microbik.ru
1 2 ... 22 23


Министерство образования и науки Украины

Сумский государственный университет


Юскаев В.Б.

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Утверждено ученым советом

Сумского государственного университета

как учебное пособие

Сумы

Издательство СумГУ

2006
ББК 35.719

Ю 89

УДК 621.76(075.2) + 678.5(075.8)

Рецензенти:

канд. техн. наук, проф. Євтушенко А.О.

канд. техн. наук, доц. Алексєєв О.М.

Рекомендовано до друку вченою радою

Сумського державного університету

як навчальний посібник

(протокол № 5 від 21 грудня 2006 року)


Юскаєв В.Б.

Ю 89 Композиційні матеріали: Навчальний посібник. – Суми:

Видавництво СумДУ, 2006. – 199 с.

ISBN 966-657-100-5


У посібнику розглянуті методи одержання та властивості композиційних матеріалів - армованих металів, керамічних матеріалів, пластмас та евтектичних композиційних матеріалів.

Посібник рекомендований для студентів спеціальності «Прикладне матеріалознавство», що вивчають дисципліну «Порошкові та композиційні матеріали».

ББК 35.719
ISBN 966-657-100-5

© Юскаєв В.Б. 2006

© Видавництво Сумського

державного університету, 2006

СОДЕРЖАНИЕ

С.

Введение 5
1 Основные определения и классификация

композиционных материалов 12

    1. Классификация КМ по материалам

матрицы и армирующих компонентов 13

    1. Классификация КМ по структуре:

геометрии и расположению компонентов

структурных составляющих 14

    1. Классификация КМ по методам получения 19

    2. Классификация КМ по назначению 19




  1. Характеристики однонаправленных КМ 20

2.1 Упругие характеристики КМ 20

    1. Прочность однонаправленных КМ

с непрерывными волокнами

в направлении армирования 22

    1. Оптимальная объемная доля волокон 23

    2. Влияние ориентации волокон на прочность

однонаправленных КМ при растяжении 27

    1. Прочность при растяжении КМ, армированных

дискретными волокнами 29

    1. Прочность КМ при сжатии 31

    2. Вязкость разрушения КМ 33




  1. Виды, свойства и технологические методы

получения армирующих компонентов 38

    1. Требования, предъявляемые к волокнам 38

    2. Нитевидные кристаллы 39

    3. Металлические проволоки 44

    4. Неорганические поликристаллические волокна 47

    5. Виды армирующих элементов 56




  1. Технологические методы получения

металлических КМ 58

    1. Межфазное взаимодействие в КМ 58

      1. Термодинамическая и кинетическая

совместимость компонентов 58

      1. Виды межфазного взаимодействия 60

      2. Типы связей между компонентами 61

    1. Получение металлических КМ

армированных нитевидными кристаллами 62

      1. Подготовка нитевидных кристаллов 62

      2. Объединение волокон с матрицей 64

    1. Получение металлических КМ,

армированных волокнами 65

      1. Очистка поверхности волокон и матрицы 66

      2. Объединение волокон и матрицы.

Получение компактных МКМ 66


  1. Металлические композиционные материалы 79

    1. Требования, предъявляемые к матрицам 79

    2. Матричные материалы 80

    3. Свойства МКМ 87

    4. Области применения МКМ 108




  1. Эвтектические КМ 112

    1. Эвтектические материалы 112

на основе алюминия

    1. Эвтектические материалы

на основе никеля 114


  1. Керамические композиционные материалы 116




  1. Полимерные КМ 121

    1. Молекулярная структура полимеров.

Классификация полимеров 121

    1. Термомеханические свойства полимеров 128

    2. Компоненты ПКМ 137

      1. Полимерные матрицы 137

      2. Наполнители ПКМ 141

    3. Получение ПКМ и методы

переработки их в изделия 158

    1. Свойства армированных ПКМ 181


Список литературы 197

ВВЕДЕНИЕ

Знакомство со свойствами многих материалов в окружающем нас мире позволяет говорить об их необычности. Если металлы со свойственной им высокой прочностью и пластичностью являются для нас привычными, то имеется значительная группа материалов, поражающая необычным сочетанием свойств разнородных материалов.

Так, железобетон позволяет сооружать конструкции, выдерживающие большие изгибающие нагрузки, которые противопоказаны исходному бетону, - он растрескивается при достаточно небольших изгибающих нагрузках. Сравнение прочности стержней из древесины и бамбука показывает, что бамбук приблизительно в два раза более прочен и гибок. Эти особенности в течение длительного времени использовали при изготовлении шестов для прыжков, для изготовления корабельных мачт и т.д. Необыкновенным сочетанием прочности, жесткости и легкости характеризуются кости животных и человека. Особенно высоки характеристики трубчатых костей птиц, имеющих минимальный вес. Изготовленные из любого из известных материалов подобные изделия имели бы большую массу. Вулканическая лава, обладая химическим составом достаточно хорошо известных горных пород, характеризуется очень низкой плотностью в сочетании с достаточной прочностью и хорошими теплоизоляционными свойствами, предопределяющими возможность применения в строительстве. Такие материалы, сочетающие в себе свойства, присущие порознь нескольким материалам, называются обычно композиционными материалами (КМ).

История возникновения искусственных КМ восходит к истокам цивилизации, когда человек начал сознательно конструировать новые материалы. Уже на ранних стадиях развития цивилизации он использовал для строительства кирпич из глины, в которую замешивалась солома, придававшая повышенную прочность. Использование природных битумов позволило повысить водостойкость природных материалов и изготавливать суда из камыша, пропитанного битумом. Прослеживается аналогия между изготовлением боевых луков у кочевников с использованием нескольких слоев из дерева, рога, шелка, скрепляемых с помощью клея, и современными металлодеревотканевыми слоистыми конструкциями, соединяемыми отверждающимися смолами. Одним из наиболее ярких примеров такого рода является материал фиберглас из стеклянных волокон, скрепленных полимерным связующим, структура которого повторяет структуру бамбука, где непрерывные волокна из целлюлозы находятся в более пластичной матрице с низким модулем (рис. 1).




Рисунок 1 - Микроструктура различных КМ (сечение поперек армирующих элементов): а - бамбук; б - стеклопластик; вКМ из меди, армированной вольфрамовой проволокой [6]

Приведенные примеры позволяют выделить то общее, что объединяет КМ, а именно - эти материалы являются результатом объемного сочетания разнородных компонентов, один из которых пластичен (связующее, матрица), а другой обладает высокой прочностью и жесткостью (наполнитель, арматура), и при этом композиции имеют свойства, которых не имеют отдельные составляющие.

В качестве как первого, так и второго компонента могут выступать самые разнообразные по природе и происхождению материалы. Известны КМ на базе металлов, керамики, стекол, углерода, пластмасс и других материалов. Практически любой современный материал представляет собой композицию, поскольку все материалы редко применяются в чистом виде. Это создает сложности с точки зрения использования термина - он часто применяется для всех сложных систем, содержащих несколько компонентов.

Наука о композиционных материалах зародилась недавно. Первый патент на КМ (полимерный) был выдан в 1909 году. Он предусматривал упрочнение синтетических смол природными волокнами. Первые полимерные КМ армировали рубленным природным волокном, целлюлозной бумагой, хлопчатобумажными и льняными тканями.

Настоящий бум в материаловедении возник в конце первой половины XX века, когда появились прочные и легкие стеклопластики и из них начали делать планеры, а затем и многое другое. Стеклопластики запатентованы в 1935 году. Это были первые полимерные материалы, в которых как упрочнитель использовались неорганические волокна.

В конце 50-х годов ХХ века обнаружено, что материалы в виде тонких монокристаллов обладают высокой прочностью. Были получены новые виды неорганических поликристаллических волокон – углеродные, борные. Возникла идея использовать все эти сверхпрочные волокнистые материалы для армирования различных матриц, в первую очередь металлических.

История металлических КМ насчитывает не более 60 лет, но успехи в этой области достигнуты значительные, хотя первые металлические КМ разрабатывались главным образом для решения проблемы улучшения механических характеристик и жаростойкости.

В последние годы в связи с расширением комплекса свойств, реализуемых с помощью КМ, значительно расширились исследования по созданию антифрикционных КМ, КМ медицинского и биологического назначения, газонаполненных КМ, тепло- и электропроводных КМ, негорючих КМ, радиопрозрачных и радиопоглощающих КМ и др.

КМ по удельным прочности и модулю упругости превосходят все известные конструкционные сплавы (рис. 2).

Рисунок 2 – Удельная прочность и удельный модуль упругости некоторых неармированных и композиционных материалов, армированных 50 об. % волокон [9]

Современная авиация, ракетно-космическая техника, судостроение, машиностроение немыслимы без композитов. Чем больше развиваются эти отрасли техники, тем больше в них используют композиты, тем выше становится качество этих материалов. Многие из них легче и прочнее лучших металлических (алюминиевых и титановых) сплавов, а их применение позволяет снизить вес изделия (самолета, ракеты, космического корабля) и соответственно сократить расход топлива.

Ярким примером эффективного применения КМ является решение задач тепловой защиты при аэродинамическом нагреве и снижения массы орбитального комплекса (ОК) «Буран» (рис. 3) [22].

Рисунок 3 – Элементы тепловой защиты ОК «Буран» [22]

К числу наиболее ответственных компонентов теплозащиты ОК «Бурана» относятся такие термостойкие элементы конструкции (рабочие температуры до 1650 ºС), как носовой обтекатель и секции передних кромок крыла из "углерод - углеродного" материала  "Гравимол" (плотность – 1,85 т/м3).

Для изготовления этого материала применялись углеродные ткани и модифицированные фенольные смолы, подвергавшиеся пиролизу в процессе высокотемпературного передела. В последующем полуфабрикат материала проходил процессы пироуплотнения и боросилицирования. На внешнюю сторону агрегатов наносилось внешнее противоокислительное покрытие на основе дисилицида молибдена.

Нижняя поверхность и большая часть боковой поверхности планера "Бурана" в зонах с максимальными температурами аэродинамического нагрева 700-1250 ºС защищена многоразовой тепловой защитой в виде керамических плиток из волокон двуокиси кремния, имеющих белое или черное внешнее эрозионностойкое покрытие. Для создания этого материала, удовлетворяющего условиям эксплуатации ОК "Буран", потребовалось впервые разработать технологию получения мелкодисперсного штапелированного кварцевого волокна диаметром 1-2 мкм. Исходя из вышеуказанных условий, были разработаны и в дальнейшем освоены промышленностью два типа высокотемпературостойких теплозащитных материалов: ТЗМК-10 и ТЗМК-25 (плотность соответственно 0,15 и 0,25 т/м3).

Иллюминаторы кабины экипажа, работающие при нагреве 750 ºС, также являются элементами тепловой защиты многофункционального назначения. Они выполнены трехслойными: два наружних слоя выполняют функции тепловой и противометеорной защиты, внутренний - собственно герметичный иллюминатор.

В менее нагреваемых зонах для температур до 350-370 ºС используется гибкая теплозащита из волокнистых органических материалов АТМ-19ПКП. Они изготавливались многослойными из термостойких органических волокон.

Таблица 1 иллюстрирует уменьшение финансовых затрат (в долларах) на эксплуатацию авиакосмической техники при снижении массы конструкции на 1 кг.

Таблица 1 - Экономия затрат, долл., при снижении массы

конструкции на 1 кг [2]

Космический аппарат «Спейс Шатал»

10000 - 15000

Спутник на синхронной орбите

10000

Сверхзвуковой пассажирский самолет

200 - 500

Истребитель - перехватчик

150 - 200

Боинг-747

150 - 200

Транспортные самолеты

50 -75

В результате сейчас в скоростной авиации используют от 7 до 25 % (по весу) полимерных композиционных материалов (ПКМ) и снижают вес изделия, таким образом, от 5 до 30 %. В качестве рекламы этих материалов в США был изготовлен самолет "Вояджер", практически полностью изготовленный из армированных пластиков (главным образом, углепластика). Этот самолет облетел вокруг Земли без посадки.

Важным является и то, что в отходы при изготовлении деталей из полимерных композитов идет не более 10-30% материала, в то время как у аналогичных деталей из высокопрочных сплавов алюминия и титана, применяемых в авиации, отходы могут в 4-12 раз превышать массу изделия.

Кроме того, при изготовлении деталей из полимерных композитов требуются меньшие трудовые и энергетические затраты, уменьшается количество производственных циклов.

В таблице 2 приведены средние удельные затраты энергии при изготовлении материала и изделий из металлов и армированного пластика на основе углеродных волокон и эпоксидной смолы как связующего (эпоксиуглепластик).

Таблица 2 - Удельные затраты энергии, кВт·час, на производство

ПКМ и изделий из них

Материал

Расчет на 1 кг

материала

Расчет на 1 кг

изделия

Эпоксиуглепластик

33,0

72,7

Сталь

35,2

220,4

Алюминий

48,5

392,4

Титан

189,5

1543,2

В последние годы отмечается быстрый рост научного, промышленного и коммерческого интереса к новому классу материалов, появление которого отразило стремление к миниатюризации в практике построения различных объектов. Эти материалы, обладающие необычной атомно-кристаллической решеткой и демонстрирующие уникальные свойства, получили название наноструктурных материалов (НСМ) [13].

К ним относят материалы с размером морфологических элементов менее 100 нм. По геометрическим признакам эти элементы можно разделить на нольмерные атомные кластеры и частицы, одно- и двухмерные мультислои, покрытия и ламинарные структуры, трехмерные объемные нанокристаллические и нанофазные материалы.

Общепринято, что под НСМ подразумеваются или намеренно сконструированные, или природные материалы, в которых один или более размеров лежат в диапазоне нанометров. К данной категории относятся также так называемые «нано-нано» композиты, которые содержат более чем одну фазу, но все фазы менее 100 нм.

Первые исследования НСМ показали, что в них изменяются, по сравнению с обычными материалами, такие фундаментальные характеристики, как удельная теплоемкость, модуль упругости, коэффициент диффузии, магнитные свойства и др.

Области применения КМ многочисленны. Кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной промышленности - для деталей двигателей и кузовов автомашин; в машиностроении - для корпусов и деталей машин; в горнорудной промышленности - для бурового инструмента, буровых машин и др.; в металлургической промышленности - в качестве огнеупорных материалов для футеровки печей, кожухов и другой арматуры печей, наконечников термопар; в строительстве - для пролётов мостов, опор мостовых ферм, панелей для высотных сборных сооружений и др.; в химической промышленности - для автоклавов, цистерн, аппаратов сернокислотного производства, ёмкостей для хранения и перевозки нефтепродуктов и др.; в текстильной промышленности - для деталей прядильных машин, ткацких станков и др.; в сельскохозяйственном машиностроении - для режущих частей плугов, дисковых косилок, деталей тракторов и др.; в бытовой технике - для деталей стиральных машин, рам велосипедов, деталей радиоаппаратуры и др.

Применение КМ в ряде случаев требует создания новых технологий изготовления деталей и изменения принципов конструирования деталей и узлов конструкций.

В зависимости от особенностей свойств КМ разработано значительное количество технологических процессов, позволяющих изготовить достаточно широкий круг изделий. Очень часто подробности таких процессов мало освещаются в научной и технической литературе, так как являются плодом длительных исследований и стоят очень дорого, обеспечивая прорыв в развитии наукоемких оборонных отраслей, таких, как аэрокосмическая, производство вооружений, средств обороны и защиты.



следующая страница >>