnate, vlaknate, dispergirane, fino dispergirane, mikrodisperzne, nanodelci).

Znani so tudi večkomponentni kompozitni materiali, vključno z:

  • polimatrika, ko je več matrik združenih v enem kompozitnem materialu,
  • hibrid, ki vključuje več različnih polnil, od katerih ima vsako svojo vlogo.

Polnilo praviloma določa trdnost, togost in deformabilnost kompozita, matrika pa zagotavlja njegovo trdnost, prenos napetosti in odpornost na različne zunanje vplive.

Posebno mesto zavzemajo dekorativni kompozitni materiali z izrazitimi dekorativnimi lastnostmi.

Razvijajo se kompozitni materiali s posebnimi lastnostmi, na primer radiotransparentni materiali in radioabsorbirajoči materiali, materiali za toplotno zaščito orbitalnih vesoljskih plovil, materiali z nizkim koeficientom linearnega toplotnega raztezanja in visokim specifičnim modulom elastičnosti in drugi.

Kompozitni materiali se uporabljajo na vseh področjih znanosti, tehnologije, industrije, vklj. v stanovanjski, industrijski in specialni gradnji, splošnem in specialnem inženirstvu, metalurgiji, kemični industriji, energetiki, elektroniki, gospodinjskih aparatih, proizvodnji oblačil in obutve, medicini, športu, umetnosti itd.

Struktura kompozitnih materialov.

Glede na mehansko strukturo delimo kompozite v več glavnih razredov: vlaknaste, plastne, disperzijsko ojačane, z delci ojačane in nanokompozite.

Vlaknati kompoziti so ojačani z vlakni ali brki. Že majhna vsebnost polnila v kompozitih te vrste vodi do znatnega izboljšanja mehanskih lastnosti materiala. Lastnosti materiala se lahko zelo spreminjajo tudi s spreminjanjem orientacije velikosti in koncentracije vlaken.

Pri laminiranih kompozitnih materialih sta matrica in polnilo razporejena po plasteh, kot na primer v tripleksih, vezanih ploščah, lepljenih lesenih konstrukcijah in laminatih.

Za mikrostrukturo drugih razredov kompozitnih materialov je značilno, da je matrica napolnjena z ojačitvenimi delci, ki se razlikujejo po velikosti delcev. V kompozitih, ojačenih z delci, je njihova velikost večja od 1 mikrona, vsebnost pa 20-25 % (volumensko), medtem ko disperzijsko ojačani kompoziti vključujejo od 1 do 15 % (volumensko) delcev velikosti od 0,01 do 0,1 µm. Velikosti delcev, ki sestavljajo nanokompozite, so še manjše in znašajo 10-100 nm.

Nekateri običajni kompoziti

betoni- najpogostejši kompozitni materiali. Trenutno se proizvaja veliko število betonov, ki se razlikujejo po sestavi in ​​lastnostih. Sodobni betoni se proizvajajo tako na tradicionalnih cementnih matricah kot na polimernih (epoksi, poliester, fenol-formaldehid, akril itd.). Sodobni visokozmogljivi betoni so po trdnosti blizu kovinam. Dekorativni beton postaja vse bolj priljubljen.

Organoplastika- kompoziti, v katerih služijo organska sintetična polnila, redkeje naravna in umetna vlakna v obliki snopov, niti, tkanin, papirja itd. V termoreaktivnih organoplastih praviloma služijo kot matrica epoksidne, poliestrske in fenolne smole ter poliimidi. Organoplastika ima nizko gostoto, je lažja od plastike iz steklenih in ogljikovih vlaken in ima relativno visoko natezno trdnost; visoka odpornost na udarce in dinamične obremenitve, a hkrati nizka tlačna in upogibna trdnost. Najpogostejši organoplasti so lesni kompozitni materiali. Po proizvodnji je organoplastika boljša od jekla, aluminija in plastike.

V zadnjem času so v tuji literaturi postali priljubljeni novi izrazi - biopolimeri, bioplastika in s tem biokompoziti.

Leseni kompozitni materiali. Najpogostejši lesni kompoziti so arboliti, ksiloliti, cementne iverne plošče, lepljene lesene konstrukcije, vezane plošče in upognjeni lepljeni deli, umetne mase na osnovi lesa, iverne plošče in vlaknene plošče in tramovi, stiskalnice za les in stiskalnice, termoplastični lesno-polimerni kompoziti.

steklena vlakna- polimerni kompozitni materiali, ojačani s steklenimi vlakni, ki so oblikovani iz staljenega anorganskega stekla. Kot matriko se najpogosteje uporabljajo tako termoreaktivne sintetične smole (fenolne, epoksidne, poliestrske itd.) kot termoplastični polimeri (poliamidi, polietilen, polistiren itd.). Steklena vlakna imajo visoko trdnost, nizko toplotno prevodnost, visoke električne izolacijske lastnosti, poleg tega pa so prosojna za radijske valove. Večplastni material, v katerem se kot polnilo uporablja tkanina, tkana iz steklenih vlaken, se imenuje steklena vlakna.

CFRP- polnilo v teh polimernih kompozitih so ogljikova vlakna. Ogljikova vlakna se pridobivajo iz sintetičnih in naravnih vlaken na osnovi celuloze, akrilonitrilnih kopolimerov, smole iz nafte in premogovega katrana itd. Matrice iz ogljikovih vlaken so lahko termoreaktivni in termoplastični polimeri. Glavne prednosti plastike, ojačane z ogljikovimi vlakni, v primerjavi s steklenimi vlakni so njihova nizka gostota in višji modul elastičnosti, plastike, ojačane z ogljikovimi vlakni, so zelo lahki in hkrati trpežni materiali.

Na osnovi ogljikovih vlaken in ogljikove matrike nastajajo kompozitni karbonsko-grafitni materiali - najbolj toplotno odporni kompozitni materiali (plastika iz ogljikovih vlaken), ki lahko dolgo časa prenesejo temperature do 3000 °C v inertnih ali redukcijskih okoljih.

Boroplastika- kompozitni materiali, ki vsebujejo borova vlakna kot polnilo, vdelana v termoreaktivno polimerno matriko, pri čemer so vlakna lahko v obliki monofilamentov ali v obliki snopov, ki so prepleteni s pomožno stekleno nitjo ali trakovi, v katerih so borove niti prepletene z drugimi nitmi . Uporaba borovih plastičnih mas je omejena z visokimi stroški proizvodnje borovih vlaken, zato se v letalski in vesoljski tehnologiji uporabljajo predvsem v delih, ki so izpostavljeni dolgotrajni obremenitvi v agresivnem okolju.

Stiskalni praški (tiskovne mase). Znanih je več kot 10.000 vrst polnjenih polimerov. Polnila se uporabljajo tako za znižanje stroškov materiala kot za dajanje posebnih lastnosti. Polnjeni polimer je prvi izdelal dr. Baekeland (Leo H. Baekeland, ZDA), ki ga je odkril v začetku 20. stoletja. metoda za sintezo fenol formaldehidne (bakelitne) smole. Sama po sebi je ta smola krhka snov z nizko trdnostjo. Baekeland je ugotovil, da dodatek vlaken, zlasti lesne moke, smoli, preden se strdi, poveča njeno moč. Material, ki ga je ustvaril - bakelit - je pridobil veliko popularnost. Tehnologija njegove priprave je preprosta: mešanica delno strjenega polimera in polnila - stiskalnega prahu - se v kalupu pod pritiskom nepovratno strdi. Prvi serijski izdelek je bil izdelan s to tehnologijo leta 1916, to je prestavni gumb avtomobila Rolls-Royce. Polnjeni termoreaktivni polimeri se pogosto uporabljajo na najrazličnejših tehničnih področjih. Za polnjenje termoreaktivnih in termoplastičnih polimerov se uporabljajo različna polnila - lesna moka, kaolin, kreda, smukec, sljuda, saje, steklena vlakna, bazaltna vlakna itd.

Tekstoliti- laminirana plastika, ojačana s tkaninami iz različnih vlaken. Tehnologija za proizvodnjo tekstolitov je bila razvita v dvajsetih letih prejšnjega stoletja. na osnovi fenol-formaldehidne smole. Krpe iz blaga prepojimo s smolo, nato stisnemo pri povišani temperaturi, pri čemer dobimo tekstolitne plošče ali oblikovane izdelke. Veziva v tekstolitih so široka paleta termoreaktivnih in termoplastičnih polimerov, včasih pa tudi anorganska veziva na osnovi silikatov in fosfatov. Kot polnilo se uporabljajo tkanine iz najrazličnejših vlaken - bombaž, sintetika, steklo, ogljik, azbest, bazalt itd. V skladu s tem so lastnosti in uporaba tekstolitov raznolike.

Kompozitni materiali s kovinsko matriko. Pri izdelavi kompozitov na osnovi kovin se kot matrica uporabljajo aluminij, magnezij, nikelj, baker itd. Polnilo so vlakna visoke trdnosti, ognjevzdržni delci različne finote, vikasti monokristali aluminijevega oksida, berilijev oksid, borov in silicijev karbid, aluminijev in silicijev nitrid itd. Dolžina 0,3-15 mm in premer 1-30 µm.

Glavne prednosti kompozitnih materialov s kovinsko matriko v primerjavi z običajno (neojačano) kovino so: povečana trdnost, povečana togost, povečana odpornost proti obrabi, povečana odpornost proti lezenju.

Kompozitni materiali na osnovi keramike. Ojačitev keramičnih materialov z vlakni, pa tudi kovinskimi in keramičnimi dispergiranimi delci omogoča pridobivanje kompozitov visoke trdnosti, vendar je nabor vlaken, primernih za ojačitev keramike, omejen z lastnostmi izhodnega materiala. Pogosto se uporabljajo kovinska vlakna. Natezna upornost se nekoliko poveča, vendar se poveča odpornost na toplotne udarce - material pri segrevanju manj razpoka, vendar obstajajo primeri, ko trdnost materiala pade. Odvisno je od razmerja med koeficienti toplotnega raztezanja matrice in polnila.

Ojačitev keramike z razpršenimi kovinskimi delci vodi do novih materialov (kermetov) s povečano obstojnostjo, odpornostjo na toplotne udarce in povečano toplotno prevodnostjo. Visokotemperaturni kermeti se uporabljajo za izdelavo delov za plinske turbine, armature za električne peči, delov za raketno in reaktivno tehniko. Trdi kermet, odporen proti obrabi, se uporablja za izdelavo rezalnih orodij in delov. Poleg tega se kermeti uporabljajo na posebnih področjih tehnologije - to so gorivni elementi jedrskih reaktorjev na osnovi uranovega oksida, torni materiali za zavorne naprave itd.

kompozitni material sudlal, kompozitni material impex
Kompozitni material(KM), sestavljeni- umetno ustvarjen nehomogen trdni material, sestavljen iz dveh ali več komponent z jasnim vmesnikom med njimi. V večini kompozitov (z izjemo plastnih) lahko komponente razdelimo na matriko (ali vezivo) in ojačitvene elemente (ali polnila), ki so vključeni v njo. V kompozitih za konstrukcijske namene armaturni elementi običajno zagotavljajo potrebne mehanske lastnosti materiala (trdnost, togost itd.), matrica pa zagotavlja skupno delovanje ojačitvenih elementov in jih ščiti pred mehanskimi poškodbami in agresivnimi kemičnimi okolji.

Mehansko obnašanje sestave je določeno z razmerjem lastnosti ojačitvenih elementov in matrice ter trdnostjo vezi med njimi. Značilnosti in lastnosti ustvarjenega izdelka so odvisne od izbire začetnih komponent in tehnologije njihove kombinacije.

Ko se združijo ojačitveni elementi in matrica, nastane sestava, ki ima niz lastnosti, ki odražajo ne le začetne značilnosti njegovih komponent, temveč tudi nove lastnosti, ki jih posamezne komponente nimajo. Na primer, prisotnost vmesnikov med ojačitvenimi elementi in matriko znatno poveča odpornost materiala na razpoke, v sestavah pa za razliko od homogenih kovin povečanje statične trdnosti ne vodi do zmanjšanja, ampak praviloma do povečanje lastnosti lomne žilavosti.

Za ustvarjanje kompozicije se uporabljajo različna ojačitvena polnila in matrice. To so getinax in textolit (laminirana plastika iz papirja ali blaga, lepljena s termoreaktivnim lepilom), steklo in grafitna plastika (tkanina ali navita vlakna iz stekla ali grafita, impregnirana z epoksi lepili), vezane plošče. Obstajajo materiali, pri katerih je tanko vlakno iz zlitin visoke trdnosti napolnjeno z aluminijevo maso. Bulat je eden najstarejših kompozitnih materialov. najtanjše plasti (včasih niti) visokoogljičnega jekla so "zlepljene" z mehkim nizkoogljičnim železom.

Znanstveniki o materialih eksperimentirajo s ciljem ustvariti materiale, ki so bolj priročni za izdelavo in zato cenejši. Proučujejo se samorastoče kristalne strukture, zlepljene v enotno maso s polimernim lepilom (cementi z dodatki vodotopnih lepil), termoplastične sestave s kratkimi ojačitvenimi vlakni itd.

  • 1 Klasifikacija kompozitov
  • 2 Prednosti kompozitnih materialov
  • 3 Slabosti kompozitnih materialov
    • 3.1 Visoki stroški
    • 3.2 Anizotropija lastnosti
    • 3.3 Nizka udarna trdnost
    • 3.4 Visok specifični volumen
    • 3.5 Higroskopnost
    • 3.6 Strupenost
    • 3.7 Slaba vzdržljivost
  • 4 Aplikacije
    • 4.1 Blago široke porabe
    • 4.2 Športna oprema
    • 4.3 Medicina
    • 4.4 Strojništvo
      • 4.4.1 Značilnost
      • 4.4.2 Specifikacije
      • 4.4.3 Tehnične in ekonomske prednosti
      • 4.4.4 Uporaba tehnologije
    • 4.5 Letalstvo in astronavtika
    • 4.6 Oborožitev in vojaška oprema
  • 5 Glej tudi
  • 6 Opombe
  • 7 Literatura
  • 8 Povezave

Razvrstitev kompozitov

Kompoziti so običajno razvrščeni glede na vrsto ojačitvenega polnila:

  • vlaknaste (ojačitvena komponenta - vlaknaste strukture);
  • večplastno;
  • polnjena plastika (ojačitvena komponenta - delci)
    • razsuti (homogen),
    • skeletne (začetne strukture, napolnjene z vezivom).

Poleg tega so kompoziti včasih razvrščeni glede na material matrice:

  • kompoziti polimerne matrike,
  • keramični matrični kompoziti,
  • kompoziti s kovinsko matrico,
  • oksidno-oksidni kompoziti.

Prednosti kompozitnih materialov

Glavna prednost CM je, da se material in struktura ustvarjata hkrati. Izjema so prepregi, ki so polizdelki za izdelavo konstrukcij.

Takoj je treba opozoriti, da so CM ustvarjeni za izvajanje teh nalog, zato ne morejo vsebovati vseh možnih prednosti, vendar mu lahko inženir pri načrtovanju novega kompozita svobodno nastavi lastnosti, ki so bistveno boljše od značilnosti tradicionalnih materialov pri izpolnjevanju tega cilja v tem mehanizmu, vendar slabši od njih v vseh drugih vidikih. To pomeni, da CM v vsem ne more biti boljši od tradicionalnega materiala, torej za vsak izdelek inženir opravi vse potrebne izračune in šele nato izbere optimalno med materiali za proizvodnjo.

  • visoka specifična trdnost (trdnost 3500 MPa)
  • visoka togost (modul elastičnosti 130…140 - 240 GPa)
  • visoka odpornost proti obrabi
  • visoka utrujenostna trdnost
  • iz CM je možno izdelati dimenzijsko stabilne strukture
  • enostavnost

Poleg tega imajo lahko različni razredi kompozitov eno ali več prednosti. Nekaterih koristi ni mogoče doseči hkrati.

Slabosti kompozitnih materialov

Kompozitni materiali imajo precej veliko pomanjkljivosti, ki ovirajo njihovo distribucijo.

Visoka cena

Visoki stroški CM so posledica visoke znanstvene intenzivnosti proizvodnje, potrebe po uporabi posebne drage opreme in surovin ter posledično razvite industrijske proizvodnje in znanstvene baze države. Vendar to velja le, če kompoziti nadomestijo preproste valjane izdelke iz železnih kovin. Pri lahkih izdelkih so zmagovalci izdelki kompleksne oblike, korozijsko odporni izdelki, visoko trdni dielektrični izdelki, kompoziti. Poleg tega so stroški kompozitnih izdelkov pogosto nižji od analogov iz neželeznih kovin ali nerjavnega jekla.

Anizotropija lastnosti

Anizotropija je odvisnost lastnosti CM od izbire smeri merjenja. Na primer, modul elastičnosti enosmernih ogljikovih vlaken vzdolž vlaken je 10-15-krat višji kot v prečni smeri.

Za kompenzacijo anizotropije se poveča varnostni faktor, ki lahko nevtralizira prednost CM v specifični jakosti. Kot tak primer lahko služijo izkušnje z uporabo CM pri izdelavi navpičnega repa lovca MiG-29. Zaradi anizotropije uporabljene KM je bil navpični rep zasnovan z varnostnim faktorjem, ki je večkratnik standardnega faktorja v letalstvu 1,5, kar je na koncu pripeljalo do dejstva, da se je sestavljeni navpični rep MiG-29 izkazal za biti po teži enak dizajnu klasičnega navpičnega repa iz duraluminija.

Vendar pa je v mnogih primerih anizotropija lastnosti uporabna. Na primer, cevi, ki delujejo pri notranjem tlaku, doživijo dvakrat več lomnih napetosti v obodni smeri v primerjavi z aksialno. Zato ni nujno, da je cev enake trdnosti v vseh smereh. Pri kompozitih je to stanje enostavno zagotoviti z podvojitvijo armature v obodni smeri v primerjavi z aksialno.

Nizka udarna trdnost

Nizka udarna trdnost je tudi razlog za potrebo po povečanju varnostne meje. Poleg tega nizka udarna trdnost povzroča veliko škodo na izdelkih CM, veliko verjetnost pojava skritih napak, ki jih je mogoče odkriti le z instrumentalnimi kontrolnimi metodami.

Visok specifični volumen

Visoka specifična prostornina je pomembna pomanjkljivost pri uporabi CM na območjih z resnimi omejitvami zasedenega volumna. To velja na primer za področje nadzvočnega letalstva, kjer že rahlo povečanje prostornine letala povzroči znatno povečanje valovnega aerodinamičnega upora.

Higroskopnost

Kompozitni materiali so higroskopni, kar pomeni, da absorbirajo vlago, kar je posledica diskontinuitete notranje strukture CM. Pri dolgotrajnem delovanju in ponavljajočih se temperaturnih prehodih preko 0 Celzija voda, ki prodre v strukturo CM, uniči izdelek CM od znotraj (učinek je po naravi podoben uničenju cest v izven sezone). Pošteno povedano, je treba omeniti, da se ta pomanjkljivost nanaša na kompozite prve generacije, ki so imeli premalo učinkovito oprijemljivost veziva na polnilo, pa tudi velik volumen votlin v matriksu veziva. Sodobne vrste kompozitov z visoko oprijemljivostjo veziva na polnilo (doseženo z uporabo posebnih maziv), pridobljenih z vakuumskim oblikovanjem z minimalno količino kavern ostankov plina, niso predmet te pomanjkljivosti, kar omogoča zlasti graditi sestavljene ladje, izdelovati kompozitne ojačitve in sestavljene podpore za nadzemne daljnovode.

Vendar pa lahko CM absorbirajo druge visoko prodorne tekočine, kot so letalski kerozin ali drugi naftni derivati.

Toksičnost

Med delovanjem lahko CM oddajajo hlape, ki so pogosto strupeni. Če so izdelki izdelani iz CM, ki se nahajajo v neposredni bližini osebe (takšen primer je lahko sestavljen trup letala Boeing 787 Dreamliner), so potrebne dodatne študije o vplivu komponent CM na ljudi za odobritev materialov. uporablja pri izdelavi CM.

Nizka proizvodnost vzdrževanja

Kompozitni materiali imajo lahko nizko operativno proizvodnost, nizko vzdržljivost in visoke stroške delovanja. To je posledica potrebe po uporabi posebnih delovno intenzivnih metod (in včasih ročnega dela), posebnih orodij za dokončanje in popravilo predmetov iz CM. Pogosto izdelki iz KM sploh niso predmet izpopolnjevanja in popravil.

Področja uporabe

Potrošniško blago

  • Armirani beton je eden najstarejših in najpreprostejših kompozitnih materialov.
  • Ribiške palice iz steklenih vlaken in ogljikovih vlaken
  • čolni iz steklenih vlaken
  • Avtomobilske gume
  • Kovinski kompoziti

Športna oprema

Kompoziti so se trdno uveljavili v športu: za visoke dosežke sta potrebni visoka trdnost in majhna teža, cena pa ne igra posebne vloge.

  • Kolesa
  • Smučarska oprema - palice in smuči
  • Hokejske palice in drsalke
  • Kajaki, kanuji in vesla
  • Karoserijski deli za dirkalne avtomobile in motocikle
  • čelade

zdravilo

Material za zobne zalivke. Plastična matrica služi za dobro polnitev, polnilo iz steklenih delcev poveča odpornost proti obrabi.

strojništvo

V strojništvu se kompozitni materiali pogosto uporabljajo za ustvarjanje zaščitni premazi na tornih površinah, kot tudi za izdelavo različnih delov motorjev z notranjim zgorevanjem (bati, ojnice).

Značilnost

Tehnologija se uporablja za oblikovanje dodatnih zaščitnih premazov na površinah v tornih parih jeklo-guma. Uporaba tehnologije omogoča povečanje obratovalnega cikla tesnil in jaškov industrijske opreme, ki deluje v vodnem okolju.

Kompozitni materiali so sestavljeni iz več funkcionalno različnih materialov. Osnova anorganskih materialov so silikati magnezija, železa in aluminija, modificirani z različnimi dodatki. Fazni prehodi v teh materialih se pojavijo pri dovolj visokih lokalnih obremenitvah, ki so blizu končne trdnosti kovine. Hkrati se na površini v območju velikih lokalnih obremenitev oblikuje plast kermeta visoke trdnosti, zaradi česar je mogoče spremeniti strukturo kovinske površine.

Polimerni materiali na osnovi politetrafluoroetilenov so modificirani z ultradisperznimi diamantno-grafitnimi prahovi, pridobljenimi iz eksplozivnih materialov, in ultrafinimi prahovi mehkih kovin. Plastifikacija materiala se izvaja pri relativno nizkih (pod 300 °C) temperaturah.

Organokovinski materiali, pridobljeni iz naravnih maščobnih kislin, vsebujejo veliko količino kislih funkcionalnih skupin. Zaradi tega se lahko interakcija s površinskimi atomi kovine izvaja v načinu mirovanja. Energija trenja pospešuje proces in spodbuja nastanek navzkrižnih povezav.

Specifikacije

Za zaščitni premaz, odvisno od sestave kompozitnega materiala, so lahko značilne naslednje lastnosti:

  • debelina do 100 mikronov;
  • razred čistosti površine jaška (do 9);
  • imajo pore velikosti 1-3 mikrone;
  • koeficient trenja do 0,01;
  • visoka oprijemljivost na površino kovine in gume.

Tehnične in ekonomske prednosti

  • Na površini se v območju velikih lokalnih obremenitev oblikuje plast kermeta visoke trdnosti;
  • Plast, tvorjena na površini politetrafluoroetilenov, ima nizek koeficient trenja in nizko odpornost proti abrazivni obrabi;
  • Kovinsko-organski premazi so mehki, imajo nizek koeficient trenja, porozno površino, debelina dodatne plasti je nekaj mikronov.

Področja uporabe tehnologije

  • nanos tesnil na delovno površino za zmanjšanje trenja in ustvarjanje ločilnega sloja, ki preprečuje, da bi se guma v času mirovanja oprijela gredi.
  • hitri motorji z notranjim zgorevanjem za avtomobilsko in letalsko konstrukcijo.

Letalstvo in astronavtika

Od šestdesetih let prejšnjega stoletja obstaja nujna potreba v letalstvu in vesoljski industriji za izdelavo močnih, lahkih in odpornih na obrabo struktur. Kompozitni materiali se uporabljajo za izdelavo nosilnih konstrukcij letal, umetnih satelitov, toplotnoizolacijskih premazov za shuttlee in vesoljskih sond. Vse pogosteje se kompoziti uporabljajo za izdelavo prevlek za zračna in vesoljska vozila ter za najbolj obremenjene nosilne elemente.

Oborožitev in vojaška oprema

Zaradi svojih značilnosti (moč in lahkotnost) se CM uporabljajo v vojaških zadevah za proizvodnjo različnih vrst oklepov:

  • telesni jopiči (glej tudi kevlar)
  • oklep za vojaška vozila

Vse do 4. stoletja pr e. so se pogosto uporabljali kot del lokov kot orožja.

Poglej tudi

  • Kompozitna armatura
  • hibridni material

Opombe

  1. J. Lubin. 1.2 Izrazi in definicije // Priročnik kompozitnih materialov: 2 knjigi = Handbook of Composites. - M.: Mashinostroenie, 1988. - T. 1. - 448 str. - ISBN 5-217-00225-5.

Literatura

  • Kerber ML, Polimerni kompozitni materiali. Struktura. Lastnosti. Tehnologija. - Sankt Peterburg: Stroka, 2008. - 560 str.
  • Vasiliev VV, Mehanika konstrukcij iz kompozitnih materialov. - M.: Mashinostroenie, 1988. - 272 str.
  • Karpinos D. M., Kompozitni materiali. Imenik. - Kijev, Naukova Dumka

Povezave

  • Časopis za mehaniko kompozitnih materialov in konstrukcij
  • "Kompoziti iz znanstvenega mesta"
  • "Tehnologija Black Wing"

kompozitni material impex, kompozitni material sudlal, kompozitni materializem, znanost o kompozitnih materialih

Informacije o sestavljenih materialih



Razdelki