Волокнистые композиционные материалы.: Композиционные материалы с ~ волокнистым наполнителем (упрочнителем)

Волокнистые композиционные материалы

Волокнистые композиционные материалы.:  Композиционные материалы с ~ волокнистым наполнителем (упрочнителем)

На рис.

5 приведены схемы армирования волокнистых композиционных материалов, Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длины волокна к диаметру l/d ≈ 10÷103, и с непрерывным волокном, в которых l/d=∞. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50-100 %), модуля упругости, коэффициента жесткости (Е/γ) и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

Таблица1. Механические свойства композиционных материалов на металлической основе

  Материал     σв     σ-1   МПа   Е, ГПа       σв/γ       Е/γ    
МПа
Бор-алюминий (ВКА-1А) 84,6
Бор-магний (ВКМ-1)
Алюминий-углерод (ВКУ-1)
Алюминий-сталь (КАС-1А) 24,40
Никель-вольфрам (ВКН-1)

Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами.

Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы.

Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные (σв= 2500÷3500 МПа,

Е= 38÷420 ГПа) и углеродные (σв = 1400÷3500 МПа, Е = 160÷450 ГПа) волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют σв = 2500÷3500 МПа, Е = 450 ГПа. Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных сталей.

Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.

Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость.

Пер­спективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др.

, имеющие σв = 15000÷28000 МПа и Е = 400-600 ГПа.

В табл.1 приведены свойства некоторых волокнистых композиционных материалов.

Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью
(σв, σ-1) и жаропрочностью, в тог же время они малопластичны.

Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исключают

внезапное хрупкое разрушение.

Отличительной особенностью одноосных волокнистых композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль к поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения.

Рис.6. зависимость модуля упругости Е (а) и временного сопротивления σв (б) бороалюминиевого композиционного материала вдоль (1) и поперек (2) оси армирования от объемного ……

На рис.6 приведена зависимость σв и Е бороалюминиевого композиционного материала от содержания борного волокна вдоль (1) и поперек (2) оси армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше σв, σ-1 и Е вдоль оси армирования.

Однако необходимо учитывать, и что матрица может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно — матрица.

Для предотвращения контакта между волокнами матрица должна полностью окружать все волокна, что достигается при содержании ее не менее 15-20 %.

Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при изготовлении или эксплуатации, так как это может привести к понижению прочности композиционного материала.

Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления с полями напряжения.

Рис. 7. Длительная прочность бороалюминиевого композиционного материала, содержащего 50% борного волокна, в сравнении с прочностью титановых сплавов (а) и длительная прочность никелевого композиционного материала в сравнении с прочностью дисперсионно-твердеющих сплавов (б).

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени (рис.7, а) с повышением температуры.

Основным недостатком композиционных материалов с одно- и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого недостатка лишены материалы с объемным армированием.

4.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы. В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций.

Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100-500 нм и равномерном распределении их в матрице. Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности.

Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5-100об.%.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), нерастворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала до 0,9-0,95 Тпл. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсноупрочненные композиционные материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.

Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия — САП (спеченный алюминиевый порошок). САП состоит из алюминия и дисперсных чешуек Al2Оз. Частицы Al2Оз эффективно тормозят движение дислокаций и тем самым повышают прочность сплава.

Al2Оз в САП колеблется от 6-9 % (САП-1) и до 13-18 % (САП-3). С увеличением содержания Al2Оз σв, повышается от 300 для САП-1 до 400 МПа для САП-3, а относительное удлинение соответственно снижается с 8 до 3%.

Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкие стали при работе в интервале температур 250-500°С.

По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность σ100 для сплавов САП-1 и САП-2 при 500°С составляет 45-55 МПа.

Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов. Наиболее высокую жаропрочность имеют сплавы на основе никеля с 2-3 об.% двуоксида тория или двуоксида гафния. Матрица этих сплавов обычно γ-твердый раствор Ni+20% Сr, Ni+15% Мо, Ni+20% Сr и Мо.

Широкое применение получили сплавы ВДУ-1 (никель, упрочненный двуокисью тория), ВДУ-2 (никель, упрочненный двуокисью гафния) и ВД-3 (матрица Ni+20% Сr, упрочненная окисью тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. При температуре 1200°С сплав ВДУ-1 имеет σ100≈75 МПа и σ1000 ≈65 МПа, сплав ВД-3 — 65 МПа.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительности выдержки при данной температуре (см. рис.7).

Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т.д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т.д.

), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жидкости, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т.д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т.д.

), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т.д.) и в других областях народного хозяйства.

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов достаточно хорошо отработана.

Предыдущая78910111213141516171819202122Следующая

Дата добавления: 2015-10-13; просмотров: 1495; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ПОСМОТРЕТЬ ЁЩЕ:

Источник: https://helpiks.org/5-73892.html

Волокнистые композиционные материалы: что это такое

Волокнистые композиционные материалы.:  Композиционные материалы с ~ волокнистым наполнителем (упрочнителем)

Композиционные материалы (неметаллические или металлические) отличаются своей структурой – их конструкция усилена элементами различного типа, в частности, волокнами. Одни из самых распространенных по частоте применения– волокнистые наполнители. Они занимают вторую ступеньку по популярности после дисперсионных.

Суть данной технологии в соединении абсолютно разнородных материалов в единое целое, чтобы получить новые качества, в отдельности им неприсущие.

Например, в лабораторных условиях куску поваренной соли, строго говоря, хлористого натрия, удалось придать, пластичность, добавив в нее золото. Кстати, волокнистые композиционные материалы – это не приобретение нашего времени.

К первым образцам подобных материалов можно смело отнести выполненные для египетских мумий оболочки, для которых использовались пропитанных смолой куски папируса .

Волокнистые материалы и их свойства ↑

Для армирования волокнистых композитов используют волокна либо нитевидные кристаллы. Даже небольшое их содержание в материале такого типа существенно улучшает его механические свойства. Возможность изменения при армировании ориентации волокон, их размера и концентрации позволяет еще шире варьировать свойства композитного материала.

Для армирования в большинстве случаев используют волокна углерода, бора, стеклянные, базальтовые или полимерные.Исключительный интерес, благодаря чрезвычайно высокому модулю упругости и прочности при растяжении, вызывают также монокристаллические волокна в виде нитевидных кристаллов.

Волокнистые композиционные материалы, скажем, цемент, гипсоволоконные плиты и другие, в своем составе обычно содержат волокна стекла, пластмассы, стали или углерода.

Что же касается натуральных волокон, скажем, целлюлозы, то процент их использования в данном сегменте рынка значительно ниже, но и они, в свою очередь, придают композиту принципиально интересные характеристики. Среди них можно выделить:

  • более высокую степень эластичности;
  • лучшую способность влагорегулирования;
  • меньшую плотность и вес.

Структура наполнителей ↑

Основные типы волокон, в частности, стеклянные и углеродные, имеют в основном круглое сечение ø 8-20 мкм, хотя в сечении может лежать также треугольник, ромб или другая фигура. Непрерывные волокна с сечением, отличным от круга, называют профильными. Они могут быть и также полыми, что способствует снижению плотности армированного композита.

По структуре же их классифицируют на четыре группы: непрерывные однонаправленные, тканевые, нетканые, объемного плетения. Придавая наполнителям различную структуру и фиксируя ее, помимо первичных крученых нитей, лент, можно получать разные виды усиливающих наполнителей: сетка, пленка, холст и другие.

Рассмотрим в качестве примера такой популярный волокнистый наполнитель, используемый для армирования, как стекловолокно.

  • Обычное стекловолокно (диаметр частиц – 10-15 мкм, длина – 0.3-0.65 мм). Значительно увеличивает такие параметры изделия, как жесткость, прочность к механическим нагрузкам, устойчивость к ползучести, твердость и теплостойкость, усталостная прочность. Повышает плотность, износостойкость и неизменность размеров изделия.
  • Стекловолокно длинное (длина –10-12 мм). Ко всем перечисленным выше характеристикам просто необходимо прибавить «очень». Изделия, укрепленные длинными стекловолокнами выполняют в условиях, не нарушающие целостности волокна.
  • Стекловолокно(0.08 мм), мелкорубленное. Жесткость и механическую прочность композита увеличивается умеренно. Изделие – значительно менее износостойкое.
  • Стеклянные полые сферы. Увеличивают жесткость, но уменьшают ударопрочность. Снижают вес, коробление и анизотропию усадки, то есть различие усадки в разных направлениях изделия.

Некоторые распространенные волокнистые материалы: свойство и применение ↑

Древесные композиты. ДСП, арболиты, ДВП, древесные пресспорошки и прессмассы, фанеры, клееные конструкции, древесно-полимерные термопластичные композиты и другие.

Большое распространение получили плиты ДВП.

В процессе их производства резаная масса из древесины проходит через специально конструированные размалывающие диски, в результате появляются тончайшие волокна (толщина – 0,1 мм).

После смешения с клеем, их прессуют и закаливают при высокой температуре. В дальнейшем поверхность плит обычно шлифуют. Конструкция композита имеет определенные преимущества:

  • структура плиты по всей толщине равномерно плотная;
  • крепко держаться крепежные детали: шурупы, гвозди;
  • поддаются фрезерованию не хуже, чем массив дерева.

Бетоны. Номенклатура современных бетонов очень разнообразна и отличается по своим составам и свойствам. В их основе лежит традиционная цементная, как и выполненная из полимеров, эпоксида, полиэфира, акрила и другое. По своей прочности высокоэффективные бетоны приближаются к металлам. В последнее время распространение получили и декоративные.

Углепластики. Углеродные волокна, наполнителиэтих полимерных композитов, получают из природных и синтетических волокон из целлюлозы, акрилонитрила, сополимеров, каменноугольных песков, нефти и т. д.

Матрицами в углепластиках служат термореактивные или термопластичные полимеры. Это легкий, но очень прочный материал, обладает низкой плотностью и высоким модулем упругости.

Углепластики нашли применение в машино- , авиа-, ракетостроении, производстве медтехники и иных областях.

Стеклопластики. Усиление волокнистого композита проводят, используя стеклянные волокна, которые формируют вытяжкой из находящегося в расплавленном состоянии неорганического стекла.

Композиты отличает высокая прочность, низкая теплопроводность, высокие электроизоляционные характеристики, не препятствуют прохождению радиоволн.

Стеклопластики используют в судостроении, радиоэлектронике, строительстве и т. д.

Боропластики. Борными волокнами в виде мононитей или жгутов и лент с присутствием стеклянной или других нитей наполняют термореактивные матрицы. Композиты исключительно проявили себя в условиях длительных нагрузок в агрессивной среде. Производство борных нитей обходится достаточно дорого, поэтому сфера применения боропластиков ограничивается авиационной и космической промышленностью.

Пресспорошки (прессмассы). На сегодняшний день известно уже более 10000 типов композитных полимеров.

Первый наполненный полимер, бакелит, был получен путем добавления под давлением пресс-порошка, в частности, древесной муки в частично отвержденный полимер.

Таким образом хрупкое вещество невысокой прочности необратимо затвердевает в форме и приобретает повышенную прочность. Чаще всего в качестве наполнителя используют древесную муку, каолин, тальк, мел, слюду, сажу, базальтовое и стекловолокно и другое.

Впервые изделие, произведенное по этой технологии, ручку переключателя скоростей, было использовано в автомобилях «Роллс-Ройс».

Сегодня наполненные полимеры находят применение в различных областях.

© 2020 stylekrov.ru

Источник: https://stylekrov.ru/voloknistye-kompozicionnye-materialy-chto-eto-takoe.html

10.3. Волокнистые композиционные материалы

Волокнистые композиционные материалы.:  Композиционные материалы с ~ волокнистым наполнителем (упрочнителем)

В волокнистых композитах особенность структуры заключается в равномерном распределении высокопрочных, высокомодульных волокон в пластической матрице (содержание их, т.е. объемная доля, может достигать 75%).

В волокнистых композитах высокопрочные волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, и обеспечивают жесткость и прочность композиции в направлении ориентации волокон.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композита, не только отражающих исходные характеристики его компонентов, но и включающие свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. Появление ряда новых свойств в композитах связано с гетерогенной структурой, обусловливающей наличие большой поверхности раздела между волокнами и матрицей, что существенно повышает трещиностойкость материала.

Устойчивость любого твердого тела к распространению трещин определяется механизмом поглощения энергии в вершине растущей трещины. В композитах поперечные растягивающие напряжения на конце растущей трещины могут вызвать отслаивание волокон от матрицы, а сдвиговые напряжения на границе раздела – распространение отслоенных участков вдоль волокна.

При отслаивании затрачивается энергия, поскольку волокна должны перемещаться относительно матрицы. Кроме того, при дальнейшем нагружении до разрушения волокна могут разрываться в матрице вдали от плоскости распространения трещины.

Поэтому для армированных материалов характерны такие механизмы повышения вязкости разрушения, которых нет у гомогенных материалов.

Эти механизмы связаны с наличием в композиционных волокнистых материалов большого числа поверхностей раздела, которые могут стать тормозом на пути развития трещины. Можно отметить два явления, способствующих интенсивной диссипации энергии движения трещины – вытягивание волокон из матрицы и разрушение границы раздела между ними.

Повышенное сопротивление развитию разрушающих трещин в волокнистых материалах обусловлено их работоспособностью при значительных накопленных разрушениях.

Характерное для композитов высокое сопротивление усталости связано с тем, что высокомодульные волокна, воспринимающие основную нагрузку, как хрупкие материалы не снижают своей несущей способности при циклических нагрузках в отличие от пластически деформируемых материалов.

Армирование во­локнистых КМ может осуществляться по одноосной, двухосной и трехосной схеме (рис. 1.2, а).

Рис. 1.2 Схемы армирования волокнистых (а) и слоистых композиционных материалов (б)

Свойства волокнистых композитов в большой степени зависит от схемы армирования. Ввиду значительного различия в свойствах волокон и матрицы при одноосном армировании физическим и механическим свойствам присуща анизотропия.

При нагружении растяжением временное сопротивление и модуль упругости КМ достигает наибольших значений в направлении расположения волокон, наименьших в поперечном направлении.

Например, КМ с матрицей из технического алюминия АД1, упрочненный волокнами бора, в направлении волокон имеет σв = 1000 ÷ 1200 МПа, а в поперечном – всего 60 ÷ 90 МПа. Анизотропия свойств не наблюдается при двухосном армировании с взаимно перпендикулярным расположением волокон.

Однако по сравнению с одноосным армированием прочность вдоль волокон уменьшается почти в 3 раза с 1000 до 350 МПа. Остаются низкими характеристики при сжатии и сдвиге.

Модуль упругости КМ сравнительно достоверно подсчитывают, исходя из свойств и объемного содержания волокон и матрицы:

Екм = ЕвVв + Ем(1-Vв).

Например, модуль упругости КМ с алюминиевой матрицей (Е = 70 ГПа), упрочненного 50об. % волокон бора (Е = 420 ГПа) равен 70х0,5+420х0,5 = 245 ГПа, что хорошо согласуется с модулем упругости реального композита ВКА-1 (табл. ). Временное сопротивление КМ изменяется в зависимости от объемного содержания наполнителя также по закону аддитивности:

σкм = σвVв + σм(1-Vв),

где σв и σм — соответственно временное сопротивление волокна и матрицы.

Исключение составляют материалы с очень малым (80%) содержанием волокон.

Малые значения прочности и жесткости КМ в направлении, перпендикулярном расположению волокон, при растяжении объясняется тем, что в этом случае, также как при сжатии и сдвиге, они определяются свойствами матрицы. Поэтому при изготовлении деталей из КМ волокна ориентируют так, чтобы с максимальной выгодой использовать их свойства с учетом действующих в конструкции нагрузок.

Большую роль играет матрица в сопротивлении КМ усталостному разрушению, которое начинается с матрицы.

Гетерогенная структура поверхности раздела между волокном и матрицей затрудняет процесс распространения трещины в направлении, перпендикулярном оси волокон.

В связи с этим КМ характеризуются высокими значениями предела выносливости. Так по пределу выносливости КМ на алюминиевой основе превосходят лучшие алюминиевые сплавы в 3 – 4 раза.

Прочность КМ в большой степени зависит от прочности сцепления волокон с матрицей. Для их качественного соединения необходимо обеспечивать хороший контакт (без загрязнений, газовых и других включений) по всей поверхности соединений.

Компози­ционные материалы относятся в основ­ном к термодинамически неравно­весным системам, что является главной причиной диффузионных процессов и химических реакций, происходящих на границе раздела между волокном и ма­трицей.

Эти процессы протекают при изготовлении композиционных материа­лов и при их использовании. Некоторое взаимодействие между компонентами необходимо для обеспечения прочной связи между ними, передачи напряже­ний.

Для металлических компози­ционных материалов прочная связь ме­жду волокном и матрицей осущест­вляется благодаря их взаимодействию и образованию очень тонкого слоя (1-2 мкм) интерметаллидных фаз.

Если между волокнами и матрицей нет взаи­модействия, то на волокна наносят спе­циальные покрытия для его обеспече­ния, но прослойки образующейся при этом фазы должны быть очень тонкими. Связь между компонентами в композиционных материалах на неме­таллической основе осуществляется с помощью адгезии.

Плохой адгезией к матрице обладают высокопрочные борные, углеродные, керамические волокна. Улучшение сцепле­ния достигается травлением, поверх­ностной обработкой волокон, называе­мой вискеризацией.

Вискеризация — это выращивание монокристаллов карбида кремния на поверхности углеродных, борных и других волокон перпендику­лярно их длине. Полученные таким образом «мохнатые» волокна бора на­зывают «борсик».

Вискеризация способ­ствует повышению сдвиговых характе­ристик, модуля упругости и прочности при сжатии без снижения свойств вдоль оси волокна.

На поверхности соединения компо­нентов не должно происходить химиче­ских реакций, приводящих к поврежде­нию волокон, ухудшению их свойств и свойств композиционного материала.

При сильном взаимодействии компо­нентов временное сопротивление воло­кон и композиционного материала в це­лом значительно снижается.

Например, временное сопротивление волокон кар­бида кремния в композиционном мате­риале с титановой матрицей в результа­те такого взаимодействия снизилось с 320 до 210 МПа, что вызвало сниже­ние временного сопротивления компо­зиционного материала на 30%.

Для уменьшения взаимодействия применяют легирование как матрицы, так и волокон, защитные покрытия волокон, низкотемпературные и высокотемпературные способы изготовления КМ.

Кроме того, прочность сцепления волокон с матрицей зависит от их механической совместимости, на которую влияет разница в пластических свойствах, в коэффициентах Пуассона и линейного расширения, модулей упругости. Механическая несовместимость приводит к возникновению остаточных напряжений на границах раздела которые при достижении определенной величины вызывают разрушение связи между волокнами и матрицей.

Податливаяматрица, заполняя пространство междуволокон, обеспечивает совместную работуотдельных волокон за счет собственнойжесткости и взаимодействия, существующегона границе раздела матрица — волокно. Следовательно, механические свойствакомпозита определяются тремя основнымипараметрами: высокой прочностьюармирующих волокон, жесткостью матрицыи прочностью связи на границе матрица– волокно.

Источник: https://studfile.net/preview/3208527/page:3/

Scicenter1
Добавить комментарий