Komposiitmaterjalid koosnevad metallmaatriksist(tavaliselt A1, Mg, Ni ja nende sulamid), karastatud ülitugevate kiudude (kiudmaterjalid) või peendisperssete tulekindlate osakestega, mitteväärismetallis lahustumatu (dispersioontugevdatud materjalid). Metallmaatriks seob kiud (dispergeeritud osakesed) ühtseks tervikuks. Kiud (dispergeeritud osakesed) pluss hunnik (maatriks), mis selle moodustavad
Riis. üks
1 - granuleeritud (dispersioontugevdatud) materjal (l/d-mina): 2 - diskreetne kiudkomposiitmaterjal; 3 - pidevalt kiuline komposiitmaterjal; 4 - kiudude pidev ladumine; 5 - kahemõõtmeline kiudude virnastamine; 6,7 - kiudude mahuline paigaldamine
või muu kompositsioon, sai nime komposiitmaterjalid(joonis 196).
Kiudkomposiitmaterjalid.
Joonisel fig. 196 näitab kiudkomposiitmaterjalide tugevdamise skeemi. Kiulise täiteainega (tugevdajaga) komposiitmaterjalid jagatakse diskreetseteks, milles kiu pikkuse ja läbimõõdu suhe on l/d ≈ 10-tL03 ning pideva kiuga, milles l/d = co. Diskreetsed kiud on maatriksis juhuslikult paigutatud. Kiudude läbimõõt on fraktsioonidest sadade mikromeetriteni. Mida suurem on kiu pikkuse ja läbimõõdu suhe, seda suurem on tugevdusaste.
Sageli on komposiitmaterjal kihiline struktuur, milles iga kiht on tugevdatud suur hulk paralleelsed pidevad kiud. Iga kihti saab tugevdada ka kangaks kootud pidevate kiududega, mis on esialgse kujuga ja vastavad nii laiuselt kui ka pikkuselt lõppmaterjalile. Pole haruldane, et kiud on kootud kolmemõõtmelisteks struktuurideks.
Komposiitmaterjalid erinevad tavalistest sulamitest kõrgemate tõmbetugevuse ja vastupidavuspiiri väärtuste (50-100%), elastsusmooduli, jäikusteguri poolest. (Ely) ja vähenenud vastuvõtlikkus pragude tekkeks. Komposiitmaterjalide kasutamine suurendab konstruktsiooni jäikust, vähendades samal ajal selle metallikulu.
Tabel 44
Komposiitmaterjalide mehaanilised omadused on metallist alus
Komposiit- (kiud)materjalide tugevuse määravad kiudude omadused; maatriks peaks peamiselt pinged ümber jaotama tugevduselementide vahel. Seetõttu peavad kiudude tugevus ja elastsusmoodul olema oluliselt suuremad kui maatriksi tugevus ja elastsusmoodul. Jäigad tugevduskiud tajuvad koormusel kompositsioonis tekkivaid pingeid, annavad sellele tugevuse ja jäikuse kiudude orientatsiooni suunas.
Alumiiniumi, magneesiumi ja nende sulamite tugevdamiseks kasutatakse boori (o in \u003d 2500 - * -3500 MPa, E = 38h-420 GPa) ja süsinik (st in = 1400-g-3500 MPa, E 160–450 GPa) kiud, aga ka suure tugevuse ja elastsusmooduliga tulekindlatest ühenditest (karbiidid, nitriidid, boriidid ja oksiidid) valmistatud kiud. Seega on 100 μm läbimõõduga ränikarbiidkiudude st in = 2500-*m3500 MPa, E= 450 GPa. Sageli kasutatakse kiududena ülitugevat terastraati.
Titaani ja selle sulamite tugevdamiseks kasutatakse molübdeentraati, safiirkiude, ränikarbiidi ja titaanboriidi.
Niklisulamite kuumakindluse suurenemine saavutatakse nende tugevdamisega volfram- või molübdeentraadiga. Metallkiude kasutatakse ka juhtudel, kui on vaja suurt soojus- ja elektrijuhtivust. Suure tugevusega ja suure mooduliga kiudkomposiitmaterjalide paljulubavad kõvendid on alumiiniumoksiidist ja -nitriidist, ränikarbiidist ja -nitriidist, boorkarbiidist jne valmistatud vurrud, mille b = 15 000-28 000 MPa ja E= 400-*-600 GPa.
Tabelis. 44 näitab mõnede kiudkomposiitmaterjalide omadusi.
Metalli baasil valmistatud komposiitmaterjalidel on kõrge tugevus (st in, a_ x) ja kuumakindlus, samas on neil madal plastilisus. Komposiitmaterjalide kiud aga vähendavad maatriksis tekkivate pragude levimiskiirust ja kõrvaldavad peaaegu täielikult äkilised
Riis. 197. Elastsusmooduli sõltuvus E (a) ja ajutine takistus o (b) boor-alumiinium komposiitmaterjalis piki (/) ja risti (2) armatuurtelg boorkiu mahusisalduse kohta
habras luumurd. Anisotroopia on üheteljeliste kiudkomposiitmaterjalide eripära. mehaanilised omadused piki ja risti kiudusid ning madal tundlikkus stressi kontsentraatorite suhtes.
Joonisel fig. 197 näitab sõltuvust ja in ja E boor-alumiinium komposiitmaterjal boorkiu sisaldusest piki (/) ja risti ( 2 ) tugevdustelg. Mida suurem on kiudude mahusisaldus, seda suurem on a b, a_ t ja E piki tugevdustelge. Siiski tuleb arvestada, et maatriks suudab pingeid kiududele üle kanda ainult siis, kui tugevduskiu ja maatriksi vahelisel kokkupuutel on tugev side. Kiudude kokkupuute vältimiseks peab maatriks kõik kiud täielikult ümbritsema, mis saavutatakse siis, kui selle sisaldus ei ole väiksem kui 15-20%.
Maatriks ja kiud ei tohiks valmistamise või töötamise ajal üksteisega interakteeruda (ei tohiks olla vastastikust difusiooni), kuna see võib viia komposiitmaterjali tugevuse vähenemiseni.
Osade projekteerimisel võetakse arvesse kiudkomposiitmaterjalide omaduste anisotroopiat, et optimeerida omadusi, sobitades takistusvälja pingeväljadega.
Alumiiniumi, magneesiumi ja titaani sulamite tugevdamine pidevate tulekindlate boori, ränikarbiidi, titaandiboriidi ja alumiiniumoksiidi kiududega suurendab oluliselt kuumakindlust. Komposiitmaterjalide eripäraks on aeglane pehmenemiskiirus (joonis 198, a) temperatuuri tõusuga.
Riis. 198. 50% boorkiudu sisaldava boor-alumiinium komposiitmaterjali pikaajaline tugevus võrreldes titaanisulamite tugevusega (a) ja nikkelkomposiitmaterjali pikaajaline tugevus võrreldes sademekindlate sulamite tugevusega ( b):
/ - boor-alumiinium komposiit; 2 - titaani sulam; 3 - dispersioontugevdatud komposiitmaterjal; 4 - sademetega kõvenevad sulamid
Ühe- ja kahemõõtmelise tugevdusega komposiitmaterjalide peamiseks puuduseks on madal vastupidavus kihtidevahelisele nihkele ja põiknihkele. See puudus on ilma materjalidest lahtiselt tugevduses.
- Polümeerseid, keraamilisi ja muid maatrikseid kasutatakse laialdaselt.
ÜLDOMADUSED JA KLASSIFIKATSIOON
Traditsiooniliselt kasutatavad metallilised ja mittemetallilised materjalid on suures osas saavutanud oma konstruktsioonitugevuse piiri. Samal ajal nõuab kaasaegse tehnoloogia areng materjalide loomist, mis töötavad usaldusväärselt jõu- ja temperatuuriväljade keerukas kombinatsioonis agressiivse keskkonna, kiirguse, süvavaakumi ja kõrge rõhu mõjul. Sageli võivad materjalidele esitatavad nõuded olla vastuolulised. Seda probleemi saab lahendada komposiitmaterjalide abil.
komposiitmaterjal(CM) ehk komposiiti nimetatakse hulgi heterogeenseks süsteemiks, mis koosneb üksteisest lahustumatutest komponentidest, mille omadused erinevad suuresti ja mille struktuur võimaldab kasutada neist igaühe eeliseid.
Inimene laenas CM ehitamise põhimõtte loodusest. Tüüpilised komposiitmaterjalid on puutüved, taimevarred, inimeste ja loomade luud.
CM-d võimaldavad saada heterogeensete omaduste antud kombinatsiooni: kõrge eritugevus ja jäikus, kuumakindlus, kulumiskindlus, kuumusvarjestusomadused jne. CM-i omaduste spektrit ei ole võimalik saada tavaliste materjalidega. Nende kasutamine võimaldab luua varem ligipääsmatuid, põhimõtteliselt uusi kujundusi.
Tänu CM-le on saanud võimalikuks uus kvalitatiivne hüpe mootori võimsuse suurendamisel, masinate ja konstruktsioonide massi vähendamisel ning sõidukite ja kosmosesõidukite kaaluefektiivsuse suurendamisel.
Nendes tingimustes töötavate materjalide olulised omadused on eritugevus σ in /ρ ja erijäikus E/ρ, kus σ sisse - ajutine takistus, E on normaalelastsusmoodul, ρ on materjali tihedus.
Kõrge tugevusega sulamitel on reeglina madal elastsus, kõrge tundlikkus pingekontsentraatorite suhtes ja suhteliselt madal vastupidavus väsimuspragude tekkele. Kuigi komposiitmaterjalidel võib olla ka madal elastsus, on need pingekontsentraatorite suhtes palju vähem tundlikud ja taluvad paremini väsimust. Selle põhjuseks on kõrgtugevate teraste ja sulamite erinev pragude tekkemehhanism. Kõrgtugevates terastes tekib kriitilise suuruse saavutanud pragu järk-järgult.
Komposiitmaterjalides töötab teine mehhanism. Maatriksis liikuv pragu kohtab maatriksi-kiu liideses takistust. Kiud takistavad pragude teket ja nende olemasolu plastmaatriksis suurendab murdumiskindlust.
Seega ühendab komposiitsüsteem kaks konstruktsioonimaterjalidele nõutavat vastandlikku omadust – kõrge tugevuse tänu ülitugevatele kiududele ning piisava murdumiskindluse tänu plastmaatriksile ja purunemisenergia hajumise mehhanismile.
CM-id koosnevad suhteliselt plastilisest maatriksmaterjalist alusest ning kõvematest ja tugevamatest komponentidest, mis on täiteained. CM omadused sõltuvad aluse omadustest, täiteainetest ja nendevahelise sideme tugevusest.
Maatriks seob kompositsiooni monoliidiks, annab sellele kuju ja on mõeldud väliskoormuse ülekandmiseks täiteainetest armatuurile. Sõltuvalt alusmaterjalist eristatakse CM-sid metallmaatriksiga ehk metallkomposiitmaterjalidega (MCM), polümeeri-polümeeri komposiitmaterjalidega (PCM) ja keraamika-keraamiliste komposiitmaterjalidega (CMC).
Juhtivat rolli CM-ide tugevdamisel mängivad täiteained, mida sageli nimetatakse kõvendid. Neil on kõrge tugevus, kõvadus ja elastsusmoodul. Tugevdavate täiteainete tüübi järgi jagunevad CM-d järgmisteks osadeks dispersiooniga tugevdatud,kiuline ja kihiline(joonis 28.2).
Riis. 28.2. Komposiitmaterjalide struktuuri skeemid: a) dispersioontugevdatud; b) kiuline; sisse) kihiline
Karbiidide, oksiidide, nitriidide jms peened, ühtlaselt jaotunud tulekindlad osakesed, mis ei interakteeru maatriksiga ega lahustu selles kuni faaside sulamistemperatuurini, viiakse kunstlikult dispersioonkarastatud CM-idesse. Mida väiksemad on täiteosakesed ja mida väiksem on nendevaheline kaugus, seda tugevam on CM. Erinevalt kiulistest on dispersioontugevdatud CM-des põhiliseks laagrielemendiks maatriks. Dispergeeritud täiteaineosakeste ansambel tugevdab materjali tänu vastupidavusele koormuse all olevate dislokatsioonide liikumisele, mis takistab plastilist deformatsiooni. Tõhus takistus dislokatsiooniliikumisele luuakse kuni maatriksi sulamistemperatuurini, tänu millele on dispersioontugevdatud CM-idele iseloomulik kõrge kuumakindlus ja roomekindlus.
Kiulise CM-i tugevdus võib olla erineva kujuga kiud: niidid, teibid, erineva kudumisega võrgud. Kiulise CM-i tugevdamine võib toimuda ühe-, kahe- ja kolmeteljelise skeemi järgi (joonis 28.3, a).
Selliste materjalide tugevuse ja jäikuse määravad ära põhikoormuse kandvate tugevdavate kiudude omadused. Tugevdamine annab suurema tugevuse tõusu, kuid dispersioonkarastamist on tehnoloogiliselt lihtsam teostada.
Kihilised komposiitmaterjalid (joon. 28.3, b) koosnevad vahelduvatest täite- ja maatriksmaterjali kihtidest (sandwich-tüüpi). Selliste CM-de täitekihid võivad olla erineva orientatsiooniga. Võimalik on vaheldumisi kasutada erinevatest materjalidest erinevate mehaaniliste omadustega täiteainekihte. Kihiliste kompositsioonide jaoks kasutatakse tavaliselt mittemetallilisi materjale.
Riis. 28.3. Kiulised tugevdusskeemid ( a) ja kihiline ( b) komposiitmaterjalid
DISPERSIOONIGA KÕVESTUNUD KOMPOSIT MATERJALID
Dispersiooni tugevdamise ajal blokeerivad osakesed maatriksis toimuvad libisemisprotsessid. Kõvenemise efektiivsus maatriksiga minimaalse interaktsiooni tingimustes sõltub osakeste tüübist, nende mahukontsentratsioonist, samuti maatriksis jaotumise ühtsusest. Kandke tulekindlate faaside, näiteks Al 2 O 3, SiO 2, BN, SiC, hajutatud osakesi, millel on madal tihedus ja kõrge elastsusmoodul. CM toodetakse tavaliselt pulbermetallurgia abil, mille oluliseks eeliseks on omaduste isotroopsus eri suundades.
Tööstuses kasutatakse tavaliselt dispersioontugevdatud CM-sid alumiiniumil ja harvem nikli alustel. Seda tüüpi komposiitmaterjalide iseloomulikud esindajad on SAP-tüüpi (paagutatud alumiiniumipulber) materjalid, mis koosnevad alumiiniumoksiidi hajutatud osakestega tugevdatud alumiiniummaatriksist. Alumiiniumipulber saadakse sulametalli pihustamisel, millele järgneb jahvatamine kuulveskis hapniku juuresolekul umbes 1 mikroni suuruseni. Jahvatamise kestuse pikenemisega muutub pulber peenemaks ja alumiiniumoksiidi sisaldus selles suureneb. Täiendav SAP-i toodete ja pooltoodete tootmise tehnoloogia hõlmab paagutatud alumiiniumtooriku külmpressimist, eelpaagutamist, kuumpressimist, valtsimist või ekstrudeerimist valmistoodeteks, mida saab täiendavalt kuumtöödelda.
SAP-tüüpi sulamid deformeeruvad kuumas olekus rahuldavalt ning 6–9% Al 2 O 3 -ga sulamid deformeeruvad ka toatemperatuuril. Nendest saab külmtõmbamise abil saada kuni 0,03 mm paksust fooliumi. Need materjalid on hästi töödeldud ja neil on kõrge korrosioonikindlus.
Venemaal kasutatavad SAP-klassid sisaldavad 6–23% Al 2 O 3 . SAP-1 eristub sisaldusega 6-9, SAP-2 - 9-13, SAP-3 - 13-18% Al 2 O 3. Alumiiniumoksiidi mahukontsentratsiooni suurenemisega suureneb komposiitmaterjalide tugevus. Toatemperatuuril on SAP-1 tugevusnäitajad järgmised: σ in = 280 MPa, σ 0,2 = 220 MPa; SAP-3 on järgmised: σ in \u003d 420 MPa, σ 0,2 \u003d 340 MPa.
SAP-tüüpi materjalidel on kõrge kuumakindlus ja need ületavad kõiki sepistatud alumiiniumisulameid. Isegi temperatuuril 500 °C ei ole nende σ väiksem kui 60–110 MPa. Kuumakindlus on seletatav dispergeeritud osakeste aeglustava toimega ümberkristallimisprotsessile. SAP-tüüpi sulamite tugevusnäitajad on väga stabiilsed. SAP-3 tüüpi sulamite pikaajalised tugevuskatsed 2 aastat ei avaldanud praktiliselt mingit mõju omaduste tasemele nii toatemperatuuril kui ka kuumutamisel 500 °C-ni. 400 °С juures on SAP tugevus 5 korda suurem kui vananemisel alumiiniumi sulamid.
Kasutatakse SAP tüüpi sulameid lennutehnoloogia kõrge eritugevuse ja korrosioonikindlusega detailide valmistamiseks, mis töötavad temperatuuridel kuni 300–500 °C. Nendest valmistatakse kolvivardad, kompressori labad, kütuseelementide kestad ja soojusvaheti torud.
CM saadakse pulbermetallurgia abil, kasutades ränikarbiidi SiC dispergeeritud osakesi. Keemilisel ühendil SiC on mitmeid positiivseid omadusi: kõrge sulamistemperatuur (üle 2650 °C), kõrge tugevus (umbes 2000 MPa) ja elastsusmoodul (> 450 GPa), madal tihedus (3200 kg / m 3) ja hea korrosioon. vastupanu. Abrasiivsete ränipulbrite tootmine on tööstuse poolt meisterdatud.
Alumiiniumisulami ja SiC pulbrid segatakse, eelpressitakse madalal rõhul, seejärel kuumpressitakse terasmahutites vaakumis maatriksisulami sulamistemperatuuril, st tahkes-vedelas olekus. Saadud toorik allutatakse sekundaarsele deformatsioonile, et saada vajaliku kuju ja suurusega pooltooted: lehed, vardad, profiilid jne.
Komposiitmaterjalid koosnevad metallmaatriksist (sagedamini Al, Mg, Ni ja nende sulamid), mis on tugevdatud ülitugevate kiududega (kiudmaterjalid) või peendisperssete tulekindlate osakestega, mis ei lahustu mitteväärismetallis (dispersioontugevdatud materjalid). Metallmaatriks seob kiud (dispergeeritud osakesed) ühtseks tervikuks. Kiudu (dispergeeritud osakesed) ja sideainet (maatriksit), millest see või teine koostis koosneb, nimetatakse komposiitmaterjalideks.
Mittemetallilise maatriksiga komposiitmaterjalid
Mittemetallilise maatriksiga komposiitmaterjalid on leidnud laialdast rakendust. Mittemetalliliste maatriksitena kasutatakse polümeeri, süsiniku ja keraamilised materjalid. Polümeermaatriksitest on enim kasutatud epoksü-, fenoolformaldehüüdi ja polüamiidi.
Süsinikmaatriksid, mis on koksitud või pürolüüsitud sünteetilistest polümeeridest saadud pürosüsinik. Maatriks seob kompositsiooni, andes sellele vormi. Tugevdavad ained on kiud: klaas, süsinik, boor, orgaanilised kiud, mis põhinevad vurrude (oksiidid, karbiidid, boriidid, nitriidid ja teised), samuti metall (traadid), millel on kõrge tugevus ja jäikus.
Komposiitmaterjalide omadused sõltuvad komponentide koostisest, nende kombinatsioonist, kvantitatiivsest suhtest ja nendevahelise sideme tugevusest.
Tugevdusmaterjalid võivad olla kiudude, takud, niidid, teibid, mitmekihilised kangad.
Kõvendi sisaldus orienteeritud materjalides on 60-80 mahu%, mitte-orienteeritud (diskreetsete kiudude ja vurridega) - 20-30 mahu%. Mida suurem on kiudude tugevus ja elastsusmoodul, seda suurem on komposiitmaterjali tugevus ja jäikus. Maatriksi omadused määravad koostise tugevuse nihke- ja kokkusurumisel ning vastupidavuse väsimuskahjustusele.
Kõvendi tüübi järgi jaotatakse komposiitmaterjalid klaaskiududeks, süsinikkiududega süsinikkiududeks, boorkiududeks ja orelkiududeks.
Lamineeritud materjalides asetatakse sideainega immutatud kiud, niidid, teibid ladumise tasapinnas üksteisega paralleelselt. Lamedad kihid monteeritakse plaatideks. Omadused on anisotroopsed. Materjali tööks tootes on oluline arvestada mõjuvate koormuste suunda. Saate luua nii isotroopsete kui ka anisotroopsete omadustega materjale. Kiude saab asetada erinevate nurkade all, muutes komposiitmaterjalide omadusi. Materjali painde- ja väändejäikus sõltub kihtide paigaldamise järjekorrast piki pakendi paksust.
Kasutatakse kolme, nelja või enama niidi tugevdusmaterjalide paigaldamist.
Kolme vastastikku risti asetseva keerme struktuur on kõige suurema rakendusega. Kõvendid võivad paikneda aksiaal-, radiaal- ja ringsuunas.
Kolmemõõtmelised materjalid võivad olla mis tahes paksusega plokkide, silindrite kujul. Mahukad kangad suurendavad koorimistugevust ja nihkekindlust võrreldes kihiliste kangastega. Neljast kiust koosnev süsteem ehitatakse tugevdava aine laiendamisega piki kuubi diagonaale. Nelja keerme struktuur on tasakaalustatud, põhitasanditel on suurenenud nihkejäikus.
Nelja suunamaterjali loomine on aga keerulisem kui kolme suunalise materjali loomine.
Seda tüüpi komposiitmaterjalide hulka kuuluvad sellised materjalid nagu SAP (paagutatud alumiiniumpulber), mis on alumiiniumist tugevdatud alumiiniumoksiidi hajutatud osakestega. Alumiiniumipulber saadakse sulametalli pihustamisel, millele järgneb jahvatamine kuulveskis hapniku juuresolekul umbes 1 mikroni suuruseni. Jahvatamise kestuse pikenemisega muutub pulber peenemaks ja alumiiniumoksiidi sisaldus selles suureneb. Täiendav SAP-i toodete ja pooltoodete tootmise tehnoloogia hõlmab paagutatud alumiiniumtooriku külmpressimist, eelpaagutamist, kuumpressimist, valtsimist või ekstrudeerimist valmistoodeteks, mida saab täiendavalt kuumtöödelda.
SAP-tüüpi sulameid kasutatakse lennutehnoloogias kõrge eritugevuse ja korrosioonikindlusega detailide valmistamiseks, mis töötavad temperatuuridel kuni 300 - 500 °C. Nendest valmistatakse kolvivardad, kompressori labad, kütuseelementide kestad ja soojusvaheti torud.
Alumiiniumi ja selle sulamite tugevdamine terastraadiga suurendab nende tugevust, suurendab elastsusmoodulit, väsimuskindlust ja laiendab materjali temperatuurivahemikku.
Lühikeste kiududega tugevdamine toimub pulbermetallurgia meetoditega, mis seisnevad pressimises, millele järgneb toorikute hüdroekstrusioon või valtsimine. Vahelduvatest kihtidest koosnevate sandwich-tüüpi kompositsioonide pidevate kiududega tugevdamisel alumiiniumfoolium ja kasutatakse kiude, valtsimist, kuumpressimist, plahvatuskeevitust, difusioonkeevitust.
Väga paljulubav materjal on alumiinium-berülliumtraadi koostis, mis realiseerib berülliumarmatuuri kõrgeid füüsikalisi ja mehaanilisi omadusi ning ennekõike selle madalat tihedust ja suurt erijäikust. Berülliumtraadiga kompositsioonid saadakse berülliumtraadi ja maatrikslehtede vahelduvatest kihtidest pakkide difusioonkeevitamisel. Teras- ja berülliumtraatidega tugevdatud alumiiniumsulameid kasutatakse raketi keredetailide ja kütusepaakide valmistamiseks.
Kompositsioonis "Alumiinium-süsinikkiud" võimaldab madala tihedusega tugevduse ja maatriksi kombinatsioon luua suure eritugevuse ja jäikusega komposiitmaterjale. Süsinikkiudude puuduseks on nende haprus ja kõrge reaktsioonivõime. Alumiinium-süsinik koostis saadakse süsinikkiudude immutamisel vedela metalliga või pulbermetallurgia meetoditega. Tehnoloogiliselt on kõige lihtsam tõmmata süsinikkiudude kimbud läbi alumiiniumsulami.
Alumiinium-süsinik komposiiti kasutatakse kaasaegsete hävitajate kütusepaakide projekteerimisel. Materjali suure eritugevuse ja jäikuse tõttu väheneb kütusepaakide mass 30%. Seda materjali kasutatakse ka lennukite gaasiturbiinmootorite turbiinilabade valmistamiseks.
Mittemetallilise maatriksiga komposiitmaterjalid
Tööstuses kasutatakse laialdaselt mittemetallilise maatriksiga komposiitmaterjale. Mittemetalliliste maatriksitena kasutatakse polümeeri, süsinikku ja keraamilisi materjale. Polümeermaatriksitest on enim kasutatud epoksü-, fenoolformaldehüüdi ja polüamiidi. Süsinikmaatriksid koksitakse või saadakse sünteetilistest polümeeridest, mis on allutatud pürolüüsile (lagunemine, lagunemine). Maatriks seob kompositsiooni, andes sellele vormi. Tugevdajad on kiud: klaas, süsinik, boor, orgaaniline, vurrude (oksiidid, karbiidid, boriidid, nitriidid jne) baasil, samuti metall (traadid), millel on kõrge tugevus ja jäikus.
Komposiitmaterjalide omadused sõltuvad komponentide koostisest, nende kombinatsioonist, kvantitatiivsest suhtest ja nendevahelise sideme tugevusest.
Kõvendi sisaldus orienteeritud materjalides on 60–80 vol. %, orienteerimata (diskreetsete kiudude ja vurridega) - 20 - 30 vol. %. Mida suurem on kiudude tugevus ja elastsusmoodul, seda suurem on komposiitmaterjali tugevus ja jäikus. Maatriksi omadused määravad koostise tugevuse nihke- ja kokkusurumisel ning vastupidavuse väsimuskahjustusele.
Kõvendi tüübi järgi jaotatakse komposiitmaterjalid klaaskiududeks, süsinikkiududega süsinikkiududeks, boorkiududeks ja orelkiududeks.
Lamineeritud materjalides asetatakse sideainega immutatud kiud, niidid, teibid ladumise tasapinnas üksteisega paralleelselt. Tasapinnalised kihid monteeritakse plaatideks. Omadused on anisotroopsed. Materjali tööks tootes on oluline arvestada mõjuvate koormuste suunda. Saate luua nii isotroopsete kui ka anisotroopsete omadustega materjale. Kiude saab asetada erinevate nurkade all, muutes komposiitmaterjalide omadusi. Materjali painde- ja väändejäikus sõltub kihtide paigaldamise järjekorrast piki pakendi paksust.
Kasutatakse kolme, nelja või enama keermega tugevduselementide virnastamist (joonis 7). Kolme vastastikku risti asetseva keerme struktuur on kõige suurema rakendusega. Kõvendid võivad paikneda aksiaal-, radiaal- ja ringsuunas.
Kolmemõõtmelised materjalid võivad olla mis tahes paksusega plokkide, silindrite kujul. Mahukad kangad suurendavad koorimistugevust ja nihkekindlust võrreldes kihiliste kangastega. Neljast kiust koosnev süsteem ehitatakse, asetades tugevduse piki kuubi diagonaale. Nelja keerme struktuur on tasakaalustatud, põhitasanditel on suurenenud nihkejäikus. Nelja suunamaterjali loomine on aga keerulisem kui kolme suunalise materjali loomine.
Riis. 7. Komposiitmaterjalide tugevdamise skeem: 1 - ristkülikukujuline, 2 - kuusnurkne, 3 - kaldus, 4 - kumerate kiududega, 5 - n keermega süsteem
Kõige tõhusamad kasutamisel kõige raskemates kuivhõõrdetingimustes on polütetrafluoroetüleenil (PTFE) põhinevad hõõrdumist takistavad materjalid.
PTFE-d iseloomustab üsna kõrge staatiline hõõrdetegur, kuid libisemise ajal tekib PTFE pinnale väga õhuke kõrge orientatsiooniga polümeerikiht, mis aitab ühtlustada staatilist ja dünaamilist hõõrdetegurit ning sujuvat liikumist libisemisel. Libisemissuuna muutmisel põhjustab orienteeritud pinnakile olemasolu ajutise hõõrdeteguri tõusu, mille väärtus pinnakihi ümberorienteerimisel taas väheneb. PTFE selline käitumine hõõrdumisel on toonud kaasa selle laialdase kasutamise tööstuses, kus täitmata PTFE-d kasutatakse peamiselt laagrite tootmiseks. Paljudel juhtudel peavad määrimata laagrid töötama suuremal hõõrdekiirusel. Samal ajal iseloomustavad täitmata PTFE hõõrdeteguri ja kulumiskiiruse kõrged väärtused. Sellistes tingimustes töötavate määrimata laagrite materjalidena on kõige sagedamini PTFE-l põhinevad komposiitmaterjalid leidnud laialdast rakendust.
Lihtsaim viis PTFE suhteliselt kõrge kulumise vähendamiseks kuivhõõrdumise ajal on pulbriliste täiteainete kasutuselevõtt. Sel juhul suureneb roometakistus surve all ja kuivhõõrdumise korral täheldatakse kulumiskindluse olulist suurenemist. Optimaalse koguse täiteaine kasutuselevõtt võimaldab suurendada kulumiskindlust kuni 10 4 korda.
Polümeeridel ja nendel põhinevatel komposiitmaterjalidel on ainulaadne füüsikaliste ja mehaaniliste omaduste kogum, mille tõttu nad konkureerivad edukalt traditsiooniliste konstruktsiooniteraste ja sulamitega ning mõnel juhul on võimatu tagada spetsiaalsete toodete ja masinate nõutavaid funktsionaalseid omadusi ja jõudlust. ilma polümeerseid materjale kasutamata. Plastide toodeteks töötlemise tehnoloogiate kõrge valmistatavus ja madal energiatarve koos ülalmainitud PCM-i eelistega teevad neist väga paljulubavad materjalid erinevatel eesmärkidel kasutatavate masinaosade jaoks.
Seda tüüpi komposiitmaterjalide hulka kuuluvad sellised materjalid nagu SAP (paagutatud alumiiniumpulber), mis on alumiiniumist tugevdatud alumiiniumoksiidi hajutatud osakestega. Alumiiniumipulber saadakse sulametalli pihustamisel, millele järgneb jahvatamine kuulveskis hapniku juuresolekul umbes 1 mikroni suuruseni. Jahvatamise kestuse pikenemisega muutub pulber peenemaks ja alumiiniumoksiidi sisaldus selles suureneb. Täiendav SAP-i toodete ja pooltoodete tootmise tehnoloogia hõlmab paagutatud alumiiniumtooriku külmpressimist, eelpaagutamist, kuumpressimist, valtsimist või ekstrudeerimist valmistoodeteks, mida saab täiendavalt kuumtöödelda.
SAP-tüüpi sulameid kasutatakse lennutehnoloogias kõrge eritugevuse ja korrosioonikindlusega detailide valmistamiseks, mis töötavad temperatuuridel kuni 300–500 °C. Nendest valmistatakse kolvivardad, kompressori labad, kütuseelementide kestad ja soojusvaheti torud.
Alumiiniumi ja selle sulamite tugevdamine terastraadiga suurendab nende tugevust, suurendab elastsusmoodulit, väsimuskindlust ja laiendab materjali temperatuurivahemikku.
Lühikeste kiududega tugevdamine toimub pulbermetallurgia meetoditega, mis seisnevad pressimises, millele järgneb toorikute hüdroekstrusioon või valtsimine. Alumiiniumfooliumi ja kiudude vahelduvatest kihtidest koosnevate sandwich-tüüpi kompositsioonide pidevate kiududega tugevdamisel kasutatakse valtsimist, kuumpressimist, plahvatuskeevitust ja difusioonkeevitust.
Väga paljulubav materjal on koostis "alumiinium-berülliumtraat", mis rakendab berülliumarmatuuri kõrgeid füüsikalisi ja mehaanilisi omadusi ning ennekõike selle madalat tihedust ja suurt erijäikust. Berülliumtraadiga kompositsioonid saadakse berülliumtraadi ja maatrikslehtede vahelduvatest kihtidest pakkide difusioonkeevitamisel. Teras- ja berülliumtraatidega tugevdatud alumiiniumsulameid kasutatakse raketi keredetailide ja kütusepaakide valmistamiseks.
Kompositsioonis "alumiinium-süsinikkiud" võimaldab madala tihedusega tugevduse ja maatriksi kombinatsioon luua kõrge eritugevuse ja jäikusega komposiitmaterjale. Süsinikkiudude puuduseks on nende haprus ja kõrge reaktsioonivõime. Kompositsioon "alumiinium-süsinik" saadakse süsinikkiudude immutamisel vedela metalliga või pulbermetallurgia meetoditega. Tehnoloogiliselt on kõige lihtsam tõmmata süsinikkiudude kimbud läbi alumiiniumsulami.
Komposiiti "alumiinium-süsinik" kasutatakse kaasaegsete hävitajate kütusepaakide kujundamisel. Materjali suure eritugevuse ja jäikuse tõttu väheneb kütusepaakide mass võrra
kolmkümmend %. Seda materjali kasutatakse ka lennukite gaasiturbiinmootorite turbiinilabade valmistamiseks.
