Классификация композиционных материалов - Композиционные материалы
Композиты - 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. Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки композиционных материалов.
По структуре наполнителя композиционные материалы подразделяют на волокнистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами), слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями), дисперсноармированные, или дисперсно-упрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц). Матрица в композиционных материалах обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне - и хим. стойкость.
По природе матричного материала различают полимерные, металлические, углеродные, керамические и др. композиты.
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.
Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы, коксованные или пироуглеродные, получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.
Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длинны волокна к диаметру относительно невелико, и с непрерывным волокном. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длинны к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.
Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.
Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50 - 10 %), модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости. Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.
Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. 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. Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. 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. Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления с полями напряжения. 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. Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, борида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени с повышением температуры.
Основным недостатком композиционных материалов с одно и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого лишены материалы с объемным армированием.
В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно - упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций.
Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100-500нм и равномерном распределении их в матрице. Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5-10 об. %. Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), не растворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала до 0,9-0,95 Тпл. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов. Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия - САП (спеченный алюминиевый порошок).
Похожие статьи
-
Состав и строение композита - Композиционные материалы
Композиты - многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической., углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной...
-
Состав, строение и свойства композиционных материалов - Композиционные материалы
Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие...
-
Композиционные материалы с металлической матрицей Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной...
-
Заключение - Композиционные материалы
Два перспективных пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами. У первых в...
-
Общие сведения о композиционных материалах - Композиционные материалы
Композиционный материал - неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы,...
-
Введение - Композиционные материалы
Композиционный материал - неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы,...
-
Мраморы - образовались из известняков (реже доломитов) под действием высоких температур и огромного всестороннего давления. , , водопоглощение 0,1ч0,7 %,...
-
Пластмассы, как материал для строительных конструкций
Пластическими массами (или пластмассами) называют материалы, которые в качестве основного компонента содержат синтетический полимер. Полимеры - это...
-
За последние 15 лет композитная арматура перешла от экспериментального прототипа к эффективному заменителю стали во многих проектах, особенно в связи с...
-
Композиты и бетон - Композиционные материалы
Композиционный строительство бетон матрица Преимущества композиционных материалов хорошо проявляются при армировании бетона и строительстве. Недорогой и...
-
Строительные материалы - композиты, Полимеры в строительстве - Композиционные материалы
Полимеры в строительстве Говоря о применении новых материалов на основе пластиков в стройиндустрии, стоит заметить следующее. Если в гражданском...
-
А) Теплопроводность Теплопроводность - важнейшая характеристика теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных материалов. Единица измерения...
-
К строительным материалам относят природные и искусственные вещества, композиции и изделия из них, применяемые для возведения зданий и сооружений....
-
Природные каменные материалы - материалы, получаемые механической обработкой или без специальной обработки горных пород. Горные породы - значительные по...
-
Соответствие любого строительного материала предъявляемым к нему требованиям оценивается по его качеству, которое определяется совокупностью показателей...
-
Классификация теплоизоляционных материалов - Классификация и свойства теплоизоляционных материалов
Теплоизоляционные материалы классифицируются (ГОСТ 16381-77) по следующим признакам: - виду основного исходного сырья; - структуре; - форме; -...
-
Необходимо отметить, что даже небольшие изменения химического состава материалов, их физического состояния и структуры приводят к существенному изменению...
-
А) Средняя плотность Средняя плотность г, кг/м3 - физическая величина, определяемая отношением массы тела или вещества ко всему занимаемому ими объему,...
-
Экономическая эффективность применения композиционных материалов - Композиционные материалы
Композиционный материал армированный нитевидный Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиации для...
-
Рассмотрим тепло-, звукоизоляционные материалы на основе жидкого стекла, отверждаемые при комнатной или умеренно повышенной температуре. Данный метод...
-
Алюминиевые композитные панели - Композиционные материалы
Алюминиевый композитный материал - это панель, состоящая из двух алюминиевых листов и пластикового либо минерального наполнителя между ними. Композитная...
-
Породообразующие минералы - те, из которых главным образом состоят горные породы. В природе найдено и изучено более 2000 минералов, но лишь 50 из них...
-
Химический состав веществ оказывает существенное влияние на их теплопроводность. Вещества, простые по химическому составу и строению, имеют большую...
-
Акустические материалы, их классификация, применение - Строительные материалы
Строительные акустические материалы и изделия классифицируют по следующим основным признакам: -назначение; - форма поставки; - сжимаемость; - структура....
-
Кровельные работы и классификация современных кровельных покрытий - Материалы для рулонных кровель
В технологии строительства под кровлей понимают верхнее водоизоляционное покрытие, которое защищает здания и сооружения от проникновения атмосферных...
-
В технической литературе описано несколько классификаций видов износа и факторов влияющих на его величины На поверхностях деталей нетрудно обнаружить в...
-
Пеностекло: основы производства и область применения - Строительные материалы
Пеностекло (ячеистое стекло, вспененное стекло) - это высокопористый ячеистый неорганический теплоизоляционный материал, получаемый спеканием...
-
Применяемые материалы - Технология оштукатуривания фасада теплоизоляционными штукатурками
К теплой штукатурке для наружных работ предъявляются особенные требования: экологичность: входящие в состав компоненты (известь, гипс, цемент, пр.) не...
-
Фасадные краски определяют внешний вид фасада в целом и стойкость всей отделочной фасадной системы к атмосферным и механическим нагрузкам, загрязнениям....
-
Основным сырьем для приготовления цементно-песчаной черепицы является природный кварцевый песок, цемент, вода и пигмент - окись железа (для придания...
-
Битумные рулонные материалы - Материалы для рулонных кровель
Самыми старыми и хорошо известными рулонными материалами для кровель являются битумные материалы на картонной основе. Но, несмотря на то, что они...
-
Ондулин, Черепица - Использование современных материалов для улучшения внешнего вида здания
Ондулин - это оригинальный волнистый кровельный и облицовочный материал, выпускаемый французской фирмой Onduline уже более 50 лет. Производится путем...
-
При строительстве дорог и площадок используются материалы как естественного, так и искусственного происхождения. Дорожное покрытие должно обладать рядом...
-
Инъекционные растворы фирмы "Триада Холдинг" успешно решают проблемы протечек в строительстве. Они представляют, собой однокомпонентные полиуретановые...
-
Развитие механики грунтов позволило не только установить, какие грунты хорошо зарекомендовали себя в земляном полотне, но и создать теоретическую базу...
-
Установки по приготовлению смесей необходимо размещать непосредственно у строящейся дороги, или в притрассовых карьерах, или у железнодорожных, водных...
-
Для строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог и железнодорожного полотна применяют разнообразные природные и искусственные...
-
Материалы для устройства кровель К штучным кровельным материалам относятся волнистые асбестоцементные и безасбестовые цементно-волокнистые листы,...
-
Материалы, требования по изготовлению - Мембранные конструкции зданий и сооружений
3.1 Для изготовления пролетной конструкции мембранных покрытий применяются стали углеродистые, низколегированные, в особых случаях нержавеющие стаяли,...
-
Технические требования - Предъявляемые требования к отбору бетонной смеси. Стандарты и классификации
1.1 Бетонные смеси приготавливают в соответствии с требованиями настоящего стандарта по технологическому регламенту, утвержденному в установленном...
Классификация композиционных материалов - Композиционные материалы