Композиционные материалы

Федеральное государственное  автономное образовательное  учреждение

Высшего профессионального  образования

“СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”

Хакасский технический институт-филиал  ФГАОУ ВПО

“СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ” 
 
 
 
 
 

Реферат

  на тему: “Композиционные материалы” 
 
 
 
 

Выполнил: студент I курса группы 40-2Б

Солдаев Сергей Александрович

Проверила: Добрынина Анна Вячеславовна 
 

Абакан 2010 
 
 

Содержание:

Общие сведения3

Глава 1 :Свойства некоторых композиционных материалов..................................................................5

Глава 2 :Преимущества и недостатки КМ8

Глава 3 :Область применения8-9

Глава 4 :Техническая характеристика……………………………………………………………………………………………………………………..9

Глава 5 :Технико-экономические преимущества…………………………………………………………………10

Глава 6 :Типы КМ 11-12

Глава 7 :Боропластики, Органопластики, Текстолиты 12-14

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………………….15

Список литературы (источники)………………………………………………………………………………………………………....16 
 
 
 
 
 
 
 
 

Общие сведения.

Композиционный материал (композит, КМ) — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.

Композиционный  материал – конструкционный (металлический  или неметаллический) материал, в котором  имеются усиливающие его элементы: нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

Механическое  поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и  работоспособность  материала зависят  от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.

В результате совмещения армирующих элементов  и матрицы образуется комплекс свойств  композиции, не только отражающий исходные характеристики его  компонентов, но и  включающий свойства, которыми изолированные  компоненты не обладают. В частности, наличие  границ раздела между  армирующими элементами и матрицей существенно  повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.  

Путем подбора состава  и св-в наполнителя  и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно  получить материалы  с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических св-в .

  Использование в  одном материале  нескольких матриц (полиматричные  композиционные материалы)  или наполнителей  различной природы (гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможности регулирования св-в 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 дисперсноупрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц). Матрица в композиционном материале 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. Подробнее о ф-ции матрицы и армирующего наполнителя, а также о технологии получения волокнистых полимерных композиционных материалов см. Армированные пластики. Наиб. Применение в технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят: полимерные композиционные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальд., полиимидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), орг. (органопластики), борными (боропластики) и др. волокнами; металлич.

  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 (углеродные материалы); композиционные материалы на основе керамики, армированной углеродными, карбидокремниевыми и др. жаростойкими волокнами и SiC. При использовании углеродных, стеклянных, арамидных и борных волокон, содержащихся в материале в кол-ве 50-70%, созданы композиции (см. табл.) с уд.  
 
 
 
 

Глава 1

Ссылка  на таблицу:[ http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2085.html].

Прочностью и уд. 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. св-вам. Так, армирование сплавов Аl волокнами бора значительно улучшает их мех. характеристики и позволяет повысить т-ру эксплуатации сплава с 250-300 до 450-500 °С. Армирование проволокой (из W и Мо) и волокнами тугоплавких соед. 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 осн. из расплава материала матрицы, электрохим. 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 нагр. до т-ры плавления материала матрицы (см. также Металлополимеры). Один из общих технол. методов изготовления полимерных и металлич. волокнистых и слоистых композиционных материалов - выращивание кристаллов наполнителя в матрице непосредственно в процессе изготовления деталей. Такой метод применяют, напр., при создании эвтектич. жаропрочных сплавов на основе Ni и Со. Легирование расплавов карбидными и интерметаллич. соед., образующими при охлаждении в контролируемых условиях волокнистые или пластинчатые кристаллы, приводит к упрочнению сплавов и позволяет повысить т-ру их эксплуатации на 60-80 ^oС. Композиционные материалы на основе углерода сочетают низкую плотность с высокой теплопроводностью, хим. стойкостью, постоянством размеров при резких перепадах т-р, а также с возрастанием прочности и модуля упругости при нагреве до 2000 °С в инертной среде. О методах получения углерод-углеродных композиционных материалов см. Углепластики. Высокопрочные композиционные материалы на основе керамики получают при армировании волокнистыми наполнителями, а также металлич. и керамич. дисперсными частицами. Армирование непрерывными волокнами SiC позволяет получать композиционные материалы, характеризующиеся повыш. вязкостью, прочностью на изгиб и высокой стойкостью к окислению при высоких т-рах. Однако армирование керамики волокнами не всегда приводит к значит. повышению ее прочностных св-в из-за отсутствия эластичного состояния материала при высоком значении его модуля упругости. Армирование дисперсными металлич. частицами позволяет создать керамико-металлич. материалы (керметы), обладающие повыш. прочностью, теплопроводностью, стойкостью к тепловым ударам. При изготовлении керамич. композиционных материалов обычно применяют горячее прессование, прессование с послед. спеканием, шликерное литье (см. также Керамика). Армирование материалов дисперсными металлич. 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 послед. 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"), к-рые вследствие малого диаметра практически лишены дефектов, имеющихся в более крупных кристаллах, и обладают высокой прочностью. наиб. практич. 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. Композиционные материалы на основе эпоксидной матрицы и нитевидных кристаллов ThO₂ (30% по массе) имеют s_раст 0,6 ГПа, модуль упругости 70 ГПа. Введение в композицию нитевидных кристаллов может придавать ей необычные сочетания электрич. и магн. св-в. Выбор и назначение композиционных материалов во многом определяются условиями нагружения и т-рой эксплуатации детали или конструкции, технол. возможностями. наиб. доступны и освоены полимерные композиционные материалы. Большая номенклатура матриц в виде термореактивных и термопластич. полимеров обеспечивает широкий выбор композиционных материалов для работы в диапазоне от отрицат. т-р 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 кремнийорг. - до 250-400°С. Металлич. 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 т-ре до 1100-1200 °С, на основе тугоплавких металлов и соед. - до 1500-1700°С, на оснбве углерода и керамики - до 1700-2000 °С. Использование композитов в качестве конструкц., теплозащитных, антифрикц., радио- и электротехн. и др. материалов позволяет снизить массу конструкции, повысить ресурсы и мощности машин и агрегатов, создать принципиально новые узлы, детали и конструкции. Все виды композиционных материалов применяют в хим., текстильной, горнорудной, металлургич. пром-сти, машиностроении, на транспорте, для изготовления спортивного снаряжения и др. Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это — гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита, пропитанные эпоксидными клеями), фанера… Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр. 
 
 

Глава 2

Преимущества  композиционных материалов: 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.

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

Глава 3

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).

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.

Глава 4

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.

Глава 5

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.