Kompozitni proizvodi. Dobivanje polimernih kompozitnih materijala

1. Kompozitni ili kompozitni materijali - materijali budućnosti.

Nakon što nam je savremena fizika metala detaljno objasnila razloge njihove plastičnosti, čvrstoće i njenog povećanja, počeo je intenzivan sistematski razvoj novih materijala. To će vjerovatno dovesti, već u zamislivoj budućnosti, do stvaranja materijala čija je čvrstoća višestruko veća od snage današnjih konvencionalnih legura. Istovremeno će se velika pažnja posvetiti već poznatim mehanizmima očvršćavanja čelika i starenja aluminijskih legura, kombinacijama ovih poznatih mehanizama sa procesima formiranja i brojnim mogućnostima stvaranja kombinovanih materijala. Dvije obećavajuće mogućnosti otvaraju kompozitne materijale ojačane vlaknima ili raspršenim čvrstim tvarima. Prvo se u anorgansku metalnu ili organsku polimernu matricu uvode najtanja vlakna visoke čvrstoće od stakla, ugljika, bora, berilija, čelika ili filamentnih monokristala. Kao rezultat ove kombinacije, maksimalna čvrstoća je kombinovana sa visokim modulom elastičnosti i malom gustinom. Kompozitni materijali su upravo takvi materijali budućnosti.

Kompozitni materijal - konstrukcijski (metalni ili nemetalni) materijal u kojem postoje elementi koji ga ojačavaju u obliku niti, vlakana ili ljuskica više izdržljiv materijal... Primjeri kompozitnih materijala: plastika ojačana borom, ugljikom, staklenim vlaknima, kudeljama ili tkaninama na njihovoj osnovi; aluminijum, ojačan nitima čelika, berilijum. Kombinacijom volumetrijskog sadržaja komponenti moguće je dobiti kompozitne materijale sa potrebnim vrijednostima čvrstoće, otpornosti na toplinu, modula elastičnosti, otpornosti na habanje, kao i kreirati kompozicije sa potrebnim magnetskim, dielektričnim, radioapsorbirajućim i druga posebna svojstva.

2. Vrste kompozitnih materijala.

2.1. Kompozitni materijali sa metalnom matricom.

Kompozitni materijali ili kompozitni materijali sastoje se od metalne matrice (češće Al, Mg, Ni i njihove legure), ojačane vlaknima visoke čvrstoće (vlaknasti materijali) ili fino dispergiranim vatrostalnim česticama koje se ne otapaju u osnovnom metalu (disperzija- ojačani materijali). Metalna matrica vezuje vlakna (raspršene čestice) u jednu celinu. Vlakna (raspršene čestice) plus vezivo (matrica) koje čine određeni sastav nazivaju se kompozitni materijali.

2.2. Kompozitni materijali sa nemetalnom matricom.

Kompozitni materijali sa nemetalnom matricom se široko koriste. Kao nemetalne matrice koriste se polimerni, karbonski i keramički materijali. Od polimernih matrica najrasprostranjeniji su epoksid, fenol-formaldehid i poliamid.
Karbonizirane ili pirokarbonske matrice proizvode se od sintetičkih polimera podvrgnutih pirolizi. Matrica povezuje kompoziciju, dajući joj oblik. Učvršćivači su vlakna: staklena, ugljenična, borna, organska, na bazi filamentnih kristala (oksidi, karbidi, boridi, nitridi i drugi), kao i metalna (žice) visoke čvrstoće i krutosti.

Svojstva kompozitnih materijala zavise od sastava komponenti, njihove kombinacije, kvantitativnog omjera i čvrstoće veze između njih.
Materijali za ojačanje mogu biti u obliku vlakana, užadi, niti, traka, višeslojnih tkanina.

Sadržaj učvršćivača u orijentisanim materijalima je 60-80 vol. %, u neorijentisanim (sa diskretnim vlaknima i brkovima) - 20-30 vol. %. Što je veća čvrstoća i modul elastičnosti vlakana, veća je čvrstoća i krutost kompozitnog materijala. Svojstva matrice određuju smičnu i tlačnu čvrstoću sastava i otpornost na lom zamora.

Prema vrsti učvršćivača, kompozitni materijali se dijele na stakloplastike, karbonska vlakna sa karbonskim vlaknima, borova vlakna i organovlakna.

U slojevitim materijalima, vlakna, niti, trake impregnirane vezivom polažu se paralelno jedna s drugom u ravnini polaganja. Ravni slojevi se sklapaju u ploče. Svojstva se dobijaju anizotropno. Za rad materijala u proizvodu važno je voditi računa o smjeru djelovanja opterećenja. Možete kreirati materijale sa izotropnim i anizotropnim svojstvima.
Možete položiti vlakna ispod različitim uglovima variranjem svojstava kompozitnih materijala. Krutost materijala na savijanje i torziju zavise od redosleda slaganja slojeva duž debljine pakovanja.

Koristi se slaganje učvršćivača od tri, četiri ili više niti.
Najveću primjenu ima struktura od tri međusobno okomite niti. Učvršćivači mogu biti locirani u aksijalnom, radijalnom i obodnom smjeru.

Trodimenzionalni materijali mogu biti bilo koje debljine u obliku blokova, cilindara. Glomazne tkanine povećavaju čvrstoću na ljuštenje i otpornost na smicanje u poređenju sa slojevitim tkaninama. Četvorolančani sistem je konstruisan širenjem učvršćivača duž dijagonala kocke. Struktura četiri niti je u ravnoteži, ima povećanu smičnu krutost u glavnim ravnima.
Međutim, stvaranje četverosmjernih materijala teže je od trosmjernih.

3. Klasifikacija kompozitnih materijala.

3.1. Vlaknasti kompozitni materijali.

Često je kompozitni materijal slojevita struktura u kojoj je svaki sloj ojačan veliki broj paralelna kontinuirana vlakna. Svaki sloj također može biti ojačan kontinuiranim vlaknima utkanim u tkaninu, koja je originalnog oblika, po širini i dužini koja odgovara konačnom materijalu. Često su vlakna utkana u trodimenzionalne strukture.

Kompozitni materijali se razlikuju od konvencionalnih legura po višim vrijednostima granične vlačne čvrstoće i granice izdržljivosti (za 50 - 10%), modula elastičnosti, koeficijenta krutosti i smanjene sklonosti pucanju. Upotreba kompozitnih materijala povećava krutost konstrukcije uz smanjenje potrošnje metala.

Čvrstoća kompozitnih (vlaknastih) materijala određena je svojstvima vlakana; matrica treba uglavnom preraspodijeliti naprezanja između elemenata armature. Stoga bi čvrstoća i modul elastičnosti vlakna trebao biti znatno veći od čvrstoće i modula elastičnosti matrice.
Čvrsta armaturna vlakna apsorbuju naprezanja koja nastaju u kompoziciji tokom opterećenja, daju joj čvrstoću i krutost u pravcu orijentacije vlakana.

Za ojačanje aluminijuma, magnezijuma i njihovih legura koristi se bor, kao i vlakna od vatrostalnih jedinjenja (karbidi, nitridi, boridi i oksidi), koja imaju visoku čvrstoću i modul elastičnosti. Čelične žice visoke čvrstoće se često koriste kao vlakna.

Za ojačanje titanijuma i njegovih legura koriste se molibdenska žica, safirna vlakna, silicijum karbid i titan borid.

Povećanje toplinske otpornosti legura nikla postiže se armiranjem žicom od volframa ili molibdena. Metalna vlakna se također koriste u slučajevima kada je potrebna visoka toplinska i električna provodljivost. Obećavajući učvršćivači za vlaknaste kompozitne materijale visoke čvrstoće i visokog modula su brkovi od aluminij oksida i nitrida, silicijum karbida i nitrida, bor karbida itd.

Kompozitni materijali na metalnoj osnovi imaju visoku čvrstoću i otpornost na toplinu, a istovremeno su niskoplastični. Međutim, vlakna u kompozitima smanjuju brzinu širenja pukotina koje nastaju u matriksu, a iznenadni lomljivi lom gotovo potpuno nestaje. Prepoznatljiva karakteristika vlaknasti jednoosni kompozitni materijali su anizotropija mehaničkih svojstava duž i poprijeko vlakana i niska osjetljivost na koncentratore naprezanja.

Anizotropija svojstava vlaknastih kompozitnih materijala uzima se u obzir pri dizajniranju dijelova radi optimizacije svojstava usklađivanjem polja otpora s poljima naprezanja.

Ojačanje legura aluminijuma, magnezijuma i titanijuma kontinuiranim vatrostalnim vlaknima od bora, silicijum karbida, titanijum doborida i aluminijum oksida značajno povećava otpornost na toplotu. Karakteristika kompozitnih materijala je niska stopa omekšavanja u vremenu s povećanjem temperature.

Glavni nedostatak kompozitnih materijala s jednodimenzionalnim i dvodimenzionalnim ojačanjem je niska otpornost na međuslojno smicanje i poprečno lomljenje. Materijali s volumetrijskim ojačanjem su lišeni ovoga.

3.2. Kompozitni materijali ojačani disperzijom.

Za razliku od vlaknastih kompozitnih materijala, u kompozitnim materijalima otvrdnutim disperzijom, matrica je glavni element koji nosi opterećenje, a dispergirane čestice inhibiraju kretanje dislokacija u njemu.
Visoka čvrstoća se postiže veličinom čestica od 10-500 nm uz prosječnu udaljenost između njih od 100-500 nm i njihovu ravnomjernu distribuciju u matrici.
Čvrstoća i otpornost na toplinu, ovisno o volumetrijskom sadržaju faza ojačanja, ne podliježu zakonu aditivnosti. Optimalni sadržaj druge faze za različite metale nije isti, ali obično ne prelazi 5-10 vol. %.

Upotreba kao faza ojačanja stabilnih vatrostalnih jedinjenja (oksidi torija, hafnija, itrijuma, kompleksna jedinjenja oksida i rijetkih zemnih metala), koja se ne rastvaraju u metalu matriksa, omogućava održavanje visoke čvrstoće materijala do 0,9-0,95 T. U tom smislu, takvi se materijali često koriste kao materijali otporni na toplinu. Disperzijski kaljeni kompozitni materijali mogu se dobiti na bazi većine metala i legura koji se koriste u tehnici.

Najrasprostranjenije legure na bazi aluminijuma - SAP (sinterovani aluminijumski prah).

Gustoća ovih materijala jednaka je gustoći aluminija, nisu inferiorni u odnosu na otpornost na koroziju i mogu čak zamijeniti titan i čelike otporne na koroziju kada rade u temperaturnom rasponu od 250-500 ° C. Oni su superiorniji od kovanih legura aluminijuma po dugotrajnoj čvrstoći. Dugotrajna čvrstoća za legure SAP-1 i SAP-2 na 500 ° C je 45-55 MPa.

Materijali otvrdnuti disperzijom nikla imaju velike izglede.
Legure na bazi nikla sa 2-3 vol. % torijevog dioksida ili hafnijevog dioksida. Matrica ovih legura je obično čvrsta otopina Ni + 20% Cr, Ni + 15% Mo, Ni + 20% Cr i Mo. Legure VDU-1 (nikl ojačan torijum-dioksidom), VDU-2 (nikl ojačan hafnijum-dioksidom) i VD-3 (Ni + 20% Cr matrica, ojačan torijum-oksidom). Ove legure imaju visoku otpornost na toplinu. Disperzijski kaljeni kompozitni materijali, kao i vlaknasti, otporni su na omekšavanje s povećanjem temperature i trajanjem držanja na datoj temperaturi.

3.3. Fiberglass.

Fiberglass je sastav koji se sastoji od sintetičke smole kao veziva i punila od fiberglasa. Kao punilo koristi se kontinuirana ili kratka fiberglasa. Čvrstoća staklenog vlakna naglo raste sa smanjenjem njegovog promjera (zbog utjecaja nehomogenosti i pukotina koje se javljaju u debelim presjecima). Svojstva stakloplastike zavise i od sadržaja alkalija u njegovom sastavu; najbolje performanse u staklima bez alkalija aluminoborosilikatnog sastava.

Neorijentisana staklena vlakna sadrže kratka vlakna kao punilo. Ovo omogućava presovanje delova složenog oblika, sa metalnim okovom. Materijal se dobija sa karakteristikama izotopske čvrstoće mnogo većim od onih u prahu za presovanje, pa čak i vlaknima. Predstavnici ovog materijala su stakloplastika AG-4V, kao i DSV (dozirana fiberglasa), koji se koriste za proizvodnju energetskih električnih dijelova, dijelova za mašinstvo (kalemovi, zaptivke pumpe itd.). Kada se kao vezivo koriste nezasićeni poliesteri, dobijaju se PSK premiksevi (pastozni) i AP i PPM prepregi (na bazi staklene prostirke). Prepregi se mogu koristiti za predmete velikih dimenzija jednostavne forme(karoserije automobila, čamci, kutije za instrumente, itd.).

Orijentirana staklena vlakna imaju punilo u obliku dugih vlakana raspoređenih u orijentirane pojedinačne niti i pažljivo vezanih vezivom. Ovo stakloplastici daje veću čvrstoću.

Fiberglas može raditi na temperaturama od -60 do 200 ° C, kao iu tropskim uvjetima, i izdržati velika inercijska preopterećenja.
Kod starenja od dvije godine koeficijent starenja je K = 0,5-0,7.
Jonizujuće zračenje ima mali uticaj na njihova mehanička i električna svojstva. Koriste se za izradu dijelova visoke čvrstoće, sa okovom i navojima.

3.4. Ugljična vlakna.

Ugljična vlakna (plastika ojačana karbonskim vlaknima) su sastavi koji se sastoje od polimernog veziva (matrice) i učvršćivača u obliku karbonskih vlakana (karbonska vlakna).

Visoka energija komunikacija C-C karbonska vlakna omogućavaju im da zadrže svoju snagu na vrlo visokim temperaturama (u neutralnim i redukcijskim medijima do 2200°C), kao i na niske temperature... Površina vlakana je zaštićena od oksidacije zaštitnim premazima (pirolitički). Za razliku od staklenih vlakana, karbonska vlakna su slabo vlažena vezivom
(niska površinska energija), pa su urezani. Ovo povećava stepen aktivacije karbonskih vlakana sadržajem karboksilne grupe na njihovoj površini. Smična međuslojna čvrstoća CFRP-a povećava se 1,6-2,5 puta. Korišteno je šišanje filamentnih kristala TiO, AlN i SiN, što daje povećanje međuslojne tvrdoće za 2 puta i čvrstoće za 2,8 puta. Koriste se prostorno ojačane konstrukcije.

Veziva su sintetički polimeri (polimerna karbonska vlakna); sintetički polimeri podvrgnuti pirolizi (karbonizirana karbonska vlakna); pirolitički ugljik (pirokarbonska karbonska vlakna).

Epoksifenolna karbonska vlakna KMU-1L, ojačana karbonskom trakom, i KMU-1u na užetu, sa visceriranim kristalima, mogu raditi dugo vremena na temperaturama do 200°C.

Ugljična vlakna KMU-3 i KMU-2l dobijaju se na epoksianilin-formaldehidnom vezivu, mogu raditi na temperaturama do 100°C, tehnološki su najnaprednija. Ugljična vlakna KMU-2 i
KMU-2L na bazi poliimidnog veziva može se koristiti na temperaturama do
300°C.

Ugljična vlakna odlikuju se visokom statističkom i dinamičkom otpornošću na zamor, zadržavaju ovo svojstvo pri normalnim i vrlo niskim temperaturama (visoka toplinska provodljivost vlakna sprječava samozagrijavanje materijala zbog unutrašnjeg trenja). Otporne su na vodu i hemikalije. Nakon izlaganja zraku, rendgensko zračenje i E su gotovo nepromijenjeni.

Toplotna provodljivost ugljične plastike je 1,5-2 puta veća od toplinske vodljivosti stakloplastike. Imaju sledeća električna svojstva: = 0,0024-0,0034 Ohm · cm (duž vlakana); ? = 10 i tg = 0,001 (pri frekvenciji struje od 10 Hz).

Carboglass vlakna sadrže, zajedno sa karbonskim staklenim vlaknima, što smanjuje cijenu materijala.

3.5. Ugljična vlakna s karbonskom matricom.

Koksirani materijali se pripremaju od konvencionalnih polimernih karbonskih vlakana koja su pirolizirana u inertnoj ili redukcijskoj atmosferi. Na temperaturi od 800-1500°C nastaju karbonizirana karbonizirana, na 2500-3000°C formiraju se grafitizirana karbonska vlakna. Za dobivanje pirokarbonskih materijala, učvršćivač se polaže u obliku proizvoda i stavlja u peć u koju se propušta plinoviti ugljovodonik (metan). Na određenom režimu (temperatura 1100°C i preostali pritisak 2660 Pa), metan se razgrađuje i nastali pirolitički ugljik se taloži na vlakna učvršćivača, vezujući ih.

Koks koji nastaje tokom pirolize veziva ima visoku čvrstoću veze sa karbonskim vlaknima. S tim u vezi, kompozitni materijal ima visoka mehanička i ablativna svojstva, otpornost na toplinski udar.

Ugljična vlakna s karbonskom matricom tipa KUP-VM u pogledu čvrstoće i udarne žilavosti su 5-10 puta veća od specijalnih grafita; kada se zagrijavaju u inertnoj atmosferi i vakuumu, zadržava čvrstoću do 2200
° C, oksidira na zraku na 450 ° C i zahtijeva zaštitni premaz.
Koeficijent trenja jednog karbonskog vlakna sa karbonskom matricom je različito visok (0,35-0,45), a habanje je malo (0,7-1 mikrona za kočenje).

3.6. Borovoloknit.

Borovoloknits su sastavi polimernog veziva i učvršćivača - borovih vlakana.

Borna vlakna odlikuju se visokom tlačnom čvrstoćom, čvrstoćom na smicanje i smicanje, malim puzanjem, visokom tvrdoćom i modulom elastičnosti, toplinskom provodljivošću i električnom provodljivošću. Ćelijska mikrostruktura borovih vlakana obezbeđuje visoku čvrstoću na smicanje na interfejsu sa matriksom.

Uz kontinuirano borovo vlakno, koriste se i složeni borostekloniti u kojima je nekoliko paralelnih borovih vlakana opleteno staklenim filamentom, što odaje dimenzionalnu stabilnost. Upotreba staklenih niti od bora olakšava tehnološki proces izrade materijala.

Modifikovana epoksidna i poliimidna veziva koriste se kao matrice za dobijanje borovloknita. Borovoloknits KMB-1 i
KMB-1k su dizajnirani za dugotrajan rad na temperaturi od 200°C; KMB-3 i KMB-3k ne zahtijevaju visok pritisak tokom obrade i mogu raditi na temperaturama ne većim od 100 ° C; KMB-2k je efikasan na 300°C.

Borovoloknits imaju visoku otpornost na zamor, otporni su na zračenje, vodu, organske rastvarače i goriva i maziva.

3.7. Organofibers.

Organovlakna su kompozitni materijali koji se sastoje od polimernog veziva i pojačavača (punila) u obliku sintetičkih vlakana. Takvi materijali imaju malu težinu, relativno visoku specifičnu čvrstoću i krutost, stabilni su pod djelovanjem naizmjeničnih opterećenja i naglih promjena temperature. Za sintetička vlakna, gubitak čvrstoće tokom obrade tekstila je mali; manje su osjetljivi na oštećenja.

Za organska vlakna, vrijednosti modula elastičnosti i temperaturnih koeficijenata linearne ekspanzije učvršćivača i veziva su bliske.
Postoji difuzija komponenti veziva u vlakno i hemijska interakcija između njih. Struktura materijala je bez nedostataka. Poroznost ne prelazi 1-3% (kod ostalih materijala 10-20%). Dakle, stabilnost mehaničkih svojstava organskih vlakana pri oštrom padu temperature, udarnim i cikličnim opterećenjima. Visoka udarna čvrstoća (400-700 kJ / m2). Nedostaci ovih materijala su njihova relativno mala tlačna čvrstoća i veliko puzanje (posebno za elastična vlakna).

Organovlakna su otporna u agresivnim sredinama iu vlažnoj tropskoj klimi; dielektrična svojstva su visoka, a toplotna provodljivost niska. Većina organskih vlakana može raditi dugo na temperaturi od 100-150°C, a na bazi poliimidnog veziva i polioksadiazolnih vlakana - na temperaturi od 200-300°C.

U kombiniranim materijalima, uz sintetička vlakna, koriste se mineralna vlakna (staklena, karbonska i borova vlakna). Takvi materijali imaju veću čvrstoću i krutost.

4. Ekonomska efikasnost upotrebe kompozitnih materijala.

Područja primjene kompozitnih materijala nisu ograničena. Koriste se u vazduhoplovstvu za visoko opterećene delove aviona (koža, krakovi, rebra, paneli itd.) i motore (lopatice kompresora i turbine itd.), u svemirskoj tehnici za energetske konstrukcije uređaja izloženih grejanju, za ukrućenja, panele , u automobilskoj industriji za olakšanje karoserija, opruga, ramova, karoserija, branika itd., u rudarskoj industriji (alat za bušenje, dijelovi kombajna itd.), u niskogradnje(rasponi mostova, elementi montažnih konstrukcija visokih zgrada i dr.) iu drugim oblastima nacionalne privrede.

Upotreba kompozitnih materijala omogućava novi kvalitativni skok u povećanju snage motora, energetskih i transportnih instalacija, smanjenju težine mašina i uređaja.

Tehnologija proizvodnje poluproizvoda i proizvoda od kompozitnih materijala je dobro razvijena.

Kompozitni materijali sa nemetalnom matricom, odnosno polimerna karbonska vlakna, koriste se u brodogradnji i automobilskoj konstrukciji (karoserije, šasije, propeleri); koriste se za izradu ležajeva, grejnih ploča, sportska oprema, kompjuterski dijelovi. Ugljična vlakna visokog modula koriste se za izradu dijelova za zrakoplovnu tehniku, opremu za kemijsku industriju, u rendgenskoj opremi i dr.

Ugljična matrična karbonska vlakna zamjenjuju različite vrste grafita. Koriste se za termičku zaštitu, kočione diskove aviona, hemijski otpornu opremu.

Proizvodi od borovih vlakana koriste se u zrakoplovnoj i svemirskoj tehnici (profili, paneli, rotori i lopatice kompresora, lopatice propelera i osovina prijenosa helikoptera, itd.).

Organovlakna se koriste kao izolacijski i konstrukcijski materijal u elektro i radio industriji, avio-tehnologiji i automobilskoj industriji; koriste se za izradu cijevi, kontejnera za reagense, premaza za trupove brodova i drugo.

Oglase o kupovini i prodaji opreme možete pogledati na

O prednostima polimera i njihovim svojstvima možete razgovarati na

Registrujte svoju kompaniju u Imenik kompanija

Sudal kompozitni materijal, Impex kompozitni materijal
Kompozitni materijal(KM), kompozicija- umjetno stvoren nehomogen čvrsti materijal koji se sastoji od dvije ili više komponenti sa jasnim međuprostorom između njih. Većina kompozitnih (sa izuzetkom slojevitih) komponenti može se podijeliti na matricu (ili vezivo) i armaturne elemente (ili punila) uključene u nju. kompoziti za konstruktivne svrhe, armaturni elementi obično obezbeđuju potrebne mehaničke karakteristike materijala (čvrstoću, krutost, itd.), a matrica obezbeđuje zajednički rad ojačavajući elemente i štiteći ih od mehaničko oštećenje i agresivno hemijsko okruženje.

Mehaničko ponašanje sastava određeno je omjerom svojstava armaturnih elemenata i matrice, kao i čvrstoćom veza između njih. Karakteristike i svojstva proizvoda koji se stvara zavise od izbora početnih komponenti i tehnologije njihove kombinacije.

Kombinacijom elemenata za ojačanje i matrice formira se sastav koji ima skup svojstava koja odražavaju ne samo početne karakteristike njegove komponente, ali i nova svojstva koja pojedine komponente ne posjeduju. Na primjer, prisutnost sučelja između elemenata za ojačanje i matrice značajno povećava otpornost materijala na pucanje, a u kompozitima, za razliku od homogenih metala, povećanje statičke čvrstoće ne dovodi do smanjenja, već u pravilu, do povećanja karakteristika otpornosti na lom.

Za stvaranje kompozicije koriste se različita punila i matrice za ojačavanje. Ovo je getinax i textolit ( laminati od papira ili tkanine zalijepljenog termoreaktivnim ljepilom), stakla i grafitne plastike (tkanina ili namotano staklo ili grafitna vlakna impregnirana epoksidnim ljepilom), šperploča. Postoje materijali u kojima je tanko vlakno napravljeno od legura visoke čvrstoće ispunjeno aluminijskom masom. Bulat je jedan od najstarijih kompozitnih materijala. u njemu su najtanji slojevi (ponekad filamenti) visokougljičnog čelika "zalijepljeni" zajedno sa mekim niskougljičnim željezom.

Naučnici za materijale eksperimentišu sa ciljem stvaranja praktičnijih, a samim tim i jeftinijih materijala. Istražuju se samorastuće kristalne strukture zalijepljene u jednu masu polimernim ljepilom (cementi sa aditivima vodotopivih ljepila), termoplastične kompozicije s kratkim ojačavajućim vlaknima itd.

1 Klasifikacija kompozita
2 Prednosti kompozitnih materijala
3 Nedostaci kompozita
- 3.1 Visoka cijena
- 3.2 Anizotropija svojstava
- 3.3 Mala udarna čvrstoća
- 3.4 Visok specifičan volumen
- 3.5 Higroskopnost
- 3.6 Toksičnost
- 3.7 Loša mogućnost održavanja
4 Aplikacije
- 4.1 Roba široke potrošnje
- 4.2 Sportska oprema
- 4.3 Medicina
- 4.4 Mašinstvo
  - 4.4.1 Karakteristika
  - 4.4.2 Specifikacije
  - 4.4.3 Tehnička procjena i ekonomske koristi
  - 4.4.4 Područja primjene tehnologije
- 4.5 Vazduhoplovstvo i astronautika
- 4.6 Naoružanje i vojna oprema
5 Vidi također
6 Napomene
7 Literatura
8 Reference

Klasifikacija kompozita

Kompoziti se obično klasificiraju prema vrsti punila za ojačavanje:

vlaknaste (komponenta za ojačavanje - vlaknaste strukture);
slojevito;
punjena plastika (komponenta za ojačavanje - čestice)
- rasuti (homogeni),
- skeletne (početne strukture ispunjene vezivom).

Također, kompoziti se ponekad klasificiraju prema materijalu matrice:

kompoziti polimerne matrice,
keramičke matrične kompozite,
kompoziti metalne matrice,
oksidno-oksidni kompoziti.

Prednosti kompozitnih materijala

Glavna prednost CM-a je što se materijal i struktura stvaraju istovremeno. Izuzetak su prepregi, koji su poluproizvod za izradu konstrukcija.

Odmah treba navesti da su CM kreirani za ove zadatke, stoga ne mogu sadržavati sve moguće prednosti, ali pri projektovanju novog kompozita, inženjer je slobodan da mu postavi karakteristike koje su znatno superiornije od karakteristika tradicionalnih materijala pri izvođenju ovog cilja. u ovom mehanizmu, ali inferiorniji od njih u svim drugim aspektima. To znači da KM ne može biti bolja. tradicionalnog materijala u svemu, odnosno za svaki proizvod, inženjer vrši sve potrebne proračune i tek onda bira optimum između materijala za proizvodnju.

visoka specifična čvrstoća (snaga 3500 MPa)
visoka krutost (modul elastičnosti 130 ... 140 - 240 GPa)
visoka otpornost na habanje
visoka čvrstoća na zamor
od CM-a je moguće napraviti dimenzionalno stabilne strukture
lakoća

Štaviše, različite klase kompozita mogu imati jednu ili više prednosti. Neke od prednosti se ne mogu postići istovremeno.

Nedostaci kompozita

Kompozitni materijali imaju prilično veliki broj nedostataka koji sputavaju njihovo širenje.

Visoka cijena

Visoka cijena CM je posljedica visokog naučnog intenziteta proizvodnje, potrebe za korištenjem posebne skupe opreme i sirovina, a time i razvijene industrijske proizvodnje i naučne baze zemlje. Međutim, to vrijedi samo kada kompoziti zamjenjuju jednostavne valjane proizvode od crnih metala. U slučaju lakih proizvoda, proizvoda složenog oblika, proizvoda otpornih na koroziju, dielektričnih proizvoda visoke čvrstoće, kompoziti su pobjednici. Štoviše, cijena kompozitnih proizvoda često je niža od analoga izrađenih od obojenih metala ili nehrđajućeg čelika.

Anizotropija svojstava

Anizotropija je zavisnost CM svojstava o izboru pravca merenja. Na primjer, modul elastičnosti jednosmjernog CFRP-a duž vlakana je 10-15 puta veći nego u poprečnom.

Da bi se kompenzirala anizotropija, faktor sigurnosti je povećan, što može neutralizirati prednost CM-a u specifičnoj snazi. Primjer za to je iskustvo korištenja CM-a u proizvodnji okomitog repa lovca MiG-29. Zbog anizotropije korišćenog CM-a, vertikalni rep je projektovan sa sigurnosnim faktorom koji je bio nekoliko puta veći od standardnog u avijacijskom faktoru od 1,5, što je na kraju dovelo do toga da se ispostavilo da je kompozitni vertikalni rep MiG-29 da po težini bude jednaka strukturi klasičnog vertikalnog repa od duralumina...

Međutim, u mnogim slučajevima, anizotropija svojstva je korisna. Na primjer, cijevi koje rade na unutrašnjem pritisku doživljavaju dvostruko veće prekidne napone u obodnom smjeru u odnosu na aksijalni. Shodno tome, cijev ne mora biti jednake čvrstoće u svim smjerovima. U slučaju kompozita, ovaj uvjet se lako može postići udvostručavanjem armature u obodnom smjeru u odnosu na aksijalnu.

Mala udarna čvrstoća

Niska žilavost je također razlog potrebe za povećanjem sigurnosnog faktora. Osim toga, niska udarna čvrstoća dovodi do velike kvarljivosti CM proizvoda, velike vjerojatnosti latentnih defekata, koji se mogu otkriti samo instrumentalnim metodama kontrole.

Visoka specifična zapremina

Visoka specifična zapremina je značajan nedostatak kada se koristi CM u područjima sa ozbiljnim ograničenjima zauzete zapremine. Ovo se, na primjer, odnosi na oblast nadzvučne avijacije, gdje čak i neznatno povećanje zapremine aviona dovodi do značajnog povećanja talasnog aerodinamičkog otpora.

Higroskopnost

Kompozitni materijali su higroskopni, odnosno imaju tendenciju da upijaju vlagu, što je posljedica diskontinuiteta unutrašnje strukture CM. Produženim radom i ponovljenim temperaturnim prijelazima preko 0 Celzijusa, voda koja prodire u CM strukturu uništava CM proizvod iznutra (efekat je po prirodi sličan razaranju autoputevi van sezone). Pošteno radi, treba napomenuti da se ovaj nedostatak odnosi na kompozite prvih generacija, koji su imali nedovoljno efikasno prianjanje veziva na punilo, kao i veliki volumen šupljina u matrici veziva. Moderni tipovi kompoziti sa visokom adhezijom veziva za punilo (postignutom upotrebom specijalnih maziva) dobijeni vakuumskim livenjem sa minimalnom količinom zaostalih gasnih šupljina ne podležu ovom nedostatku, što omogućava, posebno, izgradnju kompozitnih brodova, proizvodnju kompozitna armatura i kompozitni nosači za nadzemne dalekovode.

Međutim, CM može apsorbirati druge tečnosti koje imaju veliku penetraciju, kao što su avio kerozin ili drugi naftni proizvodi.

Toksičnost

Tokom rada, CM-ovi mogu emitovati pare, koje su često toksične. Ako se CM koristi za izradu proizvoda koji će se nalaziti u neposrednoj blizini osobe (takav primjer je kompozitni trup Boeinga 787 Dreamliner), tada su potrebne dodatne studije o utjecaju CM komponenti na ljude kako bi se odobrili materijali koji se koriste u proizvodnji CM.

Niska mogućnost održavanja

Kompozitni materijali mogu imati nisku mogućnost održavanja, nisku održivost i visoke operativne troškove. To je zbog potrebe za korištenjem posebnih metoda koje zahtijevaju rad (a ponekad ručni rad), specijalni alati za finalizaciju i popravku objekata iz CM. Često se proizvodi napravljeni od CM uopće ne mogu modificirati ili popraviti.

Područja upotrebe

Roba široke potrošnje

Armirani beton je jedan od najstarijih i najjednostavnijih kompozitnih materijala
Štapovi za pecanje od fiberglasa i CFRP-a
Čamci od fiberglasa
Auto gume
Metalni kompoziti

Sportska oprema

Kompoziti su se pouzdano smjestili u sportu: za visoka postignuća potrebna je velika čvrstoća i mala težina, a cijena ne igra posebnu ulogu.

Bicikli
Oprema za alpsko skijanje - štapovi i skije
Hokejaški štapovi i klizaljke
Kajaci, kanui i vesla za njih
Dijelovi karoserije za trkaće automobile i motocikle
Kacige

Lijek

Materijal za zubne plombe. Plastična matrica služi za dobro punjenje, punilo staklenih čestica povećava otpornost na habanje.

Mehanički inžinjering

U mašinstvu, kompozitni materijali se široko koriste za stvaranje zaštitni premazi na tarnim površinama, kao i za izradu raznih delova motora sa unutrašnjim sagorevanjem (klipovi, klipnjače).

Karakteristično

Tehnologija se koristi za formiranje dodatnih zaštitnih premaza na površinama u parovima čelik-guma. Primjena tehnologije omogućava povećanje radnog ciklusa brtvi i vratila industrijska oprema radi u vodena sredina.

Kompozitni materijali se sastoje od nekoliko funkcionalno različitih materijala. Osnova neorganskih materijala su silikati magnezijuma, gvožđa, aluminijuma modifikovani raznim aditivima. Fazni prijelazi u ovim materijalima nastaju pri dovoljno visokim lokalnim opterećenjima, blizu krajnje čvrstoće metala. U tom slučaju se na površini u zoni velikih lokalnih opterećenja formira sloj kermeta visoke čvrstoće, zbog čega je moguće promijeniti strukturu metalne površine.

Polimerni materijali na bazi politetrafluoroetilena modifikovani su ultradisperznim dijamant-grafitnim prahovima dobijenim od eksplozivnih materijala, kao i ultradisperznim prahovima mekih metala. Materijal se plastificira na relativno niskim (manje od 300°C) temperaturama.

Organometalni materijali dobijeni od prirodnih masnih kiselina sadrže značajnu količinu kiselih funkcionalnih grupa. Zbog toga se interakcija s površinskim atomima metala može izvesti u režimu mirovanja. Energija trenja ubrzava proces i stimulira pojavu poprečnih veza.

Specifikacije

Zaštitni premaz, ovisno o sastavu kompozitnog materijala, može se okarakterizirati sljedećim svojstvima:

debljina do 100 mikrona;
klasa čistoće površine okna (do 9);
imaju pore veličine 1 - 3 mikrona;
koeficijent trenja do 0,01;
visoka adhezija na metalne i gumene površine.

Tehnička procjena i ekonomske koristi

Na površini se formira sloj kermeta visoke čvrstoće u području velikih lokalnih opterećenja;
Sloj formiran na površini politetrafluoroetilena ima nizak koeficijent trenja i nisku otpornost na abrazivno habanje;
Organometalni premazi su mekani, imaju nizak koeficijent trenja, poroznu površinu, debljina dodatnog sloja je nekoliko mikrona.

Područja primjene tehnologije

nanošenje zaptivki na radnu površinu kako bi se smanjilo trenje i stvorio odvajajući sloj koji isključuje lepljenje gume na osovinu tokom perioda odmora.
brzi motori sa unutrašnjim sagorevanjem za automobilsku i avionsku konstrukciju.

Vazduhoplovstvo i astronautika

U avijaciji i astronautici postoji hitna potreba za jakim, laganim i izdržljivim strukturama od 1960-ih. Za izradu nosivih konstrukcija koriste se kompozitni materijali aviona, umjetni sateliti, šatl termoizolacijski premazi, svemirske sonde. Kompoziti se sve više koriste za izradu obloga za zračna i svemirska vozila, te za najopterećenije nosive elemente.

Naoružanje i vojna oprema

Zbog svojih karakteristika (snage i lakoće), CM se koriste u vojnim poslovima za proizvodnju različite vrste oklop:

pancir (vidi i kevlar)
oklop za vojnu opremu

Sve do IV veka. BC NS. bili naširoko korišteni u lukovima kao oružje.

vidi takođe

Kompozitna armatura
Hibridni materijal

Bilješke (uredi)

J. Lubin. 1.2 Pojmovi i definicije // Priručnik o kompozitnim materijalima: 2 kn = Handbook of Composites. - M.: Mašinostroenie, 1988. - T. 1. - 448 str. - ISBN 5-217-00225-5.

Književnost

Kerber M.L., Polimerni kompozitni materijali. Struktura. Svojstva. Tehnologije. - SPb.: Professiya, 2008.-- 560 str.
Vasiliev V.V., Mehanika konstrukcija od kompozitnih materijala. - M.: Mashinostroenie, 1988.-- 272 str.
Karpinos D.M., Kompozitni materijali. Imenik. - Kijev, Naukova Dumka

Linkovi

Časopis za mehaniku kompozitnih materijala i konstrukcija
TV priča "Kompoziti iz grada nauke".
TV priča "Tehnologija crnih krila".

kompozitni materijal impex, kompozitni materijal sudal, kompozitni materijalizam, nauka o kompozitnim materijalima

Informacije o kompozitnom materijalu About

Materijali se baziraju na više komponenti, što određuje njihove operativne i tehnološke karakteristike. Kompoziti su zasnovani na matrici na bazi metala, polimera ili keramike. Dodatno ojačanje se izvodi punilima u obliku vlakana, brkova i raznih čestica.

Kompoziti - budućnost?

Plastičnost, čvrstoća, širok spektar primjene - to su karakteristike modernih kompozitnih materijala. Šta je to u smislu proizvodnje? Ovi materijali se sastoje od metalne ili nemetalne osnove. Za ojačavanje materijala koriste se ljuspice veće čvrstoće. Među njima su plastika, koja je ojačana borom, ugljikom, staklenim vlaknima, ili aluminij, ojačan čeličnim ili berilijumskim nitima. Ako kombinirate sadržaj komponenti, možete dobiti kompozite različite čvrstoće, elastičnosti, otpornosti na habanje.

Osnovni tipovi

Klasifikacija kompozita zasniva se na njihovoj matrici, koja može biti metalna ili nemetalna. Materijali s metalnom matricom na bazi aluminija, magnezija, nikla i njihovih legura dobijaju dodatnu čvrstoću zbog vlaknastih materijala ili vatrostalnih čestica koje se ne rastvaraju u osnovnom metalu.

Nemetalni matrični kompoziti su bazirani na polimerima, ugljiku ili keramici. Među polimernim matricama najpopularniji su epoksid, poliamid i fenol-formaldehid. Forma kompozicije je data zahvaljujući matriksu, koji deluje kao vrsta vezivnog sredstva. Za ojačanje materijala koriste se vlakna, užad, niti, višeslojne tkanine.

Manufacturing kompozitnih materijala sprovedeno na osnovu sledećih tehnoloških metoda:

impregnacija armaturnih vlakana matričnim materijalom;
oblikovanje traka učvršćivača i matrice u kalupu;
hladno prešanje komponenti sa daljim sinterovanjem;
elektrohemijsko prevlačenje vlakana i dalje presovanje;
taloženje matrice plazma raspršivanjem i naknadnom redukcijom.

Šta je učvršćivač?

Kompozitni materijali našli su primenu u mnogim oblastima industrije. Već smo rekli šta je to. To su materijali na bazi nekoliko komponenti, koje su nužno ojačane posebnim vlaknima ili kristalima. Čvrstoća samih kompozita također ovisi o čvrstoći i elastičnosti vlakana. Ovisno o vrsti učvršćivača, svi kompoziti se mogu podijeliti:

na stakloplastici;
karbonska vlakna s karbonskim vlaknima;
borova vlakna;
organovlakna.

Armaturni materijali se mogu slagati u dva, tri, četiri ili više navoja, što ih je više, to će kompozitni materijali biti jači i pouzdaniji u radu.

Drveni kompoziti

Treba pomenuti i kompozit drveta. Dobija se kombinovanjem sirovina različite vrste, dok drvo djeluje kao glavna komponenta. Svaki drvo-polimer kompozit se sastoji od tri elementa:

zdrobljene drvene čestice;
termoplastični polimer (PVC, polietilen, polipropilen);
kompleks hemijskih aditiva u obliku modifikatora - do 5% njih u sastavu materijala.

Najpopularnija vrsta drvenih kompozita je kompozitna ploča. Njegova jedinstvenost je u tome što kombinuje svojstva i drveta i polimera, što značajno proširuje opseg njegove primene. Dakle, ploča se odlikuje gustoćom (na njen pokazatelj utječe osnovna smola i gustina drvenih čestica), dobrom otpornošću na savijanje. Istovremeno, materijal je ekološki prihvatljiv, zadržava teksturu, boju i aromu prirodno drvo... Upotreba kompozitnih ploča je apsolutno sigurna. Zbog polimernih aditiva, kompozitna ploča dobija visoki nivo otpornost na habanje i vlagu. Može se koristiti za završnu obradu terasa, vrtnih staza, čak i ako imaju veliko opterećenje.

Karakteristike proizvodnje

Drveni kompoziti imaju posebnu strukturu zbog kombinacije polimerne baze sa drvetom. Među materijalima ove vrste mogu se izdvojiti drvena strugotina različite gustoće, ploče od orijentirane iverice i drvo-polimerni kompozit. Proizvodnja kompozitnih materijala ove vrste odvija se u nekoliko faza:

Drvo je drobljeno. Za to se koriste drobilice. Nakon drobljenja, drvo se prosijava i dijeli na frakcije. Ako je sadržaj vlage u sirovini iznad 15%, mora se osušiti.
Glavne komponente se doziraju i miješaju u određenim omjerima.
Gotov proizvod se presuje i formatira kako bi se dobila prezentacija.

Glavne karakteristike

Opisali smo najpopularnije polimerne kompozitne materijale. Sada je jasno šta je to. Zahvaljujući slojevitoj strukturi moguće je ojačati svaki sloj paralelnim kontinuiranim vlaknima. Vrijedi posebno spomenuti karakteristike modernih kompozita koje se razlikuju:

visoka vrijednost privremenog otpora i granice izdržljivosti;
visok nivo elastičnosti;
čvrstoća koja se postiže ojačavajućim slojevima;
Zbog čvrstih armaturnih vlakana, kompoziti su vrlo otporni na vlačna naprezanja.

Kompoziti na bazi metala odlikuju se visokom čvrstoćom i otpornošću na toplinu, dok su praktički neelastični. Zbog strukture vlakana, brzina širenja pukotina, koje se ponekad pojavljuju u matrici, opada.

Polimerni materijali

Polimerni kompoziti su predstavljeni u raznim opcijama, što otvara velike mogućnosti za njihovu upotrebu u različitim oblastima, od stomatologije do proizvodnje zrakoplovne opreme. Kompoziti na bazi polimera punjeni su različitim supstancama.

Najperspektivnijim oblastima upotrebe mogu se smatrati građevinarstvo, industrija nafte i gasa, proizvodnja drumskog i železničkog transporta. Upravo ove industrije čine oko 60% upotrebe polimernih kompozitnih materijala.

Zbog svoje visoke stabilnosti polimerni kompoziti do korozije, ravne i guste površine proizvoda koji se dobivaju kalupljenjem, povećava se pouzdanost i trajnost rada konačnog proizvoda.

Razmotrite popularne vrste

Fiberglass

Za ojačanje ovih kompozita koriste se staklena vlakna formirana od rastopljenog neorganskog stakla. Matrica je bazirana na termoaktivnim sintetičkim smolama i termoplastičnim polimerima, koje karakteriše visoka čvrstoća, niska toplotna provodljivost, visoka električna izolaciona svojstva... Prvobitno su korišteni u proizvodnji kupolastih antenskih radara. V savremeni svet fiberglas se široko koristi u građevinskoj industriji, brodogradnji, proizvodnji opreme za domaćinstvo i sportskih predmeta, radio elektronici.

U većini slučajeva, plastika od stakloplastike se proizvodi na bazi prskanja. Ova metoda je posebno efikasna za proizvodnju male i srednje veličine, na primjer, trupa čamaca, čamaca, kabina za drumski transport, željeznička kola. Tehnologija prskanja je pogodna za ekonomičnost, jer stakleni materijal nije potrebno rezati.

CFRPs

Svojstva kompozitnih materijala na bazi polimera omogućavaju njihovu upotrebu u raznim oblastima. Koriste se kao punilo karbonska vlakna, dobijen od sintetičkih i prirodnih vlakana na bazi celuloze, smole. Vlakno se termički obrađuje u nekoliko faza. U poređenju sa plastikom od stakloplastike, CFRP ima manju gustoću i veću gustoću uz lakoću i čvrstoću materijala. Zbog svojih jedinstvenih performansi, CFRP se koriste u mašinstvu i raketiranju, u proizvodnji svemirske i medicinske opreme, bicikala i sportske opreme.

Boroplastika

To su višekomponentni materijali na bazi vlakana bora ugrađenih u termoreaktivnu polimernu matricu. Sama vlakna su predstavljena monofilamentima, snopovima, koji su upleteni pomoćnom staklenom niti. Visoka tvrdoća niti osigurava čvrstoću i otpornost materijala na agresivne faktore, ali u isto vrijeme, bor plastike su krhke, što otežava obradu. Borna vlakna su skupa, tako da je obim bor plastike ograničen uglavnom na avijaciju i svemirsku industriju.

Organoplastika

U ovim kompozitima, uglavnom sintetička vlakna djeluju kao punila - kudelje, niti, tkanine, papir. Među posebnim svojstvima ovih polimera su niska gustina, lakoća u poređenju sa plastikom ojačanom staklom i karbonskim vlaknima, visoka vlačna čvrstoća i visoka otpornost na udarce i dinamička opterećenja. Ovaj kompozitni materijal se široko koristi u oblastima kao što su mašinstvo, brodogradnja, automobilska konstrukcija, u proizvodnji svemirske tehnologije i hemijsko inženjerstvo.

Koja je efikasnost?

Zbog svog jedinstvenog sastava, kompozitni materijali se mogu koristiti u različitim područjima:

u vazduhoplovstvu u proizvodnji delova i motora za avione;
svemirska tehnologija za proizvodnju energetskih konstrukcija vozila koja se griju;
automobilska industrija za stvaranje lakih karoserija, okvira, panela, branika;
rudarska industrija u proizvodnji alata za bušenje;
niskogradnje za izradu raspona mostova, elemenata montažnih konstrukcija na visokim zgradama.

Upotreba kompozita omogućava povećanje snage motora, elektrane uz smanjenje težine mašina i opreme.

Kakvi su izgledi?

Prema riječima predstavnika ruske industrije, kompozitni materijal pripada materijalima nove generacije. Planirano je da se do 2020. godine poveća obim domaće proizvodnje proizvoda kompozitne industrije. Na teritoriji zemlje već se realizuju pilot projekti u cilju razvoja kompozitnih materijala nove generacije.

Upotreba kompozita je preporučljiva u raznim oblastima, ali je najefikasnija u industrijama koje su povezane sa visoke tehnologije... Na primjer, danas ni jedan avion ne nastaje bez upotrebe kompozita, a neki od njih koriste oko 60% polimernih kompozita.

Zbog mogućnosti kombinovanja različitih elemenata za ojačanje i matrica, moguće je dobiti kompoziciju sa određenim skupom karakteristika. A to, zauzvrat, omogućava korištenje ovih materijala u različitim područjima.

Kompozitni materijal

Kompozitni materijal (sastav, KM) - umjetno stvoreni nehomogeni čvrsti materijal koji se sastoji od dvije ili više komponenti s jasnim međuprostorom između njih. U većini kompozita (osim slojevitih), komponente se mogu podijeliti na matricu i armaturne elemente koji su uključeni u nju. U kompozitima za konstruktivne svrhe armaturni elementi obično daju potrebne mehaničke karakteristike materijala (čvrstoću, krutost, itd.), a matrica (ili vezivo) osigurava zajednički rad armaturnih elemenata i njihovu zaštitu od mehaničkih oštećenja i agresivno hemijsko okruženje.

Mehaničko ponašanje sastava određeno je omjerom svojstava armaturnih elemenata i matrice, kao i jačinom veze između njih. Efikasnost i performanse materijala zavise od pravi izbor originalne komponente i tehnologija njihove kombinacije, dizajnirane da obezbede snažnu vezu između komponenti uz zadržavanje njihovih originalnih karakteristika.

Kao rezultat kombiniranja armaturnih elemenata i matrice, formira se kompleks svojstava sastava, koji ne samo da odražava početne karakteristike njegovih komponenti, već uključuje i svojstva koja izolirane komponente nemaju. Konkretno, prisutnost sučelja između elemenata za ojačanje i matrice značajno povećava otpornost materijala na pucanje, a u kompozitima, za razliku od homogenih metala, povećanje statičke čvrstoće ne dovodi do smanjenja, već, u pravilu, do povećanja karakteristika otpornosti na lom.

Za stvaranje kompozicije koriste se različita punila i matrice za ojačavanje. To su getinax i textolit (laminirana plastika od papira ili tkanine zalijepljena termoreaktivnim ljepilom), staklo i grafitna plastika (tkanina ili namotana vlakna od stakla ili grafita impregnirana epoksidnim ljepilom), šperploča... Postoje materijali kod kojih je tanak vlakno od legura visoke čvrstoće je ugrađeno u aluminijsku masu. Bulat je jedan od najstarijih kompozitnih materijala. U njemu su najtanji slojevi (ponekad niti) visokougljičnog čelika "zalijepljeni" mekim niskougljičnim željezom.

V novije vrijeme Naučnici za materijale eksperimentišu sa ciljem stvaranja praktičnijih, a samim tim i jeftinijih materijala. Samorastuće kristalne strukture zalijepljene u jednu masu polimernim ljepilom (cementi sa aditivima vodotopivih ljepila), termoplastične kompozicije s kratkim ojačavajućim vlaknima itd.

Klasifikacija kompozita

Kompoziti se obično klasificiraju prema vrsti punila za ojačavanje:

vlaknaste (komponenta za ojačavanje - vlaknaste strukture);
slojevito;
punjena plastika (komponenta za ojačavanje - čestice)
- rasuti (homogeni),
- skeletne (početne strukture ispunjene vezivom).

Prednosti kompozitnih materijala

Glavna prednost CM-a je što se materijal i struktura stvaraju istovremeno. Izuzetak su prepregi, koji su poluproizvod za izradu konstrukcija. Odmah treba navesti da su CM kreirani za ove zadatke, stoga ne mogu sadržavati sve moguće prednosti, ali pri projektovanju novog kompozita, inženjer je slobodan da mu postavi karakteristike koje su znatno superiornije od karakteristika tradicionalnih materijala pri izvođenju ovog cilja. u ovom mehanizmu, ali inferiorniji od njih u svim drugim aspektima. To znači da CM u svemu ne može biti bolji od tradicionalnog materijala, odnosno za svaki proizvod inženjer vrši sve potrebne proračune i tek onda bira optimalno između materijala za proizvodnju.

visoka specifična čvrstoća (snaga 3500 MPa)
visoka krutost (modul elastičnosti 130 ... 140 - 240 GPa)
visoka otpornost na habanje
visoka čvrstoća na zamor
od CM-a je moguće napraviti dimenzionalno stabilne strukture
lakoća

Štaviše, različite klase kompozita mogu imati jednu ili više prednosti. Neke od prednosti se ne mogu postići istovremeno.

Nedostaci kompozita

Kompozitni materijali imaju prilično veliki broj nedostataka koji sputavaju njihovo širenje.

Visoka cijena

Visoka cijena CM je posljedica visokog naučnog intenziteta proizvodnje, potrebe za korištenjem posebne skupe opreme i sirovina, a time i razvijene industrijske proizvodnje i naučne baze zemlje.

Anizotropija svojstava

Mala udarna čvrstoća

Visoka specifična zapremina

Higroskopnost

CM može apsorbirati i druge visoko prodorne tekućine, na primjer, avio kerozin.

Toksičnost

Niska mogućnost održavanja

Kompozitni materijali imaju nisku operativnu proizvodnost, nisku mogućnost održavanja i visoka cijena eksploatacije. To je zbog potrebe za korištenjem posebnih radno intenzivnih metoda, posebnih alata za dovršavanje i popravak objekata iz CM. Često se objekti iz CM-a uopće ne mogu modificirati ili popraviti.

Područja upotrebe

Roba široke potrošnje

Karakteristično

oklop za vojnu opremu

Književnost

Vasiliev V.V. Mehanika konstrukcija od kompozitnih materijala. - M.: Mashinostroenie, 1988.-- 272 str.
Karpinos D. M. Kompozitni materijali. Imenik. - Kijev, Naukova Dumka

vidi takođe

Bilješke (uredi)

Linkovi

Wikimedia fondacija. 2010.

1. Keramički kompoziti

Prilikom izrade avionskih motora nove generacije, za smanjenje težine, smanjenje potrošnje goriva i smanjenje štetnih emisija koriste se lagani i visoko otporni vatrostalni materijali - keramički kompoziti.

On slika 1 predstavlja dijagram tehnološkog procesa koji je razvila NASA za proizvodnju kompozita Otopljeni infiltrirani keramički matrični kompoziti.

Prvo, tkanina je napravljena od vlakana silicijum karbida ( zaštitni znak Sylramic), od njega se formira radni komad zadanog oblika i veličine, zatim se radni komad zasiti talinom silicijum karbida i peče.

Za izradu kompozita mogu se koristiti vlakna Sylramic ili Sylramic obložen bor nitridom... Takvi kompoziti mogu izdržati zagrijavanje do 1200 ° C.

Slična tehnologija se koristi u proizvodnji kompozitnih oksidnih materijala, gdje je tkanina materijala Nextel 720(sadrži 85% Al 2 O 3 i 15% SiO 2) je zasićen u topljenju aluminosilikata.

Kompozitni materijali imaju slojevitu strukturu (vidi. pirinač. 2).

U poređenju s monolitnim keramičkim materijalima (na primjer, Si 3 N 4), kompozitna keramika nije tako krhka i ima povećanu otpornost na udarce (vidi. pirinač. 3 i 4).

Keramički kompozitni materijali se široko koriste u konstrukciji hipersoničnih aviona (X37 orbitalni UAV, X51A WaveRider raketa (vidi. pirinač. 5 i 6).

Prilikom letenja brzinom od 68 Mach, temperatura površina prednjih ivica aviona može dostići 2700 °C, a temperatura u komori za sagorevanje ramjet motora sa nadzvučnom komorom za sagorevanje (scramjet) je 3000 °C .

Kako bi se osigurala toplinska zaštita i visoke karakteristike čvrstoće konstrukcije tijekom aerodinamičkog zagrijavanja, koriste se višeslojne sendvič strukture Keramički matrični kompozit / jezgro od pjene

Kompozitni sendvič panel gustoće od oko 1,06 g / cm 3 ima visoku čvrstoću i krutost. Koeficijent termička ekspanzija, keramički kompozitni materijal za plašt i porozan keramički materijal jezgre su odabrane na takav način da obezbjeđuju temperaturni gradijent na vanjskoj strani i unutrašnja površina sendvič paneli oko 1000 o S bez raslojavanja i pucanja.

Sa gustinom od oko 1,06 g / cm, ima visoku čvrstoću i krutost. Koeficijent toplinske ekspanzije keramičkog kompozitnog materijala za oblaganje i poroznog keramičkog materijala jezgre odabrani su tako da obezbjeđuju temperaturni gradijent na vanjskoj i unutrašnjoj površini sendvič panela od oko 1000C bez raslojavanja i pucanja.

Koristi se scramjet komora za sagorijevanje keramički kompoziti na bazi visokotemperaturne keramike... Takva keramika, koja se sastoji od cirkonijum diborida i silicijum karbida, sinteruje se pomoću visokofrekventnih električnih varničkih pražnjenja (tzv. SparcPlasma Sintering metoda). U poređenju sa vrućim izostatičkim presovanjem, SparcPlasma sinterovanje omogućava gušću strukturu (vidi. sl. 7 i 8).

Pored toga, za komoru za sagorevanje, Ablativni materijali koji se "samoiscjeljuju"., u kojem je zamjena supstance predviđena na mikro nivou. To su takozvane "sekundarne polimerne slojevito impregnirane pločice" ( PODIJELITI) (laminirane ploče impregnirane recikliranim polimerom), heterogenog sastava. Termin "sekundarni" se koristi zato što svaki element ploče sadrži najmanje dva polimerna sloja, sekundarna endotermna reakcija između kojih apsorbira značajnu količinu topline, pomažući da se spriječi pregrijavanje materijala iza ploče toplotnog štita.

Za zaštitu kompozitne keramike na bazi silicijum karbida od reakcija sa produktima sagorevanja goriva u komori za sagorevanje i vodenom parom, nanokompozitni premazi otporni na koroziju.

2. Strukturni nanokompozitni materijali

Metal-keramičke nanokompozitne legure

Kao lagani građevinski materijali koriste se legure aluminija i magnezija ojačane keramičkim nanočesticama.
Glavni problem kod livenja takvih legura je ravnomerna distribucija keramičkih nanočestica u masi odlivaka. Zbog slabe kvašljivosti nanočestica u talini, one se aglomeriraju i ne miješaju. Univerzitet Wisconsin Madison (SAD) razvio je tehnologiju za miješanje nanočestica u topljeni pomoću ultrazvučnih valova koji stvaraju mikromjehuriće u talini. Kada se takvi mikromjehurići kolabiraju, formiraju se mikrošokovi valovi. Intenzivni mikrošokovi talasi efikasno raspršuju nanočestice u masi taline metala.

Keramički nanokompozitni materijali

Dodavanje ugljičnih nanocijevi i punila (uključujući karbonske nanobrkove) keramičkoj matrici poboljšava mehanička svojstva keramike (obezbeđuju povećanje plastičnosti, smanjenje krhkosti).

On pirinač. devet prikazuje mikrofotografije ugljeničnih nanocevi u matrici od aluminijuma. Može se uočiti razvoj mikropukotina; ugljične nanocijevi (CNT), kao ojačavajući element, sprječavaju širenje pukotina.

Osim ugljičnih nanocijevi, anorganski materijali slični fulerenu (višeslojne nanosfere ili nanocijevi od volframa, titana, niobija i molibden bisulfida) koriste se kao ojačavajući elementi u nanokompozitnoj keramici.

Eksperimentalno je to potvrđeno neorganski materijali slični fulerenu Otporni su na dinamička opterećenja do 210 tona / cm 2 (u poređenju sa 40 tona / cm 2 u čeliku visoke čvrstoće), što ih čini vrlo perspektivnim materijalom za punila u polimernim ili keramičkim kompozitima koji se koriste kao laki oklop.

Veoma obećavajući materijal za upotrebu u razne industrije industrija je keramika MAX faze (Mn + 1AXn faze)- polikristalni nanolaminirani ternarni nitridi, karbidi ili boridi prelaznih metala.

Ovisno o sastavu ovih materijala, oni mogu imati potpuno jedinstvena multifunkcionalna svojstva: biti jaki, istovremeno laki za obradu, izdržati visoke temperature, imati visoku toplinsku provodljivost i vrlo nizak koeficijent trenja. Slikovito rečeno, ovo je keramika koja se može rezati običnom pilom.

MAKSfazne materijale otkrio je američki istraživač prof. M. Barsoum (Dreksel Univerzitet - SAD) 1996. godine

otkrio je američki istraživač prof. M. Barsoum (Dreksel Univerzitet - SAD) 1996. godine

Primene: elektroenergetika (visoka električna provodljivost, sposobnost da izdrži velika mehanička opterećenja, visoke temperature), gas i parne turbine(ima nizak koeficijent trenja na visokim temperaturama), avijacija i astronautika. On pirinač. deset predstavljena je mikrosnimka nanolaminantne strukture MAX faza keramike.

Obrada kompozitnog materijala

Pojava novih kompozitnih materijala sa poboljšanim svojstvima nameće nove zahtjeve za razvoj tehnologija i alata za njihovu obradu. U inostranstvu se koristi integrisani pristup: tehnolozi za obradu metala i keramike učestvuju u projektima za razvoj novih materijala. Konkretno, stručnjaci iz Laboratorije za istraživanje vojske i Laboratorije američkog ratnog zrakoplovstva uključeni su u NASA projekte.

Na primjer, alat s polikristalnim dijamantskim umetcima, kao i čvrsti karbidni alat s nanokompozitnim višeslojnim premazima, koriste se za bušenje rupa u pločama i pločama od kompozitne keramike.

Za spajanje dijelova od visokotemperaturne keramike na bazi cirkonij diborida koriste se posebni lemovi.

Konkretno, legure AgCuTi (žig CusilABA i Ticusil), kao i legure na bazi paladija - kobalta i paladijum nikla (žig Palco i Palni) omogućavaju pouzdano povezivanje takve keramike sa građevinski materijali izrađene od vatrostalnih legura molibdena.

A.V. Fedotov
Direktor razvoja
NPF "ElanPraktik"