Композиционные материалы

магистрантов
Композиционные материалы

материалы
Керамические композиционные материалы
Стекловидные и стеклокристаллические композиционные материалы.

и часто высокие удельная прочность и жесткость, высокая коррозионная стойкость.

Недостатки же для большинства композиционных материалов на полимерной основе характерны следующие: низкая прочность связи волокна с матрицей, резкое падение прочности при повышении температуры выше 100-200С.
В качестве материала матрицы наибольшее распространение получили полимеры: эпоксидная, фенолоформальдегидная, полиамидная смолы.
В качестве наполнителей используются углеродные, борные, стеклянные и органические волокна в виде нитей, жгутов, лент и т.д. По типу волокна композиционные материалы разделяют на следующие группы: углеволокниты, бороволокниты, стекловолокниты и органоволокниты

полиимиды.
2. Термопластичные – полиэтилен, полипропилен, полиуретан и т.п.
Термореактивные матрицы

необратимо полимеризуются при более высоких температурах (250-350 С), чем термопластичные.
Полимеризация термореактивных матриц процесс необратимый, а термопластичных – обратимый.
В качестве наполнителей в тех и других матрицах используют органические и неорганические волокна (стекловолокно, бороволокно, углеродное волокно, арамидное волокно и т.п.) и порошки дисперсных наполнителей разной природы.

связанных между собой ковалентными связями.
Два типа полимеров:
1) термоотверждающийся полимер (эпоксидная

смола)
2) термопластичный полимер (полиамид)
Преимущества термопластичных полимеров перед термоотверждающимися:
- Не отвердевают при высоких температурах
- Не ограничен срок хранения
- Возможность переработки
- Меньшая потребность в химической обработке
- Возможность формования с помощью температуры
- Свариваемость
- Высокая ударная вязкость
- Устойчивость к воздействию окружающей среды
Недостатки термопластичных полимеров перед термоотверждающимися:
- Ограниченность методов обработки и высокие температуры обработки
- Сложность встройки волокон

Малая стоимость
- Простота обработки (в частности, требует сравнительно низких

температур, не превышающих 400 oС)
Недостатки полимерной матрицы:
- Плохие механические свойства (низкие прочность, удароустойчивость)
- Плохая температурная устойчивость
- Большой коэффициент теплового расширения
Применение:
1) полимерные матрицы, усиленные волокнами, используют для создания прочных лёгких структур, (корпуса летательных аппаратов)
2) включение металлических частиц в полимерную матрицу позволяет использовать композит в качестве электрических интерконнекторов (оптически прозрачных)
3) резиновые матрицы, усиленные частицам сажи, используют при производстве шин
4) композиты с биосовместимыми матрицами используют для имплантантов

— 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.
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.

Органопластики: клееные деревянные конструкции, фанеры, древесные пластики, древесностружечные и древесноволокнистые плиты и балки, древесные прессмассы и пресспорошки, термопластичные древесно-полимерные композиты.

из расплавленного неорганического стекла.
В качестве матрицы 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.

размеров армирующих элементов и расположением их в полимерной матрице. Механические

характеристики стеклопластиков, в свою очередь, определяются главным образом арматурой. Исследования показывают, что структура оказывает определенное влияние также на теплофизические, светотехнические, радиотехнические, электротехнические и другие свойства композитных материалов. Это относится, прежде всего, к ориентированным стеклопластикам, свойства которых можно широко варьировать изменением структуры за счет изменения, как типа армирующего материала, так и схемы его ориентации

предыстории изготовления и к температурно-временному режиму последующей эксплуатации
Анизотропия механических, теплофизических

и других свойств
Образование трещин в прослойках связующего между волокнами
Относительно низкий модуль упругости

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.

композит (УУКМ), в котором матрицей, склеивающей углеродные волокна, служит практически

чистый углерод.

Углеродные волокна (УВ)
Как известно, механическая прочность твердых тел определяется силой межатомной связи этого вещества. Для твердого тела механическая прочность и твердость пропорциональны. Из природных тел наибольшую твердость имеет алмаз, в котором имеются прочные межатомные связи углерод-углерод. Вот эти связи и можно использовать для создания высокопрочных волокон.
Связи углерод-углерод имеются не только в алмазе, но и в графите. Последний имеет слоистую структуру. Внутри слоев имеются прочные связи углерод-углерод, а между слоями межатомные связи углерод-углерод слабые, их называют Ван-дер-Ваальсовыми. Если чешуйки графита расположить вдоль волокон, то волокно получится прочнее.

основе углеродной матрицы и углеродных волокон.

непрерывных нитей или жгутов, лент, тканей с плоским и объемным плетением, объемных

каркасных структур. Волокна располагаются неупорядоченно в одном, двух и трех направлениях. Углеродная матрица объединяет в одно целое формирующие элементы в композите, что позволяет лучшим образом воспринять различные внешние нагрузки. К количеству специальных свойств УУКМ относится низкая пористость, низкий коэффициент термического расширения, сохранение структуры и свойств при нагреве до 2000 °С. Преимущества УУКМ позволяют успешно их применять в качестве тормозных дисков в самолетах, соплах ракетных двигателей, защиты крыльев космических челноков, пресс-формах, тиглях, роторах турбин.

заключается в удалении из полимера всех неуглеродных атомов.
Присутствие углеродных волокон

делает матрицу более прочной и устойчивой к тепловому шоку. В связи с малой плотностью углерода удельные прочность, модуль Юнга, теплопроводность одни из самых высоких среди композитных материалов.
Коэффициент теплового расширения близок к нулю.
Область использования:
1. Лёгкие структуры (носовые обтекатели для космических шаттлов), которые должны выдерживать высокие температуры
2. Биомедицина (имплантанты) в связи с высокой биосовместимостью (большей чем у золота) углерода
Недостатки: высокая стоимость, подверженность окислению (2C + O2→2CO)

и облучению;
-химическая инертность;
-высокие механические характеристики при повышенных температурах;
-малая плотность, что

позволяет применять их в теплонагруженных защитных и конструкционных элементах.

Недостатки:
-хрупкостьу глеродной матрицы;
-сложность процесса получения;
-высокая стоимость.

основе алюминия, магния, титана, армированные как волокнами, не подверженными пластической

деформации (карбид кремния, окись алюминия, бор, углерод, нитевидные кристаллы тугоплавких соединений), так и пластически деформируемыми металлическими волокнами (бериллий, вольфрам, молибден, сталь). Первая группа обладает максимальной прочностью, сопротивлением усталости, жаропрочностью, а также — высокими удельными характеристиками вследствие низкой плотности наполнителей. Вторая группа — технологичностью при сравнительно небольших значениях прочности и модуля упругости.
Металлическая матрица существенно повышает упругость и прочность композита, сохраняя эти свойства почти до своей температуры плавления. Композиты обладают лучшей работоспособностью в вакууме и в условиях облучения, а также пониженной воспламеняемостью. Недостатки металлической матрицы — большой удельный вес, трудоемкость изготовления

склонностью к трещинообразованию и высокой удельной прочностью. Их прочность определяется

свойствами волокон. Матрица скрепляет волокна и распределяет напряжения между ними. При этом механические свойства волокнистых композитов вдоль волокон значительно лучше, чем в поперечном направлении.
Волокнистые композиты малопластичны, однако, скорость распространения трещин в них настолько мала, что практически исключается возможность их внезапного разрушения. Еще одна их особенность – малая скорость разупрочнения во времени. Недостатком таких композитов является также относительно низкое сопротивление межслойному сдвигу, однако это сопротивление значительно выше у волокнистых композитов с объемной укладкой волокон.

Al2O3, Si и др., а также проволока из металлов и

сплавов: Mo, W, Be, высокопрочная сталь. Объемная доля упрочнителя варьируется от нескольких единиц до 80-90%.
В качестве матриц для металлические композиционных материалов используют металлы: Al, Mg, Ti, Ni и сплавы на их основе.
Прочность КМ зависит от прочности сцепления волокон наполнителя с матрицей. Для улучшения сцепления, проводят вискеризацию поверхности волокон, т.е. на поверхности углеродных, борных и других волокон перпендикулярно их длине выращивают монокристаллы карбида кремния SiC. Полученные таким образом "мохнатые" волокна называют "борсик". Вискеризация повышает сдвиговую прочность в 1,5-2 раза.

имеют два основных преимущества по сравнению с более распространенными композитами

с полимерной матрицей:
1) могут использоваться при значительно более высоких температурах;
2) более эффективны в относительно малогабаритных сильнонагруженных элементах конструкций.
Типичными композитами с металлической матрицей являются:
- бороалюминий (волокно бора—матрица на основе алюминиевых сплавов);
- углеалюминий (композиты с углеволокном);
- композиты с волокном карбида кремния (SiC) в титановой или титан-алюминивой матрице;
- композиты с волокном карбида кремния матрице на основе никеля

малой плотностью применяется магний. Композиционные материалы на основе магния на

30% легче, чем сплавы алюминия.
Магний–один из легких металлов, для которого не возникает проблем взаимодействия с углеродными, борными волокнами и волокнами из карбида кремния.

и прочностью хорошо совмещаются с высокопрочными и жесткими волокнами с

низкой плотностью и пластичностью, образуя КМ с повышенной жесткостью и малой массой. Примером такой комбинации может быть титан, армированный волокнами бора или карбида кремния. Однако такие системы имеют пониженную усталостную прочность из-за остаточных напряжений и химического взаимодействия между волокнами и матрицей при высоких температурах изготовления.

композитах матрица является основой, воспринимающей нагрузку, тогда как дисперсные частички,

являющиеся наполнителем, тормозят движение дислокаций в матрице.
Наиболее оптимальным является размер частичек 10…15 нм и расстояние между ними 100…150 нм при равномерном распределении частиц.
Подобные композиты можно получить на основе практически всех применяемых в технике металлов и сплавов, например, САП – спеченный алюминиевый порошок. В САП матрицей является алюминий, а наполнителем – мелкие частички оксида алюминия Al2O3 (6 – 8 %).
С увеличением содержания Al2O3 повышается предел прочности САП на растяжение и уменьшается относительное его удлинение.

или искусственного происхождения.
По составу керамику можно подразделить на кислородную

состоящую из оксидов металлов и неметаллических элементов бериллия, магния, алюминия, кремния, титана, циркония и бескислородную – нитридную, карбидную, боридную и др.
По структуре керамика может быть аморфная, кристаллическая.

Эти материалы перспективны для инструментов, деталей двигателей внутреннего сгорания, фильтров, нагревательных элементов, элементов источников питания и др.
На фото: Сопла для газосварочных аппаратов из керамики на основе карбида кремния.

карбиды, нитриды и пр.
Применение керамики позволяет снизить расход дорогих

и дефицитных металлов: титана и тантала в конденсаторах, вольфрама и кобальта в режущих инструментах, кобальта, хрома и никеля в тепловых двигателях.

керамик:
- алюмосиликатная,
- кремнеземистая (>80%SiO2),
- кварцевая (чистый SiO2),

- динасовая (добавки оксида кальция, оксидов железа),
- корундовая (>90% Al2O3),
- кордиеритовая (SiO2, Al2O3, MgO),
- цирконовая (ZrSiO4),
- сподуменовая (SiO2, Al2O3, Li2O) и др.

из керамики, а арматура – из металлических и неметаллических наполнителей.
Армирование

керамики производится металлическими, углеродными и керамическими волокнами.
Керамические материалы получают на основе высокоогнеупорных оксидов тория, алюминия, бериллия, циркония, магния, ванадия. Сопоставление свойств керамики и металлов привело к попыткам создания КМ, в которых керамическая матрица сочетается с металлическими включениями в виде порошка (керметы). Это материалы, которые содержат более 50 % тугоплавкой металлической фазы. Созданы керметы на основе карбида титана и оксида алюминия, слюды и никеля, оксида системы алюминий – вольфрам – хром и многие другие.

основе карбида бора. Их массовое применение сдерживается высокой стоимостью метода

прессования. Поэтому плитки из карбида бора используют при необходимости существенного снижения массы броневой защиты, например для защиты кресел и автоматических систем управления вертолетов, экипажа и десанта. Керамику из диборида титана, имеющую наибольшую твердость и модуль упругости, применяют для защиты от тяжелых бронебойных и бронепрожигающих танковых снарядов.

Centre) разработал составы теплозащитных волокнистых керамических плит, предназначенных для космических

кораблей многоразового использования..

и растяжении;
-стойкость к вибрации и термоудару;
-стойкость к окислению;
Недостатки:
-хрупкость ,которая снижает

область их применения;
-малая возможная область применения из – за специфических физико – механических свойств

- стекло и стеклокристаллические материалы с частицами (Al2O3,муллит, ZrO2, Ag,

Y2O3) создают с целью улучшения и управления теплофизическими, диэлетрическими, оптическими с др. свойствами,
- стекло и стеклокристаллические материалы с частицами углерода, углеволокнами, фуллеренами ( оптические свойства, электроповодность и др).