Технология композиционных материалов

1.

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждения
высшего образования
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
Институт №11 «Материаловедения и технологии материалов»
Кафедра «Технологиия композиционных материалов, конструкций и микросистем»
Материалы к лекциям по дисциплине
Технология композиционных
материалов
К.т.н., доц.каф.«ТКМКиМ»
Червяков А.А.
Москва, МАИ, 2022 г

2.

Типы (или классы) материалов
Простые
материалы
• состоят из одного элемента;
• ограниченные возможности по
свойствам.
Сложные
материалы
• состоят из нескольких разнородных
компонентов;
• каждый из компонентов вносит
свой вклад в свойства материала в
целом.
Свойства сложного материала можно направленно изменять:
― составом компонентов;
― их количеством;
― взаимным расположением в объеме материала;
― геометрическими размерами компонентов;
― их преимущественной ориентацией
Большая вариабельность составов и свойств материалов
из одних и тех же компонентов
Для высокопрочных материалов наиболее выгодно использовать компоненты волокнистой
формы. Прочность вдоль оси волокна максимальна.
2

3.

Основные требования к сложным материалам:
― комбинированием различных материалов получают новый с более
сложной структурой, но компоненты сохраняют свою
индивидуальность;
― наличие границы раздела между компонентами
Смешение
компонентов
T, P, t
Различной :
- химической природы;
- фазового состояния;
- соотношения;
- условий смешения (Т,Р,t)
Однородные
(гомогенные)
материалы
или
< 10-8 м
Неоднородные
(гетерогенные)
материалы
> 10-8 м
10-8 – 10-6 м
микрогетер-ть
Однофазные
материалы
или
> 10-6 м
макрогетер-ть
Многофазные
(гетерофазные)
материалы
Основной признак композиционного материала:
- неоднородность по структуре (гетерогенность);
- неоднородность по фазовому составу (гетерофазность);
- наличие общей границы раздела;
- фазы сохраняют индивидуальность.
Критерий
гетерогенности –
размер частиц.
3

4.

Композиционные материалы (КМ)
КМ – это природный или искуственно созданный гетерогенный,
гетерофазный материал, состоящий из двух или более
компонентов,
• разнородных,
• нерастворимых друг в друге,
• образующих самостоятельные фазы,
• соединённые между собой физико-химическими связями,
• имеющие общую границу раздела (межфазный слой),
и обладающий новым сочетанием свойств, но сохраняющий
индивидуальность каждого компонента.
Компоненты не изменяют свои свойства, каждый вносит свой
вклад, но материал приобретает новый комплекс свойств.
С т.з. физико-химии это гетерогенные и гетерофазные структуры
4

5.

Удельная прочность и удельный модуль упругости
некоторых материалов и КМ, армированных 60%(об.)
волокон
1 – алюминий;
2 – титан и сталь;
3 – титан, армированный волокнами карбида кремния;
4 - алюминий, армированный волокнами бора;
5 – эпоксидная смола, армированная волокнами
углерода
Серов М.М., Васильев В.А. Материаловедение: учебн. Пособие. М.: МАТИ, 2006. – 426 с.
Применение конструкционных материалов в мире (%)
Материал
1980
1990
2000
2020
Ме
70
57
44
25
ПМ
14
18
22
32
КМ
6
12
14
18
Ке
10
13
20
25
5

6.

Исторические этапы создания КМ
Если рассмотреть исторический аспект, то создание композиционных
материалов прошло несколько основных этапов:
1. «Стихийное» создание и применение на ранних этапах развития чело­
вечества КМ на основе природных материалов (саманного кирпича, состоящего
из глины, армированного соломой, камня, дерева, растительных волокон,
животных тканей и т.п.).
2. Создание фанеры и ее американского варианта (дельта - древесины).
3. Получение в 20-х годах
XX столетия фенолоформальдегидной
(бакелитовой) смолы и увеличение её прочности при введении древесной муки в
качестве наполнителя.
4. Создание в конце 30-х годах
XX столетия
однонаправленного
стеклопластика.
5. Разработка высокопрочных и высокомодульных полиамидных волокон
(1935г.).
6. Создание в 60 годах XX столетия углеродных волокон в Вели­кобритании
и борных волокон в США.
фанера
7.клееная
Разработка
современных КМ с уникальными прочностными и
функциональными свойствами.
6

7.

Развитие инженерных материалов
7

8.

Компоненты не изменяют свои свойства,
каждый вносит свой вклад, но материал
приобретает новый комплекс свойств
железобетонная конструкция
Железобетон состоит из стальной арматуры и бетона, отлично
воспринимающего сжимающие нагрузки и очень плохо сопротивляющегося
растягивающим напряжениям.
При сочетании бетона и металла в виде стальных прутков, определенным
образом расположенных в изделии и хорошо воспринимающих
растягивающие
нагрузки,
получается
железобетон,
соединяющий
достоинства обоих компонентов.
8

9.

Определение композиционного
материала
Композиционный материал
(композит, композитный материал, КМ) – это природный или
искуственно созданный гетерогенный, гетерофазный материал, состоящий из двух или более
компонентов,
разнородных,
нерастворимых друг в друге,
образующих самостоятельные фазы,
соединённых между собой физическими или химическими связями,
имеющих общую границу раздела (межфазный слой),
и обладающий новым сочетанием свойств, но сохраняющий индивидуальность каждого компонента.
Компоненты не изменяют свои свойства, каждый вносит свой вклад, но материал приобретает новый
комплекс свойств.
Основные фазы КМ
1 фаза – непрерывная фаза (дисперсионная среда) или матрица.
Структура композиционных материалов: 1 - наполнитель; 2 - матрица;
2 фаза –дисперсная фаза, которая м.б.
дискретной или непрерывной
(прерывной или непрерывной),
распределена по заданому закону в
непрерывной фазе – наполнитель.
а - дискретные частицы; б - волокна, нити, жгуты; в - ткань; г - листовой материал.
9

10.

Функции компонентов КМ
1 фаза – непрерывная фаза (дисперсионная среда) или матрица.
Функции матрицы:
- фиксировать в пространстве частички наполнителя;
- удерживать форму изделия;
- передавать и перераспределять внешнюю нагрузку на частицы наполнителя;
- обеспечивать технологические свойства;
- защищать частицы наполнителя от воздействия внешней среды температуры (влажность,
ультрафиолетовое излучение, температура и т.п.),
-также определяет стойкость ПКМ к ударным нагрузкам, а также температуру эксплуатации ПКМ.
2 фаза –дисперсная фаза, которая м.б. дискретной или непрерывной (прерывной или непрерывной),
распределена по заданому закону в непрерывной фазе – наполнитель.
Функции наполнителя:
- обеспечивать заданные эксплуатационные свойства;
- определяет технологические приёмы изготовления изделия.
Армирующий наполнитель (армирующая система):
Материал, соединенный с матрицей с целью улучшения
физико-механических характеристик композита.
непрерывные волокна, штапельные волокна, ровинги, ленты, ткани, маты,
нитевидные монокристаллы, полые микросферы и др.
Армирующая система выполняет роль каркаса, который имеет заранее заданную и созданную форму близкую к форме
будущей детали. Матрица (связующее) связывает элементы армирующей системы в композите.
Граница раздела фаз (межфазный слой) – определяет совместную работу матрицы и наполнителя
Между матрицей и наполнителем возникает четко
обозначенная граница раздела и прочное взаимодействие
(адгезия) по всей поверхности этой границы, которое
обеспечивает равномерное перераспределение по
наполнителю напряжений, возникающих в матрице под
действием внешних нагрузок.
10

11.

Определение композита по ГОСТ
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
ГОСТ 32794— 2014. КОМПОЗИТЫ ПОЛИМЕРНЫЕ Термины и определения
(ISO 472:1999, NEQ)
композит (композитный материал, композиционный материал):
Сплошной продукт, состоящий из двух или более материалов. отличных друг от
друга по форме и/или фазовому состоянию и/или химическому составу и/или
свойствам, скрепленных, как правило, физической связью и имеющих границу
раздела между обязательным материалом (матрицей) и ее наполнителями,
включая армирующие наполнители.
Примечание — Матрица и наполнитель композита образуют единую структуру и действуют
совместно, обеспечивая наилучшим образом необходимые свойства конечного изделия по
его функциональному назначению.
Вся совокупность свойств, присущих матрице и волокнам, суммируется
в композиционном материале пропорционально объемным долям каждой из фаз,
что позволяет, владея методами конструирования КМ, создавать материалы
с требуемым сочетанием свойств, обеспечивая многофункциональность изделий
11

12.

Вся совокупность свойств, присущих матрице и наполнителю, суммируется
в композиционном материале пропорционально объемным долям каждой из фаз,
что позволяет, владея методами конструирования КМ, создавать материалы
с требуемым сочетанием свойств, обеспечивая многофункциональность изделий.
Свойства КМ (однонаправленного армированного пластика (АП)) ориентировочно можно оценить
по правилу аддитивности (правилу смеси):
σАП = .σВ.φВ + σМ.φМ,
.
σВ,φВ ,σМ,φМ - разрушающие напряжение волокнистого наполнителя и матрицы и их
относительное объемное содержание в изделии соответственно
VВ
VМ
В
, М
VАП
VАП
φВ + φМ =1,
.
VВ, VМ, - объём, занимаемый волокнистым наполнителем
и матрицей, соответственно, в объёме изделия VАП.
φМ = 1 – φВ
σАП = .σВ.φВ + σМ.(1 – φВ)
.
ЕАП = .ЕВ.φВ + ЕМ.(1 – φВ)
Для получения точных расчётов необходимо использовать
механику разрушений гетерогенных сред, и в частности:
- теорию упругости;
- теорию пластичности;
12
- теорию трещин.

13.

Типы КМ
По структуре наполнителя композитные материалы
подразделяют на:
•дисперсноармированные, или
дисперсноупрочненные (с наполнителем в виде
тонкодисперсных частиц).
•волокнистые (армированы волокнами
и нитевидными кристаллами),
•слоистые (армированы пленками, пластинками,
слоистыми наполнителями),
1 - наполнитель; 2 - матрица
13

14.

Типы КМ
В зависимости от природы одного из компонентов (как правило матрицы):
Металлические КМ – МеКМ (МКМ);
Керамические КМ – КеКМ (ККМ);
Полимерные КМ – ПКМ;
Углеродные КМ – УМК.
У каждого класса свои достоинства, недостатки и области
применения, т.е. возможности.
Требования к матрицам можно разделить на 3 группы:
•Первая группа прочность, жесткость, теплостойкость полимерной матрицы,
•Вторая группа – пластичность, трещиностойкость, ударную вязкость;
•Третья группа – перерабатываемость, технологичность связующего.
Задача исследователя, конструирующего композиционный материал, – найти
компромисс, оптимизировать выбор связующего, учитывая еще экологические,
экономические, конъюнктурные и другие соображения.
Матрицу для композиционных материалов выбирают, учитывая условия
эксплуатации изделий. От материала матрицы значительно зависят свойства
композита: прочность, тепло- и влагостойкость, стойкость к действию агрессивных
14
сред, метод получения изделия.

15.

Без применения в авиационной
индустрии лёгких, жестких, прочных,
высокотемпературных композиционных
материалов нельзя достичь амбициозных целей
по массе, характеристикам авиационных
конструкций различного назначения
и типоразмеров.
Стеклопластик
Органопластик
Углепластик
Полимерные КМ
Боралюминий
Al / SiC
Титан / SiC
Металлические КМ
Ti Al / SiC
Ti3Al / SiC
Ni3Al / SiC
Интерметаллидные КМ
Армированные волокнами углерода
Армированные волокнами карбида кремния
Армированные волокнами оксила алюминия
Керамические КМ
Окиси циркония ZrO2
Окиси гафния HfO2
Других тугоплавких керамик
Углерод-углеродные КМ с покрытиями
0
250
500
750 1000 1250 1500 1750 2000 C

16.

Типы КМ
Наиболее широкое применение в технике получили композитные материалы,
армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными
волокнами. К ним относят:
•полимерные композитные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных,
винилэфирных, феноло-формальдегидных, полиимидных и др.) и термопластичных полимеров
армированных стеклянными (стеклокомпозиты), углеродными (углекомпозиты), органическими
(органокомпозиты), борными (борокомпозиты) и другими видами волокон;
•металлические композитные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных
борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или
вольфрамовой проволокой;
•композитные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углеродуглеродные материалы);
•композитные материалы на основе керамики (обычная керамика: силикаты; техническая керамика: оксиды Al2O3,
карбиды SiC, нитриды Si3N4, бориды TiB2, сульфиды BeS; керметы: соединения, содержащие керамическую (Al2O3) и металлическую
составляющие (Cr, Ni, Co, Fe), армированной углеродными, карбидкремниевыми и другими жаростойкими
волокнами.
При использовании углеродных, стеклянных, арамидных и борных волокон,
содержащихся в материале в количестве 50–70%, созданы композиты с ударной
прочностью и ударным модулем упругости в 2–5 раз большими, чем у обычных
конструкционных материалов и сплавов.
Волокнистые композитные материалы превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности,
термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и другим свойствам.
16

17.

Рекомендуемая литература
1. ГОСТ 32794- 2014. Композиты полимерные. Термины и определения.
2. Серов М.М., Васильев В.А. Материаловедение: учебн. Пособие. М.: МАТИ, 2006. – 426 с.
3. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: Учебное
пособие. 5-е издание. /Под ред. Берлина А.А. – СПб.: Профессия, 2018. – 640 с.
4. Технология производства изделий и интегральных конструкций из КМ в
машиностроении_А.Г.Братухин, В.С.Боголюбов, О.С.Сироткин – М.: Готика, 2003. - – 516 с.
5. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. 2-е изд. –
СПб.: Научные основы и технологии, 2010. – 822 с.
6. Михайлин Ю.А. Специальные полимерные композиционные материалы. 2-е изд. –
СПб.: Научные основы и технологии, 2011. – 660 с.
7. Михайлин Ю.А. Волокнистые полимерные композиционные материалы в технике. –
СПб.: Научные основы и технологии, 2013. – 650 с.
8. Любин Дж. Справочник по композиционным материалам. Пер. с англ./ Под ред. А.Б.
Геллера. в двух томах– М.: Машиностроение, 1988. – 448с.
9. Мийченко И.П.. Технология полуфабрикатов полимерных материалов. – СПб.: НОТ,
2012. – 374 с.
10. Промышленные полимерные композиционные материалы. Ричардсон. Пер. с анг. Под
ред. Бабаевского. М.: Химия . 1980. – 472 с.
11. Устинов В.А. Тенденции использования КМ на полимерной матрице в
авиастроительной и космической технике за рубежом//Проблемы безопасности
полетов.-1995.-№ 1.- С.19-36.
12. Faserverstaerkte Kunststoffe, Zukunftwerkstoffe fuer den Maschinen- und Fahrzeugbau//
Ing. Dig.-1982.- Bd. 21, N 2.- S. 29-31.
17
13. SAMPE-Journal.-1991.-V. 27, N 2.- P. 19-25.
14. Konstruieren mit thermoplastischen Kunststoffen. Teil 1: Grundlagen. Ludwigshafen: BASF.-S. 76.