Застосування та властивості композиційних матеріалів

        Міністерство освіти і науки , молоді та спорту України

        Дніпропетровський національний університет імені  Олеся Гончара

        Економічний факультет

        Спеціальність економіки  підприємства 
 
 
 
 

                                           РЕФЕРАТ

                                    

                                             На тему: 

     «Застосування та властивості композиційних  матеріалів» 
 
 
 
 

                                                                                                    Виконала

                                                                                 студентка групи ЕП -10 -1                                   

                                                                             

                                    Дніпропетровськ 2011 

                                         План

        Вступ

     1. Класифікація композиційних матеріалів

     2. Властивості та використання КМ

     3. КМ з металевою матрицею

     4. КМ з неметалевою матрицею

     5. Економічна ефективність застосування композиційних матеріалів.

     6. КМ в Україні

           Висновок 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                           Вступ

                    Композиційними матеріалами (КМ), або композитами, називають матеріали, отримані поєднанням двох або більше компонентів, які нерозчинні або малорозчинні один в одному і мають властивості, що сильно відрізняються. Один компонент пластичний (зв’язувальна речовина, або матриця), а другий має високі характеристики міцності (наповнювач, або зміцнювач). Таким чином, у КМ кожний компонент грає свою специфічну роль: матриця забезпечує пластичність, зміцнювач - міцність матеріалу; Особливий клас КМ - це природні КМ.Зміст [сховати] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     

1. Класифікація композиційних матеріалів

 

           КМ класифікують за рядом ознак:

     за  формою зміцнювального компонента (волокнисті, дисперсно-зміцнені, шаруваті). Волокна можуть бути безперервними і дискретними;

     за  видом матеріалу матриці (металеві, керамічні, полімерні, вуглецеві);

     за  схемою армування (для волокнистих матеріалів) - з одноосьовим, двохосьовим, трьохосьовим, багато осьовим армуванням;

     за  видом матеріалу зміцнювача (металеві частинки, металеві волокна і шари, вуглецеві, борні, скляні, органічні, керамічні волокна). Залежно від технології введення армувальних волокон у матрицю застосовують різні форми армувальних елементів - нитки, джгути, стрічки, тканини.

     У КМ на основі полімерних матриць як полімер використовують епоксидні, фенольні, поліуретанові, поліамідні смоли. Ці смоли мають низьку густину, невисоку температуру полімеризації, високу міцність і жорсткість, достатню адгезійну міцність з основними видами армувальних волокон, гарні технологічні властивості.

     Як  матеріали зміцнювачів застосовують високоміцні і високо жорсткі (з високим модулем пружності Е) волокна всіх перелічених вище типів залежно від умов роботи виробу. Ними можуть бути тонкий дріт, спеціально виготовлені волокна, вуса. Діаметр волокон змінюється від одиниць до декількох десятків мікрометрів.

     У КМ з металевою матрицею основним матеріалом для матриць є сплави на основі Аl, Мg, Ті, іноді нікелеві сплави. Як зміцнювач використовують вуглецеві волокна, нитки з карбіду кремнію, оксиди алюмінію, бору, тонкі дроти металів.

     У КМ керамічного типу матрицею служать оксиди, нітриди, карбіди, інтерметаліди. 
 
 

2.   Властивості та використання КМ

     Властивості КМ залежать від матеріалу матриці  і зміцнювача, кількісного їх співвідношення, форми зміцнювача, для волокнистих КМ - від схеми армування і довжини волокон.

     Матриця зв'язує композицію, придає їй форму. Від властивос¬тей матриці залежать технологічні режими одержання КМ і такі важливі характеристики, як робоча температура, густина, питома міцність. 

         
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   3.   КМ з металевою матрицею 

     Механізм зміцнення таких КМ дисперсними частинками і волокнами принципово різний. У дисперсно-зміцнених КМ міцність залежить від здатності дисперсних частинок гальмувати рух дислокацій у матриці. При цьому основне навантаження сприймає матриця, і міцність великою мірою залежить від відстані між частинками та їх розмірів. Залежно від розміру зміцнювальних частинок дисперсно-зміцнені матеріали поділяють на два типи: матеріали з частинками 0,01.-.0,1 мкм у кількості до 15 % і композити з частинками, які перевищують за розмірами 1 мкм, при загальній кількості більше 25 %. В матеріалах першого типу матриця несе основне навантаження, тоді як частинки утруднюють переміщення дислокацій і тим самим викликають зміцнення. Коефіцієнт зміцнення, оцінений як відношення тимчасового опору композиту до тимчасового опору матриці σкомп /σматр, для них може досягати 15. У композитах другого типу навантаження розподіляється між матрицею й зміцнювальними частинками. Крім того, ці частинки, як і в першому випадку, перешкоджають руху дислокацій. Загальне зміцнення σкомп /σматр досягає 25.

     Прикладом композитів першого типу може бути А1, зміцнений високодисперсними частинками А12О3. Ці матеріали зберігають свою міцність до високих температур (~ 0,8 Тпл), стійкі проти повзучості. Такі композити, як правило, одержують методами порошкової металургії. Вони знаходять застосування як жароміцні і жаростійкі матеріали.

     До  матеріалів другої групи відносяться широко розповсюдже¬ні тверді сплави, виготовлені методом порошкової металургії (WС-Со, ТіС-Со та ін.). Сплави цього типу застосовують для різального інструменту, матриць, пуансонів, лопаток турбін.

     В композитах, армованих волокнами, матриця є середовищем, що передає навантаження волокнам і розподіляє його між ними. Отже, міцність таких КМ при незмінній кількості зміцнювача залежить від міцності волокон, сили зчеплення між волокнами і матри¬цею і від опору матриці зсуву. Як приклад приведемо композит "Алор" (алюмінієва матриця + органічне волокно). Якщо в А1 σв ~ 50 МПа, то в такому КМ σв ~ 500-600 МПа, а швидкість росту тріщини, у порівнянні з А1, знижується більш ніж у 20 разів. Це зумовлено гальмуванням розвитку тріщини волокнами.

     Важливу роль у зміцненні волокнистих  матеріалів грає відношення довжини  волокна до його діаметра: чим воно більше, тим вище міцність КМ.

     В ряді конструкцій використовуються комбінації (гібриди) різних видів зміцнювачів. Такі КМ називають гібридними. Як правило, вони мають вищі технологічні та службові характеристики, оскільки в них досягається можливість поєднання переваг різних матеріалів.

     Кількість зміцнювана у волокнистих КМ може мінятися від декількох відсотків до 70 - 80 %, а коефіцієнт зміцнення досягає 50.

     Великий інтерес представляють шаруваті КМ, в яких чергуються шари металів з різними властивостями. Властивості цих матеріалів можна охарактеризувати таким прикладом. Високоміцна середньо вуглецева сталь після гартування і низького відпуску має σв ~ 2000 МПа, Кіс ~ 44-54 МПам при КСU ~ 18 Дж/см2. Якщо ж листи такої сталі з'єднати між собою пластичним нікелевим проша¬рком, то зразки такого композиту не руйнуються при роботі удару 166 Дж. Дослідження показали, що тріщина затримується вже біля першого м'якого прошарку. Аналогічні дані про істотне зростання в'язкості руйнування були отримані для шаруватого матеріалу, у якому чергувалися смуги аустенітної сталі типу 10Х18Н ЮТ і м'якої мало вуглецевої сталі Ст2кп. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. КМ з неметалевою матрицею

 

     Як  уже говорилося, для матриць застосовують керамічні та полімерні матеріали, у тому числі вуглецеві. У кожному випадку матриця грає свою певну роль.

     Полімерні матриці (епоксидна, фенолоформальдегідна, поліамідна) в основному служать для зв'язування зміцнювача і придання виробу потрібної форми. Зміцнювальними матеріалами є, головним чином, волокна (скляні, вуглецеві, борні, органічні), вуса карбідів, нітридів, боридів, оксидів, а також металевий дріт. Армувальні ма¬теріали можуть бути у вигляді окремих волокон або ниток, джгутів, стрічок, багатошарових тканин. Вміст зміцнювача складає 60-80 % при використанні безперервних волокон і 20-30 % для дискретних волокон і вусів.

     КМ з полімерною матрицею, зокрема, матеріали, армовані скляним волокном (склопластики), можуть з успіхом замінити сталь при виготовленні кузовів автомобілів. Лист із такого КМ роз¬міром 1,8x3 м важить всього 2,4 кг. Це приводить до зниження маси автомобіля на 500-1000 кг, що дозволяє загалом заощадити близько 1 млн. тонн металу і значно зменшити витрати палива.

     Склопластик застосовують для виготовлення корпуса ракети СС 20, для газових балонів автомобілів. Одна з японських фірм виробляє зі склопластика болти та гайки, які у 4 рази легше; сталевих, не кородують, а за міцністю не поступаються сталевим.

     Кузова  гоночних автомобілів виготовляють з вуглепластика (полімерної матриці, армованої вуглецевими волокнами), що знач¬но знижує їх масу.

     Вугле- і склопластики є перспективними матеріалами для ви¬користання в будівництві у вигляді профілів (балок, швелерів, двотаврів і т.д.). Вуглепластик застосовують для виготовлення деталей автомобіля: шатунів, ресор, карданних валів, при цьому вироби стають дуже легкими. Сьогодні компанія "Форд" більше 1000 дета¬лей автомобіля виготовляє з КМ. 

     Керамічні матеріали одержують спіканням при 1500-2500 °С оксидів, силіцидів або сполук металу з вуглецем, азотом, бором (карбідів, нітридів, боридів). Серед оксидів найчастіше використовують корунд (А12О3) або 2г2О, з карбідів - карборунд (8іС), з ніт¬ридів - 8і3М4. Усі ці сполуки мають високу температуру плавлення (від 1800 до 2700 °С) і високу твердість і міцність (при 1000-1200 °С близько 500 МПа).

     Керамічні матеріали відрізняються високою тепло-, жаро-, ерозійною стійкістю, тому вони дуже привабливі для виготовлення відповідальних важко навантажених виробів (високотемпературні підшипники, лопатки газотурбінних двигунів, деталі двигунів внут¬рішнього згоряння, носові обтікачі ракет тощо). Правда, вони мають невисоку в'язкість руйнування. Однак добавка більш в'язкого напо-внювача робить можливим їх промислове використання. Так, вико¬ристання в двигунах внутрішнього згоряння КМ, який складаєть¬ся з 70 % А12О3 і ЗО % Сr, дозволило підвищити робочу темпера¬туру на 50 %, що знизило витрати палива на ЗО %.

     Для лопаток газових турбін застосовують матеріали на основі карбідів і нітридів 8і, Ті, 2г. Такі лопатки здатні витримувати темпера¬туру 1600 °С.

     У зв'язку з невисокою в'язкістю  руйнування застосування ке¬рамічних КМ сьогодні ще обмежене. Однак з міркувань дешевих сировинних ресурсів, які потрібні для виготовлення таких КМ, і можливості їх використання у високотемпературних конструкціях, де вони не мають конкурентів, розвиток цього напряму безумовно є перспективним.

     Вуглець-вуглецеві матеріали. Особливий інтерес представля¬ють КМ із вуглецевою матрицею й зміцнювачем у вигляді вуглеце¬вого волокна, джутів або тканин з такого волокна (карбоволокніти з вуглецевою основою).

     Вуглець-вуглецеві матеріали мають малу густину (1,3-2,1 т/м3). їх механічні властивості великою мірою залежать від схеми армування: ав може змінюватися від 100 до 1000 МПа. Преференційним є багато-осьове армування. Унікальна особливість таких матеріалів - збіль¬шення міцності і модуля пружності з підвищенням температури.

     Вуглець-вуглецевий матеріал був застосований для облицюван¬ня фюзеляжу і носових частин крила орбітального корабля багато¬разового використання "Буран". Зазначені конструкції працюють в особливо важких умовах і при вході корабля в атмосферу розігрі¬ваються до 1500 °С. Після посадки корабля руйнувань матеріалу не було виявлено.