Металлы, армированные волокнами.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Цель работы -Изучение, влияния матрицы композиционных материалов на их свойства; изучение влияния различных видов упрочнителя (наполнителя) на структуру и свойства композитов; изучение областей применения композитов.
Задачи:
1. Изучить влияние матрицы композиционных материалов на их свойства;
2. Изучить влияние различных видов упрочнителя (наполнителя) на структуру и свойства композитов;
3. Изучить областей применения композитов.
Краткие теоретические сведения
Композиционные материалы являются перспективными конструкционными материалами для различных отраслей машиностроения.
Композиционными материалами (композитами) называют искусственные материалы, получаемые сочетанием химически разнородных компонентов; основным компонентом является матрица, вторым – упрочнители (наполнители). Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи адгезии) между ними.
По характеру матрицы композиционные материалы подразделяют на полимерные, углеродные, керамические и металлические. По упрочнителю: на карбоволокниты (углепласты) - углеродные волокна; бороволокниты - борные волокна; органоволокниты - синтетические волокна (капрон, лавсан, нитрон и др.); металлы, армированные волокнами; стекловолокниты - стеклянные волокна.
Армирующие упрочняющие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей. Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80 %, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) - 20-30 % объемных.
С повышением прочности и модуля упругости волокон возрастает прочность и жесткость композиционного материала; свойства обуславливают прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению. Для повышения адгезии к волокнам проводят поверхностную обработку волокон.
Преимуществом композиционных материалов являются высокие прочность и жесткость, высокое сопротивление хрупкому разрушению, жаропрочность и термическая стабильность. Плотность композиционных материалов составляет – 1,35 до 4,8 г/см3.
Карбоволокниты.
Карбоволокниты (углепласты) - композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и наполнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон).
В качестве полимерных связующих применяют эпоксидные, фенолформальдегидные смолы, полиамиды и др.
Углеродные волокна получают термообработкой органических волокон. С увеличением температуры происходит образование гексагональных углеродных слоев, их рост и упорядочение. Структура волокон фибриллярная. В процессе вытяжки осуществляется ориентация кристаллов, что позволяет получить высокопрочные и высокомодульные углеродные волокна.
Высокая энергия связи С-С углеродных волокон обуславливает высокую и динамическую прочность карбоволокнитов при очень низкой температуре и температурах до 200-300°С. Связующими являются зпоксидные, фенолформальдегидные смолы, полиамиды и др. В отличие от стекловолокна карбоволокна плохо смачиваются связующими, поэтому их подвергают травлению, опперетированию, вискеризации.
Полимерные карбоволокниты водо- и химическистойкие. Их применяют в судо- и автомобилестроении, для изготовления подшипников, частей ЭВМ и др. Карбоволокниты с углеродной матрицей - для тепловой защиты, дисков, тормозов и др.
Бороволокниты.
Бороволокниты - композиции из полимерного связующего (модифицированные эпоксидные, полиамидные, кремнийорганические смолы) и упрочнителя - борных волокон.
Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела с матрицей. При температуре выше 400°С волокна окисляются и требуют нанесения защитных покрытий.
Бороволокниты обладают высокой прочностью при сжатии, сдвиге, срезе, высокими твердостью и модулем упругости, высокой усталостной прочностью, низкой ползучестью; они стойки в воде, к горючесмазочным, материалам, к воздействию проникающей радиации.
Бороволокниты обладают повышенной тепло- и электропроводностью, так как борные волокна являются полупроводниками. Изделия из бороволокнитов применяют в авиации и космической технике.
Органоволокниты.
Органоволокниты - композиции, состоящие из полимерного связующего (термореактивные смолы - эпоксидные, фенолформальдегидные, полиамиды и др.) и упрочнителей (наполнителей) в виде синтетических волокон эластичных (капрон, нитрон, лавсан) и жестких (винол и др.).
Структура органоволокнитов бездефектна. Пористость не превышает 1-3 % (в других материалах 10-20 %). Отсюда стабильность механических свойств при резком перепаде температур, действии ударных и циклических нагрузок. Недостаток материалов - низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть.
Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электрорадиопромышленности, автостроении, авиационной технике; из них изготавливает трубы, покрытия корпусов судов и др.
Металлы, армированные волокнами.
В качестве матриц используют различные металлы и сплавы, обладающие достаточной пластичностью - алюминий, никель, магний и др.
Количество упрочнителя (стальная, вольфрамовая проволока, борное, условное волокно и др.) составляет 30-60 % объемных композиций.
Композиция ВКА I (алюминиевая матрица, армированная высокомодульными непрерывными волокнами бора) по прочности, модулю упругости и выносливости (до 500°С) превосходит высокопрочные и жаропрочные алюминиевые сплавы, в 5 раз превосходит сплав САП-2 по длительной прочности при 400°С, а его удельная прочность выше, чем у сталей и титановых сплавов.
Армированные волокнами металлы, особенно алюминиевые, перспективны для авиационной и реактивной техники.
Стеклопластики.
Стеклопластики - композиции, составляющие из полимерного связующего (матрицы) и наполнителя - стекловолокна и его производных (стеклохолста, стеклоткани, стеклорогожи, рубленного стекловолокна и др. ).
Роль связующего могут выполнять различные высокомолекулярные смолы: термореактивные (эпоксидные, полиэфирные, фенолформальдегидные и др.) и термопластичные (поливинилхлорид, полиамид др.).
Стекловолокно является армирующим элементом и воспринимает основные нагрузки при работе стеклопластика. Свойства стекловолокна зависят от содержания в его составе щелочных окислов, более высокими показателями обладают алюмосиликатные и алюмоборосиликатные стекла. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (обычно употребляется волокно диаметром 5-30 мкм). Стекловолокно негорючее, устойчиво к действию ультрафиолетовых лучей, химически стойко, имеет стабильные размеры, диэлектрик.
При применении короткого стекловолокна можно получить изотропные стекловолокниты. В качестве связующего чаще всего применяются ненасыщенные полиэфирные смолы. Ориентированные стекловолокниты имеют наполнителем длинные волокна. Стекловолокниты могут работать в диапазоне температур от -60 до +200 °С, в условиях тропиков.
В стекловолокнитах в качества наполнителя применяют стеклоткани различного переплетения (полотняного, сатинового, кордового).
Особенностью стеклопластиков является неоднородность механических свойств (разброс показателей составляет 7-15 %). Долговечность изделий из стеклопластиков зависит от их состава и внешних условий эксплуатации (влаги, температура, напряжений). Работоспособность у стеклопластиков выше, чем у металлов. Недостатком стеклопластиков является невысокий модуль упругости.
Стеклопластики как конструкционный материал применяются в различных отраслях техники (корпуса катеров, судов, приборов; кожухи, контейнеры, трубы; несущие детали летательных аппаратов и др.).
Литература: / I /, с. 397-421; / 8 /, с. 7-123.