A kompozit anyagok fémmátrixból állnak(általában A1, Mg, Ni és ezek ötvözetei), nagy szilárdságú szálakkal (szálas anyagok) vagy finoman diszpergált tűzálló részecskékkel edzett, nem oldódik az alapfémben (diszperziós erősségű anyagok). A fémmátrix a szálakat (diszpergált részecskéket) egyetlen egésszé köti. Rost (diszpergált részecskék) plusz egy csomó (mátrix), amelyek ezt alkotják
Rizs. egy
1 - szemcsés (diszperziós erősségű) anyag (l/d-ÉN): 2 - diszkrét szálas kompozit anyag; 3 - folyamatosan rostos kompozit anyag; 4 - szálak folyamatos lerakása; 5 - kétdimenziós szálrakás; 6,7 - szálak térfogati fektetése
vagy más kompozíció kapta a nevet kompozit anyagok(196. ábra).
Szálas kompozit anyagok.
ábrán. A 196. ábra a szálas kompozit anyagok megerősítésének sémáját mutatja. A szálas töltőanyaggal (erősítővel) ellátott kompozit anyagokat diszkrétekre osztjuk, amelyeknél a szálhossz és az átmérő aránya l/d ≈ 10-tL03, illetve a folytonos szálakra, amelyekben l/d = co. A diszkrét szálak véletlenszerűen helyezkednek el a mátrixban. A szálak átmérője a frakcióktól a több száz mikrométerig terjed. Minél nagyobb a szál hosszának és átmérőjének aránya, annál nagyobb az erősítés mértéke.
A kompozit anyag gyakran réteges szerkezet, amelyben minden réteg meg van erősítve egy nagy szám párhuzamos folytonos szálak. Mindegyik réteg megerősíthető folytonos szálakkal is, amelyeket szövetté szőttek, amely az eredeti forma, amely szélességében és hosszában megfelel a végső anyagnak. Nem ritka, hogy a szálakat háromdimenziós szerkezetekké fonják.
A kompozit anyagok a szakítószilárdság és a tartóssági határ (50-100%-kal), rugalmassági modulus, merevségi együttható magasabb értékében különböznek a hagyományos ötvözetektől (Ely)és csökkenti a repedésekre való hajlamot. A kompozit anyagok használata növeli a szerkezet merevségét, miközben csökkenti a fémfogyasztást.
44. táblázat
Kompozit anyagok mechanikai tulajdonságai on fém alap
A kompozit (szálas) anyagok szilárdságát a szálak tulajdonságai határozzák meg; a mátrixnak elsősorban az erősítő elemek közötti feszültségeket kell újraosztania. Ezért a szálak szilárdságának és rugalmassági modulusának lényegesen nagyobbnak kell lennie, mint a mátrix szilárdsága és rugalmassági modulusa. A merev erősítőszálak érzékelik a terhelés alatt a kompozícióban fellépő feszültségeket, szilárdságot és merevséget adnak a szálorientáció irányában.
Az alumínium, magnézium és ötvözeteik megerősítésére bórt használnak (o = 2500 - * -3500 MPa, E = 38h-420 GPa) és szén (st in = 1400-g-3500 MPa, E 160-450 GPa) szálak, valamint nagy szilárdságú és rugalmassági modulusú tűzálló vegyületekből (karbidok, nitridek, boridok és oxidok) készült szálak. Tehát a 100 μm átmérőjű szilícium-karbid szálak st in = 2500-*m3500 MPa, E= 450 GPa. Gyakran nagy szilárdságú acélhuzalt használnak szálként.
A titán és ötvözeteinek megerősítésére molibdénhuzalt, zafírszálakat, szilícium-karbidot és titán-boridot használnak.
A nikkelötvözetek hőállóságának növelése volfrám- vagy molibdénhuzallal való megerősítéssel érhető el. Fémszálakat olyan esetekben is alkalmaznak, amikor nagy hő- és elektromos vezetőképességre van szükség. A nagy szilárdságú és nagy modulusú rostos kompozit anyagok ígéretes keményítői az alumínium-oxidból és -nitridből, szilícium-karbidból és -nitridből, bór-karbidból stb. készült bajuszok, amelyek b = 15000-28000 MPa és E= 400-*-600 GPa.
táblázatban. A 44. ábra néhány rostos kompozit anyag tulajdonságait mutatja be.
A fém alapú kompozit anyagok nagy szilárdsággal (st in, a_ x) és hőállósággal rendelkeznek, ugyanakkor alacsony plaszticitásúak. A kompozit anyagok szálai azonban csökkentik a mátrixban keletkező repedések terjedési sebességét, és szinte teljesen kiküszöbölik a hirtelen
Rizs. 197. A rugalmassági modulus függése E (a)és átmeneti ellenállás o (b) bór-alumínium kompozit anyagban (/) mentén és keresztben (2) erősítő tengely a bórszál térfogattartalmán
rideg törés. Az anizotrópia az egytengelyű rostos kompozit anyagok megkülönböztető jellemzője. mechanikai tulajdonságok a szálak mentén és keresztben, valamint alacsony érzékenység a feszültségkoncentrátorokkal szemben.
ábrán. 197 mutatja a függőséget és in és E bór-alumínium kompozit anyag a bórszál tartalmából (/) mentén és keresztben ( 2 ) megerősítési tengely. Minél nagyobb a rostok térfogattartalma, annál nagyobb a b, a_ t és E a megerősítés tengelye mentén. Figyelembe kell azonban venni, hogy a mátrix csak akkor tud feszültséget átvinni a szálakra, ha erős kötés van az erősítőszál és a mátrix határfelületén. A szálak közötti érintkezés elkerülése érdekében a mátrixnak teljesen körül kell vennie az összes szálat, ami akkor érhető el, ha tartalma nem kevesebb, mint 15-20%.
A mátrix és a szál nem léphet kölcsönhatásba egymással (ne legyen kölcsönös diffúzió) a gyártás vagy az üzemeltetés során, mivel ez a kompozit anyag szilárdságának csökkenéséhez vezethet.
A szálas kompozit anyagok tulajdonságainak anizotrópiáját figyelembe veszik az alkatrészek tervezésénél a tulajdonságok optimalizálása érdekében, az ellenállási mező és a feszültségmezők összehangolásával.
Az alumínium, magnézium és titán ötvözetek megerősítése folytonos tűzálló bór-, szilícium-karbid-, titán-diborid- és alumínium-oxid-szálakkal jelentősen növeli a hőállóságot. A kompozit anyagok sajátossága az idő múlásával alacsony lágyulási sebesség (198. ábra, a) a hőmérséklet emelkedésével.
Rizs. 198. Az 50% bórszálat tartalmazó bór-alumínium kompozit anyag hosszú távú szilárdsága a titánötvözetek szilárdságához képest (a) és a nikkel kompozit anyag hosszú távú szilárdsága a csapadékos keményítő ötvözetek szilárdságához képest ( b):
/ - bór-alumínium kompozit; 2 - titán ötvözet; 3 - diszperziós szilárdságú kompozit anyag; 4 - csapadékkeményítő ötvözetek
Az egy- és kétdimenziós merevítésű kompozit anyagok fő hátránya a rétegközi nyírással és keresztirányú nyírással szembeni alacsony ellenállás. Ez a hiányosság megfosztja az ömlesztett megerősítő anyagokat.
- A polimer, kerámia és egyéb mátrixokat széles körben használják.
ÁLTALÁNOS JELLEMZŐK ÉS OSZTÁLYOZÁS
A hagyományosan használt fémes és nemfémes anyagok nagyrészt elérték szerkezeti szilárdsági határukat. Ugyanakkor a modern technológia fejlődéséhez olyan anyagok létrehozása szükséges, amelyek az erő- és hőmérsékleti mezők összetett kombinációjában, agresszív közegek, sugárzás, mélyvákuum és nagy nyomás hatására megbízhatóan működnek. Az anyagokra vonatkozó követelmények gyakran ellentmondásosak lehetnek. Ez a probléma kompozit anyagok felhasználásával megoldható.
kompozit anyag A (CM) vagy kompozitot ömlesztett heterogén rendszernek nevezzük, amely kölcsönösen oldhatatlan, tulajdonságaiban nagyon eltérő komponensekből áll, és amelyek szerkezete lehetővé teszi mindegyik előnyeinek kihasználását.
Az ember a CM felépítésének elvét a természettől kölcsönözte. Tipikus kompozit anyagok a fatörzsek, növényi szárak, emberi és állati csontok.
A CM-ek lehetővé teszik a heterogén tulajdonságok adott kombinációját: nagy fajlagos szilárdság és merevség, hőállóság, kopásállóság, hővédő tulajdonságok stb. A CM tulajdonságok spektruma hagyományos anyagokkal nem állítható elő. Használatuk lehetővé teszi korábban elérhetetlen, alapvetően új dizájnok létrehozását.
A CM-nek köszönhetően új minőségi ugrás vált lehetővé a motorteljesítmény növelésében, a gépek és szerkezetek tömegének csökkentésében, valamint a járművek és repülőgépek tömeghatékonyságának növelésében.
Az ilyen körülmények között működő anyagok fontos jellemzői a fajlagos szilárdság σ /ρ-ben és a fajlagos merevség E/ρ, ahol σ in - átmeneti ellenállás, E a normál rugalmassági modulus, ρ az anyag sűrűsége.
A nagy szilárdságú ötvözetek általában alacsony hajlékonysággal, nagy érzékenységgel rendelkeznek a feszültségkoncentrátorokkal szemben, és viszonylag alacsony ellenállással rendelkeznek a kifáradási repedések kialakulásával szemben. Bár a kompozit anyagoknak is alacsony a rugalmassága, sokkal kevésbé érzékenyek a feszültségkoncentrátorokra, és jobban ellenállnak a kifáradásnak. Ennek oka a nagy szilárdságú acélok és ötvözetek repedésképződésének eltérő mechanizmusa. A nagy szilárdságú acélokban a kritikus méretet elérve fokozatosan kialakul a repedés.
A kompozit anyagokban egy másik mechanizmus működik. A mátrixban mozgó repedés akadályba ütközik a mátrix-szál határfelületén. A szálak gátolják a repedések kialakulását, jelenlétük a műanyag mátrixban a törési szilárdság növekedéséhez vezet.
Így a kompozit rendszer a szerkezeti anyagokhoz szükséges két ellentétes tulajdonságot ötvözi - a nagy szilárdságú szálak miatti nagy szilárdságot és a műanyag mátrixnak és a törési energia disszipáló mechanizmusának köszönhetően megfelelő törésállóságot.
A CM-ek viszonylag műanyag mátrixú anyagalapból és keményebb és erősebb alkatrészekből állnak, amelyek töltőanyagok. A CM tulajdonságai az alap, a töltőanyagok tulajdonságaitól és a köztük lévő kötés erősségétől függenek.
A mátrix a kompozíciót monolittá köti, formát ad, és arra szolgál, hogy a külső terheléseket átadja a töltőanyagok megerősítésére. Az alapanyagtól függően a CM-eket fémmátrixszal vagy fém kompozit anyagokkal (MCM), polimer-polimer kompozit anyagokkal (PCM) és kerámia-kerámia kompozit anyagokkal (CMC) különböztetjük meg.
A CM-ek erősítésében a vezető szerepet a töltőanyagok játsszák, amelyeket gyakran ún keményítők. Nagy szilárdsággal, keménységgel és rugalmassági modulussal rendelkeznek. Az erősítő töltőanyagok típusa szerint a CM-eket felosztják diszperziós erősségű,szálasés rétegzett(28.2. ábra).
Rizs. 28.2. A kompozit anyagok szerkezeti vázlatai: a) diszperziós erősítésű; b) rostos; ban ben) rétegzett
A diszperziós keményítésű CM-ekbe mesterségesen juttatják be a finom, egyenletes eloszlású tűzálló karbidok, oxidok, nitridek stb. részecskéit, amelyek nem lépnek kölcsönhatásba a mátrixszal és a fázisok olvadáspontjáig nem oldódnak fel benne. Minél kisebbek a töltőanyag részecskék és minél kisebb a távolság közöttük, annál erősebb a CM. A szálas anyagoktól eltérően a diszperziós szilárdságú CM-ekben a fő csapágyelem a mátrix. A diszpergált töltőanyag részecskék együttese erősíti az anyagot a terhelés alatti diszlokációk mozgásával szembeni ellenállása miatt, ami akadályozza a képlékeny deformációt. A diszlokációs mozgással szembeni hatékony ellenállás a mátrix olvadási hőmérsékletéig jön létre, aminek köszönhetően a diszperziós erősítésű CM-eket nagy hőállóság és kúszásállóság jellemzi.
A szálas CM erősítése különböző formájú szálak lehetnek: szálak, szalagok, különféle szövésű hálók. A rostos CM megerősítése egytengelyű, biaxiális és triaxiális séma szerint történhet (28.3. ábra, a).
Az ilyen anyagok szilárdságát és merevségét a fő terhelést felvevő erősítőszálak tulajdonságai határozzák meg. A megerősítés nagyobb szilárdságnövekedést ad, de a diszperziós keményítés technológiailag könnyebben kivitelezhető.
Réteges kompozit anyagok (28.3. ábra, b) váltakozó töltőanyag- és mátrixrétegekből állnak (szendvics típusú). Az ilyen CM-ekben a töltőrétegek különböző tájolásúak lehetnek. Lehetőség van különböző mechanikai tulajdonságokkal rendelkező, különböző anyagokból készült töltőanyagrétegek váltakoztatására. Réteges kompozíciókhoz általában nem fémes anyagokat használnak.
Rizs. 28.3. Szálerősítési rendszerek ( a) és réteges ( b) kompozit anyagok
DISZPERZIÓS EDZETT KOMPOZIT ANYAGOK
A diszperziós erősítés során a részecskék blokkolják a mátrixban zajló csúszási folyamatokat. A keményedés hatékonysága a mátrixszal való minimális kölcsönhatás mellett a részecskék típusától, térfogati koncentrációjától, valamint a mátrixban való eloszlás egyenletességétől függ. Alkalmazzon tűzálló fázisok diszpergált részecskéit, például Al 2 O 3 , SiO 2 , BN, SiC, amelyek kis sűrűségűek és nagy rugalmassági modulusúak. A CM-et általában porkohászattal állítják elő, melynek fontos előnye a tulajdonságok különböző irányú izotrópiája.
Az iparban általában diszperziós szilárdságú alumínium- és ritkábban nikkelbázisú CM-eket használnak. Az ilyen típusú kompozit anyagok jellegzetes képviselői az SAP típusú (szinterezett alumíniumpor) anyagok, amelyek diszpergált alumínium-oxid részecskékkel megerősített alumíniummátrixból állnak. Az alumíniumport olvadt fém szórásával állítják elő, majd golyósmalomban oxigén jelenlétében körülbelül 1 mikronos méretűre őrlik. Az őrlés időtartamának növekedésével a por finomabbá válik, és nő az alumínium-oxid tartalma. Az SAP termékek és félkész termékek előállításának további technológiája magában foglalja a szinterezett alumínium tuskó hidegsajtolását, előszinterezését, melegsajtolását, hengerlését vagy extrudálását késztermékekké, amelyek további hőkezelésnek vethetők alá.
Az SAP típusú ötvözetek meleg állapotban kielégítően deformálódnak, és a 6-9% Al 2 O 3 tartalmú ötvözetek szobahőmérsékleten is deformálódnak. Belőlük hideghúzással akár 0,03 mm vastagságú fólia is előállítható. Ezek az anyagok jól megmunkáltak és magas korrózióállósággal rendelkeznek.
Az Oroszországban használt SAP-minőségek 6-23% Al 2 O 3 -ot tartalmaznak. Az SAP-1 6-9, az SAP-2 - 9-13, az SAP-3 - 13-18% Al 2 O 3 tartalommal különbözik meg. Az alumínium-oxid térfogatkoncentrációjának növekedésével a kompozit anyagok szilárdsága növekszik. Szobahőmérsékleten az SAP-1 szilárdsági jellemzői a következők: σ in = 280 MPa, σ 0,2 = 220 MPa; Az SAP-3 a következő: σ in \u003d 420 MPa, σ 0,2 \u003d 340 MPa.
Az SAP típusú anyagok nagy hőállósággal rendelkeznek, és minden kovácsolt alumíniumötvözetet felülmúlnak. σ-jük még 500 °C hőmérsékleten sem kisebb, mint 60–110 MPa. A hőállóságot a diszpergált részecskék átkristályosodási folyamatra gyakorolt késleltető hatása magyarázza. Az SAP típusú ötvözetek szilárdsági jellemzői nagyon stabilak. Az SAP-3 típusú ötvözetek 2 éven át tartó tartós szilárdsági vizsgálata gyakorlatilag nem befolyásolta a tulajdonságok szintjét sem szobahőmérsékleten, sem 500 °C-ra melegítve. 400 °C-on az SAP szilárdsága 5-ször nagyobb, mint az öregedésnél alumíniumötvözetek.
SAP típusú ötvözetek használatosak repüléstechnika nagy fajlagos szilárdságú és korrózióálló alkatrészek gyártásához, 300-500 °C-ig. Dugattyúrudak, kompresszorlapátok, tüzelőanyag-elemek és hőcserélő csövek készülnek belőlük.
A CM-et porkohászattal állítják elő szilícium-karbid szilícium-karbid diszpergált részecskéiből. A SiC kémiai vegyület számos pozitív tulajdonsággal rendelkezik: magas olvadáspont (több mint 2650 °C), nagy szilárdság (körülbelül 2000 MPa) és rugalmassági modulus (> 450 GPa), alacsony sűrűség (3200 kg / m 3) és jó korrózió. ellenállás. A csiszoló szilíciumporok gyártását az ipar sajátította el.
Az alumíniumötvözet és a SiC porokat összekeverik, kis nyomáson előzetes tömörítésnek vetik alá, majd acéltartályokban vákuumban, a mátrixötvözet olvadáspontján, azaz szilárd-folyékony állapotban forrósajtolják. A kapott munkadarabot másodlagos deformációnak vetik alá, hogy a kívánt alakú és méretű félkész termékeket kapják: lemezek, rudak, profilok stb.
A kompozit anyagok fémmátrixból (gyakrabban Al, Mg, Ni és ezek ötvözetei) nagy szilárdságú szálakkal (szálas anyagok) vagy finoman diszpergált, az alapfémben nem oldódó tűzálló részecskékkel erősített (diszperziós erősségű anyagok) állnak. A fémmátrix a szálakat (diszpergált részecskéket) egyetlen egésszé köti. A rostokat (diszpergált részecskéket) és egy kötőanyagot (mátrixot), amelyek egy adott összetételt alkotnak, kompozit anyagoknak nevezzük.
Kompozit anyagok nem fémes mátrixszal
A nem fémes mátrixú kompozit anyagok széles körben alkalmazhatók. Nem fémes mátrixként polimer, szén és kerámia anyagok. A polimer mátrixok közül a legszélesebb körben használt epoxi, fenol-formaldehid és poliamid.
Kokszolt szénmátrixok vagy pirolízisnek alávetett szintetikus polimerekből nyert pirokarbon. A mátrix megköti a kompozíciót, formát adva neki. Erősítő szálak: üveg, szén, bór, szerves szálak (oxidok, karbidok, boridok, nitridek és mások), valamint fém (huzalok), amelyek nagy szilárdsággal és merevséggel rendelkeznek.
A kompozit anyagok tulajdonságai az összetevők összetételétől, azok kombinációjától, mennyiségi arányától és a köztük lévő kötési szilárdságtól függenek.
Az erősítő anyagok lehetnek szálak, kócok, cérnák, szalagok, többrétegű szövetek.
A keményítő tartalma orientált anyagokban 60-80 térfogat%, nem orientáltban (diszkrét szálakkal és whiskerekkel) - 20-30 térfogat%. Minél nagyobb a szálak szilárdsága és rugalmassági modulusa, annál nagyobb a kompozit anyag szilárdsága és merevsége. A mátrix tulajdonságai határozzák meg a kompozíció nyíró- és nyomószilárdságát, valamint a kifáradásnak való ellenállást.
A keményítő típusa szerint a kompozit anyagokat üvegszálakra, szénszálas szénszálakra, bórszálakra és szervrostokra osztják.
A laminált anyagokban a fektetési síkban egymással párhuzamosan fektetik le a szálakat, cérnákat, kötőanyaggal impregnált szalagokat. A lapos rétegeket lemezekké szerelik össze. Tulajdonságai anizotrópok. A termékben lévő anyag munkája során fontos figyelembe venni a ható terhelések irányát. Létrehozhat izotróp és anizotróp tulajdonságokkal rendelkező anyagokat is. A szálakat különböző szögekben helyezheti el, változtatva a kompozit anyagok tulajdonságain. Az anyag hajlítási és torziós merevsége a rétegek fektetési sorrendjétől függ a csomag vastagsága mentén.
Három, négy vagy több menetes megerősítő elemek fektetését használják.
A három egymásra merőleges szál szerkezetének van a legnagyobb alkalmazása. A keményítők axiális, radiális és kerületi irányban helyezkedhetnek el.
A háromdimenziós anyagok bármilyen vastagságúak lehetnek blokkok, hengerek formájában. A terjedelmes szövetek növelik a leválási szilárdságot és a nyírási ellenállást a réteges szövetekhez képest. A kocka átlói mentén az erősítőanyag kiterjesztésével négy szálból álló rendszer épül fel. A négy menetes szerkezet kiegyensúlyozott, a fő síkokban megnövelt nyírómerevséggel rendelkezik.
Négy irányított anyag létrehozása azonban nehezebb, mint három irányított anyag.
Az ilyen típusú kompozit anyagok közé tartoznak az olyan anyagok, mint az SAP (szinterezett alumíniumpor), amelyek alumínium-oxid diszpergált részecskékkel vannak megerősítve. Az alumíniumport olvadt fém szórásával állítják elő, majd golyósmalomban oxigén jelenlétében körülbelül 1 mikronos méretűre őrlik. Az őrlés időtartamának növekedésével a por finomabbá válik, és nő az alumínium-oxid tartalma. Az SAP termékek és félkész termékek előállításának további technológiája magában foglalja a szinterezett alumínium tuskó hidegsajtolását, előszinterezését, melegsajtolását, hengerlését vagy extrudálását késztermékekké, amelyek további hőkezelésnek vethetők alá.
Az SAP típusú ötvözetek a repüléstechnikában nagy fajlagos szilárdságú és korrózióálló alkatrészek gyártására használatosak, amelyek 300-500 °C hőmérsékleten üzemelnek. Dugattyúrudak, kompresszorlapátok, tüzelőanyag-elemek és hőcserélő csövek készülnek belőlük.
Az alumínium és ötvözeteinek acélhuzallal történő megerősítése növeli szilárdságukat, növeli a rugalmassági modulust, a fáradásállóságot és kiterjeszti az anyag hőmérsékleti tartományát.
A rövid szálakkal történő megerősítést porkohászati módszerekkel végzik, amely préselésből, majd hidroextrudálásból vagy nyersdarabok hengerléséből áll. Változó rétegekből álló szendvics típusú kompozíciók folyamatos szálaival megerősítve alufóliaés szálakat, hengerlést, melegsajtolást, robbantásos hegesztést, diffúziós hegesztést alkalmaznak.
Nagyon ígéretes anyag az alumínium-berillium huzal összetétel, amely megvalósítja a berillium erősítés magas fizikai és mechanikai tulajdonságait, és mindenekelőtt alacsony sűrűségét és nagy fajlagos merevségét. A berilliumhuzalt tartalmazó kompozíciókat berilliumhuzal és mátrixlapok váltakozó rétegeiből készült csomagok diffúziós hegesztésével állítják elő. Acél- és berilliumhuzalokkal megerősített alumíniumötvözetekből rakétatest-alkatrészeket és üzemanyagtartályokat készítenek.
Az "alumínium-szénszál" összetételben az alacsony sűrűségű erősítés és a mátrix kombinációja lehetővé teszi nagy fajlagos szilárdságú és merevségű kompozit anyagok létrehozását. A szénszálak hátránya a törékenységük és a nagy reakcióképességük. Az alumínium-szén összetételt szénszálak folyékony fémmel történő impregnálásával vagy porkohászati módszerekkel állítják elő. Technológiailag a legegyszerűbben megvalósítható szénszálkötegek áthúzása egy alumíniumolvadékon.
Az alumínium-szén kompozitot a modern vadászgépek üzemanyagtartályainak tervezésénél használják. Az anyag nagy fajlagos szilárdsága és merevsége miatt az üzemanyagtartályok tömege 30%-kal csökken. Ezt az anyagot repülőgép-gázturbinás hajtóművek turbinalapátjainak gyártásához is használják.
Kompozit anyagok nem fémes mátrixszal
A nem fémes mátrixú kompozit anyagokat széles körben használják az iparban. Polimer, szén és kerámia anyagokat használnak nem fémes mátrixként. A polimer mátrixok közül a legszélesebb körben használt epoxi, fenol-formaldehid és poliamid. A szénmátrixokat kokszolják vagy pirolízisnek (bomlásnak, szétesésnek) alávetett szintetikus polimerekből nyerik. A mátrix megköti a kompozíciót, formát adva neki. Erősítő szálak: üveg, szén, bór, szerves, whisker alapú (oxidok, karbidok, boridok, nitridek stb.), valamint fém (huzalok), amelyek nagy szilárdsággal és merevséggel rendelkeznek.
A kompozit anyagok tulajdonságai az összetevők összetételétől, azok kombinációjától, mennyiségi arányától és a köztük lévő kötési szilárdságtól függenek.
Az orientált anyagok keményítőtartalma 60-80 térfogat. %, nem orientáltban (diszkrét szálakkal és whiskerekkel) - 20 - 30 térf. %. Minél nagyobb a szálak szilárdsága és rugalmassági modulusa, annál nagyobb a kompozit anyag szilárdsága és merevsége. A mátrix tulajdonságai határozzák meg a kompozíció nyíró- és nyomószilárdságát, valamint a kifáradásnak való ellenállást.
A keményítő típusa szerint a kompozit anyagokat üvegszálakra, szénszálas szénszálakra, bórszálakra és szervrostokra osztják.
A laminált anyagokban a fektetési síkban egymással párhuzamosan fektetik le a szálakat, cérnákat, kötőanyaggal impregnált szalagokat. A síkrétegek lemezekké vannak összeállítva. Tulajdonságai anizotrópok. A termékben lévő anyag munkája során fontos figyelembe venni a ható terhelések irányát. Létrehozhat izotróp és anizotróp tulajdonságokkal rendelkező anyagokat is. A szálakat különböző szögekben helyezheti el, változtatva a kompozit anyagok tulajdonságain. Az anyag hajlítási és torziós merevsége a rétegek fektetési sorrendjétől függ a csomag vastagsága mentén.
Három, négy vagy több menetes erősítőelemek egymásra rakását alkalmazzák (7. ábra). A három egymásra merőleges szál szerkezetének van a legnagyobb alkalmazása. A keményítők axiális, radiális és kerületi irányban helyezkedhetnek el.
A háromdimenziós anyagok bármilyen vastagságúak lehetnek blokkok, hengerek formájában. A terjedelmes szövetek növelik a leválási szilárdságot és a nyírási ellenállást a réteges szövetekhez képest. Négy szálból álló rendszert építünk fel úgy, hogy az erősítést a kocka átlói mentén helyezzük el. A négy menetes szerkezet kiegyensúlyozott, a fő síkokban megnövelt nyírómerevséggel rendelkezik. Négy irányított anyag létrehozása azonban nehezebb, mint három irányított anyag.
Rizs. 7. Kompozit anyagok megerősítésének sémája: 1 - téglalap alakú, 2 - hatszögletű, 3 - ferde, 4 - ívelt szálakkal, 5 - n menetből álló rendszer
A legsúlyosabb száraz súrlódási körülmények között a leghatékonyabbak a politetrafluor-etilén (PTFE) alapú súrlódásgátló anyagok.
A PTFE-t meglehetősen magas statikus súrlódási együttható jellemzi, azonban a csúszósúrlódás során a PTFE felületén nagyon vékony, erősen orientált polimer réteg képződik, amely segít a statikus és dinamikus súrlódási együttható kiegyenlítésében, valamint a csúszás közbeni egyenletes mozgásban. A csúszási irány megváltoztatásakor az orientált felületi film jelenléte a súrlódási együttható átmeneti növekedését idézi elő, melynek értéke a felületi réteg átorientálásával ismét csökken. A PTFE-nek ez a súrlódási viselkedése széles körben elterjedt az iparban, ahol a töltetlen PTFE-t főként csapágyak gyártására használják. Sok esetben a kenés nélküli csapágyaknak nagyobb súrlódási sebességgel kell működniük. Ugyanakkor a töltetlen PTFE-t magas súrlódási együttható és kopási arány jellemzi. Az ilyen körülmények között működő nem kenhető csapágyak anyagaként a leggyakrabban PTFE-alapú kompozit anyagok széles körben alkalmazhatók.
A száraz súrlódás során a PTFE viszonylag magas kopási sebességének csökkentésének legegyszerűbb módja a por alakú töltőanyagok bevezetése. Ebben az esetben a kúszási ellenállás kompresszió alatt megnő, és a kopásállóság jelentős növekedése figyelhető meg száraz súrlódás esetén. Az optimális mennyiségű töltőanyag bevezetése lehetővé teszi a kopásállóság akár 10 4-szeresére való növelését.
A polimerek és az ezeken alapuló kompozit anyagok egyedi fizikai és mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyeknek köszönhetően sikeresen versenyeznek a hagyományos szerkezeti acélokkal és ötvözetekkel, és bizonyos esetekben lehetetlen a speciális termékek és gépek szükséges funkcionális jellemzői és teljesítménye biztosítani. polimer anyagok használata nélkül. A műanyagok termékké történő feldolgozására szolgáló technológiák magas gyárthatósága és alacsony energiafogyasztása, a PCM fent említett előnyeivel párosulva igen ígéretes anyagokká teszik a különféle célú gépalkatrészeket.
Az ilyen típusú kompozit anyagok közé tartoznak az olyan anyagok, mint az SAP (szinterezett alumíniumpor), amelyek alumínium-oxid diszpergált részecskékkel vannak megerősítve. Az alumíniumport olvadt fém szórásával állítják elő, majd golyósmalomban oxigén jelenlétében körülbelül 1 mikronos méretűre őrlik. Az őrlés időtartamának növekedésével a por finomabbá válik, és nő az alumínium-oxid tartalma. Az SAP termékek és félkész termékek előállításának további technológiája magában foglalja a szinterezett alumínium tuskó hidegsajtolását, előszinterezését, melegsajtolását, hengerlését vagy extrudálását késztermékekké, amelyek további hőkezelésnek vethetők alá.
Az SAP típusú ötvözetek a repüléstechnikában nagy fajlagos szilárdságú és korrózióálló alkatrészek gyártására használatosak, amelyek 300-500 °C hőmérsékleten üzemelnek. Dugattyúrudak, kompresszorlapátok, tüzelőanyag-elemek és hőcserélő csövek készülnek belőlük.
Az alumínium és ötvözeteinek acélhuzallal történő megerősítése növeli szilárdságukat, növeli a rugalmassági modulust, a fáradásállóságot és kiterjeszti az anyag hőmérsékleti tartományát.
A rövid szálakkal történő megerősítést porkohászati módszerekkel végzik, amely préselésből, majd hidroextrudálásból vagy nyersdarabok hengerléséből áll. A váltakozó alumíniumfólia- és szálrétegekből álló szendvics típusú kompozíciók folytonos szálaival való megerősítésekor hengerlést, melegsajtolást, robbantási hegesztést és diffúziós hegesztést alkalmaznak.
Nagyon ígéretes anyag az "alumínium - berillium huzal" összetétele, amely megvalósítja a berillium erősítés magas fizikai és mechanikai tulajdonságait, és mindenekelőtt alacsony sűrűségét és nagy fajlagos merevségét. A berilliumhuzalt tartalmazó kompozíciókat berilliumhuzal és mátrixlapok váltakozó rétegeiből készült csomagok diffúziós hegesztésével állítják elő. Acél- és berilliumhuzalokkal megerősített alumíniumötvözetekből rakétatest-alkatrészeket és üzemanyagtartályokat készítenek.
Az "alumínium-szénszálak" összetételben az alacsony sűrűségű erősítés és a mátrix kombinációja lehetővé teszi nagy fajlagos szilárdságú és merevségű kompozit anyagok létrehozását. A szénszálak hátránya a törékenységük és a nagy reakcióképességük. Az "alumínium-szén" összetételt szénszálak folyékony fémmel történő impregnálásával vagy porkohászati módszerekkel állítják elő. Technológiailag a legegyszerűbben megvalósítható szénszálkötegek áthúzása egy alumíniumolvadékon.
A modern vadászrepülőgépek üzemanyagtartályainak tervezésénél kompozit "alumínium-karbon"-t használnak. Az anyag nagy fajlagos szilárdsága és merevsége miatt az üzemanyagtartályok tömege a
harminc %. Ezt az anyagot repülőgép-gázturbinás hajtóművek turbinalapátjainak gyártásához is használják.
