Реферат на тему Неметаллические композитные материалы

Содержание:

Введение. 3

1 Неметаллические композитные материалы: 6

1.1 Углерод-углеродный композитный
материал. 6

1.1.1 Разновидности
материала. 6

1.1.2 Способы
получения. 8

1.2 Углерод-керамический композиционный
материал. 8

1.2.1
Разновидности и способы получения. 9

1.3 Керамический композиционный материал. 9

1.3.1
Разновидности и способы получения. 10

1.4 Ультравысокотемпературный керамический
композиционный материал (керамоматричный материал) 11

1.4.1 Разновидности материала. 11

1.4.2
Получение капиллярной пропиткой углеродного каркаса. 13

Вывод. 18

Список использованной литературы.. 20

Введение:

Композиционные материалы
(также называемые композиционными материалами или сокращенно композитами) — это
материалы, изготовленные из двух или более составных материалов со значительно различными
физическими или химическими свойствами, которые при объединении образуют материал
с характеристиками, отличными от отдельных компонентов. Отдельные компоненты остаются
отдельными и отличными друг от друга в готовой структуре. Новый материал может быть
предпочтительным по многим причинам: распространенные примеры включают материалы,
которые являются более прочными, легкими или менее дорогими по сравнению с традиционными
материалами.

В настоящем обзоре
композитные материалы можно разделить на три основные категории и двенадцать возможных
подгрупп, а именно:

Группа А: Общая классификация

Любой данный композитный
материал может быть отнесен к любой из трех групп общей классификации.

1. По происхождению:
природные композиты; синтетические композиты; гибридные композиты.

2. По семействам
в соответствии со свойствами и применением: конструкционные композиты; термокомпозиты;
функциональные композиты; многофункциональные композиты.

3. По возрасту и
технологии, используемой при изготовлении и применении, древние композиты; традиционные
композиты; передовые или современные композиты.

4. По их воздействию
на окружающую среду. Зеленые композиты (GC); традиционно спроектированные композиты
(TEC).

Группа В: Классификация
на основе материалов

Три группы подпадают
под классификацию, основанную на типе материала.

5. По семействам,
в соответствии с матрицей: композиты с керамической матрицей; композиты с металлической
матрицей; композиты с полимерной матрицей.

6. По их металлической
или поп-металлической природе (семействам): неметаллические фазы в неметаллических
фазах (например, бетон); металлические в неметаллических фазах; металлические в
металлических фазах; неметаллические в металлических фазах [11].

7. В соответствии
с областью исследования и применения: стеклокерамические композиты, композиты с
алюминиевой матрицей, огнеупорные композиты, электрокерамические композиты, диэлектрические
композиты, биокомпозиты, керамические пористые композиты, композиты из углеродных
нанотрубок и т.д.

Группа C: Фазовые
или матричные характеристики усиления, термические или функциональные характеристики

Пять групп касаются
любых аспектов, связанных с фазами армирования, термической, функциональной или
матричной.

8. По происхождению
или способу получения упрочняющих, термических или функциональных фаз: композиты
ex-situ и in situ.

9. По геометрии/форме
армирующей, термической или функциональной фазы: частицам, усикам, коротким волокнам,
длинным и выровненным волокнам, хлопьям, тромбоцитам.

10. По размеру и
длине — масштаб армирующей, термической, функциональной и матричной фаз: макро-,
микро- и нанокомпозиты.

11.По распределению
размеров армирующей, термической, функциональной и матричной фаз: мономодальные
композиты; мультимодальные композиты.

12. По архитектуре,
монолитные композиты, ламинированные, многослойные и пленочные/ покрытые композиты
с многослойной или функционально градуированной структурой, сотовой структурой и
т.д.

Типичные инженерные
композитные материалы включают:

· Композитные строительные
материалы, такие как цементы, бетон

· Армированные пластмассы,
такие как армированный волокном полимер

· Металлические Композиты

· Керамические композиты
(композитные керамические и металлические матрицы) [3].

Композитные материалы
обычно используются для зданий, мостов и сооружений, таких как корпуса лодок, панели
бассейнов, кузова гоночных автомобилей, душевые кабины, ванны, резервуары для хранения,
раковины и столешницы из искусственного гранита и искусственного мрамора. Самые
передовые примеры регулярно работают на космических аппаратах в сложных условиях.

Композитные материалы
обычно классифицируются по типу армирования, которое они используют. Это подкрепление
встроено в матрицу, которая удерживает его вместе. Армирование используется для
укрепления композита. Например, в глинобитном кирпиче матрица-это грязь, а армирование-солома.
Распространенные типы композитных материалов включают армирование случайным волокном
или коротким волокном, армирование непрерывным волокном или длинным волокном, армирование
частицами, чешуйчатое армирование и армирование наполнителем.

Глинобитные строительные
кирпичи являются примерами композитного материала, изобретенного древними людьми.
Кирпич, изготовленный только из грязи, прочен и устойчив к сжатию, но он обладает
небольшой гибкостью и может сломаться, если его согнуть. Солома обладает отличной
прочностью на растяжение, что означает, что она сопротивляется растяжению. Сочетая
солому и грязь, древние люди смогли создать композитные кирпичи, которые могли оставаться
гибкими, выдерживая вес и сопротивляясь сжатию.

Бетон и железобетон.
Бетон-это композитный материал, изготовленный из цемента, песка, камней и воды.
Химическая реакция, которая происходит при объединении этих материалов, делает бетон
прочнее любого из его компонентов. Бетон широко используется в строительстве и дорожном
строительстве. Когда вы добавляете в бетон усиленные стальные стержни, вы создаете
другой композитный материал с большей прочностью и гибкостью, называемый железобетоном.

Стекловолокно изготовлено
из крошечных стеклянных осколков, скрепленных смолой и другими компонентами. В автомобильной
промышленности стекловолокно имеет важное значение для изготовления обвесов. Каркас
кузова для автомобиля состоит из различных слоев стекловолокна, таких как слой гелевого
покрытия, слой ткани, маты и ткань. Конечный продукт-это полный, водонепроницаемый,
легкий и прочный обвес. Стекловолокно также может быть менее дорогой альтернативой
другим материалам.

Натуральные композиты
– это композиты, которые можно легко найти в природе. Древесина является примером
композита, потому что целлюлозные волокна удерживаются вместе веществом, называемым
лигнином. Эти волокна можно найти в хлопке и нитях, но именно связующая способность
лигнина в древесине делает его намного жестче. Некоторые типы крупных горных пород
также могут рассматриваться в качестве естественных композитов, когда они состоят
из множества более мелких пород и минералов.

Заключение:

В реферате была рассмотрена новая классификация
композитов, состоящая из трех основных групп и 12 подгрупп [4]. С совершенствованием
нанотехнологий и разработкой новых экологически чистых материалов, а также процессов
для проектирования и производства композитных материалов очень важно следить и обновлять
классификацию композитных материалов. Требования, регулирующие выбор материалов,
применяются как к металлам, так и к армированным пластмассам. Поэтому крайне важно
кратко сравнить основные характеристики этих двух факторов.

• Композитные материалы
обеспечивают значительную экономию веса по сравнению с существующими металлами.
Композитные материалы могут обеспечить конструкции, которые на 25-45% легче обычных
алюминиевых конструкций, предназначенных для удовлетворения тех же функциональных
требований. Это связано с меньшей плотностью композитов.

В зависимости от
формы материала плотность композита колеблется от 1260 до 1820 кг/дюйм3
(от 0,045 до 0,065 фунт/дюйм3 ) по сравнению с 2800 кг/дюйм3
(0,10 фунта/дюйм3) для алюминия. Для некоторых применений могут потребоваться
более толстые композитные профили, отвечающие требованиям прочности/жесткости, однако
экономия веса все равно будет достигнута [24].

• Однонаправленные
волокнистые композиты обладают удельной прочностью на растяжение (отношение прочности
материала к плотности) примерно в 4-6 раз большей, чем у стали и алюминия.

• Однонаправленные
композиты имеют удельный модуль (отношение жесткости материала к плотности) примерно
в 3-5 раз больше, чем у стали и алюминия.

• Предел усталостной
выносливости композитов может приближаться к 60% от их предела прочности при растяжении.
Для стали и алюминия это значение значительно ниже.

• Волокнистые композиты
более универсальны, чем металлы, и могут быть адаптированы для удовлетворения потребностей
в производительности и сложных требований к конструкции, таких как аэроупругая нагрузка
на крылья и вертикальные и горизонтальные стабилизаторы самолета.

• Армированные волокном
композитные материалы могут быть спроектированы с отличными конструктивными демпфирующими
свойствами.

Как таковые, они
менее шумны и обеспечивают более низкую передачу вибрации, чем металлы.

• Высокая коррозионная
стойкость волокнистых композитов способствует снижению стоимости жизненного цикла.

• Композитные материалы
обеспечивают более низкую стоимость изготовления, главным образом, за счет значительного
сокращения количества деталей и дорогостоящих технических соединений, необходимых
для формирования крупных металлических деталей.

Однако у современных
композитных материалов имеются недостатки, которые вносят ограничения в применение
композитных материалов:

из связанных с этим
заключаются в следующем:

• Высокая стоимость
сырья и изготовления.

• Композитные материалы
более хрупкие, чем кованые металлы, и поэтому их легче повредить.

• Поперечные свойства
могут быть слабыми.

• Матрица слабая,
следовательно, низкая прочность.

• Повторное использование
и утилизация могут быть затруднены.

• Трудно прикрепить.

• Ремонт создает
новые проблемы по следующим причинам:

— Материалы требуют
транспортировки и хранения в холодильнике и имеют ограниченный срок годности.

 — Горячее отверждение необходимо во многих случаях,
когда требуется специальная оснастка.

— Горячее или холодное
отверждение требует времени.

— Анализ затруднен.

— Матрица подвержена
деградации окружающей среды.

Однако правильный
дизайн и выбор материала могут обойти многие из вышеперечисленных недостатков.

Новая технология
позволила получить различные армирующие волокна и матрицы, которые могут быть объединены
для получения композитов, обладающих широким спектром исключительных свойств. Поскольку
современные композитные материалы способны обеспечивать конструктивную эффективность
при меньшем весе по сравнению с эквивалентными металлическими конструкциями, они
стали основными материалами для будущего использования.

В авиации, современные
армированные волокном композиты в настоящее время используются во многих конструкционных
приложениях, а именно. балки пола, обтекатели двигателя, поверхности управления
полетом, двери шасси, обтекатели от крыла к корпусу и т.д. А также основные несущие
конструкции, включая вертикальные и горизонтальные стабилизаторы главного крутящего
момента. Композитные материалы также рассматриваются для использования в усовершенствованиях
гражданской инфраструктуры, а именно в сейсмостойких опорах автомобильных дорог,
ветряных электростанциях, мостах с длинными пролетами и т.д.

Фрагмент текста работы:

1 Неметаллические композитные материалы:

1.1 Углерод-углеродный композитный материал

Углерод и графит
занимают особое место в вариантах композитных материалов, поскольку оба являются
превосходными высокотемпературными материалами с прочностью и жесткостью, на которые
не влияет температура до 2300 °C. Этот углерод-углеродный композит изготавливается
путем уплотнения углерода или многократной пропитки пористых каркасов жидкими предшественниками
карбонизатора и последующей пиролизацией. Они также могут быть изготовлены путем
химического осаждения пиролитического углерода из паровой фазы.

Углерод-углеродные
композиты не применяются при повышенных температурах, так как многие композиты оказались
намного лучше при этих температурах. Однако их способность сохранять свои свойства
при комнатной температуре, а также при температуре в диапазоне 2400 ° C и стабильность
размеров делают их идеальным выбором в широком спектре применений, связанных с аэронавтикой,
военными, промышленностью и космосом.

Компоненты, которые
подвергаются воздействию более высокой температуры и к которым предъявляются многочисленные
требования к высоким стандартным характеристикам, скорее всего, будут использовать
углерод-углеродные композиты.

1.1.1 Разновидности материала

Композиты углерод-углерод
состоят из углеродных волокон, и в зависимости от технологии производства могут
существовать остаточная углеродная матрица и остаточный кремний. Композитный состав
и микроструктура зависят от методов изготовления, производственной атмосферы, состава
сырья, а также типа, количества и расположения волокнистой заготовки. Например,
метод инфильтрации химическим паром приводит к стехиометрическому образованию, тогда
как метод инфильтрации полимера и пиролиз зависит о докерамическом предшественнике.
Как правило, инфильтрации химическим паром и композитов  содержащие углеродные волокна, внедренные в матрицу
ниц, в то время как метод инфильтрации жидкого силикона приводит к материалам, в
которых углеродные волокна заменяются плотными пучками углерод-углерод, рис. 1.

Содержание открытой пористости композитов также зависит от метода, используемого
при изготовлении. Композиты, изготовленные методом инфильтрации химическим паром,
обычно имеют остаточное содержание пористости около 8-12%, тогда как в методе инфильтрации
полимера и пиролиза пористость снижается до 6-10%. С другой стороны, в процессе
LSI можно получать композиты углеро-углерод с содержанием открытой пористости всего
1-4%. Как уже упоминалось, композиты имеют низкую плотность (1,8–2,4 г/см3 ) материалы
с несколько более высокой плотностью, чем углепластик (1,5 г/см3 ).