Предельные рабочие температуры различных материалов матриц КМ

Материал матрицы	Ориентировочная предельная рабочая температура, С
Полимеры органические Алюминиевые материалы Титановые материалы Керамические материалы Углеродные материалы	300 450 800 1400…1700 2500

                                                                                                                       Таблица 24

Характеристики материалов матриц (примеры)

Основа материала	Марка и примерный состав, %	Плотность G ,кг/м	Предел прочности при растяжении , МПа	Удельные энергетические затраты на изготовление W ,кДж/кг
Полимер	Полиэтилен	1050	35	220
Алюминий	АД-1(100Al) В95 (2Cu; 2,5Mg; 0,6Mn)	2700     2800	410          600	180           300
Титан	ПТЭ-1(100Ti)	4700	1650	250
Никель	НП-2(100Ni) ХН70Ю(30Cr; 1Al)	8900 7800	450 750	540 600
Углерод	УУМ	1930	350	Нет данных

В материале матрицы распределяются наполнители. Концентрация наполнителя в различных композиционных материалах изменяется в широких пределах от 1 до 70% по объему. В качестве наполнителя используются короткие и длинные волокна, порошки, тканые материалы, сетки. Соответственно различают волокнистые, порошковые, слоистые композиционные материалы. Некоторые данные о характеристиках волокнистых наполнителей КМ представлены в табл.25.

                                                                                                                       Таблица 25

Характеристики волокнистых наполнителей (примеры)

Материал волокна	Диаметр волокна ,мкм	Плотность G ,кг/м	Предел прочности при растяжении ,МПа	Удельные энергетические затраты на изготовление W ,кДж/кг
Металлический: Сталь 09Х13Н13М2 Молибден	90 25	7800 10200	3400 2240	1260 нет данных
Керамический: Al O SiC на W-проволоке	127 100	3960 3400	2410 3700	950 нет данных
Борный: В на W-проволоке	100	2590	3440	нет данных
Углеродный: ВМН-4 ЛУ-4	6 6	1700 1700	2210 3300	1460 нет данных

Как видно, характерной особенностью волокнистых наполнителей является высокий предел прочности на растяжение ~2200…3400 МПа при малом диаметре волокон ≤(90…127) микрометров. Удельные энерге- тические затраты на изготовление волокон значительно превышают аналогичные затраты для матричных материалов.

При выборе матричного материала и волокнистого наполнителя принимают во внимание следующие ограничения:

  по плотности (массе);

по рабочей температуре изделия из КМ;

по прочности;

по удельной прочности, т.е. отношению ;

по энергетическим затратам на изготовление;

по стоимости КМ.

Особым ограничением является необходимость обеспечения совместимости (межфазного взаимодействия) материалов матрицы и волокна КМ. Некоторые примеры совместимых материалов приведены в табл.26.

                                                                                                                       Таблица 26

Примеры совместимых материалов матрицы и волокна

Матрица	Волокно	Матрица	Волокно
Алюминиевый материал	Стальное Борное Керамическое Al O Углеродное	Титановый материал	Молибденовое Вольфрамовое
		Никелевый материал	Молибденовое Керамическое Al O

Композиционные материалы интенсивно развиваются и возрастает объем их применения в конструкциях различных летательных аппаратов (самолетов, вертолетов,  космических аппаратах и т.д.) и, в меньшей степени, в машиностроении. Ограниченное применение в значительной мере обусловлено высокой стоимостью КМ, т.е. экономическими причинами. Так, по данным начала 1990-х годов, КМ из алюминия с волокнами карбида кремния SiC имел стоимость в 800 раз более высокую по сравнению с алюминием, а у КМ алюминий-волокна бора (бороалюминий) в 1800 раз выше, чем у алюминия. Бороалюминий применен в США при изготовлении силовых деталей космических кораблей „Шаттл”.

Тем не менее, производство композиционных материалов растет и в 2007 году мировой рынок композитов составил 9,0 миллионов тонн (по данным журнала «Композитный мир» («Composite world»), 2007, №3). Глобальный рост производства композитов в мире составляет около 8% в год (данные 2007 г.). Наибольший годовой прирост композитов происходит в области термопластиковых композитов (9%) при значительно меньшем росте объема производства реактопластовых композитов (3%).

Интенсивно развивается производство композиционных материалов в Китае. Объем выпуска композитов в этой стране составляет чуть более 10% от мирового уровня (2006 г.).

7.2. Основные понятия о проектировании композиционных материалов с короткими волокнами.

Рассмотрим последовательность проектирования КМ на следующем учебном примере.

Задание. Дана цилиндрическая деталь длиной L c площадью поперечного сечения  S массой m. Вдоль оси детали действует сила  N, рабочая температура t, С.

Требуется:

Часть 1. Выполнить расчеты прочности, плотности и удельной проч- ности детали. Допускается плотность материала на 10% ниже расчетной.

Часть 2. Выполнить проектирование КМ с короткими волокнами, провести расчеты и проверить выполнение необходимого условия для спроектированного КМ:  > .

Численный пример решения задачи

Дано:

размеры детали: L= 1000 мм; S = 100 мм ;

масса детали: m =520г;

сила              : N = 64000Н;

рабочая температура: t= 350 С.

Решение:

  Часть 1. Расчетные формулы:

расчет предела прочности при растяжении:

= N/ S; =64000/0,0001=640 ;

 

определение верхнего  и нижнего значений плотности детали:

= ; =  кг/м ;

= - 0,1 ; =5200 – (0,1 5200)=4680 кг/м ;

расчет верхнего и нижнего значений удельной прочности:

= ; = ;

; .

Часть 2. Проектирование КМ.

2.1. Исходя из заданной рабочей температуры t = 350 С принимаем в качестве матричного материала алюминий марки АД-1 со следующими характеристиками:

 Н/м ;  кг/м ;  кДж/кг.

2.2. В качестве наполнителя принимаем совместимое с алюминиевой матрицей углеродное волокно ВМН-4, имеющее следующие характеристики:

 Н/м ;  кг/м ;  кДж/кг.

2.3. Выполняем вычисления для КМ по расчетным формулам:

2.3.1. Расчетные характеристики волокнистого наполнителя:

критическая (минимальная) длина волокна:

где ; ;

минимальная объемная концентрация волокон:

;

2.3.2. Расчет энергетических затрат:

удельные энергетические затраты на изготовление матричного материала и волокон для проектируемой детали:

 кДж/кг.

общие энергетические затраты, включая формование (изготовление) детали способом экструзии (W = 3000 кДж/кг):

;  кДж/кг.

2.3.3. Расчет плотности спроектированного КМ:

;

 кг/м .

 

2.3.4. Расчет удельной прочности спроектированного КМ:

; ;

2.4. Проверка выполнения необходимого условия для спроектированного КМ:

     > ; 0,271 > .

Необходимое условие выполняется.

Ответ.

Спроектированный КМ состоит из алюминиевой матрицы АД-1 и наполнителя в виде коротких углеродных волокон ВМН -4 диаметром 6 мкм, критической длиной 22,9 мкм. Минимальная объемная концентрация волокон составляет 33,9 %.

Данный КМ имеет расчетные плотность 2360 кг/м  и удельную прочность 0,271 10 Н м/кг.

7.3. Промышленные композиционные материалы с волокнистыми наполнителями.

В качестве промышленных КМ получили наибольшее применение материалы на основе неметаллических матриц. Это композиции, состоящие из отверждаемой синтетической смолы (олигомера) и волокон стекла, бора, синтетических волокон, керамических и др. В зависимости от материала наполнителя такие КМ называют стекловолокнитами (стеклопластиками), бороволокнитами, органоволокнитами, карбоволокнитами.

Стекловолокниты – композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве наполнителя применяют непрерывное или короткое волокно из силикатного стекла. Лучшие свойства у бесщелочных стекол алюмоборосиликатного состава. Для практических целей используют волокно диаметром 5…20 мкм с  до 3800 МПа и = 2,0…3,5 %.

Неориентированные стекловолокниты содержат в качестве наполнителя  короткое волокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы с металлической арматурой. Материал получается с изотропными прочностными характеристиками, намного более высокими, чем у пресс- порошков. Представителями такого материала являются стекловолокниты АГ- 4В.

Ориентированные стекловолокниты имеют наполнитель в виде длинных волокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями и тщательно склеивающихся связующим. Это обеспечивает более высокую прочность стеклопластика.

 Стекловолокниты могут работать при температурах от -60 до 200 С, а также в тропических условиях, выдерживать большие инерционные перегрузки.

Бороволокниты имеют в качестве матриц эпоксидные и полиимидные смолы, подвергающиеся отверждению. Наполнителем являются волокна бора.

Выпускаются бороволокниты марок КМВ -1м, КМБ -1к, КМБ -2к, КМБ -3к. Разные марки таких КМ работоспособны при температурах от 100 до 300 С. Предел прочности при растяжении составляет 900…1300 МПа, ударная вязкость равна 78…110 кДж/м .

Бороволокниты обладают высоким сопротивлением усталости, они стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горюче- смазочных материалов.

Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т. д.).

Органоволокниты в качестве матрицы используют термореактивные смолы: эпоксидные, полиимиды и др., проходящие отверждение.

Наполнителем являются органические синтетические волокна. Используются эластичные волокна: капрон, лавсан, нитрон и жесткие волокна: винол, ароматический полиамид и др.

Органоволокниты с наполнителем из эластичных волокон имеют предел прочности при растяжении 100…190 МПа, относительное удлинение 10…20%. В случаях применения жестких волокон прочность возрастает до 650…700 МПа, а относительное удлинение снижается до 2…5%.

Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопро- водность низкая. Большинство органоволокнитов может длительно работать при температуре 100…150 С.

Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электрорадиопромышленности, авиационной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов судов и др.

Карбоволокниты (углепластики) состоят из эпоксидных и др. смол, подвергаемых отверждению (матрица), и волокнистого наполнителя в виде углеродных волокон. Для предохранения от окисления поверхность волокон покрывают защитными покрытиями. Такие материалы выпускают марок КМУ -1 л, КМУ -2 л и др.

Высокая энергия связи С-С углеродных волокон позволяет им сохранять прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной средах до 2200 С).

Композиционные материалы на основе металлических матриц с волокнистыми наполнителями. У таких материалов матрицами являются алюминий, магний, никель и др.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные       ( =2500…3500 МПа, Е= 38…420 ГПа) и углеродные (  =1400…3500 МПа, Е= 160…450 ГПа) волокна, а также волокна из тугоплавких соединений           (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют =2500…3500 МПа, Е=450 ГПа. Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных сталей. Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость.

Механические свойства некоторых КМ даны в табл.27.

                                                                                                                       Таблица 27