Общие сведения о композиционных материалах

       СОДЕРЖАНИЕ 

Введение 4

1 Общие сведения о композиционных материалах 6

1. Понятие композиционного материала                                                            6           
2. Состав и строение композита                                                                           8
2. Типы композиционных материалов                                                                    9
1. Композиционные материалы с металлической матрицей                           10
2. Композиционные материалы с неметаллической матрицей.                     13                                                                                     

3. Экономическая эффективность применения композиционных материалов  16                                                                           

Заключение 18

Библиографический список 20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       РЕФЕРАТ 

       Знакомство со свойствами многих материалов в окружающем нас мире позволяет говорить об их необычности. История использования человеком композиционных материалов насчитывает много веков, а представление о композиционных материалах заимствовано человеком у природы. Уже на ранних стадиях развития цивилизации человек использовал для строительства кирпич из глины, в которую замешивалась солома, придававшая повышенную прочность. Использование природных битумов позволило повысить водостойкость природных материалов и изготавливать суда из камыша, пропитанного битумом. Приведенные примеры позволяют выделить то общее, что объединяет композиционные материалы независимо от их происхождения, а именно все эти материалы являются результатом объемного сочетания разнородных компонентов, один из которых пластичен (связующее, матрица), а другой обладает высокой прочностью и жесткостью (наполнитель, арматура), и при этом композиции имеют свойства, которых не имеют отдельные составляющие. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       ВВЕДЕНИЕ 

     В начале XXI века задаются вопросом о  будущих строительных материалах. Бурное развитие науки и техники затрудняет прогнозирование: еще четыре десятилетия назад не было широкого применения полимерных строительных материалов, а о современных «истинных» композитах было известно только узкому кругу специалистов. Тем не менее, можно предположить, что основными строительными материалами также будут металл, бетон и железобетон, керамика, стекло, древесина, полимеры. Строительные материалы будут создаваться на той же сырьевой основе, но с применением новых рецептур компонентов и технологических приемов, что даст более высокое эксплуатационное качество и соответственно долговечность и надежность. Будет максимальное использование отходов различных производств, отработавших изделий, местного и домашнего мусора. Строительные материалы будут выбираться по экологическим критериям, а их производство будет основываться на безотходных технологиях. Этот поток новых материалов будет увеличиваться, а их эксплуатационные свойства совершенствоваться с учетом суровых климатических условий и экономии энергетических ресурсов России.

     Актуальность и перспективы использования композиционных материалов в строительстве, транспортной инфраструктуре, ЖКХ, электронике, автомобилестроении, судостроении, производстве товаров народного потребления и многих других сферах приводят к необходимости внедрения в практику новейших научно-технических разработок в области их создания и применения. Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов. 

     Технология  получения полуфабрикатов и изделий  из композиционных материалов достаточно хорошо отработана.

     Целью данной работы является рассмотреть понятие композиционного материала,  его структуру и выделить основные типы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ 
 

     1.1 Понятие композиционного материала

     Композиционный  материал – конструкционный (металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элементы ввиде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе.

     Под термином «композиционные материалы» понимаются материалы, имеющие следующие  отличительные признаки: не встречаются  в природе, поскольку созданы человеком; состоят из двух или более компонентов, различающихся по своему химическому составу и разделенных выраженной границей; имеют новые свойства, отличающиеся от свойств составляющих их компонентов; неоднородны в микромасштабе и однородны в макромасштабе; свойства определяются каждым из компонентов, которые в связи с этим, должны быть в материале в строго нормируемых количествах.

     Компонент, формирующий объем и конфигурацию композиционного материала, называется матрицей, компоненты с высоким уровнем упругопрочностных свойств, локально или непрерывно распределенный в объеме матрицы называется армирующим элементом. В качестве матрицы могут использоваться металлы, их сплавы, органические и неорганические полимеры, керамика и другие вещества. Армирующими компонентами чаще всего являются тонкодисперсные порошкообразные частицы или волокнистые материалы различной природы.

     Механическое  поведение композита определяется соотношением свойств армирующих элементов  и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик. ¹

     В результате совмещения армирующих элементов  и матрицы образуется комплекс свойств  композита, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные  компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композитах, в отличие от металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения. Армирующие материалы в композитах находятся в виде частиц различной дисперсности (дисперсионно-упрочненные), волокон длинной или короткой резки или слоев, (Рисунок 1).

     

     Рисунок 1 - Схема композиционных материалов

  Армирующий материал в виде:

а - частиц; б - волокон; в - слоев

     Преимущества  композиционных материалов:

     - высокая удельная прочность

     - высокая жёсткость

     - высокая износостойкость

     - высокая усталостная прочность

     Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.

     Недостатки  композиционных материалов:

     Большинство классов композитов (но не все) обладают недостатками:

     - высокая стоимость

     - анизотропия свойств

     - повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.

     1.2  Состав и строение  композита

     Композиты - многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов и др. Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные композиционные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойств композиционных материалов. Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки композиционных материалов.

     По  структуре наполнителя композиционные материалы подразделяют на волокнистые (армированы волокнами и нитевидными  кристаллами), слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями), дисперсно-армированные, или дисперсно-упрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц), (рисунок 2).

     

     Рисунок 2 - Схемы строения композиционных материалов:

     а) дисперсно-упрочненные; б) волокнистые; в) слоистые

       Матрица в композиционных материалах  обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне - и химическую стойкость. ²

     По  природе матричного материала различают  полимерные, металлические, углеродные, керамические и др. композиты.

     Наибольшее  применение в строительстве и  технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят: полимерные композиционные материалы на основе термореактивных и термопластичных связующих.

     Один  из общих технологических методов  изготовления полимерных и металлических волокнистых и слоистых композиционных материалов - выращивание кристаллов наполнителя в матрице непосредственно в процессе изготовления деталей. Высокопрочные композиционные материалы на основе керамики получают при армировании волокнистыми наполнителями, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами. Армирование непрерывными волокнами SiC позволяет получать композиционные материалы, характеризующиеся повышенной вязкостью, прочностью на изгиб и высокой стойкостью к окислению при высоких температурах. При изготовлении керамических композиционных материалов обычно применяют горячее прессование, прессование с последующим спеканием.

     Выбор и назначение композиционных материалов во многом определяются условиями нагружения и температурой эксплуатации детали или конструкции. Использование композитов в качестве конструкционных, теплозащитных, радио - и электротехнических материалов позволяет снизить массу конструкции, повысить ресурсы и мощности машин и агрегатов, создать принципиально новые узлы, детали и конструкции. Все виды композиционных материалов применяют в химической, текстильной, горнорудной, металлургической промышленности, машиностроении, на транспорте, для изготовления спортивного снаряжения и др. 

2 ТИПЫ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 

2.1 Композиционные материалы с металлической матрицей

     Различают композиционные материалы с металлической  и неметаллической матрицей.

     Композиционные  материалы состоят из металлической  матрицы (чаще Al,

Mg, Ni и  их сплавы), упрочненной высокопрочными  волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.³

     В зависимости от вида армирующего компонента композиты могут быть разделены на две основные группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые композиционные материалы.