Что такое композит в физике. Что такое композиты? Композиционные или композитные материалы – материалы будущего

Сегодня со стороны строителей к композитным панелям приковано огромное внимание. Эти усовершенствованные современные материалы позволяют создать редкий архитектурный стиль новому зданию. Используют композитные панели для фасадов, прослуживших длительное время. В результате их применения существенно улучшается внешний вид построек.

Их можно использовать в жарких и холодных регионах благодаря устойчивости к разным температурам. Облицовка фасадов таким материалом приводит к созданию внутри зданий благоприятного микроклимата и к тому же позволит снизить затраты на кондиционирование в летнее время года и отопление в зимнее.

Из чего состоят панели?

Алюминиевые композитные панели - это изделия, которые состоят из двух окрашенных листов алюминия. Структура этого материала выглядит следующим образом:

• защищающее покрытие, наделенное антикоррозийными свойствами;
• слой, в основе которого лежит грунтовка;
• высокопрочный алюминиевый лист;
• огнеупорный минеральный либо полимерный наполнитель, это может быть полиэтилен, полиуретан, полипропилен, полистирол;
• еще один слой высокопрочного алюминия;
• грунтовка;
• слой лака;
• защищающая пленка.

Каждая панель для придания большей прочности покрыта специальным составом. Все слои друг с другом соединены по особой технологии, благодаря которой изделие приобретает высокую устойчивость к расслаиванию. В зависимости от назначения с двух либо одной стороны на изделие может быть, кроме краски, нанесено лаковое покрытие против ржавчины, в результате у алюминиевой композитной плиты повышается износостойкость. Выпускается готовая продукция непрерывной лентой. Наличие большого разнообразия габаритных размеров очень удобно для потребителей.

Композитная панель изготавливается способом изгиба алюминиевых листов.

Желательно, чтобы радиус закругления при этом был самым маленьким, если он будет таким же, как и толщина пластины, значит, изделие отвечает всем нормативным стандартам. В процессе производства материал обретает точные плоскостные характеристики, при этом защитные и поверхностные красочные слои нанесены однородно.

Поверхность алюминиевых композитных панелей для фасада может копировать:

• древесину;
• штукатурку;
• кирпич;
• природный камень.

На строительном рынке встречаются алюминиевые композитные панели с эффектом благородного металла, что становится возможным благодаря способу гальванотехники.

Свойства монтажных профилей

Все монтажные профили делятся на 3 вида:

• открытая стыковка;
• стык с уплотнением;
• с использованием влагозащитного экрана.

Для того чтобы фасад из композитных панелей стал более жестким, часто применяют дополнительные элементы. На свойства этого изделия влияет наполнитель, который лежит в основе центрального слоя. Производители в начале изготовления такого изделия использовали полимерный материал в качестве наполнителя - вспененный полиэтилен.

Алюминиевый композит обладает:

• незначительным весом;
• неплохой пластичностью;
• хорошими шумоизоляционными свойствами.

Но у данного типа есть главный минус, который заключается в том, что полиэтилен горит, поддерживает процесс горения, плавится и выделяет вредный дым. Таких недостатков не имеют алюминиевые листы с минеральным наполнителем. В составе этого вспененного полиэтилена есть существенное количество антипиренов. Благодаря этим минеральным добавкам очень сильно меняются его физические свойства. В этом случае наполнитель загорается от открытого пламени, но если нет источника огня, сразу гаснет, а также он:

• не выделяет токсичного дыма;
• не течет.

Производителями из Китая и Европы выпускаются технологические новинки — наполнители А и А2 классов. Гидроокись алюминия является их базовым компонентом. Эти композитные фасадные панели входят в разряд негорючих. Они могут выдерживать 2–4 часа открытого огня. Однако это положительное свойство способствует тому, что готовые изделия тяжело сделать округлыми либо другой неправильной формы. Все дело в том, что у них отсутствует пластичность. Алюминиевые композитные панели стоят дорого.

Их применяют на сооружениях и зданиях с самыми жесткими противопожарными требованиями.

Композитные алюминиевые с сотовой структурой - это отдельно стоящий класс изделий. В них между двумя металлическими листами находится сеть алюминиевых тонких перемычек рисунков:

• сотового;
• сетчатого;
• линейного.

Они отличаются:

• прочностью на изгиб;
• легким весом;
• дороговизной.

Такая разновидность не обладает достаточной способностью поглощать шум и вибрацию. От механического воздействия они продавливаются.

Главные плюсы

Композитный материал выпускается в различных цветах. Изделия бывают однотонных цветов, а также копирующие текстуру естественных материалов:

• дерева;
• мрамора;
• гранита.

Лицевая сторона служит длительное время благодаря нанесенному лакокрасочному покрытию. К другим положительным свойствам относится простота разных процессов обработки. К примеру, благодаря фрезеровке на поверхности фасадных алюминиевых панелей можно делать технические отверстия. Легкость в обработке повышает в несколько раз сферу его использования. Конструкция материала позволяет преобразовать его в любую форму, сгибать и резать.

Результатом становится возможность использовать для отделки нестандартных построек, в которых предусмотрены купола, арки, пирамиды.

Вентфасад из композитных алюминиевых панелей обладает способностью ослаблять электромагнитные излучения. К прочим положительным свойствам относится возможность защитить стены от ветра и сырости. Небольшой вес не способен утяжелить здание. При облицовке композитом внешний вид стен будет пребывать в первоначальном состоянии длительное время, потому что такое покрытие устойчиво к погодным и химическим воздействиям. Благодаря тому что поверхность гладкая, на ней не скапливается пыль и грязь. Навесной фасад из композита ставить на высотные здания очень выгодно, потому что в этом случае поверхность обладает способностью к самоочищению.

Облицовка композитными панелями проводится в короткий срок. Они придадут сооружению стильный современный внешний вид, обеспечат ему значительные эстетические свойства.

Композитные материалы снижают потери тепла, безопасны с экологической точки зрения и не способны накапливать электричество. Они продолжительное время могут противостоять внешнему влиянию. Этот материал очень устойчив к воздействию ультрафиолетовых лучей. Композит почти никак не реагирует на агрессивные среды.

Облицовка фасада сооружений вредного производства рекомендуется именно таким видом композита.

Однако надо иметь в виду, что у материала имеются и минусы. Так изделие не является теплоизоляционным. Нужно учитывать его низкую пригодность к ремонту. В том случае если обшивка из композитных панелей повреждена, то отремонтировать достаточно сложно. При необходимости замены кассеты нужно будет менять и рядом находящиеся. У композитного материала низкого качества плита может расслаиваться, и тогда на фасаде образуются пузыри.

Области использования алюминиевых панелей

В наше время вентилируемые фасады из композитных панелей пользуются огромной популярностью. Экстерьеры всевозможных сооружений - это самая распространенная сфера применения. Композитный фасад состоит из многослойных алюминиевых панелей, которые применяются для внешней облицовки зданий.

Вентфасад, отделанный композитом, приобретает неповторимый современный внешний вид. При наличии еще и утеплителя можно достичь ощутимого сбережения электрической энергии без привлечения каких-либо дополнительных расходов на то, чтобы укрепить фундамент и несущие стены.

Монтаж вентилируемых фасадов прост благодаря тому, что есть возможность устанавливать панели на стенки из различного материала. При этом не надо их предварительно подготавливать, а значит, можно существенно сэкономить денежные средства. Легкий небольшого веса вентилируемый фасад из композитных материалов позволяет воплотить в реальность любую задумку дизайнера.

Этот материал нередко встречается во внутреннем пространстве общественных заведений в:

• торговых центрах;
• больницах;
• поликлиниках;
• аэропортах;
• вокзалах;
• автомобильных салонах;
• школах.

Это те места, в которых требуется прочный материал, способный в неизменном состоянии выдержать продолжительную эксплуатацию. Кроме вентилируемых фасадов, композит используется и в других местах. Его часто используют при реставрации здания, сооружении необычных конструкций для наружной рекламы, строительстве легких временных построек. Нередко алюминиевые композитные панели участвуют в сооружении различных декоративных карнизов, поясков, наружных подвесных потолков, в облицовке колон.

Фасады из композита позволяют сформировать современный архитектурный стиль. И все это стало возможным благодаря небольшому весу, простоте обработки, повышенной гибкости и разнообразию красок.

Введение

За последние несколько лет огромное внимание уделяется созданию и исследованию так называемых мультиферроиков - материалов, проявляющих одновременно ферроэлектрические и ферромагнитные свойства.

Мультиферроики могут быть реализованы как в монофазный, так и в композитной форме. Большинство из однофазных мультиферроичных материалов обнаруживают магнитоэлектрические свойства в низкотемпературных областях, главным образом, при криогенных температурах.

Альтернативу этим практически неприменимым однофазным мультиферроикам нашли в материалах, так называемых композитах, искусственно созданных материалах комбинацией двух фаз, например, комбинацией пьезоэлектрических и пьезомагнитных фаз или магнитострикционных и пьезоэлектрических фаз. Эти материалы сохраняют равновесные ферроэлектрические структуры при температурах, близких к комнатной. Они имеют большой магнитоэлектрический (МЕ) эффект, магнитострикционные и пьезоэлектрические фазы хорошего качества и относятся к так называемым мультифункциональным материалом. Главным достижением в производстве синтетических композитных мультиферроиков - это достаточно легкое и дешевое их изготовление и возможность контроля за молекулярным соотношением фаз и размером зёрен каждой фазы. Имеется и проблема, связанная с предотвращение возможной химической реакции на границах между ферроэлектрическим и магнитными фазами в течение синтеза, приводящей к потере, например, диэлектрических свойств. Вообще, в композитах размеры зёрен, форма и границы между зёрнами - основные элементы, приводящие при сохранении «родительских» свойств фаз к возникновению новых свойств. Так, известно, что может произойти усиление колоссального магнитного сопротивления (CRM), объясняемое в модели спин-поляризационного туннелирования появление непроводящих слоев-барьеров между зёрнами.

Передо мной тогда были поставлены задачи:

1) ознакомиться с литературой, посвященной композиционным мультиферроикам, представленного образца;

2) изучить свойства и структуру (La 0.5 Eu 0.5) 0.7 Pb 0.3 MnO 3 и PbTiO 3 ;

3) синтезировать в поликристаллическом виде PbTiO 3 и вырастить монокристалл (La 0.5 Eu 0.5) 0.7 Pb 0.3 MnO 3 ;

4) начать исследование магнитных, магнитоэлектрических и других свойств (1-х) (La 0.5 Eu 0.5) 0.7 Pb 0.3 MnO 3 +хPbTiO 3 .

Примеры композитов

Что такое композиты?

Композиционными называют материалы, образованные из двух или более разнородных фаз и обладающие характеристиками, не присущими исходным компонентам. Такое определение хорошо отражает идею композита, но является слишком широким, поскольку охватывает подавляющее большинство материалов и сплавов (например, стали, чугун, бетон и др.). По-видимому, лучшим будет другое определение: композиты - объемное монолитное искусственное сочетание разнообразных по форме и свойствам двух и более материалов (компонентов), с четкой границей раздела, использующее преимущества каждого из компонентов и проявляющее новые свойства, обусловленные граничными процессами.

Обычно композиты представляют собой основу (матрицу) из одного материала, армированную наполнителями из волокон, слоев, диспергированных частиц другого материала. При этом сочетаются прочностные свойства обоих компонентов. Путём подбора состава и свойств наполнителя и матрицы, их соотношение, ориентации наполнителя, можно получить материал с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических характеристик.

Композит отличается от сплава тем, что в готовом композите отдельные компоненты сохраняют присущие им свойства. Компоненты должны взаимодействовать на границе раздела композита, проявляя только положительные новые свойства. Такой результат можно получить лишь в том случае, если в композиционном материале успешно объединены свойства компонентов, т.е. при эксплуатации композита должны проявляться только требуемые свойства компонентов, а их недостатки полностью или частично уничтожаются.

Таким образом:

Получаемый композит приобретает новые, лучшие свойства и, следовательно, может выполнять дополнительные функции (многофункциональный материал);

Характеристики композита лучше, чем у его компонентов, взятых по отдельности или вместе без учета граничных процессов;

Действия отдельных компонентов композита всегда проявляются в их совокупности с учетом процессов, происходящих на границе раздела фаз.

Активное применение композитов началось с начала 70-х годов, хотя идея применения двух и более исходных материалов в качестве компонентов, образующих композиционную среду, существует с тех пор, как люди стали иметь дело с материалами.

Цель создания композита - достичь комбинации свойств, не присущих каждому из исходных материалов в отдельности. Таким образом, композит может изготавливаться из материалов, которые сами по себе не удовлетворяют предъявляемым требованиям. Так как эти требования могут относиться к физическим, химическим, технологическим и другим свойствам, то наука о композитах находится на стыке различных областей знания и требует участия исследователей различных специальностей.

Традиционный выбор материала и проектирование компонентов конструкции были отдельными задачами. Когда композиты стали вытеснять металлы и сплавы из таких областей, как самолето-, судо- и автомобилестроение, промышленный дизайн и выбор материала соединились и стали просто различными аспектами одного процесса.

Следует отметить, что наряду с конструкционной анизотропией композита существуют технологическая анизотропия, возникающая при пластической деформации изотропных материалов, и физическая анизотропия, присущая, например, кристаллам и связанная с особенностями строения кристаллической решетки.

По методу получения различают два вида композитов: искусственные и естественные. К искусственным относятся все композиты, полученные в результате искусственного введения армирующей фазы в матрицу, к естественным - сплавы эвтектического и близкого к ним состава. В эвтектических композитах армирующей фазой являются ориентированные волокнистые или пластинчатые кристаллы, образованные естественным путём в процессе направленной кристаллизации.

По мере создания новых композитов «старые» виды классификации расширяются и могут возникать новые.

При изучении литературы, посвященной магнитным и магнитоэлектрическим композитам, я нашла следующие композиты на основе оксидов, которые синтезированы и изучены:

1. «MgFe 2 O 3 -BaTiO 3 » ;

2. «BaTiO 3 - (Ni, Zn) Fe 2 O 4 » ;

3. «La 0.67 Ca 0.33 MnO 3 -CuFe 2 O 4 » ;

4. «(La 0.7 Ca 0.3 MnO 3) 1-x /(MgO) x » ;

5. «La 2/3 Ca 1/3 MnO 3 /SiO 2 » ;

6. «La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 /Ta 2 O 5 » .

Композиционный материал

Композицио́нный материа́л (компози́т, КМ ) - искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. 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 связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных ком­понентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов , повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это - гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита, пропитанные эпоксидными клеями), фанера … Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. Булат - один из древнейших композиционных материалов. В нем тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.

В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит - и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр.

Классификация композитов

Композиты обычно классифицируются по виду армирующего наполнителя:

• волокнистые (армирующий компонент - волокнистые структуры);
• слоистые;
• наполненные пластики (армирующий компонент - частицы)
  • насыпные (гомогенные),
  • скелетные (начальные структуры, наполненные связующим).

Преимущества композиционных материалов

Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно. Исключением являются препреги , которые являются полуфабрикатом для изготовления конструкций. Стоит сразу оговорить, что КМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства.

• высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа)
• высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 - 240 ГПа)
• высокая износостойкость
• высокая усталостная прочность
• из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции
• легкость

Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.

Недостатки композиционных материалов

Композиционные материалы имеют достаточно большое количество недостатков, которые сдерживают их распространение.

Высокая стоимость

Высокая стоимость КМ обусловлена высокой наукоёмкостью производства, необходимостью применения специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.

Анизотропия свойств

Низкая ударная вязкость

Высокий удельный объем

Гигроскопичность

КМ могут впитывать также другие жидкости, обладающие высокой проникающей способностью, например, авиационный керосин .

Токсичность

При эксплуатации КМ могут выделять пары, которые часто являются токсичными . Если из КМ изготавливают изделия, которые будут располагаться в непосредственной близости от человека (таким примером может послужить композитный фюзеляж самолета Boeing 787 Dreamliner), то для одобрения применяемых при изготовлении КМ материалов требуются дополнительные исследования воздействия компонентов КМ на человека.

Низкая эксплуатационная технологичность

Композиционные материалы обладают низкой эксплуатационной технологичностью , низкой ремонтопригодностью и высокой стоимостью эксплуатации. Это связано с необходимостью применения специальных трудоемких методов, специальных инструментов для доработки и ремонта объектов из КМ. Часто объекты из КМ вообще не подлежат какой-либо доработке и ремонту.

Области применения

Товары широкого потребления

Характеристика

Технология применяется для формирования на поверхностях в парах трения сталь -резина дополнительных защитных покрытий . Применение технологии позволяет увеличить рабочий цикл уплотнений и валов промышленного оборудования, работающих в водной среде .

Композиционные материалы состоят из нескольких функционально отличных материалов. Основу неорганических материалов составляют модифицированные различными добавками силикаты магния , железа , алюминия . Фазовые переходы в этих материалах происходят при достаточно высоких локальных нагрузках, близких к пределу прочности металла . При этом на поверхности формируется высокопрочный металлокерамический слой в зоне высоких локальных нагрузок, благодаря чему удается изменить структуру поверхности металла.

• брони для военной техники

Литература

• Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. - М.: Машиностроение, 1988. - 272 с.
• Карпинос Д. М. Композиционные материалы. Справочник. - Киев, Наукова думка

См. также

Примечания

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Композиционный материал" в других словарях:

КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, состав, созданный путем сочетания двух или более других материалов, как, например, бетон, стеклопластик или фанера. Обычно композиционный материал по свойствам превосходит те, из которых он сделан … Научно-технический энциклопедический словарь

композиционный материал - композит Материал неоднородной структуры, состоящий из нескольких однородных материалов (компонентов). [ПБ 03 576 03] Дополнительная информация в интернете: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2085.html Тематики полимерные и др. материалы Синонимы… … Справочник технического переводчика

композиционный материал - 3.3 композиционный материал: Материал, содержащий активный резиновый порошок в качестве основы, а также целевые и функциональные добавки, предназначенный для модифицирования асфальтобетонных смесей. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Composite material Композиционный материал. Комбинации из двух или более материалов (упрочняющие элементы, наполнители и составное матричное вяжущее вещество), отличающихся по форме, композиции, размерам. Составляющие части сохраняют свои… … Словарь металлургических терминов

композиционный материал - kompozitas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. composite; composite material vok. Verbundstoff, m rus. композит, m; композиционный материал, m pranc. composite, f; matériau composite, m … Radioelektronikos terminų žodynas

Знакомит читателя с композитами на основе металлов и керамическими композитными материалами. Также в ней рассказывается об основных видах применения композитов.

• Органопластики с органическими волокнами естественного и искусственного происхождения. Легче, чем стекло- и углепластики. Отличаются высокой прочностью на удар, но низкой - на растяжение/изгиб. К пластикам этого типа относится, например, кевлар.
• Текстолиты, изготовленные из матрицы из полимера и тканей различной природы в качестве наполнителя. Некоторые текстолиты изготавливаются с матрицей из неорганических веществ (силикатов, фосфатов). Свойства материалов очень разнообразны, зависят от вида волокон ткани. Волокна производят из хлопка, асбеста, базальта, стекла, искусственных материалов и пр.
• Полимеры с порошковым заполнением (полиэтилены, полипропилены, смолы с различными наполнителями, например, тальком, крахмалом, сажей, карбонатом кальция и пр.) - разработано уже более 10 тыс. видов пластиков этого типа. Обратите внимание, что у нас можно купить различные наполнители и другое необходимое сырье для изготовления композитов.

Композиты на основе металлов

Металлокомпозиты изготавливают на основе многих цветных металлов, например, меди, алюминия, никеля. Для наполнения берутся волокна, устойчивые к высоким температурам, не растворяющиеся в основе. Чаще всего используются металлические волокна или монокристаллы из оксидов, нитридов, керамики, карбидов, боридов. Благодаря этому получаются композиты, гораздо более огнестойкие, прочные и износоустойчивые, чем исходный чистый металл.

Керамические композиты

Керамические композиты изготавливают методом спекания под давлением исходной керамической массы с добавлением волокон или частиц. В качестве наполнителей чаще всего применяются металлические волокна - получаются керметы. Они отличаются устойчивостью к тепловому удару, высокой теплопроводностью.

Керметы используются для производства износоустойчивых и термостойких деталей, например, газовых турбин, электропечей. Также они востребованы для изготовления режущего инструмента, деталей тормозных систем, тепловыделяющих стержней для атомных реакторов.

Применение композитов

Композитные материалы уже сейчас используются практически во всех областях производства. Их применяют:

• в строительстве;
• производстве безопасных и бронированных стекол для транспортных средств, витрин и дверей;
• медицинских протезов;
• покрытий для кухонных столов и основы для электронных плат;
• деталей и корпусов бытовых приборов;
• оконных рам и многого другого.

Это интересно: композиты с экстремальными свойствами востребованы в самолето-, авто-, судо- и ракетостроении. Они нужны при производстве деталей для космических аппаратов, атомных станций, спортивного инвентаря (например, легких и прочных велосипедов). Применяются для изготовления элементов приборов и оборудования, эксплуатирующихся в агрессивных средах и при высоких температурах.

Особенности проектирования и внедрения изделий из КМ

При проектировании, изготовлении и внедрении изделий из компо­зиционных материалов на основе волокнистых наполнителей (ВКМ) не­ обходимо учитывать ряд особенностей, присущих этому классу мате­риалов:

а) Анизотропия физико-механических характеристик ВКМ.

Если традиционные материалы (сталь, чугун), а также дисперсно-упрочненные КМ обладают изотропностью свойств, то ВКМ имеют ярко выраженную анизотропию характеристик. При значительном различии характеристик волокнистой арматуры и матрицы соотношение между характеристиками ВКМ в различных направлениях может варьировать­ся в широких пределах: от 3-5 раз до 100 раз и более.

б) При проектировании конструкций, сооружений из традиционных материалов конструктор имеет дело с полуфабрикатами в виде листо­вого, профильного проката, литья и т.д. с гарантированными поставщи­ ком свойствами. Его задача состоит в выборе подходящих полуфабри­катов, определении геометрии, исходя из функционального назначения, и способов соединения отдельных деталей. Задача технолога - обес­печить заданную форму, размеры и качество соединения конструктив­ных элементов. Анализ процессов, протекающих на всех этапах созда­ния полуфабриката, получение материала с требуемым уровнем харак­ теристик относится к компетенции материаловедов. Сложилось вре­менное и организационное разделение процесса получения изделий из традиционных материалов на три этапа:

- материаловедческий - получение материала с требуемыми ха рактеристиками;

- конструкторский - проектирование изделий конструкций;

- технологический - изготовление изделий и машин.

Эти этапы разнесены по времени и могут считаться не связанными между собой, если конструктор руководствуется характеристиками ма­териала, достигнутыми материаловедами, и имеет общие представле­ния об уровне современных технологий.

Изготовление конструкций из КМ происходит, как правило, за одну технологическую операцию с созданием материала. При этом синхрон­но с изготовлением конструкции протекают сложные физико-химические и теплофизические процессы, связанные с образованием структуры и агрегатными превращениями матрицы, взаимодействием ее с арми­рующим материалом. Им сопутствуют механические явления, прямо влияющие на свойства материала и несущую способность композитных деталей, на образование в ней дефектов в ненагруженном состоянии. Поэтому конструктор, проектирующий изделия из КМ , должен знать и учитывать при разработке материаловедческие принципы создания КМ и технологические приемы получения изделий из КМ. Технолог без кон­структорских знаний по условиям нагружения и эксплуатации создавае­ мого изделия из ВКМ не может изготовить изделия, эффективно ис­пользуя отличия КМ от традиционных материалов, т.к. свойства КМ за­висят от структурно-геометрических факторов (объемного содержания армирующих волокон и матрицы, количества и расположения слоев и др.), которые заранее не известны. Поэтому подход должен быть кон структорско-технологическим, а это определяет организационные осо­ бенности производства изделий из КМ .

в) В связи с тесной взаимосвязью этапов изготовления конструк ций из КМ - создание материала, конструкций и технологии получения - более эффективно становится использовать специализированные КБ, имеющие конструкторский и технологический потенциал, оснащенные вычислительной техникой и мощным, но гибким опытным производ­ ством, потому как все конструктивные решения необходимо отрабаты вать на опытных образцах изделий. Такой поход в организации производства должен быть в каждой отрасли, где КМ находят широкое при­ менение: в строительстве, на транспорте, в авиации, химическом ма шиностроении, электротехнической промышленности и др., т.к. предъ являемые к ним требования сильно различаются.

г) При конструировании деталей из полимерных КМ необходимо учитывать их недостатки:

Малую сдвиговую прочность;

Невысокие характеристики при сжатии;

Повышенную ползучесть;

Сравнительно низкую теплостойкость ПКМ.

Особое внимание следует уделить соединениям изделий из ПКМ в связи с малой сдвиговой и контактной прочностью.

д) Несмотря на большой интерес к вопросам предельного состояния, надежных методик, позволяющих определить запасы прочности конструкционных элементов из КМ , нет. В связи со сложностью про блем, связанных с прочностью изделий из КМ , возрастает значение выбора методов при обработке результатов экспериментальных испыта ний.

В настоящее время оценка прочности конструкций из КМ состоит из комплекса испытаний, включающих:

100% испытания эксплуатационными нагрузками;

Выборочные испытания с доведением конструкции до разруше ния.

Гарантию качества и успешное прохождение этих двух видов испы­таний обеспечивает стабильность технологических процессов.

В последние годы на первый план выходит индивидуальная оценка прочности каждой детали с помощью неразрушающих методов испыта­ ния - ультразвук, акустическая эмиссия и др.

е) Определение допусков и посадок на детали из КМ .

Т.к. формирование поверхностей в изделиях из КМ происходит различными способами (намотка, прессование, выкладка и т.д.) и они чаще всего не подвергаются механической обработке, то система до пусков и требования к чистоте поверхности должны строится весьма гибко. Аналогичный подход должен быть и к регламентации разброса массы, связанной с разбросом параметров исходных материалов и их соотношением в КМ , появлением в ходе технологического процесса объемов, различающихся по ориентации наполнителя, и т.д.

ж) Переход на КМ при изготовлении машиностроительной продук­ции затрагивает вопросы детализации узлов машин. Т.к. материал конструируется под конкретные детали, которые в дальнейшем нежелательно подвергать механической обработке, то, естественно, встает вопрос стыковки отдельных деталей. Методы, принятые при изготовле­нии аналогичных узлов машин из металлов, в данном случае либо ма лоэффективны, либо вообще неприемлемы. В связи с этим целесооб­ разно изготавливать из КМ целиком узел, ранее расчленяемый на ряд деталей, которые затем собирались в изделие с помощью разъемных или неразъемных соединений. Это направление весьма эффективно, т.к. сокращаются трудозатраты и энергозатраты , хотя сокращение опе­ раций требует перестройки технологического оборудования и процесса производства.

Например, в США в 1970 г. в массовое производство легковых ав­томобилей была внедрена передняя панель с проемом под облицовку радиатора, впервые изготовлявшаяся из листового КМ . Помимо сниже­ ния массы на 50%, было достигнуто значительное сокращение расхо­ дов за счет объединения нескольких деталей в одну. Эта цельная па­нель исключила множество операций листовой штамповки, механиче­ской обработки на станках и сборки, устранила связанные с ними штам­ пы, формы и станочные зажимные приспособления. Она объединила 16 листовых штамповок и отлитых под давлением деталей в одну деталь из КМ . В 1979 г. на более чем 35 моделях легковых автомобилей стали применять передние панели из КМ , включающие корпуса и гнезда фар, стояночных фонарей, стоп-сигналов, сигналов поворота и габаритных огней.

з) Необходимо изменение подходов к определению экономической эффективности применения КМ . Как правило, экономический эффект от применения КМ образуется у «Потребителя» в виде повышения такти­ ко-технических, эксплуатационных характеристик изделия, его долго­вечности, ремонтопригодности и т.п. Поэтому экономический эффект можно определить только при использовании системного подхода, учи­тывающего все составляющие общего эффекта от замены традицион­ ного материала на КМ , и перехода на новую технологию при изготовле­нии деталей или конструкций в целом.

Только индивидуальный подход с учетом указанных особенностей делает переход к использованию КМ взамен металлов эффективным и перспективным, раскрывающим новые горизонты для развития и со­вершенствования техники.

Классификация композиционных материалов

По типу армирующих наполнителей современные КМ могут быть разделены на две группы:

Дисперсно-упрочненные;

Волокнистые.

Дисперсно-упрочненные композитные материалы (ДУКМ) представляют собой материа­лы, в матрице которых равномерно распределены мелкодисперсные частицы, которые призваны исполнять роль упрочняющей фазы. Дисперсные частицы наполнителя вводят в матрицу специальными технологическими приемами. Частицы не должны активно взаимодействовать с матрицей и не должны растворяться в ней вплоть дотемпературы плавления. В этих материалах основную нагрузку воспринимает матрица, в которой за счет армирующей фазы создается структура, затрудняю­щая движение дислокаций. Дисперсно-упрочненные КМ - изотропны. Их применяют в авиации, ракетостроении и др. Содержание дисперсной фазы составляет ~5-7% (трубки, проволоки, фольга, прутки и т.п.).

Механизм упрочняющего действия от включения дисперсных частиц в матрице, отличается для разных типов ДУКМ.

1) Дисперсно-упрочненные композиционные материалы «пластичная матрица – хрупкий наполнитель»

Для этого типа материалов матрица может быть представлена, например, следующими металлами: Al , Ag , Cu , Ni , Fe , Co , Ti . В качестве наполнителя чаще всего выбираются соединения из оксидов (Al 2 O 3 ; SiO 2 ; Cr 2 O 3 ; ThO 2 ; TiO 2), карбидов (SiC ; TiC ), нитридов (Si 3 N 4 ; AlN ), боридов (TiB 2 ; CrB 2 ; ZrB 2).

На основании опытных данных могут быть сформулированы следующие требования к материалу наполнителя, обеспечивающие наиболее эффективное его использование в качестве упрочняющей фазы. Он должен обладать:

Высокой тугоплавкостью (t пл . > 1000 ° С);

Высокой твердостью и высоким модулем упругости;

Высокой дисперсностью (удельная поверхность – S уд ≥ 10 м 2 /г);

Должна отсутствовать коалесценция (слияние) дисперсных частиц в процессе получения и эксплуатации;

Должно иметь место низкое значение скорости диффузиидисперсных частиц в металлическую матрицу.

Механизм упрочнения композиционные материалы «пластичная матрица – хрупкий наполнитель» .

Упрочнение идет по дислокационному механизму: если расстояние между частицами достаточно, то дислокация под действием касательного напряжения выгибается между ними, ее участки смыкаются за каждой частицей, образуя вокруг частиц петли. В областях между дислокационными петлями возникает поле упругих напряжений, затрудняющее проталкивание новых дислокаций между частицами (рис. 1). Этим достигается повышение сопротивления зарождению (инициированию) трещины.

Рис. 1. Схематическое изображение процесса формирования дислокационных петель в пластичной матрице:

1 – дисперсные частицы; 2 – линии дислокаций; 3 – дислокационные петли; 4 – поле упругих напряжений;

d – размер частицы наполнителя; L – расстояние между соседними частицами наполнителя;

τ – направление действия касательных напряжений.

Получение композиционных материалов «пластичная матрица – хрупкий наполнитель» .

В общем случае последовательность технологических операций для получения ДУКМ типа «пластичная матрица – хрупкий наполнитель» является следующей:

а) Получение композитного порошка;

б) Прессование;

в) Спекание;

г) Деформация полуфабриката;

д) Отжиг.

2) Дисперсно-упрочненные композиционные материалы «хрупкая матрица – пластичный наполнитель»

Структура таких ДУКМ представлена керамической матрицей с равномерно распределенными в ней дисперсными металлическими частицами наполнителя. Эти композиты относятся к классу керметов . Расстояние между соседними частицами задается путем варьирования их объемной доли, а эффект от армирования может проявляться при содержании частиц 15-20% объема.

В качестве керамической фазы могут использоваться тугоплавкие оксиды и некоторые тугоплавкие неоксидные соединения: Al 2 O 3 , 3Al 2 O 3 ∙ 2SiO 2 , Cr 2 O 3 , ZrO 2 , ThO 2 , Y 2 O 3 , Si 3 N 4 , TiN , ZrN , BN, ZrB 2 , TiB 2 , NbB 2 , HfB 2 . В качестве металлической фазы – Fe , Co , Ni , Si , Cu , W, Mo , Cr , Nb , Ta , V, Zr , Hf , Ti . Выбор каждой конкретной керметной пары для получения композита обусловлен возможностью создания стабильной границы раздела в результате твердофазного взаимодействия при температуре, не превышающей температуру плавления наиболее легкоплавкой составляющей пары, либо температуру образования эвтектического расплава.

Механизм торможения разрушения композиционных материалов «хрупкая матрица – пластичный наполнитель» .

Процесс разрушения таких композитов условно можно разделить на две стадии. На первой стадии в ходе нагружения сначала инициируется хрупкое разрушение в матрицевследствие повышенной концентрации напряженийна микронеоднородностях ее структуры: микропорах, границах зерен, крупных неравноосных зернах. При достижении некоторого критического уровня напряжений происходит старт трещины.

На второй стадии распространяющаяся трещина взаимодействует с пластичными металлическими частицами (рис. 2): у ее вершины действуют максимальные напряжения, которые приводят к деформации, удлинению и разрыву металлических частиц. При этом работа разрушения данного композита существенно возрастает по сравнению с таковой характеристикой для неармированного материала. Это происходит за счет затрат энергии трещины на работу пластической деформации всех частиц, попадающих во фронт трещины. В результате сопротивление развитию трещины повышается, поскольку ее берега перекрываются «мостиками связи» из пластичного металла.

Рис. 2. Иллюстрация процесса торможения разрушения в хрупкой матрице:

1 – металлические частицы перед фронтом трещины; 2 – «мостики связи» образованные деформированными

металлическими частицами; 3 – разрушенные металлические частицы; 4 – берега трещины; σ р – растягивающие напряжения

Получение композиционных материалов «хрупкая матрица – пластичный наполнитель» .

Последовательность технологических операций, используемых для получения:

а) Получение композиционной порошковой смеси;

б) Введение в смесь органической связки;

в) Прессование;

г) Удаление органической связки;

д) Спекание;

е) Механическая обработка.

Для обеспечения прессуемости (придания пластичности) смеси порошков компонентов вводят органическую связку путем смешивания с раствором какого-либо органического вещества (поливиниловый спирт, поливинилбутираль , этиленгликоль, каучук и др.) с последующей сушкой для удаления растворителя. В результате выполнения этой операции каждая частица порошковой смеси покрыта тонким слоем пластификатора. Тогда при приложении давления прессования к порошковой смеси, засыпанной в пресс-форму, происходит связывание ее частиц по прослойкам пластификатора. После, путем термообработки изделий в вакууме или в порошковой засыпке из глинозема или сажи, происходит удаление связующего вещества при температуре термодеструкции или сгорания (300 – 400 ° С). После удаления органической связки частицы в объеме изделия удерживаются преимущественно за счет сил трения. Температура спекания композита лимитируется температурой спекания керамической матрицы. Оно проводится в нейтральных газовых средах (аргон, гелий) или в вакууме. В случае необходимости спеченный материал подвергают механической обработке с помощью алмазного инструмента.

Волокнистые КМ можно классифицировать по типу армирующего наполнителя. При их изготовлении в качестве арматуры применяются высокопрочные стеклянные, углеродные, борные, органические волок­на, металлические проволоки, нитевидные кристаллы ряда карбидов, оксидов, нитридов и др.

Армирующие материалы используются в виде моноволокон , нитей, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов. Волокнистые КМ можно различать также по способу армирования: ориентированное и стохастическое (случайное). В первом случае композиты обладают четко выраженной анизотропией свойств; во втором - квизиизотропны . Объемная доля наполнителя в волокнистых КМ составляет 60-70%.

По типу матрицы композиты различают:

Полимерные (ПКМ);

Металлические (МКМ );

Керамические (ККМ);

- углерод-углеродные (УУКМ).

Полимерные композитные материалы – это гетерофазные композиционныематериалы с непрерывной полимерной фазой (матрицей), в которой хаотически или в определенном порядке распределены твердые, жидкие или газообразные наполнители. Эти вещества заполняют часть объема матрицы, сокращая тем самым расход дефицитного или дорогостоящего сырья, и (или) модифицируют композицию, придавая ей нужные качества, обусловленные назначением, особенностями технологических процессов производства и переработки, а также условиями эксплуатации изделий. К ним относятся подавляющее большинство пластмасс , резин, лакокрасочных материалов, полимерных компаундов, клеев и др.

В зависимости от типа полимерной матрицы различают наполненные реактопласты, термопласты (по­лиэтилен, поливинилхлорид, капрон и др.), синтетические смолы (полиэфирные, эпоксифенольные и др.) и каучуки. В зависимости от типа наполнителя ПКМ делят на дисперсно-наполненные пластики (наполнитель - дисперсные частицы разнообразной формы, в т. ч. измельченное волокно), армированные пластики (содержат упрочняющий наполнитель непрерывной волокнистой структуры), газонаполненные пластмассы, масло-наполненные каучуки; по природе наполнителя наполненные полимеры подразделяют на асбопластики (наполнитель-асбест), графито-пласты (графит), древесные слоистые пластики (древесный шпон), стеклопластики (стекловолокно), углепластики (углеродное волокно), органопластики (химические волокна), боропластики (борное волокно) и др., а также на гибридные, или поливолокнистые пластики (наполнитель-комбинация различных волокон).

По способу изготовления ПКМ можно разделить на полученные: выкладкой, намоткой, пултрузией , прессованием и др.