Композиционные материалы

Классификация конструкционных материалов.

Композиционные материалы

7 класс

Что называют композиционным материалом?

• Композиционный материал  или  композитный материал  (КМ), сокращённо  композит  — многокомпонентный материал, изготовленный (человеком или природой) из двух или более компонентов с существенно различными физическими или химическими свойствами, которые в сочетании приводят к появлению нового материала с характеристиками, отличными от характеристик отдельных компонентов и не являющимися простой их суперпозицией. 

Фанера

Для чего создаются  композиционные  материалы?

• На основе композитов разработано большое количество материалов и конструкций, которые широко применяются как в тяжелой, так и в легкой промышленности. Благодаря своим уникальным свойствам композиты обеспечивают изделию и конструкции высокую прочность, износостойкость, жесткость и в то же время легкость и малый вес.

Композиты с полимерной матрицей

• Композиты с полимерной матрицей  ( англ.   polymer composites ) — композиты, матрицей в которых является высокомолекулярное соединение.
• В качестве матрицы при создании композиционных материалов данного вида используются полимеры самых разных типов:  термопласты  (полиолефины, алифатические и ароматические полиамиды, фторопласты и др.), 
• реактопласты  (фенопласты,  аминопласты , эпоксидные, полиэфирные, кремнийорганические и другие полимерные связующие), 
• эластомеры  (вулканизированный натуральный, бутадиен-нитрильный, бутилкаучук и другие каучуки).
• Использование наполнителей позволяет изменять механические, электромагнитные, физико-химические характеристики исходного полимера, а, в ряде случаев, и снижать стоимость конечного композита по сравнению со стоимостью полимера за счет использования более дешевого, чем полимер, наполнителя, например, мела, или речного песка, получая  полимерно-песчаный композит .

По назначению (эксплуатационный принцип) КМ можно разбить на материалы:

• общеконструкционного назначения (для различного рода несущих конструкций самолетов, ракет, судов, автомобилей, двигателей, сосудов высокого давления, предметов широкого потребления и др.); жаропрочные (для лопаток турбин, камер сгорания и других изделий, работающих при повышенных температурах); термостойкие (для изделий, работающих в условиях резких теплосмен, например для облицовки каналов МГД-генераторов); фрикционные и антифрикционные (подшипники скольжения, шестерни и др.); ударопрочные (броня самолетов, танков и т.п.); теплозащитные и КМ со специальными свойствами (электрическими, магнитными, ядерными и др.).
• общеконструкционного назначения (для различного рода несущих конструкций самолетов, ракет, судов, автомобилей, двигателей, сосудов высокого давления, предметов широкого потребления и др.);
• жаропрочные (для лопаток турбин, камер сгорания и других изделий, работающих при повышенных температурах);
• термостойкие (для изделий, работающих в условиях резких теплосмен, например для облицовки каналов МГД-генераторов);
• фрикционные и антифрикционные (подшипники скольжения, шестерни и др.);
• ударопрочные (броня самолетов, танков и т.п.);
• теплозащитные и КМ со специальными свойствами (электрическими, магнитными, ядерными и др.).

Композиты ПКМ. Стеклопластики. 

• В настоящее время наиболее широкое применение находят композиты на основе полимерных матриц. Среди этой группы первое место по объему использования (95%) занимают стеклопластики. Они обладают высокими прочностными характеристиками, в несколько раз большей по сравнению с металлами стойкостью к усталостным напряжениям и трещинообразованию, а также к коррозионному воздействию при значительном снижении массы деталей, что позволяет резко сократить затраты на производство, обслуживание и ремонт изделий

Композиты ПКМ. Углепластика.

Карбон

Углепластики  — наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков — чаще всего — термореактивные и термопластичные полимеры Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является модуль упругости, углепластики — очень лёгкие и, в то же время, прочные материалы. Хорошо проводят электричество и используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении лёгких велосипедов и другого спортивного инвентаря.

Композиты ПКМ. Боропластик.

• Боропластики  — композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедрённые в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетённых вспомогательной стеклянной нитью или лентой, в которых борные нити переплетены с другими нитями.
• Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Полимеры, наполненные порошками

Лео Бейкеленд — американский

химик и изобретатель

бельгийского происхождения,

изобрёл фотобумагу и бакелит

— первую недорогую и негорючую

пластмассу универсального

применения.

Композиты ПКМ. Текстолит.

Текстолит

(лат. textus — «ткань»,

и греч. λιθος — «камень»)

— электроизоляционный

конструкционный

материал

• Текстолиты  — слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон.
• Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов — покрытия для кухонных столов.
• В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон — хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и так далее.

Композиционные материалы с металлической матрицей

• При создании композитов на основе  металлов  в качестве матрицы применяют  алюминий ,  магний ,  никель ,  медь  и т.д.
•   Наполнителем  служат или высокопрочные волокна, или тугоплавкие, не растворяющиеся в основном металле частицы различной дисперсности. Дисперсноупрочненные металлические композиты получают, вводя порошок наполнителя в расплавленный металл, или методами порошковой металлургии.

Композиционные материалы с металлической матрицей

• В 1970-х появились первые материалы, армированные нитевидными монокристаллами («усами»). Нитевидные кристаллы получают протягивая расплав через фильеры. Армирование «усами» позволяет значительно увеличить прочность материала и повысить его жаростойкость. Например, предел текучести композита из серебра, содержащего 24 % «усов» оксида алюминия, в 30 раз превышает предел текучести серебра и в 2 раза — других композиционных материалов на основе серебра. Армирование «усами» оксида алюминия материалов на основе вольфрама и молибдена вдвое увеличило их прочность при температуре 1650 °C, что позволяет использовать эти материалы для изготовления сопел ракет.

СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

• Свойства, которыми обладают ККМ (высокие точки плавления, высокая прочность на сжатие, сохраняющаяся при достаточно высоких температурах, высокая стойкость к окислению, высокая прочность на растяжение и ударная вязкость, стойкость к вибрациям и термоудару), обуславливают области применения ККМ.

ПРИМЕНЕНИЕ КЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

• Они применяются для наиболее ответственных тяжелонагруженных деталей газотурбинных двигателей (рабочих и сопловых лопаток), т.к. они принимают на себя удар горячих газов, температура которых часто превышает температуру плавления современных жаропрочных сплавов.

ПРИМЕНЕНИЕ КЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

• ККМ широко применяются в качестве теплозащитных материалов в огнеупорной промышленности и космонавтике. Испытания показали продолжительную работоспособность ККМ при температурах 1690 К, они выдерживают многократный нагрев до более высоких температур, причем стабильность размеров изделий из ККМ при высоких температурах на порядок выше, чем у наиболее термостабильных из имеющихся материалов.

Изделия огнеупорной

промышленности

Области применения композиционных материалов:

Автомобилестроение

Ветроэнергетика

Как правило, в автомобилестроении используются композиты из базальтовых волокон и углеволокна. Практически у каждого автопроизводителя существуют «концепт-кары», корпус и «начинка» которых почти полностью выполнен из композитов.

Авиастроение

Композиционные материалы в ветроэнергетике постепенно становятся производственной нормой, поскольку производство лопастей генераторов и конструкций турбин требует особых материалов, не уступающих по свойствам сплавам металлов, но более легких по весу.

Вопрос разработки более дешевых и функциональных материалов для авиастроения актуален, как никогда, поэтому оно является серьезным технологическим «раздражителем» на пути инновационных разработок композитов.

Области применения композиционных материалов:

Товары народного потребления

Железная

Спектр

дорога

Судостроение

применения композитов в повседневном окружении современного человека настолько велик. Композиты делают повседневную жизнь безопасней, мобильней, здоровее, удобней, да и просто красивей.

Внедрение композиционных материалов в железнодорожную сферу происходит во все возрастающих масштабах. Так, они применяются для изготовления подвижного состава, частей вагонов, для отделки и производства кресел пассажирских вагонов и др.

Применение композитных материалов позволяет эффективно защищать суда от коррозии и агрессивных внешних воздействий. Строить безнаборные корпусные конструкции судов с прочными слоями из стали или стеклопластика и слоем из полимеров низкой плотности.

Области применения композиционных материалов:

Строительст

-во

Ракетострое

Современное развитие композитных технологий значительно удешевило производство, что позволило получать «на выходе» широкий класс универсальных материалов и изделий, делающих строительную отрасль высокорентабельной и успешной.

-ние

Нефтепромы

Большинство из композитных полимеров выигрывают сравнение с традиционными для ракетостроения титановыми и алюминиевыми сплавами. Композиты позволяют снизить вес ракеты или космического аппарата до 50%, в зависимости от конструкции, и, как следствие, существенно сокращают расход ракетного топлива.

-шленность

В нефтяной промышленности получили углеродосодержащие композиты, поскольку они обладают повышенными функциональными и эксплуатационными свойствами. В первую очередь, это термостойкость, механическая прочность и коррозионная устойчивость.

Области применения композиционных материалов:

Спортивные товары

Тюнинг

Применение композитов в спорте позволяет не только совершенствовать инвентарь и улучшать характеристики экипировки, но является, по существу, основным способом «поднятия планки» для возможностей и рекордов человека. Спортивные товары из полимерных композиционных материалов делают жизнь здоровее, быстрее и безопасней.

Композитные материалы в тюнинге применяются повсеместно и, в известном смысле, определяют развитие этой творческой отрасли. Легкость обработки и феноменальная пластичность большинства композитов делают эти материалы основой большинства проектов — от любительских до высокопрофессиональных и дорогостоящих.

Выполнить таблицу, 10-15 примеров изделий

Композитный материал

Изделие