Что собой представляет композиционный материал 5 класс технология кратко

Обновлено: 06.07.2024

Композицио́нный материа́л - неоднородный материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие материалы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. Механическое поведение композита определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними.

В результате образуется комплекс свойств композита, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композитах, в отличие от металла, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

высокая удельная прочность
высокая жесткость (модуль упругости 130…140 ГПа)
высокая изнсостойкость
высокая усталостная прчность

Недостатки композиционных материалов:

высокая стоимость
анизотропия свойств (различие свойств среды (например, физических: упругости, электропроводности, теплопроводности, показателя преломления, скорости звука или света и др. )
повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства.

По структуре наполнителя композиционные материалы подразделяют:

волокнистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами);
слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями);
дисперсноармированные, или дисперсно-упрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц).

Матрица обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне - и хим. стойкость.

По природе матричного материала различают полимерные, металлические, углеродные, керамические и др. композиты.

Наибольшее применение в строительстве и технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят: полимерные композиционные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальд., полиамидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), орг. (органопластики), борными (боропластики) и др. волокнами; металлич. композиционные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой;

Детали машин, аппаратов, агрегатов, сооружений, испытывающие большие нагрузки, изготавливают из конструкционных материалов. Конструкционные материалы бывают металлические, неметаллические и композиционные.

Композиционные материалы являются искусственными и синтезированными, состоящими из двух и более компонентов. Эти материалы способны выдерживать значительные нагрузки, устойчивы к коррозии, и поэтому нашли широкое применение во всех отраслях промышленности.

К металлическим конструкционным материалам относят чёрные и цветные металлы. Железо в чистом виде используется редко. Цветные металлы используют для производства изделий как промышленного, так и бытового назначения. Примеры металлических конструкционных материалов: латунь – сплав меди и цинка, бронза – сплав меди с оловом, чугун – сплав железа с углеродом (более 2,14 %), сталь – сплав железа с углеродом (менее 2,14 %).

Неметаллическими конструкционными материалами являются древесина, пластмасса, резина, стекло, керамика, бетон и другие материалы. Древесные материалы, стекло и бетон обязательны при строительстве. В настоящее время на смену металлам часто приходят пластмассы.

Виды конструкционных материалов

Композиционные материалы в строительстве

Представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиции. По характеру структуры К. м. подразделяются на волокнистые, упрочнённые непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами (См. Нитевидные кристаллы), Дисперсноупрочнённые материалы, полученные путём введения в металлическую матрицу дисперсных частиц упрочнителей, Слоистые материалы, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов. К. К. м. также относятся сплавы с направленной кристаллизацией эвтектических структур. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

Волокнистые К. м., армированные нитевидными кристаллами и непрерывными волокнами тугоплавких соединений и элементов (SiC, AI₂O₃, бор, углерод и др.) являются новым классом материалов. Однако принципы армирования для упрочнения известны в технике с глубокой древности. Еще в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а в Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555—60 при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали армированные железными полосами каменные плиты. Прообразом К. м. являются широко известный Железобетон, представляющий собой сочетание бетона, работающего на сжатие, и стальной арматуры, работающей на растяжение, а также полученные в 19 в. прокаткой слоистые материалы.

Успешному развитию современных К. м. 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).

В технике широкое распространение получили волокнистые К. м., армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами, в которых армирующие элементы несут основную нагрузку, тогда как матрица передаёт напряжения волокнам. Волокнистые К. м., как правило, анизотропны. Механические свойства их () определяются не только свойствами самих волокон (), но и их ориентацией, объёмным содержанием, способностью матрицы передавать волокнам приложенную нагрузку и др. Диаметр непрерывных волокон углерода, бора, а также тугоплавких соединений (В₄С, SiC и др.) обычно составляет 100—150 мкм.

Волокнистые К. м., в отличие от монолитных сплавов, обладают высокой усталостной прочностью σ_-1. Так, например, σ_-1 (база 10 7 циклов) алюминиевых сплавов составляет 130—150 Мн/м 2 (13—15 кгс/мм 2 ), в то время как у армированного борным волокном алюминиевого К. м. σ_-1 около 500 Мн/м 2 (при той же базе). Предел прочности и модуль упругости К. м. на основе алюминия, армированного борным волокном, примерно в 2 раза больше, чем у алюминиевых сплавов В-95 и АК4-1.

Важнейшими технологическими методами изготовления К. м. являются: пропитка армирующих волокон матричным материалом; формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы, получаемых намоткой; холодное прессование обоих компонентов с последующим спеканием, электрохимическое нанесение покрытий на волокна с последующим прессованием; осаждение матрицы плазменным напылением на упрочнитель с последующим обжатием; пакетная диффузионная сварка монослойных лент компонентов; совместная прокатка армирующих элементов с матрицей и другие.

Табл. 1. — Механические свойства волокнистых композиционных материалов с непрерывными волокнами

Упрочнитель (волокно)	Предел	Удельная	Модуль	Удельный
Матрица (основа)	материал	% (по объёму)	Плотность, кг/м 3	прочности, Гн/м 3	прочность, кн-м/кг	упругости, Гн/м 3	модуль упругости, Мн-м/кг
Никель	Вольфрам	40	12500	0,8	64	265	21,2
Молибден	50	9300	0,7	75	235	25,25
Титан	Карбид кремния	25	4000	0,9	227	210	52
Алюминий	Борное волокно	45	2600	1,1	420	240	100
Стальная проволока	25	4200	1,2	280	105	23,4
Борное волокно	40	2000	1,0	500	220	110
Магний	Углеродное волокно	50	1600	1,18	737	168	105
Полимерное связующее	Борное волокно	60	1900	1,4	736	260	136,8

Табл. 2.— Свойства нитевидных кристаллов и непрерывных волокон

Упрочнитель	Температура плавления, °С	Плотность, кг/м 3	Предел прочности, Гн/м 2	Удельная прочность, Мн•м/кг	Модуль упругости, Гн/м 2	Удельный модуль упругости, Мн• м/кг
Непрерывные волокна
Al₂O₃	2050	3960	2,1	0,53	450	113
B	2170	2630	3,5	1,33	420	160
C	3650	1700	2,5	1,47	250—400	147—235
B₄C	2450	2360	2.3	0,98	490	208
SiC	2650	3900	2,5	0,64	480	123
W	3400	19400	4,2	0,22	410	21
Mo	2620	10200	2,2	0,21	360	35
Be	1285	1850	1,5	0,81	240	130
Нитевидные кристаллы (усы)
Al₂O₃	2050	3960	28*	7,1	500	126
AlN	2400	3300	15*	4,55	380	115
B₄C	2450	2520	14*	5,55	480	190
SiC	2650	3210	27*	8,4	580	180
Si₂N₄	1900	3180	15*	4,72	495	155
C	3650	1700	21*	12,35	700	410

В узлах конструкций, требующих наибольшего упрочнения, армирующие волокна располагаются по направлению приложенной нагрузки. Цилиндрические изделия и другие тела вращения (например, сосуды высокого давления) армируют волокнами, ориентируя их в продольном и поперечном направлениях. Увеличение прочности и надежности в работе цилиндрических корпусов, а также уменьшение их массы достигается внешним армированием узлов конструкций высокопрочными и высокомодульными волокнами, что позволяет повысить в 1,5—2 раза удельную конструктивную прочность по сравнению с цельнометаллическими корпусами. Упрочнение материалов волокнами из тугоплавких веществ значительно повышает их жаропрочность. Например, армирование никелевого сплава вольфрамовым волокном (проволокой) позволяет повысить его жаропрочность при 1100 °С в 2 раза.

Весьма перспективны К. м., армированные нитевидными кристаллами (усами) керамических, полимерных и др. материалов. Размеры усов обычно составляют от долей до нескольких мкм по диаметру и примерно 10—15 мм по длине.

Разрабатываются К. м. со специальными свойствами, например Радиопрозрачные материалы и Радиопоглощающие материалы, материалы для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов, с малым коэффициентом линейного термического расширения и высоким удельным модулем упругости и другие. Свойства К. м. на основе алюминия и магния (прочность, модуль упругости, усталостная и длительная прочность) более чем в 2 раза (до 500 °С) выше, чем у обычных сплавов. К. м. на никелевой и кобальтовой основах увеличивают уровень рабочих температур от 1000 до 1200 °С, а на основе тугоплавких металлов и соединений — до 1500—2000 °С. Повышение прочностных и упругих свойств материалов позволяет существенно облегчить конструкции, а увеличение рабочих температур этих материалов даёт возможность повысить мощность двигателей, машин и агрегатов.

Области применения К. м. многочисленны; кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной промышленности — для деталей двигателей и кузовов автомашин; в машиностроении — для корпусов и деталей машин; в горнорудной промышленности — для бурового инструмента, буровых машин и др.; в металлургической промышленности — в качестве огнеупорных материалов для футеровки печей, кожухов и другой арматуры печей, наконечников термопар; в строительстве — для пролётов мостов, опор мостовых ферм, панелей для высотных сборных сооружений и др.; в химической промышленности — для автоклавов, цистерн, аппаратов сернокислотного производства, ёмкостей для хранения и перевозки нефтепродуктов и др.; в текстильной промышленности — для деталей прядильных машин, ткацких станков и др.; в сельскохозяйственном машиностроении — для режущих частей плугов, дисковых косилок, деталей тракторов и др.; в бытовой технике — для деталей стиральных машин, рам гоночных велосипедов, деталей радиоаппаратуры и др.

Применение К. м. в ряде случаев потребует создания новых методов изготовления деталей и изменения принципов конструирования деталей и узлов конструкций.

Композиционные материалы делают с использованием “композитной” технологии, которая родилась не вчера. В древней Греции мраморные колонны укреплялись металлическими прутьями, а собор Василия Блаженного, что в Москве, стоит на каменных плитах, скрепленных железом. Так что парижанин Ж. Мотье, получивший в 1867 году патент на железобетон, сам того не подозревая, шел по стопам древних.

Гоночные яхты, легкие и прочные, делают из другого композита – стеклопластика: полимера, армированного стекловолокном. Это, можно сказать, классический пример современного подхода к композитам. Чтобы его создать, технологам пришлось отыскивать новые свойства традиционного материала. Например, из одного кубического сантиметра стекла можно вытянуть тончайшую нить в 450 километров. При этом свойства стекла разительно меняются. Оно совершенно теряет хрупкость, легко гнется и …растворяется в воде. Приходится прятать стеклянные нити от воздействия влаги внутрь фенолформальдегидных, эпоксидных и других водонепроницаемых смол. Сегодня технологи научились вытягивать тончайшие нити из многих веществ, даже из базальта. Их применяют для армирования бетона или керамики – все той же глины. И получают материал прочнее стали, которому нипочем тысячеградусные температуры. Его используют для изготовления зубчатых колес, матриц пресс-форм и штампов, деталей и узлов двигателей как автомобильных, так и ракетных.

Получать нити из стекла, камня или металла куда сложнее, чем, скажем, из хлопка или шелка, хотя специалистам во многом помог опыт текстильщиков, работающих с синтетическими волокнами. Такие нити не прядут, а отливают. Расплавленный пластик пропускают сквозь тончайшие отверстия фильеры, при выходе расплав застывает, образуя тончайшие (микронные) нити из тугоплавких и износостойких материалов. Так, к примеру, получают углеродные волокна – один из наиболее распространенных материалов для получения композитов в наши дни. Известна другая технология получения углеродных волокон, получившая название метод выращивания “усов”. “Усами” специалисты называют нитевидные структуры, которые образуются при направленной кристаллизации расплавов. Молекулярный порядок в них почти идеальный – отсюда и высочайшая прочность.

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

Композиционные материалы – искусственно созданные материалы, которые состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу и разделенных выраженной границей, и которые имеют новые свойства, запроектированные заранее.

Или волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.

Компонент, непрерывный во всем объеме композиционного материала, называется матрицей.

Компонент прерывистый, разделенный в объеме композиционного материала, называется арматурой.

Композиционные материалы,представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиции.

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.

Благодаря КМ стал возможен новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, уменьшении массы машин и конструкций и повышении весовой эффективности транспортных средств и авиационно-космических аппаратов.

Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств композиционного материала, защищает арматуру от механических повреждений и других воздействий среды.

В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные свойства: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.

Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Вместо термина армирующий компонент можно использовать термин наполнитель.

Преимущества композиционных материалов:

· высокая удельная прочность;

· высокая жёсткость (модуль упругости 130-140 ГПа);

· высокая износостойкость;

· высокая усталостная прочность;

· из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции.

Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.

Недостатки композиционных материалов:

Большинство классов композитов (но не все) обладают недостатками:

· высокая стоимость;

· анизотропия свойств;

· повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.

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

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 (рис. 1).

Рис.1. 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

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. В зависимости от материала основы различают КМ с металлической матрицей, или металлические композиционные материалы (МКМ), с полимерной — полимерные композиционные материалы (ПКМ) и с керамической — керамические композиционные материалы (ККМ).

Композиционные материалы делают с использованием “композитной” технологии, которая родилась не вчера. В древней Греции мраморные колонны укреплялись металлическими прутьями, а собор Василия Блаженного, что в Москве, стоит на каменных плитах, скрепленных железом. Так что парижанин Ж. Мотье, получивший в 1867 году патент на железобетон, сам того не подозревая, шел по стопам древних.

Гоночные яхты, легкие и прочные, делают из другого композита – стеклопластика: полимера, армированного стекловолокном. Это, можно сказать, классический пример современного подхода к композитам. Чтобы его создать, технологам пришлось отыскивать новые свойства традиционного материала. Например, из одного кубического сантиметра стекла можно вытянуть тончайшую нить в 450 километров. При этом свойства стекла разительно меняются. Оно совершенно теряет хрупкость, легко гнется и …растворяется в воде. Приходится прятать стеклянные нити от воздействия влаги внутрь фенолформальдегидных, эпоксидных и других водонепроницаемых смол. Сегодня технологи научились вытягивать тончайшие нити из многих веществ, даже из базальта. Их применяют для армирования бетона или керамики – все той же глины. И получают материал прочнее стали, которому нипочем тысячеградусные температуры. Его используют для изготовления зубчатых колес, матриц пресс-форм и штампов, деталей и узлов двигателей как автомобильных, так и ракетных.

Получать нити из стекла, камня или металла куда сложнее, чем, скажем, из хлопка или шелка, хотя специалистам во многом помог опыт текстильщиков, работающих с синтетическими волокнами. Такие нити не прядут, а отливают. Расплавленный пластик пропускают сквозь тончайшие отверстия фильеры, при выходе расплав застывает, образуя тончайшие (микронные) нити из тугоплавких и износостойких материалов. Так, к примеру, получают углеродные волокна – один из наиболее распространенных материалов для получения композитов в наши дни. Известна другая технология получения углеродных волокон, получившая название метод выращивания “усов”. “Усами” специалисты называют нитевидные структуры, которые образуются при направленной кристаллизации расплавов. Молекулярный порядок в них почти идеальный – отсюда и высочайшая прочность.

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

Композиционные материалы – искусственно созданные материалы, которые состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу и разделенных выраженной границей, и которые имеют новые свойства, запроектированные заранее.

Или волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.

Компонент, непрерывный во всем объеме композиционного материала, называется матрицей.

Компонент прерывистый, разделенный в объеме композиционного материала, называется арматурой.