Композиционные материалы

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Якутский  государственный университет им. М.К.Аммосова

Автодорожный  факультет

Кафедра машиноведения 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа

по предмету: Материаловедение и ТКМ

на тему: «Композиционные материалы» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил:

студент II курса

гр. ПО(АиАХ)-08

Бабиков А.Л.

Проверил:

Ст. преподаватель

Ивачёва О.А. 
 
 
 

Якутск-2009

Содержание 

       Введение…………………………………………………………..………3

       Глава 1. Композиционные материалы

       1.1   Связующие материалы композитов……………………….………7

       1.1.1 Полимеры и их свойства…………………………………………...7

       1.1.2 Смолы и их свойства……………………………………………...10

       1.1.3 Металлические матрицы и их  свойства………………………….16

       1.2    Армирующие волокна композитов……………………………....18

       1.2.1 Стекловолокно и его свойства……………………………………18

       1.2.2 Стеклонаполненные термопласты  и их свойства……………….19

       1.2.3 Высокосилекаты, кварц и их свойства…………………………..21

       1.2.4 Другие волокна композитов и  их свойства……………………...22

       Вывод…………………………………………………………………….25

       Глава 2. Технология производства

       2.1 Технологии производства полиэфирных смол и изделий из них..26

       2.2 Основы технологии изготовления металлической матрицы……..29

       2.3 Производство стекловолокон……………………………….……...30

       2.4 Технология производства Стеклонаполненных термопластов…..32

       2.5 Изготовление многонаправленных структур……………………...33

       Вывод…………………………………………………………………….35

       Заключение………………………………………………………………36

   Список используемой литературы……………………………………..37 
 

   
 
 

Введение 

       Актуальность

       После того как современная физика металлов подробно разъяснила нам причины их пластичности, прочности и ее увеличения, началась интенсивная систематическая разработка новых материалов. Это приведет, вероятно, уже в вообразимом будущем к созданию материалов с прочностью, во много раз превышающей ее значения у обычных сегодня сплавов. При этом большое внимание будет уделяться уже известным механизмам закалки стали и старения алюминиевых сплавов, комбинациям этих известных механизмов с процессами формирования и многочисленными возможностями создания комбинированных материалов. Два перспективных пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами. У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы.  

Объект исследования: Композиционные материалы

Предмет: Технология производства композиционных материалов

Цель: Изучить композиционные материалы  их свойства и технологию производства

Задачи:  1) Рассмотреть композиционные материалы и их свойства;

2) Рассмотреть технологию производства композиционных материалов. 
 

История появления и развитие практики применения композиционных материалов в технике 
 

       Первые  высокопрочные КМ были созданы в  начале 40-х годов. Это были армированные пластики. К началу второй мировой войны были созданы КМ, механические свойства которых конкурировали со свойствами традиционных материалов. Приближение войны стимулировало развитие исследований в области производства новых перспективных материалов, которыми являлись КМ. К началу войны в США уже началось промышленное производство деталей из композита, представлявшего собой хлопковое полотно, пропитанное фенольной смолой. Технологический процесс включал в себя отверждение под низким давлением. Через несколько лет уже появились КМ, армированные стекловолокнами. Поначалу КМ применялись для усиления отдельных узлов конструкции самолетов в качестве облицовочных материалов. Позднее широкое применение нашли сотовые и сэндвичевые конструкции из стекловолоконных КМ.

       Активное  применение КМ в авиастроении началось в середине 50-х годов ХХ-го века. Тогда же началось исследование возможностей применения при производстве КМ высокопрочных волокон на основе углерода и бора, а также промышленное производство этих волокон. Через 20 лет применение КМ в авиастроении стало обычным явлением. 

       В настоящее время КМ применяются  практически во всех областях техники. Они используются при производстве автомобилей, судов, самолетов, ракет, при строительстве зданий и сооружений, в качестве отделочных материалов, при изготовлении различных приборов и приспособлений, в медицине, спорте и т.д. Расширяются области применения углеродных, графитовых, борных, стальных волокон и усов. В качестве матриц помимо полимеров применяют металлы и керамики. 

Глава 1.

Композиционные материалы 

       Композиционные материалы (КМ) — сложные материалы, состоящие из 2-х или более компонентов (дискретных элементов и связующей их матрицы) и обладающие специфическими свойствами, отличными от суммарных свойств составляющих их компонентов. Дискретные элементы могут выполнять пассивную роль — служить наполнителем, либо активную — использоваться как армирующие (упрочняющие) элементы. Инертные наполнители чаще всего используются для снижения стоимости композита, для заполнения объема. Активные наполнители применяются для модификации механических либо функциональных свойств (прочность, окраска, электропроводность и т. п.). 

       Композиционные  материалы (композиты) состоят из химически  разнородных компонентов, нерастворимых  друг в друге и связанных между собой в результате адгезии. Основой композитов является пластическая матрица, которая связывает наполнители, определяет форму изделия, его монолитность, теплофизические, электро- и радиотехнические свойства, герметичность, химическую стойкость, а также распределение напряжений между наполнителями. 

       Нельзя сказать, что КМ являются изобретением человека. В природе можно найти множество примеров КМ, которые в качестве конструкционных материалов, из которых «построены» живые организмы, обеспечивают решение проблемы обеспечения необходимого комплекса механических свойств. Примеры: стебли растений, древесина, кости животных и человека и т. д. 
 

       Требования к компонентам — не должны растворяться или иным способом поглощать друг друга. Должны быть хорошо совместимы.

       Свойства КМ нельзя определить только по свойствам их компонентов, без учета их взаимодействия.

       Армирующие компоненты могут представлять собой волокна, порошки, микросферы, кристаллы и «усы» из органических, неорганических, металлических материалов или керамики. 

       Классификация — обычно по виду структурных элементов: упрочненные частицами, волокнистые, скелетные (каркасные);

       Волокнистые КМ:

       - однонаправленные с непрерывными волокнами;

       - с измельченными (короткими) волокнами;

       - армированные непрерывными волокнами,

       Волокно — элемент материала относительно короткой длины и очень малого поперечного сечения. «Усы» (нитевидные кристаллы) — очень короткие волокна, обычно из монокристаллов. 

       Наиболее распространенные связующие для армированных пластиков, которые преобладают в общем объеме производства композитов — полимеры: полиэфиры, фенолы, эпоксидные компаунды, силиконы, алкиды, меламины, полиамиды, фторуглеродные соединения, полипропилен, полиэтилен, полистирол и т. п. 

        Связующие часто делят на термопласты (способные размягчаться и затвердевать при изменении температуры) и реактопласты или термореактивные смолы (в которых при нагревании происходят необратимые структурные и химические превращения). Наибольшее распространение получили термореактивные связующие. 

1.1 Связующие материалы композитов

1.1.1 Полимеры и их свойства

       Общие характеристики

       Характерной особенностью всех высокомолекулярных соединений (полимеров) является то, что они состоят из макромолекул — гигантских (по меркам молекулярных представлений) молекул, образовавшихся в результате химического соединения большого количества исходных молекул-мономеров. Исходные молекулы могут быть как однотипными (гополимер), так и разнотипными (сополимер). Молекулы высокомолекулярных соединений содержат большое количество (сотни и тысячи) атомов, связанных в определенной последовательности в одну цепь. Практически все полимеры имеют повторяющиеся элементы в своей структуре.

       Свойства высокомолекулярных соединений зависят от химического строения, молекулярного веса, структуры цепи, взаимного расположения молекул и других факторов. Несмотря на разнообразие свойств, полимеры обладают и общими характерными признаками, среди которых можно отметить следующие:

       - достаточно высокие механические свойства;

       - тугоплавкость и нелетучесть (в большинстве случаев);

       - плохая растворимость.  

       По способу получения полимеры подразделяют на полимеризационные и поликонденсационные.

       Процесс полимеризации есть реакция взаимодействия многих молекул мономера и соединения их в большую молекулу полимера, имеющего тот же элементарный состав, что и исходный мономер. Для реакции полимеризации характерным является то, что при ней не выделяются какие-либо побочные продукты.

       Процесс поликонденсации представляет собой реакцию соединения большого числа молекул двух или нескольких разных мономеров с выделением побочных продуктов реакции (вода, спирт и др.). Состав элементарного звена полимера, получающегося в результате реакции, отличается от состава исходных мономеров.

       Одним из наиболее употребительных способов классификации полимеров является их разделение по отношению к воздействию тепла: выделяют термопластичные, термостабильные и термореактивные полимеры.

       Термопластичные соединения при нагревании проявляют возрастающую пластичность, могут переходить в вязко-текучее состояние. При последующем охлаждении вновь возвращаются в твердое упругое состояние. Такой процесс может повторяться многократно. Термопластичными обычно являются полимеры с линейной или разветвленной структурами макромолекул,

характеризующихся слабым межмолекулярным взаимодействием.

       Термореактивные соединения при нагревании легко переходят в вязко-текучее состояние, но при длительном воздействии повышенной температуры превращаются в твердую стеклообразную или резиноподобную массу. Возврата пластичных свойств после такого превращения уже не происходит. Это объясняется тем, что данный класс полимеров при нагревании испытывает химические превращения, вследствие которых материал приобретает сетчатую или пространственную структуру макромолекул. Подобные свойства характерны для смол.