Композитный материал
-
Определение и свойства композитных материалов
- Композитные материалы состоят из двух или более составляющих с разными свойствами.
- Композиты отличаются от смесей и твердых растворов тем, что отдельные элементы остаются отчетливыми.
- Композитные ламинаты имеют более одного слоя.
-
История композитных материалов
- Первые композиты изготавливались из соломы и глины.
- Бетон, один из старейших композитных материалов, используется более 6000 лет.
- Древесные растения, такие как фанера, использовались с древних времен.
-
Современные композитные материалы
- Бетон является наиболее распространенным композитным материалом.
- Полимеры, армированные волокнами, включают стеклопластик и углеродное волокно.
- Полимерные композиты с эффектом памяти формы используются в легких и жестких конструкциях.
-
Типы композитных материалов
- Бетон: недорогой, не сжимается, но не выдерживает растягивающей нагрузки.
- Полимеры, армированные волокнами: термопластичные и термореактивные.
- Композиты с металлической матрицей: армированы металлическими волокнами.
- Композиты с керамической матрицей: высокая вязкость к разрушению.
- Тканые композиты: гибкие, состоят из продольных и поперечных нитей.
- Композиты на основе органической матрицы: асфальтобетон, полимербетон.
-
Применение композитных материалов
- Строительство зданий, мостов, корпусов лодок.
- Автомобилестроение, космические аппараты, самолеты.
- Использование в военных целях, например, Chobham armour.
-
Современные исследования и разработки
- Чередование жестких и хрупких ламинатов для повышения ударопрочности.
- Композиты с многослойной структурой: высокая жесткость при изгибе при низкой плотности.
- Древесина: природный композит, используется в различных продуктах.
- Дисперсные композиты: частицы в матрице, например, автомобильная шина.
-
Новые полимерные композиты с DLC
- Покрытие повышает гидрофобность, твердость и износостойкость
- Используются аморфные и нанокристаллические порошки
-
Ферромагнитные композиты
- Состоят из нанокристаллического наполнителя и полимерной матрицы
- Регулируемые магнитные свойства
-
Применение композитных материалов
- Аэрокосмические компоненты, корпуса лодок, велосипедные рамы
- Удочки для рыбалки, резервуары, панели для бассейнов
- Конструкции самолетов Boeing 787 и Airbus A350
- Ортопедическая хирургия, хоккейные клюшки
- Ракеты-носители, теплозащитные экраны
- Дисковые тормозные системы, автомобили класса люкс
- Плавательные бассейны, военные автомобили
- Трубы и фитинги, растяжимые конструкции для фасадов
- Крылья ветряных турбин, искусственные стопы для людей с ампутированными ногами
- Газовые баллоны высокого давления
-
Обзор композитных материалов
- Состоят из матрицы и армирующего вещества
- Матрица улучшает свойства, армирующие материалы придают прочность
- Различные методы формования в зависимости от матрицы и армирования
-
Полимерные матричные материалы
- Полиэфирные, винилэфирные, эпоксидные, фенольные, полиимидные
- Армирующие материалы: волокна, измельченные минералы
- Методы снижения содержания смолы или увеличения содержания волокон
-
Сердечники из композитов
- Совместное отверждение с пенопластом или сотовым материалом
- Многослойная структура для капотов, дверей, обтекателей
- Пенопласты с открытой и закрытой ячеистой структурой
-
Полукристаллические полимеры
- Кристаллическая часть обеспечивает упрочнение аморфной фазы
- Кристалличность варьируется от 0% до 100%
- Методы обработки для изменения механических свойств
-
Способы изготовления композитов
- Увлажнение, смешивание, насыщение арматуры матрицей
- Связывание матрицы в жесткую структуру
- Методы: укладка волокон, напыление стекловолокна, намотка нити, обработка лансидом, индивидуальная укладка волокон, тафтинг, z-обработка
-
Обзор пресс-формы
- Армирующий и матричный материалы объединяются и отверждаются в форме
- Форма детали задается после процесса плавления
- Термореактивные полимерные материалы отверждаются при выделении тепла или химической реактивности
- Термопластичные полимерные материалы отверждаются из расплавленного состояния
- Металлические материалы плавятся при высоком давлении и температуре
-
Методы формования
- Нижняя и верхняя формы относятся к граням панели, а не к пространственной конфигурации.
- Изготовление начинается с нанесения материалов на нижнюю форму.
- В непрерывном производстве используется другая номенклатура.
-
Способы изготовления
- Включают литье, центробежное литье, оплетку, непрерывное литье, намотку нити накала, пресс-формование, трансферное формование, пултрузионное формование, шликерное формование.
- Используются печи для отверждения и покрасочные камеры.
-
Отделка композитных деталей
- Включает покрытия, защищающие от дождевой эрозии, или полиуретановые покрытия.
-
Набор инструментов
- Пресс-форма и формовочные вставки называются «оснасткой».
- Материалы для изготовления оснастки включают алюминий, углеродное волокно, инвар, никель, армированную силиконовую резину и сталь.
-
Физические свойства композитов
- Композиты анизотропны, их жесткость зависит от направления приложенной силы.
- Прочность композита зависит от условий нагружения.
-
Правило изоструктурирования смесей
- При параллельной ориентации волокон и матрицы деформация обеих фаз одинакова.
- Модуль Юнга композита определяется правилом смешивания.
-
Правило изостатичности смесей
- При перпендикулярной ориентации волокон и матрицы деформации фаз различаются.
- Модуль Юнга композита зависит от объемных долей фаз.
-
Обобщенное уравнение нагружения
- Условие изонапряжения подразумевает одинаковую нагрузку, но разное напряжение.
- Условие изостресса подразумевает одинаковую деформацию, но разное напряжение.
-
Режимы разрушения композитов
- При малых углах разориентации разрушение происходит при растяжении.
- При промежуточных углах разрушение происходит при сдвиге.
- При больших углах разрушение происходит при поперечной нагрузке.
-
Коммерческие композиты
- Большинство композитов изготавливаются со случайным распределением волокон.
- В аэрокосмической промышленности выравнивание волокон строго контролируется.
-
Жесткость панелей
- Зависит от конструкции, волокнистого армирования, матрицы, способа изготовления и типа переплетения.
- Изотропные материалы, такие как алюминий или сталь, обладают одинаковой жесткостью.
-
Технологии использования анизотропных свойств
- Включают врезные и шиповые соединения в натуральных композитах и пи-образные соединения в синтетических композитах.
-
Армирование частицами
- Укрепляет композиты в меньшей степени, чем армирование волокнами
- Используется для повышения жесткости и прочности
- Применяется в областях, где требуется износостойкость
- Пример: твердость цемента можно повысить за счет усиления частицами гравия
-
Модуль упругости композитов, армированных частицами
- Выражается через объемную долю и константу Kc
- Предел прочности при растяжении выражается через константу Ks
-
Непрерывное армирование волокнами
- Волокна вводятся в матрицу для повышения прочности
- Неметаллические волокна имеют высокое соотношение прочности и плотности
- Углеродные волокна находят множество применений
-
Поведение волокнистых композитов при напряжении-деформации
- Первая стадия: упругая деформация волокна и матрицы
- Вторая стадия: упругая деформация волокна, пластическая деформация матрицы
- Третья стадия: пластическая деформация волокна и матрицы
-
Влияние ориентации волокон
- Выровненные волокна: разрушение при растяжении под малыми углами
- Умеренные углы: разрушение при сдвиге
- Экстремальные углы: разрушение при растяжении в матрице
-
Критические углы и критерий Цаи-Хилла
- Критические углы для изменения механизма разрушения
- Критерий Цаи-Хилла связывает предел текучести с углом ориентации
-
Произвольно ориентированные волокна
- Анизотропию прочности можно устранить случайным расположением волокон
- Коэффициент усиления для случайного распределения в плоскости: K ≈ 0.38
- Коэффициент усиления для случайного распределения в 3D: K ≈ 0.20
-
Анизотропные и ортотропные композиты
- Большинство композитных материалов являются анизотропными или ортотропными.
- Трехмерный тензор напряжений необходим для анализа напряжений и деформаций.
-
Жесткость и податливость
- Жесткость и податливость описываются матрицами C и S.
- Матрицы C и S упрощаются при предположении о плоском напряжении.
-
Преобразование тензоров
- Преобразование тензоров между системами координат помогает определить свойства материала.
- Матрица преобразования T(θ) используется для преобразования тензоров.
-
Типы волокон и их механические свойства
- Наиболее распространенные типы волокон: стекловолокно, углеродные волокна, кевлар.
- Механические свойства волокон важны для анизотропии композитов.
-
Механические свойства композитов
- Углеродное волокно и стекловолокно имеют различные механические свойства.
- Композиты обладают удельной прочностью и жесткостью выше, чем сталь и алюминий.
-
Повреждения и тестирование
- Композитные материалы могут разрушаться в макроскопическом и микроскопическом масштабе.
- Тестирование композитов включает метод конечных элементов и неразрушающие методы.
-
Дополнительные ресурсы
- Справочник по полимерным композитам для инженеров Леонарда Холлауэя.
- Полимеры и композиты на основе растительных масел на биологической основе.
- Центр проектирования и производства композитных материалов.
-
Алюминиевая композитная панель
- Американская ассоциация производителей композитных материалов
- Проникновение химических паров
- Композитный ламинат
- Прерывистый выровненный композит
- Эпоксидный гранит
- Гибридный материал
- Процесс укладки
- Нанокомпозит
- Пайкрет
- Правило смешивания
- Чешуйчатые композиты
- Умный материал
- Интеллектуальные материалы и конструкции
- Пустота (композиты)
- Рекомендации
- Дальнейшее чтение
-
Справочник по полимерным композитам для инженеров Леонарда Холлауэя
- Издан в 1994 году издательством Woodhead Publishing
-
Полимеры и композиты на основе растительных масел на биологической основе
- Авторы: Мэдбули, Сами, Чаокун Чжан и Майкл Р. Кесслер
- Уильям Эндрю, 2015 год
-
Внешние ссылки
- Центр проектирования и производства композитных материалов
- Дистанционный курс обучения по полимерам и композитам
- База данных композитных материалов OptiDAT заархивирована 2013-11-04 в the Wayback Machine