Verbundwerkstoffe bestehen aus einer Metallmatrix(normalerweise Al, Mg, Ni und deren Legierungen), gehärtet mit hochfesten Fasern (Faserstoffen) oder fein verteilten feuerfesten Partikeln, unlöslich im Grundmetall (dispersionsverstärkte Werkstoffe). Die Metallmatrix bindet die Fasern (dispergierte Partikel) zu einem einzigen Ganzen. Faser (dispergierte Partikel) plus ein Bündel (Matrix), die das ausmachen
Reis. eines
1 - körniges (dispersionsverfestigtes) Material (l/d-ICH): 2 - diskretes Faserverbundmaterial; 3 - Endlosfaser-Verbundmaterial; 4 - kontinuierliche Verlegung von Fasern; 5 - zweidimensionales Faserstapeln; 6,7 - volumetrische Verlegung von Fasern
oder eine andere Zusammensetzung, erhielt den Namen Kompositmaterialien(Abb. 196).
Faserverbundwerkstoffe.
Auf Abb. 196 zeigt das Verstärkungsschema von Faserverbundwerkstoffen. Verbundwerkstoffe mit faserförmigem Füllstoff (Verstärkung) werden in diskrete unterteilt, bei denen das Verhältnis von Faserlänge zu Durchmesser l/d ≈ 10-tL03 beträgt, und mit Endlosfasern, bei denen l/d = co. Diskrete Fasern sind zufällig in der Matrix angeordnet. Der Durchmesser der Fasern reicht von Bruchteilen bis zu Hunderten von Mikrometern. Je größer das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Faser ist, desto höher ist der Verfestigungsgrad.
Häufig ist ein Verbundmaterial eine Schichtstruktur, bei der jede Schicht verstärkt ist eine große Anzahl parallele Endlosfasern. Jede Schicht kann auch mit Endlosfasern verstärkt werden, die zu einem Stoff verwoben sind, der die ursprüngliche Form hat, die in Breite und Länge dem Endmaterial entspricht. Nicht selten werden Fasern zu dreidimensionalen Strukturen verwoben.
Verbundwerkstoffe unterscheiden sich von herkömmlichen Legierungen durch höhere Werte der Zugfestigkeit und Dauerfestigkeit (um 50-100%), des Elastizitätsmoduls und des Steifigkeitskoeffizienten (Elly) und reduzierte Rissanfälligkeit. Die Verwendung von Verbundwerkstoffen erhöht die Steifigkeit der Struktur und reduziert gleichzeitig den Metallverbrauch.
Tabelle 44
Mechanische Eigenschaften von Verbundwerkstoffen auf Metall Basis
Die Festigkeit von Verbund-(Faser-)Materialien wird durch die Eigenschaften der Fasern bestimmt; die Matrix sollte hauptsächlich die Spannungen zwischen den Bewehrungselementen umverteilen. Daher müssen die Festigkeit und der E-Modul der Fasern deutlich größer sein als die Festigkeit und der E-Modul der Matrix. Starre Verstärkungsfasern nehmen die in der Zusammensetzung unter Belastung auftretenden Spannungen wahr, verleihen ihr Festigkeit und Steifigkeit in Richtung der Faserorientierung.
Zur Verstärkung von Aluminium, Magnesium und deren Legierungen wird Bor verwendet (o in \u003d 2500 - * -3500 MPa, E = 38h-420 GPa) und Kohlenstoff (st in = 1400-g-3500 MPa, E 160-450 GPa) Fasern sowie Fasern aus feuerfesten Verbindungen (Carbide, Nitride, Boride und Oxide) mit hoher Festigkeit und Elastizitätsmodul. So haben Siliziumkarbidfasern mit einem Durchmesser von 100 μm st in = 2500-*m3500 MPa, E= 450 GPa. Als Fasern wird häufig hochfester Stahldraht verwendet.
Zur Verstärkung von Titan und seinen Legierungen werden Molybdändraht, Saphirfasern, Siliziumkarbid und Titanborid verwendet.
Eine Erhöhung der Hitzebeständigkeit von Nickellegierungen wird durch Verstärkung mit Wolfram- oder Molybdändraht erreicht. Metallfasern werden auch dort eingesetzt, wo eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit erforderlich ist. Vielversprechende Härter für hochfeste und hochmodulige Faserverbundwerkstoffe sind Whisker aus Aluminiumoxid und -nitrid, Siliziumcarbid und -nitrid, Borcarbid usw. mit einem b = 15000-g-28000 MPa und E= 400-*-600 GPa.
Im Tisch. 44 zeigt die Eigenschaften einiger Faserverbundwerkstoffe.
Verbundwerkstoffe auf Basis eines Metalls haben eine hohe Festigkeit (St in, a_ x) und Hitzebeständigkeit, gleichzeitig haben sie eine geringe Plastizität. Fasern in Verbundwerkstoffen reduzieren jedoch die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Rissen, die in der Matrix beginnen, und eliminieren plötzlich fast vollständig
Reis. 197. Abhängigkeit des Elastizitätsmoduls E (a) und vorübergehender Widerstand o in (b) Bor-Aluminium-Verbundmaterial entlang (/) und quer (2) Verstärkungsachse auf den Volumengehalt der Borfaser
spröder Bruch. Anisotropie ist ein charakteristisches Merkmal von uniaxialen Faserverbundwerkstoffen. mechanische Eigenschaften entlang und quer zu den Fasern und geringe Empfindlichkeit gegenüber Spannungskonzentratoren.
Auf Abb. 197 zeigt die Abhängigkeit und in und E Bor-Aluminium-Verbundwerkstoff aus dem Gehalt an Borfaser entlang (/) und quer ( 2 ) Verstärkungsachse. Je höher der Volumenanteil an Fasern, desto höher a b, a_ t und E entlang der Bewehrungsachse. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Matrix nur dann Spannungen auf die Fasern übertragen kann, wenn an der Grenzfläche zwischen Verstärkungsfaser und Matrix eine starke Bindung besteht. Um einen Kontakt zwischen den Fasern zu verhindern, muss die Matrix alle Fasern vollständig umgeben, was erreicht wird, wenn ihr Gehalt nicht weniger als 15–20 % beträgt.
Die Matrix und die Faser sollten während der Herstellung oder des Betriebs nicht miteinander interagieren (es sollte keine gegenseitige Diffusion geben), da dies zu einer Verringerung der Festigkeit des Verbundmaterials führen kann.
Die Anisotropie der Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen wird bei der eigenschaftenoptimierten Bauteilkonstruktion durch Anpassung des Widerstandsfeldes an Spannungsfelder berücksichtigt.
Die Verstärkung von Aluminium-, Magnesium- und Titanlegierungen mit feuerfesten Endlosfasern aus Bor, Siliziumcarbid, Titandiborid und Aluminiumoxid erhöht die Hitzebeständigkeit erheblich. Ein Merkmal von Kompositmaterialien ist die geringe zeitliche Erweichung (Abb. 198, a) mit Temperaturanstieg.
Reis. 198. Langzeitfestigkeit eines Bor-Aluminium-Verbundwerkstoffs mit 50 % Borfaser im Vergleich zur Festigkeit von Titanlegierungen (a) und Langzeitfestigkeit eines Nickel-Verbundwerkstoffs im Vergleich zur Festigkeit ausscheidungshärtender Legierungen ( b):
/ - Bor-Aluminium-Verbundwerkstoff; 2 - Titanlegierung; 3 - dispersionsverstärkter Verbundwerkstoff; 4 - ausscheidungshärtende Legierungen
Der Hauptnachteil von Verbundwerkstoffen mit ein- und zweidimensionaler Verstärkung ist der geringe Widerstand gegen interlaminare Scherung und Querscherung. Dieser Mangel wird von Materialien in der Massenverstärkung beraubt.
- Polymer-, Keramik- und andere Matrizen sind weit verbreitet.
ALLGEMEINE EIGENSCHAFTEN UND KLASSIFIZIERUNG
Herkömmlich verwendete metallische und nichtmetallische Werkstoffe haben weitgehend ihre strukturelle Festigkeitsgrenze erreicht. Gleichzeitig erfordert die Entwicklung moderner Technik die Schaffung von Materialien, die in einem komplexen Zusammenspiel von Kraft- und Temperaturfeldern, unter dem Einfluss von aggressiven Medien, Strahlung, Tiefvakuum und hohen Drücken zuverlässig funktionieren. Oftmals können die Anforderungen an Materialien widersprüchlich sein. Dieses Problem kann durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen gelöst werden.
Verbundwerkstoff(CM) oder Composite wird als heterogenes Massensystem bezeichnet, das aus voneinander unlöslichen Komponenten besteht, die sich in ihren Eigenschaften stark unterscheiden und deren Struktur es Ihnen ermöglicht, die Vorteile jeder von ihnen zu nutzen.
Der Mensch hat das Konstruktionsprinzip von CM aus der Natur entlehnt. Typische Verbundmaterialien sind Baumstämme, Pflanzenstämme, menschliche und tierische Knochen.
CMs ermöglichen eine bestimmte Kombination von heterogenen Eigenschaften: hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit, Hitzebeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Hitzeschutzeigenschaften usw. Das Spektrum der CM-Eigenschaften kann mit herkömmlichen Materialien nicht erreicht werden. Ihr Einsatz ermöglicht bisher unzugängliche, grundlegend neue Designs.
Dank CM ist ein neuer Qualitätssprung bei der Steigerung der Motorleistung, der Reduzierung der Masse von Maschinen und Strukturen und der Steigerung der Gewichtseffizienz von Fahrzeugen und Luft- und Raumfahrtfahrzeugen möglich geworden.
Wichtige Eigenschaften von Materialien, die unter diesen Bedingungen arbeiten, sind die spezifische Festigkeit σ in /ρ und die spezifische Steifigkeit E/ρ, wo σ in - vorübergehender Widerstand, E ist der Normalelastizitätsmodul, ρ ist die Dichte des Materials.
Hochfeste Legierungen haben in der Regel eine geringe Duktilität, eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Spannungskonzentratoren und einen relativ geringen Widerstand gegen die Entwicklung von Ermüdungsrissen. Obwohl Verbundwerkstoffe auch eine geringe Duktilität aufweisen können, sind sie viel weniger empfindlich gegenüber Belastungskonzentratoren und widerstehen einem Ermüdungsbruch besser. Dies liegt an dem unterschiedlichen Mechanismus der Rissbildung in hochfesten Stählen und Legierungen. Bei hochfesten Stählen entwickelt sich ein Riss, der eine kritische Größe erreicht hat, dann fortschreitend.
Bei Verbundwerkstoffen wirkt ein anderer Mechanismus. Der Riss, der sich in der Matrix bewegt, trifft an der Matrix-Faser-Grenzfläche auf ein Hindernis. Fasern hemmen die Rissbildung und ihre Anwesenheit in der Kunststoffmatrix führt zu einer Erhöhung der Bruchzähigkeit.
Damit vereint das Verbundsystem zwei gegensätzliche Eigenschaften, die für Strukturwerkstoffe erforderlich sind – hohe Festigkeit durch hochfeste Fasern und ausreichende Bruchzähigkeit durch die Kunststoffmatrix und den Bruchenergieabbaumechanismus.
CMs bestehen aus einer relativ plastischen Matrixmaterialbasis und härteren und stärkeren Komponenten, die Füllstoffe sind. Die Eigenschaften von CM hängen von den Eigenschaften der Basis, der Füllstoffe und der Stärke der Bindung zwischen ihnen ab.
Die Matrix bindet die Zusammensetzung zu einem Monolith, verleiht ihr eine Form und dient dazu, äußere Belastungen von Füllstoffen auf die Verstärkung zu übertragen. Je nach Grundwerkstoff unterscheidet man CMs mit Metallmatrix bzw. Metallverbundwerkstoffen (MCM), mit Polymer-Polymer-Verbundwerkstoffen (PCM) und mit Keramik-Keramik-Verbundwerkstoffen (CMC).
Die führende Rolle bei der Verstärkung von CMs spielen Füllstoffe, die oft als Härter. Sie haben eine hohe Festigkeit, Härte und Elastizitätsmodul. Je nach Art der verstärkenden Füllstoffe werden CMs unterteilt in dispersionsverstärkt,faserig und geschichtet(Abb. 28.2).
Reis. 28.2. Schemata der Struktur von Verbundwerkstoffen: a) dispersionsverstärkt; b) faserig; in) geschichtet
In dispersionsgehärtete KM werden feine, gleichmäßig verteilte Feuerfestpartikel aus Karbiden, Oxiden, Nitriden etc. künstlich eingebracht, die mit der Matrix nicht wechselwirken und sich in dieser bis zum Schmelzpunkt der Phasen nicht auflösen. Je kleiner die Füllstoffpartikel und je kleiner der Abstand zwischen ihnen ist, desto stärker ist die CM. Anders als bei faserigen, ist bei dispersionsverstärkten CMs das tragende Hauptelement die Matrix. Das Ensemble aus dispergierten Füllstoffpartikeln festigt das Material aufgrund des Widerstands gegen die Bewegung von Versetzungen unter Belastung, was eine plastische Verformung verhindert. Bis zur Schmelztemperatur der Matrix wird ein effektiver Widerstand gegen Versetzungsbewegungen geschaffen, wodurch sich dispersionsverstärkte CM durch eine hohe Warmfestigkeit und Kriechfestigkeit auszeichnen.
Verstärkung in faserigem CM können Fasern verschiedener Formen sein: Fäden, Bänder, Maschen verschiedener Bindungen. Die Verstärkung von faserigem CM kann nach einem einachsigen, zweiachsigen und dreiachsigen Schema durchgeführt werden (Abb. 28.3, a).
Die Festigkeit und Steifigkeit solcher Materialien wird durch die Eigenschaften der Verstärkungsfasern bestimmt, die die Hauptlast aufnehmen. Die Verstärkung bringt eine größere Festigkeitssteigerung, aber die Dispersionshärtung ist technologisch einfacher umzusetzen.
Schichtverbundwerkstoffe (Abb. 28.3, b) bestehen aus abwechselnden Schichten von Füll- und Matrixmaterial (Sandwich-Typ). Die Füllschichten in solchen CMs können unterschiedliche Orientierungen haben. Es ist möglich, Füllschichten aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften abwechselnd zu verwenden. Für Schichtaufbauten werden üblicherweise nichtmetallische Materialien verwendet.
Reis. 28.3. Faserverstärkungsschemata ( a) und geschichtet ( b) Kompositmaterialien
DISPERSIONSGEHÄRTETE VERBUNDWERKSTOFFE
Bei der Dispersionsverfestigung blockieren die Partikel die Gleitvorgänge in der Matrix. Die Wirksamkeit der Härtung unter der Bedingung minimaler Wechselwirkung mit der Matrix hängt von der Art der Partikel, ihrer Volumenkonzentration sowie der Gleichmäßigkeit der Verteilung in der Matrix ab. Aufbringen dispergierter Partikel aus feuerfesten Phasen wie Al 2 O 3 , SiO 2 , BN, SiC mit geringer Dichte und hohem Elastizitätsmodul. CM wird normalerweise durch Pulvermetallurgie hergestellt, deren wichtiger Vorteil die Isotropie der Eigenschaften in verschiedenen Richtungen ist.
In der Industrie werden meist dispersionsverstärkte CM auf Aluminium- und seltener auf Nickelbasis eingesetzt. Charakteristische Vertreter dieser Art von Verbundwerkstoffen sind Werkstoffe vom Typ SAP (Sintered Aluminium Powder), die aus einer mit dispergierten Aluminiumoxidpartikeln verstärkten Aluminiummatrix bestehen. Aluminiumpulver wird durch Aufsprühen von geschmolzenem Metall und anschließendes Mahlen in Kugelmühlen auf eine Größe von etwa 1 Mikron in Gegenwart von Sauerstoff erhalten. Mit zunehmender Mahldauer wird das Pulver feiner und der Gehalt an Aluminiumoxid steigt. Weitere Technologien zur Herstellung von Produkten und Halbfertigprodukten von SAP umfassen Kaltpressen, Vorsintern, Heißpressen, Walzen oder Extrudieren von gesinterten Aluminiumbarren in Form von Endprodukten, die einer zusätzlichen Wärmebehandlung unterzogen werden können.
Legierungen vom SAP-Typ werden im heißen Zustand zufriedenstellend verformt, und Legierungen mit 6–9 % Al 2 O 3 werden auch bei Raumtemperatur verformt. Aus ihnen lassen sich durch Kaltziehen Folien mit einer Dicke von bis zu 0,03 mm gewinnen. Diese Materialien sind gut bearbeitet und haben eine hohe Korrosionsbeständigkeit.
In Russland verwendete SAP-Sorten enthalten 6–23 % Al 2 O 3 . SAP-1 zeichnet sich mit einem Gehalt von 6-9, SAP-2 - mit 9-13, SAP-3 - mit 13-18% Al 2 O 3 aus. Mit zunehmender Volumenkonzentration von Aluminiumoxid steigt die Festigkeit von Verbundwerkstoffen. Bei Raumtemperatur sind die Festigkeitseigenschaften von SAP-1 wie folgt: σ in = 280 MPa, σ 0,2 = 220 MPa; SAP-3 sind wie folgt: σ in \u003d 420 MPa, σ 0,2 \u003d 340 MPa.
Materialien vom SAP-Typ haben eine hohe Hitzebeständigkeit und übertreffen alle geschmiedeten Aluminiumlegierungen. Selbst bei einer Temperatur von 500 °C beträgt ihr σ nicht weniger als 60–110 MPa. Die Hitzebeständigkeit wird durch die verzögernde Wirkung dispergierter Partikel auf den Rekristallisationsprozess erklärt. Die Festigkeitseigenschaften von Legierungen vom SAP-Typ sind sehr stabil. Langzeitfestigkeitstests von Legierungen vom Typ SAP-3 über 2 Jahre hatten praktisch keinen Einfluss auf das Eigenschaftsniveau sowohl bei Raumtemperatur als auch bei Erwärmung auf 500 °C. Bei 400 °C ist die SAP-Festigkeit 5-mal höher als die der Alterung Aluminiumlegierungen.
Legierungen vom SAP-Typ werden in verwendet Luftfahrttechnik zur Herstellung von Teilen mit hoher spezifischer Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, die bei Temperaturen von bis zu 300–500 °C arbeiten. Aus ihnen werden Kolbenstangen, Verdichterschaufeln, Schalen von Brennelementen und Wärmetauscherrohre hergestellt.
CM wird durch Pulvermetallurgie unter Verwendung von dispergierten Partikeln aus Siliciumcarbid SiC erhalten. Die chemische Verbindung SiC hat eine Reihe positiver Eigenschaften: hoher Schmelzpunkt (mehr als 2650 ° C), hohe Festigkeit (ca. 2000 MPa) und Elastizitätsmodul (> 450 GPa), geringe Dichte (3200 kg / m 3) und gute Korrosion Widerstand. Die Herstellung von abrasiven Siliziumpulvern ist von der Industrie beherrscht worden.
Pulver aus Aluminiumlegierung und SiC werden gemischt, einer Vorverdichtung unter niedrigem Druck unterzogen und dann in Stahlbehältern im Vakuum bei der Schmelztemperatur der Matrixlegierung, d. h. in einem fest-flüssigen Zustand, heiß gepresst. Das resultierende Werkstück wird einer Sekundärverformung unterzogen, um Halbzeuge in der gewünschten Form und Größe zu erhalten: Bleche, Stäbe, Profile usw.
Verbundwerkstoffe bestehen aus einer Metallmatrix (häufiger Al, Mg, Ni und deren Legierungen), die mit hochfesten Fasern (Faserwerkstoffe) oder fein verteilten feuerfesten Partikeln, die sich im Grundmetall nicht auflösen (dispersionsverfestigte Werkstoffe), verstärkt ist. Die Metallmatrix bindet die Fasern (dispergierte Partikel) zu einem einzigen Ganzen. Fasern (dispergierte Partikel) plus ein Bindemittel (Matrix), die eine bestimmte Zusammensetzung bilden, werden Verbundmaterialien genannt.
Verbundwerkstoffe mit nichtmetallischer Matrix
Verbundwerkstoffe mit einer nichtmetallischen Matrix haben breite Anwendung gefunden. Als nichtmetallische Matrizen können Polymer, Kohlenstoff u keramische Materialien. Von den Polymermatrizen werden am häufigsten Epoxid, Phenol-Formaldehyd und Polyamid verwendet.
Kohlenstoffmatrizen verkokt oder Pyrokohlenstoff, erhalten aus synthetischen Polymeren, die einer Pyrolyse unterzogen werden. Die Matrix bindet die Zusammensetzung und gibt ihr Form. Verstärker sind Fasern: Glas, Kohlenstoff, Bor, organisch, basierend auf Whiskern (Oxide, Carbide, Boride, Nitride und andere) sowie Metall (Drähte), die eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweisen.
Die Eigenschaften von Verbundwerkstoffen hängen von der Zusammensetzung der Komponenten, ihrer Kombination, ihrem Mengenverhältnis und ihrer Bindungsstärke zwischen ihnen ab.
Verstärkungsmaterialien können in Form von Fasern, Seilen, Fäden, Bändern, mehrschichtigen Geweben vorliegen.
Der Gehalt des Härters in orientierten Materialien beträgt 60-80 Vol.%, in nicht orientierten (mit diskreten Fasern und Whiskers) - 20-30 Vol.%. Je höher die Festigkeit und der Elastizitätsmodul der Fasern sind, desto höher sind die Festigkeit und Steifigkeit des Verbundmaterials. Die Eigenschaften der Matrix bestimmen die Scher- und Druckfestigkeit der Zusammensetzung und den Widerstand gegen Ermüdungsbruch.
Verbundwerkstoffe werden je nach Art des Härters in Glasfasern, Kohlefasern mit Kohlefasern, Borfasern und Organfasern eingeteilt.
Bei laminierten Materialien werden mit einem Bindemittel imprägnierte Fasern, Fäden, Bänder in der Verlegeebene parallel zueinander verlegt. Flache Lagen werden zu Platten zusammengesetzt. Die Eigenschaften sind anisotrop. Für die Arbeit des Materials im Produkt ist es wichtig, die Richtung der einwirkenden Lasten zu berücksichtigen. Sie können Materialien mit isotropen und anisotropen Eigenschaften erstellen. Sie können die Fasern in verschiedenen Winkeln verlegen und so die Eigenschaften von Verbundwerkstoffen variieren. Die Biege- und Torsionssteifigkeit des Materials hängt von der Reihenfolge des Verlegens der Schichten entlang der Dicke des Pakets ab.
Das Verlegen von Verstärkungselementen aus drei, vier oder mehr Fäden wird verwendet.
Die größte Anwendung findet die Struktur aus drei senkrecht zueinander stehenden Fäden. Härter können in axialer, radialer und Umfangsrichtung angeordnet sein.
Dreidimensionale Materialien können in Form von Blöcken, Zylindern beliebig dick sein. Bauschige Stoffe erhöhen die Schälfestigkeit und Scherfestigkeit im Vergleich zu mehrlagigen Stoffen. Ein System aus vier Strängen wird aufgebaut, indem das Verstärkungsmittel entlang der Diagonalen des Würfels expandiert wird. Die Struktur aus vier Fäden ist ausgewogen, hat eine erhöhte Schersteifigkeit in den Hauptebenen.
Das Erstellen von Materialien mit vier Richtungen ist jedoch schwieriger als das Erstellen von Materialien mit drei Richtungen.
Diese Art von Verbundmaterialien umfasst Materialien wie SAP (gesintertes Aluminiumpulver), bei denen es sich um Aluminium handelt, das mit dispergierten Partikeln aus Aluminiumoxid verstärkt ist. Aluminiumpulver wird durch Aufsprühen von geschmolzenem Metall und anschließendes Mahlen in Kugelmühlen auf eine Größe von etwa 1 Mikron in Gegenwart von Sauerstoff erhalten. Mit zunehmender Mahldauer wird das Pulver feiner und der Gehalt an Aluminiumoxid steigt. Weitere Technologien zur Herstellung von Produkten und Halbfertigprodukten von SAP umfassen Kaltpressen, Vorsintern, Heißpressen, Walzen oder Extrudieren von gesinterten Aluminiumbarren in Form von Endprodukten, die einer zusätzlichen Wärmebehandlung unterzogen werden können.
Legierungen vom SAP-Typ werden in der Luftfahrttechnik zur Herstellung von Teilen mit hoher spezifischer Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit verwendet, die bei Temperaturen von bis zu 300–500 °C arbeiten. Aus ihnen werden Kolbenstangen, Verdichterschaufeln, Schalen von Brennelementen und Wärmetauscherrohre hergestellt.
Die Verstärkung von Aluminium und seinen Legierungen mit Stahldraht erhöht die Festigkeit, erhöht den Elastizitätsmodul, die Ermüdungsbeständigkeit und erweitert den Temperaturbereich des Materials.
Die Verstärkung mit Kurzfasern erfolgt durch pulvermetallurgische Verfahren, bestehend aus Pressen gefolgt von Hydroextrusion oder Walzen von Rohlingen. Bei einer Verstärkung mit Endlosfasern aus sandwichartigen Zusammensetzungen, die aus abwechselnden Schichten bestehen Aluminiumfolie und Fasern, Walzen, Heißpressen, Explosionsschweißen, Diffusionsschweißen verwendet.
Ein sehr vielversprechendes Material ist die Aluminium-Beryllium-Drahtzusammensetzung, die die hohen physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Berylliumverstärkung und vor allem ihre geringe Dichte und hohe spezifische Steifigkeit verwirklicht. Zusammensetzungen mit Berylliumdraht werden durch Diffusionsschweißen von Paketen aus abwechselnden Schichten von Berylliumdraht und Matrixblechen erhalten. Mit Stahl- und Berylliumdrähten verstärkte Aluminiumlegierungen werden zur Herstellung von Raketenkörperteilen und Treibstofftanks verwendet.
In der Zusammensetzung "Aluminium - Kohlefaser" ermöglicht die Kombination aus Verstärkung und Matrix mit geringer Dichte die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit hoher spezifischer Festigkeit und Steifigkeit. Der Nachteil von Kohlenstofffasern ist ihre Zerbrechlichkeit und hohe Reaktivität. Die Aluminium-Kohlenstoff-Zusammensetzung wird durch Imprägnieren von Kohlenstofffasern mit flüssigem Metall oder durch pulvermetallurgische Verfahren erhalten. Technisch ist es am einfachsten möglich, Kohlefaserbündel durch eine Aluminiumschmelze zu ziehen.
Der Aluminium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff wird bei der Konstruktion der Kraftstofftanks moderner Kampfflugzeuge verwendet. Aufgrund der hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit des Materials wird die Masse von Kraftstofftanks um 30 % reduziert. Dieses Material wird auch zur Herstellung von Turbinenschaufeln für Flugzeuggasturbinentriebwerke verwendet.
Verbundwerkstoffe mit nichtmetallischer Matrix
Verbundwerkstoffe mit einer nichtmetallischen Matrix sind in der Industrie weit verbreitet. Als nichtmetallische Matrizen werden Polymer-, Kohlenstoff- und Keramikmaterialien verwendet. Von den Polymermatrizen werden am häufigsten Epoxid, Phenol-Formaldehyd und Polyamid verwendet. Kohlenstoffmatrizen werden verkokt oder aus synthetischen Polymeren gewonnen, die einer Pyrolyse (Zersetzung, Zersetzung) unterzogen werden. Die Matrix bindet die Zusammensetzung und gibt ihr Form. Festigkeitsträger sind Fasern: Glas, Kohlenstoff, Bor, organisch, basierend auf Whiskern (Oxide, Carbide, Boride, Nitride usw.) sowie Metall (Drähte), die eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweisen.
Die Eigenschaften von Verbundwerkstoffen hängen von der Zusammensetzung der Komponenten, ihrer Kombination, ihrem Mengenverhältnis und ihrer Bindungsstärke zwischen ihnen ab.
Der Gehalt des Härters in orientierten Materialien beträgt 60–80 Vol.-%. %, in nicht-orientiertem (mit diskreten Fasern und Whiskers) - 20 - 30 vol. %. Je höher die Festigkeit und der Elastizitätsmodul der Fasern sind, desto höher sind die Festigkeit und Steifigkeit des Verbundmaterials. Die Eigenschaften der Matrix bestimmen die Scher- und Druckfestigkeit der Zusammensetzung und den Widerstand gegen Ermüdungsbruch.
Verbundwerkstoffe werden je nach Art des Härters in Glasfasern, Kohlefasern mit Kohlefasern, Borfasern und Organfasern eingeteilt.
Bei laminierten Materialien werden mit einem Bindemittel imprägnierte Fasern, Fäden, Bänder in der Verlegeebene parallel zueinander verlegt. Planare Schichten werden zu Platten zusammengesetzt. Die Eigenschaften sind anisotrop. Für die Arbeit des Materials im Produkt ist es wichtig, die Richtung der einwirkenden Lasten zu berücksichtigen. Sie können Materialien mit isotropen und anisotropen Eigenschaften erstellen. Sie können die Fasern in verschiedenen Winkeln verlegen und so die Eigenschaften von Verbundwerkstoffen variieren. Die Biege- und Torsionssteifigkeit des Materials hängt von der Reihenfolge des Verlegens der Schichten entlang der Dicke des Pakets ab.
Das Stapeln von Verstärkungselementen aus drei, vier oder mehr Fäden wird verwendet (Abb. 7). Die größte Anwendung findet die Struktur aus drei senkrecht zueinander stehenden Fäden. Härter können in axialer, radialer und Umfangsrichtung angeordnet sein.
Dreidimensionale Materialien können in Form von Blöcken, Zylindern beliebig dick sein. Bauschige Stoffe erhöhen die Schälfestigkeit und Scherfestigkeit im Vergleich zu mehrlagigen Stoffen. Ein System aus vier Strängen wird aufgebaut, indem die Bewehrung entlang der Diagonalen des Würfels platziert wird. Die Struktur aus vier Fäden ist ausgewogen, hat eine erhöhte Schersteifigkeit in den Hauptebenen. Das Erstellen von Materialien mit vier Richtungen ist jedoch schwieriger als das Erstellen von Materialien mit drei Richtungen.
Reis. 7. Schema der Verstärkung von Verbundwerkstoffen: 1 - rechteckig, 2 - sechseckig, 3 - schräg, 4 - mit gekrümmten Fasern, 5 - ein System von n Fäden
Am effektivsten in Bezug auf den Einsatz unter den härtesten Bedingungen der Trockenreibung sind Gleitmaterialien auf Basis von Polytetrafluorethylen (PTFE).
PTFE zeichnet sich durch einen ziemlich hohen statischen Reibungskoeffizienten aus, jedoch bildet sich bei Gleitreibung eine sehr dünne Schicht aus hochorientiertem Polymer auf der Oberfläche von PTFE, was dazu beiträgt, die statischen und dynamischen Reibungskoeffizienten auszugleichen und eine reibungslose Bewegung beim Gleiten zu ermöglichen. Wenn die Gleitrichtung geändert wird, bewirkt das Vorhandensein eines orientierten Oberflächenfilms eine vorübergehende Erhöhung des Reibungskoeffizienten, dessen Wert mit der Umorientierung der Oberflächenschicht wieder abnimmt. Dieses Verhalten von PTFE unter Reibung hat zu einer weiten Verbreitung in der Industrie geführt, wo ungefülltes PTFE hauptsächlich zur Herstellung von Lagern verwendet wird. Ungeschmierte Lager müssen in vielen Fällen mit höheren Reibungsgeschwindigkeiten betrieben werden. Gleichzeitig zeichnet sich ungefülltes PTFE durch hohe Werte des Reibungskoeffizienten und der Verschleißrate aus. Als Materialien für nicht geschmierte Lager, die unter solchen Bedingungen betrieben werden, haben Verbundmaterialien, meistens auf der Basis von PTFE, breite Anwendung gefunden.
Der einfachste Weg, die relativ hohe Verschleißrate von PTFE bei der Trockenreibung zu reduzieren, ist das Einbringen von pulverförmigen Füllstoffen. Dabei steigt die Kriechfestigkeit unter Druck und eine deutliche Erhöhung der Verschleißfestigkeit bei trockener Reibung ist zu beobachten. Durch das Einbringen der optimalen Füllstoffmenge kann die Verschleißfestigkeit bis auf das 10 4 -fache gesteigert werden.
Polymere und darauf basierende Verbundwerkstoffe haben einzigartige physikalische und mechanische Eigenschaften, aufgrund derer sie erfolgreich mit herkömmlichen Baustählen und Legierungen konkurrieren, und in einigen Fällen ist es unmöglich, die erforderlichen funktionellen Eigenschaften und Leistungen von Spezialprodukten und -maschinen bereitzustellen ohne die Verwendung von Polymermaterialien. Die hohe Herstellbarkeit und der geringe Energieverbrauch von Technologien zur Verarbeitung von Kunststoffen zu Produkten, kombiniert mit den oben genannten Vorteilen von PCM, machen sie zu sehr vielversprechenden Materialien für Maschinenteile für verschiedene Zwecke.
Diese Art von Verbundmaterialien umfasst Materialien wie SAP (gesintertes Aluminiumpulver), bei denen es sich um Aluminium handelt, das mit dispergierten Partikeln aus Aluminiumoxid verstärkt ist. Aluminiumpulver wird durch Aufsprühen von geschmolzenem Metall und anschließendes Mahlen in Kugelmühlen auf eine Größe von etwa 1 Mikron in Gegenwart von Sauerstoff erhalten. Mit zunehmender Mahldauer wird das Pulver feiner und der Gehalt an Aluminiumoxid steigt. Weitere Technologien zur Herstellung von Produkten und Halbfertigprodukten von SAP umfassen Kaltpressen, Vorsintern, Heißpressen, Walzen oder Extrudieren von gesinterten Aluminiumbarren in Form von Endprodukten, die einer zusätzlichen Wärmebehandlung unterzogen werden können.
Legierungen vom SAP-Typ werden in der Luftfahrttechnik zur Herstellung von Teilen mit hoher spezifischer Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit verwendet, die bei Temperaturen von bis zu 300–500 °C arbeiten. Aus ihnen werden Kolbenstangen, Verdichterschaufeln, Schalen von Brennelementen und Wärmetauscherrohre hergestellt.
Die Verstärkung von Aluminium und seinen Legierungen mit Stahldraht erhöht die Festigkeit, erhöht den Elastizitätsmodul, die Ermüdungsbeständigkeit und erweitert den Temperaturbereich des Materials.
Die Verstärkung mit Kurzfasern erfolgt durch pulvermetallurgische Verfahren, bestehend aus Pressen gefolgt von Hydroextrusion oder Walzen von Rohlingen. Beim Verstärken von sandwichartigen Zusammensetzungen, die aus abwechselnden Schichten von Aluminiumfolie und Fasern bestehen, mit kontinuierlichen Fasern werden Walzen, Heißpressen, Explosionsschweißen und Diffusionsschweißen verwendet.
Ein sehr vielversprechendes Material ist die Zusammensetzung "Aluminium - Berylliumdraht", die die hohen physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Berylliumverstärkung und vor allem ihre geringe Dichte und hohe spezifische Steifigkeit umsetzt. Zusammensetzungen mit Berylliumdraht werden durch Diffusionsschweißen von Paketen aus abwechselnden Schichten von Berylliumdraht und Matrixblechen erhalten. Mit Stahl- und Berylliumdrähten verstärkte Aluminiumlegierungen werden zur Herstellung von Raketenkörperteilen und Treibstofftanks verwendet.
In der Zusammensetzung "Aluminium - Kohlenstofffasern" ermöglicht die Kombination aus Verstärkung und Matrix mit geringer Dichte die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit hoher spezifischer Festigkeit und Steifigkeit. Der Nachteil von Kohlenstofffasern ist ihre Zerbrechlichkeit und hohe Reaktivität. Die Zusammensetzung "Aluminium - Kohlenstoff" wird durch Imprägnieren von Kohlenstofffasern mit flüssigem Metall oder durch pulvermetallurgische Verfahren erhalten. Technisch ist es am einfachsten möglich, Kohlefaserbündel durch eine Aluminiumschmelze zu ziehen.
Der Verbundstoff "Aluminium - Kohlenstoff" wird bei der Konstruktion der Kraftstofftanks moderner Jäger verwendet. Durch die hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit des Materials wird die Masse von Kraftstofftanks um reduziert
dreißig %. Dieses Material wird auch zur Herstellung von Turbinenschaufeln für Flugzeuggasturbinentriebwerke verwendet.
