Geum.ru

Композиционные материалы Композиционными называют материалы, состоящие из двух и более компонентов, объединенных различными способами в монолит и сохраняющими при этом свои индивидуальные свойства

Вид материалаДокументы

Содержание


I. КМ с нуль-мерным (или зернистым) наполнителем
1) мелкие частицы с диаметром 1-50 мкм и 2)
Главным преимуществом дисперсноупрочненных жаропрочных КМ является повышение их рабочей температуры до 0,9 Т
Характеристика частиц алюминиевой пудры и механические свойства САП и сплава Д20 при 20
Длительная прочность σ
КМ ВДУ применяют
Дисперсноупрочненные КМ на стеклянной матрице называют ситаллами
КМ с алюминиевой матрицей.
III Композиционные материалы на неметаллической основе. (Пластики)
Стекловолокниты (стеклопластики).
Неориентированные стекловолокниты
Углепластики (карбоволокниты)
Боропластики (бороволокниты)
Органоволокниты (органиты, органопластики)
Контрольные вопросы
Подобный материал:

Композиционные материалы


Композиционными называют материалы, состоящие из двух и более компонентов, объединенных различными способами в монолит и сохраняющими при этом свои индивидуальные свойства.

Для композиционных материалов (далее КМ) характерны следующие признаки:
  1. КМ состоит из непрерывной матрицы, в которой равномерно распределены непрерывные или дискретные микрообъемы наполнителя волокнистой или зернистой формы; наполнитель называют также армирующим или упрочняющим компонентом;
  2. диаметр наполнителя в большинстве случаев не превышает 10 мкм;
  3. матрица связывает волокна или зерна наполнителя в единый монолит;
  4. в качестве наполнителя обычно используют более прочное и твердое вещество с высоким модулем упругости, а матрицей служит более пластичное вещество;
  5. состав, форма и распределение компонентов материала определен заранее;
  6. материалы состоят из двух и более компонентов различного химического состава, разделенных в материале границей;
  7. свойства материала определяются каждым из его компонентов;
  8. материал обладает свойствами, отличными от свойств компонентов, взятых в отдельности;
  9. материал однороден в макромасштабе и неоднороден в микромасштабе;
  10. материал не встречается в природе, а является созданием человека.


В качестве матрицы в КМ используют:

1. металлы и сплавы;

2. полимеры: органические и неорганические;

3. углеродные и другие материалы.

При выборе технологии получения конкретного композиционного материала определяющим этот выбор будут свойства матрицы.


КМ классифицируют по геометрии наполнителя на три группы:


I. КМ с нуль-мерным (или зернистым) наполнителем, размеры которого в трех измерениях имеют один и тот же порядок;

II. КМ с волокнистым наполнителем, один из размеров которого значительно превосходит третий;

III. КМ с двумерным наполнителем, размеры которых значительно превосходит третий.


I. КМ с нуль-мерным (или зернистым) наполнителем


В КМ этого типа наибольшее распространение получила металлическая матрица. В качестве наполнителя служат равномерно распределенные частицы различной степени дисперсности:

1) мелкие частицы с диаметром 1-50 мкм и

2) микроскопические частицы с диаметром 0,01 – 0,1 мкм.

КМ с равномерным распределением частиц наполнителя отличаются изотропностью свойств.

1) При крупности зерен более 1 мкм и их объемном содержании более 25% зерна наполнителя упрочняют матрицу. Жесткая поверхность зерен наполнителя ограничивает деформацию более мягкой матрицы под действием нагрузки. Такие КМ получают методами порошковой металлургии и называют порошковыми композитами.

Метод порошковой металлургии включает следующие этапы:

- получение порошковой смеси матричного металла и наполнителя (рассев порошков на фракции, смешивание порошков в смесителях различных систем);

- прессование порошка в компактную заготовку в стальных матрицах путем изостатического прессования;

- спекание заготовки.

Промышленность выпускает большой ассортимент порошковых композитов антифрикционного, фрикционного, магнитного назначения. Порошковыми композитами являются твердые сплавы, из которых изготавливают металлообрабатывающий инструмент. Например, твердый сплав марки ВК-6, в котором матрицей является кобальт в количестве 6%, а наполнителем – карбид вольфрама WC. Твердые сплавы на основе WC имеют твердость HRA80 и теплостойкость до 900 0С, в то время как одна из лучших инструментальных сталей Р18 имеет твердость 64 HRC и теплостойкость до 500 - 550 0С.


2) Дисперсноупрочненные композиты с размером частиц менее 0,1 мкм получают на основе двух видов матриц:

- жаропрочные композиты на основе алюминия, никеля, кобальта и тугоплавких металлов;

- на основе стекла.

Главным преимуществом дисперсноупрочненных жаропрочных КМ является повышение их рабочей температуры до 0,9 Тпл матрицы. (Рабочая температура традиционных жаропрочных сплавов не превышает 0,75 Тпл сплава.)

Промышленное применение нашли дисперсноупрочненные композиционные материалы на основе алюминия, упрочненные частицами Аl2O3, так называемые САПы (спеченная алюминиевая пудра).

В дисперсноупрочненных композитах всю нагрузку воспринимает матрица, а дисперсные частицы наполнителя препятствуют развитию пластической деформации, оказывая сопротивление движению как единичных дислокаций, так и дислокационных образований (субграниц, границ зерен). Эффективное упрочнение достигается при содержании 5-15 % (по объему) частиц упрочняющего компонента. На уровень прочности КМ оказывает влияние объемное содержание частиц упрочнителя, степень дисперсности и расстояние между частицами. Сопротивление увеличивается с уменьшением расстояния между частицами согласно формуле Орована:

σ = Gb/ l,

где G – модуль сдвига материала матрицы; b – межатомное расстояние; l – расстояние между частицами.

Частицы пудры имеют форму чешуек толщиной ~ 1 мкм. Размер частиц по длине и ширине мало отличаются друг от друга. Оксидная пленка на поверхности имеет толщину 0,01-0,1 мкм. Уменьшение размера частиц пудры (чешуек), что происходит при увеличении времени измельчения в мельнице, увеличивает их общую поверхность и содержание оксидов алюминия.

Характеристика частиц алюминиевой пудры и механические свойства САП и сплава Д20 при 200С.
Марка пудры
Размер частиц, мкм
Содержание Al2 O3, %




АПС - 1
30 -50
6 - 8




АПС - 2
10 - 15
9 - 12




































































Марка
Содержание Al2O3,%
σВ, МПа
σ0,2, МПа
δ,%

САП -1
6 - 8
300
200
7 -9

САП - 2
9 - 12
320
230
4

САП - 3
13 - 17
400
340
3

Д20



420
300
11



Преимущества САП проявляются при температурах выше 300 0С, при которых алюминиевые сплавы разупрочняются. Дисперсноупрочненные сплавы вследствие термодинамической стабильности упрочняющих частиц сохраняют эффект упрочнения вплоть до 500 0С. Кислород не растворяется в алюминии, и диффузионное взаимодействие между частицами Аl2О3 через алюминиевую матрицу не происходит. При 500 0С деформируемые, термоупрочняемые жаропрочные сплавы на основе алюминия Д19, Д20 имеют прочность в пределах 1 – 5 МПа, в то время как прочность σВ САП-1 составляет 80МПа, САП–2 - 90МПА, САП–3 - 120МПА. Физические свойства САП – электропроводность, теплопроводность и коэффициент термического расширения – связаны линейной зависимостью с содержанием Аl2О3 и их значения уменьшаются по мере его увеличения. Тем не менее электропроводность и теплопроводность сплава САП-3 выше, чем у сплавов Д19 и Д20, и составляет 70-75% от соответствующих значений технического алюминия.

КМ САП деформируют в горячем состоянии, а САП-1 – и в холодном. Сплавы САП легко обрабатываются резанием, свариваются аргонодуговой и контактной сваркой.

Из САП выпускают полуфабрикаты в виде листов, профилей, труб, фольги. Детали из САП работают при температуре 300-5000С.

Из САП изготавливают лопатки компрессоров, лопатки вентиляторов и турбин, поршневые штоки. Листы из САП используют для изготовления деталей обшивок гондол и жалюзи, работающих в зоне выхлопа силовых установок.

САПы могут быть использованы в качестве матрицы для получения комбинированных КМ с волокнистым наполнителем (дискретным или непрерывным).


Дисперсноупрочненные композиционные материалы с никелевой матрицей.

Наполнителем служат частицы диоксида тория (ThO2) (марка КМ ВДУ-1) или диоксида гафния (HfO2) (марка КМ ВДУ-2). В КМ ВДУ-3 матрицей служит сплав Ni+20%Cr (со структурой α -твердого раствора), а наполнителем является диоксид гафния. Оксиды тория и гафния имеют высокие значения микротвердости и прочности при сжатии и максимальную стабильность в матрице. Объемное содержание упрочняющей дисперсной фазы оксидов тория и гафния находится в пределах 2-3%.

Длительная прочность σ 1000, МПа КМ и стареющего никелевого сплава ЭП-868


Марка материала
9000С
1000С
11000С
12000С

КМ ВДУ-1
140
120
100
65

КМ ВДУ-2
95
80
65
40

КМ ВДУ-3
105
85
65
40

ЭП- 868
30
15
-
-



ВДУ пластичны, деформируются в широком диапазоне температур различными методами (ковка, штамповка, осадка, глубокая вытяжка). Полуфабрикаты сплавов ВДУ выпускают в виде труб, прутков, листов, проволоки, фольги. Для соединения деталей применяют высокотемпературную пайку либо диффузионную сварку, с тем, чтобы избежать расплавления. В зоне расплавления происходит агломерация частиц упрочняющей фазы и, как следствие, потеря жаропрочности.

КМ ВДУ применяют, главным образом, в авиационном двигателестроении. Из них изготавливают лопатки сопел, стабилизаторы пламени, камеры сгорания, а также трубопроводы и сосуды, работающие при высоких температурах и в агрессивных средах.


Дисперсноупрочненные КМ на стеклянной матрице называют ситаллами (стекло+кристалл). Ситаллы состоят из зерен одного или нескольких кристаллических веществ, скрепленных в единый монолит стеклянной матрицей. Изменяя состав и структуру, а также соотношение матрицы и наполнителя удается управлять свойствами ситаллов в широких пределах. Рабочая температура ситаллов достигает 1200 0С. Они имеют высокую твердость, химически стойкие, не окисляются при высоких температурах. В отличие от стекла ситаллы обладают высокой термостойкостью, выдерживая перепад температур до 100 град.

Из ситаллов изготавливают подшипники, детали двигателей внутреннего сгорания, их используют в качестве жаростойких покрытий на металлах.


II Композиционные материалы с одномерными наполнителями.


Наполнителем являются одномерные элементы в виде нитевидных кристаллов, волокон, проволоки. Волокна и другие армирующие элементы скрепляются матрицей в единый монолит. Матрица защищает упрочняющие волокна от повреждений, служит средой, передающей нагрузку на волокна, и перераспределяет напряжения в случае разрыва отдельных волокон. Важно, чтобы прочные волокна были равномерно распределены в матрице. На свойства КМ помимо высокой прочности волокна оказывает влияние прочность связи на границе матрица-волокно. Для армирования в КМ используют непрерывные и дискретные волокна с размером в поперечном сечении от 0,1 до ~100 микрометров. Волокно, находящееся в матрице должно иметь более высокое значение модуля упругости, чем у матрицы. Это является одним из условий получения композиции с высокими механическими свойствами.

КМ с алюминиевой матрицей. В качестве матрицы используют сплавы АМц, АМг6, АД1, Д16, КМСАП. Наполнителем может служить высокопрочная стальная проволока 08Х18Н9Т, 1Х15Н4АМ3 и др, бериллиевая проволока, волокна бора, карбида кремния, углерода.. Композиции упрочненные стальной проволокой, получают прокаткой сэндвича: алюминиевая фольга- волокна – алюминиевая фольга прокаткой до компактного состояния. В результате армирования прочность увеличивается в 10-12 раз при объемной доле наполнителя до 25%. Например, временное сопротивление разрушению σВ КМ САП-1 – 1Х154Н4АМ3 при доле армирующего волокна 40% составляет 1700 МПа, плотность 4,8 Г/см3, модуль упругости Е=100∙103МПа. Приведенные свойства превосходят аналогичные свойства высокопрочных алюминиевых сплавов и приближаются к уровню свойств титановых сплавов.

КМ Аl – волокно бора отличается высокой прочностью (до 1400 МПа при 50% содержания бора) и жесткостью и способен работать при температуре 400-500 0С, поскольку бор слабо разупрочняется с повышением температуры. Основная проблема –предотвратить взаимодействие алюминия и бора. Поэтому промышленный КМ ВКА-1, содержащий 50% волокон бора, был получен диффузионной сваркой пакета, составленного из чередующихся листов алюминиевой фольги с закрепленными на них слоями борных.

КМ с наполнителем из непрерывных волокон в некоторых случаях получают путем намотки их на шаблон детали с последующей пропиткой образовавшегося каркаса расплавленным металлом.

.


III Композиционные материалы на неметаллической основе. (Пластики)


В качестве матрицы в композиционных материалах на неметаллической основе служат отвержденные термореактивные смолы: эпоксидные, полиэфирные, фенольные, полиамидные и др. Наполнителем могут быть стеклянные, углеродные, органические, борные волокна.

Композиты, упрочненные однотипными волокнами, получили называние по типу волокна.

КМ, содержащий наполнитель в виде длинных стекловолокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями, называют ориентированным стекловолокнитом. Неориентированные стекловолокниты в качестве наполнителя содержат короткое волокно. В том случае, если в качестве наполнителя служит стеклоткань, - стеклотекстолитом. Соответственно, углеволокнит, бороволокнит, органоволокнит (органит).

Преимущества таких материалов:
  1. малая плотность;
  2. высокая удельная прочность, удельная жесткость;
  3. стойкость к воздействию агрессивных сред;
  4. хорошие антифрикционные или фрикционные (в зависимости от вида КМ) свойства;
  5. высокие теплозащитные и амортизационными свойства.
  6. простота, технологичность и дешевизна производства из них деталей.

Недостатки:

1. низкая прочность и жесткость при сжатии и сдвиге;

2. снижение прочности при повышении температуры до 100 -200 0С (в некоторых случаях до 300 0С);

3. изменение физико-механических характеристик при старении и под воздействием климатических факторов.

В композиции с полимерной матрицей усилие от матрицы к армирующему элементу (наполнителю) передается за счет сил межмолекулярного взаимодействия и осуществляется за счет адгезии. Обеспечить прочную связь между волокном и матрицей можно при полном смачивании жидкой связующей. В этом случае поверхностная энергия волокна должна быть больше поверхностного натяжения жидкой матрицы. Среди полимеров жидкая эпоксидная смола лучше других полимеров смачивает углеродные и борные волокна. На практике повышение энергии поверхности волокон, а, следовательно, увеличения адгезии достигают травлением, окислением волокон.

Технология производства изделий из композиционных материалов с полимерной матрицей включает следующие основные операции:
  1. подготовка упрочняющих волокон (наполнителя):

– удаление замасливателя;

- нанесение на поверхность водоотталкивающих покрытий;

- снование, т.е. перемотка и укладывание волокон или лент в однонаправленную полосу – ровнину;

2) приготовление связующего (матрицы):

- проверка компонентов связующего;

- приготовление смеси компонентов (компаунда);

3) пропитка:

- пропитка волокон связующим;

- подсушивание и частичное отверждение;

4) формование;

5) отверждение;

6) удаление оправки;

7) контроль качества изделий;

8) механическая доработка и соединение с другими деталями.


Свойства КМ с волокнистым наполнителем определяют из уравнения аддитивности свойств.

ХК ∙VК = ХН ∙ VН + ХМ ∙VМ,


где ХК, ХН и ХМ - соответственно свойство готового композиционного материала, наполнителя и матрицы;

а VМ, VН и VМ - соответственно их объемные доли.

Непрерывные волокна могут быть ориентированы в матрице в различных направлениях. Основным недостатком КМ с одно двумерным армированием (под углом 72 град) является низкая межслоевая прочность. Этого недостатка лишены КМ с объемным армированием.

КМ с наполнителем из непрерывных волокон получают путем намотки их на шаблон детали с последующей пропиткой образовавшегося каркаса полимерной смолой.

Стекловолокниты (стеклопластики). Однонаправленные стекловолокниты отличаются высокой анизотропией свойств. Наибольшую прочность и жесткость такие композиции имеют вдоль волокон. Этот недостаток устраняют в перекрестно армированных ориентированных стеклопластиках, в которых волокна расположены по различным направлениям.

СВАМ - стекловолокнистый анизотропный материал содержит стеклянные нити, которые по выходе из фильер, склеенные между собой в полосы, укладывают затем под углом 90 град. Связующим выступают различные смолы. В случае соотношения слоев 10:1 предел прочности до 950 МПа, модуль упругости до 58 МПа. Оптимальное содержание наполнителя 65-67%. Уменьшая диаметр волокон и вводя в матрицу монокристаллы Аl2О3, добиваются увеличения прочности стеклопластика до 2400 МПа. Плотность стеклопластиков 1,5 – 2,0 г/см3. Поэтому их удельные характеристики прочности сопоставимы с соответствующими характеристиками сталей. Стеклопластики способны длительное время работать при 200-300 0С. В течение десятков секунд они выдерживают температуры в несколько тысяч градусов.

Стеклотекстолиты. Из стеклянных нитей получают ткани, которые используют в качестве упрочнителя. Стеклянные нити по типу переплетения подразделяют на ткани полотняного, саржевого, сатинового и кордового плетения. Сатиновое переплетение наиболее редкое, а, учитывая высокую хрупкость стекловолокон, возможность их взаимного перетирания и разрушения под давлением, такие стеклотекстолиты лучше работают в конструкциях.

Неориентированные стекловолокниты содержат хаотично расположенные в плоскости или в пространстве дискретные короткие волокна. Для них характерна большая изотропия свойств, но меньшая прочность и жесткость. Для получения КМ с наполнителем из дискретных волокон используют пресс-массы, которые выпускают в виде сыпучей смеси, состоящей из полимера и наполнителя. В качестве наполнителя наиболее широко распространено рубленое стекловолокно. Путем прессования из пресс-массы получают детали сложной конфигурации конструкционного, радио- и электротехнического назначения. Предел прочности на растяжение лучших марок таких КМ соответствует уровню прочности высокопрочных алюминиевых сплавов.

Плотность стеклопластиков составляет 1500 – 2000 кг/м3. Поэтому удельная прочность стеклопластиков сопоставима с удельной прочностью стали. Лучшие свойства обнаруживают стеклопластики на основе эпоксидной и фенолформальдегидной смол. Некоторые марки стеклотекстолитов способны выдерживать при изгибе при изгибе до 1,5∙107 циклов.

По применению стеклопластики делят на конструкционные, электротехнические и радиотехнические. Однонаправленные стекловолокниты применяют для изготовления труб и различных профилей. Неориентированные пластики применяют в производстве корпусов лодок, автомобилей, катеров, мебели, покрытий полов, облицовки бытовых и железобетонных конструкций.

Стеклопластики с перекрестным армированием используют в конструкциях типа оболочек, в секциях крыльев, хвостового оперения и фюзеляжа самолетов, лопасти вертолетов корпуса ракет, твердотопливных двигателей, футеровку емкостей для химического машиностроения.

Углепластики (карбоволокниты) по удельной прочности и жесткости существенно превосходят стеклопластики, сталь, алюминиевые и титановые сплавы. Но анизотропия свойств углепластиков выражена еще более резко, чем у стеклопластиков. Углепластики отличаются высоким усталостным сопротивлением нагрузкам по сравнению со стеклопластиками, что снижает вероятность растрескивания матрицы. По вибропрочности и демпфирующей способности углепластики превосходят многие металлы. Детали, выполненные из углепластика, с изменением температуры мало изменяют размеры и форму. Из-за высокой электропроводности и теплопроводности углепластики применяют в электрообогревающих устройствах. Большое распространение углепластики получили как конструкционный материал в отраслях новой техники: в авиации, космонавтике, ядерной технике.Из них выполнены конструкции, работающие на устойчивость под воздействием внешнего изгибающего момента, давления: лопасти несущего винте вертолетов; корпуса компрессора и вентилятора, вентиляторные лопатки; диски статора и ротора компрессора низкого давления авиационных двигателей. В результате применения в этих узлах углепластиков взамен металлов масса двигателя снижается на 15 – 20 %.

В космической технике из углепластиков изготавливают панели солнечных батарей, баллоны высокого давления, теплозащитные покрытия.

Углепластики стойки в агрессивных средах, поэтому их используют в производстве насосов для перекачки коррозионноактивных жидкостей.

Применение углепластиков в конструкциях самолетов сдерживается из-за неизбежной дефектности структуры в виде трещин, пор, которые закладываются на начальной стадии смачивания наполнителя жидкой матрицей.

Боропластики (бороволокниты) наибольшее применение нашли в авиационной технике. Их высокая прочность и жесткость при сжатии используется в конструкциях летательных аппаратов: балок, стоек, шасси, стрингеров. Широко используют боропластики в качестве усиливающих элементов металлических силовых конструкций. Например, применение упрочняющих колец из боропластика в конструкции диска, выполненного из титанового сплава, в компрессоре газотурбинного двигателя уменьшает его массу на 40 % при сохранении показателей надежности и прочности изделия.

Органоволокниты (органиты, органопластики) – КМ, состоящие из полимерной матрицы и наполнителя в виде синтетических волокон: капрона, нитрона, нейлона, лавсана.

Природа материала волокна и матрицы одинакова, поэтому адгезия между ними высока, что позволяет получать органопластики с практически беспористой структурой и стабильными механическими свойствами. Механические свойства органопластиков зависят от типа волокна. Объемная доля волокна составляет 35 – 37 %. Слабые межмолекулярные связи в волокнах являются причиной низкой прочности и жесткости при сжатии. Предельная деформация при сжатии определяется искривлением волокон, а не их разрушением. Большинство органопластиков может длительное время работать при 100 – 150 0С.

Органиты обладают высоким сопротивлением знакопеременным нагрузкам и имеют высокие теплозащитные свойства.

Органоволокниты используют в элементах несущих и вспомогательных конструкций современных самолетов и вертолетов. Их применяют для обшивки самолетов и вертолетов, лопастей несущих винтов вертолетов, в паркетных панелях, в сотовых конструкциях. Применение органоволокнитов на 20-40% снижает массу деталей при сохранении их эксплуатационной надежности.


Обработка и соединение композиционных материалов


Соединение КМ производят через матрицу, по прочности существенно уступающей материалу наполнителя. КМ на металлической основе соединяют точечной или диффузионной сваркой, пайкой, с помощью болтов, заклепок, клеев.

Наиболее надежным и дешевым способом соединения композиционных материалов является точечная сварка. Сварка КМ требует тщательного выбора режимов, обеспечивающих плавного регулирования давления и температуры, при которых бы упрочняющие волокна не подвергались длительному нагреву и не перерезались.

КМ, армированные металлическими и углеродными волокнами можно обрабатывать методами механической обработки: резкой, фрезерованием, сверлением, шлифованием. Трудности возникают при армировании вольфрамовой проволокой диаметром, большим 0,3 мм.

Механическая обработка КМ, армированных волокнами, методами резания крайне затруднена. Для ее проведения применяют дорогостоящий алмазный или твердосплавный инструмент. При сверлении, например, используют сверла с алмазным покрытием режущей кромки с охлаждением инструмента эмульсией.


Контрольные вопросы

  1. Что представляет собой композиционный материал? Дайте определение и назовите основные признаки.
  2. Назовите признаки, по которым классифицируют композиционные материалы. Приведите пример классификации.
  3. Приведите примеры материалов матриц и наполнителя.
  4. В чем заключается преимущество твердых сплавов по сравнению с теплостойкими инструментальными сталями типа Р18 или Р6М5?
  5. В чем заключается преимущество КМ САП и по сравнению с жаропрочными сплавами Д19, Д20 и КМ ВДУ по сравнению с жаропрочными сталями и никелевыми сплавами?
  6. В чем заключаются преимущества КМ на неметаллической основе?
  7. Что такое стеклопластики? Область его применения
  8. Что такое СВАМ?
  9. Что такое бороволокниты? Область его применения.
  10. Что такое углепластики? Область их применения.
  11. Что такое органоволокниты? Область их применения.
  12. В чем заключаются особенности соединения и механической обработки КМ?