Области применения КМ

Наиболее широко используются полимерные композиционные материалы-композиты. Большая номенклатура матриц в виде термореактивных и термопластичных полимеров обеспечивает их широкий выбор для работы в диапазоне от отрицательных температур до 100- 200 °С - для органопластиков, до 300-400 °С - для стекло-, угле- и бо- ропластиков. Композиты с полиэфирной и эпоксидной матрицей работают до 120-200°, с феноло-формальдегидной - до 200-300 °С, полиамидной и кремнийорганической - до 250-400°С. Металлические композиционные материалы на основе алюминия, магния и их сплавов, армированные волокнами из бора, углерода, карбида кремния применяют до 400-500°С; композиционные материалы на основе сплавов никеля и кобальта работают при температуре до 1200 °С, на основе тугоплавких металлов и их соединений - до 1700°С, на основе углерода и керамики - до 2000 °С.

Использование композитов в качестве конструкционных, теплозащитных, антифрикционных, радио- и электротехнических и других материалов позволяет снизить массу конструкции, повысить ресурсы и мощности машин и агрегатов, создать принципиально новые узлы, детали и конструкции. Композиционные материалы применяют в химической, текстильной, горнорудной, металлургической промышленности, машиностроении, на транспорте, для изготовления спортивного снаряжения, музыкальных инструментов, в строительстве, в военном деле и т.п.

КМ различных типов и конструкций находят широкое применение в различной сфере человеческой деятельности:

  • - в судостроении: детали судов, яхт, катеров, внутренняя отделка, судовая мебель, буи, бакены, оснастка для рыбного промысла;
  • - в машиностроении: коррозионностойкое оборудование, детали машин станков, механизмов;
  • - оборудование для очистки воды;
  • - в строительстве: железобетонные изделия, фасады зданий, отделка, перегородки, панели для крыш, элементы сборных конструкций: двери, рамы;
  • - сельское хозяйство: силосные башни, клетки для скота, сараи, планки для подвешивания тушь скота;
  • - в быту: мебель, корпуса телевизоров, лыжи, оборудование для спортивных площадок и аттракционов, элементы конструкций плавательных бассейнов, спортивные тумбы, спортивные снаряды и т.д.

Разрабатываются КМ со специальными свойствами, например ра- диопрозрачные и радиопоглощающие материалы, материалы для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов (с малым коэффициентом линейного термического расширения и высоким удельным модулем упругости) и другие. Прочностные свойства КМ на основе алюминия и магния (прочность, модуль упругости, усталостная и длительная прочность) более чем в 2 раза (до 500°С) выше, чем у обычных сплавов. КМ на основе никеля и кобальта увеличивают уровень рабочих температур от 1000 до 1200°С, а на основе тугоплавких металлов и соединений - до 2000°С. Повышение прочностных и упругих свойств материалов позволяет существенно облегчить конструкции, а увеличение рабочих температур этих материалов даёт возможность повысить мощность двигателей, машин и агрегатов.

Области применения КМ многочисленны; кроме авиационно- космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они применяются в автомобильной промышленности - для деталей двигателей и кузовов автомашин; в машиностроении - для корпусов и деталей машин; в горнорудной промышленности - для бурового инструмента, буровых машин и др.; в металлургической промышленности - в качестве огнеупорных материалов для футеровки печей, кожухов и другой арматуры печей, наконечников термопар; в строительстве - для пролётов мостов, опор мостовых ферм, панелей для высотных сборных сооружений и др.; в химической промышленности - для автоклавов, цистерн, аппаратов сернокислотного производства, ёмкостей для хранения и перевозки нефтепродуктов и др.; в текстильной промышленности — для деталей прядильных машин, ткацких станков и др.; в сельскохозяйственном машиностроении - для режущих частей плугов, дисковых косилок, деталей тракторов и других; в бытовой технике - для деталей стиральных машин, рам гоночных велосипедов, деталей радиоаппаратуры и др.

Применение КМ в ряде случаев потребует создания новых методов изготовления деталей и изменения принципов конструирования деталей и узлов конструкций.

Области применения композиционных материалов с каждым годом становятся все шире (рис. 1.2).

Области применения КМ

Рис. 1.2. Области применения КМ

Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т.д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т.д ); в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей; в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т.д.; в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т.д.); в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т.д.) и в других областях народного хозяйства.

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электро- и радиопромышленности, авиационной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов судов и другое.

Стекловолокниты - это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве наполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствие влияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелоч- ных стекол алюмоборосиликатного состава.

Неориентированные стекловолокниты содержат в качестве наполнителя короткое волокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы, с металлической арматурой. Материал получается с изотопными прочностными характеристиками, намного более высокими, чем у пресс-порошков. Представителями такого материала являются стекловолокниты АГ-4В, а также ДСВ (дозирующиеся стекловолокниты), которые применяют для изготовления силовых электротехнических деталей, деталей машиностроения (золотники, уплотнения насосов и т.д.). При использовании в качестве связующего непредельных полиэфиров получают премиксы ПСК (пастообразные) и препреги АП и ППМ (на основе стеклянного мата). Препреги можно применять для крупногабаритных изделий простых форм (кузова автомашин, лодки, корпуса приборов и т.п.).

Композиционные материалы с неметаллической матрицей, а именно полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, детали вычислительной техники. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании и другом.

Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т.д.).

В машиностроении композиционные материалы широко применяются для создания износостойких покрытий на поверхности деталей узлов трения, а также для изготовления различных деталей двигателей внутреннего сгорания.

Полимерные материалы на основе политетрафторэтиленов модифицируются ультрадисперсными алмазографитовыми порошками, получаемыми из взрывных материалов, а также ультрадисперсных порошков мягких металлов.

В авиации и космонавтике с 1960-х годов существует острая необходимость в изготовлении прочных, лёгких и износостойких конструкций. КМ применяются для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий космических зондов. Композиты широко применяются для изготовления обшивок воздушным и космическим аппаратам, а также к наиболее нагруженным силовым элементам.

Благодаря своим характеристикам (прочности и лёгкости) КМ применяются в военном деле для производства различных видов брони: бронежилетов, касок, брони для военной техники (рис. 1.3).

Бронекаски, используемые вооруженными силами

Рис. 1.3. Бронекаски, используемые вооруженными силами: а - НАТО; б - РФ

Множество изобретений в этой сфере были придуманы во время войн. Вторая мировая война позволила армированным полимерам перекочевать из лабораторий в реальный мир. Альтернативные материалы, позволяющие снизить вес конечного изделия, были необходимы в военном авиастроении. Очевидным стали преимущества композитов в плане их веса и прочности.

В настоящее время практически все страны мира для повышения эффективности и мобильности военного оборудования применяют для изготовления стратегических оружий и оборонительной техники композиционные материалы (рис. 1.4).

Контейнеры ДЗ танка Т-90

Рис. 1.4. Контейнеры ДЗ танка Т-90

И это очень широкий спектр, например, сменный ствол винтовки Christensen Arms, выполнен из углепластика. Винтовка построена на базе затворной группы Remington-700. Приклады для винтовок выполнены из композитных материалов. В целом область применения КМ в военном деле широко распространена. Это стволы для винтовок, пластиковые приклады, обоймы и магазины из композиционных материалов, бинокли, ножи и многие другие. А также межконтинентальная баллистическая ракета «Тополь-М» на 90% состоит из композитов, включая конструкции двигателей и головную часть.

Основное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно. Исключением являются препреги, которые являются полуфабрикатом для изготовления конструкций. Следует отметить, что КМ создаются под выполнение конкретных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества. Это значит, что КМ не является идеальным материалом. Прочность КМ определяется уровнем межмолекулярного (адгезионного) взаимодействия между адгезивом и субстратом, матрицей и наполнителем.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >