Композиционные материалы

Композиционные материалы (композиция) – это объемное сочетание двух или более химически разнородных материалов с четкой границей раздела между компонентами, характеризуемая свойствами, которых не имеет никакой из ее компонентов в отдельности. Композицию получают путем введения в основной материал (матрицу) определенного количества другого материала, который добавляется в целях получения специальных свойств. Размеры частиц входящих компонентов могут колебаться в широких пределах - от сотых долей микрометра (для порошковых наполнителей) до нескольких миллиметров (при использовании волокнистых наполнителей). Отличие большинства КМ от традиционных материалов в том, что процесс получения КМ технологически совмещается с процессом изготовления изделия.

Все КМ условно классифицируют по следующим признакам:

в зависимости от материала матрицы

- металлические КМ (МКМ);

- полимерные КМ (ПКМ) – обычно имеют названия в зависимости от армирующего материала, например, стеклопластики, металлопластики и т.д.;

- резиновые КМ (РКМ);

- керамические (ККМ);

по типу арматуры и ее ориентации

- изотропные КМ - имеют одинаковые свойства во всех направлениях, например, КМ с порошкообразными наполнителями;

- анизотропные – свойства зависят от армирующего материала.

По способу получения полимерные и резиновые КМ разделяют на литейные и прессованные. Металлические КМ аналогично делят на литейные и деформируемые. Литейные получают путем пропитки арматуры расплавленным матричным материалом (сплавом). Для получения деформируемых МКМ применяют спекание, прессование, штамповку, ковку на молотах и др.

По назначению КМ разделяют на общеконструкционные, термостойкие, пористые, фрикционные и антифрикционные и т.д.

Для армирования КМ с металлической матрицей используют освоенные промышленностью высокопрочные волокна

• углерода и бора – для армирования легких сплавов на основе алюминия и магния (изделия из этих КМ характеризуются высокими прочностью и жесткостью и могут длительно эксплуатироваться при температурах 300-450 С);

• карбида кремния и вольфрама – для армирования жаропрочных КМ на основе никелевохромистовых сплавов с рабочими температурами 1100..1300С;

• проволоку из стальных, вольфрамовых, и молибденовых сплавов - для армирования высокопрочных КМ.

В качестве материалов матриц при изготовлении МКМ применяют легкие металлы и сплавы на основе алюминия и магния; жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе железа, никеля и кобальта; тугоплавкие сплавы на основе вольфрама, молибдена и ниобия; и др. материалы.

Композиционные порошковые материалы. Порошковая металлургия - отрасль технологии, занимающаяся получением порошков и изделий из них. Технологический процесс сводится к формированию порошковых или волокнистых компонентов в заготовки, которые подвергают термической обработке – спеканию.

Порошковой металлургией получают материалы со специальными физико-механическими и эксплуатационными свойствами (табл. 1).

Таблица 1 Классификация композиционных порошковых материалов

Группа материалов

Электро-технические

Пористые

Фрикционные и антифрик-ционные

Инструмен- тальные

Термо-стойкие

Спецальные

Вид изделий

Магниты

Электоконтакты

Электрощетки

Фильтры «Потеющие изделия»

Подшипники скольжения

Тормозные накладки

Пластинки из твердых сплавов

Пластинки из сверхтвердых материалов

Минералокерамические пластинки

Жаропрочные детали различных изделий

Тугоплавкие детали различных изделий

Детали вакуумной аппаратуры

Полупроводники

Использование в качестве исходного сырья отходов (стружки, обрезков, окалины и т.д.) повышает экономическую эффективность и снижает себестоимость выпускаемых деталей. Конкурентоспособность порошковой металлургии по сравнению с традиционными способами получения заготовок литьем из металла также объясняется возможностью:

• получения материала из руды, минуя стадию металлургии;

• практического отсутствия необходимости дальнейшей механической обработки получаемых заготовок;

(и тем самым)

• снижении трудоемкости и себестоимости их изготовления,

• увеличения коэффициента использования материала;

• высокого уровня механизации и автоматизации всех технологических операций.

Пластические массы (пластмассы) получают на основе синтетических или реже – природных смол. В зависимости от числа компонентов все пластмассы делят на простые и композиционные. Простые (полиэтилен, полистирол и т.д.) состоят из одного компонента – синтетической смолы, композиционные (фенопласты, аминопласты и др.) – из нескольких составляющих, каждая из которых выполняет определенную функциональную роль. Пластмассы могут содержать различные наполнители: ткань, бумагу, древесную пресскрошку, древесный шпон, текстильные или стеклянные волокна. В композиционных пластмассах смола является связующим для других составляющих. Свойства связующего во многом определяют физико-механические и технологические свойства ПКМ.

Название пластмасс эти материалы получили в связи с тем, что в определенной фазе изготовления они находятся в состоянии пластичности. Это позволяет получать изделия из пластмасс любой желаемой формы.

Пластмассы разделяют:

• термопластичные (пластичные при высокой температуре и допускающие многократное формование) К термореактивным пластмассам относят фенопласты, аминопласты, текстолиты.

• термореактивные (размягчающиеся влиянием высокой температуры, формуемые и становящиеся неплавкими при затвердевании). К термопластичным пластмассам – полистирол, полиамиды, полиэтилен.

• термостабильные пластмассы (фторопласты, полиэфирные смолы), которые при нагревании не размягчаются и мало изменяют свои физические свойства.

Изделия из пластмасс изготовляют прессованием, литьем под давлением, простым литьем, пневмовакуум-формованием, экструзией (выдавливанием посредством шнекового винта) и т.д.

Пластмассы имеют малый удельный вес, обладают тепло- и электроизоляционными свойствами, антикоррозионны.

Рассмотрим наиболее распространенные в машиностроении пластмассы.

Текстолит – слоистая пластмасса с тканевым (бязь, миткаль) наполнением. Высокопрочен и износостоек. Применяется для изготовления зубчатых колес, направляющих, шкивов, вкладышей подшипников.

Древеснослоистый пластик (ДСП) состоит из березового шпона, пропитанного смолой и обработанного давлением при соответствующем нагреве. Успешно заменяет вкладыши крупногабаритных подшипников из цветных металлов, обладает повышенной прочностью и износостойкостью. Широко применяется для изготовления зубчатых колес (ДСПГ).

Цельнопрессованный древесный пластик состоит из измельченных древесных отходов (стружка, опилки), пропитанных смолой (пресскрошка) и подвергнутых термической обработке и давлению. Обладает высокой износостойкостью, прочностью, высокой химической стойкостью. Применяется главным образом в качестве подшипникового материала и в других деталях машин взамен цветных металлов, а также для изготовления транспортерных роликов, труб, поручней, наличников.

Стеклопластики – пластические массы, связующим веществом которых служат синтетические смолы, а наполнителем – стеклянное волокно (стеклотекстолиты, стекловолокниты). Некоторые стеклопластики используют для изготовления корпусов мелких судов (шлюпок, яхт), кузовов автомобилей.

Фторопласты – полимеры этилена. Малопрочны, но обладают повышенной химической стойкостью, повышенной термостойкостью, хорошими диэлектрическими свойствами, малым коэффициентом трения покоя. Применяется для облицовки трущихся поверхностей.

Полиэтилен (высокого и низкого давления) используется для изготовления большого ассортимента труб. В качестве материала для труб применяют также винипласт, обладающий высокой химической стойкостью.

Широко используют в настоящее время различные синтетические клеи, при помощи которых удается получить высокопрочные соединения деталей.

Резиновые технические материалы. В производстве резиновых технических изделий основным видом сырья являются натуральные и синтетические каучуки. Натуральные каучуки не нашли широкого применения , так как сырьем для их получения является каучукосодержащий сок отдельных сортов растений. Сырьем для получения синтетических каучуков является нефть, нефтепродукты, природный газ, древесина. Каучук в чистом виде в промышленности не применяют. Его превращают в резину вулканизацией, чаще всего при помощи серы, количество которой и определяет эластичность резиновых деталей. Для улучшения физико-механических и эксплуатационных свойств резиновых технических деталей и снижения расхода каучука в состав резиновых смесей вводят различные компоненты: сажу, тальк, мел; хлопчатобумажные, шелковые и др. ткани. В некоторых случаях для повышения прочности деталей их армируют стальной проволокой или сеткой, стеклянной или капроновой тканью.

Высокая эластичность, способность к большим обратимым деформациям, стойкость к действию активных химических веществ, малые водо- и газопроводность, хорошие диэлектрические и другие свойства резины обусловили ее применение во всех отраслях народного хозяйства. В машиностроении применяют разнообразные резиновые технические детали: ремни, шланги, сальники, манжеты, прокладочные кольца, уплотнители, амортизаторы, транспортерные ленты и т. д.