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.