Технология композиционных материалов
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Технология машиностроения
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 484
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-0520-1
Артикул: 751671.02.99
Рассмотрены классификация и основы конструирования композиционных материалов. Описаны физико-химические основы технологии получения армирующих элементов и матриц композиционных материалов. Представлены основные технологии получения композиционных материалов на основе металлических, полимерных и углеродных матриц. Приведены особенности технологии эвтектических композиционных материалов.
Для инженерно-технических работников промышленного производства порошковых изделий, а также студентов технических вузов.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 08.03.01: Строительство
- 15.03.01: Машиностроение
- 15.03.02: Технологические машины и оборудование
- 22.03.01: Материаловедение и технологии материалов
- 22.03.02: Металлургия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
В. И. Костиков, Ж. В. Еремеева ТЕХНОЛОГИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки 22.03.02, 22.04.02 «Металлургия» Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021
УДК 669.018.95 ББК 34.39 К72 Рецензент: профессор, доктор технических наук С. Д. Шляпин Костиков, В. И. К72 Технология композиционных материалов : учебное пособие / В. И. Костиков, Ж. В. Еремеева. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. – 484 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-0520-1 Рассмотрены классификация и основы конструирования композиционных материалов. Описаны физико-химические основы технологии получения армирующих элементов и матриц композиционных материалов. Представлены основные технологии получения композиционных материалов на основе металлических, полимерных и углеродных матриц. Приведены особенности технологии эвтектических композиционных материалов. Для инженерно-технических работников промышленного производства порошковых изделий, а также студентов технических вузов. УДК 669.018.95 ББК 34.39 ISBN 978-5-9729-0520-1 Костиков В. И., Еремеева Ж. В., 2021 Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 2
Оглавление Предисловие ................................................................................................................. 8 Введение ..................................................................................................................... 10 1. Классификация композиционных материалов ................................................ 13 1.1. Цели и задачи создания композиционных материалов (КМ) ................ 13 1.2. Классификация композиционных материалов по виду материала матрицы, ориентации и типу арматуры, назначению ............................ 14 1.3. Требования, предъявляемые к армирующим волокнам и материалу матриц ....................................................................................... 16 2. Методы контроля свойств композиционных материалов .............................. 18 2.1. Методы определения механических свойств армированных КМ ........ 18 2.1.1. Растяжение ....................................................................................... 19 2.1.2. Сжатие .............................................................................................. 22 2.1.3. Сдвиг ................................................................................................ 24 2.1.4. Изгиб ................................................................................................ 26 2.2. Испытания кольцевых образцов. .............................................................. 33 2.2.1. Растяжение ....................................................................................... 33 2.2.2. Сжатие .............................................................................................. 34 2.3. Анализ структуры КМ и механизмов ее разрушения ............................ 35 2.3.1. Микроскопический анализ ............................................................. 35 2.3.2. Фрактографический анализ ........................................................... 37 3. Методы получения и свойства армирующих материалов .............................. 39 3.1. Металлические волокна ............................................................................ 39 3.1.1. Стальная проволока ........................................................................ 39 3.1.2. Вольфрамовая и молибденовая проволока .................................. 47 3.1.3. Проволока из бериллия .................................................................. 51 3.1.4. Титановая проволока ...................................................................... 52 3.1.5. Биметаллическая проволока .......................................................... 53 3.2. Стеклянные волокна (СВ) ......................................................................... 54 3.3. Волокна бора, карбида кремния и борсика ............................................. 65 3.3.1. Борные волокна ............................................................................... 65 3.3.2. Волокна из карбида кремния, борсика ......................................... 72 3.4. Углеродные волокна .................................................................................. 76 3.4.1. Исходные материалы и химические превращения при формировании углеродного волокна ................................................ 81 3.4.2. Углеродные волокна на основе полиакрилонитрила .................. 82 3.4.3. Углеродные волокна на основе пека ............................................. 88 3.4.4. Углеродные волокна на основе гидратцеллюлозы ...................... 91 3.4.5. Свойства углеродных волокон ...................................................... 93 3
3.4.5.1. Механические свойства ...................................................... 93 3.4.5.2. Физические свойства .......................................................... 99 3.4.5.3. Химические свойства ....................................................... 102 3.5. Нитевидные кристаллы ........................................................................... 103 3.6. Керамические волокна............................................................................. 116 3.6.1. Монокристаллические керамические волокна .......................... 116 3.6.2. Поликристаллические керамические волокна ........................... 118 4. Металлические матрицы композиционных материалов ............................... 124 4.1. Матрицы на основе алюминия ............................................................... 124 4.1.1. Технический алюминий ............................................................... 124 4.1.2. Деформируемые алюминиевые сплавы ...................................... 125 4.1.3. Литейные алюминиевые сплавы ................................................. 129 4.2. Матрицы на основе магния ..................................................................... 133 4.3. Матрицы на основе титана ...................................................................... 135 4.4. Матрицы на основе меди ......................................................................... 139 4.5. Матрицы на основе никеля ....................................................................... 140 5. Технология и свойства металломатричных композиционных материалов ......................................................................................................... 157 5.1. Требования, предъявляемые к процессам получения КМ ................... 157 5.2. Композиционные материалы на основе алюминия .............................. 160 5.2.1. Алюминий-сталь ........................................................................... 162 5.2.2. Al-B и алюминий-борсик ............................................................. 167 5.2.3. Al-SiC ............................................................................................. 174 5.2.4. Al-C ................................................................................................. 175 5.2.5. Al-SiO2 ............................................................................................ 178 5.2.6. Al-W ................................................................................................ 179 5.2.7. Al-Be ............................................................................................... 179 5.2.8. Алюминий-НК Al2O3, алюминий-НК SiC .................................. 180 5.2.9. Применение ................................................................................... 182 5.3. Композиционные материалы на основе магния ................................... 182 5.3.1. Mg-Be ............................................................................................. 182 5.3.2. Mg-SiC ............................................................................................ 184 5.3.3. Mg-Ti .............................................................................................. 185 5.4. Композиционные материалы на основе титана .................................... 186 5.4.1. Ti-Be ............................................................................................... 187 5.4.2. Ti-SiC .............................................................................................. 188 5.4.3. Титан-борсик ................................................................................. 191 5.4.4. Ti-Al2O3 .......................................................................................... 194 5.4.5. Применение ................................................................................... 194 4
5.5. Композиционные материалы на основе меди ....................................... 195 5.5.1. Cu-W ............................................................................................... 195 5.5.2. Cu-C ................................................................................................ 198 5.5.3. Применение ................................................................................... 199 5.6. Композиционные материалы на основе никеля ................................... 199 5.6.1. Ni-W ................................................................................................ 199 5.6.2. Ni-Al2O3 .......................................................................................... 209 5.6.3. Ni-Si3N4 ........................................................................................... 214 5.6.4. Ni-SiC ............................................................................................. 214 5.6.5. Ni-C ................................................................................................. 216 5.6.6. Применение ................................................................................... 218 6. Эвтектические композиционные материалы ................................................. 220 6.1. Общая характеристика ............................................................................ 220 6.2. Ориентационные и структурные характеристики ................................ 222 6.3. Методы и условия получения эвтектических КМ ................................ 224 6.3.1. Методы направленной кристаллизации .................................... 224 6.3.2. Условия образования направлений эвтектической структуры .................................................................................................. 225 6.3.3. Условия образования волокнистой и пластинчатой структуры .................................................................................................. 227 6.4. Эвтектические композиционные материалы на основе алюминия .................................................................................................. 228 6.5. Эвтектические композиционные материалы на основе титана и ниобия .................................................................................................... 232 7. Технология и свойства композиционных материалов на полимерной матрице (ПКМ) ....................................................................... 234 7.1. Полимеры .................................................................................................. 234 7.2. Наполнители ПКМ ................................................................................... 242 7.2.1. Порошкообразные наполнители .................................................. 243 7.2.2. Волокнистые наполнители ........................................................... 248 7.3. Получение полимерных композиционных материалов и изделий из них ....................................................................................... 250 7.4. Углепластики ............................................................................................ 255 7.4.1. Выбор полимерной матрицы ....................................................... 255 7.4.2. Выбор углеродных волокон и наполнителей ............................. 256 7.4.3. Методы формования углепластиков ........................................... 261 7.4.4. Свойства углепластиков ............................................................... 262 8. Углерод-углеродные композиционные материалы ....................................... 269 8.1. Кристаллические формы углерода ......................................................... 270 5
8.2. Объемные структуры на основе углеродных волокон ......................... 273 8.3. Матрицы УУКМ ....................................................................................... 276 8.3.1. Пиролитический углерод ............................................................. 277 8.3.2. Стеклоуглерод ............................................................................... 281 8.3.3. Углерод на основе пеков .............................................................. 286 8.4. Технология получения УУКМ ................................................................ 289 8.4.1. Газофазный способ ....................................................................... 289 8.4.2. Жидкофазный способ ................................................................... 294 8.4.3. Комбинированный способ ........................................................... 300 8.5. Свойства углерод-углеродных композиционных материалов ............ 300 8.6. Применение .............................................................................................. 305 9. Применение композиционных материалов .................................................... 311 9.1. Применение КМ в автомобилестроении ............................................... 311 9.2. Применение КМ в гражданской авиации .............................................. 313 9.3. Применение КМ в военных самолетах .................................................. 315 9.4. Применение КМ в космических летательных аппаратах .................... 324 9.5. Композиционные материалы в судостроении ...................................... 325 9.6. Применение КМ для изготовления спортивных изделий .................... 326 9.7. Другие области применения КМ ............................................................ 328 9.8. Современные технологии создания композицонных материалов ...... 330 10. Теоретические основы конструирования композиционных материалов .... 342 10.1. Модули нормальной упругости в направлении оси волокна и в перпендикулярном направлении ..................................................... 344 10.2. Коэффициент Пуассона и модуль сдвига для однонаправлено армированных композиционных материалов ...................................... 347 10.3. Прочность КМ, армированных непрерывными и дискретными волокнами ................................................................................................ 349 10.3.1. Композиционные материалы, армированные непрерывным волокном ............................................................. 349 10.3.2. Композиционные материалы, армированные дискретными волокнами ............................................................ 359 10.4. Статистическая прочность композиционных материалов ................... 368 10.5. Формирование и развитие трещин в КМ ............................................... 376 10.6. Прочность КМ на сжатие ........................................................................ 381 11. Методы контроля свойств композиционных материалов ............................. 384 11.1. Методы определения механических свойств армированных КМ ...... 384 11.1.1. Растяжение ................................................................................... 385 11.1.2. Сжатие .......................................................................................... 388 11.1.3. Сдвиг ............................................................................................ 391 11.1.4. Изгиб............................................................................................. 392 11.2. Испытания кольцевых образцов ............................................................. 400 6
11.2.1. Растяжение ................................................................................... 401 11.2.2. Сжатие .......................................................................................... 402 11.3. Анализ структуры КМ и механизмов ее разрушения .......................... 403 11.3.1. Микроскопический анализ ......................................................... 403 11.3.2. Фрактографический анализ ........................................................ 404 12. Межфазное взаимодействие в композиционных материалах ...................... 405 12.1. Термодинамическая и кинетическая совместимость компонентов ............................................................................................ 406 12.2. Виды межфазного взаимодействия ........................................................ 410 12.4. Типы связей между компонентами ........................................................ 416 12.5. Процессы диффузии между компонентами КМ ................................... 417 12.5.1. Уравнения Фика .......................................................................... 417 12.5.2. Диффузия через плоскую поверхность ..................................... 419 12.5.3. Диффузия в среде со сферической симметрией ...................... 423 12.5.4. Диффузия в среде с цилиндрической симметрией .................. 425 12.6. Смачивание и растекание ........................................................................ 429 12.6.1. Поверхностное натяжение ......................................................... 441 12.6.2. Поверхностная энергия твердых тел ......................................... 444 12.6.3. Свободная поверхностная энергия на границе твердое тело – жидкость ......................................................................... 448 12.6.4. Смачивание в системах «твердые металлы – жидкие металлы» .................................................................................................. 453 12.6.5. Смачивание в системах «тугоплакие соединения – жидкие металлы» ............................................................. 454 Заключение ............................................................................................................... 471 Библиографический список .................................................................................... 472 7
ПРЕДИСЛОВИЕ 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 волокнами и частицами 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 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 применению 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», выпущенным издательством 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, 8
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. Настоящее учебное пособие написано 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 учебном пособии невозможно, автор стремился осветить те проблемы, которые представляют наибольший интерес и требуют серьезной подготовки, однако не выходящей за пределы основных дисциплин учебных планов инженерных ВУЗов. Учебное пособие может быть использовано студентами металлургических и машиностроительных ВУЗов, магистрами, аспирантами, слушателями курсов повышения квалификации и инженерно-техническими работниками, занимающимися разработкой композиционных материалов. 9
ВВЕДЕНИЕ Естественные волокнистые материалы известны с далеких времен. Достаточно внимательно посмотреть на растительные и животные вещества, имеющиеся на земле, чтобы увидеть, что армированные композиционные материалы уже давно используются самой природой. Кость, волосы, ногти на пальцах являются примерами этих материалов. Кость представляет собой композиционный материал на основе минерального апатита и белка коллагена. Дерево представляет собой композиционный материал на основе целлюлозы и лигнина. Однако реализовать принцип упрочнения волокнами при создании конструкционных материалов удалось сравнительно недавно. По мере развития металлургии и строительного дела появились железобетонные конструкции, в которых роль армирующего элемента отведена стальным пруткам, а роль матрицы, передающей нагрузку – бетону. Затем прогресс в химии привел к появлению высокопрочных стеклянных, углеродных, борных, карбидокремниевых, оксидных и разнообразных органических волокон и полимерных материалов. На их основе были разработаны и получили широкое применение в технике разнообразные КМ – стеклопластики, угле- и боропластики и гибридные комбинации из них. Появился новый класс конструкционных материалов, с помощью которых практически впервые удалось одновременно реализовать комплекс самых противоположных свойств – высокую прочность и жесткость при растяжении и сжатии, высокие предел выносливости, работу разрушения и низкую удельную плотность. Если традиционные методы упрочнения (благодаря легированию твердого раствора, фазовым превращениям с образованием метастабильных пересыщенных твердых растворов или гетерофазных дисперсных систем, в частности, с равномерно распределенными тонкодисперсными выделениями частиц упрочняющей фазы) позволяют получать конструкционные материалы с удельной прочностью не более 20–30 км и пределом усталости не выше 30 % от предела прочности, то упрочнение волокнами повышает эти характеристики соответственно до 50–70 км и 70 %. Изменение направления расположения волокон в разных слоях КМ позволяет регулировать их свойства в плоскости армирования. Благодаря разработке волокнистых КМ появилась возможность создавать элементы конструкций с заранее заданными свойствами, высокой эффективностью по массе и высокой технологичностью, что, естественно, привело к ка10