Полный литературный обзор - shikardos.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Полный литературный обзор - страница №1/1

Полный литературный обзор.
Композиты.
Технический прогресс невозможен без развития материалов. Традиционные материалы уже не всегда или не вполне отвечают потребностям современной инженерной практики. Как правило, новые материалы появляются в результате естественного стремления проектировщиков улучшить характеристики эксплуатируемых конструкций, а будучи освоенными, они открывают новые возможности для разработки принципиально новых конструкций и технологических процессов. Одно из наиболее ярких проявлений такой взаимной обусловленности в разработке материалов, конструкций и технологий связано с композитными материалами (композитами), находящими все более широкое распространение в различных областях техники.

Композитные материалы по праву считаются материалами XXI века - они обладают высочайшими физико-механическими характеристиками при низкой плотности - они крепче стали и легче алюминиевых сплавов. 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.

Понятие композитных 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.

Многокомпонентные материалы, состоящие из пластичной основы - матрицы, армированной наполнителями, играющими укрепляющую и некоторые другие роли называют композитными материалами или композитами.

Композитные материалы известны на протяжении столетий. То, что малые добавки волокна значительно увеличивают прочность и вязкость хрупких материалов, было известно с древнейших времен. В Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а древние египтяне добавляли рубленую солому в глиняные кирпичи, чтобы они были прочнее и не растрескивались при сушке на жарком солнце. Оболочки для египетских мумий делали из кусков папируса, пропитанных смолой. 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 композиционных материалов можно назвать железобетон и булатные стали.

Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Признаком композитного материала является заметное взаимное влияние составных элементов композита, т.е. их новое качество, эффект. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче.

В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связей между ними.

Композит с высокими механическими характеристиками можно получить лишь тогда, когда несущими элементами становятся прочные и жесткие волокна. В этом случае композитная структура действует как механизм подавления трещин. Комбинирование жестких волокон с матрицей позволяет предупредить хрупкое разрушение, использовать такие свойства волокнистых материалов, как высокая прочность и жаропрочность.

Материал матрицы определяет в значительной степени метод изготовления изделий, уровень рабочих температур композита, химическую стойкость, характер изменения свойств при воздействии атмосферного и других факторов.

Матрицами в композитных 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:

- полиматричные, когда в одном композиционном материале сочетают несколько матриц,

- гибридные, включающие несколько разных наполнителей, каждый из которых имеет свою роль

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

Распространенными композитами являются: бетоны (производятся как на традиционных цементных матрицах, так и на полимерных), органопластики (композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже — природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т. д.), древесные композиционные материалы (арболиты, ксилолиты, цементностружечные плиты, клееные деревянные конструкции, фанеры и гнутоклееные детали и т.д.), стеклопластики (полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла), углепластики (полимерные композиты, наполнителем в которых служат углеродные волокна), 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), пресспорошки (наполненные полимеры, где наполнителем служат древесная мука, каолин, мел, тальк, слюда, сажа, стекловолокно, базальтовое волокно и др.), текстолиты (слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон - хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д.).

Все многообразие композитов можно условно разделить на три группы (по типу матрицы): полимерные, металлические и керамические.

Композиты на основе полимерной матрицы в зависимости от наполнителя представляют собой стеклопластики, углепластики, боропластики, органопластики, базальтопластики, древеснослоистые пластики. В качестве связующих применяют в тех или иных целях практически все термопластичные и термореактивные полимер, однако наиболее часто в промышленности используются эпоксидные, полиэфирные, фенолформальдегидные, кремнийорганические и полиимидные смолы. При получении их можно наделить требуемыми свойствами в самом широком диапазоне. Кроме того, эти композиты технологичны, их использование экономично и обеспечено обширной сырьевой базой для получения исходных компонентов. Полимерные композиты по сравнению с другими материалами выделяются своей прочностью, жесткостью и плотностью. Так, удельная прочность стали составляет 21*10-5 см, а композита на основе ортогонально-перекрестного стекловолокнита 50* 10-5см.

Углеродопластики по удельной прочности превосходят алюминий и титан и применяются в авиации, космической технике, для создания легких, прочных, долговечных конструкций. Полимерные материалы в отличие от металлов не подвержены коррозии, поэтому композиты на их основе широко применяются в химической промышленности для изготовления труб, насосов, реакторов, баллонов высокого давления. Например, срок службы трубопровода из эпоксидного стеклопластика по сравнению с металлом в 10 раз выше.

Композиты на металлической матрице — это чистые металлы, либо сплавы на 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 по сравнению с пластиками существенно повышает упругость и прочность композита, сохраняя эти свойства почти до своей температуры плавления. Кроме того, металлические композиты обладают лучшей работоспособностью в вакууме и в условиях облучения, а также — пониженной воспламеняемостью. Недостатки металлической матрицы — большой удельный вес, трудоемкость изготовления.

Использование композитов с металлической матрицей резко уменьшает массы деталей, а это чрезвычайно важно для авиационной и космической техники. Бор-алюминий (композит на основе борных волокон с алюминиевой матрицей) позволяет значительно снизить массу самолета. Появляется возможность увеличить его полезную нагрузку без уменьшения скорости и дальности полета.

Области применения металлических композитов определяются не только механическими, но и физическими свойствами — электрическими, магнитными, ядерными, акустическими и т. д. Так, для проводов высоковольтных линий применяют медную проволоку, армированную волокнами ниобия. Это дает возможность увеличить расстояние между опорами в 2—3 раза. Композиты с матрицами из алюминия, меди, титана и никеля на основе волокна из различных сплавов ниобия используются как сверхпроводники.

Композиты на основе керамической матрицы появились сравнительно недавно. Как известно, керамика обладает комплексом ценных свойств: высокой прочностью, стабильностью при повышенных температурах, низкой плотностью, коррозионной стойкостью. Но при этом керамические материалы слишком хрупки, чувствительны к тепловому удару. За счет армирующих элементов удается повысить ее ударную вязкость и стойкость к перепадам температур.

Керамические композиты создаются на основе карбида кремния, нитридов кремния и бора, боросиликатных стекол, углерода и других материалов. В настоящее время наиболее широкое применение получили композиты типа углерод-углерод, где оптимально сочетаются высокая прочность с температуроустойчивостью.

Углерод-углеродные композиты используют для изготовления эрозионно-стойких сопл реактивных двигателей. Они позволяют уменьшить вес сопла и упростить его конструкцию. Благодаря высоким фрикционным характеристикам углерод-углеродные композиты пригодны для изготовления дисков авиационных тормозов.

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.

В последние годы интенсивно разрабатывается технология получения гибридных композитов. Они, как правило, состоят из двух или нескольких типов волокон, заключенных в одну матрицу. Гибриды обладают некоторыми уникальными свойствами, значительно превосходящими свойства обычных композитов. Это, например, сбалансированные прочность и жесткость при малой плотности и стоимости, улучшенные усталостные характеристики и высокая стойкость к удару. Наиболее широко распространены гибридные композиты на основе полимерных волокон из ароматического полиамида в сочетании со стеклянными или углеродными волокнами. Такого рода композиты используют конструкторы - биомеханики для создания облегченных переносных аппаратов искусственного дыхания и всевозможных протезов.

Композиты обладают разнообразным сочетанием физико-механических свойств, которые часто невозможны в традиционных конструкционных материалах. Своей прочностью, долговечностью, инертностью к агрессивным средам они превосходят в 3—5 раз металлы, причем эти свойства сочетаются с регулируемой теплопроводностью. Кроме того, технология изготовления деталей машин и конструкций из композитов часто существенно упрощается за счет сокращения стадий изготовления.

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. Нанокомпозиты - это современный многофункциональный материал, содержащий наноразмерные частицы и обладающий уникальными свойствами, которые до конца еще не изучены.

Направленный характер свойств композитных материалов - важнейшее достоинство. Из композитных материалов можно создавать элементы конструкций с заранее заданными свойствами, наиболее полно отвечающие характеру и условиям работы. Многообразие волокон и матричных материалов, а также схем армирования, используемых при создании композитов, позволяют направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур, химическую стойкость и другие свойства.

Композиционные материалы позволяют использовать новые принципы проектирования и изготовления изделий, основанные на том, что материал и изделие создаются одновременно в рамках одного и того же технологического процесса.

Таким образом, современные композиты обладают широким комплексом свойств, открывающих при соответствующем развитии практически неограниченные возможности как для совершенствования существующих конструкций самого различного назначения, так и для разработки новых конструкций и технологических процессов.
Список использованных источников:

1. Абушенко А.В. Что такое композиционные материалы? http://www.dpk-deck.ru/page/compositi-opred.html

2. Композиционный материал. Википедия.

http://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%EE%EC%EF%EE%E7%E8%F6%E8%EE%ED%ED%FB%E9_%EC%E0%F2%E5%F0%E8%E0%EB

3. Что такое композитные материалы. http://www.mvmplant.com/materials/

4. Васильев В., Барынин В. и др. Композиты - материалы XXI века.

http://www.angelsna.ru/newtech/archive/komposity.htm

5. Семейство композитов.



http://www.autowelding.ru/blog/semejstvo_kompozitov/2011-04-29-84