Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального обучения

Новосибирский Государственный Технический Университет 
 

Кафедра Технологии организации пищевых  производств 

Расчетно-графическая  работа по дисциплине «Эксплуатационные материалы»

«Особенности  производства и сырьевого состава  композиционных материалов на основе металлической матрицы» 
 
 

Выполнил: Черепанова Н.А.

Факультет: МА

Группа: ЭМ-912

Проверил:

Преподаватель-внутр.совм. Рогова О.В. 
 
 
 

Новосибирск 2011

 

Оглавление

Введение. 3

Общая характеристика и  классификация. 5

Волокнистые  композиционные  материалы. 7

Дисперсно-упрочненные  композиционные  материалы. 10

Слоистые  композиционные  материалы 16

Способы получения 21

Применение. 25

Выводы. 26

Список  литературы 27 

  

Введение.

     Традиционно применяемые металлические и  неметаллические материалы в  значительной мере достигли своего предела  конструктивной прочности. Вместе с  тем развитие современной техники  требует создания материалов, надежно  работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных  сред, излучений, глубокого вакуума  и высоких давлений. Зачастую требования, предъявляемые к материалам, могут  носить противоречивый характер. Решение  этой задачи можно осуществить путем  использования композиционных материалов.

     Композиционным  материалом (КМ) или композитом называют объемную гетерогенную систему, состоящую из сильно различающихся по свойствам, взаимно нерастворимых компонентов, строение которой позволяет использовать преимущества каждого из них.

     Принцип построения КМ человек заимствовал  у природы. Типичными композиционными  материалами являются стволы деревьев, стебли растений, кости человека и  животных.

     КМ  позволяют иметь заданное сочетание  разнородных свойств: высокой удельной прочности и жесткости, жаропрочности, износостойкости, теплозащитных свойств  и др. Спектр свойств КМ невозможно получить при использовании обычных  материалов. Их применение дает возможность  создавать ранее недоступные, принципиально  новые конструкции.

     Успешному развитию современных композиционных материалов содействовали: разработка и применение в конструкциях волокнистых  стеклопластиков, обладающих высокой  удельной прочностью (1940-50); открытие весьма высокой прочности, приближающейся к теоретической, нитевидных кристаллов и доказательства возможности использования  их для упрочнения металлических и неметаллических материалов (1950-60); разработка новых армирующих материалов - высокопрочных и высокомодульных непрерывных волокон бора, углерода, Al₂O₃, SiC и волокон других неорганических тугоплавких соединений, а также упрочнителей на основе металлов (1960-70).

     Важными характеристиками материалов, работающих в этих условиях, являются удельная прочность σ_в/ρ и удельная жесткость Е/ρ, где σ_в — временное сопротивление, Е — модуль нормальной упругости, ρ – плотность материала.

     Композиционные  материалы  состоят  из  металлической  матрицы    полимерной, керамической  или  другой, упрочнённой  высокопрочными  волокнами (волокнистые  материалы) или  тугоплавкими тонкодисперсными  частицами, не  растворяющимися  в  основном  металле (дисперстно-упрочненные  материалы).

     Для использования данного вида материала, необходимо знать его свойства и  строение.

     Рассмотрим:

• Классификацию композиционных материалов на основе металлической матрицы
• Строение
• Способы получения
• Отрасли применения

 

 

Общая характеристика и классификация.

     Традиционные  методы металловедения путем легирования  и термомеханической обработки  позволяют существенно повысить прочность металлов и сплавов. Однако они не могут изменить модуль упругости  высокопрочного материала. По удельной прочности и жесткости композиционные материалы превосходят все известные  конструкционные сплавы (рис1).

     

     Рис1 Взаимосвязь удельной прочности и удельного модуля упругости некоторых  
неармированных и композиционных материалов, армированных волокнами [50 об. %]:  
1 — алюминий; 2 — титан и сталь;  
3 — титан, армированный бериллиевой  
проволокой; 4 — титан, армированный волокнами SiC;  
5 — титан, армированный волокнами борсика (SiC/B/W);  
6 — алюминий, армированный борными волокнами;  
7 — эпоксидная смола, армированная волокнами графита;  
8 — эпоксидная смола, армированная борными волокнами

     Высокопрочные сплавы, как правило, имеют низкую пластичность, высокую чувствительность к концентраторам напряжений и сравнительно низкое сопротивление развитию трещин усталости. Хотя композиционные материалы  могут иметь также невысокую  пластичность, они значительно менее  чувствительны к концентраторам напряжений и лучше сопротивляются усталостному разрушению. Это объясняется разным механизмом образования трещин у высокопрочных сталей и сплавов. В высокопрочных сталях трещина, достигнув критического размера, в дальнейшем развивается прогрессирующим темпом.

     В композиционных материалах действует  другой механизм. Трещина, двигаясь в  матрице, встречает препятствие  на границе раздела матрица—волокно. Волокна тормозят развитие трещин, и их присутствие в пластичной матрице приводит к росту вязкости разрушения.

     Таким образом, в композиционной системе  сочетаются два противоположных  свойства, необходимых для конструкционных  материалов — высокая прочность  за счет высокопрочных волокон и  достаточная вязкость разрушения благодаря  пластичной матрице и механизму  рассеяния энергии разрушения.

     КМ  состоят из сравнительно пластичного  матричного материала-основы и более  твердых и прочных компонентов, являющихся наполнителя-ми. Свойства КМ зависят от свойств основы, наполнителей и прочности связи между ними.

     Матрица связывает композицию в монолит, придает ей форму и служит для  передачи внешних нагрузок арматуре из наполнителей

     Ведущую роль в упрочнении КМ играют наполнители, часто называемые упрочнителями. Они имеют высокую прочность, твердость и модуль упругости. По типу упрочняющих наполнителей КМ подразделяют на дисперсноупрочненные, волокнистые и слоистые (рис.2).

     

     Рис.2. Схемы строения композиционных материалов:  
а) дисперсноупрочненные; б) волокнистые; в) слоистые

Волокнистые  композиционные  материалы.

     Композиционные  материалы  с  волокнистым  наполнителем (упрочнителем) по  механизму  армирующего  действия  делят  на  дискретные с l / d ≈ 10…10³ , где  l – длина  волокна, d – диаметр  волокна и  с  непрерывным  волокном, в  которых  l / d → ∞. Дискретные  волокна  располагаются  в  матрице  хаотично. Диаметр  волокон 0.1…100  мкм.

     Часто  композит  представляет  собой  слоистую  структуру, в  которой  каждый  слой  армирован  большим  числом  параллельных   непрерывных  волокон. Нередко  волокна  сплетаются  в  трёхмерные  структуры.

     Композиционные  материалы  отличаются  от  обычных  сплавов  более  высокими  значениями модуля  упругости (E), коэффициента  жесткости (Е / ρ)  и  пониженной  склонностью  трещинообразованию. Применение  композитов  повышает  жесткость  конструкции  при  одновременном  снижении  ее  металлоемкости.

     Прочность  композитов (волокнистых) определяется  свойствами  волокон: матрица  должна  перераспределять  напряжения  между  армирующими  элементами. Поэтому  прочность  и  модуль  упругости  волокон  должны  быть  значительно  больше, чем  прочность  и  модуль  упругости  матрицы.

     Один  из  примеров  волокнистых  композиционных  материалов — композиционные  материалы  на  основе  алюминия, магния  и  их  сплавы. Для  упрочнения  Al , Mg  и  их  сплавов  применяют  борные (σв = 2500…3500 Мпа, Е = 380…420 Гпа) и  углеродные (σв = 1400…3500 Мпа, Е = 160…450 Гпа) волокна, а  также  волокна  из  тугоплавких  соединений (карбидов, нитридов, боридов  и  оксидов). Нередко  используют  в  качестве  волокон  проволоку  из  высокопрочных  сталей. Для  армирования  Ti  и  его  сплавов  применяют  молибденовую  проволоку, волокна  сапфира (разновидность  минерала  корунда (Al_² O_³)); отличается  синей  или  голубой  окраской (примеси  Ti , Fe). Драгоценный  камень  1-ого класса. Синтетический  сапфир ― лейкосапфир, карбиды Si, бориды Ti. Свойства  некоторых  волокнистых  композиционных  материалов  приведены  в  таблице. 

     Металлические  волокна  используют  и  в  тех  случаях ,  когда  требуются  высокие  тепло  и  электропроводность.

     Перспективными  упрочнителями  для  высокопрочных  и  волокнистых высокомодульных  композитов  являются  нитевидные  кристаллы  из  оксида  и  нитрида  Al ,  карбида  и  нитрида  Si ,  карбида  бора  и  др.,  имеющие  σв = 15000…28000  Мпа  и  Е = 400…600 Гпа.

 

       Таблица1

     Механические  свойства  некоторых  композиционных материалов.

 

 

     Композиты  на  металлической  основе, обладая  высокой  прочностью (σв  и  σ-1 )  и  жаропрочностью, в  то  же  время  малопластичные. Но  волокна  в  них  уменьшают  скорость  распространения  трещин, зарождающихся  в  матрице, и  практически  полностью  исключают  внезапное  хрупкое  разрушение.

     Прочность и жесткость таких материалов определяется свойствами армирующих волокон, воспринимающих основную нагрузку. Армирование  дает больший прирост прочности, но дисперсное упрочнение технологически легче осуществимо.

     Основной  недостаток  композитов  с  одномерным  и  двумерным  армированием  является  низкое  сопротивление  межслойному  сдвигу  и  поперечному  обрыву, чего  лишены  материалы  с  объемным  армированием.

Дисперсно-упрочненные  композиционные  материалы.