Костиков В.И.

Физико-химические основы технологии композиционных материалов

Физико-химические основы технологии композиционных материалов

 

 

Учебноепособие

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

 

 

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

МИСИС

 

Кафедра порошковой металлургии и функциональных покрытий

 

В.И. Костиков

 

 

 

Учебное пособие

 

Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия

 

Москва Издательский Дом МИСиС 2009

УДК

 

 

Рецензент

А.Н. Варенков

 

Физико-химические основы технологии композиционных материалов: Курс лекций (Учебное пособие) – М.: Изд. Дом МИСиС, 2009. – ........ с.

 

 

Рассмотрена классификация и теоретические основы конструирования композиционных материалов. Описаны особенности методов контроля свойств композиционных материалов и их аппаратурное оформление. Подробно рассмотрены процессы физико-химического взаимодействия между компонентами композиционных материалов. Обсуждено влияние результатов этого взаимодействия на физические, механические и химические свойства композитов.

Описаны физико-химические основы технологии получения основных армирующих элементов (металлические, стеклянные, углеродные, керамические, борные волокна и непрерывные кристаллы) и матриц (металлы, полимеры, углерод) композиционных материалов.

Подробно рассмотрена технология получения композиционных материалов на основе металлических, полимерных и углеродных матриц. Описаны особенности технологии эвтектических композиционных материалов. В связи с особым значением для современной техники углепластиков и углерод-углеродных композиционных материалов подробно описаны физико-химические основы их технологии, свойства и основные области применения композиционных материалов в основных отраслях современной техники.

Предназначен для студентов, обучающихся по специальностям 150108 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия», 150701 «Физико-химия процессов и материалов», а также магистров и аспирантов, обучающихся по направлению «Металлургия».

 

 

Национальный исследовательский

технологический университет

«Московский институт стали и сплавов»

(МИСиС).2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Предисловие.............................................................................................................................  
Введение....................................................................................................................................  
1. Классификация композиционных материалов..............................................................  
  1.1. Цели и задачи создания композиционных материалов (КМ)..........................  
  1.2. Классификация композиционных материалов по виду  
    материала матрицы, ориентации и типу арматуры, назначению....................  
  1.3. Требования, предъявляемые к армирующим волокнам и  
    материалу матриц.................................................................................................  
2. Теоретические основы конструирования композиционных материалов...................  
  2.1. Модули нормальной упругости в направлении оси волокон  
    и в перпендикулярном направлении..................................................................  
  2.2. Коэффициент Пуассона и модуль сдвига для однонаправленно  
    армированных композиционных материалов....................................................  
  2.3. Прочность КМ, армированных непрерывными и дискретными  
    волокнами..............................................................................................................  
    2.3.1. Композиционные материалы, армированные непрерывным  
      волокном.................................................................................................  
    2.3.2. Композиционные материалы, армированные дискретными  
      волокнами...............................................................................................  
  2.4. Статистическая прочность композиционных материалов...............................  
  2.5. Формирование и развитие трещин в КМ...........................................................  
  2.6. Прочность КМ на сжатие....................................................................................  
3. Методы контроля свойств композиционных материалов............................................  
  3.1. Методы определения механических свойств армированных КМ...................  
    3.1.1. Растяжение.............................................................................................  
    3.1.2. Сжатие....................................................................................................  
    3.1.3. Сдвиг.......................................................................................................  
    3.1.4. Изгиб.......................................................................................................  
  3.2. Испытания кольцевых образцов.........................................................................  
    3.2.1. Растяжение.............................................................................................  
    3.2.2. Сжатие....................................................................................................  
  3.3. Анализ структуры КМ и механизмов ее разрушения.......................................  
    3.3.1. Микроскопический анализ...................................................................  
    3.3.2. Фрактографический анализ..................................................................  
4. Межфазное взаимодействие в композиционных материалах......................................  
  4.1. Термодинамическая и кинетическая совместимость компонентов................  
  4.2. Виды межфазного взаимодействия....................................................................  
  4.3. Влияние поверхности раздела на прочность и характер разрушения.............  
  4.4. Типы связи между компонентами......................................................................  
  4.5. Процессы диффузии между компонентами КМ...............................................  
    4.5.1. Уравнения Дика.....................................................................................  
    4.5.2. Диффузия через плоскую поверхность...............................................  
    4.5.3. Диффузия в среде со сферической симметрией.................................  
    4.5.4. Диффузия в среде с цилиндрической симметрией............................  
  4.6. Смачивание и растекание....................................................................................  
    4.6.1. Поверхностное натяжение....................................................................  
    4.6.2. Поверхностная энергия твердых тел...................................................  
    4.6.3. Свободная поверхностная энергия на границе  
      твердое тело-жидкость..........................................................................  
    4.6.4. Смачивание в системах «твердые металлы-  
      жидкие металлы»...................................................................................  
    4.6.5. Смачивание в системах «твердые соединения-  
      жидкие металлы»...................................................................................  
5. Методы получения и свойства армирующих материалов............................................  
  5.1. Металлические волокна.......................................................................................  
    5.1.1. Стальная проволока..............................................................................  
    5.1.2. Вольфрамовая и молибденовая проволока.........................................  
    5.1.3. Проволока из бериллия.........................................................................  
    5.1.4. Титановая проволока............................................................................  
    5.1.5. Биметаллическая проволока.................................................................  
  5.2. Стеклянные волокна (СВ)...................................................................................  
  5.3. Волокна бора, карбида кремния и борсика........................................................  
    5.3.1. Борные волокна.....................................................................................  
    5.3.2. Волокна из карбида кремния, борсика................................................  
  5.4. Углеродные волокна............................................................................................  
    5.4.1. Исходные материалы и химические превращения при  
формировании углеродного волокна...................................................  
    5.4.2. Углеродные волокна на основе полиакрилонитрила.........................  
    5.4.3. Углеродные волокна на основе пека...................................................  
    5.4.4. Углеродные волокна на основе гидратцеллюлозы............................  
    5.4.5. Свойства углеродных волокон  
      5.4.5.1. Механические свойства........................................................  
      5.4.5.2. Физические свойства............................................................  
      5.4.5.3. Химические свойства...........................................................  
  5.5. Нитевидные кристаллы........................................................................................  
  5.6. Керамические волокна.........................................................................................  
    5.6.1. Монокристаллические керамические волокна...................................  
    5.6.2. Поликристаллические керамические волокна....................................  
6. Металлические матрицы композиционных материалов..............................................  
  6.1. Матрицы на основе алюминия............................................................................  
    6.1.1 Технический алюминий.......................................................................  
    6.1.2. Деформируемые алюминиевые сплавы..............................................  
    6.1.3. Литейные алюминиевые сплавы.........................................................  
  6.2. Матрицы на основе магния.................................................................................  
  6.3. Матрицы на основе титана..................................................................................  
  6.4. Матрицы на основе меди.....................................................................................  
  6.5. Матрицы на основе никеля..................................................................................  
7. Технология и свойства металломатричных композиционных материалов................  
  7.1. Требования, предъявляемые к процессам получения КМ...............................  
  7.2. Композиционные материалы на основе алюминия..........................................  
    7.2.1. Алюминий-сталь...................................................................................  
    7.2.2. Al-B и алюминий-борсик......................................................................  
    7.2.3. Al-SiC......................................................................................................  
    7.2.4. Al-C.........................................................................................................  
    7.2.5. Al-SiO2....................................................................................................  
    7.2.6. Al-W........................................................................................................  
    7.2.7. Al-Be.......................................................................................................  
    7.2.8. Алюминий-НК Al2O3, алюминий-НК SiC...........................................  
    7.2.9. Применение...........................................................................................  
  7.3. Композиционные материалы на основе магния................................................  
    7.3.1 Mg-Be......................................................................................................  
    7.3.2. Mg-SiC....................................................................................................  
    7.3.3. Mg-Ti.......................................................................................................  
  7.4. Композиционные материалы на основе титана................................................  
    7.4.1. Ti-Be........................................................................................................  
    7.4.2. Ti-SiC......................................................................................................  
    7.4.3. Титан-борсик.........................................................................................  
    7.4.4. Ti-Al2O3..................................................................................................  
    7.4.5. Применение...........................................................................................  
  7.5. Композиционные материалы на основе меди...................................................  
    7.5.1. Cu-W.......................................................................................................  
    7.5.2. Cu-C........................................................................................................  
    7.5.3. Применение...........................................................................................  
  7.6. Композиционные материалы на основе никеля................................................  
    7.6.1. Ni-W........................................................................................................  
    7.6.2. Ni-Al2O3..................................................................................................  
    7.6.3. Ni-Si3N4..................................................................................................  
    7.6.4. Ni-SiC......................................................................................................  
    7.6.5. Ni-C.........................................................................................................  
    7.6.6. Применение...........................................................................................  
8. Эвтектические композиционные материалы................................................................  
  8.1. Общая характеристика.........................................................................................  
  8.2. Ориентационные и структурные характеристики.............................................  
  8.3. Методы и условия получения эвтектических КМ.............................................  
    8.3.1. Методы направленной кристаллизации..............................................  
    8.3.2. Условия образования направлений эвтектической структуры.........  
    8.3.3. Условия образования волокнистой и пластинчатой структуры.......  
  8.4. Эвтектические композиционные материалы на основе алюминия.................  
  8.5. Эвтектические композиционные материалы на основе титана и ниобия.......  
9. Технология и свойства композиционных материалов на  
полимерной матрице (ПКМ)...........................................................................................  
  9.1. Полимеры..............................................................................................................  
  9.2. Наполнители ПКМ...............................................................................................  
    9.2.1. Порошкообразные наполнители..........................................................  
    9.2.2. Волокнистые наполнители...................................................................  
  9.3. Получение полимерных композиционных материалов и изделий из них......  
  9.4. Углепластики........................................................................................................  
    9.4.1. Выбор полимерной матрицы...............................................................  
    9.4.2. Выбор углеродных волокон и наполнителей.....................................  
    9.4.3. Методы формования углепластиков...................................................  
    9.4.4. Свойства углепластиков.......................................................................  
10. Углерод-углеродные композиционные материалы......................................................  
  10.1. Кристаллические формы углерода.....................................................................  
  10.2. Объемные структуры на основе углеродных волокон.....................................  
  10.3. Матрицы УУКМ...................................................................................................  
    10.3.1. Пиролитический углерод......................................................................  
    10.3.2. Стеклоуглерод.......................................................................................  
    10.3.3. Углерод на основе пеков......................................................................  
  10.4. Технология получения УУКМ............................................................................  
    10.4.1. Газофазный способ................................................................................  
    10.4.2. Жидкофазный способ...........................................................................  
    10.4.3. Комбинированный способ....................................................................  
  10.5. Свойства углерод-углеродных композиционных материалов.........................  
  10.6. Применение..........................................................................................................  
11. Применение композиционных материалов...................................................................  
  11.1. Применение КМ в автомобилестроении............................................................  
  11.2. Применение КМ в гражданской авиации..........................................................  
  11.3. Применение КМ в военных самолетах...............................................................  
  11.4. Применение КМ в космических летательных аппаратах.................................  
  11.5. Композиционные материалы в судостроении...................................................  
  11.6. Применение КМ для изготовления спортивных изделий................................  
  11.7. Другие области применения КМ........................................................................  
Заключение................................................................................................................................  
Библиографический список.....................................................................................................  

 

Предисловие

 

Упрочнение металлов, полимеров и керамики различной природы высокопрочными и высокомодульными волокнами и частицами из веществ с высокой энергией межатомной связи является одним из перспективных направлений современного материаловедения. Применение армированных волокон и частиц композиционных материалов (КМ) способствует решению ряда проблем, связанных с кардинальным повышением эксплуатационных характеристик высокопрочных и жаропрочных конструкционных материалов и созданию материалов с качественно новыми физическими свойствами. Использование КМ в технике связано с разработкой новых принципов конструирования ряда ответственных высоконагруженных изделий и повышением их технологичности.

В настоящее время КМ широко используется при производстве летательных аппаратов, в машиностроении, приборостроении, энергетике, электронной, радиотехнической, электротехнической промышленности, транспорте, медицине, строительстве и других отраслях народного хозяйства.

В последние годы в СССР и в Российской Федерации проводятся исследования по разработке новых КМ с металлическими, полимерными и углеродными матрицами, организовано производство их полуфабрикатов и конечных изделий. Накоплен значительный опыт в различных областях технологии (плазменной, лазерной, парогазовой, жидкофазной, твердофазной и др.), используемой при получении армирующих волокон, барьерных и технологических покрытий на них, полуфабрикатов КМ в виде лент, прутков, труб и листов.

За последние годы опубликовано большое количество отечественных и зарубежных работ, посвященных вопросам химии, физики, механики, технологии и применении КМ. Наиболее полно сведения о них представлены в фундаментальном энциклопедическом восьмитомном издании «Композиционные материалы» под общей редакцией Л. Браутмана и Р. Крока (перевод с английского), изданного в СССР в 1976-1987 гг. и в фундаментальном шеститомнике «Soviet Advanced Composites Technology Series» издательства Chapman and Hall в 1994-1996 гг. в Лондоне на английском языке под редакцией академика И.Н. Фридляндера и J.H. Mapshall. Авторы этого издания крупные отечественные ученые. Редактирование отдельных томов осуществлено А.Г. Братухиным, В.С. Боголюбовым, В.И. Трефиловым, И.Н. Фридляндером, Р.Е. Шалиным, В.И. Костиковым, С.И. Загайновым, Г.Е. Лозино-Лозинским. К сожалению, это издание до сих пор не переведено на русский язык, несмотря на то, что в нем на хорошем научном уровне описаны огромные достижения отечественной науки и техники в области общей технологии композитов, технологии и свойствах керамических и углеродных композитов, металломатричных и полимерных КМ, технологии и свойствах армирующих волокон, а также в области конструирования конечных изделий из КМ.

Наряду с этим имеется очень мало учебной литературы по этому очень важному для современной науки и технике вопросу.

Настоящий курс лекций написан применительно к учебным дисциплинам для студентов, обучающихся по специальностям 150108 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия», 150701 «Физико-химия процессов и материалов».

Поскольку отразить все аспекты КМ в одном курсе лекций невозможно, автор стремился ответить на те проблемы, которые представляют наибольший интерес и требуют серьезной подготовки, однако не выходящей за пределы основных дисциплин учебных планов инженерных ВУЗов.

Курс может быть использован студентами других ВУЗов, представителями, аспирантами, слушателями курсов повышения квалификации и инженерно-техническими работниками, занимающимися разработкой композиционных материалов.