XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

КЛАССИФИКАЦИЯ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Структура СКМ представляет собой набор чередующихся компонентов – слоев, жестко связанных между собой по всей поверхности.

Слои в композитах, исходя из их толщины, можно классифицироватькак

- листыилипластиныстолщиной1–10ммиболее;

- фольгитолщиной0,05–1мм;

- пленкитолщиной10^-3–0,05мм [8].

Cлоистые композиционные материалы также можно разделить на анизотропные (рис. 1) и квазиизотропные (рис. 2). Квазиизотропныеслоистыекомпозитысостоятизхаотичноориентированныхслоистых ячеек. Внутри этих ячеек свойства в направлении осей х;у; z – отличны, а в целом, можно считать,чтосвойствавнаправленииэтихосейодинаковы.

Рис. 1. Схематическое представление слоистой структурыкомпозиционногоматериала:П1–П5–поверхностираздела;С1–С6–чередующиесяслои [2]

Рис. 2. Схематическое представление слоистого композиционногоматериаласквазиизотропнойструктурой:1–хаотичноориентированныеслоистыеячейки;2–границыразделамеждуячейками; 3–границыразделавнутриячеек [2]

Вслоистыхкомпозитахчередующиесяслоимогутбытьвыполненылибоизодногоитогожематериала,либоизразличных.

Слоистые композиционные материалы можно классифицировать исходя из свойств матрицы и наполнителя:

- на материалы с твердой матрицей и мягким наполнителем;

- на материалы с мягкой матрицей и твердым наполнителем.

Материалы первой группы применяют в качестве жаростойких композитов, которые обладают высокой вязкостью, а материалы второй группы – в качестве теплостойких материалов [4].

По функциональным признакам все производимые слоистые композиты можно разделить на следующие виды: коррозионно-стойкие, антифрикционные, электротехнические, инструментальные, износостойкие, термобиметаллы, биметаллы для глубокой вытяжки и бытовых изделий.

По структуре среди слоистых композитов различают:

- однонаправленные композиты, где волокна направлены под одинаковыми углами θ во всех слоях (рис.3 а);

- перекрестно-армированные композиты, у которых углы укладки волокон чередуются в чередующихся слоях (рис.3 б);

- ортогонально-армированные композиты, в этом случае в чередующихся слоях чередуется продольное и поперечное направление укладки волокон (например, [0ᵒ/90ᵒ/0ᵒ/90]) (рис.3 в) [11].

СКМ также можно разделить на:

- симметричные композиты, у которых укладка слоев симметрична относительно некоторой плоскости (рис.4 а);

- несимметричные, где симметрия отсутствует (рис.4 б) [11].

 

а б в

Рис.3. Слоистые композиты: а - однонаправленные; б - перекрестно-армированные; в – ортогонально-армированные

а б

Рис.4. Слоистые композиты: а - симметричные; б – несимметричные

2 ВИДЫ И ПРИМЕНЕНИЕ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В виду большого многообразия слоистых композитов составить четкую классификацию  довольно трудно. 

Поэтому для того чтобы представить свойства и возможности этой группы композитов ниже представлены некоторые разновидности СКМ.

Гетинакс - представляет собой слоистый прессованный материал, изготовленный из нескольких слоев бумаги, пропитанной фенолоформальдегидной или эпоксидной смолой. Относится к горючим материалам. Имеет температуру воспламенения — 285 °С, самовоспламенения — 480 °С, самонагревания — 120 °С. Гетинакс применяется в качестве конструкционного и электроизоляционного материала. Используется в основном как основа заготовок печатных плат. Широко применяется для изготовления несложных плат, используемых в низковольтной бытовой аппаратуре, так как в разогретом состоянии может принимать любую форму, благодаря чему посредством штамповки можно получать платы всех возможных форм со всеми необходимыми отверстиями.

Гипсокартон - популярный легкий строительный материал, применяемый для облицовки стен и потолков.  Гипсокартон состоит из слоя гипса и двух слоев специального картона. Поставляется в виде гипсокартонных листов  толщиной до 24 мм.

Декоративные бумажно-слоистые пластики (ДБСП)-получают горячим прессованием специальных бумаг, пропитанных синтетическими термореактивными связующими. Для пропитки декоративных слоев и защитного слоя (оверлея) применяют аминоформальдегидные смолы, а для внутренних слоев – фенолоформальдегидные смолы.  Материал обладает хорошей твердостью, стойкостью к износу, царапанию, ударам, кипячению в воде, бытовым загрязнителям, теплу. ДБСП используют для облицовывания  мебельных деталей, стеновых панелей, в качестве напольных покрытий и т.п. Пропитка декоративных (лицевых) и внутренних слоев пластика смолами осуществляется при помощи специальных автоматических пропиточных линий.  

Древесно-слоистый пластик (ДСП).Древесно-слоистый пластик производится прессованием пакета из  листов натурального деревянного шпона, предварительно пропитанного термореактивными синтетическими смолами. Оно осуществляется в горячих плоских прессах под высоким давлением. ДСП представляет собой высокопрочный универсальный конструкционный материал используемый в различных областях техники, включая тяжелое машиностроение.

Древесностружечные плиты из ориентированной стружки (OSB) известные нам по английской аббревиатуре OSB (oriented strand board) изготавливаются методом плоского прессования из специальной крупноразмерной  древесной стружки. В настоящее время они считаются основной альтернативой клееной фанере, т.к. не требуют для производства дефицитного фанерного сырья. Из аналогичных стружек изготавливаются высокопрочные клееные балки г.г.

Искусственные кожи - широкий круг композиционных полимерных материалов, применяемых для изготовления обуви, одежды, головных уборов, галантерейных изделий и изделий технического назначения. По характеру производства различают мягкие искусственные и синтетические кожи, синтетические материалы для низа обуви, искусственные жесткие кожи. По назначению выделяют галантерейные, обувные, одежные, обивочные, декоративно-хозяйственные, технические, переплетные материалы и клеенку. По виду основного   полимера различают кожи на основе ПВХ, ПА, нитроцеллюлозы (НЦ), термоэластопластов (ТЭП), каучуков или их смесей. По строению и структуре они могут быть пористыми, монолитными и пористо-монолитными, одно- и многослойными, безосновными и на волокнистой основе, армированными и т.п. По условиям эксплуатации искусственные кожи можно разделить на обычные, морозо-, тропико-, огне-, кислото-, щелоче-, водо-, жиро-, масло-, озоно-, бензо-, термо- и раздиростойкие, виброгасящие, шумозащитные, электропроводящие, антистатические и т.д

Клееная фанера.Фанера производится путем склеивания листов натурального деревянного шпона , преимущественного лущеного, в горячих плоских прессах. Фанера является универсальным конструкционным материалом, используемым в самых различных областях. В  мебельном производстве имеют важное значение плоскокленые  элементы, получаемые в плоских прессах и гнутоклееные - получаемые в фасонных прессформах. Для строительных целей используются  высокопрочные фанерные балки.
При изготовления декоративной фанеры в качестве наружных слоев используют высококачественный строганый шпон или декоративные синтетические материалы (пленки). Последние имеют также отличные защитные свойства. В бакелитовой фанере в качестве полимерной матрицы используют готовые бакелитовые пленки, получаемые на основе бумаг, пропитанных бакелитовыми (фенолоформальдегидными) смолами. Ламинированная фанера, облицованная бумажными пленками на основе термореактивных полимеров,  обладает улучшенными физико-химическими свойствами. Она используется, например, в качестве многоразовой опалубки в производстве бетонных работ, при изготовлении железнодорожных контейнеров и т.п.

 Металлопласт - листовой конструкционный материал, состоящий из листового металла и полимерной плёнки, нанесенной с одной или двух сторон. Толщина металла (сталь, алюминий и его сплавы, титан и др.)обычно 0,3—1,2 мм, полимерной плёнки 0,05—1 мм. Плёнка может быть из фторопластов, пластифицированного и др. полимеров. Металлопласт получают путём нанесения на полосу заранее изготовленной плёнки, погружением полосы в расплав полимера, нанесением полимерной пасты или напылением полимера в порошкообразном состоянии. Покрытие может быть одно- или многоцветным, гладким или рельефным, имитировать ценные породы дерева, мрамор и др. материалы. Металлопласт не расслаивается в процессе деформации металла при штамповке или вырубке. Изделия не нуждаются в антикоррозионной защите и декоративной отделке.Металлопласты применяют в качестве кровельных материалов, для отделки зданий, перил балконов, в качестве водосточных желобов, внутренней обшивки стен, для изготовления дверных и оконных рам, корпусов автомобилей, холодильников, стиральных машин, радиоприёмников, телевизоров, тары для хранения агрессивных материалов, для внутренней отделки салонов пассажирских самолётов, вагонов, автофургонов и т.д.

Текстолиты -изготавливают горячим прессованием нескольких слоев ткани, пропитанной  термореактивными смолами. Текстолит хороший диэлектрик, стоек к действию слабых кислот и щелочей, имеет низкий коэффициент трения (0,02 со смазкой и 0,32 без смазки), небольшую плотность (1,3- 1,4 г/см), легко поддается механической обработке. Текстолит используется в качестве конструкционного материала в приборо- и станкостроении, машиностроении, в том числе химическом и нефтехимическом, в автоматических системах управления, судо- и тракторостроении и других отраслях. Из текстолитов изготавливают: шестерни; сепараторы для подшипников, обеспечивающих высокие скорости; кулачки, обладающие малой инерцией для различных станков, венцы червячных колес, втулки, амортизирующие прокладки, уплотнительные кольца и т.д.

Стеклотекстолиты - представляют собой прессованные слоистые материалы, состоящие из нескольких слоев стеклоткани, пропитанной связующим на основе эпоксидных или эпоксидно-фенольных смол. Они используется в качестве электроизоляционного и теплоизолирующего материала в радиотехнике, приборостроении, применяется в электрических высоковольтных машинах и аппаратах.

Миканиты - представляют собой  слоистые композиционные материалы получаемые  на основе  слюды  с применением различных видов связующих (глифталевых, масляно-глифталевых,  кремнийорганических и др.), используемые в качестве   изоляционных  материалов в электрических машинах и аппаратах.

Многослойные стекла -  состоят из одного или более листов силикатного или органического стекла и одного или более слоев полимера (пленки). Трехслойные стекла обычно называют триплексами. Многослойные стекла применяются для остекления автомобилей, самолётов, вертолётов, судов, подвижного состава железнодорожного транспорта, в строительстве  и т.д.  Входящие в состав многослойных  стекол полимерные пленки поглощают энергию удара и препятствую разлетанию осколков. Многослойные стекла используются  для антивандальных и пуленепробиваемых остеклений. В многослойных стеклах могут быть реализованы различные декоративные приемы и в последнее время они активно  используются в художественныз целях (витражи и т.п.).

Линолеум - полимерный рулонный материал для покрытия полов. Первоначально линолеум получали на тканевой (джутовой) основе из растительных масел, пробковой муки и др. — так называемый глифталевый линолеум. Глифталевый линолеум с 50-х гг. уступил место поливинилхлоридному лионолеуму, который получил наибольшее распространение. В зависимости от основного исходного сырья (связующего) линолеум подразделяется на поливинилхлоридный, глифталевый (алкидный), коллоксилиновый (нитролинолеум) и резиновый (релин). Линолеум может быть безосновный (одно- и многослойный) и на упрочняющей (тканевой, пергаминовой) или теплозвукоизоляционной основе. Линолеум выпускается одно- и многоцветный (мраморовидный, крапчатый, узорчатый).

Рубероид - многослойный рулонный кровельный и гидроизоляционный материал, изготовляемый путём пропитки кровельного картона мягкими нефтяными битумами с последующим покрытием обеих поверхностей слоем тугоплавкого битума. Рубероид применяется  для устройства верхнего слоя кровельного ковра ; лицевая поверхность рубероида покрыта сплошным слоем крупнозернистой или чешуйчатой посыпки (крупный песок, слюда и др.), защищающим рубероид  от воздействия солнечных лучей. Стеклорубероид изготовляется на основе стеклотканей.

Стеклослюдопласты, стеклопленкослюдопласты - изготавливются на основе слюдяных или слюдопластовых бумаг, полимерных пленок, полиэфирно-эпоксидных  или  кремнийорганических связующих. Они используются в качестве изоляционных материалов в электрических машинах и аппаратах.

Фольгированные материалы - представляют собой различные слоистые конструкции, покрытые с одной или с обеих строн слоем металлической фольги. Фольгированные гетинаксы, текстолиты и стеклотекстолиты используются в качестве монтажных плат в производстве электронной аппаратуры. Фольгированные пенопласты широко применяются в качестве теплозащитных материалов, радионепрозрачных экранов, а также в качестве несущих элементов в конструкциях  летательных аппаратов и т.п.

Наиболее широкое применение в промышленности получили металлические слоистые композиционные материалы, которые состоят из двух или более слоев разнородных металлов, соединенных в монолитную композицию и сохраняющих надежную связь между составляющими при дальнейшей технологической обработке и в процессе эксплуатации. Основную часть этих материалов представляют биметаллы, состоящие из двух или более слоев двух металлов.

Слоистые композиты с металлической матрицей можно разделить на следующие основные группы:

— листовой — листы толстые (толщиной более 4 мм) и тонкие (толщиной не более 4 мм), ленты, полосы;

— сортовой — в виде простых и фасонных профилей общего и специального назначения;

— трубы — круглого поперечного сечения и профильные;

—специальные— профили электротехнические, инструментальные, периодические, для теплообменной аппаратуры и др.

3 СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1 Получение пластических СКМ.

Слоистые пластические материалы, как и прессовочные композиции, состоят из связующей термореактивной смолы и наполнителя. Наполнителями являются бумага, хлопчатобумажная, асбестовая и стеклянная ткань, а также фанерный шпон [7].

Пластмассы на бумажной основе получили название бакелитовой фибры, гетинакса, бумолита; на тканевой — текстолита; на асбестовой — асботекстолита или асбобакелита; на фанерном шпоне — фанерита, лигнофоля, дельта-древесины и бакелизированной фанеры.

Пропитка бумаги или ткани происходит путем пропускания их через ванну пропиточной машины, наполненную спиртовым раствором резольной или водно-эмульсионной смолы. Концентрация раствора смолы и скорость прохождения бумаги или ткани через пропиточную ванну должны оставаться неизменными, так как от этого зависит равномерность слоя смолы, наносимой на ткань или бумагу. Пропитанное полотно поступает из ванны в шахту сушилки, в которой происходит испарение растворителя и частичное отверждение резольной смолы. Температура в сушилке поддерживается в зависимости от скорости движения полотна. Пары растворителя отводятся из верхней части шахты сушилки; их можно рекуперировать в конденсаторах или улавливать методом адсорбции. Процесс сушки имеет решающее значение, так как от него зависят качества слоистых материалов [7].

Наряду с пропиткой бумаги растворами смол применяется также односторонняя лакировка бумаги. Последний способ заключается в том, что бумага, при прохождении через систему валиков лакировочной машины, одной своей стороной соприкасается с валиком, наносящим лак; следующий валик регулирует толщину слоя наносимого лака. Схема односторонней лакировки бумаги на лакировочной машине изображена на рис. 5.

Вращающийся валик, погруженный в ванну с бакелитовым лаком, передает захваченный им лак на валик 2, который наносит его на бумагу. Лакированная с одной стороны бумага через направляющие валики 3 поступает в сушилку 4 для просушки, после чего наматывается на навивающий валик 5 [7].

Кроме вышеуказанных способов пропитки, применяют также нанесение на бумагу расплавленной смолы или смолы в виде сухого порошка без растворителя. Эта операция производится на герколиговых станках. При такой сухой пропитке бумага, проходя через направляющие валики, попадает на горячую плиту, нагретую до 175 С°. На полотно бумаги, проходящее над плитой, непрерывно равномерным слоем из сита насыпается мелкоизмельченная смола. Расплавленная на бумаге смола разравнивается при прохождении бумаги через систему валиков, нагретых до 165 С°. Пройдя валики, лакированная бумага наматывается в рулоны до 30 м в каждом [7].

Герколитовые станки в последнее время используются также для пропитки ткани при получении текстолита.

Для изготовления гетинакса применяют иногда ролный способ; в этом случае искусственная смола вводится в состав самой бумажной массы в процессе изготовления последней на ролах. Масса тщательно перемешивается и отливается на бумажной машине. Из такой бумаги прессуются изделия.

При изготовлении слоистых материалов для декоративных целей применяется ткань или бумага с рисунком на поверхности.

Бумага, так же как и ткань, должна содержать минимальное количество влаги, во всяком случае не выше 2—4%, поэтому ее необходимо предварительно подсушивать при 40—45°.Для изделий с высокими электроизоляционными свойствами и влагостойкостью применяют особые сорта бумаги, получаемые из сульфатной или из сульфитной целлюлозы.

Слоистые пластические материалы изготовляются в виде пластин и плит определенных размеров по площади и по толщине, а также в виде заготовок (требующих дополнительной механической обработки) или в виде готовых деталей: шестерен, подшипников для прокатных станов, вкладышей, труб различных диаметров и толщин и ряда других изделий.

Бакелизированная фанера изготовляется из древесного шпона, пропитанного бакелитовой смолой. Опрессованные из шпона пластины или доски имеют плотную, монолитную структуру.

Пропитку шпона можно производить водно-эмульсионной и воднорастворимой резольной смолой.

Пропитка ткани или бумаги производится в пропиточной установке, показанной на рис. 6.

Главными частями пропиточной установки являются две ванны 1. и две пары отжимных валиков 2. Над ваннами расположена вертикальная шахтная сушилка 3 с тремя рядами вертикальных радиаторов 4 высотой по 8,5 м. В шахту подводится горячий воздух при помощи вентилятора через калорифер. Движение полотна осуществляется системой, состоящей из мотора, коробки передач, фрикционного привода (на рис. 5 не показаны) и направляющих валиков 5, создающих натяжение. Коробка передач позволяет вести пропитку при различных скоростях (от 1,5 до 4 м/мин.). Ванна установки заполняется спиртовым раствором резольной смолы концентрации около 60% или водно-эмульсионной смолой резольного типа. Полотно пропускается через направляющие валики 5, проходит ванну и поступает на отжимные валики 2.

Затем направляется в шахту, где производится подсушка. На высоте 4,5 м от основания шахты ткань или бумага подвергаются обдувке горячим воздухом для ускорения процесса сушки. В верхней части шахты полотно с помощью валиков меняет направление движения, выходит из шахты и продолжает движение вне шахты вниз. Пройдя пару натяжных валиков 6, сухая ткань или бумага наматывается на валики 7, приводимые в движение системой червячных шестерен [7].

Количество наносимой смолы находится в зависимости от сорта ткани и бумаги и контролируется анализами. Регулировка толщины нанесенного слоя смолы производится отжимными валиками 2.

Количество смолы согласно техническим условиям на ткани колеблется в пределах 43—50%, а на бумаге в пределах 30—40%.

Температура в шахте распределяется по зонам примерно в следующем порядке: низ шахты 80—90°, середина шахты 100—110°, верх шахты 120—130°.

Количество листов пропитанной бумаги или ткани определяется требующейся толщиной готовых пластин или плит. полученных прессованием. Длина и ширина листов зависит от размеров плит пресса.

Листы пропитанной и просушенной бумаги или ткани укладываются на металлические полированные листы в стопы. Стопы сверху покрываются такими же прокладочными листами и затем загружаются на плиту пресса и запрессовываются.

При прессовании слоистых материалов применяемое давление повышается постепенно сначала используется гидравлическая жидкость сети низкого давления, т. е. около 50 ат, а затем давление постепенно повышают до 180—220 ат.

Прессование производится при 150—170 С° и уд. давлении 100—120 кг/см2.

Выдержка прессуемого материала под прессом продолжается 3—5 мин. на 1 мм толщины слоистого материала.

По истечении времени выдержки включается охлаждение, для чего в плиты пресса пускается холодная вода. Охлаждение производится под давлением до температуры 50—60°. После этого пресс разгружается и отпрессованные плиты поступают на опиловку краев.

Слоистые пластические массы отличаются антифрикционными свойствами, поэтому из этих пластмасс изготавливают подшипники и вкладыши, которые затем прессуют в съемных или стационарных пресс-формах обычного типа.

Получение изделий намоткой из пропитанной ткани или бумаги основано на других принципах технологического процесса. Такие слоистые изделия в виде цилиндров и трубок из пропитанной смолой бумаги изготовляются на намоточных станках.

Схема намоточного станка показана на рис. 7.

Лакированная с одной стороны бумага раскатывается с рулона 1. Вращение рулона с бумагой регулируется тормозом 2. Раскатанная с рулона бумага, пройдя через систему направляющих роликов касается своей чистой стороной поверхности горячих валиков 3, нагретых до температуры 135—140 С°, и поступает на вращающуюся оправу 4 определенного диаметра, нагретую до 60—70 С° и приводимую во вращение мотором 5. При соприкосновении с горячими валиками 3 смола на бумаге размягчается и приобретает клейкость. Наматываемые на оправу 4 под нажимом валика 6 слои бумаги склеиваются; одновременно про. исходит удаление летучих веществ. По достижении определенной толщины стенки наматываемого цилиндра 7 бумага срезается и цилиндр вместе с оправой поступает в цепь камерного типа для бакелизации при температуре 120—130 С°. После бакелизации цилиндры сннмаютея е оправы и поступают на механическую обработку и лакировку. Такие цилиндры и трубки должны иметь гладкую, без складок и вздутий поверхность, покрытую бакелитовой смолой [7].

Слоистые изделия из бумаги в виде цилиндров и трубок нашли широкое применение в трансформаторах, масляных выключателях и т. п.

Слоистые пластмассы не обладают высокой стойкостью к действию кислот и щелочей. Слоистые материалы разрушаются щелочами, как и все феноло-формальдегидные пластмассы. К действию кислот слоистые материалы проявляют некоторую стойкость, но все же подвергаются разрушению.

Например, текстолит при действии концентрированной соляной кислоты при комнатной температуре подвергается разрушению, а при 80 С° он разрушается уже при действии 10%-ной серной кислоты.

Под действием воды и ее паров механические свойства текстолита несколько возрастают.

Механические свойства слоистых материалов зависят от количества смолы на ткани или бумаге. Чем больше смолы (более 45—50%) содержат слоистые материалы, тем ниже механические их свойства, а при слишком большом количестве смолы свойства их приближаются к чистой смоле.

Текстолит и гетинакс хорошо противостоят действию органических растворителей, жиров и минеральных масел.

3.2 Получение композиционных материалов с металлической матрицей

Способы получения слоистыхкомпозитов и биметаллов можно разделить на газофазные, жидкофазные,твердофазныеикомбинированные(рис.8).

Рис.8.Общаяклассификацияпроцессовполученияиобработкикомпозитовсметаллическойматрицей[6]

Твердофазные методы

Изготовление металлических слоистых композиционных материалов способом совместной прокатки

Совместнаяпрокаткаявляетсяоднимизраспространенныхспособов изготовления металлических слоистых композиционныхматериалов. Технология представляет собой совместную прокаткузаготовок с целью получения неразъемного соединения листов повсей площади соприкосновения металлов. Такой способ позволяетполучать так называемые естественно-композиционные материалы[5].Материалыдляизготовлениякомпозиционныхматериаловданным способом могут быть как одного класса, например, нержа-веющая сталь и углеродистая сталь, так и разных классов, таких какмедьинержавеющаястальилиалюминийимедь.

Схемапрокаткипредставленанарис.9.Рулоныисходныхметалловукладываютсядругнадругаипропускаютсячерезрабочиевалки.

Рис.9.Схемасовместнойпрокаткиполосметодомхолоднойпрокатки:1 – разматывательполосы основногослоя; 2– разматывательполосыплакирующегослоя;3–направляющийролик;4–рабочиевалкистана;5–моталкасрулономмногослойнойполосы

Дляполученияслоистыхкомпозитовможетприменятьсяспособпакетнойпрокатки(рис.10).Многослойныйпакетсвариваетсяпопериметру,затемразрезается,сновасвариваетсядополучениянеобходимогоколичестваслоев.Послеподвергаетсягорячейпрокатке.

Рис. 10. Схема получения слоистых композитовприпомощипакетнойпрокатки

Качество соединения слоев в формируемом прокаткой композиционномматериалеопределяетсянесколькимифакторами:состояниемповерхностиконтакта,химическимсоставомдеформируемыхметаллов, температуройпрокаткиивеличиной деформациилистов.

Изготовление металлических слоистых композиционных материалов методом прессования и диффузионной сваркой

Прессование является основной операцией процесса изготовления композитов по методу диффузионной сварки, поэтому допускается рассматривать их как один метод изготовления композиционныхматериалов(рис.11).

В процессе прессования происходит пластическая деформацияматериала матрицы, необходимая для заполнения пространствамежду волокнами упрочняющей фазы и для максимального уплотнения самой матрицы. При этом на границе раздела между слоямилибо частицами матрицы протекают диффузионные процессы, которые обеспечивают прочную связь на этих границах и необходимыйуровеньпрочностисамогокомпозиционногоматериала[3].

Рис. 11. Схема процессагорячего прессования

Основными технологическими параметрами прессования являются давление прессования, температура, время.

Различают 4 типатехнологии прессованиякомпозитов [3]:

прессованиевзамкнутойпресс-формеимеждуобогреваемымиплитами;

ступенчатоепрессование;

изостатическоеилиавтоклавноепрессование;

динамическоегорячеепрессование(рис.11).

Одним из важнейших методов получения металлических композиционныхматериаловвтвердомсостоянииявляетсядиффузионная сварка. Суть процесса заключается в выдержке прижатыхдруг к другу листов разнородных металлов, нагретых до определенной температуры при необходимом давлении и времени выдержки,чтообеспечиваетмассопереносметаллов,вследствиечегоформируется слоистый композиционный материал. Процесс диффузионнойсварки проходит в специальных вакуумных камерах, которые такжемогутзаполнятьсяинертнымгазом(рис.12).

Рис.12.Схемапроцессадиффузионнойсваркислоистыхкомпозиционныхматериалов

Недостаткамиэтихдвухметодовявляетсяограниченныйвакуумной камерой размер биметалла или композита, сложность оборудования для их производства и, как следствие, низкая производительность.

Изготовление металлических композиционных материалов методом сварки взрывом

Сваркавзрывомпредставляетсобойтвердофазный,бездиффузионный,управляемыйтехнологическийпроцессполучениясварныхсоединенийоднородныхиразнородныхметаллов.В некоторых случаях сварка взрывом является единственнымвозможнымспособомизготовлениякомпозиционногоматериаланеобходимого состава и геометрических размеров. При этом не требуется узкоспециализированного дорогостоящего оборудования.Внастоящеевремясуществуетбольшоечислосхемпроцессасваркивзрывом,новсеониосновываютсянабазовойсхеме(рис.13).

Рис. 13. Основнаясхема сваркивзрывом

Наопоре 5 располагают основную пластину 4, над которойс зазором устанавливают метаемую пластину 3. На метаемый слойукладывают заряд взрывчатого вещества 2 и закрепляют детонатор 1. При инициировании взрывчатого вещества по зарядураспространяетсядетонационнаяволна.

Поддействиемвысокогодавления6отдельныеучасткиметаемойпластины последовательноприобретаютскоростьпорядканескольких сотен метров в секунду, поворачиваются относительно своегопервоначального положения и соударяются со скоростью V_c с неподвижной пластиной. В результате косого соударения пластин приправильно выбранных параметрах процесса в зоне контакта происходят частичная очистка соединяемых поверхностей, их активацияи образование соединения со скоростью V_кс характерной волнообразнойграницейразделаслоев.

Структураполучаемогокомпозиционногоматериалаимеетярковыраженнуюзонупереходаволнообразноговида(рис.14).

Рис.14.Структуракомпозиционногоматериала,полученногосваркойвзрывом

При помощи сварки взрывом можно изготавливать как двухслойные, так и многослойные композиционные материалы в видеслоистыхпластиницилиндрическихпрутков.

Получение металлических композиционных материалов жидкофазными способами

Методпропитки,предусматривает контакт жидкого металла наполнителяс твердым металлом матрицы и требует смачивания. Смачиваниеметаллической матрицы расплавом наполнителя приводит к тесному контакту фаз, что является необходимым условием для началапроцессов химического взаимодействия по границам раздела металлов и формирования цельного тела СКМ. Присоблюдениивсехнеобходимыхусловийсмачиванияобеспечиваетсямаксимальнаяплощадьсоприкосновения металлического расплава с матрицей при равновесных условиях. При отсутствиисмачиваниязначительновозрастаетвероятностьобразованиянепропаев, пустот, и участков слабого соединениякомпонентовкомпозициипограницемеждуними,чтоприводитк снижению ее прочности.

Основнымидостоинствамижидкофазныхспособовформированиякомпозитовявляются[1]:

возможностьполученияизделийсложнойформы;

повышеннаяпроизводительностьтехнологическогопроцесса;

слабоесиловоевоздействиенахрупкиекомпонентыкомпозита;

возможность использования тканных и жгутовыхматериалов;

возможностьмаксимальнойавтоматизациитехнологическогопроцесса.

Внастоящеевремяиспользуетсянесколькотехнологическихсхем получения металлических композиционных материалов, основанных на пропитке армирующего каркаса металлическим расплавом. Основным критерием, позволяющим разделить известныетехнологическиеметодыпропитки,являетсяспособприложениядавления к жидкому металлу. В соответствии с этим критери-емможновыделитьследующиеметодыпропитки:

не требующие приложения внешних сил (заполнение межволоконныхпромежутковтолькозасчеткапиллярныхэффектов);

основанные на вакуумном всасывании (заполнениепустотзасчетразностимеждуатмосферным давлением и давлением, создаваемым в порах армирующего каркаса при его вакуумировании; величина этой разницынеможет превышатьвеличину атмосферногодавления);

основанные на приложении к жидкому металлу избыточного дав-ления,превышающегоатмосферное(спомощьюсжатыхгазовидр.)[4].

Самопроизвольнаяпропиткаосуществляетсяпонесколькимсхемам:

припомощипогруженияметаллическогокаркасаврасплавленныйметалл;

прирасплавлениипропитывающегоматериала,находящегосянаторцеармирующегокаркаса(пропиткасверху);

приопусканиинижнеготорцаармирующегокаркасаврасплавленныйметалл(пропиткаснизу).

Преимуществами данного способа получения композиционногоматериалаявляютсяпростаятехнологическаяоснасткаивозможность изготовления изделий сложной геометрической формы.

Недостатками же являются наличие пустот и пор, образующихся прикристаллизацииметалланаполнителя.

Самопроизвольную пропитку обычно ведут в атмосфереинертныхгазовиливвакууме.

Однойизразновидностейпропиткиподдавлениемявляетсявакуумная пропитка. Максимальное давление, которое можно прикладыватькжидкомуметаллу,должнобытьнебольше1атмосферы.Преимуществавакуумнойпропиткисвязанысулучшениемсмачиванияжидкимрасплавомармирующегокаркасаисокращениемвременивзаимодействияжидкогометалласкаркасомматрицы(рис.15).

Рис.15.СхемаизготовленияСКМвакуумнойпропиткойснижним(а)иверхним(б)расположениемтигля

Пропиткаматричныхкаркасовподдавлениемпроисходитприизбыточномдавлении,превышающем0,1МПа[1].

Для осуществления процесса пропитки под избыточным давлением часто применяют машины для литья под давлением. Дляприложения давления к расплавленному металлу в таких машинахиспользуется поршень либо сжатый воздух. Процесс пропитки подизбыточным давлением можно рассмотреть на примере полученияуглеалюминиевыхкомпозитов(рис.16).

Рис.16.Схемапроцессаизготовленияуглеалюминиевыхкомпозиционныхматериаловспособомпропиткиподдавлением

Вакуумно-компрессионная пропитка представляет собой сочетание способов вакуумной пропитки и пропитки под избыточнымдавлением(рис.17).

В данном случае расплавленный металл пропитывает волокнистый каркас. Матрицей здесь является расплавленный металл, которыйпропитываеткаркас,сделанныйизволокон.Врезультатеполучается композиционный материал, геометрические размеры которогоповторяютформуоправки,накоторуюнаматываютсяволокна.

Рис.17.Схемапроцессаполучениякомпозиционногоматериалапри помощивакуумно-компрессионнойпропитки[3]

Еще одним способом жидкофазного получения композиционныхматериаловявляетсяультразвуковаяпропитка.

Способ основан на воздействии ультразвуковых волн на расплавленный металл, при помощи которых он поднимается в капиллярныхзазорахматричногокаркаса (звукокапиллярныйэффект).

Схемаультразвуковойпропиткиприведенанарис.18.

Рис. 18. Схема ультразвуковой пропитки при получениикомпозиционныхматериалов

Армирующий каркас опускают в расплавленный металл, на который воздействуют ультразвуковыми волнами с частотой 23,5 кГЦи интенсивностью 3,5·10^-4 Вт/м² [1]. Данный способ отличается простотой и высокой технологичностью процесса и позволяет изготавливать композиционные материалы любой геометри-ческой формы. Размеры же композитов ограничиваются размерамипечи,вкоторойпроисходитплавлениеметалла.

Газофазныеметодыизготовлениякомпозиционныхматериалов

Изготовление металлических композиционных материалов газофазнымиметодамиприменяетсявслучае,когданедопустимовзаимодействие материала матрицы с упрочнителем. Газофазныеметодыизготовлениякомпозиционныхматериаловоснованынагазотермическом напылении или осаждении материала из газовойфазы. В основном газотермические методы применяют для получениятонкихслоевсособымисвойствами.

Газотермическоенапылениеявляетсявесьмараспространеннымметодомполучениякомпозиционныхматериалов.Самымраспространеннымспособомгазотермическогонапыленияявляется плазменное напыление. Для плазменного напыления используют плазмотроны, а в качестве плазмообразующего газа применяют азот, аргон, гелий, аммиак и смеси газов. Формирование слояплазменногопокрытияпроисходитприсоударениичастицплазмыс контактной поверхностью. Из-за высоких температур процессачастицы плазмы соединяются между собой и поверхностью заготовки и образуется прочное соединение. Толщина напыляемого покрытия, его прочность и плотность зависят от параметров процессаи характера напыляемого вещества и поверхности, на которую происходитнапыление.Длянапыленияиспользуютматериалыввиде порошков или проволок сплошного сечения. Схема процесса плазменногонапыленияпредставленанарис.19.

Распыляемый материал подается в плазменную дугу и под действием высоких температур происходит его плавление и переноспри помощи потока плазмы с высокой температурой на напыляемуюповерхность.

Весь технологический процесс плазменного напыления можнопредставитьследующимобразом(рис.20).

Рис.19.Схемапроцессаплазменногонапыления

Существует более простой способ нанесения покрытий газотермическим способом – газопламенное напыление. Сущность способа заключается в формировании покрытия за счет переноса частицнапыляемогоматериалагазовойструейнаподложку.Горючимигазамиявляютсяацетилен,пропан-бутан,природныйгаз.Окислителемявляетсякислород.

 

Рис.20.Схематехнологическогопроцессаплазменногонапыленияприполучении металлических композиционных материалов

Наиболеечастоиспользуютацетиленикислород,анапыляемый материал подают в виде проволоки, прутков или порошков(рис.21).

При перемешивании струй пламени и газопорошковой взвесипроисходит теплообмен. Частицы плавятся и переносятся на подложку,создаваяметаллическоенапыление.Такиеустановкипредназначеныдлялегкоплавкихматериалов.Температураихплавлениядолжнабытьниже800ºС.Атакжедлянанесениятугоплавкихматериаловисамофлюсующихсяматериалов.

Рис. 21. Схема газопламенного напыления с материалом порошковоготипа:1–газовоесопло;2–кольцевоепламя;3–покрытие;4–подложка;5–горючийгаз;6–кислород;7–порошок

Ещеоднойразновидностьюгазофазныхметодовнанесенияпокрытийявляетсяосаждениематериалаизгазовойфазы.Сущностьпроцессазаключаетсявформированиинаповерхностидеталипокрытиязасчетосаждениянанеелегколетучихметалловизгазовойфазы.Процессформированияпокрытияпроисходитвгазовойкамере.Поверхностьдеталипредварительноразогревают.Давлениевкамереможетбытькакнормальноеатмосферное,такипониженное.Основноеназначениеданногометода– нанесениезащитныхпокрытийнаповерхностьизделийсложнойформыизтугоплавкихматериаловикомпозиционныхматериаловизнесплавляемыхкомпонентов[3].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СКМ это важный класс композитов, обладающих широким спектром и уникальным сочетанием свойств, таких как высокая прочность, коррозионная стойкость, электро- и теплопроводность, жаропрочность, износостойкость и др.

Сегодня эти материалы находят все большее применение в судостроении, автотракторостроении, приборостроении, металлургическом, горнодобывающем, нефтяном, сельскохозяйственном и др. отраслях машиностроения.

Значение слоистых композитов в народном хозяйстве будет постоянно возрастать, а их ассортимент увеличиваться за счет использования традиционных и новых высокотехнологичных материалов и их сочетаний.
В развитии мебельного производства и деревообрабатывающей прпомышленности они будут играть  важные роли.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Тучинский, Л.И. Композиционные материалы, получаемые ме-тодомпропитки/Л.И.Тучинский.–М.:Металлургия,1986.–208с.

Арзамасов,Б.Н.Материаловедение:учебникдлятехниче-скихвузов/Б.Н.Арзамасов[идр.].–М.:Изд-воМГТУимениН.Э.Баумана,2001.–648с.

Буланов, И.М. Технология ракетных и аэрокосмических кон-струкцийизкомпозиционныхматериалов/ И.М.Буланов,В.В.Воробей.–М.:МГТУимН.Э.Баумана,1998.

Батаев, А.А. Композиционные материалы: строение, получение,применение : учеб. пособие / А.А. Батаев, В.А. Батаев. – М. :Университетскаякнига;Логос,2002.–400с.

Семенов, А.П. Схватывание металлов / А.П. Семенов. – М. :Машгиз,1958.

Рыбин, В.В. Большие пластические деформации и разрушениеметаллов/В.В.Рыбин.–М.:Металлургия,1986.–224с.

Г. С. Петров* Б. Н. Рутовский* И. П. Лосев Технология синтетических смол и пластических масс / Под общей редакцией проф. Б. Н. Рутовского

Слоистые композиционные материалы и их классификация [Электронный ресурс] / Информационный ресурс studme.org – Режим доступа: https://studme.org/379029/tehnika/sloistye_kompozitsionnye_materialy_klassifikatsiya, свободный - Загл. с экрана.

Виды слоистых композиционных материалов [Электронный ресурс] / Информационный ресурс bstudy.net – Режим доступа: https://bstudy.net/750845/tehnika/vidy_sloistyh_kompozitsionnyh_materialov, свободный - Загл. с экрана.

Слоистые композиционные материалы [Электронный ресурс] / Информационный ресурс www.c-a-m.narod.ru – Режим доступа: http://www.c-a-m.narod.ru/wpc/compos_sloist.html, свободный - Загл. с экрана.

Классификация композитов [Электронный ресурс] / Информационный ресурс thepresentation.ru – Режим доступа: https://thepresentation.ru/himiya/vvedenie-v-predmet-klassifikatsiya-kompozitov, свободный - Загл. с экрана.

Код для цитирования: Скопировать