Прогресс в создание композиционных материалов

Прогресс в создание композиционных материалов

Московский Государственный Университет

им. М.В.Ломоносова

Факультет наук о материалах

Реферат

Тема: «Прогресс в создании композиционных материалов».

Студента V курса ФНМ

Кареева И.Е.

Москва 2000г.

Содержание.

Введение....................................................................

...............................2

Композиционные материалы армированные волокнами................3

Композиционные материалы с полимерной матрицей..............5

Композиционные материалы с металлической матрицей.......7

Направления развития композиционных материалов армированные

волокнами........................................................….....9

Композиционный материал «биокерамика-никелид титана»....10

Роль поверхности раздела в композиционных материалах..........12

Заключение..................................................................

...........................16

Список

литературы..................................................................

...........17

Введение.

Композиционные материалы, представляют собой металлические или

неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них

упрочнителей (волокон дисперсных частиц и др.); при этом эффективно

используются индивидуальные свойства составляющих композиции. По характеру

структуры композиционные материалы подразделяются на волокнистые,

упрочненные непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами,

дисперстноупрочненнные материалы, полученные путем введения в металлическую

матрицу дисперсных частиц упрочнителей, слоистые материалы, созданные путем

прессования или прокатки разнородных материалов. К композиционным

материалам также относятся сплавы с направленной кристаллизацией

эвтектических структур. Комбинируя объемное содержание, можно, в

зависимости от назначения, получать материалы с требуемыми значениями

прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также

создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими,

радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

Волокнистые композиционные материалы, армированные нитевидными

кристаллами и непрерывными волокнами тугоплавких соединений и элементов

(SiC, Al2O3, бор, углерод и др.), являются новым классом материалов. Однако

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.).

Важнейшими технологическими методами изготовления композиционных

материалов являются: пропитка армирующих волокон матричным материалом;

формирование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы, получаемых намоткой;

холодное прессование обоих компонентов с последующим спеканием;

электрохимическое нанесение покрытий на волокна с последующим прессованием;

осаждение матрицы плазменным напылением на упрочнитель с последующим

обжатием; пакетная диффузионная сварка монослойных лент компонентов;

совместная прокатка армирующих элементов с матрицей и др. Весьма

перспективны композиционные материалы, армированные нитевидными кристаллами

(усами) керамических, полимерных и др. материалов. Размеры усов обычно

составляют от долей до нескольких мкм. По диаметру и примерно 10-15мм. по

длине[4].

Композиционные материалы армированные волокнами.

Период 1974-1978 гг. явился началом нового этапа в развитии

конструкционных композиционных материалов, армированных волокнами. В

области материаловедения это характеризуется завершением изучения «простых»

механических свойств композиционные материалы. Созданием методик

исследований и испытаний, разработка теоретических основ механического

поведения материалов и переходом к стадии широкого комплексного

исследования служебных характеристик композиционные материалы при сложных

схемах нагружения, наличия концентраторов напряжений, совместном влиянии

механических, эксплутационных и климатических факторов. В области

технологии проведены разработки технологических процессов изготовления

типовых деталей из композиционных материалов. Наметился переход к созданию

специализированного технологического оборудования. Задачами на этом этапе

явилось создание научных основ технологии и разработка способов управления

процессом формирования качественных изделий из композиционных материалов,

завершение работ по созданию высокопроизводительного оборудования для

изготовления и переработки композиционные материалы. В области

проектирования деталей и узлов из композиционные материалы этот этап

характеризуется преодолением у конструкторов «психологического барьера»

недоверия к новым материалам, началом разработки принципов оптимального

проектирования конструкции из композиционные материалы, инженерных методов

расчета конструкций с использованием композиционные материалы. В

информационной области наблюдается переход к изданиям обобщающего типа.

Таковыми являются, например, восмитомная энциклопедия по композиционным

материалам, справочник по методам испытаний, свойствам и применению

композиционные материалы и др. В эти годы создано несколько

специализированных журналов по композиционные материалы: «Journal

Composites Materials» - США; «Composites» - Великобритания; «Transactions

of the Japan Society for Composite Materials» - Япония.

Наиболее распространены для армирования композиционных материалов

стеклянные волокна, выпуск которых в США достигает сотен тысяч тонн. Они

изготавливаются быстрым охлаждением расплавов стекломассы, фиксирующим в

волокнах аморфную структуру однородной жидкости. Стекловолокна дешевы,

хорошо отработан процесс изготовления пластиков на их основе;

стеклопластики широко применяют в течение последних 20-30 лет в изделиях

авиационной техники, в автомобилестроение, при производстве спортивных

товаров и т.п. Основными недостатками стеклянных волокон является низкая

жесткость, не позволяющая использовать стеклопластики в силовых

конструкциях ответственного назначения, и зависимость свойств от внешней

среды, обусловленная гидрофильностью волокон.

В последние годы для армирования полимерных матриц начинают

использовать синтетические органические волокна. Их свойства определяются

типом полимера, условиями формирования волокон и степенью ориентации их

структуры. Наиболее широко применяют полиарамидное волокно.

Наиболее прочные углеродные волокна, представляющие собой продукты

карбонизации исходных углеродсодержащих волокон, получают из

полиакрилонитрильного, вискозного и пекового сырья. Углеродные волокна

состоят из графитоподобных микро фрагментов, объединяемых зонами с аморфным

и турбостратным углеродом, и содержат в своем составе практически лишь

атомы углерода. Своеобразие этих волокон заключается в том, что организация

графитоподобных фрагментов отражает структуру органического полимера.

В связи усилившимся за последнее время интересом к композиционные

материалы с металлическими матрицами проводится интенсивная работа по

созданию совместимых с металлами волокон из карбида кремния, окиси циркония

или алюминия.

Композиционные материалы с полимерной матрицей

50-летний опыт технологической работы со стеклопластиками, показал,

что способы изготовления полимерных композиционных материалов с углеродными

и борными волокнами в достаточной степени отработаны. Изучены основные

механические характеристики угле - и боропластиков, накоплен опыт их

опробования и летной эксплуатации в деталях, не являющихся критическими с

точки зрения безопасности конструкции. Расширение внедрения композиционных

материалов с полимерной матрицей несколько сдерживается недостаточностью

знаний о механизме разрушения и свойствах композиционных материалов в

условиях, имитирующих реальные условия работы конструкций (наличие

концентраторов напряжений, сложная схема нагружения, комплексное

воздействие механических нагрузок и температуры, низкоэнергетический удар и

т.п.), о влиянии климатических факторов (влаги, солнечной радиации,

электричества). В последние годы наблюдается концентрация усилий именно на

этих направлениях исследований композиционных материалов с полимерной

матрицей.

Основные свойства пластиков, армированных борными и углеродными

волокнами, были известны к концу 60-х годов, что обусловило возможность их

опробования в различных изделиях. Однако из-за высокой стоимости волокон

использование композиционных материалов с полимерной матрицей было

возможным лишь в тех отраслях промышленности, в которых огромные затраты на

изготовление деталей из композиционных материалов окупались бы при

эксплуатации изделий. Именно по этой причине пионером в области

использования высокопрочных высокомодульных композиционных материалов с

полимерной матрицей стала авиационно-космическая промышленность. В

дальнейшем в связи с увеличением объема производства стоимость волокон и

композиционных материалов на их основе начала снижаться, что привело к

возможности использования армированных пластиков для изготовления

высококачественного спортивного инвентаря и позволило несколько снизить

расходы авиационно-космических компаний на развитие новых материалов.

Дальнейшее снижение стоимости углеродных волокон, связанное с переходом на

пековое сырье, обеспечивает рентабельность применения полимерных

композиционных материалов в других отраслях промышленности.

Одним из первых применений композиционных материалов с полимерной

матрицей явилось изготовление из углепластика в 1967 г. 22 панелей задней

кромки крыла самолета F-111A (США); эти панели были вдвое дороже

алюминиевых, но позволили снизить массу конструкции на 16%. На фоне

постоянного увеличения стоимости ручного труда, энергии и традиционных

материалов устойчивая тенденция к снижению стоимости композиционных

материалов инициирует усилия разработчиков по внедрению композиционных

материалов в изделия современной техники. Одним из наиболее впечатляющих

примеров внедрения композиционных материалов является разработка фирмой

Grumman Aerospace Corp. горизонтального стабилизатора тяжелого современного

бомбардировщика В-1B. Испытания показали, что при всех видах нагружения

разрушение конструкции наступает при нагрузках, составляющих 130-170% от

предельных расчетных. Так как стабилизатор испытывает мощные акустические

нагрузки (расчетная долговечность 26 ч при звуковой нагрузке 167 дБ), он

был испытан в соответствующих условиях и без разрушения простоял 181 ч при

уровне шума 152-167 дБ. Лакокрасочное покрытие стабилизатора проверялось в

условиях, имитирующих ядерный взрыв; деградации покрытия не наблюдалось.

Для защиты от грозовых разрядов на 50% поверхности стабилизатора напыляли

тонкий слой алюминия. При разряде с силой тока 200000А в обшивке

наблюдались лишь незначительные повреждения. Летные испытания В-1

подтверждают эффективность применения композиционных материалов (далее КМ)

в его конструкции.

Использование сочетаний стекло- и углепластиков для панелей пола

трехслойной конструкции пассажирских самолетов позволило добиться

существенного снижения массы: для широкофюзеляжного самолета ИЛ-86 на 400

кг (площадь пола 350 м2), для самолета ЯК-42 на 100 кг.

Успешное опробование самолетов, изготовленных с использованием КМ,

позволило фирмам США сделать вывод о возможности перехода от летных

испытаний и демонстрационных полетов к серийному внедрению КМ. В самолете F-

16, состав используемых материалов был следующим: 83% алюминиевых сплавов,

2% титановых сплавов, 5 стальных конструкций и 2% новых КМ.

В последние годы возрастает интерес к применению КМ в судостроении. В

США, например, возлагаются надежды на использование КМ для

суперглубоководных средств. Анализ зависимости возможной глубины погружения

от конструктивных характеристик аппарата выявляет преимущества

высокопрочных и высокомодульных КМ. Высокая демпфирующая способность

последних, сочетающихся с конструкциями из стеклопластиков,

полиармированных КМ и т.п., приводит к уменьшению перегрузок, возникающих

при взрывах. Малая плотность КМ при обеспечении пожаробезопасности

позволяет применять их в архитектуре надводной части судов всех типов, что

способствует улучшению устойчивости, уменьшению радиолокационной заметности

судов, облегчению эксплуатации корпуса. Одним из интересных применений КМ в

судостроении является использование углепластиков для подводных крыльев

судов. Для предотвращения влагопоглощения детали плакируются листовым

титаном.

Автомобильные фирмы США (Ford и General Motors) прорабатывают вопросы

применения КМ в конструкции автомобилей. Так, например, изучена конструкция

ведущего вала двигателя из углепластиковой трубки, охватывающей стальной

сердечник. Двухлетние испытания новой конструкции подтвердили ее высокую

эффективность и надежность в эксплуатации (в частности, высокую

коррозионную стойкость) при снижении массы на 2 кг.

Композиционные материалы с металлической матрицей

КМ с металлической матрицей находятся на более ранней стадии своего

развития, чем КМ на основе полимеров. Причиной такого положения является,

по всей вероятности, тот факт, что большинство из разработанных к

настоящему времени армирующих высокопрочных волокон не обладает свойством

совместимости по отношению к матричным сплавам. Механическое поведение КМ

определяется совокупностью значений трех основных параметров: относительной

сохраненной прочностью волокон в КМ (отношением прочности волокон в КМ к

прочности исходных волокон), относительной прочностью связи волокон с

матрицей (отношением прочности КМ при сдвиге к когезионной прочности

матрицы) и относительной сохраненной пластичностью матрицы (отношением

пластичности матрицы в КМ к исходной пластичности матричного сплава). То

или иное соотношение этих параметров определяет механизм разрушения и весь

комплекс механических свойств КМ. Так, например, при низкой прочности связи

волокон с матрицей и достаточно высоких значениях двух других параметров

разрушение КМ начинается с нарушения целостности границ раздела компонентов

и завершается независимым, раздельным разрушением несвязанного (слабо

связанного пучка) армирующих волокон и матрицы. При низкой сохраненной

пластичности матрицы (охрупчивании матрицы) трещины в КМ, появившиеся при

разрушении наименее прочных волокон, легко транслируются через матрицу и за

счет концентрации напряжений у их устья перерезают встретившиеся на их пути

волокна, так что образец КМ разрушается одной магистральной трещиной при

весьма низких расчетных напряжениях. При достаточно высоких значениях

рассматриваемых параметров появление трещин в КМ при разрушении слабых

волокон не приводит к разрушению материала: развитие микротрещин тормозится

внутренними поверхностями раздела (матрица-волокно), а сам материал при

этом не теряет своей несущей способности.

Взаимодействие компонентов при изготовлении КМ с металлической

матрицей проходит, как правило, при высоких температурах и значительных

давлениях, что необходимо для обеспечения пропитывания матричным сплавим

капиллярно-пористого каркаса из армирующих волокон и формирования

монолитного материала. Комплекс физико-химических явлений, составляющих

процесс взаимодействия компонентов КМ, обусловливает формирование связи

между компонентами, с одной стороны и изменение их свойств - с другой.

Совместимыми следует считать компоненты, на границе которых возможно

достижение прочности связи, близкой к когезионной прочности матрицы, при

сохранении высоких начальных значений их механических свойств. Максимально

достижимая величина характеристических параметров может быть принята за

оценку совместимости компонентов КМ. Это обстоятельство и определило, по

Страницы: 1, 2