Волокна для армирования композиционных материалов

Большой интерес представляет армирование металлов углеродными волокнами для получения композиционных материалов с низкой плотностью, высоким пределом прочности и высоким модулем упругости. [c.147]

Плотность углеродных волокон колеблется в пределах 1,6— 2,0 г/см . Для армирования композиционных материалов углеродные волокна выпускают в виде нитей, лент (ЛУ-1, ЛУ-2 и др.) и тканей. [c.39]

Для армирования композиционных материалов используют непрерывные дискретные волокна с размерами в поперечном сечении от долей до сотен микрометров. [c.258]

Композиционные материалы также могут быть подразделены на несколько групп в зависимости от вида применяемой арматуры и связующего. В качестве арматуры для изготовления пространственно-армированных материалов широко применяют обычные и высокомодульные стекловолокна. Для этих же целей используют высокомодульные углеродные волокна, причем преимущественно для изготовления материалов 2—4-й групп, применяемых для создания несущих нагрузку тепловых экранов летательных, космических и глубоководных аппаратов [90, ПО, 122]. Для создания указанных групп пространственно-армированных композиционных материалов могут быть использованы и другие виды высокомодульных волокон, что обусловливается назначением и условиями их работы ]15, 97, 116, 124, 125]. [c.12]

Для получения композиционных материалов, армированных дискретными волокнами, применяют способ введения дискретных волокон в тигель с расплавленным металлом, находящийся в печи, создающей его интенсивное вращение (патент США №. 3753694, 1973 г.). При этом волокна вводятся в образующуюся при вращении в расплаве воронку. В процессе вращения волокна распределяются во всей массе металла, затем скорость вращения снижается, но только до уровня, когда дискретные волокна еще удерживаются во взвешенном состоянии внутри массы жидкого металла, а затем быстро охлаждают полученный композиционный материал. Аналогичные материалы могут быть получены с применением ультразвука. В этом случае дискретные волокна подвергают последовательной ультразвуковой обработке вначале во внутренней полости трубчатого излучателя ультразвука, служащего также для ультразвуковой обработки расплава, а затем непосредственно в объеме расплава. Применение ультразвука улучшает смачиваемость волокон расплавом и способствует равномерному распределению дискретных волокон в матрице. Оба приведенных выше способа позволяют получить композиционный материал с равномерно распределенными, но хаотически ориентированными дискретными [c.93]

Процессы не нашли широкого применения для получения композиционных материалов с алюминиевой матрицей, армированной волокнами [c.351]

Оценка композиционных материалов, рассматриваемых в этом томе, проводится, главным образом, с точки зрения использования данных, полученных для определенной области, в которой они разрабатывались. Например, в композиционных материалах, армированных волокнами, основными расчетными критериями являются коэффициенты жесткости и предел прочности. В отличие от этого, для оценки композиционных материалов, армированных проволокой, и эвтектических сплавов основными свойствами будут высокотемпературная прочность и коррозионная стойкость. [c.10]

В-четвертых, сварку плавлением следует рекомендовать для соединения композиционных материалов с термодинамически совместимыми компонентами, такими, как медь — вольфрам, медь — молибден, серебро — вольфрам, или армированных термостойкими наполнителями, например волокнами карбида кремния, или наполнителями с барьерными покрытиями, напри- [c.502]

Принятые допущения существенно упрощают расчет упругих характеристик деформационной модели, внося при этом следующие особенности. Согласно допущению 1 расчетные значения упругих характеристик справедливы лишь для композиционных материалов, армированных изотропными волокнами для обоих компонентов справедлива линейная зависимость а (е). Согласно допущению 2 стеснение деформаций в одном из трех направле- [c.57]

Другую особенность распространения волн в композиционных материалах можно выявить, рассматривая систему, армированную под углами 45° (см. рис. 5). На наружной поверхности отмечены углы нормали плоской волны, первой достигающей данной точки. Можно заметить, что нормали плоской волны явно концентрируются на волновой поверхности в окрестности направлений, соответствующих волокнам, проходящим через начало координат. Таким образом, может иметь место эффект фокусировки волн в направлении волокон. Для других углов ориентации это явление также проявляется, хотя и не столь в отчетливой форме, как при углах 45°. [c.274]

Первой деталью, выбранной для этой программы, была хвостовая секция самолета Г-111, расположенная между двумя двигателями. Деталь имела следующие размеры полную длину 3764 мм (от отсека фюзеляжа, расположенного на отметке 610, отсчитываемой от носовой точки самолета, до отсека, расположенного на отметке 770), глубину 1219 мм, ширину 914 мм. Предназначенная для испытаний задняя (расположенная между отметками 673— 770 от носовой точки) секция этой детали имела длину 2464 мм. Передняя часть детали была спроектирована так, чтобы обеспечить разрушение в испытательной секции. Одной из задач программы являлось исследование возможностей применения трех типов перспективных композиционных материалов эпоксидных боро- и углепластиков и алюминия, армированного борными волокнами. Вследствие сокращения поставок борных волокон вскоре после начала выполнения программы основное внимание было уделено углепластикам. Для упрощения технологии и снижения стоимости оборудования форма поперечного сечения первой фюзеляжной детали была выбрана постоянной в отличие от основной алюминиевой конструкции, имеющей переменное сечение. Расчетные нагрузки определяли из типовых критических расчетных условий для каждого узла. [c.159]

Конструкции типа слоистых панелей и стеклопластики уже применяют в настоящее время для имеющих сложную форму деталей корпусов и интерьеров вагонов, однако имеются более широкие возможности использования композиционных материалов, в том числе армированных высокомодульными волокнами. В настоящей главе предложены новейшие идеи конструирования большинства деталей мало- и многоместных транспортных средств и показана перспективность клеевых соединений. [c.174]

Рассуждения, приведенные выше для композиционных материалов, армированных волокнами, справедливы также в большей [c.265]

Недостаточная жесткость. Несмотря на армирование волокнами листовых материалов, их суммарная жесткость, определяемая модулем упругости, относительно низка по сравнению с другими конструкционными материалами, такими, как сталь и алюминий. Жесткость композиционных материалов близка по величине к жесткости бетона и древесины в направлении вдоль волокон. Для более эффективного использования композиционных материалов необходимо воспользоваться их формуемостью и изготовлять из них конструкции, жесткость и прочность которых обеспечивается их формой. [c.268]

Цель автора — обрисовать в общих чертах при помощи простых средств основные принципы, необходимые для понимания инженерами-проектировщиками сущности композиционных материалов. Можно полагать, что представленные концепции применимы к конструкциям или элементам конструкций из пластиков, армированных непрерывными или короткими стеклянными или угольными волокнами из бетона, армированного волокнами или стержнями из металлов, армированных керамическими волокнами или частицами, металлической проволокой или лентой. Схемы армирования композитов могут быть одно-, двух- или трехмерными некоторые из них уже применяются, другие находятся в стадии разработки. [c.9]

Обычные алюминиевые сплавы используют при температурах до 200° С. Композиционные материалы с алюминиевой матрицей, армированной углеродными и борными волокнами, можно применять для работы при температурах до 450° С. Традиционные никелевые жаропрочные сплавы используют при температурах до 1050° С. В этом случае коэффициент относительной жаропрочности Грай/Гил будет равен Композиционные материалы волок- [c.27]

Прессование с последующим спеканием для получения волокнистых композиционных материалов используется в тех случаях, когда волокна обладают высокой стабильностью в контакте с материалом матрицы при температурах, достаточных для спекания матриц. Во всех других случаях в процессе длительной выдержки спрессованной заготовки при высокой температуре, необходимой для уплотнения матрицы, одновременно происходит взаимодействие волокон с матрицей, приводящее к снижению свойств материала. Кроме того, как было показано Баски на материалах на основе никелевого сплава типа хастеллой, армированных волокнами вольфрама и молибдена, в результате различного температурного коэффициента линейного расширения компонентов происходит отслаивание матрицы от волокна в процессе охлаждения материала от температуры спекания до комнатной. [c.150]

Как уже отмечалось, арамидные волокна — один из перспективных видов волокон для армирования композиционных материалов. В настоящее время интенсивно разрабатываются новые типы арамидных волокон с улучшенными свойствами. Например, фирмой Du Pont разработаны арамидные волокна марки FIBER D с модулем упругости, в 1,3 раза большим, чем у волокон KEVLAR-49 [3]. Для улучшения свойств арамидных волокон часто используют обработку их поверхности. Повышение адгезионного взаимодействия в системе армирующие волокна — полимерная матрица существенно улучшает статические и динамические свойства композиционных материалов.По современным данным, имеется значительный резерв для повышения адгезионного взаимодействия арамидных волокон с полимерной матрицей. Для поверхностной обработки волокон используют различные аппреты [4], плазменную обработку поверхности [5], ионное травление [6] и другие методы. [c.267]

Вискерн.зация волокон Ч Особую группу представляют композиционные материалы, межслойные связи в которых создаются за счет нитевидных кристаллов, выращенных на поверхности волокон или введенных в полимерную матрицу между волокнами. Для. этой группы материалов наиболее типичны две схемы армирования с хаотическим расположением нитевидных кристаллов в одной плоскости (рис. 1.10, а) и во всем объеме (рис. 1.10, б). [c.19]

Упругие характеристики композиционных материалов с учетом усредненных свойств матрицы рассчитывают по формулам, полученным для слоистых композиционных материалов с соответствующей укладкой волокон (однонаправленной или ортотропной) [25, 88]. Упругие постоянные связующего, входящие в эти формулы, заменяют упругими характеристиками модифицированной матрицы, которые вычисляют по зависимостям (7.2), (7.3), (7.6)—(7.9) в случае хаотического распределения нитевидных кристаллов в одной плоскости, перпендикулярной к направлению волокон. В случае же распределения кристаллов во всем объеме характеристики модифицированной матрицы определяют по зависимостям (3.83), (3.84) при коэффициенте армирования р = рдр. Выражения для упругих характеристик композиционного материала, армированного вискеризо-ванными волокнами в направлении оси 1, согласно зависимостям, приведенным на с. 59, имеют вид [c.205]

Методы пропитки под давлением с предварительным вакууми-рованием и без него, описанные в работах [1, 202], применялись для получения композиционных материалов на основе алюминиевых и магниевых сплавов, армированных волокнами углерода, окиси алюминия, нитевидными кристаллами карбида кремния (патент США, № 3691623, 1970 г.) [15, 89]. [c.111]

Сварку взрывом применяют для соединения листов, профилей и труб из металлических композиционных материалов, армированных металлическими волокнами или слоями, имеющими достаточно высокие пластические свойства, чтобы избежать дробления армирующей фазы, а также для соединения композиционных материалов с закоицовками из различных металлов и сплавов. Прочность соединений обычно равна или даже выше (за счет деформационного упрочнения) прочности наименее прочного матричного материала, применяемого в соединяемых деталях. Для повышения прочности соединений применяют промежуточные прокладки из других материалов. [c.505]

Объемное армирование фасонных отливок композиционными материалами практически не используют в отличие от армирования поверхностей в виде различных фасонных оболочек и пластин, приготовленных отдельно из керметов и псевдосплавов. Тем не менее это имеет значительную перспективу. Различные волокна, используемые для получения композиционных материалов, имеют высокие физико-механические свойства [6] благодаря очень маленькому диаметру волокон. Изготовлять фасонную арматуру из таких материалов в литейном цехе невозможно, а арматура с микродиаметрами может быть легко растворена в жидком металле. [c.696]

Феноменологическое исследование механических свойств композиционных материалов может быть проведено двумя путями. Первый основан на рассмотрении армирующего материала как конструкции и учитывает реальную структуру композиции. В этом случае задача состоит в установлении зависимостей между усредненными напряжениями и деформациями. Второй путь основан на рассмотрении армированных материалов как квазноднородных сред и использовании традиционных для механики твердых деформируемых тел средств и методов их описания. Краткая схема аналитического расчета упругих констант композиционного материала методом разложения тензоров жесткости и податливости в ряд по объемным коэффициентам армирования приведена в монографии [60, 83]. Установлено, что при малом содержании арматуры можно ограничиться решением задачи для отдельного волокна, находящегося в бесконечной по объему матрице. Однако такой подход заведомо приводит к грубым погрешностям при расчете упругих характеристик пространственно армированных материалов, объем которых заполнен арматурой на 40—70 %. К тому же следует учесть, что пространственное расположение волокон в этих материалах приводит к росту трудностей при решении задачи теории упругости по определению напряженно-деформированного состояния в многосвязанной области матрица—волокно. Коэффициент армирования при этом входит в расчетные выражения нелинейно, что приводит к очередным трудностям реализации метода разложения упругих констант материала по концентрациям его компонентов. [c.55]

Согласно этому методу,, частично упорядоченную реальную струк-туру армированного материала заменяют некоторой моделью, состоящей из периодически чередующихся в пространстве компонентов материала. Расчет упругих констант такой модели состоит в решении граничной задачи для многосвязной области. К настоящему времени результаты получены в основном для моделей однонаправленных волокнистых структур, в работе [10] решение представляется в виде ряда по эллиптическим функциям комплексного переменного. Численная реализация с применением ЭВМ позволила уточнить расчетные значения упругих констант композиционных материалов при различной геометрии укладки волокон в поперечном сечении однонаправленного материала. Одновременно выявлено влияние укладки на коэффициент концентрации напряжений в сплошных и полых волокнах. [c.55]

Композиционные материалы, образованные системой трех нитей, создают, как правило, большой толщины (до 500 мм). Технология создания таких материалов имеет специфические особенности, обусловленные процессами пропитки и формования. Оба процесса проводятся под вакуумом и давлением в закрытых пресс-формах и зависят от плотности ткани и типа связующего. Поэтому выбор типа связующего для создания рассматриваемого класса материалов требует детального изучения. О важности этого фактора свидетельствуют данные экспериментов, полученные на двух различных в технологическом отношении типах матриц — эпоксидной ЭДТ-10 и феноло-формальдегидной (ФН). В качестве арматуры при изготовлении трехмерноармированных композиционных материалов были использованы кремнеземные и кварцевые волокна. Структурные схемы армирования исследованных материалов были одинаковыми. Они представляли собой взаимно ортогональное расположение волокон в трех направлениях. Содержание и распределение волокон по направлениям армирования этих материалов приведено в табл. 5.13. [c.156]

Влияние типа армирующих волокон и схем армирования на формирование свойств. Для изготовления пространственно-армированных углерод-угле-родных композиционных материалов применяют армирующие волокна различных видов (нити, жгуты, стержни и т. д.) с различными физикомеханическими свойствами. Кроме того, армирующие каркасы, имеющие одну и ту же структурную схему, могут быть созданы различными методами (см. с. 168), что оказывает определенное влияние на свойства материала. О влиянии типа волокон на формирование свойств композиционного материала свидетельствуют данные (рис. 6.8), полученные из опытов на изгиб образцов, вырезанных из материала в направлении г [111]. Армирующий каркас был создан прошивкой в направлении 2 пакета, набранного из слоев низкомодульной графитовой ткани. Для прошивки использовали как обычные непропитан-ные углеродные жгуты и нити с различной площадью поперечного сечения, так и предварительно пропитанные и отвержденные (в виде стержней) нити. При изготовлении материалов изменялись только содержание и тип волокон направления z в двух других направлениях параметры армирования сохранялись постоянными. [c.172]

Более подробные сведения о влиянии структуры армирования на формирование упругих свойств материалов содержатся в табл. 6.6. Было исследовано два вида структур [28] — ортогонально-армированная в трех направлениях и с переменной укладкой по толщине. Композиционные материалы были изготовлены методом пропитки каменноугольным пеком и газофазным насыщением (с пироуглеродной матрицей) их исходные данные собраны в табл. 6.7. Всего исследовано четыре типа материалов. Причем первый из них имел два иарианта (А и Б) одинаковой структуры, различие состояло только в характере распределения волокон по направлениям армирования. Материал типа 2 имел ортогональное расположение волокон по трем направлениям и одинаковое их объемное содержание, но его изготовление проходило без повторной графитизации. Структура армирования материала типа 4 отличалась от первых трех тем, что угол укладки волокон в плоскости ху изменялся по толщине, т. е. каждый последующий слой по отношению к предыдущему поворачивался на угол 60°. Пак т таких слоев пронизывался перпендикулярно плоскости ху волокнами направления 2. В качестве арматуры для всех исследованных материалов использовали углеродные волокна. [c.175]

Упругие и прочностные свойства композиционных материалов, армированных вискеризованными волокнами, определяются не только основной арматурой и матрицей, но и свойствами, объемным содер.жанием и упаковкой нитевидных кристаллов. Влияние последних на изменение свойств материалов, зависящих в основном от жесткости и прочности модифицированной матрицы, является доминирующим. Это следует из анализа экспериментальных данных, приведенных на рис. 7.8. Коэффициент вариации для Rx , йх2, превышал 10 % [c.213]

Следует также обобщить и расширить сведения о свойствах слоистых систем, армированных волокнами из различных материалов,— так называемых гибриЗяма композиционных материалов. По мере того как материаловеды разрабатывают новые материалы с улучшенными свойствами, которые могут или уже применяются в комбинации с существующими (например, высокопрочные стальные и углеродные волокна, комбинации стекловолокон и углеродных волокон и т. д.),- постоянно возникают новые проблемы микро- и макромеханики, которые должны эффективно решаться для того, чтобы эти материалы нашли применение и заняли свое место в ряду композиционных материалов. [c.106]

Рассматриваемый здесь подход к вычислению эффективных модулей композиционных материалов основан на понятии представительного элемента объема, т. е. такого элемента, в котором все усредненные по объему компоненты тензоров напряжений и деформаций равны соответствующим величинам, вычисленным для композита в целом. Из-за математических трудностей решение задачи в микромеханической постановке обычно доводится до конца только для сравнительно простых композитов, например для бесконечной упругой матрицы, армированной одинаковыми параллельными упругими волокнами, образующими двоякопериодическую систему. Исключением из этого общего правила является работа Сендецки [17], в которой решена задача о продольном сдвиге матрицы, армированной произвольно расположенными волокнами произвольного диаметра. Поскольку приведенное выше математическое определение эффективных модулей отличается от физического определения, основанного на экспериментально наблюдаемых усредненных по поверхности значениях компонент тензоров напряжений и деформаций, важно понимать, что между этими двумя определениями существует связь, устанавливаемая в результате микро-.адеханического исследования (см. разд. V). [c.15]

Основные концепции континуальных теорий смесей основательно изучены в рамках современных теорий механики сплошных сред. В теориях смесей предполагается наличие двух или более сред в каждой точке пространства, поэтому общие законы сохранения для смесей сформулировать нетрудно, но практическое их применение к композиционным материалам сталкивается с определенными затруднениями, связанными с трудностями задания законов взаимодействия компонентов на основе информации об их взаимном расположении и физических характеристиках. Для слоистой среды теория смеси, в которой параметры взаимодействия компонентов были определены на основании решений некоторых простейших квазистатических задач, предложена в работе Бедфорда и Стерна [12]. Новизна теории Бедфорда и Стерна состоит в том, что допускаются различные движения компонентов смеси, причем связь между этими движениями определяется моделью взаимодействия компонентов в реальном композите. В работе Бедфорда и Стерна [13] развита общая термомеханическая теория, основанная на этой модели, а также выведена система уравнений, применимых к определенному классу армированных волокнами композитов (см. Мартин и др. [45]). [c.380]

Углеродные волокна, так же как и борные, применяются для конструкционных целей. Для их изготовления возможно использование связующих, применяемых в производстве стеклопластиков. Велики возможности углеродных волокон с точки зрения обеспеченности различными видами исходного сырья. Однако не все виды сырья позволяют пока получать волокнистые наполнители с таким же модулем упругости и прочностью, как волокна, изготовляемые пиролизом вискозной пряжи. В настоящее время по состоянию разработки композиционные материалы, армированные углеродными волокнами, уступают своим стекло- и боронаполненным аналогам, но большинство специалистов предсказывают их крупномасштабное применение в авиационных конструкциях. [c.46]

Королевское управление авиации и Британский железнодорожный технический центр провели эксперименты по изготовлению из композиционных материалов зубчатых колес для насосов систем смазки и охлаждения. В качестве примера на рис. 6 показано зубчатое колесо из армированного углеродными волокнами найлона. Армированные углеродными волокнами пластики перспективны для изготовления таких легких самосмазывающихся зубчатых колес. Процесс инжекционного прессования зубчатых колес из углеродных волокон и найлоповых гранул описан Филипсом и Уоттом (1970), отметившими, что волокна вследствие малой плотности не могут быстро оседать в расплаве полимера и вытягиваются в направлении течения . [c.186]

Рис. 6. Пример применения современных композиционных материалов — зубчатые колеса пз армированного углеродными волокнами найлона испытывались для насосов систем смазки и охлаждения перспективного пассажирского поезда. (Фотография предоставлена Королевским управлением авиации, Фарнборо, Англия).

Армированные углеродными волокнами детали могут обрамлять проемы в конструкциях (например, окна), что позволяет снизить концентрацию напряжений вблизи этих мест. Цены на композиционные материалы, армированные углеродными волокнами, быстро падают, и к тому времени, когда годовое производство их превысит 8000 т, снизятся до 5 долларов за килограа1М, вследствие чего выборочное армирование конструкций корпусов вагонов будет экономически оправдано. Углепластики применялись при создании экспериментального безопасного автомобиля Министерства транспорта (модель Форд ОТ-40), выигравшего 24-часовые гонки в Ле Мансе в 1968—1969 гг. Они также используются в экспериментальных автомобильных рессорах и бамперах, для бит для игры в гольф, удочек и других товаров, обсуждаемых в гл. 13. [c.193]

Особым случаем использования слоистых композиционных материалов, наиболее часто применяющихся в строительной промышленности, являются трехслойные панели. Они обычно состоят из двух относительно тонких облицовок, изготовленных из твердых, плотных и долговечных материалов, соединенных с относительно толстой сердцевиной (заполнителем) из легкого, менее прочного и менее жесткого материала. Облицовки и заполнитель могут, в свою очередь, быть выполненными из композиционных материалов, как например, облицованная стеклопластиками, армированная частицами панель (древесные частицы распределены в связующем из синтетической смолы). Для изготовления облицовок используется множество материалов, в том числе металлы, фанера, картон, асбоцемент, бетон в виде плит небольшой толщины и др. Сердцевина может быть выполнена из пенопласта, пенобетона, пеностекла, сот, деревянных или металлических решеток, фанеры, армированных частицами или волокнами плит и др. Для соединения заполнителя облицовок используются различные клеи. Основу большинства клеев составляют синтетические смолы, например фенолформальдегидная или эпоксидная, и композиции из этих смол и эластомеров или других пластификаторов, таких, как каучзж, полихлорвинил, полибромвинил, найлон. [c.270]

Армированные волокнами композиционные материалы применяются чаще всего или в форме тонких оболопек, или как лопатки двигателей газовых турбин и компрессоров. Большинство таких элементов конструкций в процессе работы могут испытывать сильные удары, перпендикулярные плоскости армирования. Поэтому пригодность композита для практических целей определяется не только обычными конструкционными параметрами, но и его ударными свойствами. [c.322]

В данном обсуждении делается обзор современного состояния знаний о механизмах усталостного разрушения в металлах, армированных волокнами. Цели этого обзора состоят в том, чтобы резюмировать те принципы, коль скоро они известны, которые определяют усталостцую прочность композитов, и поставить дальнейшие задачи по разработке композиционных материалов для работы в условиях усталости. [c.395]

Титан — борное волокно. По сравнению с алюминиевыми и магниевыми материалами изготовление композиционных материалов на основе титана и его сплавов требует применения довольно высоких технологических температур, достигающих 800—1000° С. При этих температурах борное волокно без защитного покрытия активно взаимодействует с титановой матрицей с образованием боридов титана. Само же волокно в результате взаимодействия сильно разупрочняется. В связи с этим борные волокна без покрытий практически не применяют для упрочнения титановых композицрюнных материалов. Для этих целей применяют волокно борсик. Следует отметить, что из-за весьма высокого уровня прочности современных титановых сплавов, достигающего более 140 кгс/мм , и сравнительно малой плотности, равной 4,5 г/см- эффект от упрочнения их борными волокнами не очень велик и более существенным является повышение путем армирования жесткости титановых сплавов. [c.140]

Никель, армированный волокнами бора, карбида бора, вольфрама, стальной проволокой. По описанной выше технологической схеме с использованием электролита Уотса были получены композиционные материалы на основе никеля, армированные волокнами бора, карбида кремния и вольфрама 1224]. Листовые материалы толщиной до 3,2 мм имели близкую к теоретической плотность и регулярное распределение упрочняющих волокон. Однако практически нет ограничений для изютовления и более толстых листов или пластин. [c.179]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...