Kompozit anyag

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2020. november 23-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 18 szerkesztést igényelnek .

Kompozit anyag vagy kompozit anyag (CM), rövidítve kompozit  – többkomponensű anyag, amelyet (ember vagy természet) két vagy több, egymástól jelentősen eltérő fizikai és/vagy kémiai tulajdonságú komponensből állítanak elő, és amelyek együttesen egy új anyag, amelynek jellemzői eltérnek az egyes komponensek jellemzőitől, és nem egyszerűen egymásra épülnek . A kompozit részeként szokás különválasztani a mátrixot / mátrixokat és a töltőanyagot / töltőanyagokat, ez utóbbiak a megerősítés funkcióját látják el (hasonlóan az olyan összetett építőanyagban, mint a vasbeton , a megerősítéssel ). Általában a szén- vagy üvegszálak a kompozitok töltőanyagaiként működnek, a polimer pedig mátrix szerepét tölti be. A különböző komponensek kombinációja javítja az anyag tulajdonságait, és könnyűvé és erőssé teszi azt. Ebben az esetben az egyes komponensek a kompozitok szerkezetében változatlanok maradnak, ami megkülönbözteti őket a keverékektől és a keményített oldatoktól. A mátrix és a töltőanyag összetételének, arányának, a töltőanyag orientációjának változtatásával a kívánt tulajdonságkészlettel rendelkező anyagok széles skáláját kapjuk. Számos kompozit felülmúlja a hagyományos anyagokat és ötvözetek mechanikai tulajdonságait, ugyanakkor könnyebbek is. A kompozitok használata általában lehetővé teszi a szerkezet tömegének csökkentését, miközben megtartja vagy javítja mechanikai jellemzőit.

Kompozit anyagok szerkezete

Szerkezetük szerint a kompozitokat több fő osztályba sorolják: rostos, diszperziós szilárdságú, részecskeerősítésű és nanokompozitok. A szálas kompozitokat szálakkal vagy bajuszokkal erősítik meg – a szalmával és papírmaséval ellátott téglák csak a kompozitok ezen osztályának tulajdoníthatók. Már a kis töltőanyag-tartalom az ilyen típusú kompozitokban az anyag minőségileg új mechanikai tulajdonságainak megjelenéséhez vezet. Az anyagtulajdonságok a szálak méretének és koncentrációjának orientációjának változtatásával is széles körben változtathatók. Ezenkívül a szálerősítés a tulajdonságok anizotrópiáját (különböző irányú tulajdonságok különbségét) adja az anyagnak, és vezetőszálak hozzáadásával adott tengely mentén elektromos vezetőképességet lehet adni az anyagnak.

A réteges kompozit anyagokban a mátrix és a töltőanyag rétegesen van elrendezve, mint például a több réteg polimer filmekkel megerősített extra erős üvegben .

A kompozit anyagok más osztályainak mikroszerkezetét az a tény jellemzi, hogy a mátrixot megerősítő részecskék töltik meg, és szemcseméretükben különböznek. A szemcseerősítésű kompozitokban méretük nagyobb, mint 1 μm, tartalom 20-25% (térfogat), míg a diszperziós szilárdságú kompozitok 1-15% (térfogat szerint) 0,01-től 0,01-ig terjedő méretű részecskéket tartalmaznak. 0,1 µm. A nanokompozitokat, a kompozit anyagok új osztályát alkotó részecskeméretek még kisebbek, és elérik a 10–100 nm-t.

Polimer kompozit anyagok (PCM)

A kompozitok, amelyekben a mátrix polimer anyag, az egyik legszámosabb és legváltozatosabb anyagtípus. Különböző területeken történő alkalmazásuk jelentős gazdasági hatást fejt ki. Például a PCM használata az űr- és légiközlekedési berendezések gyártásában lehetővé teszi a repülőgép tömegének 5-30% -át. És ha például egy Föld-közeli pályán lévő mesterséges műhold súlyát 1 kg-mal csökkentjük, 1000 dollár megtakarítást érünk el. Számos különböző anyagot használnak PCM töltőanyagként.

A) Üvegszál  - üvegszálakkal erősített polimer kompozit anyagok, amelyeket megolvadt szervetlen üvegből alakítanak ki. Mátrixként leggyakrabban hőre keményedő műgyantákat (fenol, epoxi, poliészter és így tovább) és hőre lágyuló polimereket (poliamidok, polietilén , polisztirol stb.) használnak. Ezek az anyagok kellően nagy szilárdságúak, alacsony hővezető képességgel, jó elektromos szigetelő tulajdonsággal rendelkeznek, emellett átlátszóak a rádióhullámok számára. Az üvegszálat a második világháború végén kezdték el használni antennasugárzók - kupolás szerkezetek - gyártására, amelyekben a lokátorantenna található. Az első üvegerősítésű műanyagoknál a szálak száma kicsi volt, a szálat elsősorban a rideg mátrix durva hibáinak semlegesítésére vezették be. Idővel azonban a mátrix célja megváltozott - csak erős szálak ragasztására kezdett szolgálni, sok üvegszál rosttartalma eléri a 80 tömeg%-ot. Üvegszálnak nevezzük azt a réteges anyagot, amelyben üvegszálból szőtt szövetet használnak töltőanyagként. [egy]

Az üvegszál meglehetősen olcsó anyag, széles körben használják az építőiparban, a hajógyártásban, a rádióelektronikában, a háztartási cikkek, sporteszközök gyártásában, a modern dupla üvegezésű ablakok ablakkereteiben stb.

B) CFRP - ezekben a polimer kompozitokban a töltőanyag szénszálak. A szénszálakat szintetikus és természetes cellulóz, akrilnitril kopolimerek, kőolaj és kőszénkátrány szurok és így tovább alapú szálakból nyerik. A szál hőkezelése általában három szakaszban történik (oxidáció - 220 ° C, karbonizálás - 1000-1500 ° C és grafitizálás - 1800-3000 ° C), és magas hőmérsékletű szálak képződéséhez vezet. széntartalom (max. 99,5 tömeg%). A feldolgozási módtól és az alapanyagtól függően a keletkező szénszál szerkezete eltérő. A szénszál gyártásához ugyanazokat a mátrixokat használják, mint az üvegszálas - leggyakrabban - hőre keményedő és hőre lágyuló polimereknél. A szénszál erősítésű műanyagok fő előnyei az üvegszállal szemben az alacsony sűrűségük és a nagyobb rugalmassági modulusuk, a szénszálas műanyagok nagyon könnyűek és egyben tartósak is. A szénszálaknak és a szénműanyagoknak csaknem nulla a lineáris tágulási együtthatója. Minden szénműanyag jó elektromos vezető, fekete színű, ami némileg korlátozza a hatókörüket. A CFRP-ket a repülésben, a rakétatudományban, a gépgyártásban, az űrtechnológia, az orvosi berendezések, a protézisek gyártásában, valamint a könnyű kerékpárok és egyéb sporteszközök gyártásában használják.

Szénszálak és szénmátrix alapján kompozit szén-grafit anyagokat hoznak létre - a leghőállóbb kompozit anyagokat (szénműanyagokat), amelyek inert vagy redukáló környezetben akár 3000 °C-ig is hosszú ideig ellenállnak. Az ilyen anyagok előállításának számos módja van. Az egyik szerint a szénszálakat fenol-formaldehid gyantával impregnálják, majd magas hőmérsékletnek (2000 ° C) vetik alá, miközben a szerves anyagok pirolízise megtörténik, és szén képződik. Annak érdekében, hogy az anyag kevésbé porózus és sűrűbb legyen, a műveletet többször meg kell ismételni. A szénanyag előállításának másik módja a közönséges grafit magas hőmérsékleten, metán atmoszférában történő kalcinálása. A metán pirolízise során keletkező finoman diszpergált szén a grafitszerkezet összes pórusát bezárja. Az ilyen anyag sűrűsége a grafit sűrűségéhez képest másfélszeresére nő. Szénszálból készülnek a rakéta- és nagysebességű repülőgépek magas hőmérsékletű alkatrészei, a nagysebességű repülőgépek és az újrafelhasználható űrhajók fékbetétei és tárcsái, valamint az elektrotermikus berendezések.

C ) A boroplasztok olyan kompozit anyagok, amelyek hőre keményedő polimer mátrixba ágyazva bórszálakat tartalmaznak töltőanyagként, míg a szálak lehetnek monofil, vagy segédüvegszállal vagy szalaggal fonott kötegek formájában, amelyekben bórszálak vannak. összefonódva másokkal.szálak. A menetek nagy keménysége miatt a kapott anyag jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik (a bórszálak a legnagyobb nyomószilárdságúak a többi anyagból készült szálakhoz képest) és az agresszív körülményekkel szembeni ellenálló képességgel rendelkeznek, de az anyag nagy ridegsége megnehezíti a feldolgozást. és korlátozásokat ír elő a bórból készült műanyag termékek alakjára vonatkozóan. Ráadásul a bórszálak költsége igen magas (kb. 400 USD/kg) az előállítási technológia sajátosságai miatt (a bórt kloridból rakják le volfrám szubsztrátumra, melynek költsége elérheti a 30%-ot is). rostköltség). A boroplasztika termikus tulajdonságait a mátrix hőállósága határozza meg, ezért az üzemi hőmérséklet általában alacsony.

A bór műanyagok felhasználását korlátozza a bórszálak magas előállítási költsége, ezért elsősorban a repülés- és űrtechnológiában alkalmazzák azokat agresszív környezetben tartós igénybevételnek kitett részeken.

D) Organoplasztika - olyan kompozitok, amelyekben szerves, szintetikus és ritkábban természetes és mesterséges szálak kötegek, szálak, szövetek, papír stb. formájában szolgálnak töltőanyagként. A hőre keményedő szerves műanyagokban általában epoxi-, poliészter- és fenolgyanták, valamint poliimidek szolgálnak mátrixként. Az anyag 40-70% töltőanyagot tartalmaz. A hőre lágyuló polimerek - polietilén, PVC, poliuretán stb. - alapú szerves műanyagok töltőanyag-tartalma sokkal nagyobb tartományban változik - 2 és 70% között. Az organoplasztika alacsony sűrűségű, könnyebb, mint az üveg és a szénszál, viszonylag nagy szakítószilárdságú; nagy ütésállóság és dinamikus terhelés, ugyanakkor alacsony nyomó- és hajlítószilárdság.

A szerves műanyagok mechanikai jellemzőinek javításában fontos szerepet játszik a töltőanyag-makromolekulák orientáltsági foka. A merev láncú polimerek, például a poliparafenil-tereftálamid (Kevlar) makromolekulái általában a szövedék tengelye irányába orientálódnak, ezért nagy szakítószilárdságuk van a szálak mentén. A golyóálló páncél kevlárral megerősített anyagokból készül.

Az organoplasztika széles körben használatos az autóiparban, a hajógyártásban, a gépgyártásban, a repülés- és űrtechnológiában, a rádióelektronikában, a vegyiparban, a sportfelszerelések gyártásában és így tovább.

E) Porral töltött polimerek. A töltött polimereknek több mint 10 000 fajtája ismert. A töltőanyagokat az anyag költségének csökkentésére és különleges tulajdonságok biztosítására egyaránt használják. Először Dr. Bakeland (Leo H. Baekeland, USA) kezdett töltött polimert gyártani, aki a 20. század elején fedezte fel. módszer fenol-formaldehid (bakelit) gyanta szintézisére. Ez a gyanta önmagában alacsony szilárdságú, törékeny anyag. Bakeland azt találta, hogy ha rostokat, különösen falisztet adnak a gyantához, mielőtt az megkeményedne, megnő a szilárdsága. Az általa készített anyag - a bakelit - nagy népszerűségre tett szert. Elkészítésének technológiája egyszerű: a részben kikeményedett polimer és töltőanyag - préspor - keveréke nyomás alatt visszafordíthatatlanul megkeményedik a formában. Az első ilyen technológiával gyártott sorozattermék 1916-ban egy Rolls-Royce autó sebességváltó gombja. A töltött hőre keményedő polimereket a mai napig széles körben használják.

Manapság számos hőre keményedő és hőre lágyuló polimer töltőanyagot használnak. A kalcium-karbonát és a kaolin (fehér agyag) olcsó, készleteik gyakorlatilag korlátlanok, a fehér szín lehetővé teszi az anyag színezését. Merev és rugalmas PVC anyagok gyártására használják csövek, elektromos szigetelés, burkolólapok és így tovább, poliészter üvegszál, polietilén és polipropilén töltelék gyártásához. A talkum polipropilénhez való hozzáadása jelentősen megnöveli ennek a polimernek a rugalmassági modulusát és hőállóságát. A kormot leginkább gumi töltőanyagként használják, de bevezetik polietilénbe, polipropilénbe, polisztirolba stb. Még mindig széles körben használják a szerves töltőanyagokat - falisztet, őrölt dióhéjat, növényi és szintetikus szálakat. Nagy népszerűségre tett szert a folyami homok töltőanyaggal ellátott polietilén alapú polimer-homok kompozit . Biológiailag lebomló kompozitok előállításához keményítőt használnak töltőanyagként.

E) Textolitok  - különböző szálakból készült szövetekkel megerősített réteges műanyagok. A textolitok előállításának technológiáját az 1920-as években fejlesztették ki fenol-formaldehid gyanta alapján. A szövetruhákat gyantával impregnálták, majd emelt hőmérsékleten préselték, így textolit lemezeket kaptak. A textolitok egyik első alkalmazásának - a konyhaasztalok burkolatának - szerepét aligha lehet túlbecsülni.

A textolitok előállításának alapelvei megmaradtak, de mára már nem csak lemezeket, hanem figurázott termékeket is készítenek belőlük. És természetesen bővült az alapanyagok köre. A textolitok kötőanyagai a hőre keményedő és hőre lágyuló polimerek széles választéka, néha még szervetlen kötőanyagokat is alkalmaznak - szilikát és foszfát alapú. Töltőanyagként sokféle szálból készült szöveteket használnak - pamut, szintetikus, üveg, szén, azbeszt, bazalt és így tovább. Ennek megfelelően a textolitok tulajdonságai és felhasználása változatos.

Kompozit anyagok fémmátrixszal

Fémalapú kompozitok létrehozásakor mátrixként alumíniumot , magnéziumot , nikkelt , rezet és így tovább használnak. A töltőanyag vagy nagy szilárdságú szálak , vagy különféle diszperziók tűzálló részecskéi, amelyek nem oldódnak fel az alapfémben .

A diszperziós szilárdságú fémkompozitok tulajdonságai izotrópok – minden irányban azonosak. 5-10%-os erősítő töltőanyagok (tűzálló oxidok , nitridek , boridok , karbidok ) hozzáadása a mátrix terhelésekkel szembeni ellenállásának növekedéséhez vezet. A szilárdság növelésének hatása viszonylag kicsi, de a kompozit hőállóságának növekedése az eredeti mátrixhoz képest értékes. Így a tórium -oxid vagy cirkónium-oxid finom porainak hőálló króm-nikkel ötvözetbe való bejuttatása lehetővé teszi annak a hőmérsékletnek a növelését, amelyen az ebből az ötvözetből készült termékek hosszú távú működésre képesek, 1000 ° C-ról 1200 ° C-ra. C. A diszperziós szilárdságú fémkompozitokat úgy állítják elő, hogy töltőanyagot olvadt fémbe juttatnak, vagy porkohászati ​​módszerekkel .

A fémek szálakkal, szálakkal, huzalokkal való megerősítése jelentősen növeli a fém szilárdságát és hőállóságát . Például a bórszálakkal megerősített alumíniumötvözetek 250-300 °C helyett 450-500 °C-ig üzemeltethetők. Oxid-, borid-, karbid-, nitrid-fémtöltőanyagokat, szénszálakat használnak . A kerámia- és oxidszálak ridegségük miatt nem teszik lehetővé az anyag képlékeny alakváltozását , ami jelentős technológiai nehézségeket okoz a termékek gyártásában, míg a több műanyag fém töltőanyag használata lehetővé teszi az újraformázást. Az ilyen kompozitokat a szálkötegek fémolvadékokkal történő impregnálásával , elektromos leválasztással , fémporral való keveréssel, majd ezt követő szintereléssel és így tovább állítják elő.

Az 1970-es években jelentek meg az első bajuszokkal megerősített anyagok . A bajuszokat úgy állítják elő, hogy az olvadékot fonókon keresztül húzzák át . Használt "bajusz" alumínium -oxidból , berillium-oxidból , bór- és szilícium -karbidokból , alumínium- és szilícium -nitridekből és így tovább, 0,3-15 mm hosszú és 1-30 mikron átmérőjű. A "bajuszokkal" történő megerősítés jelentősen növelheti az anyag szilárdságát és növelheti a hőállóságát. Például egy 24% alumínium- oxid bordat tartalmazó ezüst kompozit folyáshatára 30-szorosa az ezüst folyáshatárának és kétszerese más ezüst alapú kompozit anyagokénak. A volfrám és molibdén alapú anyagok alumínium-oxid "bajuszával" történő megerősítése 1650 ° C-on megduplázta szilárdságát, ami lehetővé teszi ezen anyagok felhasználását rakétafúvókák gyártásához .

Kerámia alapú kompozit anyagok

A kerámia anyagok szálakkal, valamint fém- és kerámia diszpergált részecskékkel történő megerősítése nagy szilárdságú kompozitok előállítását teszi lehetővé, azonban a kerámia megerősítésére alkalmas szálak körét a kiindulási anyag tulajdonságai korlátozzák. Gyakran használnak fémszálakat. A szakítószilárdság enyhén növekszik, de nő a hősokkokkal szembeni ellenállás - melegítés hatására az anyag kevésbé reped, de előfordul, hogy az anyag szilárdsága csökken. Ez a mátrix és a töltőanyag hőtágulási együtthatóinak arányától függ.

A kerámiák diszpergált fémrészecskékkel való megerősítése új anyagokhoz ( cermet ) vezet, amelyek tartósabbak, ellenállnak a hősokkoknak és megnövekedett hővezető képességgel rendelkeznek. A magas hőmérsékletű cermetekből gázturbinák alkatrészeit, elektromos kemencék szerelvényeit, rakéta- és sugárhajtású technológiai alkatrészeket készítenek. A kemény kopásálló cermeteket vágószerszámok és alkatrészek gyártására használják. Ezenkívül a cermeteket speciális technológiai területeken használják - ezek az urán-oxid alapú nukleáris reaktorok fűtőelemei, a fékberendezések súrlódó anyagai és így tovább.

A kerámia kompozit anyagokat melegsajtolással (tablettázás, majd nyomás alatti szintereléssel) vagy csúszós öntéssel (a szálakat mátrixanyag szuszpenzióval öntik, amelyet szárítás után szintereznek is) nyerik.

Jegyzetek

  1. ↑ Lubin J. Kompozit anyagok kézikönyve. 1. kötet / ford. angolról. A. B. Geller, M. M. Gelmont. - M .: Mashinostroenie, 1988. - S. 181-183. — 448 p. — ISBN 5-218-00225-5 .

Irodalom

Linkek

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák
Bibliográfiai katalógusokban