Materialele compozite constau dintr-o matrice metalică(de obicei A1, Mg, Ni și aliajele acestora), întărit cu fibre de înaltă rezistență (materiale fibroase) sau particule refractare fin dispersate, insolubil în metalul de bază (materiale întărite prin dispersie). Matricea metalică leagă fibrele (particulele dispersate) într-un singur întreg. Fibre (particule dispersate) plus o grămadă (matrice) care alcătuiesc asta
Orez. unu
1 - material granular (consolidat prin dispersie). (l/d-I): 2 - material compozit fibros discret; 3 - material compozit continuu fibros; 4 - așezarea continuă a fibrelor; 5 - stivuire bidimensională de fibre; 6,7 - aşezarea volumetrică a fibrelor
sau altă compoziție, a primit numele materiale compozite(Fig. 196).
Materiale compozite fibroase.
Pe fig. 196 prezintă schema de armare a materialelor compozite fibroase. Materialele compozite cu umplutură fibroasă (întărire) se împart în unele discrete, în care raportul dintre lungimea fibrei și diametrul este l/d ≈ 10-tL03, și cu fibră continuă, în care l/d = co. Fibrele discrete sunt aranjate aleatoriu în matrice. Diametrul fibrelor este de la fracțiuni la sute de micrometri. Cu cât raportul dintre lungime și diametrul fibrei este mai mare, cu atât este mai mare gradul de întărire.
Adesea, un material compozit este o structură stratificată în care fiecare strat este armat un numar mare fibre continue paralele. Fiecare strat poate fi, de asemenea, întărit cu fibre continue țesute într-o țesătură, care este forma originală, corespunzătoare ca lățime și lungime materialului final. Nu este neobișnuit ca fibrele să fie țesute în structuri tridimensionale.
Materialele compozite diferă de aliajele convenționale prin valori mai mari ale rezistenței la tracțiune și limită de rezistență (cu 50-100%), modul de elasticitate, coeficient de rigiditate (Ely)și sensibilitate redusă la fisurare. Utilizarea materialelor compozite crește rigiditatea structurii, reducând în același timp consumul de metal.
Tabelul 44
Proprietăţile mecanice ale materialelor compozite pe baza metalica
Rezistența materialelor compozite (fibroase) este determinată de proprietățile fibrelor; matricea ar trebui să redistribuie în principal tensiunile între elementele de armătură. Prin urmare, rezistența și modulul de elasticitate al fibrelor trebuie să fie semnificativ mai mari decât rezistența și modulul de elasticitate al matricei. Fibrele rigide de armare percep tensiunile apărute în compoziția sub încărcare, îi conferă rezistență și rigiditate în direcția de orientare a fibrei.
Pentru a consolida aluminiul, magneziul și aliajele acestora, se utilizează bor (o în \u003d 2500 - * -3500 MPa, E = 38h-420 GPa) și carbon (st in = 1400-g-3500 MPa, E 160-450 GPa), fibre, precum și fibre din compuși refractari (carburi, nitruri, boruri și oxizi) cu rezistență ridicată și modul elastic. Deci, fibrele de carbură de siliciu cu un diametru de 100 μm au st in = 2500-*m3500 MPa, E= 450 GPa. Adesea, sârma de oțel de înaltă rezistență este folosită ca fibre.
Pentru a consolida titanul și aliajele sale, se utilizează sârmă de molibden, fibre de safir, carbură de siliciu și borură de titan.
O creștere a rezistenței la căldură a aliajelor de nichel se realizează prin întărirea acestora cu sârmă de wolfram sau molibden. Fibrele metalice sunt de asemenea utilizate în cazurile în care este necesară o conductivitate termică și electrică ridicată. Întăritorii promițători pentru materialele compozite fibroase de înaltă rezistență și modul înalt sunt mustații din oxid și nitrură de aluminiu, carbură și nitrură de siliciu, carbură de bor etc., având un b = 15000-g-28000 MPa și E= 400-*-600 GPa.
În tabel. 44 prezintă proprietățile unor materiale compozite fibroase.
Materialele compozite pe bază de metal au rezistență mare (st in, a_ x) și rezistență la căldură, în același timp au plasticitate scăzută. Cu toate acestea, fibrele din materialele compozite reduc rata de propagare a fisurilor care inițiază în matrice și elimină aproape complet
Orez. 197. Dependenţa modulului de elasticitate E (a)și rezistență temporară o în (b) materialul compozit bor-aluminiu de-a lungul (/) și transversal (2) axa de armare pe conținutul de volum al fibrei de bor
fractură fragilă. Anizotropia este o caracteristică distinctivă a materialelor compozite fibroase uniaxiale. proprietăți mecanice de-a lungul și peste fibre și sensibilitate scăzută la concentratorii de stres.
Pe fig. 197 arată dependenţa şi în şi E material compozit bor-aluminiu din conținutul de fibre de bor de-a lungul (/) și de-a lungul ( 2 ) axa de armare. Cu cât este mai mare conținutul de volum al fibrelor, cu atât mai mare a b, a_ t și E de-a lungul axei de armare. Cu toate acestea, trebuie luat în considerare faptul că matricea poate transfera tensiuni la fibre numai atunci când există o legătură puternică la interfața dintre fibra de armare și matrice. Pentru a preveni contactul dintre fibre, matricea trebuie să înconjoare complet toate fibrele, ceea ce se realizează atunci când conținutul său nu este mai mic de 15-20%.
Matricea și fibra nu ar trebui să interacționeze între ele (nu ar trebui să existe difuzie reciprocă) în timpul producției sau al funcționării, deoarece acest lucru poate duce la o scădere a rezistenței materialului compozit.
Anizotropia proprietăților materialelor fibroase compozite este luată în considerare la proiectarea pieselor pentru optimizarea proprietăților prin potrivirea câmpului de rezistență cu câmpurile de tensiuni.
Întărirea aliajelor de aluminiu, magneziu și titan cu fibre refractare continue de bor, carbură de siliciu, diborură de titan și oxid de aluminiu crește semnificativ rezistența la căldură. O caracteristică a materialelor compozite este rata scăzută de înmuiere în timp (Fig. 198, A) cu creșterea temperaturii.
Orez. 198. Rezistența pe termen lung a unui material compozit bor-aluminiu care conține 50% fibre de bor, în comparație cu rezistența aliajelor de titan (a) și rezistența pe termen lung a unui material compozit cu nichel în comparație cu rezistența aliajelor de întărire prin precipitare ( b):
/ - compozit bor-aluminiu; 2 - aliaj de titan; 3 - material compozit întărit cu dispersie; 4 - aliaje de întărire prin precipitare
Principalul dezavantaj al materialelor compozite cu armare unidimensională și bidimensională este rezistența scăzută la forfecare interlaminară și forfecare transversală. Acest neajuns este lipsit de materiale în armare în vrac.
- Polimerul, ceramica și alte matrici sunt utilizate pe scară largă.
CARACTERISTICI GENERALE ȘI CLASIFICARE
Materialele metalice și nemetalice utilizate în mod tradițional și-au atins în mare măsură limita de rezistență structurală. În același timp, dezvoltarea tehnologiei moderne necesită crearea de materiale care să funcționeze fiabil într-o combinație complexă de câmpuri de forță și temperatură, sub influența mediilor agresive, radiațiilor, vidului profund și presiunilor înalte. Adesea, cerințele pentru materiale pot fi contradictorii. Această problemă poate fi rezolvată prin utilizarea materialelor compozite.
material compozit(CM) sau compozit se numește un sistem eterogen în vrac constând din componente insolubile reciproc, care diferă foarte mult în proprietăți, a căror structură vă permite să utilizați avantajele fiecăreia dintre ele.
Omul a împrumutat principiul construcției CM din natură. Materialele compozite tipice sunt trunchiurile copacilor, tulpinile de plante, oasele umane și animale.
CM fac posibilă o combinație dată de proprietăți eterogene: rezistență și rigiditate specifică ridicate, rezistență la căldură, rezistență la uzură, proprietăți de protecție termică etc. Spectrul de proprietăți CM nu poate fi obținut folosind materiale convenționale. Utilizarea lor face posibilă crearea de modele inaccesibile anterior, fundamental noi.
Datorită CM, a devenit posibil un nou salt calitativ în creșterea puterii motorului, reducerea masei mașinilor și structurilor și creșterea eficienței în greutate a vehiculelor și vehiculelor aerospațiale.
Caracteristicile importante ale materialelor care funcționează în aceste condiții sunt rezistența specifică σ în /ρ și rigiditatea specifică E/ρ, unde σ in - rezistență temporară, E este modulul de elasticitate normală, ρ este densitatea materialului.
Aliajele de înaltă rezistență, de regulă, au ductilitate scăzută, sensibilitate ridicată la concentratoarele de tensiuni și rezistență relativ scăzută la dezvoltarea fisurilor de oboseală. Deși materialele compozite pot avea, de asemenea, ductilitate scăzută, ele sunt mult mai puțin sensibile la concentratoarele de tensiuni și rezistă mai bine la eșecurile prin oboseală. Acest lucru se datorează mecanismului diferit de formare a fisurilor în oțelurile și aliajele de înaltă rezistență. În oțelurile de înaltă rezistență, o fisură, care a atins o dimensiune critică, se dezvoltă apoi într-un ritm progresiv.
În materialele compozite, funcționează un alt mecanism. Fisura, care se deplasează în matrice, întâlnește un obstacol la interfața matrice-fibră. Fibrele inhibă dezvoltarea fisurilor, iar prezența lor în matricea plastică duce la o creștere a tenacității la rupere.
Astfel, sistemul compozit combină două proprietăți opuse necesare materialelor structurale - rezistență ridicată datorită fibrelor de înaltă rezistență și tenacitate suficientă la rupere datorită matricei plastice și mecanismului de disipare a energiei de rupere.
CM-urile constau dintr-o bază de material cu matrice relativ plastică și componente mai dure și mai puternice care sunt materiale de umplutură. Proprietățile CM depind de proprietățile bazei, materiale de umplutură și rezistența legăturii dintre ele.
Matricea leagă compoziția într-un monolit, îi conferă o formă și servește la transferarea sarcinilor externe la armătură din materiale de umplutură. În funcție de materialul de bază, CM-urile se disting cu o matrice metalică, sau cu materiale compozite metalice (MCM), cu un polimer - materiale compozite polimer (PCM) și cu o ceramică - materiale compozite ceramice (CMC).
Rolul principal în consolidarea CM-urilor este jucat de materiale de umplutură, adesea denumite întăritori. Au rezistență ridicată, duritate și modul de elasticitate. În funcție de tipul de umplutură de armare, CM-urile sunt împărțite în întărită prin dispersie,fibrosși stratificat(Fig. 28.2).
Orez. 28.2. Scheme ale structurii materialelor compozite: A) întărită în dispersie; b) fibros; în) stratificat
Particulele refractare fine, uniform distribuite de carburi, oxizi, nitruri etc., care nu interacționează cu matricea și nu se dizolvă în ea până la punctul de topire al fazelor, sunt introduse artificial în CM întărite prin dispersie. Cu cât particulele de umplutură sunt mai mici și distanța dintre ele este mai mică, cu atât CM este mai puternică. Spre deosebire de fibroase, în CM-urile întărite prin dispersie, principalul element portant este matricea. Ansamblul particulelor de umplutură dispersate întărește materialul datorită rezistenței la mișcarea dislocațiilor sub încărcare, ceea ce împiedică deformarea plastică. Rezistența eficientă la mișcarea de dislocare este creată până la temperatura de topire a matricei, datorită căreia CM-urile întărite prin dispersie se caracterizează prin rezistență ridicată la căldură și rezistență la fluaj.
Armătura în CM fibroasă poate fi fibre de diverse forme: fire, benzi, ochiuri de diverse țesături. Armarea CM fibroasă poate fi realizată conform unei scheme uniaxiale, biaxiale și triaxiale (Fig. 28.3, A).
Rezistența și rigiditatea unor astfel de materiale este determinată de proprietățile fibrelor de armare care preiau sarcina principală. Întărirea oferă o creștere mai mare a rezistenței, dar întărirea prin dispersie este mai ușor de implementat din punct de vedere tehnologic.
Materiale compozite stratificate (Fig. 28.3, b) sunt formate din straturi alternative de material de umplutură și matrice (tip sandwich). Straturile de umplutură din astfel de CM pot avea orientări diferite. Este posibil să se utilizeze alternativ straturi de umplutură din diferite materiale cu proprietăți mecanice diferite. Pentru compozițiile stratificate, se folosesc de obicei materiale nemetalice.
Orez. 28.3. Scheme de armare fibroasă ( A) și stratificat ( b) materiale compozite
MATERIALE COMPOZITE CĂLITE ÎN DISPERSIE
În timpul întăririi dispersiei, particulele blochează procesele de alunecare în matrice. Eficacitatea întăririi, în condițiile unei interacțiuni minime cu matricea, depinde de tipul particulelor, de concentrația lor în volum, precum și de uniformitatea distribuției în matrice. Aplicați particule dispersate de faze refractare precum Al 2 O 3 , SiO 2 , BN, SiC, având o densitate scăzută și un modul mare de elasticitate. CM este de obicei produs prin metalurgia pulberilor, un avantaj important al căruia este izotropia proprietăților în direcții diferite.
În industrie, se folosesc de obicei CM-uri întărite cu dispersie pe aluminiu și, mai rar, baze de nichel. Reprezentanții caracteristici acestui tip de materiale compozite sunt materialele de tip SAP (pulbere de aluminiu sinterizată), care constau dintr-o matrice de aluminiu armată cu particule dispersate de oxid de aluminiu. Pulberea de aluminiu se obține prin pulverizarea metalului topit, urmată de măcinarea în mori cu bile până la o dimensiune de aproximativ 1 micron în prezența oxigenului. Odată cu creșterea duratei de măcinare, pulberea devine mai fină și crește conținutul de oxid de aluminiu din ea. O altă tehnologie pentru producția de produse și semifabricate de la SAP include presarea la rece, presinterizarea, presarea la cald, laminarea sau extrudarea țaglelor de aluminiu sinterizat sub formă de produse finite care pot fi supuse unui tratament termic suplimentar.
Aliajele de tip SAP sunt deformate satisfăcător în stare fierbinte, iar aliajele cu 6–9% Al 2 O 3 sunt, de asemenea, deformate la temperatura camerei. Din ele se poate folosi tragerea la rece pentru a obține folie cu o grosime de până la 0,03 mm. Aceste materiale sunt bine prelucrate și au rezistență ridicată la coroziune.
Calitățile SAP utilizate în Rusia conțin 6–23% Al 2 O 3 . SAP-1 se distinge cu un conținut de 6-9, SAP-2 - cu 9-13, SAP-3 - cu 13-18% Al 2 O 3. Odată cu creșterea concentrației în volum a oxidului de aluminiu, rezistența materialelor compozite crește. La temperatura camerei, caracteristicile de rezistență ale SAP-1 sunt următoarele: σ in = 280 MPa, σ 0,2 = 220 MPa; SAP-3 sunt după cum urmează: σ în \u003d 420 MPa, σ 0,2 \u003d 340 MPa.
Materialele de tip SAP au o rezistență ridicată la căldură și depășesc toate aliajele de aluminiu forjat. Chiar și la o temperatură de 500 °C, σ lor nu este mai mică de 60-110 MPa. Rezistența la căldură se explică prin efectul de întârziere al particulelor dispersate asupra procesului de recristalizare. Caracteristicile de rezistență ale aliajelor de tip SAP sunt foarte stabile. Testele de rezistență pe termen lung ale aliajelor de tip SAP-3 timp de 2 ani nu au avut practic niciun efect asupra nivelului de proprietăți atât la temperatura camerei, cât și atunci când sunt încălzite la 500 °C. La 400 °C, rezistența SAP este de 5 ori mai mare decât cea a îmbătrânirii aliaje de aluminiu.
Aliajele de tip SAP sunt utilizate în tehnologia aviației pentru fabricarea pieselor cu rezistență specifică ridicată și rezistență la coroziune, funcționând la temperaturi de până la 300–500 °C. Din ele sunt fabricate tijele pistonului, paletele compresorului, carcasele elementelor de combustibil și tuburile schimbătoarelor de căldură.
CM este obținut prin metalurgia pulberilor folosind particule dispersate de carbură de siliciu SiC. Compusul chimic SiC are o serie de proprietăți pozitive: punct de topire ridicat (mai mult de 2650 ° C), rezistență ridicată (aproximativ 2000 MPa) și modul elastic (> 450 GPa), densitate scăzută (3200 kg / m 3) și coroziune bună rezistenţă. Producția de pulberi abrazive de siliciu a fost stăpânită de industrie.
Pulberile de aliaj de aluminiu și SiC sunt amestecate, supuse compactării preliminare la presiune joasă, apoi presarii la cald în recipiente de oțel în vid la temperatura de topire a aliajului matrice, adică în stare solid-lichid. Piesa de prelucrat rezultată este supusă unei deformări secundare pentru a obține semifabricate de forma și dimensiunea cerute: table, tije, profile etc.
Materialele compozite constau dintr-o matrice metalică (mai adesea Al, Mg, Ni și aliajele acestora) armată cu fibre de înaltă rezistență (materiale fibroase) sau particule refractare fin dispersate care nu se dizolvă în metalul de bază (materiale întărite prin dispersie). Matricea metalică leagă fibrele (particulele dispersate) într-un singur întreg. Fibrele (particule dispersate) plus un liant (matrice) care alcătuiesc o anumită compoziție se numesc materiale compozite.
Materiale compozite cu matrice nemetalica
Materialele compozite cu o matrice nemetalica au gasit o aplicatie larga. Ca matrici nemetalice, polimer, carbon și materiale ceramice. Dintre matricele polimerice, cele mai utilizate sunt epoxidice, fenol-formaldehidă și poliamidă.
Matrice de carbon cocsificat sau pirocarbon obținut din polimeri sintetici supuși pirolizei. Matricea leagă compoziția, dându-i formă. Întăritorii sunt fibre: sticlă, carbon, bor, organice, pe bază de mustăți (oxizi, carburi, boruri, nitruri și altele), precum și metal (sârme), care au rezistență și rigiditate ridicate.
Proprietățile materialelor compozite depind de compoziția componentelor, combinația lor, raportul cantitativ și rezistența legăturii dintre ele.
Materialele de armare pot fi sub formă de fibre, câlți, fire, benzi, țesături multistrat.
Conținutul de întăritor în materiale orientate este de 60-80 vol.%, în neorientate (cu fibre și mustăți discrete) - 20-30 vol.%. Cu cât rezistența și modulul de elasticitate al fibrelor sunt mai mari, cu atât rezistența și rigiditatea materialului compozit sunt mai mari. Proprietățile matricei determină rezistența compoziției la forfecare și compresiune și rezistența la rupere prin oboseală.
După tipul de întăritor, materialele compozite sunt clasificate în fibre de sticlă, fibre de carbon cu fibre de carbon, fibre de bor și fibre de organe.
În materialele laminate, fibrele, firele, benzile impregnate cu un liant sunt așezate paralel între ele în planul de așezare. Straturile plate sunt asamblate în plăci. Proprietățile sunt anizotrope. Pentru lucrul materialului din produs, este important să se țină cont de direcția sarcinilor care acționează. Puteți crea materiale atât cu proprietăți izotrope, cât și cu proprietăți anizotrope. Puteți așeza fibrele în unghiuri diferite, variind proprietățile materialelor compozite. Rigiditatea la încovoiere și la torsiune a materialului depinde de ordinea de așezare a straturilor de-a lungul grosimii pachetului.
Se folosește așezarea elementelor de armare din trei, patru sau mai multe fire.
Structura a trei fire reciproc perpendiculare are cea mai mare aplicație. Întăritoarele pot fi amplasate în direcții axiale, radiale și circumferențiale.
Materialele tridimensionale pot fi de orice grosime sub formă de blocuri, cilindri. Țesăturile voluminoase măresc rezistența la exfoliere și rezistența la forfecare în comparație cu țesăturile stratificate. Un sistem de patru fire este construit prin extinderea agentului de armare de-a lungul diagonalelor cubului. Structura a patru fire este echilibrată, are o rigiditate crescută la forfecare în planurile principale.
Cu toate acestea, crearea a patru materiale direcționale este mai dificilă decât crearea celor trei direcționale.
Acest tip de materiale compozite include materiale precum SAP (pulbere de aluminiu sinterizată), care sunt armate cu aluminiu cu particule dispersate de oxid de aluminiu. Pulberea de aluminiu se obține prin pulverizarea metalului topit, urmată de măcinarea în mori cu bile până la o dimensiune de aproximativ 1 micron în prezența oxigenului. Odată cu creșterea duratei de măcinare, pulberea devine mai fină și crește conținutul de oxid de aluminiu din ea. O altă tehnologie pentru producția de produse și semifabricate de la SAP include presarea la rece, presinterizarea, presarea la cald, laminarea sau extrudarea țaglelor de aluminiu sinterizat sub formă de produse finite care pot fi supuse unui tratament termic suplimentar.
Aliajele de tip SAP sunt folosite în tehnologia aviației pentru fabricarea pieselor cu rezistență specifică ridicată și rezistență la coroziune, funcționând la temperaturi de până la 300–500 °C. Din ele sunt fabricate tijele pistonului, paletele compresorului, carcasele elementelor de combustibil și tuburile schimbătoarelor de căldură.
Armarea aluminiului și aliajelor sale cu sârmă de oțel mărește rezistența acestora, crește modulul de elasticitate, rezistența la oboseală și extinde domeniul de temperatură al materialului.
Armarea cu fibre scurte se realizează prin metode de metalurgie a pulberilor, constând în presare urmată de hidroextrudarea sau laminarea semifabricatelor. Atunci când este întărită cu fibre continue din compoziții de tip sandwich constând din straturi alternative folie de aluminiu si se folosesc fibre, laminare, presare la cald, sudare prin explozie, sudare prin difuzie.
Un material foarte promițător este compoziția sârmei de aluminiu-beriliu, care realizează proprietățile fizice și mecanice ridicate ale armăturii cu beriliu și, în primul rând, densitatea scăzută și rigiditatea specifică ridicată. Compozițiile cu sârmă de beriliu se obțin prin sudarea prin difuzie a pachetelor din straturi alternante de sârmă de beriliu și foi de matrice. Aliajele de aluminiu armate cu fire de oțel și beriliu sunt folosite pentru a face părți ale corpului rachetei și rezervoare de combustibil.
În compoziția „aluminiu - fibră de carbon”, combinația de armătură cu densitate scăzută și matrice face posibilă crearea de materiale compozite cu rezistență și rigiditate specifică ridicate. Dezavantajul fibrelor de carbon este fragilitatea lor și reactivitatea ridicată. Compozitia aluminiu-carbon se obtine prin impregnarea fibrelor de carbon cu metal lichid sau prin metode de metalurgie a pulberilor. Din punct de vedere tehnologic, este cel mai simplu fezabil să trageți mănunchiuri de fibre de carbon printr-o topitură de aluminiu.
Compozitul aluminiu-carbon este utilizat în proiectarea rezervoarelor de combustibil ale luptătorilor moderni. Datorită rezistenței specifice ridicate și rigidității materialului, masa rezervoarelor de combustibil este redusă cu 30%. Acest material este, de asemenea, utilizat pentru fabricarea palelor de turbine pentru motoarele cu turbine cu gaz de avioane.
Materiale compozite cu matrice nemetalica
Materialele compozite cu o matrice nemetalica sunt utilizate pe scara larga in industrie. Materialele polimerice, carbon și ceramice sunt utilizate ca matrici nemetalice. Dintre matricele polimerice, cele mai utilizate sunt epoxidice, fenol-formaldehidă și poliamidă. Matricele de carbon sunt cocsificate sau obținute din polimeri sintetici supuși pirolizei (descompunere, dezintegrare). Matricea leagă compoziția, dându-i formă. Întăritorii sunt fibrele: sticlă, carbon, bor, organice, pe bază de mustăți (oxizi, carburi, boruri, nitruri etc.), precum și metal (sârme), care au rezistență și rigiditate ridicate.
Proprietățile materialelor compozite depind de compoziția componentelor, combinația lor, raportul cantitativ și rezistența legăturii dintre ele.
Conținutul de întăritor în materialele orientate este de 60–80 vol. %, în neorientat (cu fibre și mustăți discrete) - 20 - 30 vol. %. Cu cât rezistența și modulul de elasticitate al fibrelor sunt mai mari, cu atât rezistența și rigiditatea materialului compozit sunt mai mari. Proprietățile matricei determină rezistența compoziției la forfecare și compresiune și rezistența la rupere prin oboseală.
După tipul de întăritor, materialele compozite sunt clasificate în fibre de sticlă, fibre de carbon cu fibre de carbon, fibre de bor și fibre de organe.
În materialele laminate, fibrele, firele, benzile impregnate cu un liant sunt așezate paralel între ele în planul de așezare. Straturile plane sunt asamblate în plăci. Proprietățile sunt anizotrope. Pentru lucrul materialului din produs, este important să se țină cont de direcția sarcinilor care acționează. Puteți crea materiale atât cu proprietăți izotrope, cât și cu proprietăți anizotrope. Puteți așeza fibrele în unghiuri diferite, variind proprietățile materialelor compozite. Rigiditatea la încovoiere și la torsiune a materialului depinde de ordinea de așezare a straturilor de-a lungul grosimii pachetului.
Se folosește stivuirea elementelor de armare din trei, patru sau mai multe fire (Fig. 7). Structura a trei fire reciproc perpendiculare are cea mai mare aplicație. Întăritoarele pot fi amplasate în direcții axiale, radiale și circumferențiale.
Materialele tridimensionale pot fi de orice grosime sub formă de blocuri, cilindri. Țesăturile voluminoase măresc rezistența la exfoliere și rezistența la forfecare în comparație cu țesăturile stratificate. Un sistem de patru fire este construit prin plasarea armăturii de-a lungul diagonalelor cubului. Structura a patru fire este echilibrată, are o rigiditate crescută la forfecare în planurile principale. Cu toate acestea, crearea a patru materiale direcționale este mai dificilă decât crearea celor trei direcționale.
Orez. 7. Schema de armare a materialelor compozite: 1 - dreptunghiular, 2 - hexagonal, 3 - oblic, 4 - cu fibre curbate, 5 - un sistem de n fire
Cele mai eficiente în ceea ce privește utilizarea în cele mai severe condiții de frecare uscată sunt materialele antifricțiune pe bază de politetrafluoretilenă (PTFE).
PTFE se caracterizează printr-un coeficient de frecare static destul de ridicat, cu toate acestea, în timpul frecării de alunecare, se formează un strat foarte subțire de polimer foarte orientat pe suprafața PTFE, care ajută la egalizarea coeficienților de frecare statică și dinamică și mișcarea lină la alunecare. Când se schimbă direcția de alunecare, prezența unei pelicule de suprafață orientată determină o creștere temporară a coeficientului de frecare, a cărui valoare scade din nou pe măsură ce stratul de suprafață este reorientat. Acest comportament al PTFE la frecare a condus la utilizarea sa pe scară largă în industrie, unde PTFE neumplut este utilizat în principal pentru producția de rulmenți. În multe cazuri, rulmenții nelubrifiați trebuie să funcționeze la viteze de frecare mai mari. În același timp, PTFE neumplut se caracterizează prin valori ridicate ale coeficientului de frecare și rata de uzură. Ca materiale pentru rulmenți nelubrifiați care funcționează în astfel de condiții, materialele compozite, cel mai adesea pe bază de PTFE, și-au găsit o aplicație largă.
Cea mai simplă modalitate de a reduce rata de uzură relativ mare a PTFE în timpul frecării uscate este introducerea materialelor de umplutură sub formă de pulbere. În acest caz, rezistența la fluaj sub compresie crește și se observă o creștere semnificativă a rezistenței la uzură sub frecare uscată. Introducerea cantității optime de umplutură face posibilă creșterea rezistenței la uzură de până la 10 4 ori.
Polimerii și materialele compozite bazate pe acestea au un set unic de proprietăți fizice și mecanice, datorită cărora concurează cu succes cu oțelurile și aliajele structurale tradiționale și, în unele cazuri, este imposibil să se asigure caracteristicile funcționale și performanța necesare produselor și mașinilor speciale. fără utilizarea materialelor polimerice. Fabricabilitatea ridicată și consumul redus de energie al tehnologiilor de prelucrare a materialelor plastice în produse, combinate cu avantajele menționate mai sus ale PCM, le fac materiale foarte promițătoare pentru piesele de mașini în diverse scopuri.
Acest tip de materiale compozite include materiale precum SAP (pulbere de aluminiu sinterizată), care sunt armate cu aluminiu cu particule dispersate de oxid de aluminiu. Pulberea de aluminiu se obține prin pulverizarea metalului topit, urmată de măcinarea în mori cu bile până la o dimensiune de aproximativ 1 micron în prezența oxigenului. Odată cu creșterea duratei de măcinare, pulberea devine mai fină și crește conținutul de oxid de aluminiu din ea. O altă tehnologie pentru producția de produse și semifabricate de la SAP include presarea la rece, presinterizarea, presarea la cald, laminarea sau extrudarea țaglelor de aluminiu sinterizat sub formă de produse finite care pot fi supuse unui tratament termic suplimentar.
Aliajele de tip SAP sunt folosite în tehnologia aviației pentru fabricarea pieselor cu rezistență specifică ridicată și rezistență la coroziune, funcționând la temperaturi de până la 300–500 °C. Din ele sunt fabricate tijele pistonului, paletele compresorului, carcasele elementelor de combustibil și tuburile schimbătoarelor de căldură.
Armarea aluminiului și aliajelor sale cu sârmă de oțel mărește rezistența acestora, crește modulul de elasticitate, rezistența la oboseală și extinde domeniul de temperatură al materialului.
Armarea cu fibre scurte se realizează prin metode de metalurgie a pulberilor, constând în presare urmată de hidroextrudarea sau laminarea semifabricatelor. La armarea cu fibre continue din compoziții de tip sandwich constând din straturi alternative de folie de aluminiu și fibre, se utilizează laminarea, presarea la cald, sudarea prin explozie și sudarea prin difuzie.
Un material foarte promițător este compoziția „sârmă de aluminiu - beriliu”, care implementează proprietățile fizice și mecanice ridicate ale armăturii cu beriliu și, în primul rând, densitatea sa scăzută și rigiditatea specifică ridicată. Compozițiile cu sârmă de beriliu se obțin prin sudarea prin difuzie a pachetelor din straturi alternante de sârmă de beriliu și foi de matrice. Aliajele de aluminiu armate cu fire de oțel și beriliu sunt folosite pentru a face părți ale corpului rachetei și rezervoare de combustibil.
În compoziția „aluminiu - fibre de carbon”, combinația de armătură cu densitate scăzută și matrice vă permite să creați materiale compozite cu rezistență și rigiditate specifică ridicate. Dezavantajul fibrelor de carbon este fragilitatea lor și reactivitatea ridicată. Compoziția „aluminiu – carbon” se obține prin impregnarea fibrelor de carbon cu metal lichid sau prin metode de metalurgie a pulberilor. Din punct de vedere tehnologic, este cel mai simplu fezabil să trageți mănunchiuri de fibre de carbon printr-o topitură de aluminiu.
Compozitul „aluminiu - carbon” este utilizat în proiectarea rezervoarelor de combustibil ale luptătorilor moderni. Datorită rezistenței specifice ridicate și rigidității materialului, masa rezervoarelor de combustibil este redusă cu
treizeci la sută. Acest material este, de asemenea, utilizat pentru fabricarea palelor de turbine pentru motoarele cu turbine cu gaz de avioane.
