Области применения КМ

Требования, предъявляемые к КМ

К КМ в основном предъявляются требования по физико-механическим свойствам, а в ряде случаев и по коррозионной стойкости. КМ должны выдерживать определенный уровень механических нагрузок: это растяжение, сжатие, изгиб и характер нагружения (статический, динамический). КМ должны быть устойчивы к действию окружающей среды (температура, влажность, давление, агрессивная среда). Эти факторы определяют комплекс конструктивно-эксплуатационных требований, предъявляемых к КМ. Наиболее важными являются требования по механическим свойствам, которые определяются стандартными испытаниями образцов на растяжение, сжатие, изгиб, твердость. Прочностные и пластические свойства определяются при статических испытаниях и могут быть использованы для расчета деталей и конструкций, работающих при нормальных условиях и действии статических нагрузок.

К показателям конструкционной прочности материалов относятся характеристики долговечности изделий (усталостная прочность, износоустойчивость, коррозионная стойкость) и надежность материала в изделии (вязкость разрушения, живучесть при циклическом нагружении. Количественные характеристики перечисленных свойств определяются при статических и динамических испытаниях образцов, приближенным к реальным условиям эксплуатации.

К КМ предъявляются требования по технологичности. Технологичность – это способность материала приобретать заданную форму при действии различных факторов (температура, давление, влажность), подвергаясь механической обработке, и иметь способность устойчиво соединяться различными методами (сваркой, склеиванием).

Специальные требования к КМ – это магнитные, изоляционные свойства, качество поверхности: цвет, шероховатость.

Знание закономерностей, определяющих в материале наличие тех или иных свойств, позволяет рационально использовать существующие и создавать новые КМ.

Наиболее широко используются полимерные композиционные материалы-композиты. Большая номенклатура матриц в виде термореактивных и термопластичных полимеров обеспечивает их широкий выбор для работы в диапазоне от отрицательных температур до 100-200°С - для органопластиков, до 300-400 °С - для стекло-, угле- и боропластиков. Композиты с полиэфирной и эпоксидной матрицей работают до 120-200°, с феноло-формальдегидной - до 200-300 °С, полиимидной и кремнийорганической - до 250-400°С. Металлические композиционные материалы на основе Аl, Mg и их сплавов, армированные волокнами из В, С, SiC, применяют до 400-500°С; композиционные материалы на основе сплавов Ni и Со работают при температуре до 1100-1200 °С, на основе тугоплавких металлов и их соединений - до 1500-1700°С, на основе углерода и керамики - до 1700-2000 °С.

Использование композитов в качестве конструкционных, теплозащитных, антифрикционных, радио- и электротехнических и других материалов позволяет снизить массу конструкции, повысить ресурсы и мощности машин и агрегатов, создать принципиально новые узлы, детали и конструкции. Все виды композиционных материалов применяют в химической, текстильной, горнорудной, металлургической промышленности, машиностроении, на транспорте, для изготовления спортивного снаряжения и т.п..

КМ различных типов и конструкций находят широкое применение в различной сфере человеческой деятельности:

- в судостроении: детали судов, яхт, катеров, внутренняя отделка, судовая мебель, буи, бакены, оснастка для рыбного промысла;

- в машиностроении: коррозионностойкое оборудование, детали машин станков, механизмов;

- оборудование для очистки воды;

- в строительстве – ЖБИ, фасады зданий, отделка, перегородки, панели для крыш, элементы сборных конструкций: двери, рамы;

- сельское хозяйство: силосные башни, клетки для скота, сараи, планки для подвешивания тушь скота;

- в быту: мебель, корпуса телевизоров, лыжи, оборудование для спортивных площадок и для аттракционов, элементы конструкции плавательных бассейнов, подкладные доски, спортивные тумбы и т.д. и т.п.

Разрабатываются К М 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 К М 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. К М 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 КМ 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 К М в ряде случаев потребует создания новых методов изготовления деталей и изменения принципов конструирования деталей и узлов конструкций.

Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т. д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т. д.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т. д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т. д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т. д.) и в других областях народного хозяйства.

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачек в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов достаточно хорошо отработана.

Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электро-радио промышленности, авиационной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов судов и другое.

Стекловолокниты– это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качественаполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствие влияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатного состава.

Неориентированные стекловолокниты содержат в качестве наполнителя короткое волокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы, с металлической арматурой. Материал получается с изотопными прочностными характеристиками, намного более высокими, чем у пресс-порошков. Представителями такого материала являются стекловолокниты АГ-4В, а также ДСВ (дозирующиеся стекловолокниты), которые применяют для изготовления силовых электротехнических деталей, деталей машиностроения (золотники, уплотнения насосов и т. д.). При использовании в качестве связующего непредельных полиэфиров получают премиксы ПСК (пастообразные) и препреги АП и ППМ (на основе стеклянного мата). Препреги можно применять для крупногабаритных изделий простых форм (кузова автомашин, лодки, корпуса приборов и т. п.).

Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов достаточно хорошо отработана.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей, а именно полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании и другом.

Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космическойтехнике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т. д.).

В машиностроении композиционные материалы широко применяются для создания защитных покрытий на поверхностях трения, а также для изготовления различных деталей двигателей внутреннего сгорания (поршни, шатуны).

Полимерные материалы на основе политетрафторэтиленов модифицируются ультрадисперсными алмазографитовыми порошками, получаемыми из взрывных материалов, а также ультрадисперсных порошков мягких металлов. Пластифицирование материала осуществляется при сравнительно невысоких (менее 300 °C) температурах.

Формируемый на поверхности политетрафторэтиленов слой имеет низкий коэффициент трения и невысокую стойкость к абразивному износу;

В авиации и космонавтике с 1960-х годов существует настоятельная необходимость в изготовлении прочных, лёгких и износостойких конструкций. Композиционные материалы применяются для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий космических зондов. Всё чаще композиты применяются для изготовления обшивок воздушных и космических аппаратов, и наиболее нагруженных силовых элементов.

Вооружение и военная техника

Благодаря своим характеристикам (прочности и лёгкости) КМ применяются в военном деле для производства различных видов брони:

Бронежилетов, брони для военной техники

Дата добавления: 2014-01-15