Композиционные материалы специального и технического назначения. Учебное пособие

териалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения.

Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления с полями напряжения.

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, доборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени с повышением температуры.

Основным недостатком композиционных материалов с одно и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого лишены материалы с объемным армированием.

б) Дисперсно-упрочненные композиционные материалы В отличие от волокнистых композиционных материалов в дис-

персно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций.

Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100-500 нм и равномерном распределении их в матрице.

Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5-10 %.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), нерастворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала до 0,9-0,95 Т. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов. Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – САП (спеченный алюминиевый порошок).

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повыше-

91

нием температуры и длительности выдержки при данной температуре.

в) Стекловолокниты Стекловолокниты – это композиция, состоящая из синтети-

ческой смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве наполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствие влияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатного состава.

Неориентированные стекловолокниты содержат в качестве наполнителя короткое волокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы, с металлической арматурой. Материал получается с изотопными прочностными характеристиками, намного более высокими, чем у пресс-порошков и даже волокнитов. Представителями такого материала являются стекловолокниты АГ-4В, а также ДСВ (дозирующиеся стекловолокниты), которые применяют для изготовления силовых электротехнических деталей, деталей машиностроения (золотники, уплотнения насосов и т.д.). При использовании в качестве связующего непредельных полиэфиров получают премиксы ПСК (пастообразные) и препреги АП и ППМ (на основе стеклянного мата). Препреги можно применять для крупногабаритных изделий простых форм (кузова автомашин, лодки, корпуса приборов и т.п.)

[16].

Ориентированные стекловолокниты имеют наполнитель в виде длинных волокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями и тщательно склеивающихся связующим. Это обеспечивает более высокую прочность стеклопластика.

Стекловолокниты могут работать при температурах от –60 до 200 °С, а также в тропических условиях, выдерживать большие инерционные перегрузки.

При старении в течение двух лет коэффициент старения К =0,5-0,7.

Ионизирующие излучения мало влияют на их механические и электрические свойства. Из них изготовляют детали высокой прочности, с арматурой и резьбой.

г) Карбоволокниты

92

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон).

Высокая энергия связи С-С углеродных волокон позволяет им сохранить прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной средах до 2200 °С), а также при низких темпер а- турах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными покрытиями (пиролитическими). В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержанию карбоксильной группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6-2,5 раза. Применяется вискеризация нитевидных кристаллов, что дает увеличение межслойной жесткости в 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются пространственно армированные структуры.

Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты).

Карбоволокниты отличаются высоким статистическим и динамическим сопротивлением усталости, сохраняют это свойство при нормальной и очень низкой температуре (высокая теплопроводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химически стойкие. Теплопроводность углепластиков в 1,5-2 раза выше, чем теплопроводность стеклопластиков [58].

Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклян - ныеволокна, что удешевляет материал.

д) Бороволокниты Бороволокниты представляют собой композиции из полимер-

ного связующего и упрочнителя– борных волокон.

Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости, теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела с матрицей.

Помимо непрерывного борного волокна применяют комплексные боростеклониты, в которых несколько параллельных борных во-

93

локон оплетаются стеклонитью, предающей формоустойчивость. Применение боростеклонитей облегчает технологический процесс изготовления материала.

В качествематриц для пол учения боровлокнитов используютмодифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости, они стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов.

е) Органоволокниты Органоволокниты представляют собой композиционные мате-

риалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) в виде синтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительно высокими удельной прочностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременных нагрузок и резкой смене температуры. Для синтетических волокон потери прочности при текстильной переработке небольшие; они малочувствительны к повреждениям.

К органоволокнитах значения модуля упругости и температурных коэффициентов линейного расширения упрочнителя и связующего близки.

Происходит диффузия компонентов связующего в волокно и химическоевзаимодействие между ними. Структура материала бездефектна. Пористость не превышает 1-3 % (в других материалах 10-20 %). Отсюда стабильность механических свойств органоволокнитов при резком перепаде температур, действии ударных и циклических нагрузок. Ударная вязкость высокая (400-700 кДж/м). Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).

Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая. Большинство органоволокнитов может длительно работать при температуре 100-150 °С, а на основеполиамидного связующего и полиоксадиазольных волокон– при температуре 200-

300°С.

Вкомбинированных материалах наряду с синтетическими во-

локнами применяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна). Такие материалы обладают большей прочностью и жесткостью.

94

Современные композитные материалы на основе реактопластов, армированных волокнами, обладают свойствами, превышающими по некоторым показателям свойства традиционно применяемых материалов (стали, алюминиевых и титановых сплавов, древесины) причем, чем выше удельные характеристики композита, тем легче или прочнее конструкция [59].

Уникальность композитов также состоит в том, что можно заранее спроектировать материал таким образом, чтобы придать изделию из него свойства, необходимые для конкретной области применения.

Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т.д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т.д.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т.д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т.д.) и в других областях народного хозяйства.

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачек в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов достаточно хорошо отработана.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей, а именно полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании и другом.

Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электрорадиопромышленности, авиационной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов судов и другое.

95

Благодаря своим свойствам, они могут применятся практически во всех отраслях промышленности. Например, для современной ра- кетно-космической техники характерно интенсивное использование новых материалов, технологий и перспективных конструкций на их основе. Развитие коммерческой сферы применения новых технологий и техники в космосе и мировая конкуренция за получение заказов на доставку полезных грузов на орбиту Земли стимулируют снижение стоимости запуска груза и заставляют разработчиков ракетнокосмической техники активно применять композиты для оптимизации энергомассовых характеристик ракет-носителей, увеличению объема полезного груза. Из композитов изготавливают: оболочки головных обтекателей, обтекатели ступеней, приборные рамы и воздуховоды ракет-носителей; оболочки, трубы, силовые профили для космических телескопов и спутников; тепловые панели систем терморегулирования космических аппаратов; теплозащитные покрытия для космических аппаратов и т.д.

Мировое авиастроение в настоящее время активно осуществляет переход от металлов к композитным материалам. Основные авиастроительные компании (Airbus и Boeing) заменяют алюминий и другие материалы при производстве деталей самолетов (фюзеляжей, крыльев, закрылок, килей, стабилизаторов, люков и дверей, окантовок иллюминаторов, элементов интерьера и т.д.) на высокоэффективные композиты низкой плотности для снижения массы своих самолетов. Это приводит к сокращению эксплуатационных расходов для авиаперевозчиков и создает конкурентные преимущества для производителей подобных машин. Экономия на эксплуатационных расходах образуется за счет более низких затрат на топливо и меньшей потребности в материально-техническом обслуживании, необходимость которого возникает при использовании металлов из-за их усталости и коррозии.

Композиты помимо высоких прочностных характеристик, обладают высокой коррозионной стойкостью и гидрофобностью, что обуславливает их применение в судостроение. Применение композитов также позволяет снизить вес конструкций, в результате чего уменьшается расход топлива и увеличивается маневренность судов. При создании изделий, предназначенных для спасения людей при пожаре на воде, применяют композиты с высокой тепло- и огнестойкостью [59].

Композиты широко применяются при производстве деталей и узлов в автомобилестроении и сельскохозяйственном машиностроении. Основные достоинства композитов для данных отраслей про-

96

мышленности: коррозионная стойкость, повышенная стойкость к повреждениям, звукопоглощение, малый вес, экономичность. Благодаря использованию легких и облегченных композитов снижается общий вес автомобильной и сельскохозяйственной техники, а значит, экономится топливо при его эксплуатации. Кроме того, насыщение современной техники электроникой означает увеличение числа корпусов, изготавливаемых из широкого ассортимента прочных и теплостойких композитов. Мало- и среднегабаритные детали и изделия для автомобильной и сельскохозяйственной техники из композитов производятся крупными сериями.

Современные композиты применяются при производстве подвижного железнодорожного состава, как пассажирского, так и грузового, что обеспечивает его облегчение, удешевление, долговечность и меньшие затраты на эксплуатацию. Весовые показатели особенно важны для высокоскоростного движения на существующих линиях. Снижение массы является определяющим критерием для обеспечения оптимального расположения центра тяжести кузовов вагонов, что очень важно для наклона кузова при движении в кривых с высокой скоростью. Оптимизация массовых показателей обеспечивается использованием многослойных конструкций из композитов в элементах оснащения вагонов. Очень актуально применение композитов при производстве грузового подвижного состава, предназначенного для транспортировки агрессивных сред (вагоны и цистерны).

В гражданском строительстве композиты применяются в качестве строительных материалов различного назначения, готовых изделий для благоустройства прилегающих к зданиям и сооружениям территорий, а также в жилищно-коммунальной сфере. Применение композитов обеспечивает сокращение общих расходов на строительство и последующую эксплуатацию, повышение производительности, снижение веса конструкций и изделий, устойчивость конструкций к коррозии и их долговечность, а также решает проблему изношенности трубопроводных систем. Для примера из композитов изготавливают: композитные сэндвич-панели, соединительные элементы для трехслойных ограждающих конструкций, арматуру для армирования бетона, светопрозрачную кровлю, профили для окон, внешние трубопроводные системы для водоснабжения и канализации, детские площадки, бассейны, фонтаны, скамейки и т.д.

В промышленном строительстве композиты применяются при строительстве систем вентиляции и дымоотведения, водоснабжения,

97

канализации и отвода сточных вод, шлакоудаления. Активно применяются композиты на предприятиях горно-обогатительной, химической и нефтехимической, целлюлозно-бумажной промышленности, цветной металлургии (трубопроводы и емкости для транспортировки и хранения агрессивных жидкостей химического и нефтехимического производства, масло- и бензопроводы, автоклавы, скрубберы, гальванические ванны и т.д.).

Контрольные вопросы

1.Какие материалы называют композиционными? Приведите примеры.

2.Какие композиционные материалы по типу матрицы Вы

знаете?

3.Какой может быть укладка армирующих наполнителей в ко м- позиционном материале?

4.Чем объясняется анизотропия свойств одноосных волокнистых композитов?

5.Перечислите основные области применения композитов.

Рекомендуемая литература

1. Перепелкин, К.Е. Полимерные волокнистые композиты, их основные виды, принципы получения и свойства: Часть 1. Основные компоненты волокнистых композитов, их взаимодействие и взаимовлияние/ К.Е. Перепелкин // Хим.волокна. – 2005. – № 4. – С. 7-22.

2. Чернявский, С.А. Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов – 21 век/ С.А. Чернявский, В.И. Пыльников, А.Н. Тимофеев //

Третья международная конференция. – 2002. – С. 145-151.

3. Лякишев, Н.П. Конструкционные функциональные материалы. Настоящее и будущее. ВИН. Современное материаловедение,

XXI век / Н.П. Лякишев // Киев: Наукова думка. – 1998. – С. 284-296.

98

11 ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ

Расчетно-практическое занятие по оптимизации параметров ВЧ плазмы №1

Многофакторное планирование эксперимента

Задание: произведите многофакторное планирование эксперимента для оптимизации параметров ВЧ плазменной обработки, заполните матрицу планирования эксперимента (табл. 11.1), оформите в ы- вод.

Таблица 11.1 – Матрица планирования эксперимента

99

Метод многофакторного планирования эксперимента Для оптимизации параметров ВЧ плазменной обработки исполь-

зуют метод многофакторного планирования эксперимента [1]. Составляют план для трехфакторного эксперимента. В качестве основных параметров плазменной обработки принимают:

Х1 – расход газа G, г/с;

X2 – давление в рабочей камереР, Па; Х2 – напряжение на аноде Ua, кВ;

Х4 – продолжительность плазменной обработки τ, c; Х5 – сила тока на аноде Ja, А.

Математическое моделирование многофакторного планирования эксперимента дает возможность изменять отдельные текущие опыты, как в самом начале эксперимента, так и в ходе его проведения.

В табл. 11.2 приведены уровни исследуемых факторов и интервалы их варьирования.

Таблица 11.2 – Уровни факторов и интервалы варьирования

Расчетно-практическое занятие по оптимизации параметров ВЧ плазмы №2

Определение капиллярности технических тканей

Задание: определите капиллярность текстильного материала специального назначения «Чефер» на основе натуральных волокон (100 % х/б) до и после ВЧ плазменной обработки в трех различных режимах, результаты занесите в табл. 11.3, оформите вывод с выбором оптимальных параметров плазменной обработки.

Методика определения капиллярности Капиллярность технических тканей определют по высоте подъе-

ма жидкости по ГОСТ 29104.11-91.

100