Что такое композиционные материалы? Композиционные материалы.

Высокая коррозионная стойкость, способность к восприятию ударных нагрузок, отличное качество поверхности, красивый внешний вид обусловили широкое применение композиционных материалов практически во всех отраслях промышленности.

Видное место занимают эти материалы в производстве изделий для автомобильного и городского транспорта . Из них изготавливают корпуса легковых автомобилей, автобусов, детали внутреннего интерьера, кабины грузовиков, баки для горючего, цистерны для перевозки жидких и сыпучих грузов, корпуса и детали внутреннего интерьера трамваев и автобусов.

Широкое применение нашли композиционные материалы в авиационной и ракетно-космической технике , где используются такие их свойства, как высокая удельная прочность и стойкость к воздействию высоких температур, стойкость к вибрационным нагрузкам, малый удельный вес. Из этих материалов изготавливаются корпусные детали и детали внутреннего интерьера.

Очень широко композиционные материалы применяются в области судостроения . Уникальные свойства композиционных материалов позволяют изготавливать высокопрочные, легкие корпуса катеров, яхт, шлюпок.
Из композиционных материалов также изготавливаются спасательные шлюпки для танкеров, перевозящих нефтепродукты. Такие шлюпки способны вынести экипаж судна из зоны разлившейся горящей нефти в случае аварии. Этой возможности позволили достигнуть уникальные свойства применяемых материалов, их высокая теплоизоляция и огнестойкость.

Развитие промышленности композитов в районе Персидского залива происходит чрезвычайно быстро. Композиционные материалы применены в одном из наиболее престижных проектов в регионе - строительстве гостиницы Jumeirah Reach Tower . Гостиница Jumeirah Reach Tower, строительство которой уже закончено в Дубаи, как объявляют, является самым высоким зданием гостиницы в мире. Ее высота 321 метр, это выше, чем Эйфелева башня в Париже. Приблизительно 33 000 квадратных метров сэндвичевых панелей соединяют гостиничные номера и гиганский, почти 200 метров высотой атриум. Панели произведены из композиционных материалов. Огнестойкая смола и гелькоут были спроектированы и полностью проверены для использования в этом проекте. Рекомендация и опыт этого проекта, как ожидается, вызовет значительный интерес в строительной промышленности.

В области железнодорожного транспорта композиционные материалы постепенно занимают лидирующее место благодаря своим великолепным свойствам. С каждым годом все больше компаний переходят на изготовление из композиционных материалов не только отдельных деталей, но и кузовов в целом.

Настоящий переворот совершили композиционные материалы в области сельского хозяйства. Антикоррозионные свойства этих материалов позволяют применять их там, где не выдерживают другие материалы. Это элементы животноводческих ферм, емкости для хранения минеральных удобрений, отходов, сельскохозяйственных заготовок. Композиционные материалы используются для изготовления кузовов сельскохозяйственной техники. Это позволяет значительно сэкономить средства не только при производстве, но и в процессе эксплуатации, так как в межсезонье трактора, уборочные машины не требуют затрат на обслуживание кузовных деталей, а срок службы этих деталей намного больше.

Одной из все более расширяющихся областей применения композиционных материалов является мостостроение . Использование стеклопластика открывает перспективный путь строительства мостов из новых материалов. Рассматриваемое строительство - мост длиной 40 метров, протянутый поперек одной из наиболее загруженных железных дорог в Дании. Изготовлен первый композитный мост, специально разработанный, для создания железнодорожных переходов. Ключевым условием создания моста, для одной из наиболее загруженных железных дорог Дании, было то, что он должен был быть установлен в самые сжатые сроки. В то же время сооружение должно было соответствоватьопределенным практическим и эстетическим критериям. Мост был смонтирован за 16 часов. Работа была выполнена ночью. Мост состоял из трех компонентов, которые были установлены на опоры с болтами - кстати, единственные элементы моста, требующие соединений.

Композиционные материалы будут все больше и больше использоваться как Материал в наземном строительстве . Налицо многочисленные преимущества: мосты из композиционных материалов, которые требуют только косметического обслуживания в течение более чем 50 последующих лет. Подобный мост, построенный из стали весил бы 28 тонн и нуждался в замене некоторых частей каждые 25 лет. То же самое применимо и к железобетонному мосту, который весил бы 90 тонн. Одно из главных преимуществ конструкций из композитов, имеющих небольшую массу, состоит в том, что они требуют меньших, менее дорогих опор. Кроме того, они не подвержены коррозии. Мост разработан из стандартных профилей и может производиться по более низкой стоимости, чем аналогичный стальной или бетонный мост.

Новый сложный мост был построен в Швейцарских Альпах прошлой осенью. Этот мост состоит из двух элементов, весящих по 900 кг, которые были установлены при помощи вертолета. Элементы были склеены и соеденены болтами вместе. Мост, собранный из стали, едва ли смог бы транспортироваться вертолетом. Еще одно преимущество проекта состоит в том, что мост может быть легко демонтирован в случае весенних наводнений.

В оборонной промышленности композиционные материалы сыграли важную роль в стратегии и направлении новейших разработок. Так защитные каски, бронежилеты, традиционно изготавливаемые во всех странах многие годы из металла, в настоящее время также изготавливаются из композиционных материалов. Скоростные суда, транспортные корабли, самолеты невидимки, все это создано только благодаря использованию композиционных материалов, постоянному поиску новых материалов и технологий.

В очень большом количестве композиционные материалы используются в нефтеперерабатывающей промышленности . В настоящее время из этих материалов изготавливают элементы нефтяных платформ, трубы для нефте- и газопроводов. В этом году заканчивается строительство завода в Узбекистане по производству труб для нефте- и газопроводов. Мощность предприятия определяется исходя из объема потребления только огнестойкого ненасыщеного полиэфира в колличестве 6,5 тыс. тонн в год.

Лопасти и корпуса ветряных электростанций, трейлера, рефрежераторы, предметы бытового назначения, сантехника, искусственный мрамор, полимербетон, гидроизоляция тонелей метрополитенов, изолирующие накладки, сидения для транспорта и общественных мест, малые архитектурные формы, мебель, все это и многое другое в настоящее время производится из композиционных материалов.

Композиционные материалы – искусственно созданные материалы, которые состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу и разделенных выраженной границей, и которые имеют новые свойства, запроектированные заранее.

Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку. Компонент, непрерывный во всем объеме композиционного материала, называется матрицей . Компонент прерывистый, разделенный в объеме композиционного материала, называется арматурой . Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств композиционного материала, защищает арматуру от механических повреждений и других воздействий среды.

В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы , полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее : плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред. Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой , и и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Вместо термина армирующий компонент можно использовать термин наполнитель.

Классификация композиционных материалов

По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяются на три группы:

• с нульмерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;
• с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превышает два других;
• с двухмерными наполнителями, два размера которых значительно превышают третий.

По схеме расположения наполнителей выделяют три группы композиционных материалов:

• с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;
• с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях;
• с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его расположении.

По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:

• композиционные материалы, содержащие компонент из металлов или сплавов;
• композиционные материалы, содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;
• композиционные материалы, содержащие компонент из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;
• композиционные материалы, содержащие компонент из органических соединений эпоксидных, полиэфирных, фенольных и др.

Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и от прочности связи между ними. Максимальная прочность достигается, если между матрицей и арматурой происходит образование или .

В композиционных материалах с нульмерным наполнителем наибольшее распространение получила металлическая матрица. Композиции на металлической основе упрочняются равномерно распределенными дисперсными частицами различной дисперсности. Такие материалы отличаются .

В таких материалах матрица воспринимает всю нагрузку, а дисперсные частицы наполнителя препятствуют развитию пластической деформации. Эффективное упрочнение достигается при содержании 5…10 % частиц наполнителя. Армирующими наполнителями служат частицы тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов. Дисперсионно упрочненные композиционные материалы получают методами порошковой металлургии или вводят частицы армирующего порошка в жидкий расплав металла или сплава.

Промышленное применение нашли композиционные материалы на основе , упрочненные частицами оксида алюминия (Al 2 O 3). Их получают прессованием алюминиевой пудры с последующим спеканием (САП). Преимущества САП проявляются при температурах выше 300 o С, когда алюминиевые сплавы разупрочняются. Дисперсионно упрочненные сплавы сохраняют эффект упрочнения до температуры 0,8 Т пл .

Сплавы САП удовлетворительно деформируются, легко обрабатываются резанием, свариваются и . Из САП выпускают полуфабрикаты в виде листов, профилей, труб, фольги. Из них изготавливают лопатки компрессоров, вентиляторов и турбин, поршневые штоки.

В композиционных материалах с одномерными наполнителями упрочнителями являются одномерные элементы в форме нитевидных кристаллов, волокон, проволоки, которые скрепляются матрицей в единый монолит. Важно, чтобы прочные волокна были равномерно распределены в пластичной матрице. Для армирования композиционных материалов используют непрерывные дискретные волокна с размерами в поперечном сечении от долей до сотен микрометров.

Материалы, армированные нитевидными монокристаллами, были созданы в начале семидесятых годов для авиационных и космических конструкций. Основным способом выращивания нитевидных кристаллов является выращивание их из перенасыщенного пара (ПК-процесс). Для производства особо высокопрочных нитевидных кристаллов оксидов и других соединений осуществляется рост по П-Ж-К – механизму: направленный рост кристаллов происходит из парообразного состояния через промежуточную жидкую фазу.

Осуществляется создание нитевидных кристаллов вытягиванием жидкости через фильеры. Прочность кристаллов зависит от сечения и гладкости поверхности.

Композиционные материалы этого типа перспективны как . Для увеличения КПД тепловых машин лопатки газовых турбин изготавливают из никелевых сплавов, армированных нитями сапфира (Al 2 O 3), это позволяет значительно повысить температуру на входе в турбину (предел прочности сапфировых кристаллов при температуре 1680 o С выше 700 МПа).

Армирование сопл ракет из порошков вольфрама и молибдена производят кристаллами сапфира как в виде войлока, так и отдельных волокон, в результате этого удалось удвоить материала при температуре 1650 o С. Армирование пропиточного полимера стеклотекстолитов нитевидными волокнами увеличивает их прочность. Армирование литого металла снижает его в конструкциях. Перспективно упрочнение стекла неориентированными нитевидными кристаллами.

Для армирования композиционных материалов применяют металлическую проволоку из разных металлов: стали разного состава, вольфрама, ниобия, – в зависимости от условий работы. Стальная проволока перерабатывается в тканые сетки, которые используются для получения композиционных материалов с ориентацией арматуры в двух направлениях.

Для армирования легких металлов применяются волокна бора, карбида кремния. Особенно ценными свойствами обладают углеродистые волокна, их применяют для армирования металлических, керамических и полимерных композиционных материалов.

Эвтектические композиционные материалы – сплавы эвтектического или близкого к эвтектическому состава, в которых упрочняющей фазой выступают ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации. В отличие от обычных композиционных материалов, эвтектические получают за одну операцию. Направленная ориентированная структура может быть получена на уже готовых изделиях. Форма образующихся кристаллов может быть в виде волокон или пластин. Способами направленной кристаллизации получают композиционные материалы на основе , кобальта, ниобия и других элементов, поэтому они используются в широком интервале температур.

Во время такого метода используются заранее подготовленные наполнители. Благодаря такому методу гарантируется высокая однородность продукции на прочность, и контролируются показатели. Однако качество получаемого изделия зависит в высокой степени от мастерства и опыта рабочих.

Производство изделий из стеклопластика ручным формованием разделено на несколько этапов. Первый этап называется подготовительным, в процессе которого отчищается поверхность матрицы ожидаемого изделия, затем обезжиривается и в конце наносится слой разделительного воска. В конце первого этапа матрица покрывается защитно-декоративным слоем - гелькоутом. Благодаря такому слою формируется наружная поверхность будущего изделия, задается цвет и обеспечивается защита от действия вредных факторов, таких как вода, ультрафиолет и химические реагенты. В основном используют негативные матрицы для производства готового изделия. После того, как высохнет специальный слой гелькоут, можно перейти к последующему этапу, который называется формовка. В процессе этого этапа в матрицу закладывается изначально раскроенный стекломатериал, также можно использовать другой тип наполнителя. Далее идет процесс формирования «скелета» ожидаемого изделия. Затем смола с катализатором, предварительно смешанная, наносится на подготовленный стекломатериал. Смолу необходимо равномерно распределить благодаря кисточкам и мягким валикам по матрице. Последний этап можно назвать прикаткой. Его используют, чтобы удалить из еще не отверделого ламината пузырьки воздуха. Если их не удалить, то это скажется на качестве готового изделия, поэтому ламинат необходимо прикатать жёстким валиком. Когда готовое изделие застыло, его достают из формы и придают механообработке, включающую в себя высверливание отверстий, обрезку излишков стеклопластика по краям и др.

Преимущества такого метода:

• существует реальная возможность получить продукт сложной формы и немалого размера с минимальными вложениями;
• конструкция изделия поддается легкому изменению, поскольку в изделие вводятся закладные детали и арматура, а цена оснастки и требуемого оборудования достаточно низкая;
• чтобы изготовить матрицу используется любой материал, который способен сохранить свои пропорции и форму.

Недостатки такого метода:

• существенные затраты ручного труда;
• производительность достаточно низкая;
• качество изделия будет зависеть от квалификации формовщика;
• этот метод подойдет для выпуска мелкосерийной продукции.

2. Напыление.

Для мелкого и среднесерийного производства подойдет именно такой метод. Метод напыления имеет множество достоинств по сравнению с контактным формованием, даже несмотря на то, что предстоят определенные затраты на покупку оборудования для этого метода.

Специальная установка позволяет нанести защитное покрытие и пластик. Благодаря чему не понадобится предварительный раскрой материала и приготовление связующего вещества, вследствие чего резко сокращается часть ручного труда. Специальные установки автоматически производят жёсткий отсчет доз смолы и отвердителя, также они осуществляют рубку ровинга на части необходимых размеров (0,8 - 5 см). После процесса рубки части нити должны попасть в струю связующего и пропитаться во время переноса на матрицу. За счет ручного труда осуществляется уплотнительный процесс для стеклопластика в матрице с помощью прикаточного валика.

Ряд преимуществ при производстве стеклопластика методом напыления:

• происходит экономия времени и полезных площадей за счет того, что не надо раскраивать материал и подготавливать связующее вещество;
• можно уменьшить количество производственных площадей за счет снижения числа специально подготовленных мест для формовки;
• скорость формования изделия увеличивается;
• контроль над качеством продукции упрощается;
• фонд заработной платы существенно экономится;
• за счет того, что ровинг - относительно недорогой материал, то существенно понижается стоимость полученного изделия.

Когда связующее вещество готовится небольшим количеством, то при ручном формовании на инструментах и стенках тары остается до 5% связующего вещества, что довольно неэкономично. Известно, что от мастерства и опыта оператора установки будет зависеть качество полученного продукта. Этот метод использует ту же оснастку, что и во время ручной формовки.

3. Пултрузия.

Технология пултрузии основывается на производстве непрерывным способом профильных изделий из волокнистых пластиков одноосно-ориентированных. Профильное изделие с неизменным поперечным сечением из подходящего материала как раз и можно получить методом пултрузии.

Благодаря специальной пултрузионной машине происходит изготовление профиля из стеклопластика. Такая машина состоит из секции для подачи армирующих материалов, фильера, из секции для пропитки, тянущего агрегата, блока управления нагревательными элементами и из секции для обрезки. Паковку ориентированного волокна лучше укреплять в сухом состоянии и пропитывать полимерной композицией, прокачиваемой через сухую паковку. Благодаря такой технологии в материал не попадет воздух. Излишки смолы стекут обратно в поддон и поступят на рециркуляцию. Ровинг, который используется, как армирующий материал сматывается с бобин в сухом состоянии и собирается в пучок специальным способом. Затем материал поступает в устройство пропитки - это специальная ванна со смолой, где полностью смачивается полиэфирным, эпоксидным или другим связующим. Затем уже пропитанный материал отправляется в нагретую фильеру, задачей которой является сформировать конфигурацию профиля. Затем композиции затвердевает при указанном температурном режиме. В итоге получился профиль из стеклопластика, конфигурация которого повторяет форму фильеры.

Доказано, что изделия, полученные путем пултрузации, по свойствам превосходят детали, выполненные классическими методами формования. Увеличение стоимости такого метода обуславливается рядом преимуществ, которые характерны для этого процесса. К преимуществам можно отнести строгость контроля натяжения и направленность волокна, уменьшение количества пор и удержание неизменного содержания волокна в композите. Очевидно, что даже свойство межслоевого сдвига однозначно улучшается. На данный момент разработано несколько вариантов главного процесса пултрузии, которые интересуют многих и много значат для промышленности. Их преимуществами являются хорошие электрические, физические, химические и тепловые свойства, высокая производительность и отличный допуск по размерам. Для изготовления постоянных пластинчатых и листовых полуфабрикатов как раз и предназначен один из таких методов пултрузии.

Однако каждый метод имеет свои недостатки. Для этого метода характерен такой недостаток, как скорость процесса, которая будет зависеть от температуры и скорости затвердевания связующего. Обычно она невелика для низкотеплостойких полиэфирных смол. Ещё одним недостатком является то, что тяжело предоставить постоянное сечение изделия по длине, за исключением изделий с не особо сложной формой сечения - квадратной, круглой, двутавровой и других. Чтобы получить изделие необходимо использовать только нити или жгуты. Однако за последнее время эти недостатки метода получения профильных изделий помаленьку устранились и применение этого процесса заметно расширилось. Композиция, которая основывается на поливиниловых эфирах и эпоксидных смолах используются в качестве полимерных матриц. Применение таких полимерных матриц на основе полисульфона, полиэфирсульфона и пластифицированного полиимида дает возможность достигнуть скорости формования стержней диаметром около пяти мм со скоростью порядка сто два м/мин.

Чтобы получить сложные армированные профильные изделия, необходимо воспользоваться методом протяжки слоистых материалов, которые состоят из волокнистых матов или тканей. На текущий момент разработаны методы получения трубчатых изделий, которые сочетают в себе намотку спирального слоя и протяжку. Лопасти ветряных двигателей, которые имеют сложный профиль поперечного сечения, можно привести в качестве примера использования материалов, имеющие сложную схему армирования. Уже разработана оснастка для формования полуфабрикатов для листовых автомобильных рессор, которые имеют криволинейную поверхность и непостоянное поперечное сечение.

4. Намотка.

Одним из самых многообещающих методов формования изделий из стеклопластика выступает метод намотки волокном, за счет того, что он создает требуемую структуру наполнителя в фабрикатах в зависимости от их формы и особенностей эксплуатации. Благодаря использованию жгутов, лент, нитей в качестве наполнителей позволяет обеспечить максимальную прочность изделий. Тем более, что такие наполнители являются наиболее дешевыми.

Процесс намотки волокном можно назвать относительно несложным методом, в котором на вращающуюся оправку наматывается армирующий материал в виде постоянного ровинга (жгута) или нити (пряжи). Специальные механизмы следят за углом намотки и нахождением армирующего материала. Эти устройства передвигаются со скоростью, совпадающей с вращением оправки. Материал обертывается вокруг оправки в виде полос, соприкасающихся друг с другом, либо по какому-то специальному рисунку до полного перекрытия оправочной поверхности. Идущие друг за другом слои, могут наноситься под одним углом или под разными углами намотки, пока не наберется требуемая толщина. Угол намотки меняется от очень малого, который имеет название продольного, до большого - окружного. Такое расположение подразумевает 90 0 относительно оси оправки, захватывая все углы спирали этого интервала.

Термореактивная смола служит связующим веществом для армирующего материала. В процессе мокрой намотки смола наносится непосредственно во время самой намотки. Процесс сухой намотки основан на применении ровинга, который предварительно пропитывается смолой в В-стадии. Затвердение осуществляется при увеличенной температуре без лишнего давления. Завершающая стадия процесса основывается на взятии изделия с оправки. По необходимости можно провести отделочные операции: обработку механическим путем или шлифовальный способ. Основной процесс намотки характеризуется множеством вариантов, которые различаются лишь характером намотки, а также особенностями конструкции, сочетанием материалов и разновидностью оборудования. Конструкцию необходимо намотать как на поверхности вращения. Однако существует возможность отформовать изделия и другого вида, например, сжатием еще незатвердевшей намотанной детали внутри закрытой формы.

Конструкция получается похожа на гладкий цилиндр, трубу или тюбинг, диаметр которых получается от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Намотка позволяет формовать изделия конической, сферической и геодезической формы. Чтобы получить сосуды высокого давления и резервуары для хранения, в намотку необходимо ввести торцевую заглушку. Есть возможность сформовать изделия, которые будут работать в нестандартных условиях нагружения, например, наружное или внутреннее давление, нагрузки на сжатие или крутящий момент. Термопластичные трубы и сосуды из металла высокого давления укрепляются при намотке наружными бандажами. Полученным изделиям характерна высокая степень точности. Однако существует и другая сторона процесса намотки, для такого процесса характерны меньшие скорости производства. Плюсом является то, что для намотки сгодится абсолютно любой постоянно армирующий материал.

Для процесса намотки можно использовать машины разных типов: от различных токарных станков и машин на основе цепного привода до более сложных компьютеризованных агрегатов, характеризующимися тремя или четырьмя осями движения. Применяются также машины, которые непрерывно производят трубы. Для удобства намотки больших резервуаров должно быть спроектировано портативное оборудование на месте установки.

Основные достоинства метода намотки:

• доходный с точки зрения экономики метод укладки материала за счет быстроты процесса;
• возможность регулировки соотношения смола/стекло;
• малый собственный вес, но при этом высокая прочность;
• данный метод не расположен к коррозии и гниению;
• относительно недорогие материалы;
• хорошая структура ламинатов, за счет того, что профили обладают направленными волокнами, и хорошее содержание стекломатериалов.

5. Прессование.

Процесс прессования состоит в непосредственном придании нужной формы изделию под воздействием высокого давления, которое образуется в пресс-форме при температуре быстрого затвердения материала. Благодаря внешнему давлению в материале, который прессуется, происходит его уплотнение и частичная деструктуризация прежней структуры. Трение между соприкасающимися частичками материала, которое образуется во время уплотнения, вызывает появление тепловой энергии, которая однозначно приведет к плавлению связующего вещества. После того, как материал перейдет в вязкопластичное состояние, он растекается в пресс-форме под действием давления, образуя целостную и уплотненную структуру. Процесс затвердевания основан на протекании реакции сшивки макромолекул благодаря поликонденсации между свободными группами связующего вещества. Для реакции необходимо тепло, в процессе которого происходит выделение низкомолекулярных, летучих веществ таких как, метанол, вода, формальдегид, аммиак и др.

Параметры для технологии прямого прессования:

• температура заблаговременного подогрева;
• давление прессования;
• температура прессования;
• временная выдержка под давлением;
• параметры подпрессовок;

Давление направленно действует на материал, находящийся в полости формы, при прямом прессовании, поэтому детали формы могут преждевременно износиться. В зависимости от типоразмеров изделия цикл прессования может составлять от 4 до 7 мин. Прямое прессование пластиков для армирования имеет две разновидности, которые зависят от того, как пропитывается волокнистый наполнитель:

• Прессуются сухие, предварительно пропитанные холсты и ткани;
• Прессуются с пропиткой именно в форме.

Большей популярностью пользуется первый способ. Для выполнения изделий относительно простой формы применяется прямое прессование. Благодаря высоким требованиям, предъявляемых к качеству наружной поверхности детали, были созданы автоматические установки для дозировки компонентов при приготовлении заготовок из препрегов. Спроектированы специальные автоматические манипуляторы, которые загружают пакеты заготовок в многогнездные формы пресса. Поколение новых прессов высокой точности оснащены современными системами контроля, благодаря которым можно получить детали с высококачественной поверхностью, а их стоимость примерно одинакова со стальными деталями.

6. Технология SMC.

Серьёзным препятствием для распространения композиционных материалов является плохое приспосабливание традиционных технологий их выпуска к потребностям современного крупносерийного производства, к тому же полностью автоматизированного. На сегодняшний день композитные детали все-таки остаются «штучным товаром». Дорогой труд опытного персонала вносит высокий вклад в долю стоимости этих материалов. Несмотря на это, за последние годы мы достигли значительного прогресса в подготовке автоматических методов производства композитов. SMC-технология стала одной из самых востребованных разработок.

Конечные изделия по такой технологии подлежат двухстадийному процессу. Первая стадия технологии характеризуется тем, что производится препрег на автоматической конвейерной установке, а уже на второй стадии происходит переработка препрега в стальных пресс-формах в готовые детали. Опишем эти этапы подробнее. Ненасыщенная полиэфирная смола используется в качестве основы для связующего материала. К ее достоинствам относится низкая цена и короткое время отверждения. Армирующим компонентом выступает рубленое стекловолокно, которое хаотично распределяется в объёме листа. Долгое хранение в течение нескольких месяцев при комнатной температуре обеспечено системой отверждения смолы. Химические загустители увеличивают вязкость связующего после того как стекловолокно было пропитано на несколько порядков, благодаря чему улучшается технологичность препрега, а также увеличивается срок его хранения. Минеральные наполнители, которые вводятся в связующее в большом количестве, повышают огнестойкость готовых изделий и, а качество их поверхности заметно улучшается.

Получившийся препрег, подлежит переработке в автоматическом процессе благодаря прессованию в обогреваемых стальных пресс-формах. Эти формы по конструкции похожи на литьевые формы для термопластов. Благодаря рецептуре связующего препрег твердеет при температуре 150 С и давлении 50-80 бар со скоростью ~30 сек/мм толщины. Очень низкая усадка при затвердении является важной особенностью технологии SMC. Благодаря высокому содержанию минерального наполнителя и специальных термопластичных добавок усадка получается величиной до 0,05%. У полученных изделий ударная вязкость составляет 50-100 кДж/м 2 , а разрушительная прочность на изгиб - 120-180 МПа. Экономически целесообразно использовать SMC технологию при получении высококачественных композитных изделий большими партиями от нескольких тысяч до сотен тысяч в месяц. На европейском рынке похожих материалов выпускается сотни тысяч в год. Электроэнергетическая, автомобильная и железнодорожная промышленности являются крупнейшими потребителями этих материалов.

7. Метод RTM (Resin Transfer Moulding).

Метод RTM основывается на пропитке и формовании композитов под давлением, в процессе которого связующее вещество переходит в закрытую матрицу, в которой уже содержится наполнители или преформы. Различные ткани разнообразного переплетения могут выступать как армирующий материал, например, мультиаксиальный или эмульсионный материал, и порошковые стекломаты. Связующим веществом выступает смола, которая гелеобразуется 50-120 мин, имеющая низкую динамическую вязкость. ГОСТ 28593-90 определяет вязкость и время гелеобразования смолы.

Такой метод отлично подойдет для стандартных объёмов 500 -10000 изделий в год. Конструкция матрицы состоит из композиционных или стальных форм, которые повторяют с двух сторон внешние обводы детали. Конструкции обладают высокотемпературными характеристиками, которые удерживаются точным совмещением закрытых стальных рам, которые поддерживаются в местах зажимов.

Этот метод идеален для производства матриц 0,2м 2 до 100м 2 . Конструкция матрицы состоит из композиционных или стальных форм. Контур матрица состоит из более легкой и гибкой конструкции. Половинки матрицы соединяются между собой под воздействием вакуума.

Преимущества технологии RTM:

• автоматизированное производство, благодаря чему уменьшается случайный характер вмешательства человека;
• происходит сокращение и контроль количества используемого сырья;
• снижено влияние материла на экологию;
• улучшены условия труда;
• создаются относительно прочные изделия, за счет лучшей пропитки;
• относительно дешевое оборудование.

В истории развития техники может быть выделено два важных направления:

• развитие инструментов, конструкций, механизмов и машин,
• развитие материалов.

Какое из них главнее сказать сложно, т.к. они довольно тесно взаимосвязаны, но без развития материалов технический прогресс невозможен в принципе. Не случайно, историки подразделяют ранние цивилизационные эпохи на каменный век, бронзовый век и век железный.

Нынешний 21 век уже можно отнести к веку композиционных материалов (композитов).

Понятие композиционных материалов сформировалось в середине прошлого, 20 века. Однако, композиты вовсе не новое явление, а только новый термин, сформулированный материаловедами для лучшего понимания генезиса современных конструкционных материалов.

Композиционные материалы известны на протяжении столетий. Например, в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а древние египтяне добавляли рубленную солому в глиняные кирпичи. В Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555-1560 при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали армированные железными полосами каменные плиты. Прямыми предшественниками современных композиционнных материалов можно назвать железобетон и булатные стали.

Существуют природные аналоги композиционных материалов - древесина, кости, панцири и т.д. Многие виды природных минералов фактически представляют собой композиты. Они не только прочны, но обладают также превосходными декоративными свойствами.

Композиционные материалы - многокомпонентные материалы, состоящие из пластичной основы - матрицы, и наполнителей, играющих укрепляющую и некоторые другие роли. Между фазами (компонентами) композита имеется граница раздела фаз.

Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого существенно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Т.е. признаком композиционного материала является заметное взаимное влияние составных элементов композита, т.е. их новое качество, эффект.

Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, применяя специальные дополнительные реагенты и т.д., получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств.

Большое значение расположение элементов композитного материала, как в направлениях действующих нагрузок, так и по отношению друг к другу, т.е. упорядоченность. Высокопрочные композиты, как правило, имеют высокоупорядоченную структуру.

Простой пример. Горсть древесных опилок, брошенная в ведро цементного раствора никак не повлияет на его свойства. Если опилками заменить половину раствора - то существенно изменится плотность материала, его теплофизические константы, себестоимость производства и др. показатели. Но, горсть полипропиленовых волокон сделает бетон ударопрочным и износостойким, а полведра фибры обеспечат ему упругость, совсем не свойственную минеральным материалам.

В настоящее время в область композиционных материалов (композитов), принято включать разнообразные искусственные материалы, разрабатываемые и внедряемые в различных отраслях техники и промышленности, отвечающие общим принципам создания композитных материалов

Почему интерес к композиционным материалам проявляется именно сейчас? Потому, что традиционные материалы уже не всегда или не вполне отвечают потребностям современной инженерной практики.

Матрицами в композиционных материалах являются металлы, полимеры, цементы и керамика. В качестве наполнителей используются самые разнообразные искусственные и природные вещества в различных формах (крупноразмерные, листовые, волокнистые, дисперсные, мелкодисперсные, микродисперсные, наночастицы).

Известны также многокомпонентные композиционные материалы, в т.ч.:

• полиматричные, когда в одном композиционном материале сочетают несколько матриц,
• гибридные, включающие несколько разных наполнителей, каждый из которых имеет свою роль.

Наполнитель, как правило, определяет прочность, жесткость и деформируемость композита, а матрица обеспечивает его монолитность, передачу напряжений и стойкость к различным внешним воздействиям.

Особое место занимают декоративные композиционные материалы, имеющие выраженные декоративне свойства.

Разрабатываются композитные материалы со специальными свойствами, например радиопрозрачные материалы и радиопоглощающие материалы, материалы для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов, материалы с малым коэффициентом линейного термического расширения и высоким удельным модулем упругости и другие.

Композиционные материалы используются во всех областях науки, техники, промышленности, в т.ч. в жилищном, промышленном и специальном строительство, общем и специальном машиностроении, металлургии, химической промышленности, энергетике, электронике, бытовой технике, производстве одежды и обуви, медицине, спорте, искусствах и т.д.

Структура композиционных материалов.

По механической структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты.

Волокнистые композиты армируются волокнами или нитевидными кристаллами. Даже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к существенному улучшению механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон.

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в триплексах, фанере, клееных деревянных конструкциях и слоистых пластиках.

Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20-25% (по объему), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов еще меньше и составляют 10-100 нм.

Некоторые распространеные композиты

Бетоны - самые распространенные композиционные материалы. В настоящее время производится большая номенклатура бетонов, отличающихся по составам и свойствам. Современные бетоны производятся как на традиционных цементных матрицах, так и на полимерных (эпоксидных, полиэфирных, фенолоформальдегидных, акриловых и т.д.). Современные высокоэффективные бетоны по прочности приближаются к металлам. Популярными становятся декоративные бетоны.

Органопластики - композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже - природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, обладают относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе. К наиболее распространенным органопластикам относятся древесные композиционные материалы. По объемам производства органопластики превосходят стали, аллюминий и пластмассы.

В зарубежной литературе в последнее время становятся популярными новые термины - биополимеры, биопластики и соответственно - биокомпозиты.

Древесные композиционные материалы. К наиболее распространенным древесным композитам относятся арболиты, ксилолиты, цементностружечные плиты, клееные деревянные конструкции, фанеры и гнутоклееные детали, древесные пластики, древесностружечные и древесноволокнистые плиты и балки, древесные прессмассы и пресспорошки, термопластичные древесно-полимерные композиты.

Стеклопластики - полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Стеклопластики обладают высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

Углепластики - наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Матрицами в угепластиках могут быть как термореактивные, так и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики - очень легкие и, в то же время, прочные материалы.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы - наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С.

Боропластики - композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, 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.

Пресспорошки (прессмассы). Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить др. Бакеланд (Leo H. Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола - вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бакеланд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал - бакелит - приобрел большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и наполнителя - пресс-порошок - под давлением необратимо затвердевает в форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это - ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются в самых разных областях техники. Для наполнения термореактивных и термопластичных полимеров применяются разнообразные наполнители - древесная мука, каолин, мел, тальк, слюда, сажа, стекловолокно, базальтовое волокно и др,

Текстолиты - слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х г.г. на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывают смолой, затем прессуют при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины или фасонные изделия. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, а иногда и неорганические связующие на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон - хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.

Композиционные материалы с металлической матрицей. При создании композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и т.д. Наполнителем служат высокопрочные волокна, тугоплавкие частицы различной дисперсности, нитевидными монокристаллы оксида алюминия, оксида бериллия, карбидов бора и кремния, нитридов алюминия и кремния и т.д. длиной 0,3-15 мм и диаметром 1-30 мкм.

Основными преимуществами композиционных материалов с металлической матрицей по сравнению с обычным (неусиленным) металлом являются: повышенная прочность, повышенная жесткость, повышенное сопротивление износу, повышенное сопротивление ползучести.

Композиционные материалы на основе керамики. Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами позволяет получать высокопрочные композиты, однако, ассортимент волокон, пригодных для армирования керамики, ограничен свойствами исходного материала. Часто используют металлические волокна. Сопротивление растяжению растет незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым ударам - материал меньше растрескивается при нагревании, но возможны случаи, когда прочность материала падает. Это зависит от соотношения коэффициентов термического расширения матрицы и наполнителя.

Армирование керамики дисперсными металлическими частицами приводит к новым материалам (керметам) с повышенной стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с повышенной теплопроводностью. Из высокотемпературных керметов делают детали для газовых турбин, арматуру электропечей, детали для ракетной и реактивной техники. Твердые износостойкие керметы используют для изготовления режущих инструментов и деталей. Кроме того, керметы применяют в специальных областях техники - это тепловыделяющие элементы атомных реакторов на основе оксида урана, фрикционные материалы для тормозных устройств и т.д.

1. Керамические композиты

При создании авиационных двигателей нового поколения для снижения веса, уменьшения расхода топлива и уменьшения вредных выбросов используются легкие и очень стойкие огнеупорные материалы – керамические композиты.

На рисунке 1 представлена схема технологического процесса, разработанного NASA для производства композитов Melt Infiltrated Ceramic Matrix Composites .

Сначала изготавливается ткань из волокон карбида кремния (торговая марка Sylramic ), из нее формуется заготовка заданной формы и размеров, затем заготовка насыщается расплавом карбида кремния и обжигается.

Для изготовления композита могут быть использованы волокна Sylramic или Sylramic с покрытием нитрида бора . Такие композиты выдерживают нагрев до 1200 о С.

Схожая технология используется при изготовлении композитных оксид­оксидных материалов, где ткань из материала Nextel 720 (содержащих 85% Al 2 O 3 и 15% SiO 2) насыщается в расплаве алюмосиликатов.

Композитные материалы имеют слоистую структуру (см. рис. 2 ).

По сравнению с монолитными керамическими материалами (например, Si 3 N 4) композитная керамика не такая хрупкая и обладает повышенной ударо­ стойкостью (см. рис. 3 и 4 ).

Керамические композитные материалы широко используются в конст­рукции гиперзвуковых летательных аппаратов (орбитальный БПЛА X37, ракета X51A WaveRider (см. рис. 5 и 6 ).

При полeте на скорости 68 Мах температура поверхностей передних кромок плоскостей может достигать 2700 о С, а температура в камере сгорания прямоточного воздушнореактивного двигателя со сверхзвуковой камерой сгорания (scramjet) – 3000 о С.

Для обеспечения тепловой защиты и высоких прочностных характеристик конструкции при аэродинамическом нагреве используются многослойные сэндвич­структуры Ceramic Matrix Composite/Foam Core (керамический матричный композит с внутренним слоем пористой керамики).

Композитная сэндвич–панель, имеющая плотность порядка 1,06 г/cм 3 обладает высокой прочностью и жесткостью. Коэффициент теплового расширения, керамического композитного материала обшивки и пористого керамического материала сердцевины подобраны таким образом, чтобы обеспечить градиент температур на наружной и внутренней поверхности сэндвич–панели около 1000 о С без расслоений и растрескивания.

Имеющая плотность порядка 1,06 г/cм обладает высокой прочностью и жесткостью. Коэффициент теплового расширения, керамического композитного материала обшивки и пористого керамического материала сердцевины подобраны таким образом, чтобы обеспечить градиент температур на наружной и внутренней поверхности сэндвич–панели около 1000С без расслоений и растрескивания.

В камере сгорания scramjet используются керамические композиты на основе высокотемпературной керамики . Такая керамика, состоящая из диборида циркония и карбида кремния, спекается с помощью электроискровых разрядов высокой частоты (так называемый метод SparcPlasma Sintering). По сравнению с методом горячего изостатического прессования SparcPlasma Sintering позволяет получить более плотную структуру (см. рис.7 и 8 ).

Кроме этого, для камеры сгорания разрабатываются «самовосстанавливающиеся» абляционные материалы , в которых замещение вещества обеспечивается на микроуровне. Это так называемые «secondary polymer layered impregnated tile» (SPLIT ) (слоистые плиты с пропиткой из вторичного полимера), имеющие неоднородный состав. Термин «вторичный» использован потому, что каждый элемент плиты содержит, по крайней мере, два полимерных слоя, вторичная эндотермическая реакция между которыми поглощает значительное количество тепла, помогая предотвращать перегрев материала, находящегося за теплозащитной плитой.

Для защиты композитной керамики на основе карбида кремния от реакций с продуктами горения топлива в камере сгорания и парами воды используются нанокомпозитные коррозионно­стойкие покрытия .

2. Конструкционные нанокомпозитные материалы

Металл­керамические нанокомпозитные сплавы

В качестве легких конструкционных материалов используются алюминиевые и магниевые сплавы, армированные керамическими наночастицами.
Основной проблемой при литье таких сплавов является равномерное распределение керамических наночастиц в объеме отливки. Из­за плохой смачиваемости наночастиц в расплаве они агломерируются и не размешиваются. В университете WisconsinMadison (США) разработана технология размешивания наночастиц в расплаве с помощью ультразвуковых волн, которые создают микропузыри в расплаве. При схлопывании таких микропузырей образуются микроударные волны. Интенсивные микроударные волны эффективно рассредоточивают наночастицы в объеме расплава металла.

Керамические нанокомпозитные материалы

Добавка углеродных нанотрубок и фуллернов (в том числе, нановискеров углерода) в керамическую матрицу улучшает механические свойства керамики (обеспечивают повышение пластичности, снижение хрупкости).

На рис. 9 показаны микрофотографии углеродных нанотрубок в матрице оксида алюминия. Видно развитие микротрещины, углеродные нанотрубки (CNT), являясь армирующим элементом, препятствуют развитию трещины.

Кроме углеродных нанотрубок в качестве армирующих элементов в нанокомпозитной керамике используют неорганические фуллеренподобные материалы (многослойные наносферы или нанотрубки бисульфидов вольфрама, титана, ниобия и молибдена).

Экспериментально подтверждено, что неорганические фуллеренподобные материалы обладают стойкостью к динамическим нагрузкам до 210 тонн/см 2 , (по сравн. 40 тонн/см 2 у высокопрочной стали), что делает его очень перспективным материалом для наполнителей в полимерные или керамические композиты, используемые в качестве легкой брони.

Очень перспективным материалом для применения в различных отраслях промышленности является керамика МАКСфазы (Mn+1AXn phases) – поликристаллические наноламинированные тройные нитриды, карбиды или бориды переходных металлов.

В зависимости от состава этих материалов они могут обладать совершенно уникальными многофункциональными свойствами: быть прочными, в то же время легко обрабатываться, выдерживать высокие температуры, обладать высокой теплопроводностью, очень низким коэффициентом трения. Образно говоря – это керамика, которую можно резать обычной ножовкой.

Материалы МАКСфаз были открыты американским исследователем Prof. M. Barsoum (университет Drexel – США) в 1996 г.

были открыты американским исследователем Prof. M. Barsoum (университет Drexel – США) в 1996 г.

Области применения: энергетика (высокая электропроводность, способность выдерживать высокие механические нагрузки, высокую температуру), газовые и паровые турбины (обладает низким коэффициентом трения при высоких температурах), авиация и космонавтика. На рис. 10 представлена микрофотография наноламинантной структуры МАКСфаз керамики .

Обработка композитных материалов

Появление новых композитных материалов с улучшенными свойствами накладывает новые требования на разработку технологий и инструмента для их обработки. За рубежом используется комплексный подход: к участию в проектах по разработке новых материалов привлекаются технологи по обработке металлов и керамики. В частности, в проектах NASA участвуют специалисты Армейской исследовательской лаборатории и Лаборатории ВВС США.

Например, для сверления отверстий в пластинах и панелях из композитной керамики используют инструмент с вставками из поликристаллического алмаза, а также цельный твердосплавный инструмент с нанокомпозитными многослойными покрытиями.

Для соединения деталей, изготовленных из высокотемпературной керамики на основе диборида циркония используются специальные припои.

В частности, сплавы AgCuTi (торговая марка CusilABA и Ticusil ), а также сплавы на основе палладия – кобальта и палладия никеля (торговая марка Palco и Palni ) обеспечивают надежное соединение такой керамики с конструкционными материалами, изготовленными из тугоплавких сплавов молибдена.

А.В. Федотов
Директор по развитию
НПФ «Элан­Практик»