Вопросы для самоконтроля:
1. Опишите неорганическое стекло, назовите его состав, разновидности,
свойства и применение.
2. Какими способами повышают качество стекла?
3. Что такое ситаллы?
4. Укажите способы получения ситаллов, их разновидности, свойства
и применение?
5. Что представляет собой техническая керамика, ее разновидности?
6. Назовите представителей керамики на основе чистых оксидов. Дайте
сравнительную оценку свойств.
7. Какие вы знаете виды бескислородной керамики?
8. Назовите разновидности бескислородной керамики, свойства и применение.
ТЕМА: Композиционные материалы (2 часа)
Вопросы для изучения:
Волокнистые, слоистые и дисперсно-упрочненные композиты.
Материалы матрицы, виды и механические свойства волокон.
Совместимость матрицы и волокон.
Механические свойства композиционных материалов.
Методические указания:
1. Изучите предлагаемые вопросы по литературным источникам и лекции;
2. Составьте краткий конспект;
3. Ответьте на вопросы для самоконтроля.
ЛЕКЦИЯ
Тема: Композиционные материалы (КМ)
Композиционные материалы или композиты – это искусственно созданные человеком матричные материалы, состоящие из двух или более компонентов, один из которых является матрицей, другой арматурой, с сохранением индивидуальности каждого образующего композит компонента.
Компонентами композитов являются специальные полуфабрикаты:
листы, порошки, гранулы, фольга, волокна, жгуты, сетки, ткани. В качестве матриц обычно используют первые три (листы, порошки, гранулы), остальные применяют, как армирующую фазу.
Матрица связывает композицию в монолит, придает ей форму и служит для передачи внешних нагрузок арматуре из наполнителей, которые играют ведущую роль в упрочнении КМ и называются упрочнителями. Они имеют высокие прочность, твердость и модуль упругости.
По типу армирования и направлениям армирующей фазы КМ подразделяют на дисперсно-упрочненные, волокнистые и слоистые.
Существуют хаотично армированные, однонаправленные, трансармированые, ортогонально армированные и т.п. В общем случае композиты обладают или не обладают анизотропией свойств (рис. 1).
В дисперсно-упрочненных КМ основным несущим элементом является матрица. В эти КМ искусственно вводят мелкие равномерно распределенные тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов и др., не взаимодействующие с матрицей и не растворяющиеся в ней вплоть до температуры плавления фаз. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояние между ними, тем прочнее КМ.
Рис. 1. Структуры композиционных материалов. 1 хаотичные частицы, 2 хаотичные волокна, 3 непрерывные однонаправленные волокна, 4 сетки (ткани), 5 дискретные волокна, 6 фольги, 7 ортогональные непрерывные волокна, 8 двумерные волокна.
Арматурой в волокнистых КМ могут быть волокна различной формы: нити, ленты, сетки. Прочность и жесткость таких материалов определяются свойствами армирующих волокон, воспринимающих основную нагрузку. Армирование дает больший прирост прочности, но дисперсное упрочнение технологически легче осуществимо.
Слоистые композиционные материалы набираются из чередующихся слоев наполнителя матричного материала (типа «сэндвич»). Возможно поочередное использование слоев наполнителя из разных материалов с разными механическими свойствами. Для слоистых композиций обычно используют неметаллические материалы.
Существуют следующие стадии изготовления КМ: производство исходных компонентов; приготовление смесей по заданной рецептуре; формование изделий; тепловая обработка формовок для придания требуемых физико-механических свойств.
Производство исходных компонентов включают в себя технологии получения волокон, порошков, фольги, сеток и тканей.
Приготовление смесей осуществляют различными методами (механический, физико-химический и другие способы), для получения однородной по свойствам и составу смеси.
Формование осуществляют методами прессования, прокатки и горячих способов, а также методами намотки непрерывных волокон, напыления на волокна матричного материала и ряда других.
В зависимости от материала основы различают КМ:
- с металлической матрицей, металлические композиционные материалы (МКМ), (металлические порошковые композиционные материалы),
- композиты на полимерной основе (полимерные композиционные материалы), где матрицей служат разнообразные пластические массы, а армирующей фазой, сетки, волокна, системы нитей или жгутов из стекла, углеродных волокон (ПКМ),
с керамической матрицей (керамические композиционные материалы) (ККМ).
Компонентами КМ являются непрерывные волокна, полуфабрикаты, получаемые переработкой волокон (нити, жгуты, войлоки и т.п.).
Волокна из металлов и сплавов изготавливают из проволоки. Волокна из стекла и органических соединений формуют методами вытяжения из расплава. Нитевидные кристаллы выращивают методами парогазового осаждения.
Основным свойством армирующих элементов является анизотропия физико-механических свойств. Анизотропией свойств обладают сетчатые и тканевые материалы.
Наибольшей удельной прочностью обладают керамические волокна, а наименьшей материалы компакты из стекла и стали. Механические свойства КМ зависят от концентрации армирующей фазы, вида арматуры и технологических способов изготовления КМ. Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы.
Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные и углеродные волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости.
Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.
Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Перспективными упрочнителями для высокопрочных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др.
Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью и жаропрочностью, но малопластичны.
Совместимость матрицы и волокон.
Научные основы проектирования КМ основаны на совокупности двух принципов: сочетания физико-химической и механической совместимости.
Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать при изготовлении или эксплуатации.
Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств.
Принцип сочетания подразумевает сложение физических свойств компонентов. Второй принцип дает возможности сочетания компонентов и подразумевает сохранение всех отличительных признаков КМ при его изготовлении и эксплуатации. В настоящее время принято матрицы из пластмасс армировать стеклянными, органическими и углеродными волокнами. Матрицы из металлов и сплавов керамическими, углеродными и металлическими волокнами.