МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

государственное образовательное учреждение

начального профессионального образования профессиональный лицей №71

Ростовской области

УТВЕРЖДАЮ

Зам. директора по УМР

____________ Л.В. Петрова

«__» ______________ 201_

Композиционные материалы

Методическая разработка для учащихся

по профессиям станочник (металлообработка); токарь-универсал; фрезеровщик-универсал

2011

Рассмотрено и одобрено на заседании цикловой комиссии дисциплин профессионального цикла технологических профессий Протокол № _____ от «___»_______200_г. Председатель цикловой комиссии __________________ Л. М Гуляева

Составлено в соответствии с рабочей программой предмета «Материаловедение» по профессиям 151902.03Станочник (металлообработка); 151902.04 Токарь – универсал;151902.05 Фрезеровщик-универсал

Составитель:

Л. М Гуляева, преподаватель высшей квалификационной категории

Пояснительная записка

Методическая разработка «Композиционные материалы» содержит теоретический материал по изучению основных свойств, марок, применению композиционных и сверхтвердых материалов. Дана информация о классификации композиционных материалов, видах матрицы и наполнителей, а также изложена информация об искусственных и естественных сверхтвердых материалах. Приведены марки композиционных и сверхтвердых материалов, их свойства и области применения.

В методической разработке «Композиционные материалы» указаны группы композиционных материалов свойства, основные марки и области их применения.

Методическая разработка «Композиционные материалы» учебный материал для усвоения профильных базовых знаний по дисциплине «Основы материаловедения».

Методическая разработка может быть использована для теоретической и самостоятельной подготовки учащихся, для подготовки к практическим занятиям и производственной практике по профессии станочник (металлообработка) и других смежных профессий.

Композиционные материалы (композиты) представляют собой неоднородные системы, полученные путем объединения различных веществ (компонентов), нерастворимых друг в друге, с образованием монолитной структуры.

Композиционные материалы состоят из двух компонентов: мат­рицы и наполнителей.

Следовательно, композиционные материа­лы — это высокопрочные волокна (наполнители), заключенные в связующую матрицу.

Волокна представляют собой каркас из метал­лических или неметаллических нитей, проволоки, расположенных в матрице в продольном или поперечном направлениях. Этот кар­кас может быть в виде цепи атомов металлов в массе другого мате­риала, например керамики, алюминия, никеля и др.

Матрицей называется связующий непрерывный компонент во всем объеме материала. Свойства матрицы определяют технологию получения композита и его эксплуатационные характеристики: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротив­ление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.

По своей природе матрицы бывают:

- на металлической

- неме­таллической основах.

В качестве матрицы на металлической основе применяются алюминий, магний и никель. Металлическая матрица, не растворяясь в наполнителе и не растворяя его, связывает наполнитель, образуя прочный материал.

В практике известно при­менение комбинированных матриц, состоящих из равномерно чередующихся слоев материалов, различных по своей природе Например, комбинированная алюминийтитановая матрица име­ет большую прочность в направлении оси волокон, значительно превышающих прочность алюминия и титана, взятых вместе. Алю­миниевый слой значительно уменьшает массу материала.

Наполнители — упрочняющие или армирующие элементы, рав­номерно распределенные в объеме матрицы композиционного ма­териала. Армирующие элементы, как правило, представляют собой высокопрочный материал, способный увеличить прочность ком­позита в 10 и более раз. Наполнители вводятся в композиты для увеличения прочности, жесткости, пластичности, изменения плот­ности, электрических, теплофизических и других характеристик.

Армирующий материал может быть волокнистый и дисперсно-упрочненный. К волокнистым относят материалы, состоящие из тугоплавких соединений оксида алюминия, кремния, углерода, вольфрама, тонкой металлической вольфрамовой проволоки или легированной высокопрочной стали.

К дисперсно-упрочненным наполнителям относятся тугоплав­кие тонкодисперсные оксиды карбидов, нитридов и боридов.

В практике нашли применение композиты на металлической ос­нове системы бор —алюминий, бор —магний, алюминий — угле­род, алюминий — сталь, никель—вольфрам и др.

Классификация композиционных материалов.

Классификацию композиционных материалов осуществляют по различным при­знакам.

По виду материала различают композиты:

• металлические (в том числе материалы, полученные методом порошковой металлургии);

• неорганические;

• полимерные;

• керамические.

По назначению композиционные материалы подразделяются

-на конст­рукционные

- инструментальные.

По геометрическим размерам:

-нульмерные (дисперсные), т.е. в виде порошков;

- одномерные (волокна, нитевидные кристаллы, проволоки);

-двухмерные (ткани, фольга);

По расположению наполнителей в матрице:

-хаотическое;

-одноосное;

-сложноориентированное;

По виду материалов и наполнителей:

-содержащие компонент из металла;

-неорганические соединения (оксиды, нитриды, карбиды);

-содержащие компонент неметаллических элементов (угле­род, бор);

-содержащие компонент из органических соединений вида эпоксидных, фенольных, полиэфирных и других смол.

Группы композиционных материалов.

Композиты с металличес­кой матрицей (КММ) в промышленности применяются в основ­ном с алюминиевой и никелевой матрицей и нуль-мерными и одномерными наполнителями.

Нульмерные наполнители представляют собой дисперсно-уп­рочняющие частицы (порошки) величиной 0,01...50 мкм.

Композиты с нульмерными наполнителями чаще всего получают методом порошковой металлургии путем спекания или введением армирующего порошка в жидкий расплав металла. Для улучшения смачивания порошка может использоваться ультразвуковая обра­ботка.

Дисперсно-упрочненные композиты с алюминиевой матрицей типа САП получают прессованием алюминиевой пудры с последую­щим спеканием. При этом получается КММ с алюминиевой мат­рицей, упрочненной частицами А1₂0₃. Из композитов САП изго­тавливают трубы, листы, лопатки компрессоров, вентиляторов, турбин и другие детали, работающие при температуре до 500 °С. Прочность САП при этих температурах выше прочности дефор­мируемых алюминиевых сплавов в 10 раз.

В дисперсно-упрочненных композитах с никелевой матрицей уп­рочнение достигается за счет введения диоксида тория или гаф­ния. Материалы пластичны и могут подвергаться ковке, штампов­ке и другим видам обработки давлением. Сплавы ВДУ-1, ВД-3 целесообразно применять при рабочих температурах 1 100... 1 200 °С (авиационные, ракетные двигатели и турбины).

Композиционные материалы с одномерными наполнителями. Одномерные наполнители представляют собой ни­тевидные кристаллы, волокна или проволоки от долей микромет­ра до долей миллиметра.

Получение таких наполнителей и самих композитов с исклю­чительно тонкими проволоками или волокнами связано с разно­образными сложными технологическими процессами, например нитевидные кристаллы (усы) карбидов и нитридов кремния, ок­сидов и нитридов алюминия и других тугоплавких соединений получают осаждением из газовой фазы с использованием транспортных реакций, реакций гидролиза, восстановления летучи соединений по схеме пар — жидкость — твердая фаза (ПЖТ).

В производстве наполнителей для композитов используют также электролитические и химические методы осаждения материалов, термическое воздействие электронных лучей и ионных пучков.

В композитах на алюминиевой и титановой матрице в качестве матриц используют технический алюминий и его сплавы, а также спеченный алюминиевый сплав. Армирование выполняется сталь­ной или бериллиевой проволокой, волокнами бора, карбида, крем­ния или углерода.

Армированные стальной проволокой путем прокатки алюми­ниевые сплавы по прочности приближаются к титановым спла­вам с пределом прочности до 1 700 МПа.

Для работы при повышенных температурах целесообразно при­менять материалы типа САП, армированные стальной проволо­кой.

Композиты алюминия с волокном бора, покрытым карбидом кремния (борсик), можно получить жидкофазным способом. Проч­ность такого композита достигает до 1 600 МПа при температуре 500 С.

Композиционные материалы на алюминиевой матрице, арми­рованные углеродными волокнами, менее прочны, чем с волок­нами бора, но дешевле и легче их. Получают такие композиты быстрым протягиванием пучка углеродных волокон через расплав­ленный алюминий.

Эвтектические композиционные материалы — сплавы эвтекти­ческого состава, в которых упрочняющим компонентом служат ориентировочные кристаллы, образованные в процессе направ­ленной кристаллизации. Этот процесс выполняется за одну опе­рацию, и такая структура может быть получена уже в готовых из­делиях. Форма кристаллов может быть в виде волокон, стержней или пластин.

Эвтектические композиционные материалы конструкционно­го назначения и с особыми свойствами создаются на основе лег­ких сплавов или тугоплавких металлов: алюминия, магния, меди, никеля, кобальта, титана, ниобия и др.

Эвтектические композиционные материалы на алюминиевой основе применяют как конструкционный материал для высоко­прочных проводов и электрических выключателей.

Эвтектические композиционные материалы на основе никеля применяют в основном в авиации, космической и ракетной тех­нике.

В композиционных материалах на неметаллической основе в каче­стве неметаллических матриц применяются керамика, полиами­ды, фенолформальдегидная и эпоксидная смолы.

Упрочнителями в неметаллических композитах могут быть тонкая неметалличес­кая проволока, оксиды, нитриды, бориды и карбиды, имеющие структуру нитевидных кристаллов.

В настоящее время широко применяются композиты на неме­таллической основе следующих марок: КМУ-10, КМУ-1В (карбоволокниты), КМБ-1М, КМБ-2К (борволокниты), КУП-БМ, с углеродистой матрицей и др.

В зависимости от материала матрицы и упрочнителя компози­ты этой группы применяются для тепловой защиты, тормозных устройств в самолетах, аппаратах для химической промышленно­сти, в авиационной, ракетной технике и рентгеновском оборудо­вании.

Главным преимуществом композиционных материалов по срав­нению с металлическими конструкционными сталями, сплавами и чугунами являются высокие теплостойкость, прочность, жаро­прочность, упругость, ударная вязкость и другие свойства.

Применение композитов, например, в авиации и ракетной технике повышает жесткость конструкции и снижает ее металло­емкость. Практика показала, что замена материала лонжерона кры­ла самолета на композиты уменьшает металлоемкость на 42 % и увеличивает жесткость на 45 %.

В химическом и нефтяном машиностроении осваивают про­изводство оборудования и комплексных технологических линий для получения композитов и изготовления деталей из них. Про­водятся эксперименты по применению композитов в авто- и станкостроении (детали двигателей, корпуса и детали станков), энергетическом турбостроении (рабочие лопатки турбин), хи­мическом машиностроении (автоклавы, емкости, цистерны), судостроении (корпуса судов, катеров, детали дизелей, гребные винты и т.д.).