Технология создания композиционных материалов.

В большинстве случаев в качестве связующего наполнителя используется химически отверждаемая термореактивная смола, процесс отверждения характеризуется экзотермической химической реакцией. В основном используются полиэфирные, эпоксидные, фенольные и высокотемпературные смолы. Чаще всего в изготовлении деталей сложной конфигурации применяют технологии суть которых заключается в выкладке «сухой» основы с последующей пропиткой связующим составом («влажная» формовка, намотка, инжекция, Resin Transfer Molding / RTM) или с поочередной выкладкой «сухой» основы с пленочным клеем (вакуумная пропитка, Resin Film Infusion / RFI). Существует несколько основных технологий изготовления деталей из композиционных материалов, включая ручные и автоматизированные методы:

§ пропитка армирующих волокон матричным материалом;

§ формирование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы, получаемых намоткой;

§ холодное прессование 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 др.

Кроме того широкое распространение получила технология изготовления деталей с использованием препрегов (полуфабрикатов, представляющих собой материал основы, пропитанный связующим составом).

Методы получения композитов.

· 1. Твердофазные. Материал матрицы в виде листов, проволоки или порошка соединяют с волокнами диффузионной сваркой под давлением, сваркой взрывом, прокаткой, прессованием с последующим спеканием (порошковая металлургия).

· 2. Жидкофазные. Волокна пропитываются расплавом материала матрицы в вакууме или под давлением (применение метода ограничено из-за реакции волокон с металлическим расплавом).

· 3. Газопарофазные. На волокна наносят барьерные покрытия, которые защищают их от разрушения (нитриды, бориды, оксиды, карбиды). Покрытия получают либо разложением летучих карбонилов, либо испарением металлов с одновременным термическим воздействием электронного луча, ионного пучка. Производительность этих методов крайне низкая.

· 4. Плазменного напыления. Покрытие из матричного материала наносится на волокна без существенного повышения их температуры, однако прочность связи такого покрытия невысокая.

· 5. Химические. Позволяют осаждать металлические покрытия на непроводящие ток кристаллы сапфира, углеродные волокна и т.д. Ионы металла восстанавливаются на поверхности волокон.

· 6. Электролиза. Волокна находятся в контакте с катодом.

При использовании в производстве композиционных материалов следует помнить о том, что при попытке изменить форму и размеры заготовки возможно разрушение волокон и расслоение. Поэтому надо по возможности совмещать процесс получения композита и изготовления из него детали.

При необходимости соединение композитов производят через матрицу. Для обеспечения прочности соединения используют большие перекрытия (отношение длины перекрытия к толщине изделия L / S > 20).

 

Технология применения композиционных материалов.

 

Композиты на основе металлов

Металлокомпозиты изготавливают на основе многих цветных металлов, например, меди, алюминия, никеля. Для наполнения берутся волокна, устойчивые к высоким температурам, не растворяющиеся в основе. Чаще всего используются металлические волокна или монокристаллы из оксидов, нитридов, керамики, карбидов, боридов. Благодаря этому получаются композиты, гораздо более огнестойкие, прочные и износоустойчивые, чем исходный чистый металл.

Керамические композиты

Керамические композиты изготавливают методом спекания под давлением исходной керамической массы с добавлением волокон или частиц. В качестве наполнителей чаще всего применяются металлические волокна — получаются керметы. Они отличаются устойчивостью к тепловому удару, высокой теплопроводностью.

Керметы используются для производства износоустойчивых и термостойких деталей, например, газовых турбин, электропечей. Также они востребованы для изготовления режущего инструмента, деталей тормозных систем, тепловыделяющих стержней для атомных реакторов.

Применение композитов

Композитные материалы уже сейчас используются практически во всех областях производства. Их применяют:

· в строительстве;

· производстве безопасных и бронированных стекол для транспортных средств, витрин и дверей;

· медицинских протезов;

· покрытий для кухонных столов и основы для электронных плат;

· деталей и корпусов бытовых приборов;

· оконных рам и многого другого.

 

Композиты с экстремальными свойствами востребованы в самолето-, авто-, судо- и ракетостроении. Они нужны при производстве деталей для космических аппаратов, атомных станций, спортивного инвентаря (например, легких и прочных велосипедов). Применяются для изготовления элементов приборов и оборудования, эксплуатирующихся в агрессивных средах и при высоких температурах.

 

Стеклопластики применяют как конструкционный и теплозащитный материал при производстве корпусов лодок, катеров, судов и ракетных двигателей, кузовов автомобилей, цистерн, рефрижераторов, радиопрозрачных обтекателей, лопастей вертолётов, коррозионностойкого оборудования и трубопроводов, небольших зданий, бассейнов для плавания и др., а также стеклопластик используется как электроизоляционный материал в электро- и радиотехнике.