Композиционные материалы

Области применения технологии:

• нанесение на рабочую поверхность  уплотнений с целью  уменьшения трения и  создания разделительного  слоя, исключающего налипание резины на вал в период покоя.
• высокооборотные двигатели внутреннего сгорания для авто и авиастроения.

Авиация и космонавтика: В авиации и космонавтике с 1960-х годов существует настоятельная необходимость в изготовлении прочных, лёгких и износостойких конструкций. Композиционные материалы применяются для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий шатлов , космических зондов. Всё чаще композиты применяются для изготовления обшивок воздушных и космических аппаратов, и наиболее нагруженных силовых элементов.

Вооружение и военная техника: Благодаря своим характеристикам (прочности и лёгкости) композиционные материалы применяются в военном деле для производства различных видов брони:

• бронежилетов ( кевлар)
• брони для военной техники.

Глава 6

Типы  композиционных материалов:

1)Композиционные материалы с металлической матрицей.

Композиционные  материалы состоят  из металлической  матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной  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. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или  иную композицию, получили название композиционные материалы.

2)Композиционные материалы с неметаллической матрицей.

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.

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 сдвиги и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.

По  виду упрочнителя  композиционные материалы  классифицируют настекловолокниты, карбоволокниты с  углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

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 сопротивлениесдвигу  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 трех направленных.

Компонентами  композитов являются самые разнообразные  материалы – металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные  композиционные материалы  – полиматричные, когда в одном  материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость  и деформируемость  материала, а матрица  обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе  и стойкость к  различным внешним  воздействиям.

 Боропластики – композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твердости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 $/кг) в связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30% стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики. Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

  Органопластики – композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже – природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40–70% наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров – полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п. – варьируется в значительно больших пределах – от 2 до 70%. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе.

Важную  роль в улучшении  механических характеристик  органопластика играет степень ориентация макромолекул наполнителя. Макромолекулы жесткоцепных полимеров, таких, как  полипарафенилтерефталамид (кевлар) в основном ориентированы  в направлении  оси полотна и  поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль  волокон. Из материалов, армированных кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты.

Органопластики  находят широкое  применение в авто-, судо-, машиностроении, авиа- и космической  технике, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного  инвентаря и т.д.

  Полимеры, наполненные порошками. Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить доктор Бейкеленд (Leo H.Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола – вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бейкеленд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал – бакелит – приобрел большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и наполнителя – пресс-порошок - под давлением необратимо затвердевает в форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это – ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются по сей день.

Сейчас  применяются разнообразные  наполнители так  термореактивных, так  и термопластичных  полимеров. Карбонат кальция и каолин (белая  глина) дешевы, запасы их практически не ограничены, белый  цвет дает возможность  окрашивать материал. Применяют для  изготовления жестких  и эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток и т.д., полиэфирных  стеклопластиков, наполнения полиэтилена и  полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно увеличивает  модуль упругости  и теплостойкость данного полимера. Сажа больше всего  используется в качестве наполнителя резин, но вводится и в  полиэтилен, полипропилен, полистирол и т.п. По-прежнему широко применяют органические наполнители –  древесную муку, молотую  скорлупу орехов, растительные и синтетические  волокна. Для создания биоразлагающихся композитов в качество наполнителя  используют крахмал.

Текстолиты – слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов – покрытия для кухонных столов – трудно переоценить.

Основные  принципы получения  текстолитов сохранились, но сейчас из них  формуют не только пластины, но и фигурные изделия. И, конечно, расширился круг исходных материалов. Связующими в текстолитах  является широкий  круг термореактивных  и термопластичных  полимеров, иногда даже применяются и  неорганические связующие  – на основе силикатов  и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых  разнообразных волокон  – хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых  и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.  
 

Заключение.

Два перспективных пути открывают композиционные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами. У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Композиционный материал конструкционный (металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элементы в виде 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.

Композиционные  материалы постепенно занимают все большее место в нашей жизни. Уже достаточно трудно представить современную стоматологию без композитных материалов. Области применения композиционных материалов многочисленны. Кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной и горнорудной, металлургической промышленности, в строительстве и т.д. Диапазон применения этих материалов увеличивается день ото дня и сулит еще много интересного. Можно с уверенностью сказать, что это материалы будущего.