Это композиционный материал – Композиционные и композитные материалы — свойства и классификация композиционных материалов

Содержание

Что такое композиционные материалы?

В истории развития техники может быть выделено два важных направления :

развитие инструментов, конструкций, механизмов и машин,
развитие материалов.

Какое из них главнее сказать сложно, т.к. они довольно тесно взаимосвязаны, но без развития материалов технический прогресс невозможен в принципе. Не случайно, историки подразделяют ранние цивилизационные эпохи на каменный век, бронзовый век и век железный.

Нынешний 21 век уже можно отнести к веку композиционных материалов (композитов).

Понятие композиционных материалов сформировалось в середине прошлого, 20 века. Однако, композиты вовсе не новое явление, а только новый термин, сформулированный материаловедами для лучшего понимания генезиса современных конструкционных материалов.

Композиционные материалы известны на протяжении столетий. Например, в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а древние египтяне добавляли рубленную солому в глиняные кирпичи. В Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555-1560 при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали армированные железными полосами каменные плиты. Прямыми предшественниками современных композиционнных материалов можно назвать железобетон и булатные стали.

Существуют природные аналоги композиционных материалов — древесина, кости, панцири и т.д. Многие виды природных минералов фактически представляют собой композиты. Они не только прочны, но обладают также превосходными декоративными свойствами.

Композиционные материалы — многокомпонентные материалы, состоящие из пластичной основы — матрицы, и наполнителей, играющих укрепляющую и некоторые другие роли. Между фазами (компонентами) композита имеется граница раздела фаз.

Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого существенно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Т.е. признаком композиционного материала является заметное взаимное влияние составных элементов композита , т.е. их новое качество, эффект.

Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, применяя специальные дополнительные реагенты и т.д., получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств.

Большое значение расположение элементов композитного материала, как в направлениях действующих нагрузок, так и по отношению друг к другу, т.е. упорядоченность. Высокопрочные композиты, как правило, имеют высокоупорядоченную структуру.

Простой пример. Горсть древесных опилок, брошенная в ведро цементного раствора никак не повлияет на его свойства. Если опилками заменить половину раствора — то существенно изменится плотность материала, его теплофизические константы, себестоимость производства и др. показатели. Но, горсть полипропиленовых волокон сделает бетон ударопрочным и износостойким, а полведра фибры обеспечат ему упругость, совсем не свойственную минеральным материалам.

В настоящее время в область композиционных материалов ( композитов ), принято включать разнообразные искусственные материалы, разрабатываемые и внедряемые в различных отраслях техники и промышленности, отвечающие общим принципам создания композитных материалов

Почему интерес к композиционным материалам проявляется именно сейчас ? Потому, что традиционные материалы уже не всегда или не вполне отвечают потребностям современной инженерной практики.

Матрицами в композиционных материалах являются металлы, полимеры, цементы и керамика. В качестве наполнителей используются самые разнообразные искусственные и природные вещества в различных формах ( крупноразмерные, листовые, волокнистые, дисперсные, мелкодисперсные, микродисперсные, наночастицы).

Известны также многокомпонентные композиционные материалы, в т.ч.:

полиматричные, когда в одном композиционном материале сочетают несколько матриц,
гибридные, включающие несколько разных наполнителей, каждый из которых имеет свою роль.

Наполнитель, как правило, определяет прочность, жесткость и деформируемость композита, а матрица обеспечивает его монолитность, передачу напряжений и стойкость к различным внешним воздействиям.

Особое место занимают декоративные композиционные материалы, имеющие выраженные декоративне свойства.

Разрабатываются композитные материалы со специальными свойствами, например радиопрозрачные материалы и радиопоглощающие материалы, материалы для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов, материалы с малым коэффициентом линейного термического расширения и высоким удельным модулем упругости и другие.

Композиционные материалы используются во всех областях науки, техники, промышленности, в т.ч. в жилищном, промышленном и специальном строительство, общем и специальном машиностроении, металлургии, химической промышленности, энергетике, электронике, бытовой технике, производстве одежды и обуви, медицине, спорте, искусствах и т.д.

Структура композиционных материалов.

По механической структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты.

Волокнистые композиты армируются волокнами или нитевидными кристаллами. Даже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к существенному улучшению механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон.

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в триплексах, фанере, клееных деревянных конструкциях и слоистых пластиках.

Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20-25% (по объему), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов еще меньше и составляют 10-100 нм.

Некоторые распространеные композиты

Бетоны — самые распространенные композиционные материалы. В настоящее время производится большая номенклатура бетонов, отличающихся по составам и свойствам. Современные бетоны производятся как на традиционных цементных матрицах, так и на полимерных ( эпоксидных, полиэфирных, фенолоформальдегидных, акриловых и т.д.). Современные высокоэффективные бетоны по прочности приближаются к металлам. Популярными становятся декоративные бетоны.

Органопластики — композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже — природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, обладают относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе. К наиболее распространенным органопластикам относятся древесные композиционные материалы. По объемам производства органопластики превосходят стали, аллюминий и пластмассы.

В зарубежной литературе в последнее время становятся популярными новые термины — биополимеры, биопластики и соответственно — биокомпозиты.

Древесные композиционные материалы. К наиболее распространенным древесным композитам относятся арболиты, ксилолиты, цементностружечные плиты, клееные деревянные конструкции, фанеры и гнутоклееные детали, древесные пластики, древесностружечные и древесноволокнистые плиты и балки, древесные прессмассы и пресспорошки, термопластичные древесно-полимерные композиты.

Стеклопластики — полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Стеклопластики обладают высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

Углепластики — наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Матрицами в угепластиках могут быть как термореактивные, так и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики — очень легкие и, в то же время, прочные материалы.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы — наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С.

Боропластики — композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Пресспорошки ( прессмассы). Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить др. Бакеланд (Leo H. Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола — вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бакеланд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал — бакелит — приобрел большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и наполнителя — пресс-порошок — под давлением необратимо затвердевает в форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это — ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются в самых разных областях техники. Для наполнения термореактивных и термопластичных полимеров применяются разнообразные наполнители — древесная мука, каолин, мел, тальк, слюда, сажа, стекловолокно, базальтовое волокно и др,

Текстолиты — слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х г.г. на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывают смолой, затем прессуют при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины или фасонные изделия. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, а иногда и неорганические связующие на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон — хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.

Композиционные материалы с металлической матрицей. При создании композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и т.д. Наполнителем служат высокопрочные волокна, тугоплавкие частицы различной дисперсности, нитевидными монокристаллы оксида алюминия, оксида бериллия, карбидов бора и кремния, нитридов алюминия и кремния и т.д. длиной 0,3-15 мм и диаметром 1-30 мкм.

Основными преимуществами композиционных материалов с металлической матрицей по сравнению с обычным (неусиленным) металлом являются: повышенная прочность, повышенная жесткость, повышенное сопротивление износу, повышенное сопротивление ползучести.

Композиционные материалы на основе керамики. Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами позволяет получать высокопрочные композиты, однако, ассортимент волокон, пригодных для армирования керамики, ограничен свойствами исходного материала. Часто используют металлические волокна. Сопротивление растяжению растет незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым ударам — материал меньше растрескивается при нагревании, но возможны случаи, когда прочность материала падает. Это зависит от соотношения коэффициентов термического расширения матрицы и наполнителя.

Армирование керамики дисперсными металлическими частицами приводит к новым материалам (керметам) с повышенной стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с повышенной теплопроводностью. Из высокотемпературных керметов делают детали для газовых турбин, арматуру электропечей, детали для ракетной и реактивной техники. Твердые износостойкие керметы используют для изготовления режущих инструментов и деталей. Кроме того, керметы применяют в специальных областях техники — это тепловыделяющие элементы атомных реакторов на основе оксида урана, фрикционные материалы для тормозных устройств и т.д.

Автор статьи: Абушенко Александр Викторович

Добавить в закладки:

Композитные и композиционные материалы разница. Композиционный материал. Вооружение и военная техника

Композитом называют сплошной неоднородный материал, который был искусственно создан из нескольких компонентов с разными физическими и химическими свойствами. Механические характеристики композитного материала определяет соотношение свойств матрицы и армирующих элементов, а также прочность их связи, которая обеспечивается при правильном выборе исходных компонентов и способе их совмещения.

Наиболее примитивным композитным материалом являются кирпичи из соломы и глины, которыми пользовались еще древние египтяне.

Чаще всего композитом называют материалы на основе смолы или полимерных матриц. Для изготовления композитных материалов используются фенольные, эпоксидные, винилэфирные, полиэфирные и полипропиленовые полимеры. Армирующими веществами при изготовлении композитов выступают сыпучие вещества и волокна. Прочность материала зависит от количества смолы – чем ее меньше, тем он прочнее. Сегодня для достижения идеальных пропорций всех компонентов в композитном материале постоянно совершенствуется технология формования.

Методы формования композитных материалов

В процессе формования матрица композитного материала объединяется с его армирующим веществом, в результате чего можно изготовить то или иное изделие. Термореактивные полимерные матрицы в процессе формования проходят через химическую реакцию отверждения. Термопластичные полимерные матрицы в процессе формования расплавляются и застывают в заданной форме. Данный процесс обычно проходит в комнатной температуры и нормального давления.

Самым распространенным композитом сегодня считается цемент с металлической арматурой или асфальтобетон.

Также существует контактное (ручное) формование, которое обладает рядом серьезных недостатков. В изделии, сформованном этим методом, содержится повышенное количество смолы, что делает его более хрупким. Кроме этого, при нем сложно достичь идеальных пропорций матрицы и армирующего вещества, а также соблюсти толщину изделия, избежав при этом внутренних воздушных ходов.

Процесс вакуумного формования предполагает использование открытой оснастки, в которую помещаются компоненты композита, накрываемые силиконовой мембраной или полимерной пленкой. Затем на оснастку в условиях атмосферного давления и повышенной температуры накладывают вакуум.

Знакомит читателя с композитами на основе металлов и керамическими композитными материалами. Также в ней рассказывается об основных видах применения композитов.

Органопластики с органическими волокнами естественного и искусственного происхождения. Легче, чем стекло- и углепластики. Отличаются высокой прочностью на удар, но низкой — на растяжение/изгиб. К пластикам этого типа относится, например, кевлар.
Текстолиты, изготовленные из матрицы из полимера и тканей различной природы в качестве наполнителя. Некоторые текстолиты изготавливаются с матрицей из неорганических веществ (силикатов, фосфатов). Свойства материалов очень разнообразны, зависят от вида волокон ткани. Волокна производят из хлопка, асбеста, базальта, стекла, искусственных материалов и пр.
Полимеры с порошковым заполнением (полиэтилены, полипропилены, смолы с различными наполнителями, например, тальком, крахмалом, сажей, карбонатом кальция и пр.) — разработано уже более 10 тыс. видов пластиков этого типа. Обратите внимание, что у нас можно купить различные наполнители и другое необходимое сырье для изготовления композитов.

Композиты на основе металлов

Металлокомпозиты изготавливают на основе многих цветных металлов, например, меди, алюминия, никеля. Для наполнения берутся волокна, устойчивые к высоким температурам, не растворяющиеся в основе. Чаще всего используются металлические волокна или монокристаллы из оксидов, нитридов, керамики, карбидов, боридов. Благодаря этому получаются композиты, гораздо более огнестойкие, прочные и износоустойчивые, чем исходный чистый металл.

Керамические композиты

Керамические композиты изготавливают методом спекания под давлением исходной керамической массы с добавлением волокон или частиц. В качестве наполнителей чаще всего применяются металлические волокна — получаются керметы. Они отличаются устойчивостью к тепловому удару, высокой теплопроводностью.

Керметы используются для производств

4.3 Полимерные композиционные материалы

СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полимерными композиционными материалами (ПКМ), или пластиками, называют системы, состоящие из полимерной матрицы (связующего) и упрочняющего наполнителя в виде волокон или порошкообразных веществ.

В настоящее время создана целая индустрия ПКМ. Из них изготавливают баллоны для сжатых газов, корпусы ракетных двигателей, цистерны для нефтепродуктов, лопасти винтов вертолетов, трубы для химических веществ, авиационные шасси, волноводы, понтоны, корпусы лодок, ракетки для тенниса, ружейные стволы, удочки, печатные электросхемы, рессоры автомобилей и многие другие изделия.

Одним из факторов, сдерживающих широкое применение ПКМ, в частности стеклопластиков, была их сравнительно низкая жесткость. За последние годы в связи с разработкой новых сортов стеклянных волокон с повышенным модулем упругости, а также таких высокомодульных волокон, как углеродные, борные, карбидокремниевые, удалось резко повысить жесткость пластиков. Угле — и боропластики имеют модуль Юнга, близкий к стали, а по удельной жесткости в несколько раз превосходят промышленные металлы. Это дало возможность применять ПКМ в ответственных, сильно нагруженных конструкциях, которые раньше изготавливались исключительно из металлов.

Во многих случаях, когда от изделий требуется высокая несущая способность при минимальном весе, высокопрочные и высокомодульные пластики оказываются эффективнее металлов. Кроме высоких механических характеристик и низкого удельного веса к числу ценных качеств ПКМ следует отнести их стойкость к воздействию кислот, щелочей, органических растворителей, масел и морской воды. Армированные пластики технологичны, обладают высокой демпфирующей способностью и вибростойкостью, радиопрозрачностью, тепло- и электроизоляционными свойствами, нечувствительностью к магнитному полю. Технологические процессы их производства можно полностью автоматизировать и механизировать, изделия из них имеют красивый внешний вид и не требуют специальной защитной окраски.

Основные преимуществами новых ПКМ по сравнению с МКМ: простота изготовления, технологичность, дешевизна, низкая плотность. Основной их недостаток — ограниченный температурный интервал эксплуатации, сравнительно низкие значения межслойной сдвиговой прочности и отрыва. Современные полимерные связующие могут обеспечить работоспособность изделий из них до температур, не превышающих 300 — 400С.

ПОЛИМЕРНЫЕ СВЯЗУЮЩИЕ

СВЯЗУЮЩЕЕ — это вещество или группа веществ, используемых в качестве матрицы в ПКМ. Выбирают связующее, в зависимости от требований, предъявляемых к механическим и физико-химическим свойствам ПКМ. Оно должно обеспечить заданную форму изделия, монолитность материала, и требуемый уровень тепло- и электропроводности и термического расширения, перераспределение напряжений, коррозионную стойкость, возможность переработки применяемыми в промышленности методами и экономическую эффективность. Обычно полимерные связующие аморфны и не имеют определенной точки плавления.

В качестве связующих в ПКМ применяют синтетические высокомолекулярные вещества различного химического состава — полимеры, которые были рассмотрены подробно ранее в разделе органические полимерные материалы.

Следует напомнить, что молекулы полимеров представляют собой соединения, состоящие из большого числа элементарных звеньев — мономеров. Строение молекул полимеров и химическая природа мономеров определяют свойства полимерных материалов.

Как было отмечено ранее, по поведению при нагреве и охлаждении полимерные материалы принято разделять на термопластичные и термореактивные.

В качестве связующих для конструкционных ПКМ, работающих под нагрузками, в подавляющем большинстве случаев используют термореактивные смолы.

Выбор связующего определяет особенности технологии изготовления ПКМ и его эксплуатационные свойства. Наиболее широко в производстве конструкционных ПКМ применяют эпоксидные, полиэфирные, фенольные, кремнийорганические и полиамидные смолы.

ВИДЫ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Некоторые из полимерных конструкционных материалов были рассмотрены при изучении темы «Пластмассы» в разделе «Термореактивные полимеры». Это такие материалы как асбоволокниты, стекловолокниты, гетинакс, текстолит, древеснослоистые пластики, материал СВАМ. Здесь будут рассмотрены другие виды полимерных композиционных материалов.

Стеклопластики — это ПКМ, содержащие в качестве наполнителя стеклянные волокна.

Стеклопластики — одни из первых конструкционных материалов на полимерной основе. Они наиболее полно изучены, их давно применяют в промышленности. В настоящее время выпускают стеклопластики с ориентированным (однонаправленным и перекрестным) и неориентированным (хаотичным) расположением волокон. В первом случае в качестве арматуры используют непрерывные, во втором случае — дискретные (рубленые или штапельные) волокна. Стекловолокно может иметь круглое или профильное сечение, быть сплошным или полым.

Ориентированные стеклопластики. Однонаправленные стеклопластики получают формованием набора слоев стеклошпона или намоткой на оправку пропитанных стеклянных жгутов. Характерный пример однонаправленного стеклопластика — стекловолокнистый анизотропный материал — СВАМ.

Наибольшую прочность и жесткость однонаправленные стеклопластики имеют вдоль волокон. Использование высокопрочных стеклянных волокон марок Е и ВМ-1 позволяет получить прочность однонаправленных стеклопластиков в направлении волокон 1600 – 2100 МПа, при этом удельная прочность в несколько раз выше, а модуль упругости имеет примерно такую же величину, как у лучших алюминиевых сплавов (табл. 4.3).

Однако прочность однонаправленных стеклопластиков в направлении, перпендикулярном к осям волокон, очень низка, она определяется в основном свойствами связующего и составляет несколько килограммов сил на квадратный сантиметр.

Перекрестноармированные ориентированные стеклопластикилишены этого недостатка. Их получают укладкой стеклошпона,

Таблица 4.3 – Физико-механические характеристики

некоторых конструкционных материалов

Материал	Плотность г/см³	Разрушающее напряжение при растяжении _р, МПа	Модуль упругости при растяжении Е, кгс/мм²
Однонаправленный стеклопластик на основе:
волокна Е	2,1	1600	56000
волокна ВМ-1	2,2	2100	70000
Ортогонально-перекрестный стеклопластик СВАМ (волокно Е):
10:1	1,9	950	54000
1:1	1,9	500	35000
Стеклотекстолит на основе волокна ВМ-1	1,95	860	37000
Сталь 30ХГСА	7,85	1600	210000
Дуралюмин Д16	2,8	460	72000

нитей или жгутов в различных направлениях или с использованием в качестве арматуры стеклотканей (стеклотекстолиты). Изменяя соотношение числа монослоев в различных направлениях, можно в широких пределах регулировать прочность и модуль Юнга стеклопластиков.

Механические свойства стеклотекстолитов можно варьировать, применяя различные марки волокон, идущих на изготовление стеклотканей, виды переплетения волокон в ткани (сатиновое, саржевое, полотняное), соотношение чисел волокон по основе и утку.

К числу новых ПКМ следует отнести стеклопластики, армированные полыми и профильными стеклянными волокнами. Стеклопластики с полыми волокнами меньше весят, у них повышенные удельные прочность и жесткость

при изгибе и сжатии. Кроме того, эти стеклопластики имеют низкую величину диэлектрической постоянной и достаточно прозрачны.

В ПКМ с полыми волокнами сложно обеспечить высокое качество самих волокон; кроме того, у них повышенное водопоглощение. Профильные волокна имеют сравнительно низкую прочность при растяжении ( 1400 МПа), что вызвано недостатками метода их формования.

Однонаправленные стеклопластики используют для изготовления профильных изделий — уголков, швеллеров, тавров, трубок; их применяют для усиления и снижения массы металлических конструкций — баллонов внешнего и внутреннего давлений.

Материалы с перекрестным армированием применяют в различных строительных конструкциях типа оболочек, в секциях крыльев, хвостового оперения и фюзеляжа самолетов. Из этих материалов получают плиты, трубы, контейнеры, корпусы ракетных твердотопливных двигателей, сосуды высокого давления, лопасти вертолетов, радиолокационные обтекатели, топливные баки, авиационную броню, корпусы машин, пресс-формы, предохранительные кожухи станков, изоляторы для электродвигателей и трансформаторов, футеровку емкостей для химического машиностроения и многие другие изделия для различных областей техники.

Один из существенных недостатков ориентированных пластиков — их низкая прочность при межслоевом сдвиге. Этот недостаток в значительной степени преодолен в стеклопластиках с пространственным армированием. Получают его, применяя в качестве наполнителя многослойные пространственно сшитые стеклоткани. При этом сдвиговая прочность КМ возрастает в 2 — 2,5 раза, но из-за существенного искривления волокон уменьшается прочность при растяжении.

Неориентированные стеклопластики содержат хаотично расположенные в плоскости (реже в пространстве) короткие волокна и характеризуются большей, чем у ориентированных пластиков изотропией свойств. Их прочность и жесткость меньше, но в то же время и цена ниже, чем у ориентированных пластмасс. К числу неориентированных стеклопластиков относят пресс — волокниты. Их получают из стекловолокон длиной 5 — 100 мм и частично отвержденного связующего формованием в пресс — формах при высоких давлениях. Физико-механические свойства некоторых отечественных волокнитов приведены в таблице 4.4.

Отечественная промышленность выпускает также стеклопластики на основе матов (стеклохолстов) из хаотично расположенных нитей или штапельных волокон, скрепленных между собой механически (прошивкой) либо с помощью различных эмульсий и смол. Маты, совместно со связующим, подвергают контактному или вакуумному формованию. Такие стеклопластики самые дешевые.

Таблица 4.4 – Физико-механические свойства некоторых

отечественных пресс волокнитов

Показатели	АГ-4В	33-18В	П-5-2	КМС-9	РТП-170	РТП-200
Плотность, г/см³	1,7-1,9	1,9	1,7-1,8	1,6 –1,9	1,7–1,85	1,75-1,85
Разрушающее напряжение, при:
растяжении, МПа	80	130-180	—	15-18	—	—
изгибе, МПа	120	200	140	40	70	60
сжатии, МПа	130	150	130	80	40	60
ударная вязкость, кДж/м²	30	200	50	17	60	80

К неориентированным стеклопластикам относятся также материалы, получаемые одновременным напылением рубленных волокон и связующего на форму. Такая технология позволяет механизировать получение заготовок и снизить стоимость ПКМ.

Неориентированные пластики применяют в производстве светопрозрачных покрытий для теплиц, корпусов лодок, автомобилей, мебели, дачных домиков, покрытий полов, облицовки бетонных и железобетонных конструкций, силовых деталей электрооборудования и др.

В настоящее время в стоматологии для пломбирования, протезирования и восстановления анатомической формы зубов применяются также полимерные композиционные материалы, которые можно отнести к стелопластикам. Таким материалом, например, является светоотверждаемый микрогибридный композиционный пломбировочный материал ”LATELUX”. Матрицей этого материала являются термореативные полимерные материалы, а наполнителем мелкозернистое барий-алюминий-боросиликатное стекло и диоксид кремния со средним размером частиц 0,6 мкм. Содержание наполнителя составляет 60,8%. Затвердевает материал под воздействием видимого света в течении 60 с на глубину 4,5 — 6,0 мм.

Углепластики — это ПКМ, содержащие в качестве наполнителя углеродные волокна. В литературе углепластики называют также карбоволокнитами, карбопластами и углеродопластами.

В зависимости от температуры нагрева исходных волокон получают низко- и высокомодульные углеродные волокна, которые выпускают в виде жгутов и лент различной ширины.

Углепластики с низкомодульными волокнами в качестве конструкционных не используют. Из них изготавливают токопроводящие, теплозащитные и антифрикционные материалы.

Для конструкционных углепластиков характерны низкая плотность высокий модуль упругости, прочность, термостойкость, низкий коэффициент линейного расширения, высокие тепло- и электропроводность.

Свойства материалов определяются материалом связующего, свойствами, концентрацией и ориентацией волокон. Углепластики на основе эпоксидных смол имеют высокие характеристики прочности при температурах ниже 200С.

По удельной прочности и жесткости углепластики оставляют далеко позади стеклопластики, сталь, алюминиевые и титановые сплавы.

В углепластиках, предназначенных для длительной работы при температурах до 250С, используют фенольные смолы, до 300С — кремнийорганические и до 330С — полиимидные связующие.

Разрабатываются связующие с рабочими температурами до 417С.

Еще более выраженным, чем у стеклопластиков, недостатком углепластиков является низкая прочность при межслоевом сдвиге. Это связано со слабой адгезией полимеров к углеродным волокнам.

Анизотропия свойств у углепластиков выражена еще более резко, чем у стеклопластиков. Связано это с тем, что отношение модулей упругости наполнителя и связующего у углепластиков существенно выше, чем у стеклопластиков. Кроме того, для углепластиков характерно наличие разницы между упругими свойствами самих волокон вдоль оси и перпендикулярно к ней, что приводит к дополнительной анизотропии.

Углепластики отличает высокое сопротивление усталостным нагрузкам. По величине предела выносливости на единицу массы углепластики значительно превосходят стеклопластики и многие металлы. Ценное свойство углепластиков — их высокая демпфирующая способность и вибропрочность. По этим показателям углепластики превосходят металлы и некоторые другие конструкционные материалы.

Сочетание высокой жесткости, усталостной и вибрационной прочности делает углепластики перспективным материалом для конструкций, которые работают в условиях возможного возникновения флаттера (обшивки самолетов, лопасти вентиляторов двигателей и т.п.) и для других деталей летательных аппаратов.

Характерная особенность углепластиков — высокая теплопроводность, которая зависит от объемной доли и ориентации волокон, а также от направления теплового потока. Так, теплопроводность однонаправленного углепластика на эпоксидном связующем в направлении оси волокон составляет около 13 ккал/(мּСּч), что близко к теплопроводности титана, а в перпендикулярном направлении она равна 0,54 — 0,8 ккал/(мּСּч), что всего в 1,5 — 2 раза выше, чем у стеклопластиков.

Углепластики обладают достаточно высокой электропроводностью, что позволяет применять их как антистатические и электрообогревающие материалы.

В некоторых случаях применение в качестве наполнителя только углеродных волокон не обеспечивает необходимую вязкость, эрозионную стойкость, прочность при сжатии, растяжении и сдвиге. Тогда связующие одновременно армируют углеродными и стеклянными или углеродными и борными волокнами. Комбинированное армирование позволяет расширить диапазон значение прочности, жесткости и плотности ПКМ. Полимерные материалы, армированные углеродными и стеклянными волокнами, называют углепластиками или карбостекловолокнитами. Полимерные материалы, в которых в качестве наполнителя используются углеродные и борные волокна, называют углеборопластиками или карбобороволкнитами.

Применяются углепластики в первую очередь в таких отраслях новой техники, как космонавтика, авиация и ядерная техника. Именно здесь нужны материалы с высокой прочностью и жесткостью при низкой плотности. Кроме того, относительно высокая (по сравнению со стеклопластиками и металлами) стоимость этих ПКМ, обусловленная недостаточно большими пока масштабами производства, для этих областей промышленности не становится препятствием.

В космической технике углепластики применяют для солнечных батарей, баллонов высокого давления, теплозащитных покрытий.

ПКМ с углеродными волокнами используют в качестве конструкционных радиационно-стойких материалов для рентгеновской аппаратуры и космических приборов, изготовления контейнеров, используемых в ядерных экспериментах (графит имеет малое сечение захвата нейтронов).

Химическая стойкость углепластиков позволяет применять их в производстве кислотостойких насосов, уплотнений и т.д.

Углеродные волокна имеют низкий коэффициент трения — и это дает возможность использовать их в качестве наполнителя для различных связующих, из которых делают подшипники, прокладки, втулки, шестерни.

УУКМ — углерод-углеродные композиционные материалы, представляют отдельную группу углепластиков, у которых армирующим волокном является углеродное волокно, а матрицей пироуглерод, кокс каменноугольного и нефтяных пеков и стеклоуглерод.

Свойства углеродных волокон были рассмотрены ранее. Матричные материалы представляют собой, как правило, одну из переходных форм углерода, которые были рассмотрены ранее при изучении свойств графита.

Свойства УУКМ аналогичны свойствам других углепластиков. Однако их отличает то, что для них характерно некоторое улучшение механических свойств с повышением температуры. Это объясняется релаксацией внутренних напряжений за счет улучшения пластических свойств при повышенных температурах и “залечиванием” дефектов вследствие термического расширения материала при повторном нагреве до температуры изготовления. На рисунке 4.9 показано изменение прочности при испытаниях на растяжение с изменением температуры УУКМ. Как видно, прочность на растяжение в направлении осей z и x увеличивается. С увеличением температуры увеличивается и коэффициент линейного термического расширения и теплопроводности.

Применяются УУКМ в авиастроении для изготовления тормозных дисков толщиной не более 25 мм. Диски эксплуатируются в самолетах “Конкорд”. Для самолета “Мираж -2000” используют конструкции тормозных дисков из УУКМ марки “Сепкарб — 45” и “Сепкарб — 43”. Это позволяет снизить массу тормозных систем на 42 — 48%.

Применяются УУКМ в возвращаемых космических объектах. Так в программе “Apollo” из УУКМ “Пирокарб — 406” изготавливали наружную стенку контейнера для хранения капсулы с изотопами.

Рисунок 4.9 – Зависимость прочности при испытаниях на

растяжение УУКМ от температуры

(УУКМ трехмерного армирования;

распределение прядей 2х, 2у, 3z;

прочность на растяжение в направлениях:

1- х, 2 – у)

Для теплозащиты космического корабля “Шаттл” используется углерод-углеродный композиционный материал, сохраняющий прочность при нагреве до температур 1650С.

В металлургической промышленности из УУКМ изготавливают пресс-формы для горячего прессования тугоплавких металлов и сплавов. Эти пресс-формы отличаются высокой прочностью, термостабильностью, высоким сопротивлением к термическому удару, малой массой, химической инертностью, способностью быстро охлаждаться и, кроме того, более длительным сроком эксплуатации. Штампы из УУКМ сохраняют прочность до температур 1000С. Наиболее часто используется композиционный материал марки “Карбитекс”. Его применение позволяет снизить массу штампа, по сравнению с металлическим в 100 раз.

В машиностроении для изготовления подшипников скольжения используются антифрикционные материалы марки НИГРАН, НИГРАН-В на основе графитов, пропитанных полимерными связующими.

В медицине УУКМ имеют перспективу использования для изготовления армирующих пластинок для соединения костей при переломах, изготовления сердечных клапанов, имплантируемых зубов, зубных протезов.

В реактостроении углерод-углеродные материалы применяются для изготовления узлов активной зоны высокотемпературных водоохлаждаемых реакторов.

В электротехнике УУКМ может применяться для создания нагревательных элементов при рабочих температурах до 3000С.

Боропластики (бороволокниты) — это ПКМ, в которых как арматуру используют борные волокна.

Диаметр борных волокон 90 — 150 мкм, в то время как диаметр элементарных углеродных волокон 5 — 7 мкм. Борную арматуру применяют в виде арматурных нитей, однонаправленных лент различной ширины, листового шпона и тканей.

Свойства. Плотность боропластиков 2,2 г/см³ — выше, чем углепластиков. Но большой диаметр волокон обеспечивает большую устойчивость изделий из них под действием сжимающих нагрузок. Наибольшую прочность и жесткость удается реализовать в однонаправленных боропластиках вдоль оси волокон.

Недостатком однонаправленных боропластиков, как и других ПКМ с такой текстурой, является низкая прочность и жесткость в направлениях, перпендикулярных к оси волокон. Чтобы повысить эти характеристики используют перекрестное армирование с расположением слоев под углами 90, 60 и 45. Перекрестно армированные боропластики имеют меньшую анизотропию свойств.

ПКМ с борными волокнами имеют высокие значения предела усталостной прочности, который очень слабо зависит от температуры испытаний в пределах работоспособности связующего.

Сочетание перечисленных свойств делает целесообразным применение боропластиков в изделиях, работающих в условиях вибрации.

Как и для углепластиков, для боропластиков в качестве связующего чаще всего используются эпоксидные смолы. Термостойкие связующие для своего отверждения нуждаются в больших давлениях и высоких температурах; часто бывает трудно обеспечить отсутствие в них пор, пористость может доходить до 7 -20%.

Борные волокна относятся к классу полупроводников, что позволяет получать в армированных ими ПКМ сравнительно высокие значения тепло- и электропроводности.

Применяются боропластики, как и углепластики, в космической и авиационной технике. Их высокая прочность и жесткость при сжатии используется при конструировании несущих частей летательных аппаратов — балок, панелей и т.д. Например, если металлическая двутавровая балка работает на изгиб, то ту ее полку, на которой действуют сжимающие напряжения, усиливают пластинами из боропластика, а другую полку, работающую на растяжение, упрочняют углепластиком. Масса такой балки на 20 — 30% ниже, чем масса балки из алюминиевых сплавов при одинаковой несущей способности.

В настоящее время проектируется применение боропластиков в лопастях несущих и хвостовых винтов и в трансмиссионных валах вертолетов, в стойках шасси, отсеках фюзеляжа, обшивке крыльев самолетов, в дисках компрессоров газотурбинных двигателей. В перспективе использование боропластиков в корпусных деталях, работающих при всестороннем или одноосном сжатии, в трубах, сосудах внутреннего давления. Замена металлических изделий боропластиковыми позволяет снизить их массу, повысить удельную жесткость, статическую прочность предел выносливости и вибропрочность.

Металлопластики — это ПКМ, содержащие в качестве наполнителя металлические волокна.

Наиболее широко как наполнитель для металлопластиков применяют стальную проволоку. Она недорога, промышленностью выпускается в широких масштабах, при технологических операциях практически не утрачивает своей прочности.

По сравнению с другими ПКМ у металлопластиков повышенная ударная вязкость и статическая усталость (т.е. они мало разупрочняются во времени), меньший разброс свойств, высокая эрозионная стойкость.

Недостаток металлопластиков, армированных стальными волокнами, — их высокий удельный вес, поэтому удельная прочность у них ниже, чем у боро-, угле- и стеклопластиков, а удельная жесткость приближается к последним. Этого недостатка лишены металлопластики, армированные бериллиевой проволокой. Эти материала перспективны. Но, чтобы металлопластики, в которых они используются как наполнитель, оказались конкурентоспособными с другими ПКМ, необходимо повысить пластичность бериллиевых проволок. Кроме того бериллий токсичен, поэтому при работе с ним нужно соблюдать специальные меры техники безопасности.

Металлические волокна часто добавляют в боро- и углепластики. Это повышает вязкость разрушения, сопротивление распространению трещин, эрозионную стойкость, теплозащитные характеристики.

Карбидопластики — это ПКМ, содержащие в качестве наполнителя волокна карбидов. В настоящее время исследуются свойства связующих с волокнами карбида кремния SiC.

Пока карбидопластики имеют несколько меньшую прочность, чем боропластики, но больший модуль Юнга. Это вызвано тем, что выпускаемые в настоящее время волокна SiC менее прочны при низких температурах чем борные, но обладают большей жесткостью.

Использовать волокна SiC в качестве наполнителя целесообразно для термостойких связующих. Преимущество карбидокремниевых волокон перед борными в их меньшей чувствительности к повышенным температурам, большей высокотемпературной прочности и длительной прочности. Поэтому карбидопластики, вероятнее всего, найдут применение в качестве материалов для изделий высокотемпературного назначения.

Органопластики (органоволокниты) — это ПКМ, содержащие в качестве наполнителя органические волокна. Это самый старый вид ПКМ, появившийся в начале 20 века. Частично эти виды ПКМ рассматривались ранее в разделе «Термореактивные пластмассы».

В начале развития их армировали природными органическими волокнами — хлопчатобумажными, льняными, джутовыми, целлюлозными. Однако недостаточно высокий уровень прочности, жесткости, термостойкости и дефицитность природных волокон привели к постепенному вытеснению их синтетическими волокнами — капроном, нитроном, найлоном, лавсаном и др. Отличительные особенности органопластиков — их низкая плотность, высокая стабильность свойств, низкая пористость, повышенная пластичность и ударная вязкость, низкая теплопроводность (в 2 — 3 раза ниже, чем у стеклопластиков).

В последние годы разработаны новые типы органических волокон, из которых наиболее прочны и жестки волокна марки RKD — 49 (фирмы “Du Pont” — США) на основе ароматических полиамидов.

Недостаток органопластиков их низкая прочность при сжатии.

Иногда изготавливают, так называемые, самоармированные органоволокниты. Это материалы, в которых матрица и арматура имеют одинаковый химический состав, но различную структуру. Так, полиамидные смолы армируют полиамидными волокнами.

Органопластики используют в качестве конструкционных материалов (преимущественно с волокнами типа RKD — 49). Их применение в сотовых конструкциях, панелях пола и потолка, дверях, перегородках и задних стойках крыльев самолетов позволяет резко снизить массу конструкций и увеличить их полезную мощность. Органопластики широко применяют в электро- и радиотехнике для изготовления корпусов приборов, радиопрозрачных обтекателей антенн, изоляторов. Их используют и в теплозащитных устройствах.

композиционные материалы — это… Что такое композиционные материалы?

(композиты), конструкционные материалы, состоящие из двух или более разнородных компонентов, объединённых одной основой (связующим или матрицей). Матрица может быть полимерной (эпоксидные, фенолоформальдегидные, полиэфирные смолы), металлической (сплавы Al, Mg, Ni, Cu, Ti), углеродной, керамической и др.; компоненты, или наполнители, – волокнистыми (нити, жгуты, короткие резаные волокна, нитевидные кристаллы), слоистыми (плёнки, пластинки, бумага), тонкодисперсными (металлические или керамические мелкодисперсные частицы). Матрица обеспечивает монолитность материала, передаёт наполнителю механическую нагрузку, определяет химические и теплотехнические свойства всего материала. Наполнители принимают на себя механическое напряжение, возникающее при работе композита, и тем самым определяют его механические свойства, гл. обр. прочность, твёрдость или жёсткость. Наиболее распространены материалы с полимерной матрицей, упрочнённые стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и другими волокнами или нитевидными кристаллами. Высокой прочностью и жаростойкостью отличаются металлические материалы, армированные углеродными или борными волокнами, стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой. Углеродные материалы армируют углеродными волокнами, керамические – жаростойкими волокнами из карбида кремния или углерода. Физико-механические свойства композитов зависят как от количества упрочняющих частиц, так и от их взаимного расположения (ориентации). Часто используют материалы, состоящие из нескольких матриц (полиматричные) или наполнителей различной природы (гибридные), отличающиеся прекрасными эксплуатационными характеристиками. Так, напр., прочность на растяжение магниевого композита, упрочнённого волокнами нержавеющей стали, повышается в 5 раз, а удельная прочность – почти в 3 раза; медь, армированная волокнами вольфрама, может более 1500 ч работать при 400 °C; серебро, упрочнённое дисперсными частицами или нитевидными кристаллами оксида алюминия, в 3–4 раза прочнее чистого металла. Металлические композиционные материалы изготовляют, пропитывая каркас из армирующих волокон наполнителя расплавом металла под давлением, совместным прессованием или прокаткой волокон с металлической фольгой при повышенной температуре. Полимерные композиты получают пропиткой наполнителя расплавом полимера с последующим прессованием, прокаткой или экструзией при повышенной температуре и давлении. Используют также методы порошковой металлургии, смешивая шихту из наполнителя и гранул полимера и подвергая затем эту массу спеканию, горячему прессованию или прокатке. Керамические композиты армируют непрерывными волокнами SiC, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами. Спеканием измельчённых компонентов в атмосфере инертного газа или в вакууме получают материалы с повышенной прочностью на изгиб, отличающиеся высокой стойкостью к окислению при высоких температурах. Композиты с керамической матрицей из оксидов Al, Be, Mg, карбидов W, Ti и наполнителями из дисперсных частиц тугоплавких металлов (т. н. керметы) огнеупорны при очень высоких температурах (до 2000 °C), прочны при повышенной нагрузке, стойки в химически агрессивных средах.

Композиционные материалы широко используют в качестве конструкционных, теплозащитных, режущих, износостойких, электротехнических и других материалов в строительстве, машиностроении, атомной и металлургической промышленности.

Энциклопедия «Техника». — М.: Росмэн. 2006.

КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ — это… Что такое КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ?

КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ: КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, состав, созданный путем сочетания двух или более других материалов, как, например, бетон, стеклопластик или фанера. Обычно композиционный материал по свойствам превосходит те, из которых он сделан.

КОМПЛЕКСНОЕ СОЕДИНЕНИЕ
КОМПРЕССОР

Смотреть что такое «КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ» в других словарях:

композиционный материал — композит Материал неоднородной структуры, состоящий из нескольких однородных материалов (компонентов). [ПБ 03 576 03] Дополнительная информация в интернете: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2085.html Тематики полимерные и др. материалы Синонимы… … Справочник технического переводчика
композиционный материал — 3.3 композиционный материал: Материал, содержащий активный резиновый порошок в качестве основы, а также целевые и функциональные добавки, предназначенный для модифицирования асфальтобетонных смесей. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Композиционный материал — У этого термина существуют и другие значения, см. Композит (значения). Обычная клееная фанера является широко распространённым композиционным материалом … Википедия
Композиционный материал — Composite material Композиционный материал. Комбинации из двух или более материалов (упрочняющие элементы, наполнители и составное матричное вяжущее вещество), отличающихся по форме, композиции, размерам. Составляющие части сохраняют свои… … Словарь металлургических терминов
композиционный материал — kompozitas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. composite; composite material vok. Verbundstoff, m rus. композит, m; композиционный материал, m pranc. composite, f; matériau composite, m … Radioelektronikos terminų žodynas
композиционный материал — kompozitas statusas T sritis chemija apibrėžtis Daugiakomponentė medžiaga, sudaryta iš rišiklio (polimeras, metalas, keramika ir kt.) ir jį sustiprinančios armuojančios medžiagos. atitikmenys: angl. composite rus. композит; композиционный… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
композиционный материал (металлургия) — композиционный материал Комбинации из двух или более материалов (упрочняющие элементы, наполнители и составное матричное вяжущее вещество), отличающихся по форме, композиции, размерам. Составляющие части сохраняют свои свойства, т. е. они не… … Справочник технического переводчика
композиционный материал для изготовления конструкций и элементов — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN structural composite … Справочник технического переводчика
композиционный материал (композит) — 3.13 композиционный материал (композит): Материал, состоящий из непрерывных волокон и полимерного связующего. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ (КОМПОЗИЦИОННАЯ СТРУКТУРА) — матрица и дополнительная фаза или дополнительные фазы, состоящие из частиц армирующих наполнителей, волокон или их любого сочетания, предназначенные для определенной цели или целей … Словарь понятий и терминов, сформулированных в нормативных документах российского законодательства

Это композиционный материал – Композиционные и композитные материалы — свойства и классификация композиционных материалов | ПластЭксперт