БОЛЬШАЯ СОВЕТСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ, БСЭ БОЛЬШАЯ СОВЕТСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ, БСЭ
Навигация:

Библиотека DJVU
Photogallery

БСЭ

Статистика:


Композиционные материалы

Значение слова "Композиционные материалы" в Большой Советской Энциклопедии


Композиционные материалы, представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом
эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиции. По характеру структуры Композиционные материалы подразделяются на волокнистые, упрочнённые непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами, дисперсноупрочнённые материалы, полученные путём введения в металлическую матрицу дисперсных частиц упрочнителей, слоистые материалы, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов. К. Композиционные материалы также относятся сплавы с направленной кристаллизацией эвтектических структур. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

  Волокнистые Композиционные материалы, армированные нитевидными кристаллами и непрерывными волокнами тугоплавких соединений и элементов (SiC, AI2O3, бор, углерод и др.) являются новым классом материалов. Однако принципы армирования для упрочнения известны в технике с глубокой древности. Еще в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а в Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555-60 при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали армированные железными полосами каменные плиты. Прообразом Композиционные материалы являются широко известный железобетон, представляющий собой сочетание бетона, работающего на сжатие, и стальной арматуры, работающей на растяжение, а также полученные в 19 в. прокаткой слоистые материалы.

  Успешному развитию современных Композиционные материалы содействовали: разработка и применение в конструкциях волокнистых стеклопластиков, обладающих высокой удельной прочностью (1940-50); открытие весьма высокой прочности, приближающейся к теоретической, нитевидных кристаллов и доказательства возможности использования их для упрочнения металлических и неметаллических материалов (1950-60); разработка новых армирующих материалов - высокопрочных и высокомодульных непрерывных волокон бора, углерода, Al2O3, SiC и волокон других неорганических тугоплавких соединений, а также упрочнителей на основе металлов (1960-70).

  В технике широкое распространение получили волокнистые Композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами, в которых армирующие элементы несут основную нагрузку, тогда как матрица передаёт напряжения волокнам. Волокнистые Композиционные материалы, как правило, анизотропны. Механические свойства их () определяются не только свойствами самих волокон (), но и их ориентацией, объёмным содержанием, способностью матрицы передавать волокнам приложенную нагрузку и др. Диаметр непрерывных волокон углерода, бора, а также тугоплавких соединений (В4С, SiC и др.) обычно составляет 100-150 мкм.

  Волокнистые Композиционные материалы, в отличие от монолитных сплавов, обладают высокой усталостной прочностью s-1. Так, например, s-1 (база 107 циклов) алюминиевых сплавов составляет 130-150 Мн/м2 (13-15 кгс/мм2), в то время как у армированного борным волокном алюминиевого Композиционные материалы s-1 около 500 Мн/м2 (при той же базе). Предел прочности и модуль упругости Композиционные материалы на основе алюминия, армированного борным волокном, примерно в 2 раза больше, чем у алюминиевых сплавов В-95 и АК4-1.

  Важнейшими технологическими методами изготовления Композиционные материалы являются: пропитка армирующих волокон матричным материалом; формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы, получаемых намоткой; холодное прессование обоих компонентов с последующим спеканием, электрохимическое нанесение покрытий на волокна с последующим прессованием; осаждение матрицы плазменным напылением на упрочнитель с последующим обжатием; пакетная диффузионная сварка монослойных лент компонентов; совместная прокатка армирующих элементов с матрицей и другие.

  Табл. 1. - Механические свойства волокнистых композиционных материалов с непрерывными волокнами

 

Упрочнитель (волокно)

 

Предел

Удельная

Модуль

Удельный

 

Матрица (основа)

материал

% (по объёму)

Плотность, кг/м3

прочности, Гн/м3

прочность, кн-м/кг

упругости, Гн/м3

модуль упругости, Мн-м/кг

Никель

Вольфрам

40

12500

0,8

64

265

21,2

 

Молибден

50

9300

0,7

75

235

25,25

Титан

Карбид кремния

25

4000

0,9

227

210

52

Алюминий

Борное волокно

45

2600

1,1

420

240

100

 

Стальная проволока

25

4200

1,2

280

105

23,4

 

Борное волокно

40

2000

1,0

500

220

110

Магний

Углеродное волокно

50

1600

1,18

737

168

105

Полимерное связующее

Борное волокно

60

1900

1,4

736

260

136,8

 
  Табл. 2.- Свойства нитевидных кристаллов и непрерывных волокон<

Упрочнитель

Температура плавления, °С

Плотность, кг/м3

Предел прочности, Гн/м2

Удельная прочность, Мн•м/кг

Модуль упругости, Гн/м2

Удельный модуль упругости, Мн•м/кг

Непрерывные волокна

Al2O3

2050

3960

2,1

0,53

450

113

B

2170

2630

3,5

1,33

420

160

C

3650

1700

2,5

1,47

250-400

147-235

B4C

2450

2360

2.3

0,98

490

208

SiC

2650

3900

2,5

0,64

480

123

W

3400

19400

4,2

0,22

410

21

Mo

2620

10200

2,2

0,21

360

35

Be

1285

1850

1,5

0,81

240

130

Нитевидные кристаллы (усы)

Al2O3

2050

3960

28*

7,1

500

126

AlN

2400

3300

15*

4,55

380

115

B4C

2450

2520

14*

5,55

480

190

SiC

2650

3210

27*

8,4

580

180

Si2N4

1900

3180

15*

4,72

495

155

C

3650

1700

21*

12,35

700

410

*Максимальные значения.

 

  В узлах конструкций, требующих наибольшего упрочнения, армирующие волокна располагаются по направлению приложенной нагрузки. Цилиндрические изделия и другие тела вращения (например, сосуды высокого давления) армируют волокнами, ориентируя их в продольном и поперечном направлениях. Увеличение прочности и надежности в работе цилиндрических корпусов, а также уменьшение их массы достигается внешним армированием узлов конструкций высокопрочными и высокомодульными волокнами, что позволяет повысить в 1,5-2 раза удельную конструктивную прочность по сравнению с цельнометаллическими корпусами. Упрочнение материалов волокнами из тугоплавких веществ значительно повышает их жаропрочность. Например, армирование никелевого сплава вольфрамовым волокном (проволокой) позволяет повысить его жаропрочность при 1100 °С в 2 раза.

  Весьма перспективны Композиционные материалы, армированные нитевидными кристаллами (усами) керамических, полимерных и др. материалов. Размеры усов обычно составляют от долей до нескольких мкм по диаметру и примерно 10-15 мм по длине.

  Разрабатываются Композиционные материалы со специальными свойствами, например радиопрозрачные материалы и радиопоглощающие материалы, материалы для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов, с малым коэффициентом линейного термического расширения и высоким удельным модулем упругости и другие. Свойства Композиционные материалы на основе алюминия и магния (прочность, модуль упругости, усталостная и длительная прочность) более чем в 2 раза (до 500 °С) выше, чем у обычных сплавов. Композиционные материалы на никелевой и кобальтовой основах увеличивают уровень рабочих температур от 1000 до 1200 °С, а на основе тугоплавких металлов и соединений - до 1500-2000 °С. Повышение прочностных и упругих свойств материалов позволяет существенно облегчить конструкции, а увеличение рабочих температур этих материалов даёт возможность повысить мощность двигателей, машин и агрегатов.

  Области применения Композиционные материалы многочисленны; кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной промышленности - для деталей двигателей и кузовов автомашин; в машиностроении - для корпусов и деталей машин; в горнорудной промышленности - для бурового инструмента, буровых машин и др.; в металлургической промышленности - в качестве огнеупорных материалов для футеровки печей, кожухов и другой арматуры печей, наконечников термопар; в строительстве - для пролётов мостов, опор мостовых ферм, панелей для высотных сборных сооружений и др.; в химической промышленности - для автоклавов, цистерн, аппаратов сернокислотного производства, ёмкостей для хранения и перевозки нефтепродуктов и др.; в текстильной промышленности - для деталей прядильных машин, ткацких станков и др.; в сельскохозяйственном машиностроении - для режущих частей плугов, дисковых косилок, деталей тракторов и др.; в бытовой технике - для деталей стиральных машин, рам гоночных велосипедов, деталей радиоаппаратуры и др.

  Применение Композиционные материалы в ряде случаев потребует создания новых методов изготовления деталей и изменения принципов конструирования деталей и узлов конструкций.

 

  Лит.: Волокнистые композиционные материалы, пер. с англ., М., 1967: Современные композиционные материалы, под ред. П. Крока и Л. Броутмана, пер. с англ., М., 1970; Туманов А. Т., Портной К. И., «Докл. АН СССР», 1971, т. 197, № 1, с. 75; 1972, т. 205, №2, с. 336; их же, «Металловедение и термическая обработка металлов», 1972, № 4, с. 24.

  А. Т. Туманов, К. И. Портной.

В Большой Советской Энциклопедии рядом со словом "Композиционные материалы"

Комплювий | Буква "К" | В начало | Буквосочетание "КО" | Композиция (построение художеств. произв.)


Статья про слово "Композиционные материалы" в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 6178 раз


Интересное