Композитные материалы

Лекция 2

(Рассчитана на 2 академических часа)

Рубеж 20-21 веков был ознаменован всплеском интереса к материалам глубокой переаботки, в том числе к композитным материалам. Появилось новое научное направление по структурированию композитных материалов на металлической и неметаллической основе. Рассмотрим последовательно наиболее интерсные группы материалов, используемых в машиностроении а авиационно-космической отрасли.

Металлокерамические подшипники:

Металлокерамические материалы являются в ряде случаев эффективными заменителями антифрикционных подшипниковых сплавов - бронзы, латуни и др.

В подшипниках скольжения находят применение следующие металлокерамические материалы: бронзографит, пористое железо и пористый железографит.

Одно из основных преимуществ металлокерамических вкладышей заключается в наличии в них пор, способствующих образованию устойчивой масляной пленки в подшипнике. В результате предварительной пропитки вкладыша (втулки) в нагретом масле большое количество капилляров вкладыша заполняется маслом и благодаря этому трущаяся поверхность обеспечивается смазочной пленкой в течение длительного времени.

Различные режимы работы требуют применения металлокерамических подшипников с различной степенью пористости. Для тяжелых условий работы (ударные нагрузки, высокие скорости), при которых нужна повышенная механическая прочность опоры, следует применять подшипники из мелких порошков (обладающие более высокими механическими и антифрикционными качествами, чем подшипники из крупных порошков) с низкой пористостью. Для средних нагрузок рекомендуется пористость 22 - 28%. Для работы без дополнительной смазки желательно применение подшипников из крупных порошков пористостью 25 - 35%. Чем больше пластичность и чем меньше пористость спеченного порошкового металла, тем больше он приближается по свойствам к компактному металлу.

При нормальной температуре (200С), спокойной нагрузке и достаточной смазке (примерно 3 капли в минуту на 1 см кв поверхности трения) железографитовые подшипники пористостью 22 - 28% удовлетворительно работают при следующих режимах:

V(м/сек)	0,5		1,5		2,5		3,5
P(кг/см кв)

Для подшипников пористостью 15 - 20% допускаемые удельные нагрузки могут быть повышены против указанных на 20 - 30%. При работе металлокерамических подшипников со скоростью v< 1 м/сек применяется консистентная смазка, при больших скоростях – жидкие минеральные масла. Подводить масло рекомендуется через такие же смазочные канавки, как у подшипников из литых металлов.

Для тонкостенных втулок с повышенной пористостью применяется также подпитка подшипника через наружную стенку.

При повышенных температурах (до 300 С железографитовые подшипники могут работать при малых скоростях (v < 0,1 м/сек) с графитовой смазкой. Самосмазываемость пористых железографитовых подшипников относится только к малым нагрузкам и скоростям, когда pv < 1 кГм/см2 сек.

Пористые железографитовые подшипники изготавливают преимущественно в виде цилиндрических втулок и поставляют в готовом к установке виде. При назначении толщины стенки исходят из условий прочности и способности материала впитывать масло.

В общем случае толщина стенки может быть ориентировочно принята равной 0,2d (d – диаметр вала). Самосмазывающиеся подшипники лучше изготавливать относительно тонкостенными. При обычной смазке толщина стенки может быть принята примерно равной 0,1d (если выполнены условия прочности), но не менее 2 мм. При изготовлении металлокерамических вкладышей допуски на внутренний и наружный диаметры выдерживаются в пределах 3-го, а иногда и 2-го классов точности. Железографитовые втулки запрессовываются в корпус по прессовым посадкам. Для обеспечения зазора в подшипнике необходимо учитывать, что уменьшение внутреннего диаметра втулки равно примерно 0,7 - 1 величины натяга. Зазор в металлокерамическом подшипнике ориентировочно принимается равным 0,001 - 0,002 диаметра вала. Доводка внутреннего диаметра до требуемого размера может быть произведена калибровкой, а также протягиванием и развертыванием.

При обработке резанием качество рабочей поверхности получается значительно ниже, чем при калибровке. При p = 15 + 60 кГ/см2 и v = 2,5 м/с минимальное количество масла на 1 см2 расчетной поверхности вкладыша составляет (ориентировочно) 1,5 - 5 капель. При больших удельных давлениях желательно применение кольцевой смазки, масляной ванны или смазки под давлением.

Пористые материалы и возможности их применения в промышленности.

К группе пористых относятся антифрикционные, фрикционные материалы, фильтры и так называемые "потеющие" материалы.

Бронзовые фильтры обычно изготавливаются из порошков со сферической формой частиц, полученных путем распыления жидкого металла. Температура спекания составляет 800 – 900 С. Продолжительность спекания от 30 минут до 1 часа. Бронзовые фильтры с размером частиц порошка 50 – 130 мкм используются для грубой очистки, 2 – 30 мкм – для тонкой. Бронзовые фильтры находят широкое применение в промышленности для очистки жидкого горючего в дизелях и реактивных двигателях, смазочных материалов и сжатых газов от твердых примесей размерами 5 – 200мкм, а также для очистки разбавленных кислот и щелочей, расплавленного парафина и т.д.

Пористые материалы, изготавливаемые из порошков электролитического и карбонильного никеля методом прессования и последующего спекания при температуре 1000 – 1100 С, предназначены для работы в качестве фильтров и пористых электродов. Последние находят широкое применение в электрохимии и катализе. Так, щелочные аккумуляторы, электроды которых представляют собой высокопористые никелевые пластины, по сравнению с обычными аккумуляторами имеют меньший вес и габариты. Большое применение находят фильтры из нержавеющей стали, которые обладают более высокой коррозионной стойкостью и значительно дешевле чистого никеля. Для изготовления фильтров применяются порошки из нержавеющих сталей Х17Н2, Х18Н9, Х30 и др. Технология их изготовления: прессование или прокатка с последующим спеканием при температуре 1200 – 1250 С в течение 2 – 3 часов. Фильтры из нержавеющих сталей показали хорошие результаты при очистке жидкого литья, горячего доменного и мартеновского газов. Как преграда для распространения пламени они находят применение в автогенной технике, в производстве ацетилена, в газопламенной обработке металлов, в резервуарах низкокипящих и взрывоопасных жидкостей. Применение пористых материалов для борьбы с обледенением самолетов позволяет снизить на 50% расход антифриза. Использование пористого титана в различных отраслях техники обусловлено рядом его ценных свойств, главным из которых является высокая коррозионная стойкость во многих агрессивных средах и высокая удельная прочность. Титановые пористые материалы получают из порошков с размером частиц менее 60 мкм. С наполнителем, а также из электролитического порошка с размером частиц до 1 мм без наполнителя. Такие изделия спекают в специальной атмосфере при температуре 950 – 1150 С в течение 1,5 – 2 часов. Пористый титан стоек в азотной кислоте и щелочных растворах, обеспечивает тонкость очистки 5 мкм. и менее.

Пористое охлаждение - один из эффективных способов охлаждения высокотемпературных узлов и механизмов. Испарительное охлаждение предусматривает принудительное пропускание жидкости через пористую среду. В этом случае тепло, выделяющееся на поверхности пористого тела, поглощается и рассеивается испарительным охлаждающим устройством. Установлено, что охлаждение испарением более эффективно, чем конвективное или пленочное в равнозначных системах. Так, применение сопловых и рабочих турбинных лопаток позволило повысить температуру рабочего газа с 840 С до 1200 С и увеличить снимаемую мощность на 10%. Возможности использования пористого материала для контроля температуры на поверхности практически не ограничены. Детали из пористого металла могут использоваться для создания условия локального нагрева и одновременно они могут быть использованы для охлаждения локального перегрева механизмов.

Весьма перспективно применение в промышленности тепловых труб, обеспечивающих выравнивание температурного поля в различных аппаратах и установках и изотермические условия обработки тех или иных материалов. Так, использование низкотемпературных тепловых труб в электрических машинах для охлаждения роторов и статоров двигателей, генераторов, а также обмоток трансформаторов позволило увеличить их мощность на 30 – 50%. Успешно используются тепловые трубы для охлаждения высоковольтных выключателей большой мощности. Тепловые трубы и паровые камеры имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными элементами передачи тепла, например, циркуляционными теплообменниками: они не имеют подвижных деталей, бесшумны, не требуют расхода энергии на перекачку теплоносителя из зоны конденсации в зону испарения, обладают малым термическим сопротивлением по сравнению с металлическими стержнями таких же геометрических параметров и имеют небольшой вес.

Вышеперечисленных примеров достаточно, чтобы показать широкие возможности для использования пористых материалов в различных отраслях техники. Трудно предвидеть все возможные области применения пористых материалов и изделий из них. Одно несомненно: потребность в пористых материалах возрастает.

Классификация наноматериалов

Объемные (3D) наноструктурированные материалы, формируемые в результате термических, механических воздействий (металлы и сплавы с ультрамикрозернистой структурой, спинодальный распад в стеклообразных материалах или твердых растворах) или спекания предварительно компактируемых массивов наночастиц.

Наноструктурированные планарные материалы 2D, включая тонкие и толстые пленки и покрытия, продукты нанопечатной литографии и самособирающиеся монослои.

Наноструктурированные (1D) материалы, в том числе нанотрубки, нановолокна, наноагрегаты и нанопроволоки, формируемые из пересыщенных пара, раствора или в результате электрохимических процессов.

Нанодисперсные (0D) материалы (нанопорошки, нанокристаллы, квантовые точки), получаемые в результате механического измельчения объемных объектов, путем кристаллизации пересыщенных систем (из пара, жидких фаз – водных и неводных растворов или расплавов), а также нанокластеры, создаваемые самосборкой или стабилизируемые благодаря разнообразным темплатам.

Нанокомпозиты, состоящие из мезопористой матрицы с 1D - каналами или 2D - слоями, заполненными нанофазой, нитевидными нанокристаллами, нанотрубками и наночастицами, распределенными в полимерной, металлической или керамической матрице.

Супрамолекулярные материалы, формируемые из более простых молекул с целью создания молекулярных устройств или машин, имитирующих биологические процессы в живых организмах.

Конструкционные наноматериалы и наноматериалы со специальными свойствами

Ø Наноструктурные наполнители, упрочнители и волокна для наноматериалов и композитов конструкционного назначения (фуллерены, нанотрубки, астралены). Технологии их получения, очистки, модифицирования, диспергации и т.п.

Ø Полимерные конструкционные нанокомпозиты, модифицированные и упрочняемые за счет введения или прививки наночастиц, в том числе и функциональных, обеспечивающих изменение структуры матрицы, приводящие к качественному изменению конструкционных и эксплуатационных свойств.

Ø Наноструктурные защитные покрытия: тепло-, звуко-, молниезащитные, лакокрасочные, вибропоглощающие и коррозионностойкие.

Ø Высотемпературные конструкционные композиционные материалы на основе наноструктурированной керамики.

Ø Физико-химические методы исследования, диагностики и контроля качества наноматериалов, нанокомпозитов конструкционного, специального и функционального назначения.

Ø Наноматериалы функционального назначения со специальными физическими свойствами (поглощающие, отражающие или пропускающие излучения различной природы).

Высокопрочные композиты с наночастицами Al2O3 и алюминиевые сплавы

Создан новый класс металлополимерных композитов алюминий – углепластик «АЛКАР», превосходящий зарубежный типа GLARE:

- по модулю упругости в 1,5 раза

- по прочности на 30% при плотности на 20% ниже

При создании алюминиевых сплавов с наноструктурными элементами использовали следующие методы:

1 Интенсивная пластическая деформация с формированием ультрамелкозернистой структуры с размером зерен ~ 10 - 100 нм:

- при равноканальном угловом прессовании (РКУП),

- при винтовом прессовании (ВП)

- при холодной прокатке.

2 Микролегирование переходными элементами (Sc, Zr и др.), создающие наноразмерные частицы фаз (Al3Sc, Al3Zr), обеспечивающие дополнительное упрочнение путем торможения движения дислокаций и сохранения нерекристаллизованной дисперсной субзеренной структуры.

3 Оптимизация многоступенчатых режимов термической обработки, в результате которой регламентируется морфология и объемная доля наноразмерных выделений метастабильных упрочняющих фаз (Al2Cu, Al2CuMg, Mg2Si, MgZn2).

4 Создание термически стабильных наноразмерных композитных частиц метастабильных фаз в Al-Li сплавах (Al3Li/Al2Cu, Al3Li/Al3Zr, Al3Li/Al3Sc).

Дата добавления: 2014-01-06