Лекция 9. Изготовление деталей из композиционных материалов

9.1 Общие сведения

Композиционные материалы (КпМ) – это КМ, состоящие из матрицы (основы) с распределенным в ней армирующим материалом (наполнителем).

КпМ должны отвечать следующим критериям:

1) Композиция должна представлять собой сочетание хотя бы двух химически разнородных материалов с четкой границей раздела между этими компонентами (фазами);

2) Композиция должна обладать свойствами, которых не имеет никакой из её компонентов в отдельности.

В процессе получения композиции в основной материал добавляются наполнители, которые в значительной степени определяют свойства КпМ. Размеры частиц входящих компонентов могут колебаться в широких пределах – от нескольких долей микрометров (порошки) до нескольких миллиметров (волокна).

В качестве армирующего материала (наполнителя) КпМ могут применяться волокна стекла, углерода, бора или органические волокна. Для полимерной основы используются смолы, в частности, эпоксидная смола. А для металлической основы КпМ, работающих при , применяются алюминиевые и магниевые сплавы, при более высоких температурах - титановые сплавы, а при ещё более высоких – никелевые сплавы. В качестве армирующего материала используются SiC, Al₂O₃, интерметаллиды и др.

9.2 Характеристика композиционных материалов

КпМ обладают широким диапазоном свойств, превосходя по удельной прочности, жесткости и сопротивлению усталости большинство КМ. Что позволяет снизить массу конструкции самолета на 20-30%. КпМ имеют низкую чувствительность к концентраторам напряжений, хорошую коррозионную стойкость, радиопрозрачность и др. Поэтому из КпМ изготовляють обшивки крыла, оперения рулей и элеронов, предкрылков, радиопрозрачные обтекатели, трехслойные панели, перегородки в салонах, капоты, створки шасси, обтекатели и др.

Однако КпМ обладают и рядом недостатков:

- нестабильность значений характеристик и анизотропией;

- малая прочность межслоевого сдвига;

- сложность заделки.

Свойства КпМ можно синтезировать манипулируя всей композицией:

- изменять типы матрицы и армирующих волокон;

- варьировать объемным соотношением основы и наполнителя и числом слоев;

- ориентировать армирование относительно действующих нагрузок;

- смешивать различные типы волокон и др.

При анализе материала конструкции надо учитывать следующее:

1. Для элементов, работающих на растяжение, наиболее целесообразно стеклянные или органические волокна (первые ещё и дешевле, а вторые имеют меньшую плотность);

2. На сжатие более высокой прочностью обладают боропластики, они же и углепластики обладают большей жесткостью;

3. Наибольшие прочность и жесткость при сдвиге достигаются направлением армирования волокон с углом ;

4. Наибольшей ударной прочностью, вязкостью и трещиностойкостью обладают органопластики (наиболее хрупки углепластики);

5. Наиболее термостойкими являются угольные волокна и бороволокна ( );

6. Более легкие конструкции из КпМ могуть оказаться более выгодными даже при большей стоимости КпМ, т.к. снижая массу планера, они позволяют снизить расход топлива, увеличить целевую нагрузку, или дальность полета. Что и ведет к увеличению эффективности самолета.

9.3 Классификация композиционных материалов

I.Композиционные металлические материалы:

1) Порошковые:

а) электротехнические (магниты, электроконтакты, электрощетки и др.);

б) пористые (фильтры, «потеющие» и др.);

в) фрикционные и антифрикционные (подшипники скольжения, тормозные накладки идр.);

г) инструментальные (пластинки из твердых сплавов и сверхтвердых материалов, минералокерамические пластинки и др.);

д) компактные конструкционные (различные детали машин и приборов и др.);

е) термостойкие (жаропрочные и тугоплавкие детали различных изделий и др.);

ж) специальные (детали вакуумной аппаратуры, полупроводники и др.);

2) Волокнистые с металлической матрицей:

а) алюминиевая матрица;

б) титановая;

в) магниевая и др.

II. Полимерные композиционные материалы:

1) Углепластики:

а) однонаправленный пултрузионный (КМУ-П);

б) высокотехнологичный (КМУ-4) и др.;

2) Органопластики (наполнитель – волокно марки СВМ);

3) Металлоорганопластики (алоры);

4) Стеклопастики (стеклотекстолит, стекловолокнит);

5) Органическое стекло:

а) ориентированное;

б) теплостойкое (Э-2, СО-200).

9.4 Изготовление деталей из композиционных порошковых материалов

Порошковая металлургия (ПМ) – отрасль технологии, занимающаяся производством металлических порошков и деталей из них.

Металлургия волокна – отрасль металлургии, занимающаяся производством волокнистых материалов.

Из металлического порошка или смеси порошков прессуют заготовки, которые подвергают термической обработке спеканием.

Промышленность выпускает различные металлические порошки: железный, медный, никелевый, хромовый, кобальтовый, вольфрамовый, молибденовый, титановый и др.

ТМ ПМ получают все большее распространение, т.к. с помощью их можно получить материалы и детали с особыми физико-химическими и технологическими свойствами:

- высокая жаро-, тепло-, - и износостойкость;

- большая твердость;

- стабильность заданных магнитных характеристик и др.

ТП производства деталей и изделий из порошковых материалов проходит следующие стадии:

1) Приготовление металлического порошка;

2) Составление шихты;

3) Прессование;

4) Спекание.

Все способы приготовления порошков условно можно разделить следующим образом:

I. Механические, получение порошка без изменения химического состава материала:

1) Измельчение в твердом состоянии в шаровых, вихревых и вибрационных мельницах;

2) Получение порошков из расплава металлов методами грануляции и распыления жидкого металла;