Волокнистые композиционные материалы Применение Методы получения Волокнисты

Волокнистые композиционные материалы. Применение. Методы получения.

Волокнисты композиционные материалы ВКМ - представляет собой матрицу с равномерно распределенными в ней волокнами, двухмерным наполнителем, обеспечивающим армирующий эффект

Структура волокнистых композиционных материалов Параметры определяющие свойства ВКМ 1. Объемная доля волокон и характер их распределения в матрице; 2. Соотношение модулей упругости; 3. Прочность связи по границе волокноматрица; 4. Закон аддативности; 1 – матрица, 2 – волокно, L – длина волокна, d – диаметр волокна, – расстояние между соседними волокнами.

Объемная доля волокон Чем выше отношение длины волокна упрочнителя к его диаметру, тем выше степень упрочнения; (L/d)

Прочность связи по границе волокно- матрица Соотношение их модулей упругости Модуль упругости КМ подсчитывают, исходя из свойств и объемного содержания волокон и матрицы по закону аддитивности: EКМ = EВVВ + EМVМ

Прочность связи на поверхности раздела На поверхности соединения компонентов не должно происходить химических реакций, приводящих к повреждению волокон, ухудшению их свойств и свойств КМ. Некоторое взаимодействие между компонентами необходимо для обеспечения прочной связи между ними, передачи напряжений.

Прочность ВКМ в большой степени зависит от прочности сцепления волокон с матрицей. Прочность сцепления компонентов зависит от : • Механическая совместимость : разница в пластических свойствах; • Разницы в коэффициентах Пуассона; • Разница ТКЛР; • Разницы модулей упругости; Механическая несовместимость остаточных напряжений приводит к возникновению

Предел выносливости Гетерогенная структура, поверхности раздела между волокном и матрицей затрудняют процесс распространения трещины в направлении, перпендикулярном оси волокон

Изотропные ВКМ В объеме такого материала свойства в направлении осей Х, Y и Z – одинаковы. Сх=Су=Сz В качестве наполнителя в изотропном ВКМ используют хаотично ориентированные дискретные волокна или нитевидные кристаллы – н. к.

Анизотропные ВКМ Свойства анизотропных материалов зависят от направления Сх Су Сz

Ортотропные ВКМ Волокна уложены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Анизотропия свойств снижается

ВКМ с продольно-поперечной укладкой волокон Продольно-поперечная укладка волокон в смежных слоях еще больше уменьшает анизотропию свойств ВКМ

Характер объемного содержания наполнителя Объемная доля упрочнителя колеблется в широких пределахот нескольких единиц до 80 -90% • КМ с ориентированными непрерывными волокнами – 60 -70%; • КМ с хаотически расположенными дискретными волокнами и н. к – 20 -30%;

Свойства определяющие применение ВКМ обладают высокими механическими свойствами : 1. Удельной жесткость; 2. Удельной прочность; 3. Жаропрочность; Их применяют в конструкциях, работающих в условиях: 1. низких температур; 2. высоких температур; 3. сверхвысоких температур; 4. циклических нагрузок; 5. Ударных нагрузок; 6. вибрационных нагрузок; 7. агрессивных средах;

Применение ВКМ в авиационной технике • Для изготовления деталей фюзеляжа самолета F - III - рам, лонжеронов, фитингов, переборок, панелей, стрингеров - используют ВКМ на основе алюминиевых сплавов, упрочненных волокнами бора, это позволяет снизить массу перечисленных деталей на 18 -60 %. • В самолете F -106 A из ВКМ алюминий-бор выполнены обшивка фюзеляжа, крыла, элероны, шпангоуты и т. д. , что снизило массу конструкции на 23 %. • На самолете "Руслан" применено 5, 5 т КМ, что позволило сэкономить 15 т металла, уменьшить на 18 тыс. т расход топлива за период эксплуатации. • Благодаря применению ВКМ массу самолета ИЛ-62 удалось уменьшить на 17 % • Специалисты полагают, что доля КМ в конструкциях дозвуковых самолетов возрастет до 30 -40 %, сверхзвуковых - до 50 %, а в конструкциях автомобилей доля КМ и пластиков увеличится до 65 %. • В вертолете дало возможность снизить массу на 25 -30 %, увеличить её ресурс в 2 -3 раза, снизить трудоемкость изготовления в 1, 5 -3 раза. Благодаря применению ВКМ массу самолета ИЛ-62 удалось уменьшить на 17 % также за счет применения ВКМ с сохранением летных характеристик самолета.

Применение ВКМ в машинах, оборудовании, сооружениях 1. Позволяет снизить массу конструкций на 25 -50 %; 2. Уменьшает трудоемкость изготовления конструкций в 1, 5 -3 раза; 3. Снижает энергоемкость производства в 8 -10 раз; 4. Увеличивает в 1, 5 -3 раза ресурс техники.

Применение ВКМ при изготовлении двигателей Для изготовления двигателей перспективна керамика, армированная керамическими нитями. 1. Газотурбинные двигатели (ГТД) изготавливают из никелевых и кобальтовых сплавов, чтобы обеспечить достаточно высокую длительность службы деталей двигателей при высоких температурах (1473 -1573 К), приходится прибегать к их охлаждению, что существенно усложняет конструкцию ГТД. 2. В настоящее время при изготовлении ГТД применяют специальные высокожаропрочные ВКМ на основе никеля и хрома, армированные нитевидными кристаллами оксида алюминия Al 2 O 3 , что позволяет работать ГТД вообще без охлаждения или с охлаждением, не усложняющим конструкцию двигателя.

Применение углеалюминевых ВКМ При замене стальных и титановых конструкций углеалюминевыми в балистических ракетах экономия массы достигает 66% Применение углеалюминиевых ВКМ в авиации и ракетно-космической технике обусловлено: • Исключительно высокими удельными характеристиками прочности, жесткости; • Высокими жаропрочностью и выносливостью, что позволяет использовать материал в конструкциях опор для различных устройств, в которых необходимо сохранение точной исходной конфигурации; Это позволяет использовать материал в конструкциях опор для различных устройств, в которых необходимо сохранение точной исходной конфигурации Например используют: 1. Для опор солнечных батарей; 2. В электротехнических конструкциях в качестве легкого, прочного и электропроводного материала; 3. В качестве подвижных контактов в электрогенераторах; 4. Для изготовления лопаток компрессора газотурбинного двигателя, длительно работающих при 673 -723 К;

Области применения ВКМ • В атомной энергетике применяют алюминиевый сплав, армированный стекловолокном, содержащим оксид урана, который имеет повышенную прочность при 823 К, и используется для изготовления топливных пластин ядерных реакторов. • Антифрикционный ВКМ на основе свинцовистой или оловянистой бронзы, армированной проволокой из нержавеющей стали, применяют для изготовления подшипников, работающих без смазки.

Области применения ВКМ • ВКМ находят применение в сварочной технике в качестве присадочных материалов. ВКМ с матрицей из алюминия или его сплава с 4 % Сu , и волокнами из оксида алюминия или карбида кремния применяют при электросварке алюминия и его сплавов. • Из ВКМ медь-вольфрам, серебро-вольфрам изготовляют износостойкие электрические контакты для сверхмощных высоковольтных выключателей. • Медную проволоку, армированную волокнами ниобия, используют для проводов высоковольтных линий, что позволяет увеличить расстояние между опорами в 2 -3 раза.

Области применения ВКМ • На основе матриц из алюминия, меди, титана, никеля и волокон из сплава на основе ниобия создают сверхпроводники. • ВКМ находят применение в электронике как материал для изготовления антикатодов, контактных модуляторов, термических проводников, ферромагнитных систем и т. д. • Из ВКМ изготовляют детали сельхозмашин, от которых требуется высокая прочность и коррозионная стойкость. В институте проблем материаловедения АН Украины созданы базальтовые волокна, которые могут быть использованы для армирования пластмассовых труб и бетонных изделий. Переход на такие конструкции позволит экономить в стране до 5 -10 млн. т. стали в год.

Области применения ВКМ • Большое будущее у гибридных ВКМ с гибридизацией как по волокнам, так и по матрицам. • Например, стеклянные волокна хорошо работают на сжатие, а органические нити выдерживают большие напряжения на растяжение, их соединение дает гибридный ВКМ с необходимыми свойствами: тонкие листы алюминия, армированного волокнами бора, соединяют послойно с органопластиками и получают гибридный КМ с высокой виброустойчивостью. • За последние 20 с небольшим лет в США снизили производство стали со 136 до 80 млн. т в год, что в немалой степени объясняется широким применением в машиностроении композиционных материалов.

Получение ВКМ Процесс получения композиционных материалов должен удовлетворять совокупности требований, которые определяются: • Технологическими соображениями; • экономическими соображениями; • специфика получаемого материала;

Требования к ВКМ Должны удовлетворяться требования предъявляемые к современному производству: 1. Высокая производительность; 2. Малые энергозатраты 3. Малая трудоемкость; 4. Экологическая безвредность; 5. Надежность и простота в обслуживании оборудования; 6. Возможность получения заданного сортамента изделий из ВКМ;

Критерии выбора оптимальных параметров технологического процесса получения ВКМ • 100 %-ное уплотнение матрицы ВКМ и 100 %-ное заполнение межволоконного пространства; • сохранение целостности волокон; • обеспечение равномерного и закономерного ориентированного расположения армирующих волокон в матрице при определенном их объеме; • обеспечение совместимости компонентов, т. е. создание определенного уровня связи на границе раздела волокноматрица при сохранении пластичности матрицы и исходной прочности волокон; • создание заданного уровня остаточных напряжений в композите; • предотвращение интенсивного окисления компонентов КМ;

Способы очистки волокон Необходима для удаления оксидных пленок, примесей различных веществ, технологических смазок. Способы: • Пайка; • Химическая и электрохимическая очистка; • Механическая очистка; • Очистка в органических растворителях; • Ультрозвуковая очистка;

Классификация методов получения ВКМ Непрерывные волокна Дискретные волокна Сортировка, Покрытие, Ориентирование Очистка волокна Твердофазные Специальны е 1. Напыление 2. Осаждение 3. Консолидац ия при твердом состоянии матрицы Твердофазные + Жидкофазные 1. Пропитка 2. Консолидация при твердом состоянии матрицы Жидкофазны е 1. Ориентирова ние 2. Пропитка 1. Пропитка 2. Формование в присутствии жидкой фазы 1. Подготовка порошка 2. Формование 3. Спекание 1. Получение шликера 2. Формование 3. Спекание 1. Сборка 2. Консолидациядеформация Нитевидные кристаллы Сортировка, Покрытие, Ориентирование Молекуляр ные Электроли тическое осаждение молекул матрицы на повер- хность н. к. из пара или раствора Химическое осаждение молекул матрицы на поверх- ность н. к. из пара или раствора Горячее прессование