Материалы будущего

1.

Направление подготовки бакалавров
«Химическая технология»
Материаловедение и
технология конструкционных
материалов
Лихачев Владислав Александрович, к.х.н., доцент

2.

Материалы будущего
• Материалами будущего можно считать два
вида материалов:
• Композиционные материалы
• Комбинированные материалы

3.

Композиционный материал –- это гетерогенная система,
состоящая из сильно различающихся по свойствам, взаимно
нерастворимых компонентов, строение которой позволяет при
эксплуатации использовать преимущества каждого из них.
Таким образом, КМ позволяет получить какое-либо заданное
сочетание разнородных свойств: высокой прочности и
жёсткости, жаростойкости, износостойкости, коррозионной
стойкости, теплоизоляции и т.д.
Композиционные материалы уже давно и успешно вошли в
нашу практику: железобетон, шины, пластмассы на основе
реактопластов

4.

КМ
Обычно композиционный материал состоит из:
Матричного материала-основы;
Наполнителей (упрочнителей).
В качестве материала основы чаще всего используется
металл, полимеры или керамика.
• В качестве упрочняющего материала разнообразные
волокна, ткани, проволока, стружка и т.д.

5.

Металлические КМ;
• Матрица: Al, Mg, Ni, Тi и их сплавы
• Упрочнители: дисперсные;
волокна;
нити, проволока , ткани, слои.
Волокна:
Борные (Gв = 2500-3500 Мпа);
Карбиды кремния (Gв = 2500-3500 Мпа);
Углеродные Gв = 1400-3500 Мпа);
Нитриды, высокопрочная проволока, оксиды

6.

7.

Дисперсионное упрочнение
• Дисперсионное упрочнение проще в
изготовлении, но дает невысокое
упрочнение 20-30% за счет торможения
движения дислокаций.
• Высокая прочность достигается:
Размер частиц 10-500 нм;
Среднее расстояние 100-500 нм;
Оптимальное содержание 5 -10 об%

8.

Примеры использования композиционных
материалов с металлической матрицей
Системы «углеродные волокна – алюминий» и «углеродные
волокна – магний» используют в авиа- и космической
технике. Они обладают высокой прочностью и жёсткостью,
а также хорошей теплопроводностью.
Системы, содержащие вольфрамовую и молибденовую
проволоку в титановой матрице, используются при работе в
очень высоких температурах, например, в камерах сгорания
реактивных двигателей. Они в разы превосходят прочность
никелевых сплавов при температуре порядка 1000 ° С.
КМ из бороалюминия легче титановых сплавов на 30-40 %,
это свойство широко используется при конструировании
космических аппаратов.

9.

Эвтектические
композиционные материалы
• Эвтектическими композиционными
материалами (ЭКМ) называются сплавы
эвтектического состава, в которых
упрочняющей фазой служат ориентированные
кристаллы, образующиеся в процессе
направленной кристаллизации.
• Изделия из ЭКМ получаются за одну операцию
направленной кристаллизации

10.

Примеры ЭКМ
Матрица
Упрочняющий компонент
Применение
Аl
Al3Ni, CuAl2, Be, Si
Ni
TiC, HfC, VC, NiBe,
NiNb, NiM0
Со
Ta
TiC, HfC, VC, NbC, TaC
Ta2C
Конструкционные материалы,
высокопрочные провода
Жаростойкие конструкции с
повышенным пределом
длительной прочности:
сопловые лопатки, камеры
сгорания газотурбинных
двигателей
-»Детали самолетов и ракет
работающие при повышенных
температурах

11.

Композиционные материалы с
органической матрицей
• Матрица: эпоксидные, фенолформальдегидные,
полиамидные смолы.
• Упрочнители: волокна; нити; жгуты; ленты;
многослойные ткани.
Стеклянные, углеродные, борные, органические, карбиды,
бориды нитриды.
Содержание упрочнителя:
В неориентированных с дискретными волокнами и
нитевидными кристаллами 20-30 об.%
В ориентированных материалах 60-80 об%

12.

Композиционные материалы с
органической матрицей
• По виду упрочнителя классифицируются:
• Стекловолокниты;
• Карбоволокниты (полимерное связующее и
углеродные волокна);
Углепласты ( углерод-матрица, угольная ткань –
наполнитель)
• Бороволокниты;
• Органоволокниты (наполнители в виде
синтетических волокон и тканей)

13.

Углепласты
• Выдерживают температуру до 2200 С,
хорошо работают и при низких температурах.
• Получают из обычных полимерных
карбоволокнитов, подвергнутых пиролизу в
инертной или восстановительной атмосфере.
при температуре 800-1500 С образуются
карбонизированные углепласты, при 25003000 С гратифизированные углепласты.

14.

Углепласты
• Второй способ: разложение метана
(пиролизом). Упрочнитель укладывается в
форму и через нее пропускается при
температуре 1100 С и давлении 2660 Мпа.
Метан разлагается с образованием
пиролитического углерода. Получающийся
углепласт по значениям прочности и ударной
вязкости в 5-10 раз превосходит специальные
графиты, сохраняя прочность до 2200 С

15.

Композиционные покрытия
• Композиционные покрытия – это покрытия, содержащие в
своем составе несколько фаз. Примером может служить
покрытие «Изоллат», «Астратек», «Броня».
Марка
Свойства
Изоллат-01 Водо-, паро-изолирующий
теплоизолятор
Изоллат-02 Паропроницаемый
теплоизолятор
Изоллат-03 Теплоизолятор с
антипиреновыми
добавками
Изоллат-04 Теплоизолятор с
температурой применения
до 500 оС, негорючий
Область применения
Покрытие стен изнутри зданий,
трубопроводов с охлажденным
теплоносителем
Покрытие промышленного, котельного
оборудования, водонагревателей, стен
снаружи
Для объектов, где важно использовать
негорючий материал
Трубопроводы с остроперегретым паром,
другое промышленное оборудование

16.

Комбинированные материалы
• Комбинированными материалами называют
материалы, состоящие из слоев различных
материалов.
• За счет розных свойств слоев комбинированный
материал приобретает уникальные и
разноплановые свойства.
• Также как композиционные материалы
комбинированные материалы это материалы
будущего.

17.

Комбинированные материалы
Примерами комбинированных материалов могут служит
металлопласт использующийся для изготовления труб и
SIP- панели.
SIP- панели (структурная изоляционная панель)-плита состоит из
двух листов ОСП и прослойки утеплителя,
скрепленных между собой при помощи полиуретанового клея.
ОСП – (ориентированная стружечная плита) это слои древесной
стружки, соединенные между собой смолой,
В современной древесностружечной плите стружка больше
напоминает щепу.
В качестве утеплитель используется вспененный пластик.

18.

SIP- панель
Дома из СИПпанелей пришли к
нам из Канады,
страны с суровым
климатом, поэтому
сооружения такого
типа называют
«канадскими»..

19.

SIP- панель
Еще один вид СИП -панели

20.

Сэндвич - панели
Более прочными и экологичными представляются
комбинированные панели на основе металлов и
минеральных утеплителей

21.

Сэндвич - панели
Структура сэндвич-панелей на основе стального листа
представлена на следующем рисунке.