Введение

Лекции по физике, химии и механике композиционных материалов

Финансовый механизм

Важной составной частью финансовой политики является установление финансового механизма, при помощи которого происходит осуществление всей деятельности государства в области финансов.

Финансовый механизм – совокупность форм организации финансовых отношений, методов (способов) формирования и использования финансовых ресурсов, применяемых обществом в целях создания благоприятных условий для экономического и социального развития общества.

Финансовый механизм подразделяется на директивный и регулирующий.

Директивный финансовый механизм – разрабатывается для финансовых отношений, в которых непосредственно участвует государство. В его сферу включаются налоги, государственный кредит, расходы бюджета, бюджетное финансирование, организация бюджетного устройства и бюджетного процесса, финансовое планирование.

В этом случае государством детально разрабатывается вся система организации финансовых отношений, обязательная для всех его участников.

В ряде случаев директивный финансовый механизм может распространяться и на другие виды финансовых отношений, в которых государство непосредственно не участвует. Такие отношения либо имеют большое значение для реализации всей финансовой политики (рынок корпоративных ценных бумаг), либо одна из сторон этих отношений – агент государства (финансы государственных корпораций).

Регулирующий финансовый механизм – определяет основные правила игры в конкретном сегменте финансов, не затрагивающем прямо интересы государства. Такая разновидность финансового механизма характерна для организации внутрихозяйственных финансовых отношений на частных предприятиях. В этом случае государство устанавливает общий порядок использования финансовых ресурсов, остающихся на предприятии после уплаты налогов и других обязательных платежей, а предприятие самостоятельно разрабатывает формы, виды денежных фондов, порядок их образования и направления использования.

[1] Налоговый кодекс Российской Федерации. Части первая и вторая. - М.: ООО « ВИТРЭМ», 2001.- с. 15

Развитие науки происходит путем чередования стадий постепенного накопления знаний и революционного переворотов. В химии и физике такой переворот произошел во второй половине 19-начале 20 века в связи с развитием атомных представлений. В науке о материалах он произошел в 1960-1970 годах. В западной литературе этот переворот получил название «революция материаловедения».

Процесс создания новых материалов является технологическим фундаментом, на котором основаны инновации во всех отраслях техники. Это, в первую очередь, высокоэффективные композиционные и керамические материалы, высокопрочные полимеры, аморфные металлы и высокотемпературные сплавы.

Конструктор должен представлять свойства новых материалов и их потенциальные возможности. Если использовать замену металлической детали на деталь, например, из полимерного композиционного материала (композита), то эта замена сопровождается изменением ее конструкции с целью максимального использования потенциальных преимуществ нового материала. Одноко изделия из композитов (армированных пластиков, стеклопластиков, волокнистых и дисперсно-упрочненных композиционных материалов на полимерной матрице) конструируются принципиально иначе, чем изделия из традиционных металлов и их сплавов. Инженер должен уметь сравнивать и точно оценивать свойства конкурирующих материалов. Для этого необходимо знание основных свойств материалов, зависимость этих свойств от процесса обработки, способов формования, соединения и отделки материалов.

Условия работы современных машин и приборов выдвигают требования по прочностным характеристикам и стойкости материалов в широких интервалах температур от -269⁰С у сжиженного гелия до 1000⁰С и выше при динамических нагрузках, в вакууме и в горячих потоках активных газов. Решение важнейших задач, связанных с экономным расходованием материалов, уменьшением массы машин и приборов во многом зависит от внедрения новых материалов, которые создаются с целью получения заданных эксплуатационных свойств готовых изделий.

Одним из путей создания новых материалов является способ комбинирования различных веществ, создание композиционных материалов (КМ).

Композицио́нный материа́л ( от лат. compositio- составление) — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве КМ (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В КМ конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.

Для КМ характерны следующие признаки:

а) состав (природа, количество) и форма материала определяются в соответствии с заданными свойствами КМ;

б) материал КМ однороден в макромасштабе – это твердое вещество, но неоднороден в микромасштабе (компоненты КМ различаются по физико-химическим свойствам, между ними существует граница раздела фаз).

В основном компоненты КМ различаются по геометрическим признакам: один из компонентов является матрицей, т.е. непрерывен по всему объему КМ, другой компонент –наполнитель, который является прерывным, т.е. разделенным в объеме КМ.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними.

КМ, представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиции.

По характеру структуры КМ подразделяются на :

-волокнистые, упрочнённые непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами;

- дисперсно-упрочнённые материалы, полученные путём введения в матрицу дисперсных частиц упрочнителей;

- слоистые материалы, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов.

К КМ также относятся сплавы с направленной кристаллизацией эвтектических структур. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

Механическое поведение КМ определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости, модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

Классификация КМ

По характеру распределения армирующего материала КМ можно разделить на два основных класса:

- с упорядоченным армированием;

- с неупорядоченным армированием.

В первом случае разработчик материала заранее задается конфигурацией, т.е. геометрической структурой распределения арматуры в матрице. Во втором случае распределение арматуры носит случайный, хаотический характер.

Композиционные материалы обоих классов можно разделить по типу материалов, используемых в качестве матриц, и армирующих материалов. И те, и другие материалы могут быть органической и неорганической природы. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними.

Матрица в КМ обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне- и химическую стойкость. По природе матричного материала различают полимерные, металлические, углеродные, керамические и другие.

Армирующие материалы могут быть в виде волокон (жгутов, нитей, лент), многослойных тканей и частиц различной формы и размеров.

КМ обычно классифицируются по виду армирующего наполнителя:

- волокнистые;

- дисперсно-упрочненные;

- слоистые.

Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

По природе упрочнителя композиционные материалы классифицируют на:

- стекловолокниты,

- карбоволокниты,

- бороволокниты,

- органоволокниты

Волокнистые композиционные материалы. Прочность волокнистых КМ определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы.

Наиболее широкое применение в технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят:

- полимерные КМ на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальд., полиимидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и другими волокнами;

- металлические КМ на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой;

- КМ на основе углерода (углепластики), армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы);

- КМ на основе керамики, армированной углеродными, карбидкремниевыми и другими жаростойкими волокнами.

При использовании углеродных, стеклянных и борных волокон, содержащихся в материале в количестве 50-70%, созданы композиции с прочностными характеристиками и модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые КМ превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и другим свойствам.

Так, армирование сплавов Аl волокнами бора значительно улучшает их механические характеристики и позволяет повысить температуру эксплуатации сплава с 250-300 до 450-500 °С. Армирование проволокой (из W и Мо) и волокнами тугоплавких соединений используют при создании жаропрочных композиционных материалов на основе Ni, Cr, Co, Ti и их сплавов. Так, жаропрочные сплавы Ni, армированные волокнами, могут работать при 1300-1350 °С.

Один из общих технологических методов изготовления полимерных и металлических волокнистых и слоистых композиционных материалов - выращивание кристаллов наполнителя в матрице непосредственно в процессе изготовления деталей. Такой метод применяют, например, при создании эвтектических жаропрочных сплавов на основе Ni и Со. Легирование расплавов карбидными и интерметаллическими соединениями, образующими при охлаждении в контролируемых условиях волокнистые или пластинчатые кристаллы, приводит к упрочнению сплавов и позволяет повысить температуру их эксплуатации на 60-80⁰С.

Композиционные материалы на основе углерода (углепластики) сочетают низкую плотность с высокой теплопроводностью, химической стойкостью, постоянством размеров при резких перепадах температур, а также с возрастанием прочности и модуля упругости при нагреве до 2000°С в инертной среде.

Высокопрочные композиционные материалы на основе керамики получают при армировании волокнистыми наполнителями, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами. Армирование непрерывными волокнами SiC позволяет получать композиционные материалы, характеризующиеся повышенной вязкостью, прочностью на изгиб и высокой стойкостью к окислению при высоких температурах. Однако армирование керамики волокнами не всегда приводит к значительному повышению ее прочностных свойств из-за отсутствия эластичного состояния материала при высоком значении его модуля упругости.

Содержание волокон в ориентированных материалах составляет 60-80 об % в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) – 20-30 об %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге, сжатии и сопротивление усталостному разрушению. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

Перспективное направление создания высокопрочных композиционных материалов - это армирование материалов нитевидными кристаллами ("усами"), которые вследствие малого диаметра практически лишены дефектов, имеющихся в более крупных кристаллах, и обладают высокой прочностью. Наибольший интерес представляют КМ, армированные нитевидными кристаллами керамических, полимерных и др. материалов. Размеры усов обычно составляют от долей до нескольких мкм по диаметру и примерно 10—15 мм по длине. Наибольший практический интерес представляют кристаллы оксидов алюминия, бериллия, карбидов кремния и бора, нитридов кремния и алюминия диаметром 1-30 мкм и длиной 0,3-15 мм. Используют такие наполнители в виде ориентированной пряжи или изотропных слоистых материалов наподобие бумаги, картона, войлока. Композиционные материалы на основе эпоксидной матрицы и нитевидных кристаллов ThO₂ (30% по массе) имеют модуль упругости 70 ГПа. Введение в композицию нитевидных кристаллов может придавать ей необычные сочетания электрических и магнитных свойств. Выбор и назначение композиционных материалов во многом определяются условиями эксплуатации детали или конструкции, технологическими возможностями.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы. В отличие от волокнистых КМ в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций.

Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100-500нм и равномерном распределении их в матрице.

Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5-10 об %.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), не растворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.

Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – САП (спеченный алюминиевый порошок).

Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкие стали при работе в интервале температур 250-500°С. По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность для сплавов САП-1 и САП-2 при 500°С составляет 45-55 МПа.

Армирование материалов дисперсными металлическими частицами приводит к резкому повышению прочности вследствие создания барьеров на пути движения дислокаций. Такое армирование в основном применяют при создании жаропрочных хромоникелевых сплавов. Материалы получают введением тонкодисперсных частиц в расплавленный металл с последующей переработкой слитков в изделия. Введение, например, ТhO₂ или ZrO₂ в сплав позволяет получать дисперсно-упрочненные жаропрочные сплавы, длительно работающие под нагрузкой при 1100-1200°С (предел работоспособности обычных жаропрочных сплавов в тех же условиях -1000-1050°С). Армирование дисперсными металлическими частицами позволяет создать керамико-металлические материалы (керметы), обладающие повышенной прочностью, теплопроводностью, стойкостью к тепловым ударам.

Слоистые композиционные материалы. В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами.

Широкое применение находят КМ, имеющие сандвичевые конструкции. Эта особая форма конструкции состоит из двух прочных облицовочных пластин – обшивок и толстой легкой сердцевины (соты) – заполнителя, распределяющего нагрузку между ними, а также адгезионных слоев, связывающих нагрузку от заполнителя к облицовкам и обратно.

Впервые сотовые конструкции были использованы в 1820 г. для облегчения массы несущих конструкций, а промышленное применение началось в 30-х годах нашего столетия.