|
|
Большая Советская Энциклопедия (цитаты)
|
|
|
|
|
Композиционные материалы | Композиционные материалы (далее К)представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиции. По характеру структуры Композиционные материалы подразделяются на волокнистые, упрочненные непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами, дисперсноупрочненные материалы, полученные путем введения в металлическую матрицу дисперсных частиц упрочнителей, слоистые материалы, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов. К. Композиционные материалы также относятся сплавы с направленной эвтектических структур. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.
Волокнистые Композиционные материалы, армированные нитевидными и непрерывными волокнами тугоплавких соединений и элементов (, AI23, бор, и др.) являются новым классом материалов. Однако принципы армирования для упрочнения известны в технике с глубокой древности. Еще в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а в Древней Греции прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555-60 при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали армированные полосами каменные плиты. Прообразом Композиционные материалы являются широко известный железобетон, представляющий собой сочетание бетона, работающего на сжатие, и стальной арматуры, работающей на растяжение, а также полученные в 19 в. прокаткой слоистые материалы.
Успешному развитию современных Композиционные материалы содействовали: разработка и применение в конструкциях волокнистых стеклопластиков, обладающих высокой удельной прочностью (1940-50); открытие весьма высокой прочности, приближающейся к теоретической, нитевидных и доказательства возможности использования их для упрочнения металлических и неметаллических материалов (1950-60); разработка новых армирующих материалов - высокопрочных и высокомодульных непрерывных волокон бора, 23, и волокон других неорганических тугоплавких соединений, а также упрочнителей на основе металлов (1960-70).
В технике широкое распространение получили волокнистые Композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами, в которых армирующие элементы несут основную нагрузку, тогда как матрица передает напряжения волокнам. Волокнистые Композиционные материалы, как правило, анизотропны. Механические свойства их () определяются не только свойствами самих волокон (), но и их ориентацией, объемным содержанием, способностью матрицы передавать волокнам приложенную нагрузку и др. Диаметр непрерывных волокон бора, а также тугоплавких соединений (В4С, и др.) обычно составляет 100-150 мкм.
Волокнистые Композиционные материалы, в отличие от монолитных сплавов, обладают высокой усталостной прочностью s-1. Так, например, s-1 (база 107 циклов) сплавов составляет 130-150 Мн/м2 (13-15 кгс/мм2), в то время как у армированного борным волокном Композиционные материалы s-1 около 500 Мн/м2 (при той же базе). Предел прочности и модуль упругости Композиционные материалы на основе армированного борным волокном, примерно в 2 раза больше, чем у сплавов В-95 и АК4-1.
Важнейшими технологическими методами изготовления Композиционные материалы являются: пропитка армирующих волокон матричным материалом; формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы, получаемых намоткой; холодное прессование обоих компонентов с последующим спеканием, электрохимическое нанесение покрытий на волокна с последующим прессованием; осаждение матрицы плазменным напылением на упрочнитель с последующим обжатием; пакетная диффузионная сварка монослойных лент компонентов; совместная прокатка армирующих элементов с матрицей и другие.
Табл. 1. - Механические свойства волокнистых композиционных материалов с непрерывными волокнами
|
Упрочнитель (волокно)
|
|
Предел
|
Удельная
|
Модуль
|
Удельный
|
|
Матрица (основа)
|
материал
|
% (по объему)
|
Плотность, кг/м3
|
прочности, Гн/м3
|
прочность, кн-м/кг
|
упругости, Гн/м3
|
модуль упругости, Мн-м/кг
|
|
|
40
|
12500
|
0,8
|
64
|
265
|
21,2
|
|
|
50
|
9300
|
0,7
|
75
|
235
|
25,25
|
|
Карбид
|
25
|
4000
|
0,9
|
227
|
210
|
52
|
|
Борное волокно
|
45
|
2600
|
1,1
|
420
|
240
|
100
|
|
Стальная проволока
|
25
|
4200
|
1,2
|
280
|
105
|
23,4
|
|
Борное волокно
|
40
|
2000
|
1,0
|
500
|
220
|
110
|
|
волокно
|
50
|
1600
|
1,18
|
737
|
168
|
105
|
Полимерное связующее
|
Борное волокно
|
60
|
1900
|
1,4
|
736
|
260
|
136,8
| | | | | | | | | | |
Табл. 2.- Свойства нитевидных и непрерывных волокон<
Упрочнитель
|
Температура плавления, °С
|
Плотность, кг/м3
|
Предел прочности, Гн/м2
|
Удельная прочность, Мн•м/кг
|
Модуль упругости, Гн/м2
|
Удельный модуль упругости, Мн•м/кг
|
Непрерывные волокна
|
23
|
2050
|
3960
|
2,1
|
0,53
|
450
|
113
|
|
2170
|
2630
|
3,5
|
1,33
|
420
|
160
|
|
3650
|
1700
|
2,5
|
1,47
|
250-400
|
147-235
|
4
|
2450
|
2360
|
2.3
|
0,98
|
490
|
208
|
|
2650
|
3900
|
2,5
|
0,64
|
480
|
123
|
|
3400
|
19400
|
4,2
|
0,22
|
410
|
21
|
|
2620
|
10200
|
2,2
|
0,21
|
360
|
35
|
|
1285
|
1850
|
1,5
|
0,81
|
240
|
130
|
Нитевидные (усы)
|
23
|
2050
|
3960
|
28*
|
7,1
|
500
|
126
|
|
2400
|
3300
|
15*
|
4,55
|
380
|
115
|
4
|
2450
|
2520
|
14*
|
5,55
|
480
|
190
|
|
2650
|
3210
|
27*
|
8,4
|
580
|
180
|
24
|
1900
|
3180
|
15*
|
4,72
|
495
|
155
|
|
3650
|
1700
|
21*
|
12,35
|
700
|
410
|
*Максимальные значения.
В узлах конструкций, требующих наибольшего упрочнения, армирующие волокна располагаются по направлению приложенной нагрузки. Цилиндрические изделия и другие тела вращения (например, сосуды высокого давления) армируют волокнами, ориентируя их в продольном и поперечном направлениях. Увеличение прочности и надежности в работе цилиндрических корпусов, а также уменьшение их массы достигается внешним армированием узлов конструкций высокопрочными и высокомодульными волокнами, что позволяет повысить в 1,5-2 раза удельную конструктивную прочность по сравнению с цельнометаллическими корпусами. Упрочнение материалов волокнами из тугоплавких веществ значительно повышает их жаропрочность. Например, армирование сплава волокном (проволокой) позволяет повысить его жаропрочность при 1100 °С в 2 раза.
Весьма перспективны Композиционные материалы, армированные нитевидными (усами) керамических, полимерных и др. материалов. Размеры усов обычно составляют от долей до нескольких мкм по диаметру и примерно 10-15 мм по длине.
Разрабатываются Композиционные материалы со специальными свойствами, например радиопрозрачные материалы и радиопоглощающие материалы, материалы для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов, с малым коэффициентом линейного термического расширения и высоким удельным модулем упругости и другие. Свойства Композиционные материалы на основе и (прочность, модуль упругости, усталостная и длительная прочность) более чем в 2 раза (до 500 °С) выше, чем у обычных сплавов. Композиционные материалы на и основах увеличивают уровень рабочих температур от 1000 до 1200 °С, а на основе тугоплавких металлов и соединений - до 1500-2000 °С. Повышение прочностных и упругих свойств материалов позволяет существенно облегчить конструкции, а увеличение рабочих температур этих материалов дает возможность повысить мощность двигателей, машин и агрегатов.
Области применения Композиционные материалы многочисленны; кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной промышленности - для деталей двигателей и кузовов автомашин; в машиностроении - для корпусов и деталей машин; в горнорудной промышленности - для бурового инструмента, буровых машин и др.; в металлургической промышленности - в качестве огнеупорных материалов для футеровки печей, кожухов и другой арматуры печей, наконечников термопар; в строительстве - для пролетов мостов, опор мостовых ферм, панелей для высотных сборных сооружений и др.; в промышленности - для автоклавов, цистерн, аппаратов сернокислотного производства, емкостей для хранения и перевозки нефтепродуктов и др.; в текстильной промышленности - для деталей прядильных машин, ткацких станков и др.; в сельскохозяйственном машиностроении - для режущих частей плугов, дисковых косилок, деталей тракторов и др.; в бытовой технике - для деталей стиральных машин, рам гоночных велосипедов, деталей радиоаппаратуры и др.
Применение Композиционные материалы в ряде случаев потребует создания новых методов изготовления деталей и изменения принципов конструирования деталей и узлов конструкций.
Лит.: Волокнистые композиционные материалы, пер. с англ., М., 1967: Современные композиционные материалы, под ред. П. Крока и Л. Броутмана, пер. с англ., М., 1970; Туманов А. Т., Портной К. И., "Докл. АН СССР", 1971, т. 197, № 1, с. 75; 1972, т. 205, №2, с. 336; их же, "Металловедение и термическая обработка металлов", 1972, № 4, с. 24.
А. Т. Туманов, К. И. Портной. |
Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска
|
|
 |
 |
 |
|
|
|
Новости 21.11.2024 12:14:36
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
