3.7.4. Композиты на керамической основе

Керамическими называются композиционные материалы, в состав которых входят керамическая матрица и металлические или неметаллические волокнистые наполнители.

Керамические композиционные материалы обладают:

• высокой температурой плавления;

• стойкостью к окислению, термоударам и вибрации;

• большой прочностью при сжатии вплоть до высоких температур.

В качестве матриц используют силикатные (SiO₂), алюмосиликатные (Al₂O₃-SiO₂), алюмоборосиликатные (Al₂O₃-B₂O₃-SiO₂) и другие стекла, тугоплавкие оксиды (ThO₂, BeO, ZrO₂ и т.д.), нитрид Si₃N₄, бориды (TiB₂, ZrB₂) и карбиды (SiC, TiC).

Керамические композиционные материалы с матрицами из карбидов и оксидов с добавками металлических порошков [<50 (об. %)] называются керметами. Они не нашли широкого применения из-за высокой хрупкости.

Для армирования керамических композиционных материалов применяют металлическую проволоку из жаропрочной стали, вольфрама, молибдена и ниобия, а также неметаллические волокна (углеродные, керамические).

Использование металлической проволоки из тугоплавких металлов и жаропрочных сталей имеет целью создать пластичный каркас, предохраняющий композиционные материалы от преждевременного разрушения при растрескивании керамической матрицы.

Перспективным наполнителем для керамических композиционных материалов является высокомодульное углеродное волокно.

Рабочие температуры углекерамических композиционных материалов со стеклянной матрицей лежат в интервале 600 – 800ºС. Композиционные материалы с матрицей из тугоплавких оксидов можно использовать до 1000ºС, из боридов и нитридов – до 2000ºС, из карбидов – свыше 2000ºС.

3.7.5. Гибридные композиционные материалы

Как уже отмечалось, к классу гибридных композиционных материалов относятся полиматричные и полиармированные композиты.

Новое поколение гибридных композиционных материалов представлено алюмополимерными композиционными материалами, состоящие из чередующихся плотно сцепленных слоев тонких листов (h=0,3 – 0,8 мм) алюминиевых деформируемых сплавов и прослоек полимера (h=0,2 – 0,5 мм), армированных стеклянным или органическим волокном.

Эти материалы состоят из нескольких слоев дюралюмина и полимера, причем слои алюминиевого сплава всегда расположены на поверхности композиционных материалов.

По сравнению с обычными алюминиевыми сплавами алюмополимерные композиционные материалы отличаются:

• пониженной плотностью (на 15 – 20%);

• повышенной прочностью на разрыв и усталостной выносливостью;

• высокими акустическими и демпфирующими свойствами.

Скорость развития усталостной трещины у алюмополимерных материалов на порядок ниже, чем у соответствующих алюминиевых сплавов.

3.8. Теплоизоляционные и акустические материалы

3.8.1. Краткая характеристика теплоизоляционных материалов и изделий

Материалы, имеющие низкую теплопроводность λ [не более 0,18Вт/(м·град)] и небольшую плотность ρ (не выше 600 кг/м³), применяются для тепловой изоляции ограждающих конструкций зданий, промышленного и энергетического оборудования и трубопроводов. Применение теплоизоляционных материалов (ТИМ) является необходимым элементом технического прогресса. ТИМ позволяют создать легкие стеновые панели, перекрытия и покрытия, а это приводит к экономии материалов, снижению массы конструкций, сокращению траспортных расходов и в результате – к уменьшению стоимости строительных работ.

Весьма эффективным является использование ТИМ для изоляции тепловых агрегатов, технологического оборудования и трубопроводов. Применение ТИМ в данном случае позволяет снизить расход топлива за счет уменьшения тепловых потерь, а в ряде случаев – интенсифицировать технологические процессы, улучшить условия труда и повысить его производительность. Очень важно использование ТИМ в различных холодильных установках для снижения потерь холода, поскольку стоимость получения единицы холода примерно в 15-20 раз больше стоимости получения единицы теплоты (!).

Краткая классификация теплоизоляционных материалов

ТИМ классифицируется по целому ряду признаков. По виду исходного сырья ТИМ могут быть: неорганические (шлако- и стекловата; ячеистые бетоны; асбестовые изделия; теплоизоляционная керамика и др.); органические (древесно-волокнистые, торфяные и пробковые плиты; пенопласты и другие) и комбинированные (фибролит, арболит и др.).

• По внешнему виду и форме:

• штучные (плиты, блоки, кирпичи, цилиндры, скорлупы и др.);

• шнуровые;

• сыпучие (минеральная вата, керамзитовый гравий и др.);

• рулонные (маты, полосы, матрацы и др.).

Штучные материалы имеют форму и называются теплоизоляционными изделиями.

• По структуре материала:

• пористо-волокнистые (минераловатные, стекловолокнистые и др.);

• пористо-зернистые (перлит, совелит и др.);

• ячеистые (ячеистый бетон, пеностекло, пенопласты).

• По теплопроводности:

• малотеплопроводные [класс А; λ<0,058 Вт/(м·град)];

• среднетеплопроводные [класс Б; λ=0,058-0,116 Вт/(м·град)]

• повышенной теплопроводности [класс В; λ0,18 Вт/(м·град)].

  • По плотности, кг/м³:

• особо лёгкие (марки:15,25,35,50,75,100);

• лёгкие (марки: 125,150,175,200,250,300);

• тяжёлые (марки: 400,450,500,600).

• По предельной температуре эксплуатации:

• высокотемпературные(t>450ºC);

• среднетемпературные(t=150 – 450ºC);

• низкотемпературные(t<150ºC).

Прочность ТИМ вследствие их пористого строения относительно невелика. Так, прочность при сжатии (R_сж) обычно от 0,2 до 2,5 МПа (возрастет при увеличении плотности). Материалы, у которых R_сж>5 МПа, называют теплоизоляционно-конструкционными и используют для несущих ограждающих конструкций.

Основные виды теплоизоляционных устройств

А. Мастичные. Из порошкообразных материалов при затворении водой готовится мастика (паста), наносится на изолируемую поверхность и сушится.

Б. Засыпные. Волокнистая или зернистая масса засыпается в заранее изготовленные кожухи.

В. Формованные. Выполняются из штучных жёстких формованных изделий – кирпичей, плит, сегментов и т.д.

Г. Сборно-блочные. Производятся из отдельных блоков, панелей, сборных конструкций заводской готовности.

Последние два вида устройств (В и Г) являются наиболее распространенными.

Для увеличения механической прочности и долговечности изоляции поверх теплоизолирующего слоя наносят:

• листы из оцинкованной стали или из алюминиевых сплавов;

• листовые или рулонные пластики;

• рулонные гидроизоляционные материалы (рубероид, толь);

• асбестоцементные штукатурки и др.