Файл: Физикотехнологические основы получения композиционных материалов.doc

Оглавление

Введение

Развитие всех отраслей промышленности, а также задача повышения качества выпускаемых изделий потребовали создания новых конструкционных материалов. Авиация, ракетно-космическая техника, ядерная энергетика и многие другие отрасли нуждаются в материалах, характе­ризующихся высокими прочностью, термостойкостью и жаропрочностью, малой плотностью, теплопроводностью и элек­тропроводимостью, диэлектрическими, магнитными и другими специальными физическими свойствами. Объединение различных ценных свойств отдельных материалов позволило создать единое целое - композицию. Современное материаловедение уже добилось значительных успехов в исследовании и разработке композиционных материалов (КМ).

---

Композиционные материалы (композиты) (от лат. compositio – составление), многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные композиционные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойств композиционных материалов.

Принципы армирования для упрочнения известны в технике с глубокой древности. Еще в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а в Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555-1560 гг. при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали армированные железными полосами каменные плиты. Прообразом композиционные материалы являются широко известный железобетон, представляющий собой сочетание бетона, работающего на сжатие и стальной арматуры, работающей на растяжение, а также полученные в XIX веке прокаткой слоистые материалы.

Успешному развитию современным КМ содействовали: разработка и применение в конструкциях волокнистых стеклопластиков, обладающих высокой удельной прочностью (1940-1950 гг.). Открытие весьма высокой прочности, приближающейся к теоретической, нитевидных кристаллов и доказательства возможности использования их для упрочнения металлических и неметаллических материалов (1950-1960 гг.), 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 (1960-1970 гг.).

---

С развитием теории и технологии КМ стало возможным создавать изделия, ра­ботающие в экстремальных условиях. Так, при разработке космического корабля многоразового использования "Буран" требовалось создать легкую конструкцию, способную длительно работать в исклю­чительно тяжелых условиях: при сверхвы­соких динамических и акустических на­грузках от мощных ракетных двигателей и сверхзвукового потока воздуха при подъ­еме; охлаждении в открытом космосе и нагреве облицовки корабля до температу­ры свыше тысячи градусов при входе в плотные слои атмосферы при посадке. Решения этих задач удалось достичь бла­годаря использованию конструкторами нетрадиционных новых, в том числе и композиционных, материалов со специ­альными свойствами.

Практически всякий современный материал представляет собой композицию, поскольку материалы редко используются в чистом виде. Действительно, почти все металлические сплавы содержат несколь­ко фаз, которые либо создаются специально (для придания материалу заданных эксплуатационных и технологических свойств), либо образуются в результате наличия в металле вредных примесей. Вышеперечисленное объясняет актуальность рассматриваемой проблемы.

Целью данной работы является рассмотрение технологических особенностей изготовления различных деталей из широкого спектра композиционных материалов. Задачи, поставленные для достижения цели:

1. 
   Дать определение, рассмотреть характеристики и основы получения композиционных материалов;
   
2. 
   Изучить классификацию современных композиционных материалов.
   
3. 
   Рассмотреть технологии изготовления деталей из различных видов композиционных материалов, изучить особенности работы с ними.
   

1.   1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14

---

Физико-технологические основы получения композиционных материалов

1.1. Характеристика композиционных материалов

На современном этапе понятие композиционного материала должно удовлетворять следующим критериям: композиция должна представлять собой объемное сочетание хотя бы двух химически разнородных материалов с четкой границей раздела между этими компонентами (фазами) и характеризоваться свойствами, которых не имеет никакой из ее компонентов в отдельности. Композицию полу­чают путем введения в основной материал (матрицу) определенного количества другого материала, который добавляется в целях получения специальных свойств. КМ может состоять из двух, трех и более компонентов. Размеры частиц входящих компонентов могут колебаться в широких пределах - от сотых долей микрометра (для порошковых наполнителей) до не­скольких миллиметров (при использовании волокнистых наполнителей).

Отличие большинства КМ от традици­онных материалов в том, что процесс получения КМ технологически совмещается с процессом изготовления изделия.

Проектирование изделия из КМ начи­нается с конструирования самого мате­риала - выбора его компонентов и назна­чения оптимальных технологических про­цессов производства. Особенность создания конструкций из КМ в отличие от кон­струкций из традиционных материалов заключается в том, что конструирование материала, разработка технологического процесса изготовления и проектирование самой конструкции - это единый взаимосвязанный процесс.

Физико-механические свойства КМ в зависимости от концентрации компонен­тов, их геометрических параметров и ори­ентации, а также технологии изготовления могут меняться в очень широких пределах. Тем самым открывается возможность специального создания (конструирования) материала с заданными свойствами для определенного изделия.

Наглядным подтверждением широкого применения КМ является использование углепластиков в авиации (рис. 1).

---

Ана­логичная тенденция применения КМ ха­рактерна и для других отраслей промыш­ленности, так как это неразрывно связано с повышением технико-экономических показателей выпускаемых изделий.

1.2. Классификация композиционных материалов

Все КМ условно можно классифициро­вать по следующим признакам: материалу композиции, типу арматуры и ее ориента­ции, способу получения композиции и изделий из них, по назначению.

В зависимости от материала матрицы КМ можно разделить на следующие ос­новные группы: композиции с металличе­ской матрицей - металлические компо­зиционные материалы (МКМ), с поли­мерной - полимерные композиционные материалы (ПКМ), с резиновой - рези­новые композиционные материалы (РКМ) и с керамической - керамические композиционные материалы (ККМ).

Название ПКМ обычно присваивают в зависимости от армирующего материала. Например, ПКМ, армированные стеклян­ными волокнами, называют стеклопласти­ками. Аналогично получили свои названия металлопластики, асбестопластики, угле­пластики, боропластики и т.д.


У металлических и керамических КМ пока еще нет четких правил присвоения названий. Обычно вначале указывают ма­териал матрицы, а затем армирующий ма­териал, например медно-вольфрамовые, алюминиево-стальные КМ и т.п.

По типу арматуры и ее ориентации КМ подразделяют на две основные группы: изотропные и анизотропные.

Изотропные КМ имеют одинако­вые свойства во всех направлениях. К этой группе относят КМ с порошкообразными наполнителями. К числу изотропных ус­ловно относят и КМ, армированные ко­роткими (дискретными) частицами. КМ при этом получаются квазиизотропными, т.е. изотропными в объеме всего изделия, но анизотропными в микрообъемах.

У анизотропных материалов свойства зависят от направления арми­рующего материала. Их подразделяют на однонаправленные, слоистые и трехмер­но-направленные. Анизотропия материала закладывается конструктором для получе­ния КМ с заданными свойствами. Одно­направленные КМ чаще всего проектиру­ют для изготовления изделий, работаю­щих на растяжение. Слоистые КМ полу­чают путем продольно-поперечной уклад­ки с правильным чередованием слоев. Трехмерно-направленное армирование обычно достигается за счет использования "сшитых" в поперечном направлении ар­мирующих тканей, сеток и т.п. Кроме та­кой анизотропии образуется еще техноло­гическая анизотропия, возникающая при пластическом деформировании изотроп­ных материалов (металлов).

---