Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Композиционные материалы с неметаллической матрицей

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ И ТОРГОВЛИ

имени МИХАИЛА ТУГАН-БАРАНОВСКОГО

КАФЕДРА ЭКСПЕРТИЗЫ НЕПРОДОВОЛЬСТВЕННЫХ ТОВАРОВ

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «Материаловедения и основы технологи производства товаров народного потребления»

НА ТЕМУ «Композиционные материалы с неметаллической матрицей»

студентки II курса дневная форма обучения

специализация 6.050302 «Товароведение и экспертиза в таможенном деле»

КАПЛУНОВА ТАТЬЯНА ПЕТРОВНА

Научный руководитель

АЛЕКСАНДРОВ В.М.

Донецк 2010

Содержание:

Введенние……………………………………………………………………………3

Раздел 1. Общие сведения и состав композиционных материалов с неметаллической матрицей……………………………………………………….4

Раздел 2. Свойства композиционных материалов с полимерной

матрицей …………………………………………………………………………….7

2.1. Стеклопластики………………………………………………………7

2.2. Карбоволокниты (Углепластики)……………………………….17

2.3. Бороволокниты………………………………………………………22

2.4. Органоволокниты……………………………………………………25

Раздел 3. Применение композиционных материалов с неметаллической матрицей……………………………………………………………………………27

Выводы……………………………………………………………………………...30

Литература…………………………………………………………………………31

Приложение А

Введение

Развитие различных отраслей промышленности потребовало разработки новых конструктивных материалов, в частности, композиционных материалов.Композиционный материал получают путем введения в основной материал определенного количества другого материала, который добавляется в целях получения специальных свойств.

Композиционнык материалы, в зависимости от добавляемых компонентов, могут иметь различные задаваемые им свойства. Они могут быть прочными, жаропрочными, иметь различный модуль упругости, амбразивную стойкость и так далее.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей очень нужны в современном строительстве, т. к. именно они имеют нужные свойства, необходимые для быстрого и качественного строительства различных сооружений. Композиционные материалы с неметаллической матрицей имеют огромное значение для: автомобилестроения, судостроения, авиационной и космической техники и т.д.

Целью данной работы является изучение композиционных материалов с неметаллической матрицей и установление их важности в практической деятельности.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

- поиск литературы по данной теме и ее детальное изучение;

- сопоставление полученного материала из различных источников;

- анализ использования композиционных материалов с неметаллической матрицей.

Раздел 1. Общие сведения и состав композиционных материалов с неметаллической матрицей.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиимидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60–80 об.%, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) – 20–30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоскостные слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создавать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала. Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей (Рис.1).

рис.1 - Схемы армирования композиционных материалов.

Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.

Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем расположения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырех направленных материалов сложнее, чем трех направленных. Зависимость механических свойств композиционных материалов от схемы армирования приведена на Рис.2.

Рис.2 - Зависимость между напряжением и деформацией при растяжении эпоксидного углепластика с различной схемой укладки упрочнителя: 1 – продольная; 2 – под углом 45º; 3 – взаимно перпендикулярная; 4- поперечная.

Раздел 2. Свойства композиционных материалов с полимерной матрицей.

Основную часть композиционных материалов на неметаллической основе составляют волокнистые материалы. Их название обычно включает характеристику наполнителя: карбоволокниты, бороволокниты, стеклопластики, органоволокниты. Композиционные материалы на неметаллической основе (полимеры) имеют следующие преимущества по сравнению с металлическими сплавами и композиционных материалов

на металлической основе:

механические свойства:

высокая удельная прочность;

высокая усталостная прочность;
хорошие антифрикционные и амортизационные свойства;

химические свойства – высокая химическая стойкость;

технологические свойства – хорошая обрабатываемость;
экономические свойства – дешёвые исходные материалы.

Общими недостатками композиционных материалов на полимерной основе являются:

резкая потеря прочности при температурах выше 100…200 С,
горючесть,
отсутствие способности к сварке.

2.1. Стеклопластики.

Стеклопластик - композиционный материал, состоящий из стеклянного наполнителя и синтетического полимерного связующего. Наполнителем служат в основном стеклянные волокна в виде нитей, жгутов (роввингов), тканей, матов, рубленых волокон; связующим - полиэфирные, феноло-формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, полиимиды, алифатические полиамиды, поликарбонаты и др. Для стеклопластика характерно сочетание высоких прочностных, диэлектрических свойств, сравнительно низкой плотности и теплопроводности, высокой атмосферо-, водо- и химстойкости. Механические свойства стеклопластика определяются преимущественно характеристиками наполнителя и прочностью связи его со связующим, а температуры переработки и эксплуатации - связующим. Наибольшей прочностью и жёсткостью обладают стеклопластики, содержащие ориентированно расположенные непрерывные волокна. Такие стеклопластики подразделяются на однонаправленные и перекрёстные; у первых волокна расположены взаимно параллельно, у вторых - под заданным углом друг к другу, постоянным или переменным по изделию. Изменяя ориентацию волокон, можно в широких пределах регулировать механические свойства стеклопластиков.

Большей изотропией механических свойств обладают стеклопластики с неориентированным расположением волокон: материалы на основе рубленых волокон, нанесённых на форму методом напыления одновременно со связующим, и на основе холстов (матов). Диэлектрическая проницаемость стеклопластиков 4-14, тангенс угла диэлектрических потерь 0,01-0,05.

Изделия из стеклопластика с ориентированным расположением волокон изготавливают методами намотки, послойной выкладки или протяжки с последующим автоклавным, вакуумным или контактным формованием либо прессованием, из пресс-материалов - прессованием и литьём.

Примеры изделий из стеклопластика

Стеклопластик применяют как конструкционный и теплозащитный материал при производстве корпусов лодок, катеров, судов и ракетных двигателей, кузовов автомобилей, цистерн, рефрижераторов, радиопрозрачных обтекателей, лопастей вертолётов, выхлопных труб, деталей машин и приборов, коррозионностойкого оборудования и трубопроводов, небольших зданий, бассейнов для плавания и др., а также как электроизоляционный материал в электро- и радиотехнике.

Свойства стеклопластиков

Стеклопластик обладает многими очень ценными свойствами :

1. Малый вес. Удельный вес стеклопластиков колеблется от 0,4 до 1,8 и в среднем составляет 1,1 г/см3. Напомним, что удельный вес металлов значительно выше, например, стали – 7,8, а меди - 8,9 г/см3. Даже удельный вес одного из наиболее легкого сплава, применяемого в технике, - дуралюмина составляет 2,8 г/см3. Таким образом, удельный вес стеклопластика в среднем в пять-шесть раз меньше, чем у черных и цветных металлов, и в два раза меньше, чем у дуралюмина. Это делает стеклопластик особенно удобным для применения на транспорте. Экономия в весе на транспорте переходит в экономию энергии; кроме того, за счет уменьшения веса транспортных конструкций (самолетов, автомобилей, судов и т.п.) можно повысить их полезную нагрузку и за счет экономии топлива увеличить радиус действия.

2. Диэлектрические свойства. Стеклопластики являются прекрасными электроизоляционными материалам при использовании как переменного, так и постоянного тока.

3. Высокая коррозионная стойкость. Стеклопластики как диэлектрики совершенно не подвергаются электрохимической коррозии. Существует целый ряд смол (некоторые полиэфирные смолы, смолы Norpol DION), позволяющие получить стеклопластики стойкие к различным агрессивным средам, в том числе и к воздействию концентрированных кислот и щелочей.

4. Хороший внешний вид. Стеклопластики при изготовлении хорошо окрашиваются в любой цвет и при использовании стойких красителей могут сохранять его неограниченно долго. Прозрачность. На основе некоторых марок светопрозрачных смол можно изготовить стеклопластики, по оптическим свойствам немногим уступающим стеклу.

5. Высокие механические свойства. При своем небольшом удельном весе стеклопластик обладает высокими физико-механическими характеристиками. Используя некоторые смолы, например Norpol Dion, и определенные виды армирующих материалов, можно получить стеклопластик, по своим прочностным свойствам превосходящий некоторые сплавы цветных металлов и стали.

6. Теплоизоляционные свойства. Стеклопластик относится к материалам с низкой теплопроводностью. Кроме того, можно значительно повысить теплоизоляционные свойства путем изготовления стеклопластиковой конструкции типа “сэндвич”, используя между слоями стеклопластика пористые материалы, например пенопласт. Благодаря своей низкой теплопроводности, стеклопластиковые конструкции с успехом применяются в качестве теплоизоляционных материалов в промышленном строительстве, в судостроении, в вагоностроении и т.д.

7. Простота в изготовлении. Существует много способов изготовления стеклопластиковых изделий, большинство из которых требует минимальных вложений в оборудование. Например, для ручного формования потребуются только матрица и небольшой набор ручных инструментов (прикаточные валики, кисти, мерные сосуды и т.д.). Матрица может быть изготовлена практически из любого материала, начиная с дерева и заканчивая металлом. В настоящие время широкое распространение получили стеклопластиковые матрицы, которые имеют сравнительно небольшую стоимость и длительный срок службы.

Производство стеклопластиков

Стеклопластик получают путем горячего прессования стекловолокна, перемешанного с синтетическими смолами. В стеклопластиках стекловолокно играет роль армирующего материала, придающего изделиям высокую механическую прочность при малой плотности.

В настоящее время существует целый ряд различных смол, используемых в производстве стеклопластиковых изделий. Наибольшее распространение получили полиэфирные, винилэфирные и эпоксидные смолы. В зависимости от метода формования, химического состава и области применения все смолы можно разделить на следующие группы:

по методу формования:

для ручного формования;

для вакуумной инжекции;
для горячего прессования;
для процессов намотки;
для пултрузии.

по области применения:

обычные конструкционные;
химически стойкие;
огнестойкие;
теплостойкие;
светопрозрачные.

Основные методы изготовления стеклопластиковых изделий

1. Ручное (контактное) формование

При этом методе стеклоармирующий материал вручную пропитывается смолой при помощи кисти или валиков. Затем пропитанный стекломат укладывается в форму, где он прикатывается прикаточными валиками. Прикатка осуществляется с целью удаления из ламината воздушных включений и равномерного распределения смолы по всему объему. Отверждение ламината происходит при обычной комнатной температуре, после чего изделие извлекается из формы и подвергается мехобработке (обрезка облоя, высверливание отверстий и т.д.)

Основные преимущества:

Широко используется в течении многих лет.
Простота процесса.
Недорогие используемые инструменты, если используются смолы, отверждаемые при комнатной температуре.
Широкий выбор поставщиков и материалов.
Более высокое содержание стеклянного наполнителя и более длинные волокна по сравнению с методом напыления рубленного роввинга.

Основные недостатки:

Качество смеси смолы и катализатора, качество ламината, содержание стеклообразующего в ламинате очень зависят от квалификации рабочих.
Высокая вероятность воздушных включений в ламинате.
Малая производительность метода.
Вредные условия труда.

2. Метод напыления рубленного роввинга.

Стеклонить подается в ножи пистолета, где она рубится на короткие волокна. Затем они в воздухе смешиваются с струей смолы и катализатора и наносятся на форму. После нанесения рубленного роввинга, его необходимо прикатать с целью удаления из ламината воздушных включений. Прикатанный материал оставляют отвердевать при обычных атмосферных условиях.

в виде роввинга (ровницы).

Основные преимущества:

Широко используется много лет.
Быстрый путь нанесения волокна и смолы.
Дешевые формы.

Основные недостатки:

Ламинаты имеют тенденцию быть очень богатыми смолой и поэтому чрезмерно тяжелыми.
Присутствуют только короткие волокна, которые ограничивают механические свойства ламината.
Смолы должны быть с низкой вязкостью для возможности их напыления. Это приводит к уменьшению их механических свойств и теплостойкости.
Вредные условия труда, большое содержаний в воздухе мелких частиц стекла.
Качество конечного продукта в основном зависит от мастерства оператора установки.

3. Метод RTM

Стеклоармирующий материал укладывается на матрицу в виде заранее заготовленных выкроек. Затем укладывается пуансон, который прижимается к матрице при помощи прижимов. Смола подается в полость формы под рассчитанным давлением. Иногда, для облегчения прохода смолы через материал используется вакуум, который создается внутри формы. Как только смола пропитала весь стекломатериал, инжекцию останавливают и ламинат оставляют в форме до полного отверждения. Отверждение может проходить при обычной или повышенной температурах.

Основные преимущества:

Могут быть получены ламинаты с высоким содержанием стекла и с минимальным содержанием пустот.
Хорошие условия труда и окружающей среды. Нет большого выброса вредных веществ.
Возможно сокращение трудовых затрат и времени на изготовление изделия. Один рабочий может обслуживать одновременно несколько аппаратов, производяших инжекцию.
Вся форма изделия имеет глянцевую поверхность.
Минимизированы отходы материалов.

Основные недостатки:

Дорогие и сложные формы.
Сложность процесса.
Необходимость иметь инжекционное оборудование.

4. Метод пултрузии

Волокна подаются от катушечной рамы до ванны со смолой и затем проходят через нагретую фильеру. В фильере убираются излишки смолы, происходит профилирование ламината и отверждение материала. После этого отвержденный профиль автоматически обрезается на необходимые длины.

Основные преимущества:

Это может быть очень быстрый процесс пропитки и отверждения материала.
Автоматизированное управление содержанием смолы в ламинате.
Недорогие материалы.
Хорошие структурные свойства ламинатов, так как профили имеют направленные волокна и высокое содержание стекломатериала.
Закрытый процесс пропитки волокна.

Основные недостатки:

Ограниченная номенклатура изделий.
Дорогое оборудование.

5. Метод намотки.

Этот процесс прежде всего используется для изготовления пустотелых круглых или овальных секционных компонентов, типа труб или резервуаров. Волокна пропускаются через ванну со смолой, затем через натяжные валики, служащие для натяжения волокна и удаления излишков смолы. Волокна наматываются на сердечник с необходимым сечением, угол намотки контролируется отношением скорости движения тележки к скорости вращения.

Основные преимущества:

Это может быть очень быстрый и поэтому экономически выгодный метод укладки материала.
Регулируемое соотношение смола/стекло.
Высокая прочность при малом собственном весе.
Неподверженность коррозии и гниению
Недорогие материалы
Хорошие структурные свойства ламинатов, так как профили имеют направленные волокна и высокое содержание стекломатериала.

Основные недостатки:

Ограниченная номенклатура изделий.
Дорогое оборудование.
Волокно трудно точно положить по длине сердечника.

Высокие затраты на сердечник для больших изделий.

Рельефная лицевая поверхность.

6. Метод RFI (Resin Film Infusion).

Сухие ткани выкладываются вместе со слоями полутвердой пленки из смолы. Весь полученный пакет закрывается специальной пленкой. Сначала между пленкой и формой создается вакуум, после чего форму помещают в термошкаф или автоклав. Под воздействием температуры смола переходит в текучее состояние и благодаря вакууму пропитывает материал. После некоторого времени смола полимеризуется.

Основные преимущества:

Могут быть получены ламинаты с высоким содержанием стекла и с минимальным содержанием пустот.
Высокие физико-механические характеристики из-за твердого начального состояния полимера и высоких температур отверждения.
Более низкая стоимость процесса по сравнению с методом препрегов.
Хорошие условия труда и окружающей среды. Нет большого выброса вредных веществ.

Основные недостатки:

Мало применяется вне аэрокосмической промышленности.
Для процесса необходима система вакуумного мешка, термошкаф или автоклав.
Требования к оборудованию и инструменту по температуростойкости.

7. Метод препрегов.

Препрег - предварительно пропитанная смолами стеклоткань. Ткани и волокна предварительно пропитаны пред-катализированной смолой под высокой температурой и давлением. В таком виде препреги могут хранится до нескольких недель, однако для увеличения срока хранения, их хранят при пониженных температурах. Смола в препрегах находится в полутвердом состоянии. При формовании препреги укладываются на поверхность формы и закрываются вакуумным мешком. Затем происходит их нагревание до температуры примерно 120 - 180 град.C при этой температуре смола переходит в текучие состояние и препрег принимает размеры формы. Далее при дальнейшем повышении температуры происходит отверждение смолы. Дополнительное давление (до 5 атмосфер) для формования обычно обеспечивается автоклавом.

Основные преимущества:

Могут быть получены ламинаты с высоким содержанием стекла и с минимальным содержанием пустот.
Хорошие условия труда и окружающая среда. Нет большого выброса вредных веществ.
Возможность автоматизировать процесс и снизить трудовые затраты.

Основные недостатки:

Высокая стоимость материалов.
Для отверждения необходимы автоклавы, которые ограничивают размеры выпускаемых изделий.

2.2.Углепластики.

Углепластики – это композитные материалы. Основу составляют нити из углерода, которые сами по себе имеют фантастические параметры: модуль Юнга, как у стали, плотность 1600 кг/м**3 (меньше алюминия). Однако сделать из них жесткую конструкцию задача непростая – нити работают только на растяжение. Поэтому из нитей плетут многослойную трубу, в каждом слое нити ориентированы под своим углом. Скрепляется вся эта конструкция эпоксидными смолами, что дает более скромные итоговые показатели всей конструкции.

Углепластики представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон). Высокая энергия связи С–С углеродных волокон позволяет им сохранять прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной средах до 2200°С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными покрытиями (пиролитическими).

В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержанию карбоксильной группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6–2,5 раза. Применяется вискеризация нитевидных кристаллов TiO₂, AlN и Si₃N₄, что дает увеличение межслойной жесткости в 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются пространственно армированные структуры.

Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты). Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненный углеродной лентой, и КМУ-ly на жгуте, вискеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200°С.

Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-Зл получают на эпоксианилиноформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать при температуре до 100°С, они наиболее технологичны. Карбоволокниты КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре до 300°С.

Карбоволокниты отличаются высоким статическим и динамическим сопротивлением усталости (рис.3), сохраняют это свойство при нормальной и очень низкой температуре (высокая теплопроводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химически стойкие. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения σ_ИЗГ и Е почти не изменяются.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей 📙 Курсовая → 🆔 106436