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 материалов:

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 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_в = 1300 МПа. Т.е. по прочности как легированная сталь, по весу как алюминий.

Алюминий – сталь

Алюминиевая матрица. Стальные волокна. Обладает пределом прочности σ_в = 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_в = 700 МПа. Высокая прочность при высоких температурах.

Углепласт

Углеродные волокна, которые пропитываются связующим – полимерной смолой.

После полимеризации смолы получается сверхпрочный материал углепласт σ_в = 1000 МПа. При этом он чрезвычайно легкий ρ = 1500 кг/см³, 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_в = 1300 МПа, легкий ρ = 2000 кг/см³, 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. Каковы преимущества композиционных материалов?

6. Приведите примеры композиционных материалов.

 

 

Список литературы

 

 

1. И. З. Шарипов, 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. В. С. Чередниченко. – М.: Омега-Л, 2006. – 752 с.

3. С. Н. Колесов, И. С. Колесов, Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник для студентов вузов. — М.: Высшая 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.– М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. – 648 с.

5. Материаловедение и технология металлов. Под ред. Г. П. Фетисова. – М.: Высшая школа, 2001. – 638 с.

6. М. В. Белоус, Физика металлов: учебное пособие для студентов вузов. – Киев: Вища школа, 1986.– 343с.

7. С. С. Ермаков, Физика металлов и дефекты кристаллического строения: учебное пособие для студентов вузов. – Л.: Изд-во ЛГУ, 1989.– 271с.

8. Г. И. Епифанов, Физика твердого тела: учеб. пособие для втузов. – М.: Высшая школа, 1977. – 288 с.

9. И. И. Новиков, Дефекты кристаллического строения металлов: учеб.пособие для вузов.– 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. – М.: Машиностроение, 2005. – 288 с.

11. С. В. Ржевская, Материаловедение: учебник для вузов.– М.: Логос, 2004. – 424 с.

12. Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева, Материаловедение: учебник для высших технических учебных заведений. — М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.

13. Л. В. Журавлева Электроматериаловедение: учебник для вузов. – М.: Academia, 2004. – 312 с.

14. Технология конструкционных материалов/ под ред. А. М. Дальского. – М.: Машиностроение, 1993. – 448 с.

15. Ш. Я Коровский, Авиационное электрорадиоматериаловедение: учебник для вузов. – М.: Машиностроение, 1972 – 356 c.

16. В. В. Пасынков, В. С. Сорокин, Материалы электронной техники: учебник для студ. вузов. — СПб.: Издательство «Лань», 2001. — 368 с.

17. В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев, Электроника: учеб. пособие. — М.: Высш. школа. 1991.— 622 с.

18. В. И. Лачин, Н. С. Савёлов, Электроника: учеб. пособие для студ. вузов. – Ростов на Дону: изд-во «Феникс», 2000. — 448 с.

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

20. Электротехнические и конструкционные материалы: учебное пособие под. ред. В. А. Филикова. – М.: Мастерство: Высшая школа, 2000.– 280 c.

21. Н. Н. Калинин, Г. Л. Скибинский, П. П. Новиков, Электрорадиоматериалы. –М.: Высшая школа, 1981. –294 с.

 

 

 

 

Учебное издание

ШАРИПОВ Ильгиз Зуфарович

 

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

 

 

Редактор Соколова О.А.

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

Печать плоская. Бумага офстна. Гарнитура Times.

Усл. печ. л. 4,7. Усл. кр.-отт. 4,7. Уч.-изд. л. 4,6.

Тираж 100 экз. Заказ №

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет

Редакционно - издательский комплекс УГАТУ

450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12