книги / Новые материалы и технологии.-1

ВПП. Разработка УУКМ собственно и ставила своей задачей создание нового углеродного материала, намного превосходя­ щего по свойствам известные углеграфиты. УУКМ пришел на смену углеграфитовым материалам в ракетной и космической технике. Он является перспективным материалом и для другой техники, работающей в самых различных отраслях. Для изделий народно-хозяйственного применения УУКМ используют огра­ ниченно, из-за сложной, длительной и дорогой технологии. На­ зовем некоторые области, где УУКМ уже нашел применение:

•авиастроение (тормозные диски шасси, элементы со­ пел и др.);

•ракетостроение (элементы соплового блока, элементы теплозащиты);

•возвращаемые космические аппараты (элементы теп­ ловой защиты носовой части, крыльев, нижней части фюзе­ ляжа и др.);

•металлургия (пресс-формы для тугоплавких металлов, штампы для титановых деталей, ковши);

•машиностроение (подшипники скольжения, нагревате­ ли, тепловые экраны и др.);

•химическая и нефтехимическая отрасли (детали насосов, подшипники скольжения, трубы, соединительные элементы);

•ядерная энергетика (элементы конструкций ядерных ус­ тановок);

•медицина (протезы суставов и костей, крепежные эле­ менты, пластинки).

8. Керамические композиционные материалы

Керамические КМ представляют собой такие композиты, в которых матрица из керамики, а армирующая составляющая из металлических или неметаллических наполнителей. Сама ке­ рамика - это обширный класс тугоплавких неорганических ма­ териалов. Ее свойства отличаются от свойств металлов и поли­ мерных композитов. Для ККМ характерны высокая температура плавления, твердость, прочность при сжатии и ее сохранение даже при высоких температурах, стойкость к окислению. Новые виды керамики на основе оксидов алюминия, тория, бериллия, циркония, ванадия, магния нашли применение в технике, рабо­ тающей в экстремальных условиях. Температура плавления этих керамик находится в пределах 2000...3000 °С. Наряду с туго­ плавкостью керамика обладает высокой прочностью при растя­ жении, ударной вязкостью, стойкостью к вибрациям и термоударам.

В большинстве ККМ керамическая матрица сочетается с металлическими армирующими элементами в виде порошка. Называют такие композиты керметами, они содержат более 50 % тугоплавкого компонента. Используют также армирующие волокна из разных материалов: металлов, углерода, керамикиЭти волокна располагаются как направленно, так и хаотично. В основном применяют керамические оксидные и карбидокрем­ ниевые волокна. Первые имеют ряд ценных свойств: хорошие физико-механические характеристики, термо- и износостой­ кость, коррозиестойкость, сравнительно малый вес. Основным их недостатком является хрупкость, Кроме того, стоимость их довольно высокая. Карбидокремниевые волокна по физикР-

механическим свойствам аналогичны борным волокнам, но от­ личаются от них высокой термоокислительной стойкостью. Так, при температуре около 1400 °С они теряют лишь 30 % от ис­ ходной прочности, в то время как борные волокна разрушаются от термоокисления уже при 650 °С. Карбидокремниевые волок­ на эластичны (во™ ~ 1,5 %), а.значит, и более технологичны. В табл. 8 приведены их механические характеристики.

Таблица 8

Механические характеристики керамических волокон

Для получения армированных ККМ пользуются преиму­ щественно методами порошковой металлургии. Применяют также гидростатический, изостатический методы, горячее прес­ сование, литье (шликерное, центробежное, вакуумное).

Особенности технологии получения ККМ:

•так как керамика тугоплавка, то имеют место большие энергозатраты;

•при обычной температуре керамика не пластична, это ограничивает применение методов переработки;

•так как керамика тверда, она плохо поддается механиче­ ской обработке резанием.

В основном изделия получают методами высокотемпера­ турного прессования из порошкового сырья. Фасонные изделия стараются получить уже готовые, с заданной формой и размера­ ми. Прочность и плотность изделий тем выше, чем меньше раз­ мер частиц и чем более они упорядочены по форме. В зависимо­ сти от способа формования по-разному приготовляют массу,

ввиде:

•гранул (при механическом прессовании);

•шликера - жидкоподвижной массы (при формовании изделия литьем);

•пластической массы (при формовании протяжкой или прокаткой).

При изготовлении ККМ применяют порошки различных

размеров:

•тонкие - 10...40 мкм;

•средние-400... 1500 мкм;

•грубые - 1500...500 мкм.

Технологический процесс порошковых ККМ включает

всебя:

•получение порошков (железа, никеля, вольфрама, мо­ либдена);

•приготовление смеси компонентов;

•формование (прессование с прогревом);

•спекание заготовок под давлением;

•окончательную доработку (термообработку, доводку, калибровку).

На рис. 27 показана схема прессования ККМ.

рошков продавливают через ККМ; б - выталкиватель

длинную фильеру с профильным отверстием и с подогревом. Так получают трубки, прутки, уголки и другие изделия большой длины. После формования проводят окончательное спекание.

них делают различные типовые детали: шестерни, кулачки, на­ кладки, шайбы, колпачки, заглушки, храповики, фланцы и т.д. Из ККМ изготовляют также элементы теплозащиты (используя ком­ позицию SiOî - В) для возвращаемых космических аппаратов ти­ па «Шатл».

9. Гибридные композиционные материалы

Казалось бы, разнообразие рассмотренных здесь компози­ тов сможет полностью удовлетворить потребности конструкто­ ра при разработке изделий из КМ. Однако при решении задачи рационального проектирования возникает потребность в ис­ пользовании в одной конструкции сразу нескольких материалов, существенно отличающихся по свойствам, но в конструкции дополняющих друг друга.

Гибридными композитами называются материалы, содер­ жащие в своем составе три и более основных компонента, регу­ лирующие свойства композита. Другими словами, это компози­ ты, в которых два или более вида армирующих волокон, либо два или более вида связующих, либо то и другое одновременно. При этом возможны различные варианты сочетаний компонен­ тов и их размещения в структуре КМ (рис. 29), например:

• волокна одного вида идут по основе ткани, а волокна

другого - по утку;

•один слой намотки или выкладки выполнен волокнами одного вида, другой - волокнами другого вида;

•один слой намотан с применением одного связующего» другой - с применением другого связующего;

Существует несколько поводов для применения гибрид­ ных композитов:

•компенсация некоторых недостатков волокон первого типа (например, органоволокна слабо «работают» на сжатие, поэтому добавка к ним некоторого количества углеродных во­ локон увеличит прочность КМ);

•выраженность характера нагрузок и напряжений в из­ делии по видам и направлениям (растяжение, сжатие, кручение, осевое, кольцевое и т.п.);

•стремление снизить цену получаемого композита (на­ пример, наряду с дорогостоящими волокнами СВМ можно час­ тично использовать дешевые стекловолокна, если это не будет в ущерб несущей способности изделия).

Рис. 29. Варианты гибридных структур: 1 , 3 , 5 - стеклянная нить; 2 - борная нить; 4 , 6 - углеродная нить; 7 - связующее

Гибридизация оказывает большое влияние на модуль уп­ ругости, на прочность при сжатии, ударную вязкость, теплофи­ зические характеристики и др. Уровень этих свойств определя­ ется содержанием каждого типа волокон и их общего количест­ ва по отношению к связующему. Следует заметить, что механи­ ка гибридных композитов значительно сложнее, чем негиб­ ридных.

Наглядным примером эффективного применения гибрид­ ного композита является параболическая конструкция космиче-

стоимости углепластика. Другими словами, небольшая добавка к стеклопластику углеродных волокон значительно повышает прочность композита, не увеличивая существенно его цену.

Таким образом, возможность варьирования свойств гиб­ ридных композитов (возможность конструирования) в доста­ точно широком диапазоне путем изменения комбинаций арми­ рующих волокон и их соотношения делает эти материалы весь­ ма перспективными для использования в различных областях техники.

Список рекомендуемой литературы

1.Бочкарев, С.В. Технология производства полимерных композиционных материалов и конструкций на их основе учеб, пособие / С.В. Бочкарев; Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 1999.-204 с.

2.Аношкин, А.Н. Теория и технология намотки конст­

рукций из полимерных композиционных материалов учеб,

пособие / А.Н. Аношкин; Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь,

2003.-118 с.

3.Буланов, И.М. Технология ракетных и аэрокосмиче­ ских конструкций из композиционных материалов / И.М. Бу­ ланов, В.В. Воробей. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998.-516 с.

4.Соколкин, Ю.В. Технология и проектирование углеродуглеродных композитов и конструкций / Ю.В. Соколкин [и др.].

-М.: Наука; Физматлит, 1996. - 240 с.

Олейник Борис Дмитриевич

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ

Учебное пособие

Редактор и корректор Н.Г Важенина

Лицензия ЛР № 020370

Подписано в печать 25.08.06. Формат 60x90/16. Набор компьютерный. Уел. печ. л. 4,37. Уч.-изд. л. 3,00. Тираж 120 экз. Заказ № 114.

Издательство Пермского государственного технического университета

Адрес: 614000, Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел. (342) 2-198-033