Волокнистые композиционные материалы, принципы их формирования, способы производства, свойства и область применения

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования «Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова»

 

 

 

        Факультет специальных технологий

        Кафедра  современных специальных материалов

 

 

 

 

                                                                      

Реферат защищен с оценкой                         .

      

Руководитель                    А. А. Бердыченко

                                                              

                                                                        “7” июля 2014 г.

                                                                                                                                                                                                                                                                           

 

 

 

 

 

Реферат

 

Волокнистые композиционные материалы, принципы их формирования, способы производства, свойства и область применения

 

 

по дисциплине Учебная практика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент группы  МиТМ-21                                                         М. А. Алиева 

Руководитель      к.т.н, доцент каф. ССМ                          А.А. Бердыченко

 

 

 

 

 

 

 

 

БАРНАУЛ 2014

Введение

 

 

 

Композиционный материaл - 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 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 связей между ними. Характеристики создаваемого изделия, как и его свойства, зависят от выбора исходных компонентов и технологии их совмещения.

    В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется композиция обладающая набором свойств, отражающими не только исходные характеристики его компонентов, но и включающий новые свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения[5].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      1 Классификация волокнистых композиционных материалов

 

 

    Композиционные материалы с волокнистым наполнителем по механизму армирующего действия делят на:

1. дискретные, в которых отношение длинны волокна к диаметру l/d»10¸10³;

2. с непрерывным волокном, в которых l/d»∞.

  Дискретные волокна  располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до  сотен микрометров. Чем больше  отношение длинны к диаметру  волокна, тем выше степень упрочнения [1].

    К волокнистым композиционным материалам, наиболее широко применяемым в технике, можно отнести: полимерные композиционные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальдегидных, полиимидных  и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и др. волокнами; металлические композиционные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или кaрбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой; композиционные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы); композиционные материалы на основе керамики, армированной углеродными, карбидкремниевыми и др. жаростойкими волокнами [8].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Формирование  волокнистых композиционных материалов

 

     Для изготовления КМ, применяемых при температурах ниже 200°С, используют полимерные матрицы. К таким композитам относятся стеклопластики, армированные короткими стеклянными волокнами в матрице из полиэфирной смолы. Стеклопластики применяют для изготовления корпусов автомобилей, лодок, некоторых бытовых приборов. В качестве матриц также используют термореактивные полимеры, в которых поперечные связи между основными цепями формируют жесткую структуру с трехмерной сеткой. Такими полимерами являются эпоксидные смолы, которые благодаря поперечным связям имеют более высокую термостойкость[3].  Для работы при более высоких температурах применяют металлические матрицы. Обычно используют металлы с малой плотностью:алюминий, реже – магний, титан.

 Металлические КМ  облaдают рядом преимуществ перед полимерными. Помимо более высокой рабочей температуры, они характеризуются лучшей изотропией и большей стабильностью свойств в процессе эксплуатации, более высокой эрозионной стойкостью. Пластичность металлических матриц сообщает конструкции необходимую вязкость. Это способствует быстрому выравниванию локальных механических нагрузок. Высокая теплопроводность металлических КМ предохраняет от локальных перегревов, что особенно важно для таких изделий, как наконечники ракет и ведущие кромки крыльев.

 

 

 

 

     Высокая электропроводность металлических КМ хорошо защищает их от электромагнитного излучения, молнии, снижает опасность статического электричества. Важным преимуществом металлических КМ является более высокая технологичность процесса изготовления, формовки, термообработки, формирования соединений и покрытий [9].  Для наиболее высоких рабочих температур в качестве матричного материала применяют керамику. Ее основной недостаток – отсутствие пластичности – в некоторой степени компенсируется армирующими волокнами, тормозящими распространение трещин в керамике      Использование в качестве матричного материала аморфного углерода, а в качестве армирующего материала – волокон из кристаллического углерода (графита) позволило создать композит, выдерживающий нагрев до 2500°С. Такой углерод-углеродный композит перспективен для космонавтики и заатмосферной авиации. Толчком к интенсивному использованию углерод-углеродных композитов в США послужили работы по программе создания космических кораблей многоразового использования. Недостаток углеродной матрицы состоит в возможном окислении и абляции (Абляция (лат. ablation – отнятие) – унос вещества с поверхности твердого тела потоком горячего газа (путем эрозии, оплавления, сублимации)). Для предотвращения этих явлений композит покрывают тонким слоем карбида кремния. Таким образом, наиболее важным критерием выбора матричного материала является рабочая температура эксплуатации композита.   Помимо высокой прочности и жесткости, основными требованиями, предъявляемыми к волокнам для КМ, является хорошее смачивание материала волокна расплавленной матрицей в процессе изготовления композита. Важными условиями являются слабое взаимодействие волокна с материалом матрицы и его высокая окислительная стойкость.

    Для aрмирования металлических КМ обычно используют непрерывные волокна: углеродные (УВ), борные (В), оксида алюминия (Аl2О3), карбида кремния (SiC), карбида бора (В4С), нитрида бора (BN), диборида титана (TiB2), оксида кремния (SiO2). В качестве волокон применяют также металлическую тонкую проволоку, полученную методом волочения из стали, вольфрама, титана, молибдена и бериллия. Реже используют нитевидные специально выращенные кристаллы разных материалов [4].

     Наибольшее распространение для армирования металлических КМ получили непрерывные или дискретные углеродные и борные волокна.  Волокна бора обычно получают осаждением бора из газовой фазы при диссоциации его галоидных соединений, например треххлористого бора ВС13. Бор осаждается на основу из тонкой (12 мкм) вольфрамовой нити, нагретой до 1100 – 1200оС. В процессе осаждения бор диффундирует в вольфрамовую основу, образуя бориды вольфрама в сердцевине волокна. Время пребывания волокна в реакционной камере составляет 1 – 2 мин. Общий диаметр борного волокна составляет 100 – 150 мкм [7].

   Сырьем для получения высокопрочных и высокомодульных углеродных волокон являются такие полимеры с высоким содержанием углерода, как полиакрилонитрил (ПАН), и реже – пек и вискоза. ПАН-волокно выдавливают через малые отверстия и подвергают пиролизу в инертной атмосфере при температуре около 2000°С. Углеродные волокна выпускают в виде нитей, содержащих до 10000 элементарных волокон, диаметр которых составляет около 7 мкм. Модуль и прочность волокна не изменяется при нагреве его до 600°С.

     Для многих видов волокон разработаны технологические процессы нанесения покрытий для обеспечения лучшей смачиваемости, окалиностойкости и оптимального взаимодействия волокна с матрицей. Борные волокна защищают от реагирования с расплавами титана и алюминия созданием на поверхности диффузионного барьера из карбидов кремния или бора. Волокна бора, защищенные карбидом кремния, называют borsic (борсик). Из-за высокой окислительной способности углеродных волокон на их поверхность наносят специальные покрытия, а процессы переработки осуществляют в защитной атмосфере. Углеродные волокна имеют отрицательное значение температурного коэффициента линейного расширения, благодаря чему появляется возможность при соответствующей укладке волокон получать температурный коэффициент линейного расширения близкий к нулю.

      Волокна карбида кремния получают методом химического осаждения из паровой фазы на подложку из борного или углеродного волокна. Эти волокна имеют хорошую теплостойкость, стойкость к окислению и мало реагируют с металлом [6].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Свойства и  применение волокнистых композиционных  материалов

 

      Успешному развитию современных КМ содействовали: разработка и применение в конструкциях волокнистых стеклопластиков, обладающих высокой удельной прочностью (1940—50); открытие весьма высокой прочности, приближающейся к теоретической, нитевидных кристаллов и доказательства возможности использования их для упрочнения металлических и неметаллических материалов (1950—60); разработка новых армирующих материалов — высокопрочных и высокомодульных непрерывных волокон бора, углерода, Al2O3, SiC и волокон других неорганических тугоплавких соединений, а также упрочнителей на основе металлов (1960—70)[2].

     В технике широкое распространение получили волокнистые КМ, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами, в которых армирующие элементы несут основную нагрузку, тогда как матрица передаёт напряжения волокнам. Волокнистые КМ, как правило, анизотропны. Механические свойства их  определяются не только свойствами самих волокон , но и их ориентацией, объёмным содержанием, способностью матрицы передавать волокнам приложенную нагрузку и др. Диаметр непрерывных волокон углерода, бора, а также тугоплавких соединений (В4С, SiC и др.) обычно составляет 100—150 мкм.

     Волокнистые КМ, в отличие от монолитных сплавов, обладают высокой усталостной прочностью s-1. Так, например, s-1 (база 107 циклов) алюминиевых сплавов составляет 130—150 Мн/м2 (13—15 кгс/мм2), в то время как у армированного борным волокном алюминиевого К. м. s-1 около 500 Мн/м2 (при той же базе).

 

 

 

 Предел прочности  и модуль упругости К. м. на  основе алюминия, армированного борным волокном, примерно в 2 раза больше, чем у алюминиевых сплавов В-95 и АК4-1 [1].

  Важнейшими технологическими методами изготовления КМ являются: пропитка армирующих волокон матричным материалом; формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы, получаемых намоткой; холодное прессование обоих компонентов с последующим спеканием, электрохимическое нанесение покрытий на волокна с последующим прессованием; осаждение матрицы плазменным напылением на упрочнитель с последующим обжатием; пакетная диффузионная сварка монослойных лент компонентов; совместная прокатка армирующих элементов с матрицей и другие [5].

       В таблице 1 рассмотрим механические свойства волокнистых композиционных материалов с непрерывными волокнами.

 

 

Таблица 1 - Механические свойства волокнистых композиционных материалов с непрерывными волокнами

 

	Упрочни-тель (волокно)	% (по объё-му)	Плот-ность, кг/м3	Предел Прочно-сти, Гн/м3	Удель-ная Проч-ность, кн-м/кг	Модуль Упру-гости, Гн/м3	Удель-ный модуль упруго-сти,   Мн-м/кг
Матрица (основа)	материал
Никель	Вольфрам	40	12500	0,8	64	265	21,2
	Молибден	50	9300	0,7	75	235	25,25
Титан	Карбид кремния	25	4000	0,9	227	210	52
Алюминий	Борное волокно	45	2600	1,1	420	240	100
	Стальная проволока	25	4200	1,2	280	105	23,4
Магний	Углеродное волокно	50	1600	1,18	737	168	105

 

 

 

   В таблице 2 и 3 представлены свойства нитевидных кристаллов и непрерывных волокон.

 

  Таблица 2 – Непрерывные волокна

Упрочни-тель	Температура плавления,  °С	Плотность, кг/м3	Предел прочности, Гн/м2	Удельная прочность, Мн•м/кг	Модуль упругости, Гн/м2	Удельный модуль упругости, Мн•м/кг
Al2O3	2050	3960	2,1	0,53	450	113
B	2170	2630	3,5	1,33	420	160
С	3650	1700	2,5	1,47	250-400	147-235
B4C	2450	2360	2,3	0,98	490	208
SiC	2650	3900	2,5	0,64	480	123
W	3400	19400	4,2	0,22	410	21
Mo	2620	10200	2,2	0,21	360	35
Be	1285	1850	1,5	0,81	240	130

 

 

  

 Таблица 3 – Нитевидные кристаллы

 

Упрочни-тель	Температу-ра плавления,  °С	Плотность, кг/м3	Предел прочности, Гн/м2	Удельная прочность, Мн•м/кг	Модуль упругости, Гн/м2	Удельный модуль упругости, Мн•м/кг
Al2O3	2050	3960	28*	7,1	500	126
AlN	2400	3300	15*	4,55	380	115
B4C	2450	2520	14*	5,55	480	190
SiC	2650	3218	24*	8,4	580	180
Si2N4	1900	3180	15*	4,72	495	155
C	3650	1700	21*	12,35	700	410

 

 

 В узлах конструкций, требующих наибольшего упрочнения, армирующие волокна располагаются по направлению приложенной нагрузки. Цилиндрические изделия и другие тела вращения (например, сосуды высокого давления) армируют волокнами, ориентируя их в продольном и поперечном направлениях. Увеличение прочности и надежности в работе цилиндрических корпусов, а также уменьшение их массы достигается внешним армированием узлов конструкций высокопрочными и высокомодульными

 волокнами, что позволяет  повысить в 1,5—2 раза удельную  конструктивную прочность по  сравнению с цельнометаллическими  корпусами. Упрочнение материалов волокнами из тугоплавких веществ значительно повышает их жаропрочность. Например, армирование никелевого сплава вольфрамовым волокном (проволокой) позволяет повысить его жаропрочность при 1100 °С в 2 раза [4].

Весьма перспективны КМ, армированные нитевидными кристаллами (усами) керамических, полимерных и др. материалов. Размеры усов обычно составляют от долей до нескольких мкм по диаметру и примерно 10—15 мм по длине.

   Разрабатываются КМ со специальными свойствами, например радиопрозрачные материалы и радиопоглощающие материалы, материалы для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов, с малым коэффициентом линейного термического расширения и высоким удельным модулем упругости и другие. Свойства КМ на основе алюминия и магния (прочность, модуль упругости, усталостная и длительная прочность) более чем в 2 раза (до 500 °С) выше, чем у обычных сплавов. К. м. на никелевой и кобальтовой основах увеличивают уровень рабочих температур от 1000 до 1200 °С, а на основе тугоплавких металлов и соединений — до 1500—2000 °          Повышение прочностных и упругих свойств материалов позволяет существенно облегчить конструкции, а увеличение рабочих температур этих материалов даёт возможность повысить мощность двигателей, машин и агрегатов [8].

    Области применения КМ многочисленны; кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной промышленности — для деталей двигателей и кузовов автомашин; в машиностроении — для корпусов и деталей машин; в горнорудной промышленности — для бурового инструмента, буровых машин и др.; в металлургической промышленности — в качестве огнеупорных материалов для футеровки печей, кожухов и другой арматуры печей, наконечников термопар; в строительстве — для пролётов мостов, опор мостовых ферм, панелей для высотных сборных сооружений и др.; в химической промышленности — для автоклавов, цистерн, аппаратов сернокислотного производства, ёмкостей для хранения и перевозки нефтепродуктов и др.; в текстильной промышленности — для деталей прядильных машин, ткацких станков и др.; в сельскохозяйственном машиностроении — для режущих частей плугов, дисковых косилок, деталей тракторов и др.; в бытовой технике — для деталей стиральных машин, рам гоночных велосипедов, деталей радиоаппаратуры и др [3].

    Применение КМ в ряде случаев потребует создания новых методов изготовления деталей и изменения принципов конструирования деталей и узлов конструкций.

    В волокнистых композиционных материалах волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в композите при действии внешних нагрузок, и обеспечивают прочность и жесткость композиции в направлении ориентации волокон. Матрица, заполняющая межволокнистое пространство, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счет собственной жесткости и взаимодействия, существующего на границе раздела матрица - волокно. Механические свойства волокнистого композиционного материала определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица-волокно[5].

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные и углеродные волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют

 равные  2500-3500 МПа, Е = 450 ГПа. Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных сталей.

 

   Для армирования  титана и его сплавов применяют  молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.

 Повышение жаропрочности  никелевых сплавов достигается  армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. Перспективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др., имеющие = 15000¸28000 МПа и Е = 400¸600 ГПа[1].

     Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью и жаропрочностью, в то же время они мaлопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исчезает внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью волокнистых одноосных композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения.

     Рассмотрим зависимость  и  бороалюминевого композиционного материала от содержания борного волокна вдоль и поперек оси армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше ,  и  вдоль оси армирования. Однако необходимо учитывать, что матрица может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно – матрица. Для предотвращения контакта между волокнами матрица должна полностью окружать все волокна, что достигается при содержании ее не менее 15-20 %.

     Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при изготовлении и эксплуатации, так как это может привести к понижению прочности композиционного материала.

    Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления с полями напряжения.

     Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, доборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность.    Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени с повышением температуры[4].

     Основным недостатком композиционных материалов с одно и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого лишены материалы с объемным армированием.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Заключение

 

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

   Композиционные материалы с неметаллической матрицей, а именно полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании и другом.

    Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

    Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачек в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов[2].

   Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов достаточно хорошо отработана.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

  

 

  1. Липатов, Ю. С. Композиционные материалы [ Текст] : Композиционные материалы:справочник/Ю.С.Липатов,Э.С.Уманский.:

Изд-во  «Наукова думка», 1985. -294 с.

   2. А. Т. Туманов, К. И. Портной. Волокнистые композиционные материалы [ Текст] : Волокнистые композиционные материалы, пер. с англ., М., 1967:  Туманов А. Т., Портной К. И.

   3. Любина Дж.Справочник по композиционным материалам [ Текст] :  Справочник по композиционным материалам:В 2-х кн.кн 1/ Под ред.Дж.Любина;Пер с англ.А.Б. Геллера,М.М. Гельмонта:Под ред.Б.Э. Геллера.-М.:Машиностроение,1988-448с.

   4. Браутмана, Л. Структура и свойства композиционных материалов [ Текст] : Структура и свойства композиционных материалов, М., 1979; Композиционные материалы, под ред. Л. Браутмана, Р. Крока, пер. с англ., т. 1-8, М., 1978

   5. Салибеков, С. Е. Композиционные материалы [ Текст] :

  Композиционные материалы, М., 1981; Салибеков С. Е., Строганова В. Ф.

    6. Арзамасова, Б.Н. Материаловедение [ Текст]: Материаловедение:учебник для вузов/Под ред. Б.Н Арзамасова.-М.:Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана,2005.-528с.

  7. Карпинос, Д. М. Композиционные материалы [ Текст] :

 Композиционные материалы. Справочник. - Киев, Наукова думка

   8. Ковалевская, Ж. Г. Основы материаловедения [ Текст] :

 Основы материаловедения.Конструкционные материалы:учебное пособие/Ж.Г. Ковалевская,В.П. Безбородов.-Томск:Изд-во Томского политехнического университета,2009,-110с.

 

 

Содержание

 

     Введение……………………………………………………….........................2

     1 Классификация  волокнистых композиционных материалов……………..3  

     2 Формирование  волокнистых композиционных материалов……………...4

     3Свойства  и применение волокнистых композиционных материалов…….9

     4 Заключение………………………………………………………………….16                  

     Список литературы…………………………………………………………...17