Композиционные материалы.

Это материалы, получаемые искусственным сочетанием разнородных компонентов с резко различными свойствами. Основными компонентами любого композиционного материала (КМ) являются матрица и наполнитель. Матрица является формообразующим и связующим компонентом, она связывает элементы наполнителя в единый материал. Наполнитель (арматура) является упрочняющим компонентом, внешняя нагрузка, прилагаемая к композиту, воспринимается матрицей и через поверхности раздела компонентов передается на элементы наполнителя.

В результате совмещения в одном макрообъеме элементов наполнителя и матрицы образуется комплекс свойств композита, отражающий не только исходные показатели его компонентов, но и показатели, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, повышенная трещиностойкость многих композитов объясняется их гетерогенной структурой, которая обуславливает большие поверхности раздела между элементами наполнителя и матрицей.

Общая характеристика всех групп композиционных материалов, их классификация и области применения рассмотрены в учебнике Г.М.Волкова и В.М.Зуева «Материаловедение». Прочность композиционных материалов зависит от типа матрицы и наполнителя, количества наполнителя и его ориентации в матрице, а также от прочности связи арматуры с матрицей. Каждому типу наполнителя соответствует его оптимальное количество, при котором обеспечивается требуемая смачиваемость элементов наполнителя. В композитах, упорядоченно армированных непрерывными волокнами, количество наполнителя составляет 60…70%, а количество дискретных волокон или нитевидных кристаллов в хаотически армированных композитах – 20…30%. При большем содержании арматуры возникают технологические трудности, связанные с неравномерным смачиванием и недостаточной пропиткой арматуры матричным материалом. Это ухудшает прочность адгезионного контакта матрицы и наполнителя, а также приводит к образованию пустот, что снижает прочность композита.

Использование композитов в качестве конструкционных материалов позволяет проектировать не только деталь, как таковую, но и структурное состояние ее наиболее нагружаемых при эксплуатации зон. Это достигается за счет оптимальной ориентации наполнителя и изменения его количества, что повышает конструкционную прочность материала в нагруженных зонах детали.

Преимущества композитов в прочности по сравнению с другими материалами проявляются в деталях, где в полной мере реализуются свойства наполнителя. Такими являются, например, композитные детали с наполнителем из непрерывных высокопрочных волокон. Значительный эффект достигается в деталях, где применяется одноосное армирование и соблюдается условие обязательного расположения армирующих волокон вдоль траектории действия наибольших нагрузок. При увеличении угла между направлением волокон и направлением нагрузки прочность и жесткость композита резко снижаются и в большей степени определяются свойствами полимерной матрицы.

Необходимым условием применения КМ вместо сталей является сопоставимость их несущей способности с несущей способностью сталей (показатели: предел прочности σ_ВРи модуль упругости Е). В этом случае некоторые композиты значительно превосходят стали по удельным показателям прочности (σ_В/ρ)и жесткости (Е/ρ), т.к. плотность композитов меньше плотности стали. В результате может быть достигнуто снижение массы конструкции без потери ее несущей способности. В таблице 9 приведены данные о массе некоторых однотипных кузовных деталей из стали и высокопрочного углепластика – композита на полимерной основе с наполнителем из углеродных волокон.

Таблица 9.

Данные о массе некоторых однотипных кузовных деталей из стали и высокопрочного углепластика – композита на полимерной основе с наполнителем из углеродных волокон

Учитывая высокую стоимость углепластиков, их применение в серийном производстве кузовов следует признать нерентабельным. Область их применения ограничивается спортивными машинами; так, в частности, болиды «Формула - 1» более чем на 50% состоят из углепластиковых деталей.

Более востребованными в кузовостроении являются стеклопластики – композиты с наполнителем из стекловолокон. Можно выделить несколько типов стеклопластиков, в достаточной степени уже опробованных в качестве кузовных материалов: стеклопластики контактного формирования, препреги, трехслойные материалы, материалы с хаотическим армированием рубленным (дискретным) стекловолокном. При крупносерийном производстве кузовов следует использовать препреги, из которых горячим прессованием можно изготавливать различные по форме и размерам кузовные детали. Препреги представляют собой рулонные или листовые полуфабрикаты с хаотичной или направленной ориентацией арматуры, предварительно пропитанные смолой и защищенные с обеих сторон пленкой.В состав препрегов входят стекловолокнистый наполнитель, ускоритель отверждения, красители и другие компоненты. При количестве наполнителя 25…65% прочность этих композитов соответствует значениям σ_ВР=180…420 МПа, что сопоставимо с прочностью сталей, но при гораздо меньшей плотности препрегов (≈2г/см³). Следовательно, использование препрегов вместо сталей позволяет значительно снизить массу кузовов без потери их прочности и жесткости.

Препреги в виде лент применяют для изготовления деталей типа тел вращения (трубы карданных валов, колесные диски, маховики) методом намотки.

Кроме композитов с полимерной матрицей для изготовления деталей машин и конструкций применяют также композиты с металлической матрицей. К ним относят композиты с матрицей из алюминиевых, магниевых, титановых и медных сплавов. В качестве арматуры в них применяют металлическую проволоку, нитевидные кристаллы, высокопрочные волокна углерода, бора, карбида кремния.

Наиболее освоенным способом является одновременное получение композита и изделия, при котором армирующий каркас пропитывается расплавленным матричным материалом, причем пропитка производится самопроизвольно или под давлением. Пропитка должна обеспечить необходимую смачиваемость элементов арматуры матричным материалам, что гарантирует при последующей кристаллизации матрицы образование прочной адгезионной связи матрицы и наполнителя. Эффективность пропитки значительно возрастает при использовании ультразвукового воздействия.

В условиях массового производства детали машин и аппаратуры весьма эффективным является использование порошковых композиционных материалов (см. раздел 4.6.).

Контрольные вопросы.

1. Какие сплавы относятся к сталям перлитного, аустенитного и ферритного классов? Какими свойствами обладает сталь 113Г13Л? Как сделать износостойкой деталь из стали 25ХГТ? Как сделать ударопрочной деталь 40Х?Расшифруйте марку стали А40Г.

2. Расшифруйте марку стали 40ХГСНЗВА. Для каких деталей машин следует ее использовать? Чем объяснить оптимальное сочетание высокой прочности и достаточной вязкости этой стали? Для каких деталей используют стали 20Х13 и 12Х18Н9?

3. Для каких условий работы применяют жаростойкие стали и сплавы? Что называют пределом длительной прочности и что характеризует этот показатель?

4. Какие материалы называют хладостойкими? У какой стали хладостойкость выше: у стали с Т₅₀= - 50°С? Объясните ваш выбор.

5. Чем фрикционные материалы отличаются от антифрикционных? К какой из вышеназванных групп материалов относится сплав Бр-С, как называется этот сплав?

6. Чем объяснить ограничения по содержанию углерода в конструкционных чугунах? Какими преимуществами обладают чугуны перед литейными сталями? Назовите основные дефекты макроструктуры стальных отливок. Почему все же литейные стали находят достаточно широкое применение?

7. Дайте краткую характеристику алюминиевых литейных сплавов. Что дает их применение в конструкции автомобилей? Для чего проводят закалку с последующим старением деталей из алюминиевых и магниевых сплавов?

8. Какие материалы относятся к неметаллическим? Чем органические полимеры отличаются от неорганических? Какую структуру макромолекул имеют термопластичные полимеры, а какую – термореактивные? Как это влияет на их технологические свойства?

9. На какие группы подразделяются пластмассы? Что представляют собой ненаполненные и наполненные пластмассы? Из каких пластмасс следует изготавливать силовые детали машин, а из каких – малонагруженные? В чем преимущества и недостатки пластмасс?

10. Чем объяснить высокую эластичность резин? Какая резина более эластична: содержащая 3% серы или содержащая 30% серы? Объясните ваш выбор. Что называют вулканизацией? Из какой резины изготавливают автомобильные шины?

11. Какое влияние на свойства клеев оказывают пленкообразующие компоненты? Что называют адгезией, какое значение имеет адгезия для прочности клеевого соединения? Для чего применяют пластизоли? Что называют когезией и что когезия характеризует? При каких условиях нагружения клеевое соединения наиболее эффективно?

12. Назовите основные компоненты композиционных материалов и какую роль играет каждый из них? От каких факторов зависит прочность композитов? Как зависит прочность композита от смачиваемости и пропитки арматуры? Какое количество арматуры считается оптимальным и почему?

Литература

1. Г.М. Волков, В.М. Зуев. «Материаловедение». Учебник для ВТУзов. М. «Академия». 2008 г.

2. Б.Б. Бобович. «Неметаллические конструкционные материалы». М., МГИУ, 2010г.

3. Технология конструкционных материалов. Под редакцией А.М. Дальского. М. «Машиностроение», 2004г.

4. С.Е. Маневский. «Конструкционные материалы в автомобиле- и тракторостроении». М., МГИУ, 2010г.

5. В.Н. Ткачев, Б.М. Финштейн, В.Д.Власенко, В.А. Уранов. «Методы повышения долговечности деталей машин». М., «Машиностроение», 1971г.