Композиционные материалы с алюминиевой матрицей (нуль-мерный наполнитель).

Широкое применение нашли композиционные материалы на основе алюминия, упрочненные частицами технической окиси алюминия (Al₂O₃). Их получают методами порошковой металлургии прессованием алюминиевой пудры с последующим спеканием (САП - спеченный алюминиевый порошок).

Преимущества САП отчетливо проявляются при температурах выше 300º С, когда алюминиевые сплавы разупрочняются. Так при температуре 500º С предел прочности сплавов САП составляет 80-120 МПа, тогда как у сплавов Д19, Д20, АК-4 не превышает 5 МПа. Дисперсно-упрочненные сплавы сохраняют эффект упрочнения до 0,8 Т_пл.

Из САП выпускают полуфабрикаты в виде листов, профилей, труб, фольги. Детали из САП работают при 300-500º С и чаще это лопатки компрессоров, лопатки вентиляторов и турбин, поршневые штоки.

Композиционные материалы с никелевой матрицей.

Упрочняющим компонентом в композиционных материалах с никелевой матрицей являются частицы диоксида тория (ThO₂) или диоксида гафния (HfO₂). Эти материалы обозначаются ВДУ-1 и ВДУ-2 соответственно. В сплаве ВДУ-3 матрицей служит никелево-хромовый (нихром) твердый раствор (20 % хрома, 80 % никеля), а упрочнителем – диоксид гафния. Так же в качестве матрицы применяется сплав кобальта с цирконием (2 % циркония).

Дисперсно-упрочненные сплавы ВДУ-1, ВДУ-2 и ВДУ-3 целесообразно применять при рабочих температурах 1100-1200º С.

Основное применение композитов с никелевой матрицей – авиационная и космическая техника. Сплавы ВДУ-2, ВДУ-3 применяют в авиационном двигателестроении, из них изготавливают сопловые лопатки, стабилизаторы пламени, камеры сгорания, а также трубопроводы и сосуды, работающие при высоких температурах в агрессивных средах.

В авиастроении находят применение композиционные материалы на основе магния. Они обладают низкой плотностью, высокой длительной прочностью и высоким сопротивлением ползучести. Детали изготовленные из композитов на основе магния обладают малой массой и повышенной прочностью.

Композиционные материалы с одномерными наполнителями.

В композиционных материалах этого типа упрочняющими (армирующими) являются одномерные элементы в форме нитевидных кристаллов, волокон (проволока, жгут, лента и т.п.).

Армирующие волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в процессе эксплуатации, и обеспечивают прочность и жесткость композита в направлении ориентации волокон. При изготовлении композиционных материалов применяют высокопрочные волокна из углерода, бора, стекла, металлической проволоки, нитевидных кристаллов оксидов, нитридов и других химических соединений.

Матрица защищает упрочняющие волокна от повреждений¸ служит средой, передающей нагрузку на волокно, и перераспределяет напряжения в случае разрыва отдельных волокон. В зависимости от материала матрицы композиционные материалы делятся на пластики (полимерная матрица), металлокомпозиты (металлическая матрица), композиты с матрицей из углеводорода и с керамической матрицей.

На свойства волокнистой композиции помимо высокой прочности армирующих волокон и жесткости пластичной матрицы оказывает влияние прочность связи на границе матрица-волокно.

Армирующие материалы.

Проволоки – наиболее экономичный и доступный армирующий материал. Для композитов, работающих при низких и умеренных температурах, используют стальные и бериллиевые проволоки, а для эксплуатируемых при умеренных и высоких температурах - вольфрамовые и молибденовые. Стальные проволоки чаще изготавливают из высокопрочной коррозионно-стойкой стали (Х18Н9, 30Х13, 13Х14Н3ФА, 20Х15Н5АМ3 и др.).

В состав проволоки изготовленной из вольфрама и молибдена для обеспечения требуемого уровня прочностных свойств вводят присадки, в качестве которых используют оксиды тория (ThO₂), кремния (SiO₂), лантана (La₂O₃) и др.

Углеродные волокна. Углеродные волокна получают из полиакрилнитрильного (ПАН) гидроцеллюлозного волокна или из волокон на основе нефтяных смол или пеков. Для них характерны высокие значения механических характеристик, высокая теплостойкость ( свыше 2000º С в неокислительной среде), низкие коэффициенты трения и температурного расширения, высокая стойкость к химическим реагентам.

Борные волокна. Борные волокна получают осаждением бора из газовой фазы (BCl₂ + H₂) при 1100-1200º С на предварительно нагретую и очищенную вольфрамовую проволоку диаметром 12 мкм. В результате осаждения образуется сердцевина из боридов вольфрама (WB, W₂B₅, WB₄) диаметром 15-17 мкм, вокруг которой располагается слой поликристаллического бора.

Эти волокна обладают по сравнению с другими армирующими компонентами большим модулем сдвига G, низкой плотностью (2600 кг/м³), достаточно высокой прочностью ( _В = 3500 МПа) и температурой плавления 2300º С. Бор является полупроводником, поэтому композиты с таким волокном имеют пониженные тепло- и электропроводность. Борные волокна выпускаются промышленностью в виде моноволокон в катушках, а также в виде полуфабрикатов – лент полотняного плетения шириной от 5 до 50 см. Волокна бора применяют в производстве композитов как с металлической (алюминиевой) матрицей так и с полимерной матрицей.

Стеклянные волокна. Стеклянные волокна получают путем пропускания расплавленного стекла при 1200-1400º С через фильеры диаметром 0,8 – 3 мм и дальнейшим быстрым вытягиванием до диаметра несколько микрометров. Непрерывные волокна диаметром 3 -100 мкм, соединяясь в пряди, наматываются на вращающиеся с большой скоростью барабаны и имеют длину до 20 км. Поверхность стеклянных волокон покрывают замасливателем (эмульсия крахмала или минерального масла) для предотвращения истирания волокон при транспортировке и технологических операциях.

Так же в качестве армирующего материала применяется бериллиевая проволока, волокна карбида кремния, нитевидные кристаллы карбидов и нитридов кремния, оксида и нитридов алюминия и других тугоплавких соединений.

Композиционные материалы на металлической основе.

Композиционные материалы с алюминиевой матрицей.

Технический алюминий и его сплавы (АМц, АМr6, АД1, Д20, В95, САП и др.) используют в качестве матриц композиционных материалов. Армирование матриц выполняют стальной высококачественной проволокой из сталей 08Х18Н9Т, 1Х15Н4АМ3 и др., бериллиевой проволокой, волокнами бора, карбида кремния, углерода.

Алюминиевая матрица, армированная стальной проволокой (25-40 %), по прочностным свойствам превосходит высокопрочные алюминиевые сплавы и приближается к уровню аналогичных свойств титановых сплавов.

Композиция Al – волокно бора отличается высокой прочностью и жесткостью и способна работать при 400-500ºС, поскольку бор мало разупрочняется с повышением температуры.

Композиционные материалы на основе алюминия армированные углеродными волокнами, уступают по удельной прочности материалам, армированным борным волокном, хотя они дешевле и легче последних.

Помимо композитов с алюминиевой матрицей широко используются композиционные материалы на никелевой (ВКН-1), титановой и магниевой матрице.

Композиционные материалы на неметаллической основе.

В качестве матрицы в композиционных материалах на неметаллической основе используют отверженные эпоксидные, полиэфирные, фенольные, полиамидные и другие смолы. Наиболее распространены композиции, армированные стеклянными, органическими, борными и другими видами волокон.

К достоинствам композитов с полимерной матрицей следует отнести высокие удельные прочностные и упругие характеристики, стойкость к воздействию агрессивных сред, хорошие антифрикционные и фрикционные свойства наряду с высокими теплозащитными и амортизационными свойствами, а также достаточную простоту изготовления. Однако им присущ ряд недостатков, определяемых свойствами полимерной матрицы. Прежде всего это низкие прочность и жесткость при сжатии и сдвиге, снижение прочности при повышении температуры до 100-200º С, гигроскопичность и склонность к старению, т.е. изменение физико-механических свойств под воздействием климатических факторов.

Стеклопластики содержат в качестве наполнителя стеклянные волокна. Они нашли достаточно широкое применение благодаря высокой прочности, в том числе при знакопеременных нагрузках, коррозионной стойкости.

В ориентированных однонаправленных стекловолокнитах упрочняющие непрерывные волокна расположены в одном направлении – направлении действия нагрузки. Однонаправленные стекловолокниты отличаются анизотропией свойств. Наибольшую прочность и жесткость такие композиции имеют вдоль волокон.

Неориентированные стекловолокниты содержат хаотично расположенные в плоскости дискретные, короткие волокна. Для таких стеклопластиков характерна изотропия свойств. В тоже время прочность и жесткость неориентированных стеклопластиков меньше прочности и жесткости ориентированных стеклопластиков.

Плотность стеклопластиков составляет 1500-2000 кг/м³. В результате их удельные характеристики прочности сопоставимы с соответствующими характеристиками сталей. Однонаправленные стекловолокниты применяют для изготовления труб и различных профилей, в которых в условиях эксплуатации нагрузки направлены по длине детали. Неориентированные пластики применяют в производстве корпусов лодок, автомобилей, катеров, мебели, покрытий полов, облицовки бытовых и железобетонных конструкций, силовых деталей электрооборудования.

Углепластики (карбоволокниты). Это композиционные материалы на основе полиамида эпоксидной, эпокситрифенольной и других смол различного состава с упрочнителями из углеродных волокон.

По удельной прочности и жесткости углепластики существенно превосходят стеклопластики, сталь, алюминий и титановые сплавы.

Как конструкционный материал углепластики получили распространение в авиации и космонавтике. В космической технике из углепластиков изготавливают панели солнечных батарей, баллоны высокого давления, теплозащитные покрытия. Как химически стойкий материал, углепластики применяют в производстве насосов для перекачки коррозионноактивных сред.

Бороволокниты содержат в качестве армирующего наполнителя борные волокна. Большое применение боропластики нашли в авиационной и космической технике. Их высокая прочность и жесткость при сжатии используются в конструкциях деталей летательных аппаратов: балок, стрингеров, стоек шасси.

Органоволокниты – композиционные материалы, состоящие из полимерной матрицы и наполнителей – синтетических волокон - капрона, лавсана и др. Органоволокниты используют в элементах несущих и вспомогательных конструкций современных самолетов и вертолетов.

Клеи.

Клеями называют жидкие и пастообразные многокомпонентные системы, основой (связующим) которых являются высокомолекулярные вещества, обладающие высокой адгезией к твердым поверхностям.

Клеи предназначены для создания из различных материалов неразъемных соединений, которые в общем, виде состоят из двух склеиваемых материалов (субстраты) и клеевого слоя (адгезива) между ними.

Для качественного склеивания клей должен отвечать следующим требованиям:

· создавать клеевую пленку, обеспечивающую прочное соединение склеиваемых поверхностей;

· клеевая пленка должна быть атмосферостойкой и стойкой к действию других факторов, проявляющихся в условиях работы;

· клей не должен вызывать коррозии металла и разрушения других склеиваемых материалов.

Клеевые соединения имеют ряд преимуществ по сравнению с другими видами соединений (заклепочные, сварные, болтовые):

· возможность соединять различные материалы;

· атмосферостойкость;

· сопротивление коррозии;

· более равномерное распределение напряжений в склеиваемых элементах из-за отсутствия отверстий под болты и заклепки.

· относительная простота технологии склеивания;

· при необходимости обеспечение хорошей герметичности конструкций.

К недостаткам многих клеев можно отнести:

· низкая теплостойкость;

· невысокая прочность клеевых соединений;

· необходимость во многих случаях осуществлять нагревание при склеивании.

Прочность клеевого соединения зависит от величины силы прилипания клея к склеиваемой поверхности (адгезии) и прочности самой клеевой пленки (когезии).

Адгезияопределяется величиной химических (ковалентных, электровалентных, координационных, водородных связей) и вандер-вальсовых (межмолекулярных) сил притяжения между частицами клея и склеиваемого материала. Склеивание клея с металлом в какой-то мере и механическое; клей в жидком состоянии, заполняя мельчайшие впадины и поры, имеющиеся на металлической поверхности, как бы зацепляется за них. Поэтому поверхность, на которую наносится клей должна быть шероховатая.

Адгезия клеевой пленки зависит также от величины усадки при ее формировании и разности коэффициентов линейного расширения пленки и материалов склеенных поверхностей.

Когезия клеевой пленки зависит от качества клея, соблюдения условий для ее образования (температура, время, давление) и толщины пленки.

С увеличением толщины клеевой пленки ее когезия уменьшается вследствие уменьшения воздействия силового поля склеиваемых поверхностей.

В зависимости от природы связующего различают клеи органического происхождения (животного и растительного) и синтетического.

К клеям органического происхождения относится казеиновый клей, столярный и другие, их применение в настоящее время ограничено. Применение синтетических клеев с каждым годом расширяется, что обусловлено их универсальностью и высоким качеством.

Синтетические клеи в наиболее общем виде представляют собой композицию, в которую входят: связующее (или их сочетание), растворитель, наполнитель, отвердитель и ускоритель отверждения.

В качестве связующего используют термопластичные и термореактивные полимеры (смолы). Из термопластичных наибольшее распространение получили производные акриловой и метакриловой кислот, поливинилацетата, полиизобутилена, каучука и резины, а из термореактивных – фенолформальдегидные, эпоксидные и кремнийорганические соединения.

Для придания определенной вязкости в клей вводят ацетон, спирт, смеси бензина с этилацетатом, бутилацетата с ацетоном или бензином, а также другие растворители, в зависимости от марки клея.

Механизм отверждения различных клеев неодинаков. Процесс отверждения может основываться на физических процессах (испарение растворителя), химических превращениях (полимеризация или поликонденсация), а так же являться результатом и испарения и химических изменений связующего компонента.

Различают два вида отверждения – горячее и холодное. Горячее отверждение применяют при использовании химически превращаемых клеев с целью ускорения затвердевания и улучшения качества шва. В состав некоторых клеев (например, эпоксидных) наряду со связующим компонентом вводят отвердитель, в присутствии которого клеевые соединения высыхают и без подогрева (холодное отверждение).

При этом надо учитывать два обстоятельства:

· скорость высыхания и прочность клеевого шва с холодным отверждением будет меньше, чем с горячим (при прочих равных условиях);

· в клеи холодного отверждения отвердитель необходимо вводить непосредственно перед их использованием с расчетом, что они будут израсходованы в течение допустимого срока хранения.

Переход любого клея из жидкого состояния в твердое сопровождается его усадкой, от которой неизбежно в клеевой прослойке появляются разрывы, ослабляющие прочность шва. Введение в состав клея наполнителя (металлы, камень, стекло, фарфор, цемент и др.) в значительной мере уменьшает величину усадки, а добавление пластификатора снижает хрупкость клеевого соединения.

Классификационным признаком клеев является вид связующего, в соответствии, с чем различают клеи карбинольные, фенольные, эпоксидные, полиамидные, полиакриловые, полиуретановые, резиновые и др.

Широкое применение нашли клеи БФ-2, БФ-4, БФ-6 (бутварофенолоальдегидные) – спиртовые растворы термореактивной фенолоформальдегидной смолы, модифицированной (для повышения эластичности швов) бутваром. Клеевое соединение на основе клеев БФ сушат при температуре 90-150º С в течении 1-3 часов.

К группе фенольных клеев относится клей марки ВС-10Т, которым приклеивают фрикционные накладки тормозных колодок. Очень прочное соединение однородных и разнородных твердых материалов обеспечивают эпоксидные клеи горячего и холодного отверждения. Они преимущественно используются в виде пастообразных масс (композиций), причем не только для склеивания, но и для заделки трещин, выравнивания вмятин, и других операций ремонта автотракторных двигателей.

Широкое применение находят цианакриловые клеи, характеризующиеся высокой адгезией к любым материалам, быстрым отверждением и сохранением рабочих характеристик в широком диапазоне температур.

Для склеивания металлов, керамики и пластмасс применяют акриловые клеи представляющие собой вязкие однородные жидкости, которые длительное время могут оставаться в исходном состоянии и быстро отверждаться между склеиваемыми поверхностями с образованием прочного клеевого соединения.

Таблица.14. Назначение некоторых марок клеев

Обивочные материалы.

Тип обивочных материалов, применяемых для подушек и спинок сидений, а также внутренней обивки кабин и кузовов, влияет на вид автомобиля, его стоимость, затраты по уходу за обивкой во время эксплуатации. Обивочные материалы должны обладать высокой прочностью на растяжение, износостойкостью и необходимой эластичностью, не изменять своего вида и свойств от попадающих нефтепродуктов, легко очищаться от всевозможных загрязнений, иметь по возможности красивый вид и в то же время быть недефицитными и дешевыми. В настоящее время для обивки автомобилей применяют в основном синтетические материалы широкого ассортимента, широко используют дерматин (ткань, одна сторона которой имеет покрытие типа нитроэмалевого). Для отделки легковых автомобилей применяется искусственная кожа (тканевая или трикотажная основы с монолитным или пористо-монолитным поливинилхлоридным покрытием).

Уплотнительные материалы применяют на автомобиле для уплотнения неподвижных и подвижных соединений и предотвращения от вытекания или проникновения масел и других жидкостей, газа или пара. Они также защищают от попадания в агрегаты и механизмы грязи и пыли.

Уплотнительные материалы подразделяются на прокладочные и набивочные. Из прокладочных изготавливают различные прокладки, зажимаемые между стыкующимися поверхностями неподвижных деталей, а из набивочных – сальниковые устройства, предназначенные для герметизации зазоров между деталями, перемещающимися относительно друг друга. Те и другие материалы должны обладать высокой прочностью, необходимой упругостью (эластичностью) и в тоже время не очень большой жесткостью (малым модулем упругости). Кроме того, некоторые из такого рода материалов должны быть стойкими при высоких температурах, при контакте с нефтепродуктами, водой и п.д.

Уплотнительные прокладки подразделяют на прокладки с полимерной и металлической основой. К материалам на полимерной основе относятся бумага, асбест, резина, фибра, пергамент, а на металлической основе – алюминий, медь, латунь, свинец, углеродистая сталь, высоколегированная сталь.

Бумажные материалы.

Бумага – тонколистовой волокнистый материал. Бумагу, масса 1 м² которой превышает 250 г, называют картоном. Картон подразделяется (ГОСТ 17926-80) на тарный, для полиграфического производства, фильтровальный, для легкой промышленности, технический, строительный. Технический картон включает водонепроницаемый картон, обивочный, водостойкий, прокладочный, термоизоляционный прокладочный, электроизоляционный и другие виды картона.

Прокладочный картон – картон с ограниченными показателями впитываемости жидкости и линейной деформации при увлажнении, предназначенный для изготовления уплотнительных прокладок. Он является (ГОСТ 9347-74) сравнительно эластичным, бензомаслостойким материалом и выпускается промышленностью толщиной 0,2, 0,25, 0,5, 0,8, 1,0, 1,5 мм.

Пергамент (ГОСТ 1341-84) представляет собой прозрачную масло – и жиронепроницаемую и влагостойкую бумагу, получаемую обработкой серной кислотой непроклеенной бумаги с последующей ее нейтрализацией раствором щелочи.

Фибра – это твердый монолитный материал, образующийся в результате обработки нескольких слоев бумаги – основы – пергаментирующим реагентом. Техническая фибра – это легкоштампуемая прочная фибра с ограниченной водопоглощаемостью, предназначенная для деталей машин и приборов.

Общим недостатком всех бумажных материалов является их относительно невысокая теплостойкость: при температурах выше 130-140º С бумага и картон становятся хрупкими и теряют гибкость; при 180º С начинается обугливание, а при 240-250º С происходит разложение бумажных волокон.

Асбестовые материалы.

Асбест – название минералов волокнистого строения, обладающих способностью расщепляться на гибкие и тонкие волокна. Асбест не горит, обладает хорошими электроизоляционными свойствами и высокой теплостойкостью. Без существенных изменений своих свойств выдерживает нагрев до 300º С. При температуре 700-800º С асбест делается непрочным и легко растирается в порошок, что происходит в результате потери материалом адсорбционной воды. Высокая теплостойкость асбеста предопределяет его применение на автомобилях в качестве уплотнительных материалов, работающих при повышенных температурах и давлении 50-60 кгс/см² (например прокладки на глушителях, элементы фрикционных соединений и т.п.). При использовании асбеста в качестве прокладок под головки цилиндров его заключают в медную или стальную оболочку (фольгу), чтобы исключить непосредственное соприкосновение асбеста с горячими газами.

Паронит представляет собой прокладочный листовой материал из вальцованного асбеста с каучуковым связующим и минеральными наполнителями примерного состава: асбеста 60-75 %, каучука с серой 12-13 %, минеральных наполнителей (глины, полевого шпата, талька и т.п.) – остальное.

Пробковые материалы изготавливают прессованием коры пробкового дуба и применяют для уплотнения соединений, работающих при небольшом напряжении в среде воды или нефтепродуктов: крышек клапанной коробки двигателей, стаканов фильтра топливного насоса, фильтра вентиляции картера двигателя и т.п., а также в качестве набивки сальников игольчатого типа.

Войлочные материалы. Войлок представляет собой листовой материал, изготовленный из волокон шерсти. Плотность войлока колеблется от 200 дор 430 кг/м³. войлок обладает высокими тепло -, звукоизолирующими и амортизирующими свойствами. Термическая стойкость войлока не превышает 75º С.

Электроизоляционные материалы.

Изоляционными называются материалы, практически не проводящие электрический ток.

Изоляционные материалы должны иметь достаточную прочность, малую гигроскопичность, а некоторые из них высокую теплостойкость. Этим требования удовлетворяют многие материалы: пластмассы, резина, эбонит, лаки, асбест, фибра и др.

Кроме них, в качестве изоляционных материалов применяют слюду (диэлектрик, выдерживающий нагрев до 500º С), электротехнический картон (марки ЭВС), изоляционные ленты (полоски ткани, покрытые с одной или обеих сторон резиновым клеем, или поливинилхлоридные ленты, промазанные с одной стороны клейким составом) и большое количество изоляционных лаков (роль пленкообразователя в которых выполняют битумы), растительные масла и некоторые полимеры.