Композиционные материалы и их строение. 2

Федеральное агентство по образованию и науке РФ

Омский государственный институт сервиса

Кафедра естественнонаучных и инженерных дисциплин

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Технология конструкционных материалов»

на тему: «Композиционные материалы и их строение»

Выполнил(а): Левадняя Т.А.

                                                                                                                              Группа: Кдзу-91

Учебный шифр: 40931

Проверил(а): Ревина И.В.

Омск, 2011

Оглавление

Введение              2

1. Общее представление о композиционных материалах              3

2. Строение композиционных материалов              5

2.1  Строение композиционных материалов на металлической основе.              9

2.2 Строение композиционных материалов на неметаллической основе              13

3. Область применения композиционных материалов.              15

Заключение              17

Список использованной литературы              18

Введение

В начале XXI века задаются вопросом о будущих строительных материалах. Бурное развитие науки и техники затрудняет прогнозирование: еще четыре десятилетия назад не было широкого применения полимерных строительных материалов, а о современных «истинных» композитах было известно только узкому кругу специалистов. Тем не менее, можно предположить, что основными строительными материалами также будут металл, бетон и железобетон, керамика, стекло, древесина, полимеры. Строительные материалы будут создаваться на той же сырьевой основе, но с применением новых рецептур компонентов и технологических приемов, что даст более высокое эксплуатационное качество и соответственно долговечность и надежность. Будет максимальное использование отходов различных производств, отработавших изделий, местного и домашнего мусора. Строительные материалы будут выбираться по экологическим критериям, а их производство будет основываться на безотходных технологиях.

Уже сейчас имеется обилие фирменных названий отделочных, изоляционных и других материалов, которые в принципе отличаются только составом и технологией. Этот поток новых материалов будет увеличиваться, а их эксплуатационные свойства совершенствоваться с учетом суровых климатических условий и экономии энергетических ресурсов России.

1.      Общее представление о композиционных материалах

Композиционный материал (компози́т, КМ) — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.

Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных ком­понентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает стойкость к образованию трещин в материале, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

Композиционные материалы позволяют:

           создавать элементы конструкций с заранее заданными свойствами, высокой эффективностью по массе и высокой технологичностью;

           создавать материалы с качественно новыми свойствами и не только повышать эксплуатационные характеристики существующих конструкций, но и создавать принципиально новые конструкции, недоступные при применении традиционных материалов.

Компоненты композитов должны быть совместимы, т.е. они не должны растворяться или иным способом поглощать друг друга. Свойства композиционных материалов нельзя определить только по свойствам компонентов, без учета их взаимодействия.

Композиционные материалы классифицируют по следующим основным признакам:

      материалу матрицы и армирующих элементов,

      геометрии компонентов, структуре и расположению компонентов,

      по методу изготовления.

Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно. Стоит сразу оговорить, что КМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства.

                   высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа)

                   высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 - 240 ГПа)

                   высокая износостойкость

                   высокая усталостная прочность

                   из КМ возможно изготовить конструкции стабильных размеров

                   легкость

Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.

В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются растущие самостоятельно кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр.

Большинство классов композитов (но не все) обладают недостатками:

                   высокая стоимость

                   анизотропия свойств

                   необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а, следовательно, развитого промышленного производства и научной базы страны.

2.      Строение композиционных материалов

Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые один в другом компоненты, разделённые в материале ярко выраженной границей. Композиционным материалам можно также дать следующее определение: это материалы, представляющие собой твёрдое вещество, состоящее из матрицы и различных наполнителей, частицы которых особым образом расположенные внутри матрицы, армируют её. Композиционный материал должен обладать свойствами, которыми не может обладать ни один из компонентов в отдельности. Лишь только при этом условии есть смысл их применения.

Все композиционные материалы можно разделить на два вида: естественные и искусственные. Примером естественных КМ могут служить стволы и стебли растений (волокна целлюлозы соединены пластичным лигнином), кости человека и животных (тонкие прочные нити фосфатных солей соединены пластичным коллагеном), а также эвтектические сплавы.

Основой матрицы композиционного материала могут служить металлы или сплавы (КМ на металлической основе), а также полимеры, углеродные и керамические материалы (КМ на неметаллической основе).

Роль матрицы в композиционном материале состоит в придании формы и создании монолитного материала. Объединяя в одно целое армирующий наполнитель, матрица участвует в обеспечении несущей способности композита. Она передаёт напряжения на волокна и позволяет воспринимать различные внешние нагрузки: растяжение, сжатие, изгиб, удар. Матрица предохраняет наполнитель от механических повреждений и окисления. Выбором матрицы определяется температурная область применения КМ. Рабочая температура деталей из композиционного материала повышается при переходе от полимерной матрицы к металлической, а далее – к углеродной и керамической.

Композит, содержащий 2 или более различных матричных материала, называется полиматричным. Для полиматричных материалов характерен более обширный перечень полезных свойств. Например, использование в качестве матрицы наряду с алюминием титана увеличивает прочность КМ в направлении, перпендикулярном оси волокон.

По типу упрочняющих наполнителей композиционные материалы подразделяют на дисперсно-упрочненные, армированные или волокнистые, и слоистые (рис. 1).

Рис. 1. Типы композиционных материалов: дисперсно-упрочненные, армированные или волокнистые

Композиционные материалы, содержащие 2 или более различных армирующих элементов, называются полиармированными. Полиармированные композиты, в свою очередь, делятся на простые, если армирующие элементы имеют различный состав, но одинаковую геометрию (например, стеклоуглепластик - полимер, армированный стеклянными и углеродными волокнами), и комбинированные, если армирующие элементы имеют различные состав и геометрию (например, композит, состоящий из алюминиевой матрицы, борных волокон и прослоек из титановой фольги).

В соответствии с геометрией армирующих частиц различают порошковые (или гранулированные), волокнистые, пластинчатые композиционные материалы. Порошковые композиты представляют собой смесь порошков металлов и неметаллических соединений, которые образуют дисперсно-упрочнённый сплав. Они отличаются изотропностью свойств. В волокнистых композитах матрицу упрочняют непрерывно и дискретно расположенные волокна. Волокнистые и пластинчатые композиты так же, как и металлические сплавы, имеют анизотропию механических свойств.

В матрице равномерно распределены остальные компоненты (наполнители). Поскольку главную роль в упрочнении КМ играют наполнители, их часто называют упрочнителями.

Основная функция наполнителя – обеспечить прочность и жёсткость композиционного материала. Частицы наполнителя должны иметь высокую прочность во всём интервале температур, малую плотность, быть нерастворимыми в матрице и нетоксичными. Армирующими веществами в композитах являются оксиды, карбиды (обычно – карбид кремния SiC), нитрид кремния (Si3N4), стеклянные или углеродные нити, волокна бора (бороволокна), стальная или вольфрамовая проволока.

По форме наполнители разделяют на три основные группы (рис. 2, 1): нуль-мерные, одномерные, двумерные.

Нуль-мерными называют наполнители, имеющие в трёх измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы). Одномерные наполнители имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в третьем измерении (волокна). У двумерных наполнителей два размера соизмеримы с размером КМ и значительно превосходят третий (пластины, ткань).

По форме наполнителя КМ разделяют на дисперсно-упрочнённые, слоистые и волокнистые.

Дисперсно-упрочнёнными называют КМ, упрочнённые нуль-мерные наполнителями; волокнистыми – КМ, упрочнённые одномерными или одномерными и двумерными наполнителями; слоистыми – КМ, упрочнённые двумерными наполнителями.

По схеме армирования КМ подразделяют на три группы: с одноосным, двуосным и трёхосным армированием (рис. 2, 2– 4).

Для одноосного (линейного) армирования используют нуль-мерные и одномерные наполнители (рис. 2, 2). Нуль-мерные располагаются так, что расстояние между ними по одной оси значительно меньше, чем по другим. В этом случае содержание наполнителя составляет 1 – 5 %. Одномерные наполнители располагаются параллельно один другому.

При двухосном (плоскостном) армировании используют нуль-, одно- и двумерные наполнители (рис. 2, 3). Нуль-мерные и одномерные наполнители располагаются в параллельных плоскостях. При этом расстояние между ними в пределах плоскости значительно меньше, чем между плоскостями. При таком расположении нуль-мерного наполнителя его содержание доходит до 15–16%. Одномерные наполнители находятся также в параллельных плоскостях. При этом в пределах каждой плоскости они расположены параллельно, а по отношению к другим плоскостям – под разными углами. Двумерные наполнители параллельны один другому.

При трёхосном (объёмном) армировании нет преимущественного направления в распределении наполнителя. Для армирования используют (рис. 2, 4). Расстояние между нуль-мерными наполнителями одного порядка. В этом случае их содержание может превышать 15–16%. Одномерные наполнители располагаются в трёх и более пересекающихся плоскостях.

По методам изготовления композиционные материалы делятся на материалы, полученные жидко- и твердофазными методами, методами осаждения - напыления, и комбинированными методами. К жидкофазным методам относятся пропитка (например, пропитка каркасов из карбида титана сталями или жаропрочными материалами), непрерывное литье, направленная кристаллизация эвтектических сплавов. К твердофазным методам относятся прессование, прокатка, ковка, волочение, диффузионная сварка и др. Для композиционных материалов, полученных твердофазными методами, характерно использование матрицы в виде порошка, листов или фольги. При изготовлении композитов методом осаждения - напыления матрицу наносят на волокна из растворов солей, парогазовой фазы, газоплазменным и плазменным напылениями. Комбинированные методы заключаются в использовании комбинации нескольких методов. Например, плазменное напыление используют как предварительная операция, а в качестве окончательной операции применяют прокатку или прессование.

Рис. 2 Строение композиционных материалов

2.1 Строение композиционных материалов на металлической основе

Преимущества КМ на металлической основе по сравнению с другими основами состоят в следующем:

механические свойства – высокие значения характеристик, зависящих от свойств матрицы (предела прочности и модуля упругости в направлении, перпендикулярном оси армирующих волокон); высокая пластичность, вязкость разрушения; сохранение прочностных характеристик до температур плавления основного металла;

физические свойства – высокая тепло- и электропроводность;

химические свойства – негорючесть (по сравнению с КМ на полимерной основе);

технологические свойства – высокая деформируемость, обрабатываемость.

Наиболее перспективными материалами для матриц металлических КМ являются металлы, обладающие небольшой плотностью (Al, Mg, Ti), и сплавы на их основе, а также никель – широко применяемый в настоящее время в качестве основного компонента жаропрочных сплавов.

В порошковых (дисперсно-упрочнённых) композитах на металлической основе наполнителями служат дисперсные частицы тугоплавких фаз – оксидов Al2O3, SiO2 и карбидов. Отличительная особенность порошковых композиционных материалов, как было указано, состоит в изотропности механических и физических свойств.

Примером порошкового КМ на металлической основе является материал САП (спечённая алюминиевая пудра), состоящий из смеси порошков алюминия и оксида алюминия (6-22%). В настоящее время в двигателестроении из САП изготавливают многие ответственные детали: поршни, шатуны, тарелки клапанных пружин. САП имеет высокую технологичность при деформации, сварке, резании; отличается высокой коррозионной стойкостью и жаропрочностью. В отличие от жаропрочных алюминиевых сплавов они работают при температурах до 500˚С, а не до 300˚С.

Для изготовления деталей ГТД – дисков, лопаток, роторов – применяют порошковые сплавы типа ВДУ (высокотемпературные дисперсно-упрочнённые), представляющие собой смесь порошков никель-хромового сплава и оксидов гафния (HfO2) или тория (ThO2). Сплавы ВДУ получают методом механического легирования. Жаропрочность и жаростойкость таких КМ выше, чем никелевых сложнолегированных сплавов, получаемых как по традиционной технологии, так и при направленной кристаллизации поликристаллических и монокристаллических сплавов.

В волокнистых КМ упрочнителями служат волокна и нитевидные кристаллы чистых элементов или тугоплавких соединений (B, C, Al2O3, SiC), проволоки. Волокна могут быть непрерывными или дискретными. Объёмная доля колеблется от нескольких единиц до 80…90 %. Свойства волокнистых КМ зависят от схемы армирования. Механическим свойствам волокнистых КМ присуща анизотропия, поэтому при изготовлении из них деталей волокна ориентируют так, чтобы с максимальной выгодой использовать свойства композита с учётом действующих нагрузок.

В докторской диссертационной работе  Костылевой Л. В. ''Создание новых научных принципов упрочнения железоуглеродистых сплавов на основе развития теории кристаллизации и микроликвации'' проведен анализ взаимного расположения составляющих первичной структуры и сопоставление прочностных свойств дендритных ветвей и эвтектической матрицы, который дал основание отнести такую структуру к аналогу композита с дискретными неориентированными волокнами. Подобная аналогия при целенаправленном её использовании для усиления эффекта композитного упрочнения позволила при существенном уменьшении степени легирования добиться усиления армирующей роли дендритных ветвей и повысить прочностные характеристики чугуна.

Сходство первичной структуры чугуна с волокнистыми композитами, основанное на морфологическом подобии дендритов дискретным упрочняющим волокнам, замечено давно. Однако анализ соответствия фактической структуры чугуна основным требованиям КМ показал, что они либо выполняются не в полной мере, либо вовсе не выполняются, не позволяя реализовать полномасштабное композитное упрочнение.

Так условие σвволок. >>σвматр. может частично выполняться при сорбитной структуре первичных дендритных кристаллов, но утрачивает смысл при выделении в дендритах феррита.

Другой принцип КМ, ограничивающий морфологию волокон по длине и толщине соотношением l/d > 100, в чугунах выполняется не в полной мере, поскольку дендрита едва достигают нижних границ указанного соотношения, и технических решений по увеличению их длины пока нет.

Важнейший принцип КМ, требующий прочной, но не диффузной связи волокон с упрочняемой матрицей, в чугунах практически не реализуется, и дендриты очень ограниченно участвуют в работе разрушения чугуна, отслаиваясь без разрушения от малопрочной матрицы.

Тем не менее, литейная технология позволяет хорошо освоенными методами усилить сцепление дендритов с матрицей, например, за счёт измельчения эвтектических ячеек, снижения разветвлённости графитовых включений, повышенного содержания фосфора, формирующего монолитную кайму фосфидов вокруг эвтектических ячеек и др.

Эти частные решения, по отдельности и для других целей, опробованные литейщиками с положительными результатами, целесообразно использовать в комплексе по новому назначению для усиления композитного упрочнения серого чугуна.

Принципиальное значение для конструктивной прочности чугунов имеет необходимость предотвращать образование феррита в дендритных ветвях, предупреждая катастрофическое разупрочнение литых деталей.

В чугунах существуют объективные термодинамические ограничения на использование упрочняющего легирования. При прочих равных условиях менее легированный чугун с меньшим содержанием Si, Mn, Cr будут иметь более однородную перлитную структуру, в том числе и в дендритных ветвях, и, как следствие, лучшие прочностные свойства.  

В табл. 1 приведены свойства некоторых волокнистых КМ с металлической матрицей. Для примера даны свойства чистого алюминия (нагартованный лист) и самого прочного легированного сплава В95. Этот сплав упрочняется при старении и имеет предел прочности 600 МПа, и предел выносливости – 155 МПа (сопротивление циклическим нагрузкам). Создание композиционного материала – введение в алюминий волокон бора (КМБ) – повышает предел прочности почти на порядок по сравнению с алюминием и вдвое по сравнению со сплавом В95; при этом втрое возрастает модуль упругости и вчетверо – предел выносливости.

Таблица 1. Свойства однонаправленных КМ на металлической основе

Если же в качестве наполнителя используют стальную проволоку, диаметр которой больше, чем диаметр волокон бора или углерода, то снижается модуль упругости, однако этот материал (КАС) имеет самый высокий предел прочности и отличается значительно более высокой удельной прочностью благодаря малой плотности. Для всех КМ характерен высокий предел выносливости, свидетельствующий об их противостоянии циклическим нагрузкам.

Прочность КМ в большой степени зависит от прочности сцепления волокон с матрицей. Между матрицей и наполнителем в КМ возможны различные типы связи.

1. Механическая связь, возникающая благодаря зацеплению неровностей поверхностей матрицы и наполнителя, а также действию трения между ними. КМ с механическим типом связи (например, Cu – W) имеют низкую прочность при поперечном растяжении и продольном сжатии.

2. Связь, обеспечиваемая силами поверхностного натяжения при пропитке волокон жидкой матрицей вследствие смачивания и небольшого растворения компонентов (например, Mg – B до 400˚ С).

3.  Реакционная связь, обусловленная химическим взаимодействием компонентов (Ti и B) на границе раздела, в результате чего образуются новые химические соединения (TiB2).

4. Обменно-ракционная связь, возникающая при протекании двух и более стадийных химических реакций. Например, алюминий из твёрдого раствора матрицы титанового сплава образует с борным волокном AlB2, который затем вступает в реакцию с титаном, образуя TiB2 и твёрдый раствор алюминия.

5.  Оксидная связь, возникающая на границе раздела металлической матрицы и оксидного наполнителя (Ni – Al2O3), благодаря образованию сложных оксидов типа шпинели и др.

6.  Смешанная связь, реализуемая при разрушении оксидных плёнок и возникновении химического и диффузионного взаимодействий компонентов (Al – B, Al – сталь).

Для металлических КМ прочная связь между волокном и матрицей осуществляется благодаря их взаимодействию и образованию очень тонкого слоя (1 – 2 мкм) интерметаллидных фаз. Если между волокнами и матрицей нет взаимодействия, то на волокна наносят специальные покрытия для его обеспечения, но прослойки образующейся при этом фазы должны быть очень тонкими.

Связь между компонентами и КМ на неметаллической основе осуществляется с помощью адгезии. Плохой адгезией к матрице обладают высокопрочные борные, углеродные, керамические волокна. Улучшение сцепления достигается травлением, поверхностной обработкой волокон, называемой вискеризацией. Вискеризация – это выращивание монокристаллов карбида кремния на поверхности углеродных, борных и других перпендикулярно их длине. Полученные таким образом «мохнатые» волокна бора называют «борсик». Вискеризация способствует повышению сдвиговых характеристик, модуля упругости и прочности при сжатии без снижения свойств вдоль оси волокна. Так, увеличение объёмного содержания нитевидных кристаллов до 4 – 8 % повышает сдвиговую прочность в 1,5 – 2 раза, модуль упругости и прочность при сжатии на 40 – 50 %.        

2.2 Строение композиционных материалов на неметаллической основе

Матрицей в композиционных материалах на неметаллической основе служат термореактивные пластмассы – эпоксидные, фенолформальдегидные смолы, полиамиды и др. Основную часть КМ на неметаллической основе составляют волокнистые материалы. Их название обычно включает характеристику наполнителя: карбоволокниты, бороволокниты, стекловолокниты, органоволокниты. КМ на неметаллической основе (полимеры) имеют следующие преимущества по сравнению с металлическими сплавами и КМ на металлической основе:

механические свойства – высокая удельная прочность (1,2 …2,2по сравнению с 2,25…4,8 для КМ на металлической основе); высокая усталостная прочность; хорошие антифрикционные и амортизационные свойства;

химические свойства – высокая химическая стойкость;

технологические свойства – хорошая обрабатываемость;

экономические свойства – дешёвые исходные материалы.

Общими недостатками КМ на полимерной основе являются: резкая потеря прочности при температурах выше 100…200۫ С, горючесть, отсутствие способности к сварке. Механические свойства волокнитов указаны в табл. 2.

Родоначальниками КМ на полимерной основе являются стеловолкниты. По удельной прочности они превосходят легированные стали, сплавы алюминия, магния, титана. В ДВС на ряде зарубежных автомобильных фирм из стекловолокнитов изготавливают разнообразные детали: детали топливно-подающей системы (фирма Zeta), крыльчатки вентиляторов систем охлаждения, расширительные бачки радиаторов (Ford), головки цилиндров, бензиновые баки (BMV, Du Pont). 

Таблица 2. Свойства однонаправленных КМ на неметаллической основе