Композиционные материалы

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 композиционных 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. 
 

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 про 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

      60-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.