Композиционные материалы

 

технолог литейного производства

Композиционные материалы – материалы, образованные объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними.

Время использования композитных материалов человеком прошло много веков, и представление о композитных материалах заимствовано человеком у природы. Еще на ранних этапах цивилизации человек использовал глиняный кирпич, в который замешивали солому и ветки, что придавало кирпичам повышенную прочность. Некоторые старые уникальные материалы также являются композитными материалами (например, булатная сталь).

композитный материал-булатная сталь

Изображение взято из открытого источника яндекс. картинки

Люди использовали композитные материалы в различных областях на протяжении тысячелетий. Первые примеры использования композитных материалов относятся к 1500 году до нашей эры, когда первые египтяне и месопотамские поселенцы использовали смесь грязи и соломы для создания прочных и долговечных зданий. Сочетание грязи и соломы в кирпичном блоке придало ему сильные свойства как при сжатии, так и при растрескивании или изгибе.

В 1200 году нашей эры монголы изобрели первый составной лук, используя комбинацию «животного клея», кости и дерева. Луки были спрессованы и обернуты берестой. Эти луки были мощными и точными. Составные монгольские луки помогли обеспечить военное превосходство Чингисхана.

Благодаря своим преимуществам, таким как малый вес и прочность, многие из величайших достижений в области композитных материалов обусловлены потребностями военного времени. Во время Второй мировой войны было разработано множество композитных материалов, которые были перенесены из лабораторий в реальное производство.

Развитие и потребность в композитных материалах также привели к появлению индустрии полимеров, армированных волокном. К 1945 году более 7 миллионов килограммов стекловолокна было использовано для производства различных изделий, в основном в военных целях. После войны производство композитных материалов продолжало набирать обороты и быстро развивалось на протяжении 1950-х годов. Новаторы в области композитных материалов предприняли амбициозные попытки внедрить композитные материалы на другие рынки, такие как аэрокосмическая промышленность, строительство и транспорт. Вскоре преимущества стекловолоконных композитов, особенно их коррозионная стойкость, стали известны в государственном секторе. Лодки были одним из очевидных продуктов, которые приносили пользу. Первый корпус коммерческого судна из стеклопластика был представлен в 1946 году. Весь корпус автомобиля был изготовлен из композитного материала и испытан в 1947 году.

композитный материал-стеклопластик

Начало автомобильной эры привело к появлению нескольких новых методов формования, таких как формование методом сжатия объемной формовочной смеси и формовочной смеси из листового металла. Эти два метода стали доминирующими методами формования в автомобильной и других отраслях промышленности. В начале 1950-х годов были разработаны такие производственные процессы, как намотка нитей на большие площади и формование в вакуумных пакетах. В 1960-х годах рынок морских перевозок стал крупнейшим потребителем композитных материалов.

В 1961 году было запатентовано первое углеродное волокно, которое через несколько лет стало коммерчески доступным.

В 1970-х годах начала развиваться промышленность композитных материалов. В этот период были разработаны многие из лучших смол и улучшенных армирующих волокон для использования в композитных материалах. В 1970-х годах автомобильный рынок превзошел морской рынок номер один, и эта позиция сохраняется и сегодня.

Композитные материалы впервые были использованы в инфраструктурах Азии и Европы в конце 1970-х — начале 1980-х годов. Первый полностью составной пешеходный мост был установлен в Аберфелди, Шотландия, в 1990-х годах.

Композитные материалы и сегодня находят самое широкое применение. Наноматериалы содержатся в улучшенных волокнах и смолах, используемых в новых композитных материалах. Нанотехнологии начали использоваться в коммерческих продуктах в начале 2000-х годов. Объемные углеродные нанотрубки могут использоваться в качестве композитной арматуры в полимерах для улучшения механических, термических и электрических свойств объемного продукта.

 

Композитные материалы (КМ) — это материалы, обладающие следующими характеристиками:

— состоят из двух или более компонентов, которые различаются по химическому составу и разделены четкой границей;

— они обладают новыми свойствами, отличными от свойств, из которых состоят эти компонентные материалы;

— неоднородный в микромасштабе и однородный в макромасштабе;

— свойства определяются каждым из компонентов, которые в связи с этим должны содержаться в материале в достаточно большом количестве (превышающем критическое значение).

 

Компонент, который является непрерывным по всему объему КМ, называется матрицей, а прерывистый элемент (элементы), разделенный по объему композиции, называется усиливающим элементом (наполнителем).

Композитные материалы классифицируются по следующим основным характеристикам: тип матрицы, тип армирующего элемента, макроструктурные свойства и методы консервации.

Матрица придает изделию из км заданную форму и монолитность, обеспечивает перенос и перераспределение нагрузки в зависимости от объема материала и защищает усиливающие элементы от внешних воздействий. Тип матрицы определяет технологические параметры композитного процесса и его эксплуатационные характеристики (плотность, удельная прочность, рабочая температура, устойчивость к агрессивным средам и усталостным воздействиям).

В зависимости от типа материала матрицы КМ могут быть:

  1. полимеры (термопласты, реактопласты, смеси);
  2. металл (включая материалы порошковой металлургии и сплавы, состоящие из однородных по макрону фаз);
  3. неорганические (неорганические полимеры, минералы, углерод, керамика);
  4. комбинированный (полимерный).

Усиливающие или усиливающие элементы равномерно распределены по матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью, большим модулем упругости и по этим показателям намного превосходят матрицу. В композит для изменения его свойств (повышения прочности, жесткости и пластичности; изменения плотности, электрических, тепловых и других свойств в различных направлениях и в определенных местах изделия) в него вводятся армирующие элементы. Усиливающий или усиливающий компонент часто называют «наполнителем». Во многих случаях наполнителями называют элементы, использование которых позволяет добиться увеличения прочности матрицы не более чем в 1,5…2 раза. Армирующие элементы (армирование) — это высокопрочные нити, волокна, ткани, которые при соответствующем содержании в составе способствуют повышению прочности материала в 2…10 и более раз по сравнению с прочностью матрицы.

Композитный материал может содержать как наполнители, так и армирующие элементы.

В композиционных материалах сочетаются лучшие свойства различных составляющих фаз – прочность, пластичность, износостойкость и т.п. ( показаны в таблице)
Детали из композиционных материалов изготовляют прессованием, экструзией, прокаткой, вибрационными уплотнениями и т.д. с последующим спеканием в защитной среде и применяются в различных отраслях промышленности, в том числе и при изготовлении оборудования для литейного производства.

Композиционные материалы – материалы, образованные объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними. В композиционных материалах сочетаются лучшие свойства различных составляющих фаз – прочность, пластичность, износостойкость и т.п. ( показаны в таблице)

Свойства композитов в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними.

Матрица придает изделию из композитного материала определенную форму и монолитность. Характеристики матрицы определяют эксплуатационные характеристики (рабочая температура, плотность, удельная прочность, устойчивость к усталости и воздействию окружающей среды) и режимы процесса производства композитных материалов.

Усиливающие наполнители вводятся в композиционные материалы для повышения прочности, жесткости и пластичности, а также для изменения электрофизических, тепловых свойств в различных направлениях или в определенных местах изделия.

Композитные материалы характеризуются свойствами, которыми ни один из компонентов в отдельности не обладает.

Композитные материалы классифицируются в зависимости от химического состава компонентов, а также от размера, формы и ориентации наполнителей.

Композитный материал или композит (КМ), сокращенно композит, представляет собой многокомпонентный материал, изготовленный из двух или более компонентов с существенно различными физическими и / или химическими свойствами, которые в сочетании приводят к получению нового материала со свойствами, отличными от свойств отдельных компонентов, и не являются простым наложением. В составе композитного материала принято различать матрицу/матрицы и наполнитель/наполнители, последние выполняют функцию армирования (аналогично армированию в таком композитном строительном материале, как железобетон).

 

технолог литейного производства

Углеродные или стекловолокна обычно используются в качестве наполнителей композитов, а полимер играет роль матрицы. Сочетание различных компонентов улучшает свойства материала, делая его легким и прочным одновременно. При этом отдельные компоненты остаются в структуре композиционных материалов таким образом, что они отличаются от смесей и затвердевших растворов. Изменяется состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентация наполнителя, получается широкий спектр материалов с требуемыми свойствами. Многие композитные материалы превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время легче. Использование композитных материалов обычно снижает вес конструкции при сохранении или улучшении ее механических свойств.

Типы композитных материалов

За последние несколько десятилетий было разработано множество новых композитных материалов, некоторые из которых обладают очень ценными свойствами.

Любой материал может служить матричным материалом для композитных материалов. Однако матричные материалы обычно бывают трех типов:

  • Керамика
  • Металлы
  • Полимер

Фактически, большинство композитов, представленных на рынке композитов, представляют собой полимеры. Из полимерных матриц чаще всего использовались эпоксидная смола, фенолформальдегид и полиамид.

Существуют различные полимерные матрицы, которые можно использовать в композитных материалах:

* Термореактивные матрицы

* Термопластичные матрицы

В композитах с полимерной матрицей преобладают композиты с термореактивной матрицей, а не с термопластичной матрицей. Хотя термореактивные и термопластичные материалы звучат одинаково, они имеют совершенно разные свойства и области применения. Понимание различий в производительности может помочь принимать более правильные решения при выборе поставщиков и разработке композитных изделий.

Структура композитных материалов

Конструктивно композитные материалы делятся на несколько основных классов:

* волокнистый

* диспергированный-смещенный

* отвержденный частицами

* нанокомпозит

 Волокнистые композиционные материалы

Это одна из разновидностей структуры композитных материалов. Они производятся путем армирования непрерывными волокнами каждого слоя матрицы. Иногда волокна могут быть сплетены в единое полотно, иметь форму конечного изделия или выполняться в формате трехмерных объектов.

Волокна наполнителяПлотность, кг/м3Прочность, МПаУдельная прочностьУпругость, МПа
Бор250070000,2450 000
Алюминия оксид395020000,4390 000
Кремния карбид320040000,7540 000
Углерод200035001,1600 000
Стекло25402800174 000
Арамид (полимерное волокно)149040001,6150 000

Волокнистые композиты более упругие и жёсткие, обладают высоким коэффициентом выносливости, не склонны к образованию трещин.

Прочность материала зависит от свойств волокон. Например, для матрицы из алюминия или магния подойдёт борный или карбидный волокнистый наполнитель.

волокнистые материалы

Волокнистые композиционные материалы

Сочетание компонентов с разными свойствами — не новшество, метод известен с давних времен. Современные композиты благодаря высоким технологиям в зависимости от цели использования могут получать разные свойства.

Источник: https://hardhub.ru/articles/vopros-otvet/spisok-sovremennykh-kompozitnykh-materialov/

Композиты на основе керамики

В основании этих материалов используются неорганические полимеры и керамические смеси. Они бывают природного происхождения и искусственно созданные. В матрицу добавляются высокопрочные наполнители — волокна, порошки, сетки.

Путем разного сочетания компонентов можно контролировать свойства готового материала и добиваться нужных характеристик в зависимости от планируемой сферы применения. Керамические композиты становятся частью деталей автомобилей, самолетов, космической техники. Они подходят для производства изделий, которые будут работать в агрессивных условиях — при больших нагрузках, на высоких скоростях и при воздействии экстремальных температур.

По структуре их можно разделить на следующие разновидности:

  • Дисперсный. В керамической основе по всему объему равномерно распределены частицы наполнителя.
  • Слоистый. Компоненты с разными свойствами располагаются поочередно слоями. Часто наполнителем становится фольга, реже — металлические порошки, нити, гранулы.
  • Армированный. Бывает с ориентированным и произвольным армированием. В качестве укрепляющего компонента используют волокна, нити кристаллов, металлопрокат и т.д.

Производство композитных материалов основано на технологии прессования и спекания. Часто основным компонентом выступают керамические порошки с определенной долей металлических включений. Компоненты смешивают, формируют и спекают. Армированные композиты производят по более сложной технологии, которая предусматривает правильную дозировку порошка и бережное перемешивания без повреждения наполнителя.

керамические композиционные материалы

Источник: https://hardhub.ru/articles/vopros-otvet/spisok-sovremennykh-kompozitnykh-materialov/

Из которых  для  литейного производства  изготавливают пенокерамические фильтры, для улавливания шлаковых и неметаллических включений, чтобы отливки были более высокого качества.

Таблица — Свойства конструкционных композиционных материалов
Материал                                                                                          Плотность г/см3              Gв            Е
Кгс/мм2
Волокно бора на алюминиевой связке                                                    2,6                   100-120     24000
Углеводородное волокно на алюминиевой связке                               2,35                 75                15000
Волокно бора на магниевой связке                                                          2,0                   100             22000
Волокно карбида кремния на титановой связке                                   4,0                   90               21000
Вольфрам на никелевой связке                                                                12,5                 80               465000
Волокно молибдена на никелевой связке                                               9,3                   70               23500
Дисперсионные частицы двуокиси гафния на никелевой связке     9,0                   50-55        14000

Использование композиционных материалов в других отраслях

Композитные материалы, обладающие комплексом присущих им специальных и функциональных свойств, широко используются в различных областях техники:

-авиационная (например, при производстве лопастей вентиляторов для авиационных двигателей, фюзеляжа, крыльев, хвостовых оперений);

-автомобиль (кузов, детали двигателя);

-сердечник (тепловыделяющие элементы, поглощающие элементы);

-медицинская (датчики кардиографа, подшипники для буровых станков);

-судостроение (гребной винт, корпус лодки и корпус лодки);

— а также в производстве средств индивидуальной защиты (бронежилетов), спортивного инвентаря (лыж, весла, теннисных ракеток) и т.д.

 

технолог литейного производства



Эти материалы будут вам интересны: