Сафин В.Н. Композиционные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра «Станки и инструмент»

620.22(07)

С217

В.Н. Сафин

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Текст лекций

Челябинск

Издательский центр ЮУрГУ

2010

УДК 620.22(075.8)

С217

Одобрено

учебно-методической комиссией

механико-технологического факультета

Рецензенты:

Р.С. Зиновьев, В.В. Ерофеев

С217 Сафин, В.Н.

Композиционные материалы: текст лекций / В.Н. Сафин. – Челя-

бинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. – 36 с.

Композиционные материалы широко применяются в авиастроении,

ракеткой техники, при изготовлении инструментов и т. д.

В тексте лекций приводится классификация материалов, разбира-

ются устройства композиционных материалов, приводятся характери-

стики волокон материалов, матриц. Рассматриваются дисперсно-

упрочнённые материалы, способы получения и использования. Также

приводятся данные по проектированию и механической обработке из-

делий из композиционных материалов.

Текст лекций позволяет получить знания для выполнения курсовых

и квалификационных работ.

УДК 620.22(075.8)

1. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В машиностроении к конструкционным относятся материалы, из которых из-

готовляются конструкции и детали машин, воспринимающие механические на-

грузки. В современных конструкторских решениях широко применяются компо-

зиционные материалы, например, углеродные волокна используются при изго-

товлении фюзеляжа самолёта А380, порошки тугоплавких металлов для получе-

ния режущей части инструментов, электроконтактов и т. п.

Понятие композиционного материала должно удовлетворять следующим кри-

териям: композиция должна представлять собой объемное сочетание хотя бы

двух химически разнородных материалов с четкой границей раздела между эти-

ми компонентами (фазами) и характеризоваться свойствами, которых не имеет

никакой из ее компонентов в отдельности. Композицию получают путем введе-

ния в основной материал (матрицу) определенного количества другого материа-

ла, который добавляется в целях получения специальных свойств. Композицион-

ный материал может состоять из двух, трех и более компонентов. Размеры час-

тиц входящих компонентов могут колебаться в широких пределах от сотых до-

лей микрометра (для порошковых наполнителей) до десятков мкм при использо-

вании волокнистых наполнителей. Для сравнения, толщина человеческого воло-

са 50 мкм.

В большинстве случаев компоненты композиции различны по геометриче-

скому признаку. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему

объему, называется матрицей. Компонент прерывный, разделенный в объеме

композиции, считается усиливающим или армирующим. Усиливающими или

армирующими компонентами чаще всего являются тонкодисперсные порошко-

образные частицы или волокнистые материалы различной природы. В зависимо-

сти от вида армирующего компонента композиты могут быть разделены на две

основные группы: дисперсно-упрочненные и волокнисто-упрочненные, которые

отличаются структурой, механизмами образования высокой прочности.

Во всех случаях – это система разных материалов, каждый из составляющих

которой имеет свое конкретное назначение применительно к рассматриваемому

готовому изделию. Совместная работа разнородных материалов дает эффект,

равносильный созданию нового материала, свойства которого и количественно и

качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих в отдельности.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Все композиционные материалы можно условно классифицировать по сле-

дующим признакам: материалу композиции, типу арматуры ее ориентации, спо-

собу получения композиции и изделий из них.

В зависимости от материала матрицы композиционные материалы можно

разделить на следующие основные группы: композиции с металлической матри-

цей – металлические композиционные материалы (МКМ), с полимерной – поли-

мерные композиционные материалы (ПКМ), с резиновой – резиновые компози-

ционные материалы (РКМ) и с керамической – керамические композиционные

материалы (ККМ). Название ПКМ обычно присваивают в зависимости от арми-

рующего материала. Например, ПКМ армированы стеклянными волокнами на-

зывают стеклопластиками. Аналогично получили свои названия углепластики,

боропластики и т. д.

По типу арматуры и ее ориентации КМ подразделяют на две основные груп-

пы: изотропные и анизотропные. Изотропные КМ имеют одинаковые свойства во

всех направлениях. К этой группе относят КМ с порошкообразными наполните-

лями. К числу изотропных условно относят КМ, армированные короткими (дис-

кретными) частицами. У анизотропных материалов свойства зависят от направ-

ления армирующего материала. Их подразделяют на однонаправленные, слои-

стые и трехмерно-направленные. Анизотропия материалов закладывается конст-

руктором для получения КМ с заданными свойствами. Однонаправленные КМ

чаще всего проектируют для изготовления изделий, работающих на растяжение.

Анизотропия КМ «проектируемая» заранее с целью изготовления из КМ кон-

струкций называется конструкционной. Существуют также технологическая ани-

зотропия, образующаяся вследствие пластической деформации изотропных ма-

териалов, и физическая, присущая кристаллам и связанная с особенностями

строения их кристаллической решетки.

Гибридными называют КМ, содержащие в своем составе три или более ком-

понентов. В зависимости от распределения компонентов гибридные КМ обычно

делят на следующие классы: однородные КМ, с равномерным распределением

каждого армирующего компонента по всему объему композиции.

Рис. 2.1. Схема армирования композиционного материала:

1 – одномерного; 2 – двумерного

На рис. 2.1 одномерное армирование двумя разными материалами и двумер-

ное армирование гибридного композиционного материала.

К некоторым КМ понятие «матрица» и «арматура» неприменимы. К ним от-

носятся слоистые КМ, состоящие из чередующихся слоев двух металлических

сплавов, или псевдосплавы, имеющие каркасное строение (эти материалы полу-

чают пропиткой пористой заготовки более легкоплавкими компонентами, их

структура представляет собой два взаимно проникающих непрерывных каркаса).

По способам получения КМ подразделяются на полученные жидко- и твер-

дофазными методами, методами осаждения-напыления и комбинированными

методами. К жидкофазным методам относится пропитка (например, пропитка

арматуры полимерами или расплавленными металлами), а также направленная

кристаллизация сплавов; к твердофазным – прессование, волочение, прокатка,

ковка, штамповка, уплотнение взрывом и другими динамическими методами,

диффузная сварка и т. п. Для КМ, полученных твердофазными методами, харак-

терно использование матрицы в виде порошка или тонких листов. Армирован-

ные КМ, матрица которых в исходном состоянии представляет собой тонкие

листы (фольги), а вся заготовка – набор чередующихся слоев матрицы и арми-

рующих элементов, уложенных в заданной последовательности, в литературе

иногда называют «композициями типа сандвич», или сотовыми структурами.

3. ЭВТЕКТИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Эвтектическими КМ называют сплавы эвтектического или близкого к нему

состава, в который армирующей фазой служат ориентированные волокнистые

пластинчатые кристаллы, образованные в процессе направленной кристаллиза-

ции. Поскольку структура создается в эвтектических КМ естественным путем, а

не в результате искусственного введения армирующей фазы в матрицу, эвтекти-

ческие КМ называют естественными. Такие материалы характеризуются высо-

кой прочностью (что обусловлено прочностью и совершенством структуры ар-

мирующей фазы) и термически стабильной структурой – вплоть до температур,

близких к температуре плавления эвтектики.

Для эвтектических КМ не существует проблемы химической несовместимо-

сти между матрицей и упрочняющей фазой вследствие равновесных условий

кристаллизации, равенства химических потенциалов компонентов и минималь-

ной поверхностной энергией армирующей фазы. Из эвтектических КМ можно

изготовлять изделия за одну операцию при отсутствии трудоемких процессов

получения волокон и их введения в матрицу.

4. ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЁННЫЕ КОМПОЗИТЫ

В таких материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица, в

которой с помощью множества практически не растворяющихся в ней частиц

второй фазы создается структура, эффективно сопротивляющаяся пластической

деформации.

Реальная прочность материалов значительно меньше теоретической, пласти-

ческие деформации начинаются при напряжениях σ в 10

раз меньше чем для

идеальных материалов. Это объясняется тем, что в пластической деформации ак-

тивно участвуют дислокации – локальные искажения кристаллической решетки.

При деформировании благодаря дислокациям сдвиг атомов в соседнее положе-

ние происходит не одновременно по всей плоскости скольжения, а растягивается

во времени. Такое постепенное скольжение за счет небольших смещений атомов

в области дислокации, не требует значительных усилий, что и проявляется при

деформации пластичных материалов. Упрочнение таких материалов заключается

в создании в них структуры затрудняющих движение дислокаций.

Наиболее сильное торможение передвижению дислокаций создают дисперс-

ные частицы второй фазы, например, химические соединения типа карбидов,

нитридов, оксидов, боридов, характеризующиеся высокой прочностью и темпе-

ратурой плавления.

В дисперсно-упрочнённых материалах заданные прочность и надежность

достигаются путем формирования определенного структурного состояния, при

котором эффективное торможение дислокаций сочетается с их равномерным

распределением в объеме материала, либо с определенной подвижностью, скап-

ливающихся у барьеров дислокаций для предотвращения хрупкого разрушения.

5. ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

У волокнистых композитов матрица, чаще всего, пластичная, армирована вы-

сокопрочными волокнами, проволокой или нитевидными кристаллами. В волок-

нистых композитах высокопрочные волокна воспринимают основные напряже-

ния, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, и обеспечива-

ет жесткость и прочность композиции в направлении ориентации волокон.

Податливая матрица, заполняющая волокнистое пространство, обеспечивает

совместную работу отдельных волокон за счет собственной жесткости и взаимо-

действия, существующего на границе раздела матрица – волокно. Следовательно,

механические свойства композита определяются тремя основными параметрами:

высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью

связи на границе матрица – волокно. Соотношение этих параметров характери-

зуют весь комплекс механических свойств материала и механизм его разруше-

ния. Работоспособность композита обеспечивается как правильным выбором ис-

ходных компонентов, так и рациональной технологией производства, обеспечи-

вающей прочную связь между компонентами при сохранении первоначальных

свойств.

Особенности волокнистой композиционной структуры заключаются в равно-

мерном распределении высокопрочных, высокомодульных волокон в пластичной

матрице (содержание их может достигать 75%).

Другая особенность волокнистой композиционной структуры – анизотропия

свойств, обусловленная преимущественным расположением волокон.

6. АРМИРУЮЩИЕ ВОЛОКНА

Теоретическая прочность материалов σ

возрастает с увеличение модуля уп-

ругости Е и поверхностной энергии γ вещества и падает с увеличением расстоя-

ния между соседними атомными плоскостями а

[2]

= (γ

)

0,5

Таким образом, высокопрочные твердые тела должны иметь высокие модуль

упругости и поверхностной энергии и возможно большее число атомов в едини-

це объема. Этим требованиям удовлетворяет бор, бериллий, углерод, алюминий,

кремний, азот и кислород. При создании волокнистых композитов применяются

высокопрочные стеклянные, углеродные, борные органические волокна, а также

волокна и нитевидные кристаллы ряда карбидов, оксидов, нитридов. В состав

приведенных материалов волокон входят элементы, имеющие высокую теорети-

ческую прочность.

Механические свойства высокопрочных материалов обычных протяженных

тел определяются наличием поверхностных дефектов (подрезов, трещин и т. п.).

Около вершин этих дефектов при нагружении концентрируются напряжения, ко-

торые зависят от приложенного усилия, глубины трещины и радиуса кривизны в

вершине трещины. Существует критическая длина трещины, при которой прояв-

ляется тенденция к ее неограниченному росту, приводящая к разрушению мате-

риала. Важен тот факт, что соответствующее критическое напряжение зависит от

абсолютного размера трещины и оно тем выше, чем меньше длина трещины.

Из хрупких веществ материалы с высокой воспроизводимой прочностью

можно получать в основном в виде волокон. Это обусловлено тем, что волокна

намного меньше чувствительны к имеющимся в них дефектам, чем монолитные

изделия. Из-за геометрии волокна трещины в них должны быть либо короткими,

либо они должны быть преимущественно параллельны продольной оси волокна,

т. е. почти безопасными.

Любые поверхностные повреждения ведут к падению прочности волокон, на-

пример, волокна нельзя свивать в канат, т. к. трение в волокнах каната при на-

вивке их приводит к повреждению поверхностного слоя волокна и к выходу его

из строя. Поэтому для получения прочного изделия, необходимо использовать

среду, которая защищала бы поверхность волокон и связывала их воедино. Такой

средой может быть полимерный материал или пластичный металл. Когда ис-

пользуются короткие волокна (прерывистые) сохраняется принцип волокнистого

армирования, состоящий в том, что при нагружении композита, на разделе мат-

рицы с волокном возникают касательные напряжения, которые вызывают полное

нагружение волокон.

Применяют в основном три вида волокон: нитевидные кристаллы, металличе-

скую проволоку, неорганические и поликристаллические волокна.

Нитевидные кристаллы (усы) рассматривают как наиболее перспективный

материал для армирования металлов, полимеров, керамики. Металлическая про-

волока из высокопрочной стали, вольфрама, молибдена и других металлов имеет

меньшую прочность, чем нитевидные кристаллы. Однако ее выпускает промыш-

ленность в больших количествах, и, в связи с более низкой стоимостью, широко

применяют в качестве арматуры, особенно для композитных материалов на ме-

таллической основе. Неорганические и поликристаллические волокна имеют ма-

лую плотность, высокую прочность и химическую стойкость. Широко применя-

ют углеродные, борные, стеклянные и другие волокна для армирования пласт-

масс и металлов.

Армирующие волокна, применяемые в конструкционных композитах, долж-

ны удовлетворять комплексу эксплуатационных и технологических требований.

К первым относятся требования по прочности, жесткости, плотности, стабильно-

сти свойств в определенном температурном интервале, химической стойкости,

высокой температуре плавления, минимальной растворимости в материале мат-

рицы и т.д. Технологические требования определяются возможностью создания

высокопроизводительного процесса получения волокон.

7. МАТРИЦА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

7.1. Назначение матрицы и условия ее работы

Матрица в армированных композиционных материалах является основой,

придает изделию форму и делает материал монолитным.

Матрица принимает участие в создании несущей способности композиции,

обеспечивая передачу силы на волокна. При нагружении за счет пластичности

матрицы, силы от разрушенных или дискретных (коротких) волокон передаются

соседним волокнам. Передача нагрузки зависит, прежде всего, от качества со-

единений, т. е. от хорошей адгезии между компонентами КМ.

При изготовлении композиции в жидкой фазе материал матрицы должен смачи-

вать армирующий материал (волокно). Процесс смачивания сопровождается ча-

ще всего частичным растворением волокон в материале матрицы или их химиче-

ским взаимодействием. Следовательно, смачивание почти всегда приводит к по-

верхностному разрушению волокна. Но без химического взаимодействия невоз-

можно смачивание.

Смачивание зависит также от взаимного физического сродства компонентов,

т. е. от соотношения их поверхностных энергий (рис. 7.1) [3].

Рис. 7.1. Схемы смачивания (а) и несмачивания (б)

жидкой матрицей поверхностного наполнителя:

Т – твердая фаза; Ж – жидкая; П – пар

Способность жидкой матрицы смачивать или не смачивать наполнитель зави-

сит от соотношения сил поверхностного натяжения на границах твердая фаза –

жидкость (γ

т-ж

), жидкость – пар (γ

ж-п

) и твердая фаза пар (γ

т-п

Если γ

т-п

> γ

т-ж

+ γ

ж-п

сos θ – смачивание удовлетворительно;

т-ж

> γ

т-п

+ γ

ж-п

сos θ – смачивание неудовлетворительно.

О смачивании судят по величине краевого угла.

Смачивание может быть улучшено. Наиболее эффективные способы улучше-

ния смачивания – нанесение на армирующие волокна специальных покрытий и

введение в материал матрицы специальных легирующих добавок. Улучшить

смачиваемость можно применив ультразвуковую обработку, повышая темпера-

туру расплава, увеличивая время нахождения расплава в жидкости.

7.2. Требования к материалам матриц

Требования делятся на эксплуатационные и технологические.

Экплуатационные:

– высокая прочность и пластичность материала матрицы (возможность вы-

держивать сдвиги нагрузки, циклические и т. д.);

– высокий уровень диапазона рабочих температур, т. к. матрица определяет

работоспособность композиционного материала от очень высоких до минусовых.

Сохранение адгезии (взаимодействие матрицы и волокна) во всем диапазоне ра-

бочих температур;

– устойчивость материалов матрицы к воздействию внешней среды (влаж-

ность, давление, температура), солнечной радиации, химическая стойкость;

Сохранение своих физических свойств (цвет, плотность, структура, теплофизи-

ческие свойства, электрические) с течением времени.

Технологические:

– определяются протекающими одновременно с процессами получения ком-

позита и изделия их него;

– обеспечение равномерного (без касания между собой) распределения воло-

кон в матрице при заданном объемном содержании;

– хорошая смачиваемость волокна материалом матрицы и сохранение его во

время получения композита;

– хорошая адгезия между материалом матрицы и материалом волокна и каче-

ственное соединение слоев композита в процессе формования;

– возможность предварительного изготовления полуфабрикатов (препрегов) с

последующим изготовлением из них изделия;

– невысокие значения параметров формообразования (например, температу-

ры, давления) и т. п.

8. МАТЕРИАЛЫ ВОЛОКОН

Для армирования КМ с металлической матрицей используют освоенные про-

мышленностью высокопрочные волокна углерода, бора, карбида кремния и

вольфрама, оксидов алюминия и циркония, проволоку из стальных, вольфрамо-

вых и молибденовых сплавов, а также нитевидные кристаллы (усы). Волокно уг-

лерода относится к числу перспективных материалов [3]. Характеристики: плот-

ность 1400…2000 кг/м

, предел прочности на растяжение 3500 МПа, модуль уп-

ругости до 700 000 МПа, диаметр волокна 5…12 мкм.

Для сравнения характеристики стали 40 Х: плотность 7800 кг/ м

, предел

прочности на растяжение 1000 МПа, модуль упругости 210 000 МПа.

Например, процесс получения волокон углерода из полиакрилнитрильного

сырья проводят по следующей схеме: нагрев исходного волокна до температуры

220 °С выдержка в течении 20 ч, затем температуру повышают до 980 °С

и вы-

держивают в атмосфере водорода 24 ч; на следующем этапе волокно выдержи-

вают 2 ч при температуре 2480…2500 °С и создают принудительную вытяжку

волокна в течении 15…20 минут. Заключительную операцию термообработки

проводят при температуре 2700 °С в течении 15 минут. Вытягивание волокон уг-

лерода в процессе их производства улучшает ориентацию структуры и значи-

тельно повышает прочность и модуль упругости.

Волокна углерода имеют относительно высокую химическую стойкость к ат-

мосферным условиям и некоторым кислотам (серной, азотной, соляной), что оп-

ределяет их долговечность при хранении, а также долговечность КМ на их осно-

ве. Термостойкость при длительной эксплуатации не превышает 400 °С. К недос-

таткам углеродных волокон следует отнести низкую прочность на сжатие, хими-

ческую активность при взаимодействии с расплавленными металлическими мат-

рицами и малую смачиваемость, особенно с полимерными матрицами.

Волокна бора характеризуются низкой плотностью (2400...3000 кг/см

); прочно-

стью при растяжении (до 3800 МПа) и модулем упругости (до 400 000 МПа). Их

получают осаждением бора из газовой смеси водорода и треххлористого бора на

нагреваемую вольфрамовую проволоку (диаметром 10…12 мкм). В результате

осаждения образуется сердечник из боридов вольфрама (диаметром 15...17 мкм),