Костиков В.И

Физико-химические основы технологии композиционных материалов

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра порошковой металлургии и функциональных покрытий

Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия

Физико-химические основы технологии композиционных материалов: Курс лекций (Учебное пособие) – М.: Изд. Дом МИСиС, 2009. –........ с.

Рассмотрена классификация и теоретические основы конструирования композиционных материалов. Описаны особенности методов контроля свойств композиционных материалов и их аппаратурное оформление. Подробно рассмотрены процессы физико-химического взаимодействия между компонентами композиционных материалов. Обсуждено влияние результатов этого взаимодействия на физические, механические и химические свойства композитов.

Описаны физико-химические основы технологии получения основных армирующих элементов (металлические, стеклянные, углеродные, керамические, борные волокна и непрерывные кристаллы) и матриц (металлы, полимеры, углерод) композиционных материалов.

Подробно рассмотрена технология получения композиционных материалов на основе металлических, полимерных и углеродных матриц. Описаны особенности технологии эвтектических композиционных материалов. В связи с особым значением для современной техники углепластиков и углерод-углеродных композиционных материалов подробно описаны физико-химические основы их технологии, свойства и основные области применения композиционных материалов в основных отраслях современной техники.

Предназначен для студентов, обучающихся по специальностям 150108 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия», 150701 «Физико-химия процессов и материалов», а также магистров и аспирантов, обучающихся по направлению «Металлургия».

Предисловие.............................................................................................................................
Введение....................................................................................................................................
1.	Классификация композиционных материалов..............................................................
	1.1.	Цели и задачи создания композиционных материалов (КМ)..........................
	1.2.	Классификация композиционных материалов по виду
		материала матрицы, ориентации и типу арматуры, назначению....................
	1.3.	Требования, предъявляемые к армирующим волокнам и
		материалу матриц.................................................................................................
2.	Теоретические основы конструирования композиционных материалов...................
	2.1.	Модули нормальной упругости в направлении оси волокон
		и в перпендикулярном направлении..................................................................
	2.2.	Коэффициент Пуассона и модуль сдвига для однонаправленно
		армированных композиционных материалов....................................................
	2.3.	Прочность КМ, армированных непрерывными и дискретными
		волокнами..............................................................................................................
		2.3.1.	Композиционные материалы, армированные непрерывным
			волокном.................................................................................................
		2.3.2.	Композиционные материалы, армированные дискретными
			волокнами...............................................................................................
	2.4.	Статистическая прочность композиционных материалов...............................
	2.5.	Формирование и развитие трещин в КМ...........................................................
	2.6.	Прочность КМ на сжатие....................................................................................
3.	Методы контроля свойств композиционных материалов............................................
	3.1.	Методы определения механических свойств армированных КМ...................
		3.1.1.	Растяжение.............................................................................................
		3.1.2.	Сжатие....................................................................................................
		3.1.3.	Сдвиг.......................................................................................................
		3.1.4.	Изгиб.......................................................................................................
	3.2.	Испытания кольцевых образцов.........................................................................
		3.2.1.	Растяжение.............................................................................................
		3.2.2.	Сжатие....................................................................................................
	3.3.	Анализ структуры КМ и механизмов ее разрушения.......................................
		3.3.1.	Микроскопический анализ...................................................................
		3.3.2.	Фрактографический анализ..................................................................
4.	Межфазное взаимодействие в композиционных материалах......................................
	4.1.	Термодинамическая и кинетическая совместимость компонентов................
	4.2.	Виды межфазного взаимодействия....................................................................
	4.3.	Влияние поверхности раздела на прочность и характер разрушения.............
	4.4.	Типы связи между компонентами......................................................................
	4.5.	Процессы диффузии между компонентами КМ...............................................
		4.5.1.	Уравнения Дика.....................................................................................
		4.5.2.	Диффузия через плоскую поверхность...............................................
		4.5.3.	Диффузия в среде со сферической симметрией.................................
		4.5.4.	Диффузия в среде с цилиндрической симметрией............................
	4.6.	Смачивание и растекание....................................................................................
		4.6.1.	Поверхностное натяжение....................................................................
		4.6.2.	Поверхностная энергия твердых тел...................................................
		4.6.3.	Свободная поверхностная энергия на границе
			твердое тело-жидкость..........................................................................
		4.6.4.	Смачивание в системах «твердые металлы-
			жидкие металлы»...................................................................................
		4.6.5.	Смачивание в системах «твердые соединения-
			жидкие металлы»...................................................................................
5.	Методы получения и свойства армирующих материалов............................................
	5.1.	Металлические волокна.......................................................................................
		5.1.1.	Стальная проволока..............................................................................
		5.1.2.	Вольфрамовая и молибденовая проволока.........................................
		5.1.3.	Проволока из бериллия.........................................................................
		5.1.4.	Титановая проволока............................................................................
		5.1.5.	Биметаллическая проволока.................................................................
	5.2.	Стеклянные волокна (СВ)...................................................................................
	5.3.	Волокна бора, карбида кремния и борсика........................................................
		5.3.1.	Борные волокна.....................................................................................
		5.3.2.	Волокна из карбида кремния, борсика................................................
	5.4.	Углеродные волокна............................................................................................
		5.4.1.	Исходные материалы и химические превращения при
формировании углеродного волокна...................................................
		5.4.2.	Углеродные волокна на основе полиакрилонитрила.........................
		5.4.3.	Углеродные волокна на основе пека...................................................
		5.4.4.	Углеродные волокна на основе гидратцеллюлозы............................
		5.4.5.	Свойства углеродных волокон
			5.4.5.1. Механические свойства........................................................
			5.4.5.2. Физические свойства............................................................
			5.4.5.3. Химические свойства...........................................................
	5.5.	Нитевидные кристаллы........................................................................................
	5.6.	Керамические волокна.........................................................................................
		5.6.1.	Монокристаллические керамические волокна...................................
		5.6.2.	Поликристаллические керамические волокна....................................
6.	Металлические матрицы композиционных материалов..............................................
	6.1.	Матрицы на основе алюминия............................................................................
		6.1.1	Технический алюминий.......................................................................
		6.1.2.	Деформируемые алюминиевые сплавы..............................................
		6.1.3.	Литейные алюминиевые сплавы.........................................................
	6.2.	Матрицы на основе магния.................................................................................
	6.3.	Матрицы на основе титана..................................................................................
	6.4.	Матрицы на основе меди.....................................................................................
	6.5.	Матрицы на основе никеля..................................................................................
7.	Технология и свойства металломатричных композиционных материалов................
	7.1.	Требования, предъявляемые к процессам получения КМ...............................
	7.2.	Композиционные материалы на основе алюминия..........................................
		7.2.1.	Алюминий-сталь...................................................................................
		7.2.2.	Al-B и алюминий-борсик......................................................................
		7.2.3.	Al-SiC......................................................................................................
		7.2.4.	Al-C.........................................................................................................
		7.2.5.	Al-SiO₂....................................................................................................
		7.2.6.	Al-W........................................................................................................
		7.2.7.	Al-Be.......................................................................................................
		7.2.8.	Алюминий-НК Al₂O₃, алюминий-НК SiC...........................................
		7.2.9.	Применение...........................................................................................
	7.3.	Композиционные материалы на основе магния................................................
		7.3.1	Mg-Be......................................................................................................
		7.3.2.	Mg-SiC....................................................................................................
		7.3.3.	Mg-Ti.......................................................................................................
	7.4.	Композиционные материалы на основе титана................................................
		7.4.1.	Ti-Be........................................................................................................
		7.4.2.	Ti-SiC......................................................................................................
		7.4.3.	Титан-борсик.........................................................................................
		7.4.4.	Ti-Al₂O₃..................................................................................................
		7.4.5.	Применение...........................................................................................
	7.5.	Композиционные материалы на основе меди...................................................
		7.5.1.	Cu-W.......................................................................................................
		7.5.2.	Cu-C........................................................................................................
		7.5.3.	Применение...........................................................................................
	7.6.	Композиционные материалы на основе никеля................................................
		7.6.1.	Ni-W........................................................................................................
		7.6.2.	Ni-Al₂O₃..................................................................................................
		7.6.3.	Ni-Si₃N₄..................................................................................................
		7.6.4.	Ni-SiC......................................................................................................
		7.6.5.	Ni-C.........................................................................................................
		7.6.6.	Применение...........................................................................................
8.	Эвтектические композиционные материалы................................................................
	8.1.	Общая характеристика.........................................................................................
	8.2.	Ориентационные и структурные характеристики.............................................
	8.3.	Методы и условия получения эвтектических КМ.............................................
		8.3.1.	Методы направленной кристаллизации..............................................
		8.3.2.	Условия образования направлений эвтектической структуры.........
		8.3.3.	Условия образования волокнистой и пластинчатой структуры.......
	8.4.	Эвтектические композиционные материалы на основе алюминия.................
	8.5.	Эвтектические композиционные материалы на основе титана и ниобия.......
9.	Технология и свойства композиционных материалов на
полимерной матрице (ПКМ)...........................................................................................
	9.1.	Полимеры..............................................................................................................
	9.2.	Наполнители ПКМ...............................................................................................
		9.2.1.	Порошкообразные наполнители..........................................................
		9.2.2.	Волокнистые наполнители...................................................................
	9.3.	Получение полимерных композиционных материалов и изделий из них......
	9.4.	Углепластики........................................................................................................
		9.4.1.	Выбор полимерной матрицы...............................................................
		9.4.2.	Выбор углеродных волокон и наполнителей.....................................
		9.4.3.	Методы формования углепластиков...................................................
		9.4.4.	Свойства углепластиков.......................................................................
10.	Углерод-углеродные композиционные материалы......................................................
	10.1.	Кристаллические формы углерода.....................................................................
	10.2.	Объемные структуры на основе углеродных волокон.....................................
	10.3.	Матрицы УУКМ...................................................................................................
		10.3.1.	Пиролитический углерод......................................................................
		10.3.2.	Стеклоуглерод.......................................................................................
		10.3.3.	Углерод на основе пеков......................................................................
	10.4.	Технология получения УУКМ............................................................................
		10.4.1.	Газофазный способ................................................................................
		10.4.2.	Жидкофазный способ...........................................................................
		10.4.3.	Комбинированный способ....................................................................
	10.5.	Свойства углерод-углеродных композиционных материалов.........................
	10.6.	Применение..........................................................................................................
11.	Применение композиционных материалов...................................................................
	11.1.	Применение КМ в автомобилестроении............................................................
	11.2.	Применение КМ в гражданской авиации..........................................................
	11.3.	Применение КМ в военных самолетах...............................................................
	11.4.	Применение КМ в космических летательных аппаратах.................................
	11.5.	Композиционные материалы в судостроении...................................................
	11.6.	Применение КМ для изготовления спортивных изделий................................
	11.7.	Другие области применения КМ........................................................................
Заключение................................................................................................................................
Библиографический список.....................................................................................................

Упрочнение металлов, полимеров и керамики различной природы высокопрочными и высокомодульными волокнами и частицами из веществ с высокой энергией межатомной связи является одним из перспективных направлений современного материаловедения. Применение армированных волокон и частиц композиционных материалов (КМ) способствует решению ряда проблем, связанных с кардинальным повышением эксплуатационных характеристик высокопрочных и жаропрочных конструкционных материалов и созданию материалов с качественно новыми физическими свойствами. Использование КМ в технике связано с разработкой новых принципов конструирования ряда ответственных высоконагруженных изделий и повышением их технологичности.

В настоящее время КМ широко используется при производстве летательных аппаратов, в машиностроении, приборостроении, энергетике, электронной, радиотехнической, электротехнической промышленности, транспорте, медицине, строительстве и других отраслях народного хозяйства.

В последние годы в СССР и в Российской Федерации проводятся исследования по разработке новых КМ с металлическими, полимерными и углеродными матрицами, организовано производство их полуфабрикатов и конечных изделий. Накоплен значительный опыт в различных областях технологии (плазменной, лазерной, парогазовой, жидкофазной, твердофазной и др.), используемой при получении армирующих волокон, барьерных и технологических покрытий на них, полуфабрикатов КМ в виде лент, прутков, труб и листов.

За последние годы опубликовано большое количество отечественных и зарубежных работ, посвященных вопросам химии, физики, механики, технологии и применении КМ. Наиболее полно сведения о них представлены в фундаментальном энциклопедическом восьмитомном издании «Композиционные материалы» под общей редакцией Л. Браутмана и Р. Крока (перевод с английского), изданного в СССР в 1976-1987 гг. и в фундаментальном шеститомнике «Soviet Advanced Composites Technology Series» издательства Chapman and Hall в 1994-1996 гг. в Лондоне на английском языке под редакцией академика И.Н. Фридляндера и J.H. Mapshall. Авторы этого издания крупные отечественные ученые. Редактирование отдельных томов осуществлено А.Г. Братухиным, В.С. Боголюбовым, В.И. Трефиловым, И.Н. Фридляндером, Р.Е. Шалиным, В.И. Костиковым, С.И. Загайновым, Г.Е. Лозино-Лозинским. К сожалению, это издание до сих пор не переведено на русский язык, несмотря на то, что в нем на хорошем научном уровне описаны огромные достижения отечественной науки и техники в области общей технологии композитов, технологии и свойствах керамических и углеродных композитов, металломатричных и полимерных КМ, технологии и свойствах армирующих волокон, а также в области конструирования конечных изделий из КМ.

Наряду с этим имеется очень мало учебной литературы по этому очень важному для современной науки и технике вопросу.

Настоящий курс лекций написан применительно к учебным дисциплинам для студентов, обучающихся по специальностям 150108 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия», 150701 «Физико-химия процессов и материалов».

Поскольку отразить все аспекты КМ в одном курсе лекций невозможно, автор стремился ответить на те проблемы, которые представляют наибольший интерес и требуют серьезной подготовки, однако не выходящей за пределы основных дисциплин учебных планов инженерных ВУЗов.

Курс может быть использован студентами других ВУЗов, представителями, аспирантами, слушателями курсов повышения квалификации и инженерно-техническими работниками, занимающимися разработкой композиционных материалов.