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 материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей. Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80 об.%, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) 20-30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению. В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала. Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях. Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных.
Наибольшее применение в строительстве и технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят: полимерные композиционные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальдегидных, полиамидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и др. волокнами; металлические композиционные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой; композиционные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы); композиционные материалы на основе керамики, армированной углеродными, карбидокремниевыми и др. жаростойкими волокнами и SiC. При использовании углеродных, стеклянных, амидных и борных волокон, содержащихся в материале в кол-ве 50-70%, созданы композиции с удельной прочностью и модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые композиционные материалы превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и др. свойствам. Так, армирование сплавов Аl волокнами бора значительно улучшает их механические характеристики и позволяет повысить температуру эксплуатации сплава с 250-300 до 450-500 °С. Армирование проволокой (из W и Мо) и волокнами тугоплавких соединений используют при создании жаропрочных композиционных материалов на основе Ni, Cr, Co, Ti и их сплавов. Так, жаропрочные сплавы Ni, армированные волокнами, могут работать при 1300-1350°С. При изготовлении металлических волокнистых композиционных материалов нанесение металлической матрицы на наполнитель осуществляют в основном из расплава материала матрицы, электрохимическим осаждением или напылением. Формование изделий проводят гл. обр. методом пропитки каркаса из армирующих волокон расплавом металла под давлением до 10 МПа или соединением фольги (матричного материала) с армирующими волокнами с применением прокатки, прессования, экструзии при нагреве до температуры плавления материала матрицы.
Один из общих технологических методов изготовления полимерных и металлических волокнистых и слоистых композиционных материалов - выращивание кристаллов наполнителя в матрице непосредственно в процессе изготовления деталей. Такой метод применяют, напр., при создании эвтектических жаропрочных сплавов на основе Ni и Со. Легирование расплавов карбидными и интерметаллическими соединениями, образующими при охлаждении в контролируемых условиях волокнистые или пластинчатые кристаллы, приводит к упрочнению сплавов и позволяет повысить температуру их эксплуатации на 60-80oС. Композиционные материалы на основе углерода сочетают низкую плотность с высокой теплопроводностью, хим. стойкостью, постоянством размеров при резких перепадах температур, а также с возрастанием прочности и модуля упругости при нагреве до 2000 °С в инертной среде. Высокопрочные композиционные материалы на основе керамики получают при армировании волокнистыми наполнителями, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами. Армирование непрерывными волокнами SiC позволяет получать композиционные материалы, характеризующиеся повышенной вязкостью, прочностью на изгиб и высокой стойкостью к окислению при высоких температурах. Однако армирование керамики волокнами не всегда приводит к значительному повышению ее прочностных свойств из-за отсутствия эластичного состояния материала при высоком значении его модуля упругости. Армирование дисперсными металлическими частицами позволяет создать керамико-металлические материалы (керметы), обладающие повышенной прочностью, теплопроводностью, стойкостью к тепловым ударам. При изготовлении керамических композиционных материалов обычно применяют горячее прессование, прессование с последующим спеканием, шликерное литье. Армирование материалов дисперсными металлическими частицами приводит к резкому повышению прочности вследствие создания барьеров на пути движения дислокаций. Такое армирование гл. обр. применяют при создании жаропрочных хромоникелевых сплавов. Материалы получают введением тонкодисперсных частиц в расплавленный металл с последующей обычной переработкой слитков в изделия. Введение, напр., ТhO2 или ZrO2 в сплав позволяет получать дисперсноупрочненные жаропрочные сплавы, длительно работающие под нагрузкой при 1100-1200°С (предел работоспособности обычных жаропрочных сплавов в тех же условиях 1000-1050°С). Перспективное направление создания высокопрочных композиционных материалов - армирование материалов нитевидными кристаллами ("усами"), которые вследствие малого диаметра практически лишены дефектов, имеющихся в более крупных кристаллах, и обладают высокой прочностью. Наиболее практический интерес представляют кристаллы Аl2О3, BeO, SiC, B4C, Si3N4, AlN и графита диаметром 1-30 мкм и длиной 0,3-15 мм. Используют такие наполнители в виде ориентированной пряжи или изотропных слоистых материалов наподобие бумаги, картона, войлока. Введение в композицию нитевидных кристаллов может придавать ей необычные сочетания электрических и магнитных свойств. Выбор и назначение композиционных материалов во многом определяются условиями нагружения и температурой эксплуатации деталей или конструкций, технол. возможностями. Наиболее доступны и освоены полимерные композиционные материалы. Большая номенклатура матриц в виде термореактивных и термопластичных полимеров обеспечивает широкий выбор композиционные материалы для работы в диапазоне от отрицательных температур до 100-200°С - для органопластиков, до 300-400 °С - для стекло-, угле - и боропластиков. Полимерные композиционные материалы с полиэфирной и эпоксидной матрицей работают до 120-200°, с феноло-формальдегидной - до 200-300 °С, полиимидной и кремнийорганической - до 250-400°С. Металлические композиционные материалы на основе Аl, Mg и их сплавов, армированные волокнами из В, С, SiC, применяют до 400-500°С; композиционные материалы на основе сплавов Ni и Со работают при температуре до 1100-1200 °С, на основе тугоплавких металлов и соединений - до 1500-1700°С, на основе углерода и керамики - до 1700-2000 °С. Использование композитов в качестве конструкционных, теплозащитных, антифрикционных, радио - и электротехнических и др. материалов позволяет снизить массу конструкции, повысить ресурсы и мощности машин и агрегатов, создать принципиально новые узлы, детали и конструкции. Все виды композиционные материалы применяют в химической, текстильной, горнорудной, металлургической промышленности, машиностроении, на транспорте, для изготовления спортивного снаряжения и др.
Похожие статьи
-
Состав и строение композита - Композиционные материалы
Композиты - многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической., углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной...
-
Композиционные материалы с металлической матрицей Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной...
-
Классификация композиционных материалов - Композиционные материалы
Композиты - многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической., углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной...
-
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,...
-
Необходимо отметить, что даже небольшие изменения химического состава материалов, их физического состояния и структуры приводят к существенному изменению...
-
Композиты и бетон - Композиционные материалы
Композиционный строительство бетон матрица Преимущества композиционных материалов хорошо проявляются при армировании бетона и строительстве. Недорогой и...
-
Строительный гипс: технология производства, свойства и область применения - Строительные материалы
Технологический процесс состоит из отдельных стадий производства: 1. дробления исходного сырья 2. его помола и сушки 3. обжига гипсовой мучки в котлах...
-
За последние 15 лет композитная арматура перешла от экспериментального прототипа к эффективному заменителю стали во многих проектах, особенно в связи с...
-
Химический состав веществ оказывает существенное влияние на их теплопроводность. Вещества, простые по химическому составу и строению, имеют большую...
-
Пластмассы, как материал для строительных конструкций
Пластическими массами (или пластмассами) называют материалы, которые в качестве основного компонента содержат синтетический полимер. Полимеры - это...
-
Описание свойств материалов в составе бетона - Изготовление железобетонных колонн
Цемент Портландцемент (англ. Portland cement ) -- гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают силикаты кальция (70-80 %). Это вид...
-
Основным сырьем для приготовления цементно-песчаной черепицы является природный кварцевый песок, цемент, вода и пигмент - окись железа (для придания...
-
А) Теплопроводность Теплопроводность - важнейшая характеристика теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных материалов. Единица измерения...
-
Каковы важнейшие физико-механические свойства древесины - Анализ строительных материалов и изделий
Истинная плотность древесиныопределяется совокупностью веществ, слагающих оболочку клеток. Так как клетки имеют схожее строение для всех пород,...
-
Свойства, Эстетические свойства - Керамические строительные материалы
Эксплуатационно-технические свойства керамических материалов непосредственно связаны с характером их структуры, образующейся в процессе обжига. Выделяют...
-
Классификация теплоизоляционных материалов - Классификация и свойства теплоизоляционных материалов
Теплоизоляционные материалы классифицируются (ГОСТ 16381-77) по следующим признакам: - виду основного исходного сырья; - структуре; - форме; -...
-
Исследование влияния состава и температуры на свойства бетонной смеси. Из анализа литературных данных следует отметить, что большинство авторов считают,...
-
А) Средняя плотность Средняя плотность г, кг/м3 - физическая величина, определяемая отношением массы тела или вещества ко всему занимаемому ими объему,...
-
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...
-
Соответствие любого строительного материала предъявляемым к нему требованиям оценивается по его качеству, которое определяется совокупностью показателей...
-
Основные свойства строительных материалов - Технология производства строительных материалов
Свойства строительных материалов Определяют области их применения. Только при правильной оценке качества материалов, т. е. их важнейших свойств, могут...
-
ВВЕДЕНИЕ - Технология производства и потребительские свойства кровельных материалов
В нашей стране в больших масштабах осуществляется жилищно-гражданское, промышленное и сельскохозяйственное строительство; это требует выполнения...
-
Связующие (пленкообразующие) вещества Связующими веществами в красочных составах являются следующие материалы: полимеры -- в полимерных красках, лаках,...
-
Состав и строение мерзлых пород - Геологические процессы и строительство сооружений
Лед в мерзлых породах может находиться: 1 - Как породообразующая часть - в виде Цемента , т. е. в тонкодисперсном виде; в виде Отдельных кристаллов или...
-
Изготовление портландцемента -- сложный энергоемкий процесс, требующий больших затрат топлива. На обжиг 1 т клинкера затрачивается около 226 кг условного...
-
Алюминиевые композитные панели - Композиционные материалы
Алюминиевый композитный материал - это панель, состоящая из двух алюминиевых листов и пластикового либо минерального наполнителя между ними. Композитная...
-
Экономическая эффективность применения композиционных материалов - Композиционные материалы
Композиционный материал армированный нитевидный Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиации для...
-
Мраморы - образовались из известняков (реже доломитов) под действием высоких температур и огромного всестороннего давления. , , водопоглощение 0,1ч0,7 %,...
-
К строительным материалам относят природные и искусственные вещества, композиции и изделия из них, применяемые для возведения зданий и сооружений....
-
Цементно-песчаную черепицу выпускают многие производители. За столетие технология производства цементно-песчаной черепицы шагнула далеко вперед, и...
-
Характеристика исходных материалов, используемых для производства цементно-песчаной черепицы Материалы, применяемые для изготовления черепицы, должны...
-
Расчет потребности в сырьевых материалах представлен в таблице 6. Таблица - Потребность в сырье Наименование передела Расход в Год Сутки Смена Час...
-
Пеностекло: основы производства и область применения - Строительные материалы
Пеностекло (ячеистое стекло, вспененное стекло) - это высокопористый ячеистый неорганический теплоизоляционный материал, получаемый спеканием...
-
Для экспериментального определения зависимостей свойств бетонной смеси от различных факторов использовали современные методы математического планирования...
-
Минеральными вяжущими веществами Называют тонкоизмельченные порошки, образующие при смешивании с водой пластичное тесто, под влиянием физико-химических...
-
Керамические материалы получают из глиняных масс путем формования и последующего обжига. При этом часто имеет место промежуточная технологическая...
-
Материалы и изделия на основе магнезиальных вяжущих получают путем формования и последующего высушивания смеси каустического магнезита или доломита и...
-
Исследование свойств и технологий многокомпонентных цементов проводились в 30-х, а затем в 50-х годах. Были разработаны составы вяжущих, позволяющие...
Состав, строение и свойства композиционных материалов - Композиционные материалы