Komposit material

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 23 november 2020; kontroller kräver 18 redigeringar .

Kompositmaterial eller kompositmaterial (CM), förkortat komposit  - ett flerkomponentsmaterial tillverkat (av människan eller naturen) av två eller flera komponenter med väsentligt olika fysikaliska och/eller kemiska egenskaper, som i kombination leder till uppkomsten av en nytt material med egenskaper som skiljer sig från individuella komponenters egenskaper och är inte en enkel överlagring av dem . Som en del av kompositen är det vanligt att peka ut matrisen / matriser och fyllmedel / fyllmedel, de senare utför funktionen av armering (i analogi med armering i ett sådant sammansatt byggmaterial som armerad betong ). Som regel fungerar kol- eller glasfibrer som fyllmedel för kompositer, och en polymer spelar rollen som en matris. Kombinationen av olika komponenter förbättrar materialets egenskaper och gör det både lätt och starkt. I detta fall förblir de enskilda komponenterna desamma i kompositernas struktur, vilket skiljer dem från blandningar och härdade lösningar. Genom att variera sammansättningen av matrisen och fyllmedlet, deras förhållande, orienteringen av fyllmedlet, erhålls ett brett utbud av material med den erforderliga uppsättningen egenskaper. Många kompositer är överlägsna traditionella material och legeringar i sina mekaniska egenskaper och samtidigt är de lättare. Användningen av kompositer gör det vanligtvis möjligt att reducera massan av en struktur samtidigt som dess mekaniska egenskaper bibehålls eller förbättras.

Struktur av kompositmaterial

Enligt deras struktur delas kompositer in i flera huvudklasser: fibrösa, dispersionsförstärkta, partikelförstärkta och nanokompositer. Fibrösa kompositer är förstärkta med fibrer eller morrhår - tegelstenar med halm och papier-maché kan tillskrivas just denna klass av kompositer. Redan ett litet innehåll av fyllmedel i kompositer av denna typ leder till uppkomsten av kvalitativt nya mekaniska egenskaper hos materialet. Materialegenskaperna kan också varieras kraftigt genom att ändra orienteringen av storleken och koncentrationen av fibrerna. Dessutom ger fiberförstärkning materialet anisotropi av egenskaper (skillnad i egenskaper i olika riktningar), och genom att lägga till ledarfibrer är det möjligt att ge elektrisk ledningsförmåga till materialet längs en given axel.

I skiktade kompositmaterial är matrisen och fyllmedlet anordnade i lager, som till exempel i extra starkt glas förstärkt med flera lager polymerfilmer .

Mikrostrukturen hos andra klasser av kompositmaterial kännetecknas av det faktum att matrisen är fylld med förstärkande partiklar, och de skiljer sig i partikelstorlek. I partikelförstärkta kompositer är deras storlek större än 1 μm och halten 20–25 volymprocent, medan dispersionsförstärkta kompositer innehåller från 1 till 15 volymprocent partiklar som sträcker sig i storlek från 0,01 till 0,1 µm. Partikelstorlekarna som utgör nanokompositer, en ny klass av kompositmaterial, är ännu mindre och uppgår till 10–100 nm.

Polymerkompositmaterial (PCM)

Kompositer, där matrisen är ett polymermaterial , är en av de mest talrika och olika typerna av material. Deras tillämpning inom olika områden ger en betydande ekonomisk effekt. Till exempel kan användningen av PCM i produktionen av rymd- och flygutrustning spara från 5 till 30 % av flygplanets vikt. Och att minska vikten av till exempel en konstgjord satellit i omloppsbana nära jorden med 1 kg leder till en besparing på 1 000 dollar. Många olika ämnen används som PCM-fyllmedel.

A) Glasfiber  - polymerkompositmaterial förstärkta med glasfibrer, som är bildade av smält oorganiskt glas. Som en matris används oftast både värmehärdande syntetiska hartser (fenol, epoxi, polyester och så vidare) och termoplastiska polymerer (polyamider, polyeten , polystyren , och så vidare). Dessa material har tillräckligt hög hållfasthet, låg värmeledningsförmåga, höga elektriska isoleringsegenskaper, dessutom är de transparenta för radiovågor. Användningen av glasfiber började i slutet av andra världskriget för tillverkning av antennradomer - kupolformade strukturer som inrymmer lokaliseringsantennen. I de första glasförstärkta plasterna var antalet fibrer litet, fibern infördes främst för att neutralisera grova defekter i den spröda matrisen. Men med tiden förändrades syftet med matrisen - den började endast användas för att limma samman starka fibrer, fiberinnehållet i många glasfiber når 80 viktprocent. Ett skiktat material där ett tyg vävt av glasfibrer används som fyllmedel kallas glasfiber. [ett]

Glasfiber är ett ganska billigt material, de används ofta i konstruktion, skeppsbyggnad, radioelektronik, produktion av hushållsartiklar, sportutrustning, fönsterramar för moderna tvåglasfönster och så vidare.

B) CFRP - fyllmedlet i dessa polymerkompositer är kolfibrer. Kolfibrer erhålls från syntetiska och naturliga fibrer baserade på cellulosa, akrylnitrilsampolymerer, petroleum- och stenkolstjärabeck och så vidare. Värmebehandling av fibern utförs som regel i tre steg (oxidation - 220 ° C, karbonisering - 1000-1500 ° C och grafitisering - 1800-3000 ° C) och leder till bildandet av fibrer som kännetecknas av en hög innehåll (upp till 99,5 % av massan) kol. Beroende på bearbetningssätt och råmaterial har den resulterande kolfibern en annan struktur. För tillverkning av kolfiber används samma matriser som för glasfiber - oftast - värmehärdande och termoplastiska polymerer. De främsta fördelarna med kolfiberförstärkt plast jämfört med glasfiber är deras låga densitet och högre elasticitetsmodul, kolfiberplaster är mycket lätta och samtidigt hållbara material. Kolfibrer och kolplaster har nästan noll linjär expansionskoefficient. All kolplast är bra ledare av elektricitet, svart till färgen, vilket begränsar deras omfattning något. CFRP används inom flyg, raketvetenskap, maskinteknik, produktion av rymdteknik, medicinsk utrustning, proteser, vid tillverkning av lätta cyklar och annan sportutrustning.

På basis av kolfibrer och en kolmatris skapas sammansatta kol-grafitmaterial - de mest värmebeständiga kompositmaterialen (kolplaster) som tål temperaturer upp till 3000 ° C under lång tid i inerta eller reducerande miljöer. finns flera sätt att framställa sådana material. Enligt en av dem impregneras kolfibrer med fenol-formaldehydharts och utsätts sedan för höga temperaturer (2000 ° C), medan pyrolys av organiska ämnen sker och kol bildas. För att göra materialet mindre poröst och tätare upprepas operationen flera gånger. Ett annat sätt att få fram ett kolmaterial är att kalcinera vanlig grafit vid höga temperaturer i en metanatmosfär. Det finfördelade kolet som bildas under pyrolysen av metan stänger alla porer i grafitstrukturen. Densiteten hos ett sådant material ökar i jämförelse med grafitens densitet med en och en halv gånger. Högtemperaturkomponenter i raketer och höghastighetsflygplan, bromsbelägg och skivor för höghastighetsflygplan och återanvändbara rymdfarkoster och elektrotermisk utrustning är gjorda av kolfiber.

C ) Boroplaster är kompositmaterial innehållande borfibrer som fyllmedel inbäddade i en härdplastpolymermatris, medan fibrerna kan vara antingen i form av monofilament eller i form av buntar flätade med en extra glastråd eller tejp, i vilka bortrådar är sammanflätade med andra trådar. På grund av trådarnas höga hårdhet har det resulterande materialet höga mekaniska egenskaper (borfibrer har den högsta tryckhållfastheten jämfört med fibrer från andra material) och hög motståndskraft mot aggressiva förhållanden, men materialets höga sprödhet gör det svårt att bearbeta dem och inför restriktioner för formen på borplastprodukter. Dessutom är kostnaden för borfibrer mycket hög (cirka 400 USD/kg) på grund av teknikens särdrag för deras produktion (bor avsätts från klorid på ett volframsubstrat, vars kostnad kan nå upp till 30 % av fiberkostnad). De termiska egenskaperna hos boroplaster bestäms av matrisens värmebeständighet, så driftstemperaturerna är vanligtvis låga.

Användningen av borplast begränsas av de höga kostnaderna för att producera borfibrer, därför används de främst inom flyg- och rymdteknik i delar som utsätts för långvarig stress i en aggressiv miljö.

D) Organoplaster - kompositer där organiska, syntetiska och mer sällan - naturliga och konstgjorda fibrer i form av buntar, trådar, tyger, papper och så vidare fungerar som fyllmedel. I värmehärdande organoplaster fungerar som regel epoxi-, polyester- och fenolhartser, såväl som polyimider, som en matris. Materialet innehåller 40-70% filler. Fyllmedelshalten i organoplaster baserade på termoplastiska polymerer - polyeten, PVC, polyuretan, och så vidare - varierar över ett mycket större intervall - från 2 till 70%. Organoplaster har låg densitet, de är lättare än glas och kolfiber, relativt hög draghållfasthet; hög motståndskraft mot slag och dynamiska belastningar, men samtidigt låg tryck- och böjhållfasthet.

En viktig roll för att förbättra de mekaniska egenskaperna hos organoplaster spelas av graden av orientering av fyllmedelsmakromolekylerna. Makromolekyler av styva kedjepolymerer såsom polyparafenyltereftalamid (Kevlar) är i allmänhet orienterade i riktningen för banans axel och har därför hög draghållfasthet längs fibrerna. Skottsäker kroppsrustning är gjord av material förstärkta med Kevlar.

Organoplaster används i stor utsträckning inom fordonsindustrin, skeppsbyggnad, maskinteknik, flyg- och rymdteknik, radioelektronik, kemiteknik, produktion av sportutrustning och så vidare.

E) Polymerer fyllda med pulver. Mer än 10 000 kvaliteter av fyllda polymerer är kända. Fyllmedel används både för att minska kostnaderna för materialet och för att ge det speciella egenskaper. För första gången började en fylld polymer tillverkas av Dr. Bakeland (Leo H. Baekeland, USA), som upptäckte i början av 1900-talet. metod för syntes av fenol-formaldehyd (bakelit) harts. I sig är detta harts ett sprött ämne med låg hållfasthet. Bakeland fann att tillsats av fibrer, särskilt trämjöl, till hartset innan det härdar ökar dess styrka. Materialet han skapade - bakelit - fick stor popularitet. Tekniken för dess framställning är enkel: en blandning av delvis härdad polymer och fyllmedel - presspulver - härdar irreversibelt i formen under tryck. Den första serieprodukten som tillverkades med denna teknik 1916 är växelspaken på en Rolls-Royce-bil. Fyllda härdplaster används i stor utsträckning än i dag.

En mängd olika fyllmedel av både värmehärdande och termoplastiska polymerer används nu. Kalciumkarbonat och kaolin (vit lera) är billiga, deras reserver är praktiskt taget obegränsade, vit färg gör det möjligt att färga materialet. Det används för tillverkning av styva och elastiska PVC-material för tillverkning av rör, elektrisk isolering, fasadplattor och så vidare, polyesterfiber, polyeten och polypropenfyllning. Tillsatsen av talk till polypropen ökar avsevärt elasticitetsmodulen och värmebeständigheten hos denna polymer. Kolsvart används mest av allt som gummifyllmedel, men det införs även i polyeten, polypropen, polystyren osv. Organiska fyllmedel används fortfarande i stor utsträckning - trämjöl, malda nötskal, vegetabiliska och syntetiska fibrer. En polymer-sandkomposit baserad på polyeten med ett fyllmedel av flodsand har vunnit stor popularitet . För att skapa biologiskt nedbrytbara kompositer används stärkelse som fyllmedel.

E) Textoliter  - skiktad plast förstärkt med tyger från olika fibrer. Tekniken för att producera textoliter utvecklades på 1920-talet på basis av fenol-formaldehydharts. Dukar av tyg impregnerades med harts, pressades sedan vid förhöjd temperatur, vilket gav textolitplattor. Rollen för en av de första applikationerna av textoliter - beläggningar för köksbord - kan knappast överskattas.

De grundläggande principerna för att erhålla textoliter har bevarats, men nu används de för att bilda inte bara plattor utan också figurerade produkter. Och naturligtvis har utbudet av källmaterial utökats. Bindemedel i textoliter är ett brett utbud av härdbara och termoplastiska polymerer, ibland används även oorganiska bindemedel – baserade på silikater och fosfater. Som fyllmedel används tyger från en mängd olika fibrer - bomull, syntet, glas, kol, asbest, basalt och så vidare. Följaktligen är egenskaperna och tillämpningen av textoliter olika.

Kompositmaterial med en metallmatris

När man skapar metallbaserade kompositer används aluminium , magnesium , nickel , koppar och så vidare som en matris . Fyllmedlet är antingen höghållfasta fibrer eller eldfasta partiklar av olika dispersioner som inte löser sig i basmetallen .

Egenskaperna hos dispersionsförstärkta metallkompositer är isotropa - desamma i alla riktningar. Tillsatsen av 5-10% förstärkande fyllmedel ( eldfasta oxider , nitrider , borider , karbider ) leder till en ökning av matrisens motstånd mot belastningar. Effekten av att öka styrkan är relativt liten, men ökningen av kompositens värmebeständighet jämfört med den ursprungliga matrisen är värdefull. Sålunda gör införandet av fina pulver av toriumoxid eller zirkoniumoxid i en värmebeständig krom-nickellegering det möjligt att öka temperaturen vid vilken produkter tillverkade av denna legering kan arbeta under lång tid från 1000 ° C till 1200 ° C. Dispersionsförstärkta metallkompositer erhålls genom att införa fyllmedelspulver i smält metall , eller pulvermetallurgiska metoder .

Förstärkning av metaller med fibrer, whiskers , tråd ökar avsevärt både styrkan och värmebeständigheten hos metallen. Till exempel kan aluminiumlegeringar , förstärkta med borfibrer , drivas vid temperaturer upp till 450-500 ° C, istället för 250-300 ° C. Oxid, borid, karbid, nitridmetallfyllmedel, kolfibrer används . På grund av deras sprödhet tillåter inte keramiska fibrer och oxidfibrer plastisk deformation av materialet, vilket skapar betydande tekniska svårigheter vid tillverkning av produkter, medan användningen av mer plastmetallfyllmedel tillåter omformning. Sådana kompositer erhålls genom impregnering av fiberknippen med metallsmältor , elektroavsättning , blandning med metallpulver och efterföljande sintring , och så vidare.

På 1970-talet dök de första materialen förstärkta med morrhår upp . Morrhår erhålls genom att dra smältan genom spinndysor . Använde "whiskers" av aluminiumoxid , berylliumoxid , bor- och kiselkarbider , aluminium- och kiselnitrider , och så vidare, 0,3-15 mm långa och 1-30 mikrometer i diameter. Förstärkning med "whiskers" kan avsevärt öka materialets styrka och öka dess värmebeständighet. Till exempel är sträckgränsen för en silverkomposit som innehåller 24 % aluminiumoxidwhiskers 30 gånger sträckgränsen för silver och 2 gånger den för andra silverbaserade kompositmaterial. Förstärkning med aluminiumoxid "whiskers" av material baserade på volfram och molybden fördubblade sin styrka vid en temperatur på 1650 ° C, vilket gör det möjligt att använda dessa material för tillverkning av raketmunstycken .

Kompositmaterial baserade på keramik

Förstärkning av keramiska material med fibrer, såväl som metall- och keramiska dispergerade partiklar, gör det möjligt att erhålla höghållfasta kompositer, men utbudet av fibrer som är lämpliga för förstärkning av keramer begränsas av egenskaperna hos det ursprungliga materialet. Metallfibrer används ofta. Draghållfastheten ökar något, men motståndet mot termiska stötar ökar - materialet spricker mindre vid upphettning, men det finns fall när materialets styrka sjunker. Det beror på förhållandet mellan koefficienterna för termisk expansion av matrisen och fyllmedlet.

Förstärkning av keramik med dispergerade metallpartiklar leder till nya material ( cermets ) med ökad hållbarhet, motståndskraft mot termiska stötar och ökad värmeledningsförmåga. Högtemperaturcermets används för att tillverka delar till gasturbiner, beslag till elektriska ugnar, delar till raket- och jetteknik. Hårda slitstarka cermets används för att tillverka skärverktyg och delar. Dessutom används cermets inom speciella teknikområden - dessa är bränsleelement i kärnreaktorer baserade på uranoxid, friktionsmaterial för bromsanordningar och så vidare.

Keramiska kompositmaterial erhålls genom varmpressning (tablettering följt av sintring under tryck) eller slipgjutning (fibrer hälls med en matrismaterialsuspension, som också sintras efter torkning).

Anteckningar

  1. ↑ Lubin J. Handbok för kompositmaterial. Volym 1 / övers. från engelska. A.B. Geller, M.M. Gelmont. - M . : Mashinostroenie, 1988. - S. 181-183. — 448 sid. — ISBN 5-218-00225-5 .

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger