2015-05-26
3768
Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение в промышленности. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная, полиамидная. Угольные матрицы коксованные или получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу (разложение, распад). Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.
Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними.
Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60–80 об. %, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) – 20–30 об. %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.
По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.
В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим компонентом, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоскостные слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создавать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.
Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей (рис. 17.7). Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.
Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем расположения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырех направленных материалов сложнее, чем трех направленных.
Наиболее эффективными с точки зрения использования в самых жестких условиях сухого трения являются антифрикционные материалы на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ).
Рис. 17.7. Схема армирования композиционных материалов:
1 – прямоугольная, 2 – гексагональная, 3 – косоугольная,
4 – с искривленными волокнами, 5 – система из n нитей
Для ПТФЭ характерен достаточно высокий статический коэффициент трения, однако в процессе трения скольжения на поверхности ПТФЭ образуется очень тонкий слой высокоориентированного полимера, способствующий выравниванию статического и динамического коэффициентов трения и плавному движению при скольжении. При изменении направления скольжения наличие ориентированной поверхностной пленки вызывает временное увеличение коэффициента трения, значение которого снова уменьшается по мере переориентации поверхностного слоя. Такое поведение ПТФЭ при трении обусловило его широкое применение в промышленности, где главным образом используют ненаполненный ПТФЭ для производства подшипников. Во многих случаях несмазываемые подшипники должны работать при более высоких скоростях трения. При этом для ненаполненного ПТФЭ характерны высокие значения коэффициента трения и скорости износа. В качестве материалов для несмазываемых подшипников, работающих в таких условиях, широкое применение нашли композиционные материалы, чаще всего на основе ПТФЭ.
Наиболее простым путем уменьшения относительно высокой скорости износа ПТФЭ при сухом трении является введение порошкообразных наполнителей. При этом повышается сопротивление ползучести при сжатии и наблюдается значительное увеличение износостойкости при сухом трении. Введение оптимального количества наполнителя позволяет повысить сопротивление износу до 104 раз.
Полимеры и композиционные материалы на их основе обладают уникальным комплексом физико-механических свойств, благодаря которым они успешно конкурируют с традиционными конструкционными сталями и сплавами, а в ряде случаев без применения полимерных материалов невозможно обеспечить требуемые функциональные характеристики и работоспособность специальных изделий и машин. Высокая технологичность и малая энергоемкость технологий переработки пластмасс в изделия в сочетании с вышеназванными достоинствами ПКМ делают их весьма перспективными материалами для деталей машин различного назначения.
Тесты для контроля текущих знаний
1. Титан имеет две полиморфические модификации. При какой температуре происходит полиморфное превращение?
1) 950 °С.
2) 882,5 °С.
3) 911 °С.
4) 768 °С.
2. Латуни и бронзы – это сплавы на основе:
1) алюминия;
2) меди;
3) цинка;
4) магния.
3. Латунь Л80. Цифра в маркировке обозначает:
1) твёрдость;
2) временное сопротивление;
3) содержание меди;
4) содержание цинка.
4. Из предложенных марок сплавов выберите марку свинцовистой бронзы:
1) Бр А7;
2) ЛК 80–3;
3) Бр ОЦС 4–4–2,5;
4) Бр С30.
5. Какой из предложенных химических элементов является эффективным измельчителем зерна в магниевых жаропрочных сплавах?
1) Марганец;
2) кремний;
3) цирконий;
4) молибден.
6. Какое свойство алюминия используют для изготовления теплообменников в промышленных и бытовых холодильных установках?
1) Отражательную способность;
2) коррозионную стойкость;
3) теплопроводность;
4) электрическую проводимость.
7. Высокая коррозионная стойкость алюминиевых сплавов обусловлена:
1) типом кристаллической решетки;
2) наличием тонкой окисной плёнки Al2O3;
3) наличием примесей;
4) легированием хромом.
8. Какой из предложенных деформируемых алюминиевых сплавов подвергается упрочняемой термообработке?
1) АМц1;
2) АМг5;
3) Д16;
4) АМг2.
9. Основным легирующим элементом литейных алюминиевых сплавов (силуминов) является:
1) магний;
2) титан;
3) кремний;
4) медь.
10. Что не входит в признаки классификации полимеров?
1) Форма молекул;
2) полярность;
3) отношение к нагреву;
4) количество макромолекул.
11. Какой из предложенных материалов относится к неорганическим полимерам?
1) Силикатные стёкла;
2) эпоксидная смола;
3) натуральный каучук;
12. Какой из предложенных материалов относится к органическим полимерам?
1) Асбест;
2) керамика;
3) фенолформальдегидная смола;
4) слюда.
13. Какое свойство из предложенных является недостатком пластмасс?
1) Малая плотность;
2) невысокая теплостойкость;
4) электроизоляционные свойства.
14. Резина отличается от других материалов высокими эластическими свойствами. Какой компонент резины влияет на эти свойства?
1) Мягчитель;
2) противостаритель;
3) каучук;
4) наполнитель.
15. Стекла подразделяют на неорганические и органические. Какое стекло применяется для остекления самолётов?
1) Силикатное;
2) органическое;
3) боратное;
4) боросиликатное.
16. Чем ситталы отличаются от неорганических стёкол?
1) Кристаллическим строением;
2) мелкозернистой структурой;
3) основой пластмассы;
4) видом стеклообразующего элемента.
17. Какое свойство ситталов делает их малочувствительными к поверхностным дефектам?
1) Отсутствие пористости;
2) большая абразивная стойкость;
3) небольшая усадка;
4) однородная микрокристаллическая структура.
18. Физико-механические свойства искусственного графита зависят от природы исходного сырья. Какие исходные материалы используются при производстве графита?
1) Нефтяной кокс и каменноугольный пек;
2) глинозём;
3) нефтепродукты;
4) силумины.
19. Композиционные материалы состоят из матрицы и упрочнителей. Какой из предложенных металлов может служить матрицей?
1) Железо;
2) вольфрам;
3) алюминий;
4) ванадий.
20. Композиционные материалы (КМ) типа «сэндвич» относятся:
1) к дисперсно-упрочняемым КМ;
2) к слоистым КМ;
3) к армированным КМ;
4) к волокнистым.
21. САП – спеченная алюминиевая пудра представляет собой алюминий, упрочнённый окислами:
1) SiO2;
2) B2O3;
3) Al2O3;
4) MgO.
22. Какие матрицы относятся к угольным?
1) Коксованная;
2) эпоксидная;
3) фенолформальдегидная;
4) полиамидная.
