Композиционные материалы (КМ)

1.1. КМ – новейшая группа конструкционных материалов.

Композиционные материалы (КМ) – новейшая группа конструкционных материалов, получаемых с использованием различных технологий.

КМ представляют собой гетерофазные системы, получаемые из двух или более компонентов с сохранением индивидуальности каждого отдельного компонента.

Признаки КМ:

· состав и форма компонентов материала определены заранее;

· компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих заданные свойства материала;

· материал является однородным в макромасштабе (компоненты различаются по свойствам, между ними существует явная граница раздела).

Наиболее перспективные композиционные материалы с полимерной матрицей (ПКМ) и с металлической матрицей (МКМ).

Свойства ПКМ и МКМ:

ПКМ – термопласты, реактопласты, эластомеры.

МКМ – бороалюминий, углеалюминий, с оксидными волокнами в матрице на основе никеля.

Литейные композиционные материалы (ЛКМ) – композиционные материалы с металлической матрицей получаемые литьём.

В зависимости от вида дисперсных частиц и механизма упрочнения ЛКМ могут быть:

1) дисперсно – упрочнённые

2) упрочнёнными частицами

3) армированные волокнами

1.2. Виды КМ в машиностроении.

Три основных класса КМ по Браутману и Кроку:

1) дисперсно – упрочнённые

2) упрочнёнными частицами

3) армированные волокнами

Приведённая классификация построена по признаку формы и размеров дисперсной или армирующей фазы, а также с учётом механизма упрочнения композиции.

Усовершенствованная классификация КМ:

По расположению фаз

- изотропные

- анизотропные

По геометрии фаз

- дисперсноупрочнённые композиты, армированные частицами;

- волокнистые композиты

- слоистые композиционные материалы.

По природе матрицы:

1. Металлические композиционные материалы или композиционные материалы на основе металлов и сплавов

2. Композиционные материалы на основе интерметаллидов

3. Керамические композиционные материалы

4. Композиционные материалы на основе неметаллических компонентов

5. Композиционные материалы с матрицей из полимеров

КМ, полученные жидкофазным и твёрдофазными методами.

К жидкофазным методам относят:

1) Пропитка; 2) направленная кристаллизация сплавов

К твёрдофазным –

Прессование, волочение, прокатка, ковка, штамповка, уплотнение взрывом, диффузная сварка

1.3. КМ с полимерной матрицей (ПКМ).

От полимерной матрицы зависят свойства ПКМ:

Матрица определяет тепло-, влаго-, огне- и химстойкость ПКМ

Полимерную матрицу выбирают исходя из:

1) из условий эксплуатации изделия

2)технологических условий изготовления изделия

Полимеры, используемые в качестве матрицы для ПКМ:

- Политетрафторэтилен

- Полиамид

- Полиэтилен

- Полиформальдегид

-

Свойства зависящие от полимерной матрицы:

Температурное поведение, ударная прочность, водо- и тмосферостойкость, химическая стойкость, механические свойства ПКМ при сжатии, сдвиге в плоскости сечения образца, межслоевой и ударной прочности композита

Армирующие компоненты ПКМ определяются свойствами, которые они должны придать КМ.

Для придания твёрдости и износостойкости в полимерную матрицу вводят твердые вещества в виде частиц или волокон:

Частицы карбидов, оксидов, нитридов, алюминиевую пудру

Для снижения плотности, коэффициента трения, удешевления материала вводят:

Древесная мука, асбест, стекловолокно, хлопчатобумажные очесы, бумага и др.

Степень влияния армирующих компонентов на свойства ПКМ зависит от ряда факторов:

От природы волокна, его структуры, степени кристалличности, определяемой величиной и характером надмолекулярных образований, равномерностью их распределения в волокне и степенью ориентации

Характерной особенностью исследований о композиционных материалах является изучение этого взаимодействия в целях его регулирования для получения материалов с заранее заданными свойствами. К армирующим фазам для ПКМ предъявляются следующие требования:

1) Размер частиц

2) Адгезионные свойства

3) Прочность

4) Коэффициент трения

Армирующие материалы

Органические Неорганические

Армирующие материалы

могут быть по структуре

Волокнистые. Слоистые Наполненные

Природа наполнителя ввиду важности этого компонента отражается в классификации и в названиях ПКМ.

Например: стеклопластики – с армирующей фазой на основе стекловолокна и стеклотканей;

углепластики – с армирующей фазой на основе нитей углерода

текстолиты – армированные хлопковыми волокнами

асбопластики, гетинаксы – слоистый прессованный материал, имеющий бумажную основу, пропитанную феноловй или эпоксидной смолой

органоволокниты – с армирующей фазой на основе синтетических волокон – капрона нитрона, нейлона лавсана

пресс–порошковые ПКМ – с армирующей фазой на основе пресс-порошка – белая глина, полиэтилена и полипропилена,древесную муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна

боропластики – содержат в качестве упрочняющего (армирующего)наполнителя борные волокнистые материалы

1.4. КМ с металлической матрицей (МКМ).

Свойства МКМ, отличающие их от ПКМ:

Теплостойкость, жесткость, высокая прочность при малых сечениях

МКМ

эвтектические композиты, армированные

композиции (ЭКМ) частицами и волокнами

Свойства ЭКМ:

1) жаропрочность

2)сопротивление ползучести

Преимущества ЭКМ: Хорошее сопряжение матрицы с упрочняющей фазой и высокая термодинамическая стабильность структуры

Недостатки ЭКМ: Анизотропия, разброс прочности

Чаще всего используются следующие составы ЭКМ:

Ni-Ni³Nb, AI-CuAI², Ta-Ta²C

Основой эвтектических композиций является жаростойкие и жаропрочные металлы:

Никель, кобольт, хром, алюминий, титан

Это в основном определяет и область применения ЭКМ в машиностроении. Шире возможности МКМ, армированных частицами или волокнами. Эти материалы классифицируются в зависимости то матрицы и армирующей фазы.

В качестве матриц чаще всего используются:

Алюминий, никель, кобольт, железо, ниобий,

Выбор матричного сплава в МКМ, как и в ПКМ, зависит от технологических свойств, которые эта матрица придаёт материалу.

Наиболее перспективными в качестве армирующих элементов для МКМ являются волокна:

Нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора

Волокна в МКМ используются чаще всего для придания деталям повышенной прочности и жесткости.

1.5. Свойства различных композиционных материалов и их применение в машиностроении.

Таблица 3

Свойства и применение КМ с полимерной матрицей (ПКМ).

№	ПКМ	Свойства	Применение
1.	На основе полиэтилена	Обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того они прозрачны для радио волн	В строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов
2.	На основе фторопластов с порошками никеля	Снижение горючести	Строительстве, ответственные конструкции, для высокой огнестойкостью
3.	Стеклопластики на основе фторопластов	Повышенная износостойкость, прочность, твёрдость или упругость	Специзделий, электроизоляционной и конденсаторной пленок, электротехнических изделий и других изделий повышенной надежности
4.	На основе формальдегидных смол	На основе формальдегидных смол	Строительство, изготовление бытовых предметов
5.	На основе поликарбоната дифлона СТН	Высокие электрические свойства	Для изготовления диэлектриков и защитных пленок
6.	На основе эпоксидных смол	Высокая прочность, низкая влагопроницаемость, высокая химстойкость	Строительство
7.	На основе фенольных смол	Отличаются высокой твердостью, тепло – и термостойкостью, совершенно не растворимы	В производстве высоковольтной изоляции, зубчатых колес, подшипников с водяной смазкой, декоративных пластиков для облицовки столов и стен

Таблица 4

Свойства и применение КМ с металлической матрицей (МКМ).

№	МКМ	Свойства	Применение
1.	КМ алюминий углерод Оксид алюминия армированный усами SiC; Оксида алюминия, армированной нитевидными кристаллами AI2O3 и SiC	Механическая прочность, абразивостойкость, огнеупорность, химическая инертность	При производстве огнеупоров, в микроэлектронике
2.	КМ алюминий карбид кремния ,	Эффект увеличения прочности невелик, но увеличивается жаропрочность	Изделия из этих сплавов способны к длительной работе
3.	КМ алюминий корунд	Повышенная жаростойкость	Автомобилестроение
4.	КМ алюминий сталь	Снижается модуль упругости, но самый высокий предел выносливости	Применяется в конструкциях, которые подвергаются циклическим нагрузкам
5.	КМ на основе магния и его сплавов МА2-1, МА5, МА8	Хорошие удельные свойства, стабильный температурный коэффициент линейного расширения в широком диапазоне температур; лёгкость конструкции	В авиационной технике
6.	КМ на основе титана Титан армированный волокнами бора или карбида кремния	КМ с повышенной жёсткостью и малой массой, пониженная усталостная прочность	Жаропрочные материалы
7.	На основе меди Оксид меди армированный вольфрамовыми волокнами	Повышенные прочностные и механические свойства	Строительство, авиастроение, электроника
8.	На основе никеля	Малая плотность, повышенная температуро- и жаростойкость	Применение где требуется повышенная жаропрочность

1.6. Основы технологии получения и конструирования деталей из композиционных материалов.

Важнейшей технологической особенностью производства КМ является то, что в них сочетаются и взаимодействуют самые разные материалы.

По видам межфазного взаимодействия различают три класса КМ:

1 ) У которых волокна и матрица взаимно нерастворимы и не образуют химических соединений

2) У которых волокна и матрица образуют друг с другом твёрдые растворы и не образуют химических соединений

3) У которых волокна и матрица взаимодействуют с образованием химических соединений

Таблица 5

Основные стадии технологического процесса получения ПКМ.

Технологический процесс получения изделий из композиционных

полимерных материалов делится на два этапа: получение заготовки заданной конфигурации и ее формование для достижения высокой прочности и жесткости.

№	Стадии технологического процесса	Операция
1.	контактное формование с укладкой пропитанного смолой волокнистого холста на форму	- Изготовить модели и вставки - По модели методом выкладки или полива получить оболочку- форму - Форму отделить от модели и полировать (для облегчения извлечения формуемых изделий) - На отполированную форму наносят несколько слоёв пастообразного парафина - Нанести наружный смоляной слой - Вылить в подготовленную форму материал - После отверждения изделие извлекают из формы и подвергают механообработке
2.	напыление волокнисто-полимерной композиции на поверхность формы;	Отличается от метода ручной укладки, тем что волокнистая арматура в виде бесконечного ровинга рубится на короткие отрезки – штапельки и доставляется в открытую форму одновременно со смесью состовляющей смолы и катализатора
3.	различные способы формования в закрытой форме;	В массовом производстве используют напыление с применением роботов.
4.	намотка пропитанного смолой волокна на форму;
5.	пултрузия, или формование профильных изделий путем протяжки волокна через ванну с полимером и калибрующую фильеру
6.	Механическая обработка заготовки	Обработка точением, фрезерованием, шлифованием, полированием, сверлением и т.д.
7.	Контроль качества изделия	Контроль качества исходных компонентов, по операционный контроль ТП, контроль состава ПКМ, проверка размеров изделия, выявление внутренних дефектов с помощью контрольной аппаратуры

Технология получения деталей машин из КМ с металлической матрицей аналогичен приготовлению ПКМ.

В тоже время для каждой группы КМ с металлической матрицей имеются свои особенности в технологии.

МКМ на основе алюминия.

Применяют жидкофазные и твёрдофазные методы, а также метод охлаждения. МКМ на основе магния – технологии пропитки, компрессионного литья и горячего изостатического прессования на основе титана – метод литья. Твёрдофазные процессы представляют собой – спекание волокон или нитевидных кристаллов с матрицей представляющей собой порошки металлов. Жидкофазные процессы – заключаются в пропитке упрочняющих волокон или нитевидных кристаллов, расположенных в определённой последовательности или беспорядочно, расплавом матрицы.

Горячее прессование применяют для КМ применяют в тех случаях, где требуется получить высокие механические и физические свойства. Достоинства - быстрое уплотнение материала и получение изделия с минимальной пористостью

Матрица в этом случае представляет собой форму изделия и исходя из тяжёлых условий работы её материалы должны обладать высокой жаропрочностью, химической стойкостью, термостойкостью, хорошей теплопроводностю и износостойкостью

Жидкофазный процесс:

1) направленная кристаллизация

2) Протягивание нитей и жгутов волокон через матричный расплав

3) Пропитка жгутов и каркасов волокон

Основные технологические варианты жидкофазных методов (пропитки):

1) Вакуумная

2) Компрессионная

3) При нормальном давлении

4) Вакуумно-компрессионная

1.7. Принципы и проблемы конструирования деталей из композиционных материалов.

Среди основных требований к современным конструкционным материалам – высокая жесткость и надёжность в работе.

Для повышения удельного модуля упругости используют:

Введением высокомодульных и высокопрочных веществ, например - бора

При выборе и конструировании материала учитываются условия эксплуатации, т.к. они определяют долговечность конструкции. Статические свойства обычных сплавов могут быть улучшены за счёт

Введения легирующих элементов и способов получения этих материалов.

Поэтому наиболее важной задачей при создании КМ наряду с увеличением статической и длительной прочности является снижение чувствительности к надрезам и дефектам.

В КМ такое снижение достигается за счёт:______________

________________________________________________________________________________________________________________

Сочетание высокой жесткости и прочности с необходимой вязкостью и нечувствительностью к трещинам достигается сочетание высокомодульных и высокопрочных веществ, например:__

________________________________________________________________________________________________________________

Конструирование машиностроительных деталей из КМ проводятся в двух вариантах.

Если используется готовый КМ с известными свойствами, то процесс конструирования не отличается от обычного.

Если же для заданной детали требуется необычное сочетание свойств или различные свойства то КМ для такой детали может быть заранее рассчитан и затем синтезирован. Первый путь – экономичнее, второй – позволяет решать задачи оптимального проектирования. При втором варианте разработка новых КМ проводится в два этапа.

На первом – расчётном Выбрать материалы матрицы и волокон композита, оценить энергоёмкости изготовления возможных вариантов проектируемого материала

На втором – Для спроектированного материала рассчитать плотность, прочность, удельную прочность, энергоёмкость изготовления

Простому расчёту поддаётся ряд свойств КМ - Длина волокон, плотность, модуль упругости, концентрация волокон

Реальная величина этих свойств обычно находится между двумя крайними значениями, определяемыми из принципов равно упругого и равно напряженного состояний матрицы и армирующих компонентов (частиц или волокон).

Верхний предел этих свойств, и в первую очередь модуля упругости, определяется по правилу смесей

1) Концентрация обычно выражается через объём, в виде объёмных долей наполнителя, Vf и матрицы Vm, полученных из объёмов vf и vm отдельных компонентов:

Vf=vf/(vf+vm)

Vm=vm/(vf+vm)Vf+Vm=1

2) Объёмная доля также используется для предсказания теоретической плоскости композита,ƍ, на основе плотностей компонентов и в предложении полного отсутствия полостей;

3) Полная стоимость на единицу веса композита, С, также может быть рассчитана из объёмных долей и стоимостей отдельных компонентов и стоимости связующего на единицу веса композита, Ci:

C=Vfƍf/ƍCf+(1-Vf)ƍm/ƍCm+Ci

Нижний предел модуля упругости композита определяется из выражения

При определении модуля упругости и коэффициента Пуассона материалов с модулем упругости Е^с ≥ 20000 МПа и толщиной h ≥ 1,5 мм при нагрузке, не превышающей 50 % разрушающей, длину рабочей части образца принимают равной 60 мм. При нагрузке, близкой к разрушающей, и других значениях модуля упругости Е^с и толщины образца h длину рабочей части образца, обеспечивающую его устойчивость, определяют по формуле

,

где h	- толщина образца, мм;
μ	- коэффициент приведенной длины (для шарнирных опор μ = 1);
Ес	- модуль упругости материала образца в направлении приложения нагрузки, МПа;
	- критическое напряжение при сжатии, МПа, принимаемое для однонаправленных композиционных материалов равным ; для композиционных материалов с неоднонаправленной структурной = 1/2 ;
	- предполагаемый предел прочности при сжатии, принимаемый равным пределу прочности при растяжении, МПа;
Gz	- модуль межслойного сдвига материала образца, МПа.

Другие прочностные характеристики литейных КМ, упрочнённых частицами, определяются пока только экспериментально.

Для КМ с однонаправленными волокнами и с матрицей. Более пластичной, чем волокна, значение минимальной концентрации волокон определяется из условия

E_x=E_fV_f + E_mV_m = E_fV_f + E_m(1 – V_m)

Критическая концентрация волокон рассчитывается

Критическая длина волокна это длина волокна при которой начинается упрочнение при введении арматуры в матрицу. Она рассчитывается по формуле:
Lкр = Df * (бвf/2 * Tгр.),

где: Lкр критическая длина хаотичного дискретного волокна; Df диаметр волокна; бвf прочность при растяжении волокна; Tгр прочность границы "волокно-матрица".