Лекции по материаловедению

Подождите немного. Документ загружается.

4.6. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Композиционными называют материалами, состоящие из двух (и более) материалов.

При таком сочетании возможно совмещение положительных качеств каждого

составляющего, и получение нового материла с улучшенными прочностными свойствами.

Композиционные материалы (КМ) состоят из матрицы (или связующего) и упрочняющего

(или армирующего) материала. В зависимости от рода входящих в состав материалов

различают металлические и неметаллические композиционные материалы. По способу

упрочнения подразделяют дисперсноупрочненные и волокнистые КМ.

4.6.1. Дисперсноупрочнённые композиционные материалы

В дисперсноупрочненные КМ состоят из основного материала (матрицы) и вкрапленых

в неё мелких частиц 10–500 нм (Рис.58.). Матрица несет основную нагрузку, а дисперсные

частицы затрудняют движение дислокаций. Для достижения высокой прочности частицы

должны быть равномерно распределены по матрице. В качестве дисперсных частиц

используют тугоплавкие нерастворимые оксиды металлов в количестве 5–10% от массы.

У металлических КМ предел за счет

упрочнения прочность повышается на 50-

100% , увеличиваются модуль, упругости и

жесткость, жаропрочность приближается

вплотную к температуре плавления 0,9–0,95

пл

. Снижается вероятность

трещинообразования, практически

устраняется склонность к внезапному

хрупкому разрушению, т.к. трещины

активно тормозятся дисперсными

частицами. Это важное положительное

качество композиционных материалов.

В качестве примера рассмотрим

широко применяемый спеченный алюминиевый порошок САП.

Он изготавливается из алюминиевого порошка, который спекается при высокой

температуре под давлением. Частицы порошка алюминия покрыты тонким слоем прочного

тугоплавкого оксида Al

. При прессовании и спекании пленки разламывается на кусочки

и распределяется по алюминиевой матрице. Получается дисперноупрочненный КМ.

САП обладает следующими свойствами.

Рис.58. Дисперсноупрочнённые

композиционные материалы.

1) предел прочности σ = 400 МПа

2) пластичность около 3%

3) прочность при высоких температурах (250–500 ºС) 50 МПа.

САП материал легкий, как алюминий ρ = 2700 кг/см

, у него прочность при

температурах 250–500 ºС, как у титана и сталей. Т.е. он сочетает легкость и высокую

прочность . По этим свойствам он заменяет титан при температурах до 500 ºС, а по

стоимости он намного дешевле его.

Другой пример КМ на основе никеля, который упрочняется тугоплавкими частицами

оксида тория или оксида гафния. Получается очень хороший жаропрочный и

коррозионностойкий материал сохраняющий высокие свойства до температуры t

рабL

=L1200 ºС.

4.6.2. Волокнистые композиционные материалы

Волокнистые композиционные материалы представляют собой относительно мягкую

матрицу, которая связывает прочные волокна (Рис.59.). Основную механическую нагрузку

несут волокна, а матрица равномерно распределяет её. Упрочняющие (или армирующие)

волокна могут быть диаметром d = 10 нм – 100 мкм , как длинные, так и короткие. Если

отношение длины волокна к диаметру (l/d) = 10 – 1000, то такие волокна называются

дискретными. Если (l/d) > 1000 , то такие волокна называют непрерывными. В процентном

содержании волокна могут составлять 20–80% массы материала.

В зависимости от способа укладки волокон различают структуры композиционных

материалы:

а) б) в)

Рис.59. Волокнистые композиционные материалы и способы укладки волокон:

а – однонаправленная, б – сотканная, в – объёмная.

1. Однонаправленные – волокна укладываются вдоль одного направления.

2. Сотканные – волокна уложены перекрестно в двух направлениях, как в

ткани..

3. Объемные –пространственная укладка волокон. Волокна сшиваются в

объёмную структуру в трёх и более направлениях.

Сотканные и слоистые материалы анизотропны, прочность вдоль слоев волокон

заметно больше, чем в поперечном направлении. Наибольшей прочностью обладают

материалы с объемной структурой. Они почти изотропные, т.е. в разных направлениях

свойства одинаковы.

В качестве армирующих волокон используются сверхпрочные борные волокна,

углеродные, карбидные, нитридные, оксидные и т.д. Из металлических материалов для

армирования применяют проволоку из вольфрама, молибдена, углеродистой стали.

В качестве матрицы используются как металлы, так и не металлы, органические и не

органические соединения – все подряд. При этом материалы выбираются таким образом,

чтобы комбинировать и получить определенные сочетания положительных свойств матрицы

и армирующих соединений.

Рассмотрим примеры волокнистых КМ композиционных материалов.

 Бор – алюминий

Алюминиевая матрица . Алюминий мягкий материал. Борные волокна – это прочный

материал, но хрупкий. В сочетании эти два материала дают вязкий и прочный

композиционный материал. С пределом прочности σ

= 1300 МПа. Т.е. по прочности как

легированная сталь, по весу как алюминий.

 Алюминий – сталь

Алюминиевая матрица. Стальные волокна. Обладает пределом прочности σ

= 1600

МПа. Т.е. прочность ещё выше, но значительно легче стали.

 Никель-вольфрам

Никель – матрица, вольфрамовая нить – армирующий материал. Это жаростойкий

материал. Имеет прочность σ

= 700 МПа. Высокая прочность при высоких температурах.

 Углепласт

Углеродные волокна , которые пропитываются связующим – полимерной смолой.

После полимеризации смолы получается сверхпрочный материал углепласт σ

= 1000

МПа. При этом он чрезвычайно легкий ρ = 1500 кг/см

, легче алюминия, сохраняет

прочность при кратковременном нагреве до температуры 2200 ºС .

 Борноволокнистые материалы

Для армирования используют борные волокна. Такой КМ обладают еще большей

прочностью σ

= 1300 МПа, легкий ρ = 2000 кг/см

, выдерживает длительный нагрев до

температуры t

раб

= 300 ºС.

Композиционные материалы благодаря своим уникальным свойствам все более

широко используется в самых разнообразных областях. Это современные перспективные

материалы, которые востребованы в первую очередь авиационной, автомобильной ,

ракетной технике. Их стоимость снижается и потому они все шире и чаще используются

для изготовления легких конструкций и деталей в строительстве, машиностроении, бытовой

техники и т.д..

 Контрольные вопросы

1. Какие материалы называют композиционными?

2. Строение дисперсноупрочнёных композиционных материалов.

3. Принципы упрочнения волокнистых материалов.

4. Способы укладки волокон.

5. Преимущества композиционных материалов?

6. Приведите примеры композиционных материалов.

Список литературы

1. Шарипов И.З. Физика металлов: учебное пособие для студентов вузов – Уфимский

гос.авиац.техн. ун-т, Уфа, 2005 – 89 с.

2. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие

для студентов вузов под ред. Чередниченко. – 2-е изд. , перераб. – М.: Омега-Л, 2006.

– 752 с.

3. Колесов С. Н., Колесов И. С. Материаловедение и технология конструкционных

материалов : учебник для студентов вузов– Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.:LВысшая

школа, 2007 .— 536 с.

4. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений.

Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г. Ф. Косолапов и др.; Под общ. ред.

Б. Н. Арзамасова.— 7-е, стереотип..-М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. – 648 с.

5. Материаловедение и технология металлов. Под ред. Фетисова Г.П. – М.: Высшая

школа, 2001. – 638 с.

6. Белоус М.В. Физика металлов: Учебное пособие для студентов вузов. – Киев:

Вища школа,1986.-343с.:ил.;22см.

7. Ермаков С.С. Физика металлов и дефекты кристаллического строения: Учебное

пособие для студентов вузов. – Ленингр. политехн. ин-т им. М.И.Калинина.-Л.:Изд-

во ЛГУ,1989.-271с.:ил.;22см.

8. Епифанов Г. И. Физика твердого тела. Учеб. пособие для втузов. Изд. 2-е, перераб.

и доп. М., «Высш. школа», 1977. 288 с. с ил.

9. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. Учеб.пособие для

вузов / 3-е изд., перераб. и доп.-М.:Металлургия, 1983 . – 232 с.

10. Курс материаловедения в вопросах и ответах: учебное пособие для студентов

высших учебных заведений / С. И. Богодухов, В. Ф. Гребенюк, А. В. Синюхин. -Изд.

2-е, испр. и доп..-М.: Машиностроение, 2005. – 288 с.

11. Ржевская С. В. Материаловедение: учебник для вузов / -Изд. 4-е, перераб и доп..-

М.: Логос, 2004. – 424 с.

12. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для высших

технических учебных заведений. —3-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение,

1990. – 528 с.

13. Журавлева Л. В. Электроматериаловедение: учебник /-2-е изд., стереотип..-М.:

Academia, 2004. – 312 с.

14. Технология конструкционных материалов. Под ред. Дальского А.М. М.:

Машиностроение, 1993. – 448 с.

15. Коровский Ш. Я. Авиационное электрорадиоматериаловедение.,

М.:«Машиностроение», 1972 – 356 c.

16. Пасынков В. В., Сорокин В. С. Материалы электронной техники: Учебник для

студ. вузов. 3-е изд. — СПб.: Издательство «Лань», 2001. — 368 с.

17. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника: Учеб. пособие.— 2-е изд., перераб. и доп.—

М.: Высш. школа. 1991.— 622 с.

18. Лачин В. И., Савёлов Н. С. Электроника: Учеб. пособие. - Ростов н/Д: изд-во

«Феникс», 2000. — 448 с.

19. Тареев В.М. Электрорадиоматериаловедение. - М.: Машиностроение, 1986- 384 с.

20. Электротехнические и конструкционные материалы. Под.ред.. Филикова В.А –

М.: Мастерство: Высшая школа, 2000.– 280 c.

21. Калинин Н.Н., Скибинский Г.Л., Новиков П.П. Электрорадиоматериалы. –

М.:Высшая школа, 1981. –294 с.

Учебное издание

ШАРИПОВ Ильгиз Зуфарович

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Редактор З.Г. Кашаева

Подписано в печать 18.04.2008. Формат 6084 1/16.

Усл. печ. л. 4,7. Усл. кр.-отт. 4,7. Уч.-изд. л. 4,6. Гарнитура Times New Roman.

Тираж 100 экз. Заказ №

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет

Редакционно - издательский комплекс УГАТУ

450000. Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12