производство и поставка оборудования для механических испытаний, неразрушающего контроля, химического анализа и визуального контроля, диагностического оборудования, приборов визуального контроля, систем контроля доступа персонала, элементов систем умного производства. Испытательная лаборатория. Сервисный центр

Глава 13. Композиционные материалы / 13.3. Волокнистые композиты / 13.3.6. Область применения композитов

Область применения композитов. К достоинствам композитов с полимерной матрицей следует отнести высокие удельные прочностные и упругие характеристики, стойкость к химическим агрессивным средам, а также достаточную простоту изготовления. Однако им присущ ряд недостатков, определяемых свойствами полимерной матрицы. Это прежде всего низкие значения прочности при сжатии b сдвиге (при высоких удельных значениях этих величин), низкая теплостойкость, гигроскопичность и склонность к старению под воздействием климатических факторов.

Стеклопластики нашли достаточно широкое применение благодаря высоким коррозионной стойкости и прочности, в том числе при знакопеременных нагрузках. Стеклопластики легко обрабатываются резанием; их недостатком является снижение механических свойств в водной среде из-за ослабления связи стекло — полимер. Стеклопластики были первыми конструкционными материалами, используемыми силовых конструкциях. Из них изготавливают детали фюзеляж и крыльев летательных аппаратов, баллоны высокого давления, в качестве армирующего компонента используют нити, жгуты, ткани. У слоистых композитов на основе тканей — стеклотекстолитов — матричным материалом могут быть как термопластичные, так и термореактивные полимеры.

В органопластиках в качестве армирующего компонента используются синтетические волокна. Природа связующего и армирующего компонентов одинакова, что приводит к их химическому взаимодействию, компоненты имеют близкие значения температурных коэффициентов линейного расширения. В связи с этим органопластики получают монолитную беспористую структуру с сильной адгезионной связью связующего и армирующего компонентов. Монолитность структуры обеспечивает высокое сопротивление ударным и циклическим нагрузкам, высокую вибростойкость. Органопластики — самые легкие композиционные материалы, их применение позволяет снизить массу конструкции (при одинаковых размерах) на 20...50 % по сравнению со стеклопластиками или сплавами алюминия. Однако в силовых конструкциях они практически не используются из-за низких значений предела прочности при сжатии и модуля упругости. Предел прочности при сжатии у органопластиков (около 300 МПа) примерно в 2 раза ниже, чем у углепластиков, и в 4 раза ниже, чем у боропластиков. Органопластики применяют в качестве обшивочного материала, из них изготавливают также детали оболочковой формы из-за технологичности при операциях намотки. Армирующие волокна непрерывные; в виде нитей, жгутов, тканей.

Углепластики — наиболее перспективный вид композитов. Их отличают высокие характеристики удельной прочности и жесткости, термостойкость, коррозионная стойкость. Композиты на основе эпоксидных связующих могут длительно работать при температуре до 200 °С, а на основе кремнийорганических смол до 300 °С. Благодаря высокой электропроводности углеродного волокна углепластики могут выполнять функции антистатика. Такое сочетание свойств определило их достаточно широкое применение: в авиационной и космической технике, автомобилестроении, для изготовления спортивного инвентаря. Форма армирующего компонента — нити, жгуты, ткани.

Боропластики обладают высокой прочностью при сжатии. Так, если пределы прочности при растяжении угле- и боропластиков близки, то предел прочности при сжатии боропластика практически в 2 раза выше — 1020... 1160 МПа и 520...530 МПа для боро- и углепластика соответственно. Поэтому их целесообразно применять в силовых конструкциях, воспринимающих напряжения сжатия. Недостатком боропластиков является низкая технологичность — у них низкая обрабатываемость резанием.

В качестве армирующего компонента композитов с углеродной матрицей используется углеродное волокно. Основное назначение таких композитов — теплозащитные покрытия. Эти композиты сохраняют высокие механические свойства при очень высоких температурах. При нагреве до 2000 °С наблюдается даже некоторое повышение пределов прочности при растяжении и сжатии. По прочности углерод — углеродный композит в 5 —10 раз превосходит специальные графиты. Так, значения пределов прочности композита марки КУП-ВМ при растяжении и сжатии составляют соответственно 200 и 260 МПа, тогда как у специальных графитов они не превышают 10 МПа при растяжении и 50 МПа при сжатии. Углерод — углеродные композиты нашли применение для тепловой защиты дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

Композиты с металлической матрицей сочетают в себе достоинства и металлов, и композитов. Эти композиты обладают высокими значениями модуля упругости, предела прочности, ударной вязкости. Эти материалы сохраняют свои свойства при температурах значительно более высоких, чем композиты с полимерной матрицей. Важным является то, что прочная металлическая матрица обеспечивает высокие механические свойства в направлении, перпендикулярном оси волокон. Это определило конструкцию композитов с металлической матрицей как одноосную, т.е. более технологичную (рис. 13.2). Особо следует отметить, что только такие композиты можно упрочнить путем термической обработки или наклепа. Повышение механических характеристик достигается при этом за счет упрочнении материала матрицы.

Рис. 13.2. Композиты с металлической матрицей: а — моноволокно с металлическим покрытием; б — жгут, пропитанный металлом; в — металлический пруток, армированный моноволокном или тонкими жгутами; г — профиль, армированный жгутами

Наиболее распространены композиты с матрицей из алюминия или сплавов на его основе вследствие их высокой технологичности при производстве композитов. В качестве армирующего компонента используют борные и углеродные волокна, стальную проволоку.

Предел прочности бороалюминия (композит марки ВКА-1) вдоль направления волокна при комнатной температуре в 2 раза выше, чем у конструкционных алюминиевых сплавов (1000... 1200 МПа). При повышенных температурах его преимущество становится еще заметнее (при 500 °С предел прочности композита составляет 500 МПа). Прочность в поперечном направлении этого композита достаточно низка – около 60 МПа, так как материалом матрицы является неупрочняемый сплав. При изготовлении матрицы из сплава Д16 и упрочнении композита путем термической обработки (закалка + старение) его прочность в поперечном направлении возрастает до 200 МПа.

Композиты с углеродным волокном (КАУ) получают методом пропитки, т.е. заливкой волокнистого каркаса. Материал матрицы в этом случае — литейный сплав алюминия. При армировании силумина АЛ2 углеродными волокнами достигается прочность до 1000 МПа и теплостойкостъ до 300 °С.

Использование для армирования стальной проволоки (композит КАС-1) позволяет повысить предел прочности до 1300... 1450 МПа. В качестве матричного материала для композита КАС-1 используют упрочняемые сплавы алюминия, поэтому предел прочностии в поперечном направлении достаточно высок — после термической обработки его значения приближаются к 300 МПа. Материалом матрицы является сплав САП-1, т.е. в этом случае имеем комбинированное упрочнение, которое в результате дает дисперсно-упрочненный волокнистый композит. Плотность композитов, армированных стальной проволокой, значительно выше, чем при армировании неметаллическими волокнами. Основное применение композитов с матрицей на основе алюминиевых сплавов — авиационная промышленность. Их используют вместо алюминиевых сплавов для повышения механических свойств, особенно модуля упругости. Так, замена сплава Д16 на композит ВКА-1 позволила повысить жесткость лонжерона крыла примерно в 1,5 раза.

Композиты с магниевой матрицей обладают более высокой удельной прочностью, чем композиты на основе алюминия, из-за малой плотности магния (плотность магния и алюминия составляет соответственно 1,74 и 2,7 г/см3). Предел прочности боромагния при комнатной температуре приближается к 1000 МПа, а при температуре 400 °С его значение около 500 МПа. Однако производство композитов с магниевой матрицей затруднено из-за низкой пластичности и свариваемости магниевых сплавов, а также рыхлой оксидной пленки на их поверхности.

Композиты с титановой матрицей армируют волокнами бора, борсика, карбида кремния, бериллия, молибдена. Основное достоинство этих композитов — высокая теплостойкость. Высокие значения прочности сохраняются до 650... 700 °С. В направлении волокон предел прочности композитов составляет 1100... 1300 МПа в зависимости от вида волокон и их количества, а в поперечном достигает 650 МПа из-за высокой прочности матрицы.

Композиты с титановой матрицей используют в качестве жаропрочного материала. Так, композит с матрицей из титанового сплава (90 % Ti, 6 % Аl, 4 % V), армированный молибденовой проволокой, при температуре 650 °С имеет длительную прочность σ100 = 170 МПа.

С 2011 года научно-производственное предприятие «УКРИНТЕХ» успешно работает и развивается в области контроля качества материалов и изделий.

Контакты

ООО НПП "Укринтех":
г. Харьков, ул.Ковтуна, д.50, корпус "А-5"

Для почты:
а/я 2304, Харьков-1, 61001, Украина

ООО НПП "Укринтех"
+38 (050) 499-09-89; +38 (067) 560-89-39
+38 (067) 575-45-10; +38 (057) 768-09-02

"ЦНИ Лаборатория"
+38 (098) 262-48-92

Компания

Производство и поставка
испытательного оборудования, оборудования для металлографии, приборов НК и др.

Сервисный центр
Ремонт, сервисное обслуживание и модернизация оборудования.

Центр независимых исследований
Аккредитованная испытательная лаборатория.