Композиционные материалы

Тема: Композиционные материалы

Композиционные материалы (композиты)-

это неоднородные сплошные материалы, состоящие из двух и более компонентов, отличающихся между собой по природе и химическому составу, с четкой границей раздела между ними, имеющие заранее запроектированные свойства

Биокомпозиты

Древесина - это композит, состоящий из большого числа полых целлюлозных волокон (трубок), стенки которых пропитаны органическими веществами типа смолы.

Зубы состоят из твердого поверхностного слоя - эмали и более мягкой сердцевины - дентина

Кости состоят из множества фрагментов твердого материала, которые «склеены» между собой при помощи гибких волокон коллагена

Древние композиты В 1500 г. до н.э. в Египте использовались саманные кирпичи, изготовленные из глины с добавлением соломы

Древние композиты В Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. Древние римляне активно использовали в массовом строительстве бетон - искусственный материал, получаемый из смеси вяжущего вещества и дробленых камней.

ХХI век – век композиционных материалов

Традиционные конструкционные материалы , металлы и их сплавы, имеют ряд недостатков : ограниченный срок службы, большой вес, подверженность коррозии и другие..

Классификация композиционных материалов

В зависимости от материала матрицы:

По типу упрочняющих наполнителей КМ подразделяют на: дисперсно-упрочненные, волокнистые и слоистые

В дисперсно-упрочненные КМ искусственно вводят мелкие равномерно распределенные тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов и др., не взаимодействующие с матрицей и не растворяющиеся в ней вплоть до температуры плавления фаз.

В дисперсно-упрочненных КМ основным несущим элементом является матрица.

Дисперсные частицы наполнителя упрочняют материал за счет сопротивления движению дислокаций при нагружении, что затрудняет пластическую деформацию.

Волокнистые композиционные материалы

Арматурой могут быть волокна различной формы: нити, ленты, сетки разного плетения .

Прочность и жесткость

таких материалов

определяется

свойствами

армирующих волокон,

воспринимающих

основную нагрузку.

Армирование дает больший прирост прочности, но дисперсное упрочнение технологически легче осуществимо .

Слоистые композиционные материалы набираются из чередующихся слоев наполнителя и матричного материала (типа «сэндвич»).

Композиционные материалы с металлической матрицей представляют собой металлический материал (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненный высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое.

Металлические КМ обладают рядом преимуществ :

• более высокая рабочая температура,
• лучшая изотропия
• большая стабильность свойств в процессе эксплуатации,
• более высокая эрозионная стойкость

Композиционные материалы с неметаллической матрицей

В качестве матрицы у таких композитов часто применяют следующие материалы:

• полимерные (эпоксидная, фенолформальдегидная, полиамидная и другие смолы),
• углеродистые,
• керамические.

Упрочнителями служат волокна:

• стеклянные,

• углеродные,

• борные,

• органические,

• металлическая проволока.

По сравнению с композиционными материалами на металлической основе эти материалы отличает:

• хорошая технологичность
• низкая плотность
• более высокие удельные прочность и жесткость высокую коррозионную стойкость
• хорошие теплозащитные и амортизационные свойства .

Стекловолокниты (стеклопластики) – это композиционный материал, состоящий из стекловолокна, пропитанного смолой (полиэфирной или эпоксидной).

Стекловолокно (стеклонить) — волокно или комплексная нить, формуемые из стекла.

• Свойства:

повышенная прочность при сжатии и растяжении, термостойкость,

негорючесть,

низкая гигроскопич-

ность,

стойкость к

химическому и

биологическому

воздействию.

В качестве наполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатного состава.

Недостатки стеклопластиков: хрупкость; подверженность абразивному износу (требуется нанесение на поверхность изделия защитного покрытия); образование канцерогенной пыли при механической обработке (при работе со стеклопластиком необходимо предусматривать соответствующие защитные мероприятия).

Способы производства изделий из стеклопластиков

Метод ручного формования - послойное нанесение на форму или в саму форму армирующего материала, каждый из слоев пропитывается

смолой, которая

наносится специальной

кистью или валиком.

Плюсы данного способа: дешевизна, простота изготовления изделия, возможность использования разнообразных смол и наполнителей стойких к воздействию смол.

Метод напыления

смола наносится с помощью специального пистолета который оборудован спец ножом для измельчения стеклонити. Измельченная стеклонить смешивается со струей смолы и наносится на поверхность изготавливаемого изделия.

Плюсы данного метода – отсутствие необходимости в кроении стеклоткани или стекломата, высокая скорость производства, малое количество отходов

минусы –

тяжелый вес изделия из-за большого количества смол, пониженные физ-мех. свойства изделия из-за отсутствия длинных армирующих волокон,

очень вредные условия производства

Метод намотки

волокна пропускаются через ванны с активированной смолой и после пропитки они наматываются на вращающуюся матрицу

Достоинства - высокая скорость производственного процесса, высокая прочность получаемого изделия, небольшой вес изделия, дешевизна используемых материалов и довольно широкий температурный диапазон эксплуатации.

Недостатки

дороговизна оборудования, возможность изготовления изделий только с замкнутой формой вращения.

Метод инжекции. Стекловоконный материал предварительно раскраивается, затем он укладывается в матрицу(форму) и прижимается пуансоном, а после этого впрыскивается смола. После полной пропитки материала смолой инжекцию прекращают, а материал остается до полного схватывания в матрице.

Преимущества - возможность получения изделий очень точного размера, глянцевая поверхность изделия как внутри так и снаружи, высокое содержание стекловолокна обеспечивает изделию довольно низкий удельный вес, низкий процент отходов производства.

Минусы - дороговизна и сложность процесса производства.

Пултрузия процесс заключается в протягивании армирующего волокна через форму с разогретым связующим веществом с последующими этапами остывания и отвердевания

Судостроение

Автомобильная промышленность

строительство дорог

Углепластики -

это ПКМ, содержащие в качестве наполнителя углеродные волокна.

Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д.

Углеродное волокно на 85—99% состоит из углерода.

Основными преимуществами углепластиков, по сравнению со стеклопластиками, являются их низкая плотность и более высокий модуль упругости, а также:

• отличные антифрикционные свойства;
• при ударе и повреждении не дает острых осколков;
• высокая термоустойчивость, не поддается деформации до температуры 2000 0 С;
• хорошая теплоемкость;
• гасит вибрации;
• не подвержен коррозии.
• прочность

Есть ряд существенных недостатков:

• довольно чувствительны к точечным ударам;
• сложный восстановительный процесс при повреждениях;
• долгий и сложный процесс изготовления;
• при стыковке с металлом для предотвращения коррозии последнего приходится применять стекловолокно;
• невозможность повторного использования и утилизации

Сферы применения По износостойкости , УП в 5-10 раз превосходят марки бронзы, из которых изготавливают подшипники скольжения.

Применение в медицине

Судостроение

Пассажирский катамаран, корпус и надстройка которого выполнены полностью из углепластика.

Углепластики широко применяются в яхтостроении.

Авиастроение

Композитные детали из УП, при их весе в 5 раз меньшем, чем аналогичных алюминиевых, обладают большей прочностью, гибкостью, устойчивостью к давлению и некоррозийностью

Боропластики -

это полимерные КМ, содержащие в качестве наполнителя борные волокнистые материалы в виде мононити (диаметр 90-200 мкм, 2500-4000 МПа, модуль упругости 380-420 ГПа), а также жгутов из неск. таких нитей, оплетенных вспомогательной стеклянной или орг. нитью

Свойства боропластиков

• высокие значения модуля упругости, усталостной прочности, малая ползучесть (до 0,2%) в направлении ориентации нитей.

• При длительном (до 10 лет) воздействии воды, смазочных материалов, атмосферных факторов мех. св-ва боропластиков снижаются не более чем на 10-15%.

• Для увеличения прочности сцепления наполнителя со связующим борные нити подвергают травлению в HNO3

• Ударная вязкость боропластиков может быть улучшена введением в их состав стеклянных или др. волокон; при этом снижается и стоимость боропластиков.

Углерод-углеродные КМ

На основе углеродных волокон делают самый теплостойкий углерод-углеродный

композит (УУКМ) , в котором матрицей, склеивающей углеродные волокна, служит

практически чистый углерод.

Углерод – углеродными называются КМ, представляющие собой углеродную матрицу, армированную углеродными волокнами или тканями.

Углерод-углеродные КМ

Близкие физико-химические свойства обеспечивают прочную связь волокон с матрицей и уникальные свойства этим КМ.

К числу специальных свойств КМУУ относится

• низкая пористость,
• низкий коэффициент термического расширения,
• сохранение стабильной структуры и свойств, а также размеров изделий при нагревах до 2000 ºС и охлаждении,
• высокие механические свойства
• хорошая электропроводность.

Основное применение УУКМ находят в изделиях, которые работают при температурах выше 1200 ºС 

Спасибо за внимание