Utilizzando varie combinazioni di leganti e riempitivi, materiali compositi polimerici (PCM) con le caratteristiche fisiche, meccaniche e fisiche necessarie per l'uso in condizioni diverse. Spesso ottenere il polimero materiali compositi e lo stampaggio dei prodotti da essi derivati ​​sono combinati in un unico processo, che consente di ridurre significativamente il costo dei prodotti realizzati con compositi.

Il metodo di stampaggio ottimale per ogni specifico prodotto PCM è determinato da un gran numero di fattori, tra cui:

• caratteristiche di progettazione del prodotto;
• lo scopo del prodotto risultante (e i requisiti corrispondenti: pulizia della superficie, precisione dimensionale, ecc.);
• proprietà e capacità tecnologiche del componente legante;
• struttura del riempitivo;
• fattori economici (costi, produttività e durata delle attrezzature, intensità di manodopera, ecc.)

Caratteristiche dello stampaggio di compositi polimerici a base termoplastica

Produttività dei metodi di estrazione e lavorazione compositi polimerici la base è determinata principalmente dalla velocità dei processi fisici e fisico-chimici che si verificano nel polimero legante durante la lavorazione:

• fusione;
• cristallizzazione;
• riscaldamento;
• raffreddamento;
• rilassamento, ecc.

La completezza e la natura di questi processi sono in gran parte fattori determinanti per la qualità del prodotto finito. Inoltre, la qualità dei prodotti finiti è influenzata anche dai processi distruttivi nel polimero, che si verificano ad una velocità maggiore a causa degli effetti termici e meccanici sul materiale dalle parti funzionanti delle macchine durante il processo di lavorazione.

La forma richiesta può essere data ad un prodotto dallo sviluppo di una deformazione altamente elastica o plastica. A causa dell'elevata viscosità del materiale, la velocità dei processi di deformazione è bassa. A seconda dello stato fisico del polimero al momento dello stampaggio, nel prodotto finito si raggiungono diversi gradi di disequilibrio dovuti al rilassamento incompleto delle tensioni interne. Ciò impone alcune restrizioni all'intervallo di temperature di funzionamento dei prodotti ottenuti con vari metodi. Un aumento della percentuale della componente altamente elastica della deformazione porta ad una diminuzione del limite di temperatura superiore fino alla temperatura di transizione vetrosa del polimero.

Caratteristiche dello stampaggio di materiali compositi polimerici a base di termoindurenti

La particolarità dei metodi di produzione dei polimeri è la combinazione dei processi fisici dello stampaggio stesso con le reazioni chimiche di formazione di polimeri tridimensionali (indurimento), e le proprietà dei prodotti sono determinate dalla velocità e completezza dell'indurimento . La polimerizzazione incompleta provoca l'instabilità delle proprietà dei prodotti nel tempo, nonché il verificarsi di processi distruttivi nei prodotti finiti.

A seconda del metodo di lavorazione, la polimerizzazione è abbinata allo stampaggio del prodotto (nel caso della pressatura di termoindurenti avviene dopo la formazione del prodotto nella cavità dello stampo) (stampaggio a iniezione, stampaggio ad iniezione di termoindurenti) o quando trattamento termico pezzo grezzo stampato (quando si stampano prodotti di grandi dimensioni). Raggiungere la necessaria completezza di polimerizzazione di alcuni tipi di oligomeri anche in presenza di catalizzatori e a Temperature elevate richiede molto tempo (fino a diverse ore). In questo caso la stagionatura finale può essere effettuata all'esterno dell'attrezzatura di stampaggio, poiché la stabilità della forma viene acquisita molto prima che il processo di stagionatura sia completamente completato.

Alcuni problemi nella produzione di materiali compositi polimerici

La presenza di differenze di temperatura attraverso la sezione trasversale del prodotto durante la lavorazione porta ad un aumento dell'eterogeneità strutturale e alla comparsa di ulteriori stress associati a differenze nelle velocità di raffreddamento, cristallizzazione, rilassamento in diverse parti, nonché con gradi diversi di indurimento (nel caso dei termoindurenti). Ciò provoca un'eterogeneità delle proprietà del materiale presente nel prodotto, non sempre accettabile, ed è causa di molti tipi di difetti (deformazioni, fessurazioni, ecc.). Anche l'esistenza di tensioni interne, principalmente orientative, limita l'intervallo di temperature di esercizio. Un certo aumento dell'eterogeneità della struttura supramolecolare e una diminuzione delle tensioni interne possono essere ottenuti attraverso il trattamento termico del prodotto finito, ma è più efficace utilizzare metodi di regolazione diretta delle strutture durante il processo di lavorazione.

Quando si stampano prodotti da compositi polimerici possibile cambiamento significativo nella struttura, e di conseguenza, le proprietà del polimero. Quindi materiali e prodotti ottenuti dallo stesso polimero possono variare significativamente nelle caratteristiche se le loro tecnologie sono diverse. I fattori più importanti che influenzano la struttura e le proprietà del PCM sono i parametri del processo di elaborazione:

• temperatura,
• pressione,
• modalità di riscaldamento e raffreddamento, ecc.

La corretta contabilità e selezione di tutti i parametri tecnologici ci consente di ottenere nel prodotto finito:

• struttura omogenea,
• livello minimo tensioni residue(strutturale, da ritiro, termico),
• elevato grado di completezza dei processi di indurimento, cristallizzazione,

per ottenere prodotti di alta qualità.

Mi sono dedicato alla storia materiali compositi. Continuo a dedicare il mio tempo libero a questo argomento e oggi voglio parlare un po' dei termini e delle tecnologie di prototipazione utilizzando compositi polimerici. Se non hai niente da fare per molto tempo sere d'inverno, allora puoi sempre realizzare una custodia per snowboard, moto o smartphone in tessuto in fibra di carbonio. Naturalmente, il processo potrebbe risultare più costoso rispetto all’acquisto del prodotto finito, ma è interessante realizzare qualcosa con le proprie mani.

Sotto il taglio c'è una revisione dei metodi per la fabbricazione di prodotti in materiali compositi. Ti sarei grato se mi aggiungessi nei commenti in modo che il risultato sia un post più completo.

Un materiale composito viene creato da almeno due componenti con un confine chiaro tra di loro. Esistono materiali compositi stratificati, ad esempio il compensato. In tutti gli altri compositi, i componenti possono essere suddivisi in una matrice, o legante, ed elementi di rinforzo: riempitivi. I compositi sono solitamente suddivisi in base al tipo di riempitivo rinforzante o materiale di matrice. Puoi leggere ulteriori informazioni sull'uso dei compositi nel post e questo post si concentra sui metodi per realizzare prodotti dai compositi.

Stampaggio a mano

Nel caso della produzione di pezzi singoli, il metodo più comune è lo stampaggio a mano. Sulla matrice preparata viene applicato il gelcoat, un materiale per ottenere una buona finitura sulla parte esterna del materiale rinforzato, che consente anche di selezionare il colore del prodotto. Quindi nella matrice viene inserito un riempitivo, ad esempio fibra di vetro, e impregnato con un legante. Rimuoviamo le bolle d'aria, aspettiamo che tutto si raffreddi e lo finiamo con una lima: tagliamo, foriamo e così via.

Questo metodo è ampiamente utilizzato per creare parti di carrozzeria per auto, moto e ciclomotori. Cioè, per la messa a punto nei casi in cui non ci si limita ad attaccare una pellicola “carbon look”.

Sputacchiamento

La spruzzatura non richiede il taglio del materiale vetroso, ma richiede invece l'uso di attrezzature speciali. Questo metodo viene spesso utilizzato per lavorare con oggetti di grandi dimensioni, come scafi di barche, veicoli e così via. Come nel caso dello stampaggio manuale, viene applicato prima il gelcoat e poi il materiale vetroso.

RTM (iniezione)

Il metodo di iniezione della resina poliestere in uno stampo chiuso utilizza l'attrezzatura di una matrice e di un controstampo: un punzone. Il materiale vetroso viene posto tra la matrice e lo stampo di risposta, quindi un indurente, la resina poliestere, viene colato nello stampo sotto pressione. E, naturalmente, finire con una lima dopo la polimerizzazione: a piacere.

Infusione sotto vuoto

Il metodo dell'infusione sotto vuoto richiede un sacchetto in cui viene creato il vuoto utilizzando una pompa. Il sacchetto stesso contiene materiale rinforzante, i cui pori, dopo aver pompato l'aria, vengono riempiti con un legante liquido.

Un esempio di metodo è quello di realizzare uno skateboard.

Avvolgimento

Il metodo di avvolgimento dei compositi consente di realizzare bombole ultraleggere per gas compresso, per le quali utilizzano un rivestimento in PET pompato fino a 2-5 atmosfere, nonché tubi compositi utilizzati nell'industria petrolifera, industria chimica e nei servizi pubblici. Dal nome è facile capire che la fibra di vetro è avvolta attorno a un oggetto in movimento o fermo.

Il video mostra il processo di avvolgimento della fibra di vetro su un cilindro.

Pultrusione

La pultrusione è “brocciatura”. In questo metodo, esiste un processo continuo di estrazione del materiale composito attraverso una macchina di estrazione. La velocità del processo è fino a 6 metri al minuto. Le fibre vengono fatte passare attraverso un bagno polimerico, dove vengono impregnate con un legante, e poi passano attraverso un dispositivo di preformatura per ottenere la forma finale. Il materiale viene quindi riscaldato nello stampo per produrre il prodotto finale indurito.

Il processo di produzione di palancole mediante pultrusione.

Pressatura diretta

I prodotti termoplastici sono fabbricati in stampi sotto pressione. A questo scopo, alta temperatura presse idrauliche con una forza da 12 a 100 tonnellate e temperatura massima circa 650 gradi. I secchi di plastica, ad esempio, sono realizzati in questo modo.

Stampaggio in autoclave

Per eseguire lavorazioni a calore e pressione superiore a quella atmosferica è necessaria un'autoclave per velocizzare la reazione ed aumentare la resa del prodotto. I materiali compositi vengono posti all'interno dell'autoclave su apposite forme.

Prodotti compositi

I materiali compositi sono ampiamente utilizzati nella produzione aeronautica. Ad esempio, costruito da loro.

Industria automobilistica

Protesi e ortesi.

Se hai qualche aggiunta, assicurati di scriverla nei commenti. Grazie.

1. Materiali compositi o compositi: materiali del futuro.

Dopo che la fisica moderna dei metalli ci ha spiegato in dettaglio le ragioni della loro plasticità, resistenza e aumento, è iniziato lo sviluppo intensivo e sistematico di nuovi materiali. Ciò porterà probabilmente, già in un futuro immaginabile, alla creazione di materiali con resistenza molto maggiore di quella delle leghe convenzionali oggi. In questo caso, molta attenzione sarà prestata ai meccanismi già noti di indurimento dell'acciaio e di invecchiamento delle leghe di alluminio, combinazioni di questi meccanismi noti con processi di formazione e numerose possibilità di creazione di materiali combinati. I materiali combinati rinforzati con fibre o particelle solide disperse offrono due percorsi promettenti. Il primo a introdurre le migliori fibre ad alta resistenza di vetro, carbonio, boro, berillio, acciaio o singoli cristalli filiformi in una matrice metallica inorganica o polimerica organica. Come risultato di questa combinazione, la massima resistenza si unisce ad un elevato modulo elastico e una bassa densità. I materiali compositi sono proprio questi materiali del futuro.

Il materiale composito è un materiale strutturale (metallico o non metallico) che contiene elementi di rinforzo sotto forma di fili, fibre o scaglie di materiale più resistente. Esempi di materiali compositi: plastica rinforzata con boro, carbonio, fibre di vetro, trefoli o tessuti a base di essi; alluminio rinforzato con fili di acciaio e berillio. Combinando il contenuto volumetrico dei componenti, è possibile ottenere materiali compositi con i valori richiesti di resistenza, resistenza al calore, modulo elastico, resistenza abrasiva, nonché creare composizioni con le necessarie proprietà magnetiche, dielettriche, radioassorbenti e altre proprietà speciali.

2. Tipologie di materiali compositi.

2.1. Materiali compositi a matrice metallica.

I materiali compositi o materiali compositi sono costituiti da una matrice metallica (solitamente Al, Mg, Ni e loro leghe) rinforzata con fibre ad alta resistenza (materiali fibrosi) o particelle refrattarie finemente disperse che non si dissolvono nel metallo base (materiali rinforzati con dispersione) . La matrice metallica lega le fibre (particelle disperse) in un unico insieme. Le fibre (particelle disperse) più un legante (matrice) che compongono l'una o l'altra composizione sono chiamate materiali compositi.

2.2. Materiali compositi a matrice non metallica.

I materiali compositi con matrice non metallica hanno trovato ampia applicazione. I materiali polimerici, di carbonio e ceramici vengono utilizzati come matrici non metalliche. Le matrici polimeriche più utilizzate sono quella epossidica, fenolo-formaldeide e poliammidica.
Le matrici di carbonio coked o pyrocarbon sono ottenute da polimeri sintetici sottoposti a pirolisi. La matrice lega la composizione, dandole forma. I rinforzatori sono fibre: vetro, carbonio, boro, organiche, a base di cristalli di baffi (ossidi, carburi, boruri, nitruri e altri), nonché metalli (fili), che hanno elevata resistenza e rigidità.

Le proprietà dei materiali compositi dipendono dalla composizione dei componenti, dalla loro combinazione, dal rapporto quantitativo e dalla forza del legame tra loro.
I materiali di rinforzo possono presentarsi sotto forma di fibre, trefoli, fili, nastri, tessuti multistrato.

Il contenuto di indurente nei materiali orientati è di 60-80 vol. %, in non orientati (con fibre e baffi discreti) - 20-30 vol. %. Maggiore è la resistenza e il modulo elastico delle fibre, maggiore è la resistenza e la rigidità del materiale composito. Le proprietà della matrice determinano la resistenza della composizione a taglio e compressione e la resistenza alla rottura per fatica.

In base al tipo di rinforzo, i materiali compositi si classificano in fibre di vetro, fibre di carbonio con fibre di carbonio, fibre di boro e fibre organo.

Nei materiali stratificati, fibre, fili, nastri impregnati di legante vengono disposti parallelamente tra loro nel piano di posa. Gli strati piatti sono assemblati in piastre. Le proprietà sono anisotrope. Affinché il materiale funzioni in un prodotto, è importante tenere conto della direzione dei carichi agenti. È possibile creare materiali con proprietà sia isotrope che anisotrope.
Le fibre possono essere posate con diverse angolazioni, variando le proprietà dei materiali compositi. Le rigidità flessionali e torsionali del materiale dipendono dall'ordine in cui gli strati sono disposti lungo lo spessore del pacco.

Vengono utilizzati rinforzi di tre, quattro o più fili.
La maggior parte delle applicazioni ha una struttura di tre fili reciprocamente perpendicolari. I rinforzi possono essere posizionati nelle direzioni assiale, radiale e circonferenziale.

I materiali tridimensionali possono avere qualsiasi spessore sotto forma di blocchi o cilindri. I tessuti ingombranti aumentano la resistenza alla pelatura e al taglio rispetto ai tessuti laminati. Un sistema di quattro fili viene costruito scomponendo il rinforzo lungo le diagonali del cubo. La struttura di quattro fili è in equilibrio e ha una maggiore rigidità al taglio nei piani principali.
Tuttavia, creare materiali quadridirezionali è più difficile che creare materiali tridirezionali.

3. Classificazione dei materiali compositi.

3.1. Materiali compositi in fibra.

Spesso il materiale composito è una struttura a strati in cui ogni strato è rinforzato con un gran numero di fibre continue parallele. Ogni strato può anche essere rinforzato con fibre continue intrecciate in un tessuto che ha la forma originale, la larghezza e la lunghezza corrispondenti al materiale finale. Spesso le fibre sono intrecciate in strutture tridimensionali.

I materiali compositi differiscono dalle leghe convenzionali per valori più elevati di resistenza alla trazione e limite di fatica (del 50-10%), modulo elastico, coefficiente di rigidità e ridotta suscettibilità alle fessurazioni. L'uso di materiali compositi aumenta la rigidità della struttura riducendo contemporaneamente il consumo di metallo.

La resistenza dei materiali compositi (fibrosi) è determinata dalle proprietà delle fibre; la matrice dovrebbe principalmente ridistribuire le tensioni tra gli elementi di rinforzo. Pertanto, la resistenza e il modulo elastico delle fibre devono essere significativamente maggiori della resistenza e del modulo elastico della matrice.
Le fibre di rinforzo rigide percepiscono le sollecitazioni che si presentano nella composizione durante il carico, conferendole resistenza e rigidità nella direzione dell'orientamento delle fibre.

Per rafforzare l'alluminio, il magnesio e le loro leghe, vengono utilizzati boro e fibre di composti refrattari (carburi, nitruri, boruri e ossidi) con elevato modulo di resistenza ed elasticità. Il filo realizzato con acciai ad alta resistenza viene spesso utilizzato come fibra.

Per il rinforzo del titanio e delle sue leghe vengono utilizzati filo di molibdeno, fibre di zaffiro, carburo di silicio e boruro di titanio.

L'aumento della resistenza al calore delle leghe di nichel si ottiene rinforzandole con filo di tungsteno o molibdeno. Le fibre metalliche vengono utilizzate anche nei casi in cui è richiesta un'elevata conduttività termica ed elettrica. Rinforzi promettenti per materiali compositi fibrosi ad alta resistenza e ad alto modulo sono baffi realizzati in ossido e nitruro di alluminio, carburo e nitruro di silicio, carburo di boro, ecc.

I materiali compositi a base metallica hanno un'elevata robustezza e resistenza al calore, mentre allo stesso tempo hanno una bassa plasticità. Tuttavia, le fibre nei materiali compositi riducono la velocità di propagazione delle cricche originate nella matrice e la rottura improvvisa e fragile scompare quasi completamente. Caratteristica distintiva I materiali compositi fibrosi uniassiali sono caratterizzati da anisotropia delle proprietà meccaniche lungo e attraverso le fibre e da una bassa sensibilità ai concentratori di stress.

L'anisotropia delle proprietà dei materiali compositi in fibra viene presa in considerazione durante la progettazione delle parti per ottimizzare le proprietà abbinando il campo di resistenza con i campi di sollecitazione.

Il rinforzo di leghe di alluminio, magnesio e titanio con fibre refrattarie continue di boro, carburo di silicio, doboruro di titanio e ossido di alluminio aumenta significativamente la resistenza al calore. Una caratteristica dei materiali compositi è il basso tasso di rammollimento nel tempo con l'aumento della temperatura.

Lo svantaggio principale dei materiali compositi con rinforzo mono e bidimensionale è la bassa resistenza al taglio interstrato e alla rottura trasversale. I materiali con rinforzo volumetrico non ce l'hanno.

3.2. Materiali compositi rinforzati con dispersione.

A differenza dei materiali compositi fibrosi, nei materiali compositi rinforzati con dispersione la matrice è l'elemento portante principale e le particelle disperse inibiscono il movimento delle dislocazioni in essa contenute.
L'elevata resistenza si ottiene con una dimensione delle particelle di 10-500 nm con una distanza media tra loro di 100-500 nm e la loro distribuzione uniforme nella matrice.
La forza e la resistenza al calore, a seconda del contenuto volumetrico delle fasi di rinforzo, non obbediscono alla legge dell'additività. Il contenuto ottimale della seconda fase varia a seconda dei metalli, ma solitamente non supera i 5-10 vol. %.

L'uso di composti refrattari stabili (ossidi di torio, afnio, ittrio, composti complessi di ossidi e metalli delle terre rare) insolubili nella matrice metallica come fasi di rinforzo consente di mantenere l'elevata resistenza del materiale fino a 0,9-0,95 T. A questo proposito, tali materiali sono spesso usati come resistenti al calore. I materiali compositi rinforzati con dispersione possono essere ottenuti sulla base della maggior parte dei metalli e delle leghe utilizzati nella tecnologia.

Le leghe a base di alluminio più utilizzate sono la SAP (polvere di alluminio sinterizzato).

La densità di questi materiali è uguale alla densità dell'alluminio, non sono inferiori ad essa in termini di resistenza alla corrosione e possono persino sostituire il titanio e gli acciai resistenti alla corrosione quando operano nell'intervallo di temperature di 250-500 ° C. In termini di resistenza a lungo termine, sono superiori alle leghe di alluminio lavorato. La resistenza a lungo termine per le leghe SAP-1 e SAP-2 a 500 °C è 45-55 MPa.

I materiali rinforzati con dispersione di nichel hanno grandi prospettive.
Le leghe a base di nichel con 2-3 vol hanno la massima resistenza al calore. % biossido di torio o biossido di afnio. La matrice di queste leghe è solitamente una soluzione solida di Ni + 20% Cr, Ni + 15% Mo, Ni + 20% Cr e Mo. Le leghe VDU-1 (nichel rinforzato con biossido di torio), VDU-2 (nichel rinforzato con biossido di afnio) e VD-3 (matrice Ni + 20% Cr, rinforzata con ossido di torio) sono ampiamente utilizzate. Queste leghe hanno un'elevata resistenza al calore. I materiali compositi rinforzati con dispersione, proprio come quelli fibrosi, sono resistenti al rammollimento con l'aumentare della temperatura e della durata dell'esposizione ad una determinata temperatura.

3.3. Fibra di vetro.

La fibra di vetro è una composizione costituita da una resina sintetica, che è un legante, e un riempitivo in fibra di vetro. Come riempitivo viene utilizzata la fibra di vetro continua o corta. La resistenza della fibra di vetro aumenta notevolmente con la diminuzione del suo diametro (a causa dell'influenza delle disomogeneità e delle crepe che si verificano nelle sezioni spesse). Le proprietà della fibra di vetro dipendono anche dal contenuto di alcali nella sua composizione; Le migliori prestazioni si riscontrano nei vetri esenti da alcali con composizione di alluminoborosilicato.

Le fibre di vetro non orientate contengono fibre corte come riempitivo. Ciò consente di pressare parti di forme complesse utilizzando rinforzi metallici. Il materiale è ottenuto con caratteristiche di resistenza isotopica molto superiori a quelle delle polveri da pressa e persino delle fibre. Rappresentanti di questo materiale sono le fibre di vetro AG-4V e DSV (fibre di vetro dosate), che vengono utilizzate per la produzione di parti elettriche di potenza, parti di ingegneria meccanica (valvole a spola, guarnizioni di pompe, ecc.). Quando si utilizzano poliesteri insaturi come legante, si ottengono premiscele PSC (pastose) e preimpregnati AP e PPM (a base di mat di vetro). I preimpregnati possono essere utilizzati per prodotti di grandi dimensioni e forme semplici (carrozzerie di automobili, imbarcazioni, carrozzerie di strumenti, ecc.).

Le fibre di vetro orientate hanno un riempitivo sotto forma di fibre lunghe, disposte in singoli filamenti orientati e accuratamente incollati insieme con un legante. Ciò garantisce una maggiore resistenza della fibra di vetro.

La fibra di vetro può funzionare a temperature comprese tra –60 e 200 °C, nonché in condizioni tropicali, sopportare grandi sovraccarichi inerziali.
Con invecchiamento di due anni il coefficiente di invecchiamento K = 0,5-0,7.
Le radiazioni ionizzanti hanno scarso effetto sulla loro meccanica e proprietà elettriche. Sono utilizzati per produrre parti ad alta resistenza con rinforzi e filettature.

3.4. Fibre di carbonio.

Le fibre di carbonio (fibre di carbonio) sono composizioni costituite da un legante polimerico (matrice) e agenti rinforzanti sotto forma di fibre di carbonio (fibre di carbonio).

Alta energia Connessioni SS le fibre di carbonio consentono loro di mantenere la resistenza a livelli molto elevati alte temperature(in ambienti neutri e riducenti fino a 2200°C), nonché a basse temperature. Le fibre proteggono dall'ossidazione superficiale rivestimenti protettivi(pirolitico). A differenza delle fibre di vetro, le fibre di carbonio sono scarsamente bagnate dal legante
(bassa energia superficiale), quindi vengono incisi. Allo stesso tempo, aumenta il grado di attivazione delle fibre di carbonio in termini di contenuto del gruppo carbossilico sulla loro superficie. La resistenza al taglio interstrato della plastica rinforzata con fibra di carbonio aumenta di 1,6-2,5 volte. Viene utilizzata la viscerizzazione dei cristalli filamentosi di TiO, AlN e SiN, che si traduce in un aumento della rigidità dell'interstrato di 2 volte e della resistenza di 2,8 volte. Vengono utilizzate strutture spazialmente rinforzate.

I leganti sono polimeri sintetici (polimero fibra di carbonio); polimeri sintetici sottoposti a pirolisi (fibra di carbonio cokizzata); carbonio pirolitico (fibre di carbonio pirocarbonico).

KMU-1l rinforzato con fibra di carbonio epossifenolo, rinforzato con nastro di carbonio, e KMU-1u su corda, viskerizzato con baffi, possono funzionare a lungo a temperature fino a 200 °C.

Le fibre di fibra di carbonio KMU-3 e KMU-2l sono prodotte utilizzando un legante epossianilina-formaldeide; possono essere utilizzate a temperature fino a 100 °C e sono le più tecnologicamente avanzate; Fibra di carbonio KMU-2 e
KMU-2l basato su un legante poliimmidico può essere utilizzato a temperature fino a
300 °C.

Le fibre di carbonio si distinguono per un'elevata resistenza alla fatica statistica e dinamica e mantengono questa proprietà a temperature normali e molto basse (l'elevata conduttività termica della fibra impedisce l'autoriscaldamento del materiale a causa dell'attrito interno). Sono resistenti all'acqua e agli agenti chimici. Dopo l'esposizione all'aria, i raggi X ed E quasi non cambiano.

La conduttività termica della plastica rinforzata con fibra di carbonio è 1,5-2 volte superiore alla conduttività termica della plastica rinforzata con fibra di vetro. Hanno le seguenti proprietà elettriche: = 0,0024-0,0034 Ohm cm (lungo le fibre); ? = 10 e tg =0,001 (a una frequenza attuale di 10 Hz).

La fibra di vetro al carbonio contiene fibre di vetro insieme al carbonio, il che riduce il costo del materiale.

3.5. Fibra di carbonio con matrice di carbonio.

I materiali cokizzati sono prodotti da fibre di carbonio polimeriche convenzionali sottoposte a pirolisi in un'atmosfera inerte o riducente. Ad una temperatura di 800-1500 °C si formano fibre di carbonio carbonizzate, a 2500-3000 °C si formano fibre di carbonio grafitate. Per ottenere materiali pirocarburici, l'indurente viene disposto secondo la forma del prodotto e posto in un forno nel quale viene fatto passare l'idrocarburo gassoso (metano). Sotto un certo regime (temperatura 1100 °C e pressione residua 2660 Pa), il metano si decompone e il carbonio pirolitico risultante si deposita sulle fibre di rinforzo, legandole.

Il coke formato durante la pirolisi del legante ha un'elevata forza di adesione alla fibra di carbonio. A questo proposito il materiale composito presenta elevate proprietà meccaniche, ablative e di resistenza agli shock termici.

La fibra di carbonio con una matrice di carbonio del tipo KUP-VM ha una resistenza e una resistenza agli urti 5-10 volte superiori rispetto alle grafiti speciali quando riscaldata in atmosfera inerte e vuoto, mantiene la resistenza fino a 2200;
°C, si ossida all'aria a 450 °C e necessita di un rivestimento protettivo.
Il coefficiente di attrito di un composito in fibra di carbonio con matrice di carbonio è elevato (0,35-0,45) e l'usura è bassa (0,7-1 micron per la frenata).

3.6. Fibre di boro.

Le fibre di boro sono composizioni di un legante polimerico e un rinforzante: fibre di boro.

Le fibre di boro sono caratterizzate da elevata resistenza alla compressione, al taglio e al taglio, basso creep, elevata durezza e modulo elastico, conduttività termica e conduttività elettrica. La microstruttura cellulare delle fibre di boro fornisce un'elevata resistenza al taglio all'interfaccia della matrice.

Oltre alla fibra di boro continua, vengono utilizzati nitrati di vetro di boro complessi, in cui diverse fibre di boro parallele sono intrecciate con fibra di vetro, che conferisce stabilità dimensionale. L'uso di fili di vetro al boro facilita il processo tecnologico di produzione del materiale.

I leganti epossidici e poliimmidici modificati vengono utilizzati come matrici per la produzione di nitrati di fibre di boro. Fibre di boro KMB-1 e
KMB-1k sono progettati per il funzionamento a lungo termine ad una temperatura di 200 °C; KMB-3 e KMB-3k non richiedono alta pressione durante la lavorazione e può operare a temperature non superiori a 100 °C; KMB-2k è operativo a 300 °C.

Le fibre di boro hanno un'elevata resistenza alla fatica e sono resistenti alle radiazioni, all'acqua, ai solventi organici e ai lubrificanti.

3.7. Organofibre.

Le organofibre sono materiali compositi costituiti da un legante polimerico e rinforzi (riempitivi) sotto forma di fibre sintetiche. Tali materiali hanno massa ridotta, resistenza specifica e rigidità relativamente elevate e sono stabili sotto l'azione di carichi alternati e sbalzi di temperatura. Per le fibre sintetiche, la perdita di resistenza durante la lavorazione tessile è ridotta; Sono insensibili ai danni.

Per le fibre organiche, i valori del modulo elastico e dei coefficienti di temperatura di dilatazione lineare del rinforzante e del legante sono vicini.
Si verifica la diffusione dei componenti leganti nella fibra e l'interazione chimica tra di essi. La struttura del materiale è priva di difetti. La porosità non supera l'1-3% (in altri materiali il 10-20%). Da qui la stabilità delle proprietà meccaniche delle fibre d'organo in caso di forti sbalzi di temperatura, urti e carichi ciclici. La resistenza agli urti è elevata (400-700 kJ/m²). Lo svantaggio di questi materiali è la loro resistenza alla compressione relativamente bassa e l'elevato creep (soprattutto per le fibre elastiche).

Le fibre organiche sono resistenti agli ambienti aggressivi e ai climi tropicali umidi; le proprietà dielettriche sono elevate e la conduttività termica è bassa. La maggior parte delle fibre organiche possono funzionare a lungo ad una temperatura di 100-150 °C, mentre quelle basate su un legante poliimmidico e fibre di poliossadiazolo possono funzionare a una temperatura di 200-300 °C.

Nei materiali combinati, insieme alle fibre sintetiche, vengono utilizzate fibre minerali (vetro, fibra di carbonio e fibra di boro). Tali materiali hanno maggiore resistenza e rigidità.

4. Efficienza economica dell'utilizzo di materiali compositi.

I campi di applicazione dei materiali compositi non sono limitati. Sono utilizzati nell'aviazione per parti altamente caricate di aeromobili (rivestimento, longheroni, centine, pannelli, ecc.) e motori (pale di compressori e turbine, ecc.), nella tecnologia spaziale per componenti di strutture di potenza di dispositivi soggetti a riscaldamento, per rinforzi, pannelli, nell'industria automobilistica per alleggerire scocche, molle, telai, pannelli di carrozzeria, paraurti, ecc., nell'industria mineraria (utensili di perforazione, parti di mietitrebbie, ecc.), nell'ingegneria civile (campate di ponti, elementi di prefabbricati strutture di grattacieli, ecc.) ecc.) e in altri settori dell'economia nazionale.

L'uso di materiali compositi fornisce un nuovo salto di qualità nell'aumento della potenza dei motori, degli impianti energetici e di trasporto e nella riduzione del peso di macchine e dispositivi.

La tecnologia per la produzione di semilavorati e prodotti in materiali compositi è abbastanza ben sviluppata.

I materiali compositi a matrice non metallica, ovvero fibre di carbonio polimeriche, vengono utilizzati nell'industria navale e automobilistica (carrozzerie, telai, eliche); Da essi vengono realizzati cuscinetti, pannelli riscaldanti, attrezzature sportive e parti di computer. Le fibre di carbonio ad alto modulo vengono utilizzate per la produzione di parti di aeromobili, apparecchiature per l'industria chimica, apparecchiature a raggi X e altro.

Le fibre di carbonio con matrice di carbonio sostituiscono vari tipi di grafite. Sono utilizzati per la protezione termica, i dischi dei freni degli aerei e le apparecchiature chimicamente resistenti.

I prodotti in fibra di boro vengono utilizzati nella tecnologia aeronautica e spaziale (profili, pannelli, rotori e pale di compressori, pale di eliche e alberi di trasmissione di elicotteri, ecc.).

Le fibre organiche sono utilizzate come materiale isolante e strutturale nell'industria elettrica e radiofonica, nella tecnologia aeronautica e nell'industria automobilistica; Vengono utilizzati per realizzare tubi, contenitori per reagenti, rivestimenti per scafi di navi e altro ancora.

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1. Compositi ceramici

Quando si crea una nuova generazione di motori aeronautici, vengono utilizzati materiali ignifughi leggeri e molto resistenti - compositi ceramici - per ridurre il peso, ridurre il consumo di carburante e ridurre le emissioni nocive.

SU Figura 1 diagramma presentato processo tecnologico, sviluppato dalla NASA per la produzione di compositi Fondere i compositi a matrice ceramica infiltrata.

Innanzitutto, un tessuto è costituito da fibre di carburo di silicio (nome commerciale Silramico), da esso viene formato un pezzo di una determinata forma e dimensione, quindi il pezzo viene saturato con carburo di silicio fuso e cotto.

Le fibre possono essere utilizzate per realizzare un composito Silramico O Silramico rivestito in nitruro di boro. Tali compositi possono resistere al riscaldamento fino a 1200 o C.

Una tecnologia simile viene utilizzata nella produzione di materiali compositi a base di ossido, da cui è realizzato il tessuto Nextel 720(contenente 85% Al 2 O 3 e 15% SiO 2) è saturo nella massa fusa di alluminosilicati.

I materiali compositi hanno una struttura a strati (vedi. riso. 2).

Rispetto ai materiali ceramici monolitici (ad esempio Si 3 N 4), le ceramiche composite non sono così fragili e hanno una maggiore resistenza agli urti (vedi. riso. 3 e 4).

I materiali compositi ceramici sono ampiamente utilizzati nella costruzione di veicoli ipersonici. aereo(UAV orbitale X37, razzo X51A WaveRider (vedi. riso. 5 e 6).

Quando si vola a una velocità di 68 Mach, la temperatura delle superfici dei bordi d'attacco degli aerei può raggiungere i 2700 o C e la temperatura nella camera di combustione di un motore ramjet con camera di combustione supersonica (scramjet) può raggiungere i 3000 o C.

Per garantire protezione termica e caratteristiche di elevata resistenza della struttura durante il riscaldamento aerodinamico, vengono utilizzate strutture sandwich multistrato Composito a matrice ceramica/nucleo in schiuma (composito a matrice ceramica con uno strato interno di ceramica porosa).

Un pannello sandwich composito con una densità di circa 1,06 g/cm 3 ha un'elevata resistenza e rigidità. Coefficiente dilatazione termica, materiale di rivestimento composito ceramico e poroso materiale ceramico le anime sono selezionate in modo da garantire un gradiente di temperatura sulle superfici esterna ed interna del pannello sandwich di circa 1000°C senza delaminazioni e fessurazioni.

Avendo una densità di circa 1,06 g/cm, presenta elevata resistenza e rigidità. Il coefficiente di dilatazione termica, il materiale di rivestimento composito ceramico e il materiale ceramico poroso del nucleo sono selezionati in modo tale da garantire un gradiente di temperatura sulle superfici esterne ed interne del pannello sandwich di circa 1000°C senza delaminazione e fessurazioni.

La camera di combustione scramjet utilizza compositi ceramici a base di ceramica ad alta temperatura. Tali ceramiche, costituite da diboruro di zirconio e carburo di silicio, vengono sinterizzate utilizzando scariche elettriche ad alta frequenza (il cosiddetto metodo di sinterizzazione SparcPlasma). Rispetto al metodo di pressatura isostatica a caldo, SparcPlasma Sintering permette di ottenere una struttura più densa (vedi. Fig.7 e 8).

Inoltre, si stanno sviluppando per la camera di combustione materiali ablativi “autoriparanti”., in cui la sostituzione della sostanza è garantita a livello micro. Sono le cosiddette “piastrelle impregnate stratificate con polimero secondario” ( DIVISO) (lastre laminate impregnate con polimero riciclato) aventi composizione eterogenea. Il termine "secondario" viene utilizzato perché ciascun elemento della piastra contiene almeno due strati polimerici, la reazione endotermica secondaria tra i quali assorbe una quantità significativa di calore, contribuendo a prevenire il surriscaldamento del materiale dietro lo scudo termico.

Per proteggere la ceramica composita a base di carburo di silicio dalle reazioni con i prodotti della combustione del carburante nella camera di combustione e dal vapore acqueo, rivestimenti nanocompositi resistenti alla corrosione.

2. Materiali nanocompositi strutturali

Leghe nanocomposite metallo-ceramica

Le leghe di alluminio e magnesio rinforzate con nanoparticelle ceramiche vengono utilizzate come materiali strutturali leggeri.
Il problema principale durante la fusione di tali leghe è la distribuzione uniforme delle nanoparticelle ceramiche nel volume della fusione. A causa della scarsa bagnabilità delle nanoparticelle nella massa fusa, si agglomerano e non si mescolano. L'Università del Wisconsin, Madison (USA), ha sviluppato una tecnologia per mescolare nanoparticelle in una fusione utilizzando onde ultrasoniche, che creano microbolle nella fusione. Quando tali microbolle collassano si formano onde di microshock. Le intense onde di microshock disperdono efficacemente le nanoparticelle in tutto il metallo fuso.

Materiali nanocompositi ceramici

L'aggiunta di nanotubi e fullern di carbonio (compresi nanobaffi di carbonio) alla matrice ceramica migliora le proprietà meccaniche della ceramica (fornendo maggiore duttilità e ridotta fragilità).

SU riso. 9 vengono mostrate micrografie di nanotubi di carbonio in una matrice di allumina. È visibile lo sviluppo di una microfessura; i nanotubi di carbonio (CNT), essendo un elemento di rinforzo, impediscono lo sviluppo della fessura.

Oltre ai nanotubi di carbonio, materiali inorganici simili al fullerene (nanosfere multistrato o nanotubi di tungsteno, titanio, niobio e bisolfuri di molibdeno) vengono utilizzati come elementi di rinforzo nelle ceramiche nanocomposite.

Ciò è stato confermato sperimentalmente materiali inorganici simili al fullerene sono resistenti a carichi dinamici fino a 210 tonnellate/cm 2 (rispetto a 40 tonnellate/cm 2 per l'acciaio altoresistenziale), il che lo rende un materiale molto promettente per riempitivi in ​​compositi polimerici o ceramici utilizzati come armature leggere.

La ceramica è un materiale molto promettente per l’utilizzo in vari settori. Fasi MAX (fasi Mn+1AXn)– nitruri ternari, carburi o boruri di metalli di transizione nanolaminati policristallini.

A seconda della composizione di questi materiali, possono avere proprietà multifunzionali del tutto uniche: essere durevoli, allo stesso tempo facili da lavorare, resistere alle alte temperature, avere un'elevata conduttività termica e un coefficiente di attrito molto basso. In senso figurato, si tratta di ceramica che può essere tagliata con un normale seghetto.

I materiali MAXphase sono stati scoperti dal ricercatore americano Prof. M. Barsoum (Drexel University - USA) nel 1996

furono scoperti dal ricercatore americano Prof. M. Barsoum (Drexel University - USA) nel 1996

Aree di applicazione: energia (elevata conduttività elettrica, capacità di resistere a carichi meccanici elevati, alta temperatura), gas e turbine a vapore(ha un basso coefficiente di attrito alle alte temperature), aviazione e astronautica. SU riso. 10 viene presentata una micrografia di una struttura nanolaminante Ceramica MAXphase.

Lavorazione di materiali compositi

L'emergere di nuovi materiali compositi con proprietà migliorate impone nuovi requisiti allo sviluppo di tecnologie e strumenti per la loro lavorazione. Utilizzato all'estero Un approccio complesso: i tecnologi della lavorazione dei metalli e della ceramica sono coinvolti in progetti di sviluppo di nuovi materiali. In particolare, ai progetti della NASA partecipano specialisti dell'Esercito Research Laboratory e dell'US Air Force Laboratory.

Ad esempio, per praticare fori in piastre e pannelli in ceramica composita, vengono utilizzati utensili con inserti di diamante policristallino, nonché utensili in metallo duro integrale con rivestimenti multistrato nanocompositi.

Per unire parti realizzate in ceramica ad alta temperatura a base di diboruro di zirconio vengono utilizzate saldature speciali.

In particolare le leghe AgCuTi (marchio CusilABA E Ticusil), nonché leghe a base di palladio-cobalto e palladio nichel (marchio Palco E Palni) forniscono un collegamento affidabile di tali ceramiche con materiali strutturali realizzati con leghe di molibdeno refrattarie.

AV. Fedotov
Direttore dello sviluppo
NPF "ElanPraktik"

Materiali compositi – materiali creati artificialmente costituiti da due o più componenti che differiscono nella composizione e sono separati da un confine pronunciato e che hanno nuove proprietà progettate in anticipo.

I componenti del materiale composito sono geometricamente diversi. Viene chiamato un componente che è continuo su tutto il volume di un materiale composito matrice. Viene chiamato un componente discontinuo separato all'interno del volume di un materiale composito raccordi. La matrice conferisce la forma richiesta al prodotto, influenza la creazione delle proprietà del materiale composito e protegge il rinforzo da danni meccanici e altri influssi ambientali.

Polimeri organici e inorganici, ceramica, carbonio e altri materiali possono essere utilizzati come matrici in materiali compositi. Determinano le proprietà della matrice parametri tecnologici il processo per ottenere la composizione e le sue: densità, resistenza specifica, temperatura operativa, resistenza alla rottura per fatica e all'esposizione ad ambienti aggressivi. I componenti di rinforzo o rinforzo sono distribuiti uniformemente nella matrice. Di regola, sono alti e in questi indicatori superano significativamente la matrice. Al posto del termine componente di rinforzo si può utilizzare il termine riempitivo.

Classificazione dei materiali compositi

In base alla geometria del riempitivo, i materiali compositi si dividono in tre gruppi:

• con riempitivi zero-dimensionali, le cui dimensioni in tre dimensioni sono dello stesso ordine;
• con riempitivi unidimensionali, una delle cui dimensioni è significativamente più grande delle altre due;
• con riempitivi bidimensionali, due delle quali sono significativamente più grandi della terza.

In base alla disposizione dei riempitivi si distinguono tre gruppi di materiali compositi:

• con una disposizione uniassiale (lineare) del riempitivo sotto forma di fibre, fili, baffi nella matrice paralleli tra loro;
• con una disposizione biassiale (planare) di riempitivo rinforzante, tappetini di baffi, lamina in una matrice su piani paralleli;
• con una disposizione triassiale (volumetrica) del riempitivo rinforzante e l'assenza di una direzione preferenziale nella sua posizione.

In base alla natura dei componenti, i materiali compositi si dividono in quattro gruppi:

• materiali compositi contenenti un componente metallico o in lega;
• materiali compositi contenenti un componente da composti inorganici ossidi, carburi, nitruri, ecc.;
• materiali compositi contenenti una componente di elementi non metallici, carbonio, boro, ecc.;
• materiali compositi contenenti un componente di composti organici, epossidici, poliestere, fenolici, ecc.

Le proprietà dei materiali compositi dipendono non solo dalle proprietà fisico-chimiche dei componenti, ma anche dalla forza del legame tra loro. La massima resistenza si ottiene se si forma o si verifica tra la matrice e il rinforzo.

In materiali compositi con riempitivo a dimensione zero La matrice metallica è quella più utilizzata. Le composizioni a base di metallo sono rafforzate da particelle disperse uniformemente distribuite di varia dispersione. Questi materiali sono diversi.

In tali materiali, la matrice assorbe l'intero carico e le particelle di riempitivo disperse impediscono lo sviluppo di deformazione plastica. Un indurimento efficace si ottiene con un contenuto di particelle di riempitivo pari al 5...10%. Particelle di ossidi refrattari, nitruri, boruri e carburi fungono da riempitivi rinforzanti. I materiali compositi rinforzati con dispersione sono prodotti mediante metodi di metallurgia delle polveri o introducendo particelle di polvere rinforzante in un metallo o una lega fusa liquida.

I materiali compositi a base di particelle rinforzate con ossido di alluminio (Al 2 O 3) hanno trovato applicazione industriale. Sono prodotti mediante pressatura di polvere di alluminio seguita da sinterizzazione (SAP). I vantaggi del SAP si manifestano a temperature superiori a 300°C, quando le leghe di alluminio rammolliscono. Le leghe rinforzate con dispersione mantengono l'effetto indurente fino ad una temperatura di 0,8 T per favore.

Le leghe SAP sono deformabili in modo soddisfacente, facilmente lavorabili, saldabili, ecc. SAP produce prodotti semilavorati sotto forma di lastre, profili, tubi e fogli. Da essi vengono realizzate le pale di compressori, ventilatori, turbine e bielle.

In materiali compositi con riempitivi unidimensionali I rinforzi sono elementi unidimensionali sotto forma di baffi, fibre, fili, che sono tenuti insieme da una matrice in un unico monolite. È importante che le fibre resistenti siano distribuite uniformemente nella matrice plastica. Per il rinforzo di materiali compositi, fibre continue discrete con dimensioni di sezione trasversale dalle frazioni alle centinaia di micrometri.

Materiali rinforzati con monocristalli simili a baffi furono creati all'inizio degli anni settanta per aerei e strutture spaziali. Il metodo principale per far crescere i baffi è farli crescere dal vapore supersaturo (processo PC). Per produrre cristalli whisker di ossidi e altri composti particolarmente resistenti, la crescita viene effettuata secondo il meccanismo P-J-C: la crescita diretta dei cristalli avviene dallo stato di vapore attraverso una fase liquida intermedia.

I baffi vengono creati aspirando il liquido attraverso le matrici. La resistenza dei cristalli dipende dalla sezione trasversale e dalla levigatezza della superficie.

I materiali compositi di questo tipo sono promettenti come... Per aumentare l'efficienza dei motori termici, le pale delle turbine a gas sono realizzate in leghe di nichel rinforzate con fili di zaffiro (Al 2 O 3), ciò consente di aumentare significativamente la temperatura all'ingresso della turbina (la resistenza alla trazione dei cristalli di zaffiro a una temperatura di 1680 o C è superiore a 700 MPa).

Il rinforzo degli ugelli dei razzi da polveri di tungsteno e molibdeno viene effettuato con cristalli di zaffiro sia sotto forma di feltro che di singole fibre, in conseguenza dei quali è stato possibile raddoppiare il materiale ad una temperatura di 1650 o C. Rinforzo del polimero impregnante di i laminati in fibra di vetro con fibre filiformi ne aumentano la resistenza. Il rinforzo in metallo fuso lo riduce nelle strutture. Il rafforzamento del vetro con baffi non orientati è promettente.

Per rinforzare i materiali compositi viene utilizzato filo metallico composto da diversi metalli: acciaio di diverse composizioni, tungsteno, niobio, a seconda delle condizioni operative. Il filo di acciaio viene trasformato in reti tessute, che vengono utilizzate per produrre materiali compositi con rinforzo orientato in due direzioni.

Per il rinforzo dei metalli leggeri vengono utilizzate fibre di boro e carburo di silicio. Particolarmente immobili di pregio possiedono fibre di carbonio, sono utilizzati per rinforzare materiali compositi metallici, ceramici e polimerici.

Materiali compositi eutettici– leghe di composizione eutettica o prossima all'eutettica, in cui la fase di rinforzo è costituita da cristalli orientati formati durante il processo di cristallizzazione direzionale. A differenza dei materiali compositi convenzionali, quelli eutettici si ottengono in un'unica operazione. Una struttura direzionale può essere ottenuta su prodotti già pronti. La forma dei cristalli risultanti può essere sotto forma di fibre o piastre. I metodi di cristallizzazione diretta vengono utilizzati per produrre materiali compositi a base di cobalto, niobio e altri elementi, pertanto vengono utilizzati in un ampio intervallo di temperature.