Materiały kompozytowe składają się z metalowej matrycy(najczęściej A1, Mg, Ni i ich stopy), utwardzane włóknami o wysokiej wytrzymałości (materiały włókniste) lub drobno zdyspergowanymi cząstkami ogniotrwałymi, nierozpuszczalny w metalu nieszlachetnym (materiały wzmocnione dyspersją). Metalowa osnowa wiąże włókna (zdyspergowane cząstki) w jedną całość. Włókno (rozproszone cząstki) plus pęczek (matryca), które to tworzą
Ryż. jeden
1 - materiał ziarnisty (wzmocniony dyspersją) (l/d-I): 2 - dyskretny włóknisty materiał kompozytowy; 3 - ciągle włóknisty materiał kompozytowy; 4 - ciągłe układanie włókien; 5 - dwuwymiarowe układanie włókien; 6,7 - wolumetryczne układanie włókien
lub inny skład, otrzymał nazwę materiały kompozytowe(ryc. 196).
Włókniste materiały kompozytowe.
Na ryc. 196 przedstawia schemat zbrojenia włóknistych materiałów kompozytowych. Materiały kompozytowe z wypełniaczem włóknistym (wzmacniaczem) dzielą się na dyskretne, w których stosunek długości włókna do średnicy wynosi l/d ≈ 10-tL03 oraz z włóknem ciągłym, w którym l/d = co. Dyskretne włókna są losowo ułożone w matrycy. Średnica włókien wynosi od ułamków do setek mikrometrów. Im większy stosunek długości do średnicy włókna, tym wyższy stopień wzmocnienia.
Często materiał kompozytowy jest strukturą warstwową, w której każda warstwa jest wzmocniona duża liczba równoległe włókna ciągłe. Każda warstwa może być również wzmocniona ciągłymi włóknami wplecionymi w tkaninę, która ma oryginalny kształt, odpowiadający szerokością i długością ostatecznemu materiałowi. Często zdarza się, że włókna są wplatane w trójwymiarowe struktury.
Materiały kompozytowe różnią się od stopów konwencjonalnych wyższymi wartościami wytrzymałości na rozciąganie i wytrzymałości (o 50-100%), moduł sprężystości, współczynnik sztywności (Ely) i zmniejszona podatność na pękanie. Zastosowanie materiałów kompozytowych zwiększa sztywność konstrukcji przy jednoczesnym zmniejszeniu jej zużycia metalu.
Tabela 44
Właściwości mechaniczne materiałów kompozytowych na metalowa podstawa
Wytrzymałość materiałów kompozytowych (włóknistych) zależy od właściwości włókien; matryca powinna głównie redystrybuować naprężenia między elementami wzmacniającymi. Dlatego wytrzymałość i moduł sprężystości włókien muszą być znacznie większe niż wytrzymałość i moduł sprężystości matrycy. Sztywne włókna wzmacniające odbierają naprężenia powstające w kompozycji pod obciążeniem, nadają jej wytrzymałość i sztywność w kierunku orientacji włókien.
Bor służy do utwardzania aluminium, magnezu i ich stopów (o w \u003d 2500 - * -3500 MPa, E = 38h-420 GPa) i węgla (st in = 1400-g-3500 MPa, mi 160-450 GPa), a także włókna ze związków ogniotrwałych (węgliki, azotki, borki i tlenki) o wysokiej wytrzymałości i module sprężystości. Zatem włókna węglika krzemu o średnicy 100 μm mają st in = 2500-*m3500 MPa, mi= 450 GPa. Często jako włókna stosuje się drut stalowy o wysokiej wytrzymałości.
Do wzmocnienia tytanu i jego stopów stosuje się drut molibdenowy, włókna szafirowe, węglik krzemu i borek tytanu.
Zwiększenie odporności cieplnej stopów niklu uzyskuje się poprzez wzmocnienie ich drutem wolframowym lub molibdenowym. Włókna metalowe są również stosowane w przypadkach, w których wymagana jest wysoka przewodność cieplna i elektryczna. Obiecującym utwardzaczem do włóknistych materiałów kompozytowych o wysokiej wytrzymałości i wysokim module są wiskery wykonane z tlenku i azotku glinu, węglika i azotku krzemu, węglika boru itp., o b = 15 000-g-28 000 MPa i mi= 400-*-600 GPa.
W tabeli. 44 przedstawia właściwości niektórych włóknistych materiałów kompozytowych.
Materiały kompozytowe na bazie metalu charakteryzują się wysoką wytrzymałością (st in, a_ x) i odpornością na ciepło, jednocześnie charakteryzują się niską plastycznością. Natomiast włókna w materiałach kompozytowych zmniejszają tempo propagacji pęknięć inicjujących w osnowie i prawie całkowicie eliminują nagłe
Ryż. 197. Zależność modułu sprężystości E(a) i tymczasowa wytrzymałość o w (b) materiale kompozytowym borowo-aluminiowym wzdłuż (/) i w poprzek (2) oś zbrojenia na zawartość objętościową włókna boru
kruche złamanie. Anizotropia jest charakterystyczną cechą jednoosiowych włóknistych materiałów kompozytowych. właściwości mechaniczne wzdłuż i w poprzek włókien oraz niska wrażliwość na koncentratory naprężeń.
Na ryc. 197 pokazuje zależność oraz w i mi materiał kompozytowy borowo-aluminiowy z zawartością włókien boru wzdłuż (/) i w poprzek ( 2 ) oś zbrojenia. Im wyższa zawartość objętościowa włókien, tym wyższe a b, a_ t i mi wzdłuż osi zbrojenia. Należy jednak wziąć pod uwagę, że osnowa może przenosić naprężenia na włókna tylko wtedy, gdy istnieje silne wiązanie na granicy między włóknem wzmacniającym a osnową. Aby zapobiec kontaktowi między włóknami, matryca musi całkowicie otaczać wszystkie włókna, co osiąga się, gdy jej zawartość nie jest mniejsza niż 15-20%.
Matryca i włókno nie powinny oddziaływać ze sobą (nie powinno być wzajemnej dyfuzji) podczas produkcji lub eksploatacji, ponieważ może to prowadzić do zmniejszenia wytrzymałości materiału kompozytowego.
Anizotropia właściwości włóknistych materiałów kompozytowych jest brana pod uwagę podczas projektowania części w celu optymalizacji właściwości poprzez dopasowanie pola oporu do pól naprężeń.
Wzmocnienie stopów aluminium, magnezu i tytanu ciągłymi włóknami ogniotrwałymi z boru, węglika krzemu, dwuborku tytanu i tlenku glinu znacznie zwiększa odporność cieplną. Cechą materiałów kompozytowych jest niski stopień mięknienia w czasie (ryc. 198, a) wraz ze wzrostem temperatury.
Ryż. 198. Wytrzymałość długookresowa materiału kompozytowego borowo-aluminiowego zawierającego 50% włókna borowego w porównaniu z wytrzymałością stopów tytanu (a) oraz wytrzymałość długookresowa kompozytowego materiału niklowego w porównaniu z wytrzymałością stopów utwardzanych wydzieleniowo ( b):
/ - kompozyt borowo-aluminiowy; 2 - stopu tytanu; 3 - materiał kompozytowy wzmocniony dyspersyjnie; 4 - stopy utwardzane wydzieleniowo
Główną wadą materiałów kompozytowych ze wzmocnieniem jedno- i dwuwymiarowym jest niska odporność na ścinanie międzywarstwowe i poprzeczne. Ta wada jest pozbawiona materiałów w zbrojeniu luzem.
- Szeroko stosowane są matryce polimerowe, ceramiczne i inne.
OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA I KLASYFIKACJA
Tradycyjnie stosowane materiały metalowe i niemetaliczne w dużej mierze osiągnęły granicę wytrzymałości strukturalnej. Jednocześnie rozwój nowoczesnej technologii wymaga tworzenia materiałów, które pracują niezawodnie w złożonej kombinacji pól siłowych i temperaturowych, pod wpływem agresywnych mediów, promieniowania, głębokiej próżni i wysokich ciśnień. Często wymagania dotyczące materiałów mogą być sprzeczne. Ten problem można rozwiązać stosując materiały kompozytowe.
materiał kompozytowy(CM) lub kompozyt nazywany jest masowym układem heterogenicznym, składającym się z silnie różniących się właściwościami, wzajemnie nierozpuszczalnych składników, których struktura pozwala wykorzystać zalety każdego z nich.
Człowiek zapożyczył zasadę budowy CM od natury. Typowymi materiałami kompozytowymi są pnie drzew, łodygi roślin, kości ludzkie i zwierzęce.
CM umożliwiają uzyskanie określonej kombinacji niejednorodnych właściwości: wysoka wytrzymałość właściwa i sztywność, odporność na ciepło, odporność na zużycie, właściwości osłony termicznej itp. Spektrum właściwości CM nie można uzyskać przy użyciu konwencjonalnych materiałów. Ich zastosowanie umożliwia tworzenie niedostępnych wcześniej, całkowicie nowych projektów.
Dzięki CM możliwy stał się nowy skok jakościowy w zakresie zwiększania mocy silników, zmniejszania masy maszyn i konstrukcji oraz zwiększania wydajności wagowej pojazdów i pojazdów lotniczych.
Ważnymi cechami materiałów pracujących w tych warunkach są wytrzymałość właściwa σ w /ρ oraz sztywność właściwa mi/ρ, gdzie σ in - nośność chwilowa, mi jest modułem normalnej sprężystości, ρ jest gęstością materiału.
Stopy o wysokiej wytrzymałości mają z reguły niską ciągliwość, dużą wrażliwość na koncentratory naprężeń oraz stosunkowo niską odporność na powstawanie pęknięć zmęczeniowych. Chociaż materiały kompozytowe mogą również mieć niską ciągliwość, są znacznie mniej wrażliwe na koncentratory naprężeń i lepiej są odporne na uszkodzenia zmęczeniowe. Wynika to z innego mechanizmu powstawania pęknięć w stalach i stopach o wysokiej wytrzymałości. W stalach o wysokiej wytrzymałości pęknięcie, które osiągnęło rozmiar krytyczny, rozwija się w tempie progresywnym.
W materiałach kompozytowych działa inny mechanizm. Pęknięcie, poruszając się w osnowie, napotyka na przeszkodę na styku osnowa-włókno. Włókna hamują rozwój pęknięć, a ich obecność w osnowie z tworzywa sztucznego prowadzi do wzrostu odporności na pękanie.
W ten sposób system kompozytowy łączy dwie przeciwstawne właściwości wymagane w przypadku materiałów konstrukcyjnych - wysoką wytrzymałość dzięki włóknom o wysokiej wytrzymałości oraz wystarczającą odporność na pękanie dzięki matrycy z tworzywa sztucznego i mechanizmowi rozpraszania energii pękania.
CM składają się ze stosunkowo plastycznej podstawy materiału matrycy oraz twardszych i mocniejszych składników, które są wypełniaczami. Właściwości CM zależą od właściwości podłoża, wypełniaczy i siły wiązania między nimi.
Matryca wiąże kompozycję w monolit, nadaje jej kształt i służy do przenoszenia obciążeń zewnętrznych na zbrojenie z wypełniaczy. W zależności od materiału bazowego CM wyróżnia się osnową metalową lub metalowymi materiałami kompozytowymi (MCM), polimerowo – polimerowymi materiałami kompozytowymi (PCM) oraz ceramiczno – ceramicznymi materiałami kompozytowymi (CMC).
Wiodącą rolę we wzmacnianiu CM odgrywają wypełniacze, często określane jako utwardzacze. Charakteryzują się wysoką wytrzymałością, twardością i modułem sprężystości. W zależności od rodzaju wypełniaczy wzmacniających CM dzieli się na wzmocniona dyspersją,włóknisty oraz warstwowy(ryc. 28.2).
Ryż. 28.2. Schematy budowy materiałów kompozytowych: a) wzmocniony dyspersją; b) włóknisty; w) warstwowy
Drobne, równomiernie rozłożone ogniotrwałe cząstki węglików, tlenków, azotków itp., które nie oddziałują z osnową i nie rozpuszczają się w niej aż do temperatury topnienia fazy, są sztucznie wprowadzane do CM utwardzonych dyspersyjnie. Im mniejsze cząstki wypełniacza i im mniejsza odległość między nimi, tym silniejszy CM. W przeciwieństwie do włóknistych, w CM wzmocnionych dyspersją, głównym elementem nośnym jest macierz. Zespół rozproszonych cząstek wypełniacza wzmacnia materiał dzięki odporności na ruch dyslokacji pod obciążeniem, co utrudnia odkształcenie plastyczne. Skuteczny opór na ruch dyslokacji tworzony jest do temperatury topnienia osnowy, dzięki czemu CM wzmocnione dyspersją charakteryzują się wysoką odpornością cieplną i odpornością na pełzanie.
Zbrojeniem we włóknistym CM mogą być włókna o różnych kształtach: nici, taśmy, siatki o różnych splotach. Wzmocnienie włóknistego CM można przeprowadzić zgodnie ze schematem jednoosiowym, dwuosiowym i trójosiowym (ryc. 28.3, a).
Wytrzymałość i sztywność takich materiałów zależy od właściwości włókien wzmacniających, które przyjmują główny ładunek. Wzmocnienie daje większy wzrost wytrzymałości, ale utwardzanie dyspersyjne jest technologicznie łatwiejsze do wykonania.
Warstwowe materiały kompozytowe (ryc. 28.3, b) składają się z naprzemiennych warstw wypełniacza i materiału matrycowego (typu kanapkowego). Warstwy wypełniacza w takich CM mogą mieć różne orientacje. Możliwe jest naprzemienne stosowanie warstw wypełniacza z różnych materiałów o różnych właściwościach mechanicznych. W przypadku kompozycji warstwowych zwykle stosuje się materiały niemetaliczne.
Ryż. 28.3. Schematy zbrojenia włóknistego ( a) i warstwowe ( b) materiały kompozytowe
MATERIAŁY KOMPOZYTOWE Utwardzane dyspersyjnie
Podczas wzmacniania dyspersji cząstki blokują procesy ślizgowe w osnowie. Skuteczność utwardzania, w warunkach minimalnej interakcji z osnową, zależy od rodzaju cząstek, ich stężenia objętościowego, a także równomierności rozmieszczenia w osnowie. Zastosuj zdyspergowane cząstki faz ogniotrwałych, takich jak Al 2 O 3 , SiO 2 , BN, SiC, o małej gęstości i wysokim module sprężystości. CM jest zwykle wytwarzany metodą metalurgii proszków, której istotną zaletą jest izotropia właściwości w różnych kierunkach.
W przemyśle zwykle stosuje się CM wzmocnione dyspersją na aluminium i, rzadziej, na bazie niklu. Charakterystycznymi przedstawicielami tego typu materiałów kompozytowych są materiały typu SAP (spiekany proszek aluminiowy), które składają się z osnowy aluminiowej wzmocnionej rozproszonymi cząstkami tlenku glinu. Proszek aluminiowy otrzymuje się przez natryskiwanie stopionego metalu, a następnie mielenie w młynach kulowych do wielkości około 1 mikrona w obecności tlenu. Wraz ze wzrostem czasu mielenia proszek staje się drobniejszy, a zawartość tlenku glinu w nim wzrasta. Dalsza technologia wytwarzania produktów i półfabrykatów firmy SAP obejmuje prasowanie na zimno, wstępne spiekanie, prasowanie na gorąco, walcowanie lub wytłaczanie spiekanego kęsa aluminiowego do postaci gotowych wyrobów, które mogą być poddane dodatkowej obróbce cieplnej.
Stopy typu SAP odkształcają się zadowalająco w stanie gorącym, a stopy z zawartością 6-9% Al 2 O 3 odkształcają się również w temperaturze pokojowej. Z nich można wykorzystać ciągnienie na zimno do uzyskania folii o grubości do 0,03 mm. Materiały te są dobrze obrobione i mają wysoką odporność na korozję.
Gatunki SAP stosowane w Rosji zawierają 6–23% Al 2 O 3 . SAP-1 wyróżnia się zawartością 6-9, SAP-2 - 9-13, SAP-3 - 13-18% Al 2 O 3. Wraz ze wzrostem stężenia objętościowego tlenku glinu wzrasta wytrzymałość materiałów kompozytowych. W temperaturze pokojowej charakterystyki wytrzymałościowe SAP-1 są następujące: σin = 280 MPa, σ 0,2 = 220 MPa; SAP-3 są następujące: σ w \u003d 420 MPa, σ 0,2 \u003d 340 MPa.
Materiały typu SAP mają wysoką odporność termiczną i przewyższają wszystkie przerobione plastycznie stopy aluminium. Nawet w temperaturze 500 °C ich σ jest nie mniejsze niż 60–110 MPa. Odporność na ciepło tłumaczy się opóźniającym działaniem rozproszonych cząstek na proces rekrystalizacji. Charakterystyki wytrzymałościowe stopów typu SAP są bardzo stabilne. Wieloletnie badania wytrzymałościowe stopów typu SAP-3 przez 2 lata nie miały praktycznie żadnego wpływu na poziom właściwości zarówno w temperaturze pokojowej, jak i po podgrzaniu do 500°C. W temperaturze 400 ° C wytrzymałość SAP jest 5 razy wyższa niż w przypadku starzenia stopy aluminium.
Stopy typu SAP są stosowane w technologia lotnicza do produkcji części o wysokiej wytrzymałości właściwej i odporności na korozję, pracujących w temperaturach do 300–500 °C. Z nich wykonane są tłoczyska, łopatki sprężarek, płaszcze elementów paliwowych oraz rury wymienników ciepła.
CM jest otrzymywany metodą metalurgii proszków przy użyciu zdyspergowanych cząstek węglika krzemu SiC. Związek chemiczny SiC posiada szereg pozytywnych właściwości: wysoką temperaturę topnienia (powyżej 2650 °C), wysoką wytrzymałość (około 2000 MPa) i moduł sprężystości (>450 GPa), niską gęstość (3200 kg/m3) oraz dobrą korozję opór. Produkcja ściernych proszków krzemowych została opanowana przez przemysł.
Proszki ze stopu aluminium i SiC są mieszane, poddawane wstępnemu zagęszczaniu pod niskim ciśnieniem, a następnie prasowaniu na gorąco w stalowych pojemnikach w próżni w temperaturze topnienia stopu osnowy, czyli w stanie stałym-cieczym. Powstały przedmiot obrabiany jest poddawany wtórnej deformacji w celu uzyskania półfabrykatów o wymaganym kształcie i wielkości: blachy, pręty, profile itp.
Materiały kompozytowe składają się z osnowy metalowej (częściej Al, Mg, Ni i ich stopy) wzmocnionej włóknami o wysokiej wytrzymałości (materiały włókniste) lub drobno zdyspergowanymi cząstkami ogniotrwałymi, które nie rozpuszczają się w metalu podstawowym (materiały wzmocnione dyspersją). Metalowa osnowa wiąże włókna (zdyspergowane cząstki) w jedną całość. Włókna (rozproszone cząstki) oraz spoiwo (matryca), które tworzą określoną kompozycję, nazywane są materiałami kompozytowymi.
Materiały kompozytowe z niemetaliczną osnową
Materiały kompozytowe z osnową niemetaliczną znalazły szerokie zastosowanie. Jako matryce niemetaliczne, polimerowe, węglowe i materiały ceramiczne. Spośród matryc polimerowych najszerzej stosowane są żywice epoksydowe, fenolowo-formaldehydowe i poliamidowe.
Matryce węglowe koksowane lub pirowęgiel otrzymywany z polimerów syntetycznych poddanych pirolizie. Matryca wiąże kompozycję, nadając jej formę. Wzmacniaczami są włókna: szklane, węglowe, borowe, organiczne, na bazie wiskerów (tlenki, węgliki, borki, azotki i inne), a także metalowe (druty), które charakteryzują się dużą wytrzymałością i sztywnością.
Właściwości materiałów kompozytowych zależą od składu składników, ich kombinacji, stosunku ilościowego i siły wiązania między nimi.
Materiały wzmacniające mogą mieć postać włókien, kabli, nici, taśm, tkanin wielowarstwowych.
Zawartość utwardzacza w materiałach orientowanych wynosi 60-80% obj., w nieorientowanych (z dyskretnymi włóknami i wąsami) - 20-30% obj. Im wyższa wytrzymałość i moduł sprężystości włókien, tym wyższa wytrzymałość i sztywność materiału kompozytowego. Właściwości osnowy determinują wytrzymałość kompozycji na ścinanie i ściskanie oraz odporność na zniszczenie zmęczeniowe.
W zależności od rodzaju utwardzacza materiały kompozytowe dzieli się na włókna szklane, włókna węglowe z włóknami węglowymi, włókna borowe i włókna organowe.
W materiałach laminowanych włókna, nici, taśmy impregnowane spoiwem układa się równolegle do siebie w płaszczyźnie układania. Płaskie warstwy są składane w płyty. Właściwości są anizotropowe. Dla pracy materiału w produkcie ważne jest uwzględnienie kierunku działających obciążeń. Możesz tworzyć materiały o właściwościach izotropowych i anizotropowych. Włókna można układać pod różnymi kątami, zmieniając właściwości materiałów kompozytowych. Sztywność na zginanie i skręcanie materiału zależy od kolejności układania warstw na grubości pakietu.
Stosuje się układanie elementów wzmacniających z trzech, czterech lub więcej wątków.
Największe zastosowanie ma struktura trzech wzajemnie prostopadłych wątków. Utwardzacze można umieszczać w kierunkach osiowym, promieniowym i obwodowym.
Materiały trójwymiarowe mogą mieć dowolną grubość w postaci bloków, cylindrów. Masywne tkaniny zwiększają wytrzymałość na odrywanie i odporność na ścinanie w porównaniu z tkaninami warstwowymi. System czterech pasm budowany jest poprzez rozprężanie środka wzmacniającego wzdłuż przekątnych sześcianu. Struktura czterech wątków jest wyważona, ma zwiększoną sztywność na ścinanie w głównych płaszczyznach.
Jednak tworzenie materiałów czterokierunkowych jest trudniejsze niż tworzenie materiałów trójkierunkowych.
Do tego typu materiałów kompozytowych zaliczamy materiały takie jak SAP (spiekany proszek aluminiowy), które są wzmacniane aluminium rozproszonymi cząsteczkami tlenku glinu. Proszek aluminiowy otrzymuje się przez natryskiwanie stopionego metalu, a następnie mielenie w młynach kulowych do wielkości około 1 mikrona w obecności tlenu. Wraz ze wzrostem czasu mielenia proszek staje się drobniejszy, a zawartość tlenku glinu w nim wzrasta. Dalsza technologia wytwarzania produktów i półfabrykatów firmy SAP obejmuje prasowanie na zimno, wstępne spiekanie, prasowanie na gorąco, walcowanie lub wytłaczanie spiekanego kęsa aluminiowego do postaci gotowych wyrobów, które mogą być poddane dodatkowej obróbce cieplnej.
Stopy typu SAP są wykorzystywane w technice lotniczej do produkcji części o wysokiej wytrzymałości właściwej i odporności na korozję, pracujących w temperaturach do 300 - 500 °C. Z nich wykonane są tłoczyska, łopatki sprężarek, płaszcze elementów paliwowych oraz rury wymienników ciepła.
Wzmocnienie aluminium i jego stopów drutem stalowym zwiększa ich wytrzymałość, zwiększa moduł sprężystości, wytrzymałość zmęczeniową oraz rozszerza zakres temperatur materiału.
Zbrojenie krótkimi włóknami odbywa się metodami metalurgii proszków, polegającej na prasowaniu, a następnie hydroekstruzji lub walcowaniu półwyrobów. Wzmocniony ciągłymi włóknami kompozycji typu sandwich składających się z naprzemiennych warstw folia aluminiowa oraz włókna, walcowanie, prasowanie na gorąco, spawanie wybuchowe, spawanie dyfuzyjne.
Bardzo obiecującym materiałem jest kompozycja drutu aluminiowo-berylowego, która świadczy o wysokich właściwościach fizycznych i mechanicznych zbrojenia berylowego, a przede wszystkim o jego małej gęstości i dużej sztywności właściwej. Kompozycje z drutem berylowym uzyskuje się przez zgrzewanie dyfuzyjne opakowań z naprzemiennych warstw drutu berylowego i arkuszy osnowy. Stopy aluminium zbrojone drutami stalowymi i berylowymi wykorzystywane są do produkcji części kadłubów rakiet i zbiorników paliwa.
W składzie „aluminium – włókno węglowe” połączenie zbrojenia o niskiej gęstości i matrycy umożliwia tworzenie materiałów kompozytowych o wysokiej wytrzymałości właściwej i sztywności. Wadą włókien węglowych jest ich kruchość i wysoka reaktywność. Kompozycję aluminiowo-węglową uzyskuje się poprzez impregnację włókien węglowych ciekłym metalem lub metodami metalurgii proszków. Z technologicznego punktu widzenia najprościej jest przeciągnąć wiązki włókien węglowych przez stopiony aluminium.
Kompozyt aluminiowo-węglowy stosowany jest w konstrukcji zbiorników paliwa nowoczesnych myśliwców. Dzięki wysokiej wytrzymałości i sztywności materiału masa zbiorników paliwa jest zmniejszona o 30%. Materiał ten jest również wykorzystywany do produkcji łopatek turbin do lotniczych silników turbinowych.
Materiały kompozytowe z niemetaliczną osnową
Materiały kompozytowe z osnową niemetaliczną są szeroko stosowane w przemyśle. Jako matryce niemetaliczne stosowane są materiały polimerowe, węglowe i ceramiczne. Spośród matryc polimerowych najszerzej stosowane są żywice epoksydowe, fenolowo-formaldehydowe i poliamidowe. Matryce węglowe są koksowane lub otrzymywane z polimerów syntetycznych poddanych pirolizie (rozkład, rozpad). Matryca wiąże kompozycję, nadając jej formę. Wzmacniaczami są włókna: szklane, węglowe, borowe, organiczne, na bazie wiskerów (tlenki, węgliki, borki, azotki itp.), a także metal (druty), które mają wysoką wytrzymałość i sztywność.
Właściwości materiałów kompozytowych zależą od składu składników, ich kombinacji, stosunku ilościowego i siły wiązania między nimi.
Zawartość utwardzacza w materiałach orientowanych wynosi 60–80 obj. %, w niezorientowanej (z dyskretnymi włóknami i wąsami) - 20 - 30 obj. %. Im wyższa wytrzymałość i moduł sprężystości włókien, tym wyższa wytrzymałość i sztywność materiału kompozytowego. Właściwości osnowy determinują wytrzymałość kompozycji na ścinanie i ściskanie oraz odporność na zniszczenie zmęczeniowe.
W zależności od rodzaju utwardzacza materiały kompozytowe dzieli się na włókna szklane, włókna węglowe z włóknami węglowymi, włókna borowe i włókna organowe.
W materiałach laminowanych włókna, nici, taśmy impregnowane spoiwem układa się równolegle do siebie w płaszczyźnie układania. Warstwy planarne są składane w płyty. Właściwości są anizotropowe. Dla pracy materiału w produkcie ważne jest uwzględnienie kierunku działających obciążeń. Możesz tworzyć materiały o właściwościach izotropowych i anizotropowych. Włókna można układać pod różnymi kątami, zmieniając właściwości materiałów kompozytowych. Sztywność na zginanie i skręcanie materiału zależy od kolejności układania warstw na grubości pakietu.
Stosuje się układanie elementów wzmacniających z trzech, czterech lub więcej wątków (ryc. 7). Największe zastosowanie ma struktura trzech wzajemnie prostopadłych wątków. Utwardzacze można umieszczać w kierunkach osiowym, promieniowym i obwodowym.
Materiały trójwymiarowe mogą mieć dowolną grubość w postaci bloków, cylindrów. Masywne tkaniny zwiększają wytrzymałość na odrywanie i odporność na ścinanie w porównaniu z tkaninami warstwowymi. Układ czterech splotek budowany jest poprzez ułożenie zbrojenia wzdłuż przekątnych sześcianu. Struktura czterech wątków jest wyważona, ma zwiększoną sztywność na ścinanie w głównych płaszczyznach. Jednak tworzenie materiałów czterokierunkowych jest trudniejsze niż tworzenie materiałów trójkierunkowych.
Ryż. 7. Schemat zbrojenia materiałów kompozytowych: 1-prostokątne, 2-heksagonalne, 3-skośne, 4- z zakrzywionymi włóknami, 5-układ n nitek
Najskuteczniejsze pod względem zastosowania w najcięższych warunkach tarcia suchego są materiały przeciwcierne na bazie politetrafluoroetylenu (PTFE).
PTFE charakteryzuje się dość wysokim współczynnikiem tarcia statycznego, jednak podczas tarcia ślizgowego na powierzchni PTFE tworzy się bardzo cienka warstwa wysoko zorientowanego polimeru, co pomaga wyrównywać współczynniki tarcia statycznego i dynamicznego oraz płynność ruchu podczas poślizgu. Przy zmianie kierunku poślizgu obecność zorientowanej warstwy powierzchniowej powoduje chwilowy wzrost współczynnika tarcia, którego wartość ponownie maleje wraz ze zmianą orientacji warstwy wierzchniej. Takie zachowanie PTFE pod wpływem tarcia doprowadziło do jego szerokiego zastosowania w przemyśle, gdzie niewypełniony PTFE jest używany głównie do produkcji łożysk. W wielu przypadkach łożyska niesmarowane muszą pracować przy wyższych prędkościach tarcia. Jednocześnie nienapełniony PTFE charakteryzuje się wysokimi wartościami współczynnika tarcia i szybkości zużycia. Materiały kompozytowe, najczęściej na bazie PTFE, znalazły szerokie zastosowanie jako materiały na łożyska niesmarowane pracujące w takich warunkach.
Najprostszym sposobem na zmniejszenie stosunkowo wysokiego wskaźnika zużycia PTFE podczas tarcia na sucho jest wprowadzenie wypełniaczy w postaci proszku. W tym przypadku wzrasta odporność na pełzanie przy ściskaniu i obserwuje się znaczny wzrost odporności na zużycie przy tarciu suchym. Wprowadzenie optymalnej ilości wypełniacza umożliwia nawet 104-krotne zwiększenie odporności na zużycie.
Oparte na nich polimery i materiały kompozytowe posiadają unikalny zestaw właściwości fizycznych i mechanicznych, dzięki czemu z powodzeniem konkurują z tradycyjnymi stalami konstrukcyjnymi i stopami, a w niektórych przypadkach niemożliwe jest zapewnienie wymaganych właściwości użytkowych i wydajności specjalnych wyrobów i maszyn bez użycia materiałów polimerowych. Wysoka technologiczność i niskie energochłonność technologii przetwarzania tworzyw sztucznych na produkty w połączeniu z wyżej wymienionymi zaletami PCM sprawiają, że są one bardzo obiecującymi materiałami na części maszyn o różnym przeznaczeniu.
Do tego typu materiałów kompozytowych zaliczamy materiały takie jak SAP (spiekany proszek aluminiowy), które są wzmacniane aluminium rozproszonymi cząsteczkami tlenku glinu. Proszek aluminiowy otrzymuje się przez natryskiwanie stopionego metalu, a następnie mielenie w młynach kulowych do wielkości około 1 mikrona w obecności tlenu. Wraz ze wzrostem czasu mielenia proszek staje się drobniejszy, a zawartość tlenku glinu w nim wzrasta. Dalsza technologia wytwarzania produktów i półfabrykatów firmy SAP obejmuje prasowanie na zimno, wstępne spiekanie, prasowanie na gorąco, walcowanie lub wytłaczanie spiekanego kęsa aluminiowego do postaci gotowych wyrobów, które mogą być poddane dodatkowej obróbce cieplnej.
Stopy typu SAP są wykorzystywane w technice lotniczej do produkcji części o wysokiej wytrzymałości właściwej i odporności na korozję, pracujących w temperaturach do 300–500 °C. Z nich wykonane są tłoczyska, łopatki sprężarek, płaszcze elementów paliwowych oraz rury wymienników ciepła.
Wzmocnienie aluminium i jego stopów drutem stalowym zwiększa ich wytrzymałość, zwiększa moduł sprężystości, wytrzymałość zmęczeniową oraz rozszerza zakres temperatur materiału.
Zbrojenie krótkimi włóknami odbywa się metodami metalurgii proszków, polegającej na prasowaniu, a następnie hydroekstruzji lub walcowaniu półwyrobów. Podczas wzmacniania ciągłymi włóknami kompozycji typu sandwich składających się z naprzemiennych warstw folii aluminiowej i włókien stosuje się walcowanie, prasowanie na gorąco, zgrzewanie wybuchowe i zgrzewanie dyfuzyjne.
Bardzo obiecującym materiałem jest kompozycja „drut aluminium – beryl”, która realizuje wysokie właściwości fizyczne i mechaniczne zbrojenia berylowego, a przede wszystkim jego niską gęstość i wysoką sztywność właściwą. Kompozycje z drutem berylowym uzyskuje się przez zgrzewanie dyfuzyjne opakowań z naprzemiennych warstw drutu berylowego i arkuszy osnowy. Stopy aluminium zbrojone drutami stalowymi i berylowymi wykorzystywane są do produkcji części kadłubów rakiet i zbiorników paliwa.
W składzie „aluminium – włókna węglowe” połączenie zbrojenia o niskiej gęstości i matrycy pozwala na tworzenie materiałów kompozytowych o wysokiej wytrzymałości właściwej i sztywności. Wadą włókien węglowych jest ich kruchość i wysoka reaktywność. Kompozycję „aluminium - węgiel” otrzymuje się poprzez impregnację włókien węglowych ciekłym metalem lub metodami metalurgii proszków. Z technologicznego punktu widzenia najprościej jest przeciągnąć wiązki włókien węglowych przez stopiony aluminium.
Kompozyt „aluminium – węgiel” jest używany w konstrukcji zbiorników paliwa nowoczesnych myśliwców. Ze względu na wysoką wytrzymałość właściwą i sztywność materiału masa zbiorników paliwa zmniejsza się o
trzydzieści %. Materiał ten jest również wykorzystywany do produkcji łopatek turbin do lotniczych silników turbinowych.
