Материал: Композиционные материалы. Обработка композиционных материалов давлением

Композиционные материалы. Обработка композиционных материалов давлением

Министерство образования и науки Российской Федерации

Санкт - Петербургский политехнический университет имени Петра Великого

Институт металлургии, машиностроения и транспорта

Кафедра ‹‹Технология конструкционных материалов и материаловедение››

Пояснительная записка

К курсовой работе

По дисциплине: Наукоёмкие технологии обработки давлением

Композиционные материалы. Обработка композиционных материалов давлением

Буймов М.Г.

Руководитель проекта:

Кузнецов П.А.

САНКТ - ПЕТЕРБУРГ - 2015 г.

Оглавление

1. Введение

2. Общие сведения о композиционных материалах

.1 Классификация композиционных материалов

.2 Структура композиционных материалов

.3 Свойства композиционных материалов

.4 Достоинства и недостатки композиционных материалов

. Обработка композиционных материалов

.1 Контактное (ручное) формование

.2 Напыление

.3 Инжекция (RTM)

.4 Вакуумная инфузия

.5 Намотка

.6 Пултрузия

.7 Прямое прессование

.8 Сравнение методов формообразования композиционных материалов

.9 Патентная литература

. Анализ современного состояния и перспектив развития технологии композиционных материалов

.1 Рынок композиционных материалов

.2 Перспективы применения композитов в России

Заключение

Список литературы

1. Введение

Композицио́нный материа́л (КМ), компози́т - искусственно созданный неоднородный сплошной материал <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F:%D0%9C%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D1%8B>, состоящий из двух или более компонентов <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%9A%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D0%BE%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D1%82&action=edit&redlink=1> с чёткой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связующее) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители).

Два или более неоднородных материала используют вместе, чтобы создать новый уникальный материал или же улучшить характеристики одного из них. Первое использование этого метода относится к 1500 году до нашей эры, когда в Египте и Месопотамии начали использовать глину и солому для строения зданий. Также солому вносили в состав для укрепления керамических изделий и лодок.

2. Общие сведения о композиционных материалах

2.1 Классификация композиционных материалов

Все композиционные материалы можно условно классифицировать по следующим признакам: материалу матрицы, типу арматуры ее ориентации, способу получения композиции и изделий из них.

В зависимости от материала матрицы композиционные материалы можно разделить на следующие основные группы: композиции с металлической матрицей - металлические композиционные материалы (МКМ), с полимерной - полимерные композиционные материалы (ПКМ), с резиновой - резиновые композиционные материалы (РКМ) и с керамической - керамические композиционные материалы (ККМ). Название ПКМ обычно присваивают в зависимости от армирующего материала. Например, ПКМ армированы стеклянными волокнами называют стеклопластиками. Аналогично получили свои названия углепластики, боропластики и т. д. По типу арматуры и ее ориентации КМ подразделяют на две основные группы: изотропные и анизотропные. Изотропные КМ имеют одинаковые свойства во всех направлениях. К этой группе относят КМ с порошкообразными наполнителями. К числу изотропных условно относят КМ, армированные короткими (дискретными) частицами. У анизотропных материалов свойства зависят от направления армирующего материала. Их подразделяют на однонаправленные, слоистые и трехмерно-направленные. Анизотропия материалов закладывается конструктором для получения КМ с заданными свойствами. Однонаправленные КМ чаще всего проектируют для изготовления изделий, работающих на растяжение. Анизотропия КМ «проектируемая» заранее с целью изготовления из КМ конструкций называется конструкционной. Существуют также технологическая анизотропия, образующаяся вследствие пластической деформации изотропных материалов, и физическая, присущая кристаллам и связанная с особенностями строения их кристаллической решетки. Гибридными называют КМ, содержащие в своем составе три или более компонентов. По способам получения КМ подразделяются на полученные жидко- и твердофазными методами, методами осаждения-напыления и комбинированными методами.

Общая схема классификации представлена на рисунке 2.1.1.

Рисунок 2.1.1 - Классификация КМ

2.2 Структура композиционных материалов

В композиционном материале главную роль в упрочнении играют наполнители, (армирующие компоненты), их называют упрочнителями. Они должны обладать высокой прочностью, твердостью и высоким модулем упругости. Чем выше эти характеристики у наполнителей, тем выше соответствующие свойства композиционного материала, хотя они и не достигают характеристик наполнителя. По типу упрочняющих наполнителей композиционные материалы делят на дисперсноупрочненные, волокнистые и слоистые (рисунок 2.2.1 а, б, в, соотв.).

Рисунок 2.2.1 - Строение композиционных материалов

Дисперсноупрочненные материалы (см. рис. 1.2.1,а) содержат мелкие, равномерно распределенные тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов, которые не взаимодействуют с матрицей и не растворяются в ней вплоть до температуры плавления. Дисперсные частицы упрочняют материал за счет сопротивления оказываемого движению дислокаций, при нагружении. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояние между ними, тем прочнее материал. Сопротивление движению дислокаций сохраняется вплоть до температуры плавления матрицы. Поэтому данные материалы отличаются высокой жаропрочностью и сопротивлением ползучести.

В волокнистых композиционных материалах (рис. 2.2.1,б), арматурой могут быть волокна различной формы: нити, ленты, сетки различного плетения. Армирование волокнистых композиционных материалов может осуществляться по одноосной, двухосной и трехосной схеме (рис. 2.2.2). Прочные и твердые волокна находятся в окружении металлической или пластмассовой матрицы. В качестве волокон используют прочную металлическую проволоку, металлические или керамические нитевидные кристаллы с низкой плотностью дислокаций, стеклянные и керамические нити (например, из бора или углерода). Волокна являются элементами, воспринимающими нагрузку, матрица распределяет нагрузку между волокнами, защищает их поверхность и повышает энергию распространения трещины, предупреждая разрушение хрупкого типа. Этот принцип упрочнения композиционного материала противоположен различным методам упрочнения металлов, когда металлическая матрица упрочняется, например, за счет выделений второй фазы. В композиционных материалах твердость матрицы благодаря наличию прочных волокон повышать не требуется.

Рисунок 2.2.2 - Схемы армирования

Армирование волокнами дает больший прирост прочности, но дисперсное упрочнение технологически легче осуществимо.

Слоистые композиционные материалы (рис. 2.2.2,б) набираются из чередующихся слоев наполнителя и материала матрицы (конструкция типа «сэндвич»). Слои наполнителя могут быть различно ориентированны. Возможно поочередное использование слоев наполнителя из материалов, с разными механическими свойствами. Для слоистых композитов обычно используют неметаллические материалы.

Для расширения комплекса свойств или усиления какого-либо свойства, композиционный материал одновременно армируют наполнителями различной формы и размеров. Так, для повышения модуля упругости композитов с полимерной матрицей, армированных стеклянными волокнами, дополнительно вводят волокна бора.[1]

2.3 Свойства композиционных материалов

Свойства композитов зависят не только от свойств матрицы и наполнителя, но и от размеров армирующих волокон, схемы армирования и количества наполнителя в матрице. При упрочнении волокнами конечной длины нагрузка на них передается через матрицу с помощью касательных напряжений. С увеличением длины волокна напряжение, возникающее в нем, повышается. При определенной длине, называемой критической, напряжение достигает максимального значения и уже не меняется при дальнейшем увеличении длины волокна.

Схема армирования оказывает большое влияние на анизотропию свойств композитов. При растяжении предел прочности и модуль упругости достигают наибольших значений в направлении продольного расположения волокон, наименьших - в направлении поперечного расположения. При двухосном армировании анизотропия свойств не наблюдается. Однако по сравнению с одноосным армированием прочность вдоль оси волокон уменьшается в 3 раза.

Прочность композиционных материалов в большой степени зависит от прочности сцепления наполнителя с матрицей. Эта зависимость носит линейный характер (рис.2.3.1), за исключением материалов с очень низким (менее 5 %) или высоким (более 80 %) содержанием. При малом содержании упрочнителя вязкая матрица, по сравнению с хрупким наполнителем, до разрушения испытывает большую деформацию. Это приводит к нарушению сцепления волокон наполнителя с матрицей. При большом содержании наполнителя снижение прочности композиционного материала связано с достижением предела плотности упаковки упрочнителя.

Рисунок 2.3.1 - Влияние наполнителя на прочность

Требуемая прочность сцепления обеспечивается диффузионными процессами и химическими реакциями, протекающими на границе раздела волокон наполнителя и матрицы. Процессы протекают при изготовлении композиционных материалов, так и при их использовании. Для металлических композитов прочная связь между волокном и матрицей обеспечивается благодаря их взаимодействию с образованием тонкого слоя интерметаллидных фаз. Если между волокнами и матрицей взаимодействия нет, то на поверхность волокон наносят специальные покрытия для его обеспечения. Для композитов на неметаллической основе связь между компонентами осуществляется за счет адгезии (межмолекулярного взаимодействия). Плохой адгезией к матрице обладают высокопрочные борные, углеродные и керамические волокна. Улучшение сцепления достигается травлением волокон или вискеризацией - выращиванием монокристаллов карбида кремния на поверхности углеродных, борных и других волокон перпендикулярно их длине. На поверхности волокон после обработки образуется «ворс».[1]

2.4 Достоинства и недостатки композиционных материалов

Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно. Стоит отметить, что КМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя всевозможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства.

Достоинства:

·        высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа) [1]

·        высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 - 240 ГПа) [1]

·        высокая износостойкость

·        высокая усталостная прочность

·        из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции

·        легкость

Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.

Недостатки:

·        Высокая стоимость

·        Анизотропия свойств

·        Низкая ударная вязкость

·        Композиционные материалы гигроскопичны, т.е. склонны впитывать влагу, что обусловлено несплошностью внутренней структуры КМ.

·        Токсичность

·        Низкая эксплуатационная технологичность.[3]

3. Обработка композиционных материалов

композиционный инжекция инфузия обработка

Формообразование заготовок из композиционных материалов в большинстве случаев осуществляется методом копирования, т. е. форма и размеры оснастки (пресс-формы) переносятся (копируются) изготовляемой деталью. Получаемые детали, как правило, не требуют дальнейшей механической обработки. В отдельных случаях экономически целесообразно изготовлять детали механической обработкой. В качестве заготовок при этом используют листы, трубы, прутки, профили различного сечения. Иногда возникает необходимость в дополнительной обработке заготовок, полученных литьем, прессованием и другими методами формообразования. В зависимости от способа воздействия на заготовку, используемых оборудования и инструмента применяют два основных метода механической обработки: разделительную штамповку и обработку резанием. Основные операции разделительной штамповки при изготовлении деталей из листовых материалов - вырубка, пробивка, отрезка, разрезка, обрезка и зачистка. Наибольшее практическое применение имеют операции вырубки, пробивки и разрезки. Операции разделительной штамповки выполняют с подогревом заготовки или без подогрева. В качестве оборудования используют механические или гидравлические прессы. [2]

3.1 Контактное (ручное) формование

Благодаря незначительным капиталовложениям, изготовление стеклопластика по технологии контактного формования находит широкое применение при изготовлении изделий из стеклопластика единичными экземплярами и малыми партиями. Суть метода изготовления стеклопластика контактным формованием состоит в следующем (см. рис. 3. 1. 1.): на подготовленную определённым способом оснастку (матрицу) наносится защитно-декоративный слой - гелькоут <#"867303.files/image005.jpg">

Рисунок 3.1.1 - Схема ручного формованиях[6]

Последний этап - прикатка еще не отвержденного стеклопластика (ламината) жестким валиком для удаления пузырьков воздуха из него. После отверждения стеклопластика, готовое изделие из стеклопластика извлекается из формы и подвергается механической обработке: обрезка облоя - излишков стеклопластика или отвержденной полиэфирной смолы по краям изделия; высверливание отверстий и т. д.

Применяемые материалы:

Смолы: Любые, например эпоксидные, полиэфирные, винилэфирные. Волокна: Любые.

Наполнители: Любые, стойкие к используемым смолам.

К преимуществам ручного изготовления стеклопластика можно отнести:

·        Относительно небольшая стоимость оснастки для изготовления стеклопластика;

·        Незначительная стоимость оборудования для изготовления стеклопластика (распылитель, валики, кисти).

Недостатки метода:

·        Значительное количество ручного труда при изготовлении изделия из стеклопластика;

·        Предварительный раскрой стеклоткани, стекломата или другого стеклянного материала;

·        Предварительная подготовка смеси полиэфирная смола - отвердитель;

·        Качество конечного изделия из стеклопластика зависит от мастерства исполнителя;

.2 Напыление

Технология производства стеклопластика напылением получила распространение при мелко и среднесерийном производстве изделий из стеклопластика, а также при производстве крупных изделий из стеклопластика, таких как корпуса катеров, лодок, яхт, кабины автотранспорта, железнодорожных вагонов и т.д. Несмотря на то, что в данном случае подразумеваются определённые затраты на закупку специализированного оборудования для производства стеклопластика, технология производства стеклопластика напылением имеет ряд преимуществ перед технологией производства стеклопластика ручным формованием <#"867303.files/image006.jpg">

Рисунок 3.2.1 - Схема метода напыления[7]

Применяемые материалы:

Смолы: Прежде всего полиэфирные.

Волокна: Только стеклонить в виде роввинга (ровницы).

Наполнители: Любые, стойкие к стиролу. Укладываются вручную.

Преимущества технологии:

·        Не требуется раскрой стекломата и подготовка смеси полиэфирная смола - отвердитель, что позволяет экономить время, полезные площади, работу персонала;

·        Существенно сокращаются производственные площади из-за снижения числа специально оборудованных мест для производства стеклопластика;

·        Увеличивается скорость производства изделия из стеклопластика;

·        Упрощается контроль над качеством изделий из стеклопластика;

·        Экономится фонд заработной платы при производстве стеклопластика;

·        Снижается себестоимость конечного изделия из стеклопластика, так как стеклянный ровинг - наиболее дешевый материал из стекла;

·        Существенно снижается количество отходов - Вы используете ровно столько полиэфирной смолы и стекла, сколько нужно для производства изделия из стеклопластика.