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.