Композиты с металлической матрицей

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Исследование и описание

Производственно-технологического цикла пултрузии

Особенность данной лабораторной работы заключается в том, что студентам предстоит исследовать один из новых методов получения продукции из композиционных материалов. Подробного описания этого метода нет в учебной литературе, поэтому придется делать его самостоятельно.

Цель работы: на базе предприятия по производству изделий из композитов исследовать и описать пултрузию – инновационный технологический процесс в машиностроении получения изделий из композитов.

План выполнения работы:

- предварительно провести теоретический анализ применяемых в машиностроении композиционных материалов;

- ознакомиться с организацией производства в цехе пултрузии;

- рассмотреть оборудование, оснастку, исходные материалы для процесса пултрузии;

- ознакомиться с методикой компьютерного моделирования оптимальной конструкции профилей;

- проанализировать особенности выпускаемой продукции из армированного стеклопластика;

- описать технологический процесс пултрузии;

- обработать экспериментальные данные и заполнить отчет по лабораторной работе по заданной форме.

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Выполнение данной работы проходит в три этапа:

1. Ознакомиться с теоретической частью методического руководства, составить план выполнения лабораторной работы.

2. Ознакомиться  с полным производственно-технологическим циклом производства профилированных изделий из армированного стеклопластика.

3. Описать в отчете и проанализировать пултрузию как инновационный технологический процесс, а также применяемое оборудование, оснастку, исходные материалы, выпускаемую продукцию. Сделать выводы по работе.

Композиционные материалы в машиностроении

Композиционные материалы, или композиты, – это конструкционные материалы нового поколения, нашедшие широчайшее применение в современном машиностроении.

Композитами называют сложную объемную гетерогенную систему, состоящую из нескольких компонентов, сильно различающихся по свойствам, которые обычно не растворяются друг в друге. Отличительной особенностью композитов является то, что технологическим процессом их получения предусмотрено использование в их строении преимуществ каждого компонента. Свойства композита в основном зависят от физико-механических свойств составляющих его компонентов и от прочности связи между ними.

Основой композита является матрица, которая служит для связи композиции, придания ей формы. Матрицей могут быть:

· металл или сплав – композит с металлической матрицей;

· углеродистые и полимерные материалы – композит с неметаллической матрицей.

В матрице равномерно распределены остальные компоненты композита – наполнители или армирующие элементы.

Характерные свойства композитов – рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению, сопротивление воздействию среды, плотность, удельная прочность, а также технологические режимы получения композита, зависят от свойств матрицы. На свойства композита также оказывают влияние армирующие элементы. Они могут изменить прочностные или иные характеристики композита исходя из схемы армирования – формы, размеров и характера распределения наполнителя.

Композиты с металлической матрицей

В качестве матрицы часто применяют цветные металлы – алюминий, магний, никель, или их сплавы. Структура композитов зависит от используемого наполнителя. Различают следующие виды структур (рис.1):

· зернистую (рис.1, а);

· волокнистую (рис.1, б);

· слоистую с непрерывной укладкой волокон наполнителя (рис.1, в);

· тканевую (рис.1, г);

· объемную (рис.1, д).

Рис.1. Схемы структур композиционных материалов с металлической матрицей:

а – зернистая; б – волокнистая; в – слоистая с непрерывной укладкой волокон;

г – тканевая; д – с объемной укладкой волокон

В волокнистых композитах наполнитель является упрочнителем. Если отношение длины волокна к его диаметру L/d = 10…10³, то волокнистые композиты называют дискретными. Дискретные волокна расположены в матрице хаотично, причем, чем больше величина отношения L/d, тем выше степень упрочнения. Если L/d → ∞, то композиты будут с непрерывным волокном.

Для алюминиевых и магниевых волокнистых композитов применяют волокна борные, углеродные, из карбидов кремния, а также из карбидов, нитридов и оксидов тугоплавких металлов и высокопрочной стали. Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния, борида титана. Для жаропрочных никелевых волокнистых композитов используют волокна из вольфрамовой или молибденовой проволоки.

От обычных сплавов волокнистые композиты отличаются высокими прочностными показателями, пониженной склонностью к трещинообразованию и высокой удельной прочностью. Их прочность определяется свойствами волокон. Матрица скрепляет волокна и распределяет напряжения между ними. При этом механические свойства волокнистых композитов вдоль волокон значительно лучше, чем в поперечном направлении.

Волокнистые композиты малопластичны, однако, скорость распространения трещин в них настолько мала, что практически исключается возможность их внезапного разрушения. Еще одна их особенность – малая скорость разупрочнения во времени. Недостатком таких композитов является также относительно низкое сопротивление межслойному сдвигу, однако это сопротивление значительно выше у волокнистых композитов с объемной укладкой волокон.

В отличие от волокнисты, в диспесноупрочненных композитах матрица является основой, воспринимающей нагрузку, тогда как дисперсные частички, являющиеся наполнителем, тормозят движение дислокаций в матрице. Наиболее оптимальным является размер частичек 10…15 нм и расстояние между ними 100…150 нм при равномерном распределении частиц. Подобные композиты можно получить на основе практически всех применяемых в технике металлов и сплавов, например, САП – спеченный алюминиевый порошок. В САП матрицей является алюминий, а наполнителем – мелкие частички оксида алюминия Al₂O₃ (6 – 8 %). С увеличением содержания Al₂O₃ повышается предел прочности САП на растяжение и уменьшается относительное его удлинение.