Как составить коллекцию конструкционных материалов

Что такое конструкционные материалы?

Они отвечают трём требованиям – имеют определённую структуру и уровень свойств, а также пригодны для изготовления каких-либо изделий. Вещества, имеющие жидкую или пастообразную консистенцию, в эту группу не входят.

Большинство материалов для конструкций производятся искусственным способом из специально обработанных или подготовленных составляющих. Некоторые материалы являются веществами природного происхождения, основные свойства которых при обычной обработке не изменяются.

Разновидности конструкционных материалов

Основные конструкционные материалы подразделяют на металлические и неметаллические. Первая группа включает в себя чёрные (сталь, чугун) и цветные металлы и сплавы. Вторая более разнообразна: туда входят:

• механические композиты (бетон, цемент);
• древесина;
• природный камень;
• пластмассы, которые могут существовать в виде изомеров – атомов, соединённых между собой разными видами химических связей.

К отдельной группе относят химические композиты, в структуре которых одновременно присутствуют атомы металлов и неметаллов. Достижения современного материаловедения ежегодно приводят к созданию принципиально новых типов конструкционных материалов. Свойства композитов зависят от устойчивости соединения нескольких природных или искусственных веществ, которые получены в определённых условиях. Каждый из конструкционных материалов имеет определённые свойства, соответственно которым устанавливаются области его рационального применения.

Из чёрных металлов и сплавов главнейшее значение имеет сталь и её сплав с графитом – чугун. В качестве цветных металлов наибольшее распространение получили алюминий, медь, никель, титан и их сплавы. Они востребованы практически во всех отраслях промышленного производства, аграрном деле, строительстве, связи.

Типовым представителем механических композитов считается бетон, состоящий из смеси цемента, таких заполнителей, как песок, гравий или щебень, а также воды. Параметры бетона зависят от соотношений, используемых при расчете смеси. Поэтому поставщики бетона обычно предоставляют свойства материала и результаты испытаний для каждого конкретного случая.

Древесина считается конструкционным материалом, если потребительские свойства позволяют использовать её для производства компактной, долговечной продукции. Например, деревья-кустарники, хотя и имеют структуру древесины, могут использоваться только в качестве сырья для лесохимической или целлюлозно-бумажной промышленности.

Природные камни – граниты, базальт, кварц, представляют собой вещества магматического происхождения, образовавшиеся много тысячелетий тому назад вследствие извержения пород из недр Земли с их последующим застыванием. Возможна механическая (резание, шлифовка) или термохимическая (литьё) обработка природного камня.

Пластмассы – обширный класс искусственных веществ, которые создаются в результате контролируемого прохождения химических реакций. Номенклатура применяемых пластиков обширна и ежегодно пополняется новыми представителями.

Рассмотрим классификацию конструкционных материалов более подробно.

Металлические

Включают материалы, полученные переработкой руд чёрных и цветных металлов. Самородные структуры – золото, железо, свинец – в первичном виде не используются, поскольку не обладают теми потребительскими характеристиками, которые необходимы для долговечного применения.

Ведущее место среди металлов принадлежит стали – сплаву железа с не более чем 2% углерода. Особенностями стали являются:

• достаточно широкий диапазон марок;
• возможность видоизменять характеристики под воздействием температуры;
• доступность добычи исходного сырья;
• способность к вторичной переработке.

Большинство металлических материалов может проявлять интерметаллидные свойства, образуя новые многокомпонентные соединения.

Поскольку все виды конструкционных материалов тверды, прочны и сохраняют свою форму при повышенных температурах (исключение составляют только олово и свинец, которые используются в качестве припоев), то основные области их применения – строительство, промышленность, средства связи, медицина.

Неметаллические

Получаются как природным, так и искусственным способом. Например, образование изделий из камня – это производство, основанное на переработке естественных заготовок. Остальные виды – керамика, дерево, пластик – получены в результате процессов с искусственно полученными веществами (например, с цементом для бетона), либо с природными компонентами (в частности, для изготовления керамики используют глину).

Процессы, которые необходимы для получения неметаллов:

1. Добыча исходного сырья – руды, древесины, химических соединений, используемых для производства пластических масс и т.д.
2. Подготовка сырья к переработке. Для неорганических ископаемых сюда входят технологии обогащения, для органических (древесина, пластик) – различные механо-термические превращения.
3. Получение продукции и её отделка, например, окраска, нанесение декоративных или технологических покрытий.

Конечные показатели материалов органического происхождения могут сильно отличаться от свойств исходного сырья, в то время как продукты из неорганических компонентов в целом сохраняют свои эксплуатационные показатели.

Композиционные

Композиты образуются только искусственными способами, для чего применяются механические (измельчение, дробление, резка), химические, термические и комбинированные операции.

В число последних входят:

• нагрев;
• уплотнение;
• охлаждение;
• растворение.

Нагрев и охлаждение используются для облегчения последующего формоизменения, уплотнение (прессование) – для преобразования заготовок в конечную продукцию, растворение – для ускорения обработки компонентов.

Для получения продукции, основой которой являются высокомолекулярные органические вещества, используют управляемые химические реакции, а для создания композитных конструкционных материалов с особыми свойствами — методы с применением высоких энергий. В результате направленного энергетического воздействия, например, лазерного луча или плазмы, исходная структура веществ необратимо изменяется. В результате образуется продукция, свойства которой в природном виде воспроизвести невозможно. Это направление материаловедения за последние годы развивается наиболее интенсивно, поскольку техника и потребности современного общества требуют материалов, которые обладали бы сочетанием нескольких противоречивых характеристик: например, высокой прочностью при малом весе.

Свойства конструкционных материалов

Их подразделяют на три группы – механические, физические и эксплуатационные.

Физические свойства конструкционных материалов — это параметры, которые можно измерить. Механические свойства считаются показателем поведения материала при различных условиях его нагружения. Эксплуатационные свойства определяют потребительскую ценность материала, например, долговечность и износостойкость.

Обычно все виды свойств рассматривают совместно.

Механические свойства

Определяются химическим составом и внутренней структурой материала, например размером зерна или направлением волокон. На уровень этих свойств влияют условия обработки, особенно, если обработка сопровождается перестройкой внутренней структуры. Уровень механических свойств зависит от условий применения.

Многие механические свойства взаимозависимы: высокие характеристики в одной категории могут сочетаться с более низкими характеристиками в другой. Например, более высокая прочность может быть достигнута за счет более низкой пластичности. Таким образом, верное понимание среды, в которой работает изделие, приводит к выбору оптимального материала.

Основные механические свойства:

• предельное сопротивление внешним нагрузкам – растяжению, сжатию, изгибу, сдвигу;
• деформируемость без потери целостности;
• упругость;
• удельная вязкость разрушения.

Физические свойства

Наряду с механическими определяют способность материала удовлетворять производственным требованиям, однако в большинстве случаев мало изменяются от условий внешней обработки.

Основные физические свойства:

• плотность;
• электропроводность;
• теплопроводность/теплоёмкость (иногда сюда же вносят температуропроводность);
• температуры перехода в различное структурное состояние;
• коэффициенты объёмного расширения.

Физические свойства могут измеряться непосредственно. Для каждого вида материала разработаны стандартные методики оценки, поэтому результат определяют узкие диапазоны значений. Выбор происходит обычно уже по заданным значениям физических параметров.

Технологические свойства

Используются для определения способности материала к обработке. Включают в себя пластичность и жёсткость, причём численные нормируемые параметры здесь отсутствуют. Технологические свойства конкретизируются для определённых условий обработки и устанавливаются исключительно по результатам испытаний на специализированном лабораторном оборудовании.

Эксплуатационные свойства

Необходимы для оценки долговечности/износотойкости изделия, которое изготовлено из данного конструкционного материала. Износостойкость — это мера способности материала противостоять контактному трению, которое может принимать различные формы:

• адгезию (сцепление;
• истирание;
• царапание, долбление;
• температурный износ.

Управление фактическими эксплуатационными показателями входит в число обязательных этапов конструирования детали или узла.

Химические свойства

Более значимы для материалов, состав которых может изменяться под влиянием внешних условий. К таким свойствам относят:

• стойкость против коррозии (для металлов);
• химическая стабильность (для пластика;
• инертность при воздействии внешних агрессивных сред.

Стабильность химических свойств имеет решающее значение при выборе типа композитов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2

Наименование работы:

«Конструкционные материалы»

Продолжительность проведения: 2 часа

Цель работы: формирование знаний о
конструкционных материалах.

Задачи работы: изучить
основные виды конструкционных материалов.

Краткие теоретические сведения.

Конструкционные материалы подразделяются по
природе материалов на металлические, неметаллические и композиционные.

1.Металлические конструкционные материалы это различные сплавы, выполненные из
различных металлов, которые выпускает наша металлургическая промышленность. Но
в природе металлов в чистом виде существует очень мало (самородки золота,
серебра, железа…) Поэтому сырьём для получения металлов служат всевозможные
геологические руды (полезные ископаемые, залегающие в недрах земли). Из
добываемой руды по определённым технологиям и плавят различные металлы и
получают различные сплавы. Таким образом, металл, как конструкционный
материал это сплавы на основе различных металлов:

Сталь и чугун это сплавы на основе железа из него
выпускают основную массу металлических заготовок и конструкций для
машиностроительной промышленности, строительных материалов.

Алюминиевые сплавы – служат для изготовления корпусов
самолётов, вертолётов, ракет, морских судов и различных строительных
конструкций, пищевую фольгу и фантики для конфет.

Никелевые сплавы, титановые сплавы и кобальтовые
сплавы применяют в авиационных и ракетных двигателях, паровых турбинах.

Магниевые сплавы применяются преимущественно в виде
литья в конструкциях летательных аппаратов, в автомобилестроении, в текстильной
и полиграфической промышленности.

2.Неметаллические конструкционные материалы.

Включают в себя множество материалов. ( Пластики,
полимеры, керамика, стекло, резина, кожа, древесина, ткань, бумага и др.

Характеристика конструкционных материалов

Разнообразная по свойствам. Тонкая, пористая, хорошо
скручивается, сминается, легко режется, пропускает воздух, впитывает влагу,
сохраняет тепло. Прочность разная в зависимости от строения. Сравнительно
низкая прочность, легковоспламеняющаяся, под действием воды и высоких
температур изменяет размер. Для изготовления швейных изделий, оформления
интерьеров, обивки мягкой мебели и т.п. Конструкционные материалы
характеризуются механическими и технологическими свойствами. Наиболее
общими являются механические свойства – твердость, упругость, пластичность,
мягкость, прочность, жёсткость и т.д. Некоторые из перечисленных свойств,
способны изменяться под действием влажности, смены температур. Технологические
свойства материалов неодинаковы, специфичны для каждого конкретного материала.
Например, к технологическим свойствам тканей относятся свойства, проявляющиеся
в процессе выполнения ручных, машинных и влажно-тепловой обработки (ВТО). Это
скольжение, осыпаемость нитей, раздвижка нитей в швах, усадка и т.д.

Для изготовления любого изделия необходимые
знания о свойствах конструкционных материалов. Это дает возможность создавать
изделия, которые будут иметь необходимые качества. Все конструкционные материалы характеризуются
свойствами, среди которых определяющие и менее важные.

Так, например, основными свойствами стекла является
его прозрачность и плотность. Поэтому стекло пропускает свет, но не пропускает
воздух. При этом хрупкость не умаляет важности стекла как конструкционного
материала, что является одним из основных материалов, используемых в
строительстве.

Широкое использование стекла обусловлено неповторимым
и своеобразным сочетанием физических и химических свойств, не свойственным
никакому другому материалу. Например, без стекла не существовало бы обычного
электрического освещения. Оптические элементы микроскопов, телескопов,
фотоаппаратов, кино- и видеокамер выполнены из стекла.

Постоянно совершенствуется один из важнейших для себя
конструкционных материалов — ткань. Ткани чрезвычайно разнообразны по
внешнему виду и свойствам. Они разные по толщине, цвету, фактуре. Существуют
ткани, которые пропускают воздух и не пропускают его. Есть ткани, которые
впитывают влагу, и такие, что ее не впитывают. Большинство тканей —
легковоспламеняющиеся. Прочность тканей бывает разной в зависимости от их
строения. Такое разнообразие свойств обусловлено свойствами сырья, из которого
изготовлены ткани.

Ткани изготавливают на ткацких станках из ниток. Нити,
в свою очередь, производят скручиванием пряжи. Пряжа изготавливается из
маленьких, тонких, гибких волокон различного происхождения.

Ткань, как конструкционный материал, в настоящее время
используется очень широко. Её применяют в быту, в качестве отделочных
материалов стен помещений, как текстиль для дизайна комнат. Из неё
изготавливают спортивную обувь и одежду, для изготовления парусов и различного
туристического снаряжения, специальной защитной одежды.

Древесина, как конструкционный материал один из самых древних
материалов используемых человеком. Древесина это материал, являющийся сырьём
для производства множества изделий. Это натуральный и экологичный материал не
утратил своей актуальности и сегодня. Но область его применения значительно
сузилась, в основном оно используется в строительстве и производстве мебели.
Технологические свойства древесины – это способность удерживать крепления (
гвозди, шурупы), сопротивляемость раскалыванию, износу при трении.

Бумага(предположительно от итал. bombagia < лат.
bombacium ‘хлопок’) — волокнистый материал с минеральными добавками.
Представлен в виде листов для письма, рисования, упаковки и прочего, получаемый
из целлюлозы: растений, а также вторсырья (тряпья и макулатуры). Лучшие сорта
бумаги изготавливаются из химической целлюлозы, приготовленной вышеприведенным
способом, а газетная бумага и другие дешевые сорта бумаги изготавливаются из
древесной массы, производимой механическим способом без химической обработки, и
состоят из древесных волокон.

Пластмасса (пластическая масса)[пластики] — материалы,
полученные из природных или искусственных высокомолекулярных соединений,
способные под влиянием нагревания и давления формоваться и затем устойчиво
сохранять приданную им форму. Большой класс полимерных органических легко
формуемых материалов, из которых можно изготавливать легкие, жесткие, прочные,
коррозионностойкие изделия.

Кожа, в последнее время кожа широко используется для
изготовления обуви и кожгалантерейных изделий. Композиционная кожа представляет
собой материал из измельченных кожевенных волокон, спрессованных при высоком
давлении с добавлением связующего агента или без него. Композиционную кожу в
соответствии с принятой классификацией полимеров можно рассматривать как
искусственный материал – подвергшуюся обработке натуральную кожу. Синтетическую
кожу на тканевой, нетканой или трикотажной основе также применяют в качестве
кожеподобного материала, имитирующего или заменяющего натуральную кожу.

3Композиционные материалы — это материалы, из которых изготавливаются детали конструкций (машин и
сооружений), воспринимающих силовую нагрузку и отличающихся износостойкостью. Композитный
материа́л (КМ), компози́т — искусственно созданный неоднородный
сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов.

Полимерные композиционные материалы (ПКМ)

Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых
многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных
областях даёт значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ
при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до
30 % веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного
спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000$. В
качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ.

А) Стеклопластики — полимерные композиционные
материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формируют из
расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют
как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные
и так далее), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен,
полистирол и так далее). Эти материалы обладают достаточно высокой
прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами,
кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось
в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей —
куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых
армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно
вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой
матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось — она стала
служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон
во многих стеклопластиках достигает 80 % по массе. Слоистый материал, в
котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетённая из стеклянных
волокон, называется стеклотекстолитом.

Стеклопластики — достаточно дешёвые материалы, их
широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве
бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных
стеклопакетов и так далее.

Б) Углепластики — наполнителем в этих
полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из
синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров
акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и так далее. Термическая
обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление — 220°
С, карбонизация — 1000—1500° С и графитизация — 1800—3000° С) и
приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до
99,5 % по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного
сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления
углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков — чаще
всего — термореактивные и термопластичные полимеры. Основными
преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их
низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики — очень
лёгкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики
имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики
хорошо проводят электричество, чёрного цвета, что несколько ограничивает
области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении,
машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при
изготовлении лёгких велосипедов и другого спортивного инвентаря.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы
создают композиционные углеграфитовые материалы — наиболее термостойкие
композиционные материалы (углепластики), способные долго выдерживать в инертных
или восстановительных средах температуры до 3000° С. Существует несколько
способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные волокна
пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких
температур (2000° С), при этом происходит пиролиз органических веществ и
образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию
повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного материала состоит
в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана.
Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в
структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с
плотностью графита в полтора раза. Из углепластиков делают высокотемпературные
узлы ракетной техники и скоростных самолётов, тормозные колодки и диски для
скоростных самолётов и многоразовых космических кораблей, электротермическое
оборудование.

В) Боропластики — композиционные материалы,
содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедрённые в термореактивную
полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в
виде жгутов, оплетённых вспомогательной стеклянной нитью или лентой, в которых
борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твёрдости нитей,
получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные
волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из
других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая
хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму
изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока
(порядка 400 $/кг) в связи с особенностями технологии их получения (бор
осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать
до 30 % стоимости волокна). Термические свойства боропластиков
определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило,
невелики.

Применение боропластиков ограничивается высокой
стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным
образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся
длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Г) Органопластики — композиты, в которых
наполнителями служат органические, синтетические и реже — природные и
искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и так далее. В
термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные,
полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит
40—70 % наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе
термопластичных полимеров — полиэтилена, ПВХ, полиуретана и так далее —
варьируется в значительно больших пределах — от 2 до 70 %.
Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков,
относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и
динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и
изгибе.

Важную роль в улучшении механических характеристик
органопластика играет степень ориентации макромолекул наполнителя.
Макромолекулы жесткоцепных полимеров, таких, как полипарафенилтерефталамид
(кевлар) в основном ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают
высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Из материалов, армированных
кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты.

Органопластики находят широкое применение в авто-,
судо-, машиностроении, авиа- и космической технике, радиоэлектронике,
химическом машиностроении, производстве спортивного инвентаря и так далее.

Д) Полимеры, наполненные порошками. Известно
более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для
снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств.
Впервые наполненный полимер начал производить доктор Бейкеленд (Leo
H.Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформальдегидной
(бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола — вещество хрупкое, обладающее
невысокой прочностью. Бейкеленд обнаружил, что добавка волокон, в частности,
древесной муки к смоле до её затвердевания, увеличивает её прочность. Созданный
им материал — бакелит — приобрёл большую популярность. Технология его
приготовления проста: смесь частично отверждённого полимера и
наполнителя — пресс-порошок — под давлением необратимо затвердевает в
форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916,
это — ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные
термореактивные полимеры широко используются по сей день.

Сейчас применяются разнообразные наполнители как
термореактивных, так и термопластичных полимеров. Карбонат кальция и каолин
(белая глина) дёшевы, запасы их практически неограничены, белый цвет даёт
возможность окрашивать материал. Применяют для изготовления жёстких и
эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб,
электроизоляции, облицовочных плиток и так далее, полиэфирных
стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в
полипропилен существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного
полимера. Сажа больше всего используется в качестве наполнителя резин, но
вводится и в полиэтилен, полипропилен, полистирол и так далее. По-прежнему
широко применяют органические наполнители — древесную муку, молотую
скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна. Большую популярность
приобрел полимерно-песчаный композит на основе полиэтиленов с наполнителем из
речного песка. Для создания биоразлагающихся композитов в качестве наполнителя
используют крахмал.

Е) Текстолиты — слоистые пластики,
армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов
была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани
пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая
текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов —
покрытия для кухонных столов — трудно переоценить.

Основные принципы получения текстолитов сохранились,
но сейчас из них формуют не только пластины, но и фигурные изделия. И, конечно,
расширился круг исходных материалов. Связующими в текстолитах является широкий
круг термореактивных и термопластичных полимеров, иногда даже применяются и
неорганические связующие — на основе силикатов и фосфатов. В качестве
наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон — хлопковых,
синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и так
далее. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.

Композиционные материалы с металлической
матрицей

При создании композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и так далее. Наполнителем служат или высокопрочные волокна, или тугоплавкие, не растворяющиеся в
основном металле частицы различной дисперсности.

Свойства дисперсно-упрочненных металлических
композитов изотропны — одинаковы во всех направлениях. Добавление
5-10% армирующих наполнителей (тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов) приводит к повышению сопротивляемости
матрицы нагрузкам. Эффект увеличения прочности сравнительно невелик, однако ценно увеличение
жаропрочности композита по сравнению с исходной матрицей.
Так, введение в жаропрочный хромоникелевый сплав тонкодисперсных порошков оксида
тория или оксида
циркония позволяет
увеличить температуру, при которой изделия из этого сплава способны к
длительной работе, с 1000° С до 1200° С. Дисперсноупрочненные металлические
композиты получают, вводя порошок наполнителя в расплавленный металл, или методами порошковой
металлургии.

Армирование металлов волокнами, нитевидными
кристаллами,
проволокой значительно повышает как прочность, так и жаростойкость металла. Например, сплавы
алюминия, армированные
волокнами бора, можно эксплуатировать при температурах до
450—500° С, вместо 250—300° С. Применяют оксидные, боридные, карбидные,
нитридные металлические наполнители, углеродные
волокна. Керамические
и оксидные волокна из-за своей хрупкости не допускают пластическую
деформацию материала,
что создаёт значительные технологические трудности при изготовлении изделий,
тогда как использование более пластичных металлических наполнителей позволяет
переформование. Получают такие композиты пропитыванием пучков волокон расплавами металлов, электроосаждением, смешением с порошком металла и последующим спеканием и так далее.

В 1970-х появились первые материалы, армированные
нитевидными монокристаллами («усами»). Нитевидные
кристаллы получают,
протягивая расплав через фильеры. Используются «усы» оксида
алюминия, оксида
бериллия, карбидов
бора и кремния, нитридов
алюминия и кремния и так далее длиной 0,3—15 мм и
диаметром 1-30 мкм. Армирование «усами» позволяет значительно увеличить
прочность материала и повысить его жаростойкость. Например, предел
текучести композита из
серебра, содержащего 24% «усов» оксида алюминия, в 30 раз превышает предел текучести серебра и в 2
раза — других композиционных материалов на основе серебра. Армирование
«усами» оксида алюминия материалов на основе вольфрама и молибдена вдвое увеличило их прочность при температуре
1650° С, что позволяет использовать эти материалы для изготовления сопел ракет.

Композиционные материалы на основе керамики

Армирование керамических материалов волокнами, а также
металлическими и керамическими дисперсными частицами позволяет получать
высокопрочные композиты, однако, ассортимент волокон, пригодных для армирования
керамики, ограничен свойствами исходного материала. Часто используют
металлические волокна. Сопротивление растяжению растёт незначительно, но зато
повышается сопротивление тепловым ударам — материал меньше растрескивается
при нагревании, но возможны случаи, когда прочность материала падает. Это зависит
от соотношения коэффициентов термического расширения матрицы и наполнителя.

Армирование керамики дисперсными металлическими частицами приводит
к новым материалам (керметам) с
повышенной стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с повышенной
теплопроводностью. Из высокотемпературных керметов делают детали для газовых
турбин, арматуру электропечей, детали для ракетной и реактивной техники.
Твёрдые износостойкие керметы используют для изготовления режущих инструментов
и деталей. Кроме того, керметы применяют в специальных областях техники —
это тепловыделяющие элементы атомных реакторов на основе оксида урана,
фрикционные материалы для тормозных устройств и так далее.

Керамические композиционные материалы получают
методами горячего прессования (таблетирование с последующим спеканием под
давлением) или методом шликерного литья (волокна заливаются суспензией
матричного материала, которая после сушки также подвергается спеканию).

Композиционные материалы — это материалы, из которых изготавливаются
детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку и
отличающихся износостойкостью. Композитный материа́л (КМ), компози́т
— искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или
более компонентов.

Таблица 1

Требование к отчету

1 Заполнить таблицу 1

Вопросы для повторения:

1.Перечислите какие вы знаете композиционные материалы