Material compozit

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 23 noiembrie 2020; verificările necesită 18 modificări .

Material compozit sau material compozit (CM), abreviat compozit  - un material multicomponent realizat (de om sau de natură) din două sau mai multe componente cu proprietăți fizice și/sau chimice semnificativ diferite, care, în combinație, duc la apariția unui material nou cu caracteristici care diferă de caracteristicile componentelor individuale și nu sunt o simplă suprapunere a acestora . Ca parte a compozitului, se obișnuiește să se evidențieze matricea / matricele și umplutura / umplutura, acestea din urmă îndeplinesc funcția de armătură (prin analogie cu armarea într-un astfel de material de construcție compozit precum betonul armat ). De regulă, fibrele de carbon sau de sticlă acționează ca umpluturi pentru compozite, iar un polimer joacă rolul unei matrice. Combinația de diferite componente îmbunătățește caracteristicile materialului și îl face atât ușor, cât și puternic. În acest caz, componentele individuale rămân aceleași în structura compozitelor, ceea ce le deosebește de amestecuri și soluții întărite. Variind compoziția matricei și a umpluturii, a raportului acestora, a orientării umpluturii, se obține o gamă largă de materiale cu setul de proprietăți necesar. Multe compozite sunt superioare materialelor și aliajelor tradiționale în proprietățile lor mecanice și, în același timp, sunt mai ușoare. Utilizarea compozitelor face de obicei posibilă reducerea masei unei structuri, menținând sau îmbunătățind caracteristicile sale mecanice.

Structura materialelor compozite

În funcție de structura lor, compozitele sunt împărțite în mai multe clase principale: fibroase, întărite prin dispersie, întărite cu particule și nanocompozite. Compozitele fibroase sunt întărite cu fibre sau mustăți - cărămizile cu paie și papier-mâché pot fi atribuite doar acestei clase de compozite. Deja un conținut mic de umplutură în compozitele de acest tip duce la apariția unor proprietăți mecanice calitativ noi ale materialului. Proprietățile materialului pot fi, de asemenea, variate pe scară largă prin schimbarea orientării dimensiunii și concentrației fibrelor. În plus, armătura cu fibre conferă materialului anizotropie a proprietăților (diferență de proprietăți în direcții diferite), iar prin adăugarea de fibre conductoare, este posibil să se confere conductivitate electrică materialului de -a lungul unei axe date.

În materialele compozite stratificate, matricea și umplutura sunt aranjate în straturi, cum ar fi, de exemplu, în sticlă foarte rezistentă, armată cu mai multe straturi de filme polimerice .

Microstructura altor clase de materiale compozite se caracterizează prin faptul că matricea este umplută cu particule de armare și diferă în dimensiunea particulelor. În compozitele armate cu particule, dimensiunea lor este mai mare de 1 μm, iar conținutul este de 20–25% (în volum), în timp ce compozitele întărite cu dispersie includ de la 1 la 15% (în volum) particule cu dimensiuni cuprinse între 0,01 și 0,01 până la 0,1 µm. Dimensiunile particulelor care alcătuiesc nanocompozitele, o nouă clasă de materiale compozite, sunt chiar mai mici și se ridică la 10-100 nm.

Materiale compozite polimerice (PCM)

Compozitele, în care matricea este un material polimeric , sunt unul dintre cele mai numeroase și diverse tipuri de materiale. Aplicarea lor în diverse domenii dă un efect economic semnificativ. De exemplu, utilizarea PCM în producția de echipamente spațiale și aviatice permite economisirea de la 5 la 30% din greutatea aeronavei. Și reducerea greutății, de exemplu, a unui satelit artificial pe orbită apropiată de Pământ cu 1 kg duce la o economie de 1.000 USD. Multe substanțe diferite sunt utilizate ca umpluturi PCM.

A) Fibră de sticlă  - materiale compozite polimerice întărite cu fibre de sticlă, care sunt formate din sticlă anorganică topită. Ca matrice, sunt utilizate cel mai des atât rășini sintetice termorigide (fenolice, epoxidice, poliester și așa mai departe), cât și polimeri termoplastici (poliamide, polietilenă , polistiren și așa mai departe). Aceste materiale au rezistență suficient de mare, conductivitate termică scăzută, proprietăți de izolare electrică ridicate, în plus, sunt transparente pentru undele radio. Utilizarea fibrei de sticlă a început la sfârșitul celui de-al Doilea Război Mondial pentru fabricarea radomurilor de antene - structuri cu cupolă care adăpostesc antena de localizare. În primele materiale plastice armate cu sticlă, numărul de fibre a fost mic, fibra a fost introdusă în principal pentru a neutraliza defectele brute din matricea fragilă. Cu toate acestea, în timp, scopul matricei s-a schimbat - a început să servească numai pentru lipirea fibrelor puternice împreună, conținutul de fibre din multe fibre de sticlă ajunge la 80% în greutate. Un material stratificat în care o țesătură țesută din fibre de sticlă este folosită ca umplutură se numește fibră de sticlă. [unu]

Fibra de sticlă este un material destul de ieftin, ele sunt utilizate pe scară largă în construcții, construcții navale, electronice radio, producția de articole de uz casnic, echipamente sportive, rame de ferestre pentru ferestre moderne cu geam dublu și așa mai departe.

B) CFRP - umplutura din aceste compozite polimerice sunt fibre de carbon. Fibrele de carbon sunt obținute din fibre sintetice și naturale pe bază de celuloză, copolimeri de acrilonitril, smoală de gudron de petrol și de cărbune și așa mai departe. Tratamentul termic al fibrei se efectuează, de regulă, în trei etape (oxidare - 220 ° C, carbonizare - 1000-1500 ° C și grafitizare - 1800-3000 ° C) și duce la formarea de fibre caracterizate printr-un nivel ridicat. conținut (până la 99,5% din masă) de carbon. În funcție de modul de procesare și materie primă, fibra de carbon rezultată are o structură diferită. Pentru fabricarea fibrei de carbon se folosesc aceleași matrice ca și pentru fibra de sticlă - cel mai adesea - polimeri termorigizi și termoplastici. Principalele avantaje ale materialelor plastice armate cu fibra de carbon in comparatie cu fibra de sticla sunt densitatea lor scazuta si modulul de elasticitate mai mare, plasticele din fibra de carbon sunt materiale foarte usoare si, in acelasi timp, durabile. Fibrele de carbon și materialele plastice de carbon au un coeficient de expansiune liniar aproape zero. Toate materialele plastice de carbon sunt bune conductoare de electricitate, de culoare neagră, ceea ce le limitează oarecum domeniul de aplicare. CFRP-urile sunt utilizate în aviație, știința rachetelor, inginerie mecanică, producția de tehnologie spațială, echipamente medicale, proteze, în fabricarea de biciclete ușoare și alte echipamente sportive.

Pe baza fibrelor de carbon și a unei matrice de carbon, sunt create materiale compozite carbon-grafit - cele mai rezistente la căldură materiale compozite (materiale plastice de carbon) care pot rezista la temperaturi de până la 3000 ° C pentru o lungă perioadă de timp în medii inerte sau reducătoare. sunt mai multe moduri de a produce astfel de materiale. Potrivit uneia dintre ele, fibrele de carbon sunt impregnate cu rășină fenol-formaldehidă, apoi supuse la temperaturi ridicate (2000 ° C), în timp ce are loc piroliza substanțelor organice și se formează carbon. Pentru a face materialul mai puțin poros și mai dens, operația se repetă de mai multe ori. O altă modalitate de a obține un material carbonic este calcinarea grafitului obișnuit la temperaturi ridicate într-o atmosferă de metan. Carbonul fin dispersat format în timpul pirolizei metanului închide toți porii din structura grafitului. Densitatea unui astfel de material crește în comparație cu densitatea grafitului de o dată și jumătate. Componentele de înaltă temperatură ale rachetelor și aeronavelor de mare viteză, plăcuțele și discurile de frână pentru aeronavele de mare viteză și navele spațiale reutilizabile și echipamentele electrotermice sunt fabricate din fibră de carbon.

C ) Boroplasticele sunt materiale compozite care conțin fibre de bor ca umplutură înglobate într-o matrice polimerică termorezistentă, în timp ce fibrele pot fi fie sub formă de monofilamente, fie sub formă de mănunchiuri împletite cu un fir auxiliar de sticlă sau bandă, în care fire de bor sunt împletite cu altele.fire. Datorită durității ridicate a firelor, materialul rezultat are proprietăți mecanice ridicate (fibrele de bor au cea mai mare rezistență la compresiune în comparație cu fibrele din alte materiale) și rezistență ridicată la condiții agresive, dar fragilitatea ridicată a materialului face dificilă prelucrarea. le și impune restricții asupra formei produselor din plastic cu bor. În plus, costul fibrelor de bor este foarte mare (aproximativ 400 USD/kg) datorită particularităților tehnologiei de producere a acestora (borul este depus din clorură pe un substrat de wolfram, al cărui cost poate ajunge până la 30% din costul fibrei). Proprietățile termice ale boroplasticului sunt determinate de rezistența la căldură a matricei, astfel încât temperaturile de funcționare sunt de obicei scăzute.

Utilizarea materialelor plastice cu bor este limitată de costul ridicat de producere a fibrelor de bor; prin urmare, acestea sunt utilizate în principal în aviație și tehnologia spațială în părțile supuse la stres pe termen lung într-un mediu agresiv.

D) Organoplastice - compozite în care fibre organice, sintetice și mai rar - naturale și artificiale sub formă de mănunchiuri, fire, țesături, hârtie și așa mai departe servesc drept umpluturi. În organele plastice termorigide, de regulă, rășinile epoxidice, poliesterice și fenolice, precum și poliimidele servesc ca matrice. Materialul conține 40-70% umplutură. Conținutul de umplutură în organele plastice pe bază de polimeri termoplastici - polietilenă, PVC, poliuretan și așa mai departe - variază într-un interval mult mai mare - de la 2 la 70%. Organoplasticele au o densitate redusă, sunt mai ușoare decât fibra de sticlă și carbon, rezistență la tracțiune relativ mare; rezistență ridicată la impact și sarcini dinamice, dar, în același timp, rezistență scăzută la compresiune și la încovoiere.

Un rol important în îmbunătățirea caracteristicilor mecanice ale organoplasticelor îl joacă gradul de orientare al macromoleculelor de umplutură. Macromoleculele polimerilor cu lanț rigid, cum ar fi poliparafenil tereftalamida (Kevlar) sunt în general orientate în direcția axei benzii și, prin urmare, au o rezistență mare la tracțiune de-a lungul fibrelor. Armura antiglonț este realizată din materiale întărite cu Kevlar.

Organoplastele sunt utilizate pe scară largă în industria auto, construcții navale, inginerie mecanică, aviație și tehnologie spațială, electronică radio, inginerie chimică, producție de echipamente sportive și așa mai departe.

E) Polimeri umpluți cu pulberi. Sunt cunoscute peste 10.000 de clase de polimeri umpluți. Umpluturile sunt folosite atât pentru a reduce costul materialului, cât și pentru a-i conferi proprietăți speciale. Pentru prima dată, un polimer umplut a început să fie produs de Dr. Bakeland (Leo H. Baekeland, SUA), care a descoperit la începutul secolului XX. metoda de sinteza a rasinii fenol-formaldehidice (bachelita). Prin ea însăși, această rășină este o substanță fragilă cu rezistență scăzută. Bakeland a descoperit că adăugarea de fibre, în special făină de lemn, la rășină înainte de a se întări, îi crește rezistența. Materialul pe care l-a creat - bachelita - a câștigat o mare popularitate. Tehnologia de preparare a acestuia este simplă: un amestec de polimer parțial întărit și umplutură - pulbere de presare - se întărește ireversibil în matriță sub presiune. Primul produs de serie produs folosind această tehnologie în 1916 este butonul schimbătorului de viteze al unei mașini Rolls-Royce. Polimerii termorigizi umpluți sunt utilizați pe scară largă până în prezent.

Acum sunt utilizate o varietate de materiale de umplutură atât din polimeri termorigizi, cât și din polimeri termoplastici. Carbonatul de calciu și caolinul (argila albă) sunt ieftine, rezervele lor sunt practic nelimitate, culoarea albă face posibilă colorarea materialului. Este utilizat pentru fabricarea materialelor PVC rigide și elastice pentru producția de țevi, izolație electrică, plăci de acoperire și așa mai departe, fibră de sticlă poliester, umplutură de polietilenă și polipropilenă. Adăugarea de talc la polipropilenă crește semnificativ modulul de elasticitate și rezistența la căldură a acestui polimer. Negrul de fum este folosit mai ales ca umplutură de cauciuc, dar este introdus și în polietilenă, polipropilenă, polistiren și așa mai departe. Umpluturile organice sunt încă utilizate pe scară largă - făină de lemn, coji de nuci măcinate, fibre vegetale și sintetice. Un compozit polimer-nisip pe bază de polietilenă cu umplutură de nisip de râu a câștigat o mare popularitate . Pentru a crea compozite biodegradabile, amidonul este folosit ca umplutură.

E) Textoliți  - materiale plastice stratificate întărite cu țesături din diverse fibre. Tehnologia de producere a textoliților a fost dezvoltată în anii 1920 pe baza rășinii fenol-formaldehidă. Pânzele din țesătură au fost impregnate cu rășină, apoi presate la o temperatură ridicată, obținându-se plăci de textolit. Rolul uneia dintre primele aplicații de textolit - acoperiri pentru mesele de bucătărie - cu greu poate fi supraestimat.

S-au păstrat principiile de bază pentru obținerea textoliților, dar acum sunt folosite pentru a forma nu numai plăci, ci și produse figurate. Și, desigur, gama de materiale sursă s-a extins. Lianții din textoliți sunt o gamă largă de polimeri termorigizi și termoplastici, uneori se folosesc chiar lianți anorganici - pe bază de silicați și fosfați. Ca umplutură, sunt utilizate țesături dintr-o mare varietate de fibre - bumbac, sintetice, sticlă, carbon, azbest, bazalt și așa mai departe. În consecință, proprietățile și aplicarea textoliților sunt diverse.

Materiale compozite cu matrice metalica

La crearea compozitelor pe bază de metal , aluminiul , magneziul , nichelul , cuprul și așa mai departe sunt folosite ca matrice . Umplutura este fie fibre de înaltă rezistență , fie particule refractare din diferite dispersii care nu se dizolvă în metalul de bază .

Proprietățile compozitelor metalice întărite cu dispersie sunt izotrope - aceleași în toate direcțiile. Adăugarea de 5-10% umpluturi de armare ( oxizi refractari , nitruri , boruri , carburi ) duce la o creștere a rezistenței matricei la sarcini. Efectul creșterii rezistenței este relativ mic, dar creșterea rezistenței la căldură a compozitului în comparație cu matricea originală este valoroasă. Astfel, introducerea de pulberi fine de oxid de toriu sau oxid de zirconiu într-un aliaj crom-nichel rezistent la căldură face posibilă creșterea temperaturii la care produsele fabricate din acest aliaj sunt capabile să funcționeze pe termen lung de la 1000 ° C la 1200 ° C. C. Compozitele metalice întărite prin dispersie sunt obținute prin introducerea de pulbere de umplutură în metalul topit sau prin metode de metalurgie a pulberilor .

Întărirea metalelor cu fibre, mustăți , sârmă crește semnificativ atât rezistența , cât și rezistența la căldură a metalului. De exemplu, aliajele de aluminiu , armate cu fibre de bor , pot fi operate la temperaturi de până la 450-500 ° C, în loc de 250-300 ° C. Se folosesc umpluturi metalice de oxid, boruri, carbură, nitrură, fibre de carbon . Datorită fragilității lor, fibrele ceramice și de oxid nu permit deformarea plastică a materialului, ceea ce creează dificultăți tehnologice semnificative în fabricarea produselor, în timp ce utilizarea mai multor umpluturi metalice din plastic permite remodelarea. Astfel de compozite sunt obținute prin impregnarea fasciculelor de fibre cu topituri de metal , electrodepunere , amestecare cu pulbere metalică și sinterizare ulterioară și așa mai departe.

În anii 1970 au apărut primele materiale întărite cu mustăți . Mustații se obțin prin tragerea topiturii prin filiere . Folosit "muștați" de oxid de aluminiu , oxid de beriliu , bor și carburi de siliciu , nitruri de aluminiu și siliciu și așa mai departe, 0,3-15 mm lungime și 1-30 microni în diametru. Întărirea cu „muștați” poate crește semnificativ rezistența materialului și poate crește rezistența acestuia la căldură. De exemplu, limita de curgere a unui compozit de argint care conține 24% mustăți de alumină este de 30 de ori limita de curgere a argintului și de 2 ori mai mare decât a altor materiale compozite pe bază de argint. Armarea cu „muștați” de oxid de aluminiu a materialelor pe bază de wolfram și molibden și -a dublat rezistența la o temperatură de 1650 ° C, ceea ce face posibilă utilizarea acestor materiale pentru fabricarea duzelor de rachetă .

Materiale compozite pe bază de ceramică

Întărirea materialelor ceramice cu fibre, precum și a particulelor dispersate de metal și ceramică, face posibilă obținerea de compozite de înaltă rezistență, cu toate acestea, gama de fibre adecvate pentru armarea ceramicii este limitată de proprietățile materialului inițial. Fibrele metalice sunt adesea folosite. Rezistența la tracțiune crește ușor, dar rezistența la șocuri termice crește - materialul crapă mai puțin la încălzire, dar există cazuri în care rezistența materialului scade. Depinde de raportul dintre coeficienții de dilatare termică ai matricei și umpluturii.

Întărirea ceramicii cu particule metalice dispersate conduce la noi materiale ( cermet ) cu durabilitate crescută, rezistență la șocuri termice și conductivitate termică crescută. Cermeturile de înaltă temperatură sunt folosite pentru a face piese pentru turbine cu gaz, fitinguri pentru cuptoare electrice, piese pentru tehnologia rachete și cu jet. Cermeturile rezistente la uzură sunt folosite pentru a face unelte și piese de tăiere. În plus, cermeturile sunt utilizate în domenii speciale ale tehnologiei - acestea sunt elemente de combustibil ale reactoarelor nucleare pe bază de oxid de uraniu, materiale de frecare pentru dispozitivele de frânare și așa mai departe.

Materialele ceramice compozite se obțin prin presare la cald (tabletare urmată de sinterizare sub presiune) sau turnare slip (fibrele se toarnă cu o suspensie de material matrice, care este, de asemenea, sinterizat după uscare).

Note

  1. ↑ Lubin J. Composite Materials Handbook. Volumul 1 / trad. din engleza. A. B. Geller, M. M. Gelmont. - M . : Mashinostroenie, 1988. - S. 181-183. — 448 p. — ISBN 5-218-00225-5 .

Literatură

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice