Файл: лекции СОВ МАТ И ТЕХ.docx

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 размеростабильные конструкции
легкость

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

5.4 Недостатки композиционных материалов

Большинство классов композитов (но не все) обладают недостатками:

высокая стоимость
анизотропия свойств
повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а, следовательно, развитого промышленного производства и научной базы страны

5.5 Области применения

Товары широкого потребления.

Примеры:

Железобетон — один из старейших и простейших композиционных материалов
Удилища для рыбной ловли из стеклопластика и углепластика
Лодки из стеклопластика
Автомобильные покрышки
Металлокомпозиты

Машиностроение.

В машиностроении композиционные материалы широко применяются для создания защитных покрытий на поверхностях трения, а также для изготовления различных деталей двигателей внутреннего сгорания (поршни, шатуны).

5.6 Характеристика

Технология применяется для формирования на поверхностях в парах трения сталь-резина дополнительных защитных покрытий. Применение технологии позволяет увеличить рабочий цикл уплотнений и валов промышленного оборудования, работающих в водной среде.

Композиционные материалы состоят из нескольких функционально отличных материалов. Основу неорганических материалов составляют модифицированные различными добавками силикаты магния, железа, алюминия. Фазовые переходы в этих материалах происходят при достаточно высоких локальных нагрузках, близких к пределу прочности металла. При этом на поверхности формируется высокопрочный металлокерамический слой в зоне высоких локальных нагрузок, благодаря чему удается изменить структуру поверхности металла.

Полимерные материалы на основе политетрафторэтиленов модифицируются ультрадисперсными алмазографитовыми порошками, получаемыми из взрывных материалов, а также ультрадисперсных порошков мягких металлов. Пластифицирование материала осуществляется при сравнительно невысоких (менее 300 °C) температурах.

Металлоорганические материалы, полученные из природных жирных кислот, содержат значительное количество кислотных функциональных групп. Благодаря этому взаимодействие с поверхностными атомами металла может осуществляться в режиме покоя. Энергия трения ускоряет процесс и стимулирует появление поперечных сшивок.

5.7 Технические характеристики

Защитное покрытие в зависимости от состава композиционного материала может характеризоваться следующими свойствами:

толщина до 100 мкм;
класс чистоты поверхности вала (до 9);
иметь поры с размерами 1 — 3 мкм;
коэффициент трения до 0,01;
высокая адгезия к поверхности металла и резины.

5.8 Технико-экономические преимущества

На поверхности формируется высокопрочный металлокерамический слой в зоне высоких локальных нагрузок;
Формируемый на поверхности политетрафторэтиленов слой имеет низкий коэффициент трения и невысокую стойкость к абразивному износу;
Металлоорганические покрытия являются мягкими, имеют малый коэффициент трения, пористую поверхность, толщина дополнительного слоя составляет единицы микрон.

5.9 Области применения технологии

нанесение на рабочую поверхность уплотнений с целью уменьшения трения и создания разделительного слоя, исключающего налипание резины на вал в период покоя.
высокооборотные двигатели внутреннего сгорания для авто и авиастроения.

Авиация и космонавтика.

В авиации и космонавтике с 1960-х годов существует настоятельная необходимость в изготовлении прочных, лёгких и износостойких конструкций. Композиционные материалы применяются для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий шатлов, космических зондов. Всё чаще композиты применяются для изготовления обшивок воздушных и космических аппаратов, и наиболее нагруженных силовых элементов.

Вооружение и военная техника.

Благодаря своим характеристикам (прочности и лёгкости) композиционные материалы применяются в военном деле для производства различных видов брони:

бронежилетов
брони для военной техники

Глава 6.Сверх конституционные материалы

6.1 Металлическое стекло

Изобретение стекла, которое может гнуться, уже само по себе кажется чем-то необычным. А вот гнущееся стекло, которое сделали специалисты из института физики Китайской академии наук I под руководством профессора Вэй Хуа Вана, к тому же представляет собой металлический сплав.

Разработкой сверхтонких металлических стёкол исследователи занимаются уже давно. Значительный прорыв в этой области был сделан около 10 лет назад, когда учёные научились выращивать такие материалы в виде тонких пластин. Область применения этих разработок оказалась очень широкой. Впрочем, у гибких стёкол есть существенный недостаток – высокая хрупкость.

Ранее для улучшения механических характеристик учёные добавляли специальные наночастицы в состав таких стёкол. Трещина, образовывавшаяся в таких материалах, распространялась до точки "встречи" с наночастицей, на которой и останавливалась.

Подробные материалы оказывались довольно дорогостоящими, поэтому профессор Ван и его коллеги решили заняться поиском более простого решения.

В результате серии экспериментов они смогли сделать стекло из сплава, созданного из циркония, алюминия, меди и никеля. Особенность получившегося материала в том, что в его структуре распределены зоны, состоящие из твёрдых и плотных областей, окружённых мягкими и менее плотными.

Из-за этого при изгибе не возникает большой трещины, а появляется множество мелких трещинок. Благодаря им сила, приложенная к изделию из такого стекла, распределяется равномерно по сечению изделия. Как утверждают исследователи, это свойство делает данный материал более гибким по сравнению с другими существующими аналогами.

Первые удачные опыты по охлаждению металлической жидкости были произведены в 1960 году. Капля расплавленного металла выстреливались на подложку из меди. (В ранних работах для этого применялась энергия пороховых газов обычного пистолета.) При ударе о медный экран капля расплющивается, моментально охлаждается (скорость охлаждения достигает 108-1010 град/с), и с медного «трамплина» в воздух взмывает крохотная лепешка твердого аморфного металла. В самых тонких местах ее толщина оказывается равной 0,0001 мм.

Существует еще несколько разновидностей метода «расплющивания капли». Главный их недостаток – малая производительность. Да и аморфный металл получается в виде мелкого порошка, а это не всегда удобно для практического использования. Но применение тех же принципов охлаждения позволило создать способы производства непрерывной ленты из аморфного металла. Вот один из возможных вариантов. На вращающийся медный диск льется тонкая струя расплавленного металла. Соприкасаясь с диском она охлаждается, и с диска сбрасывается уже застывшая аморфная лента.

Внешне металлическое стекло не имеет ничего общего с обычным прозрачным стеклом и ничем не отличается от обычного (кристаллического) металла. Но это – только внешне. Необычному для комнатных температур беспорядочному расположению атомов соответствуют и необычные свойства. Аморфный металл чрезвычайно тверд и прочен.

С помощью высокой твёрдости аморфных металлов практично изготовлять из них режущие инструменты (лезвия бритв).

Не менее перспективным представляется и другое замечательное свойство аморфного металла – исключительно высокая коррозионная стойкость. У некоторых стекол она превосходит стойкость нержавеющей стали.