Методы оптимизации композиционных систем

МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ СИСТЕМ

I. Композиционные материалы. Общие понятия и классификация

Композиционный материал - это образованный в природе в результате протекания естественных процессов или искусственно созданный человеком двух- или многофазный компактный материал с существованием границ раздела между отдельными составными компонентами (фазами). При этом одна из фаз -матрица - обычно непрерывна и находится в твердом (кристаллическом или аморфном) состоянии. В матрице распределены дискретно частицы второй фазы (наполнителя), которые могут быть в твердом, жидком или газообразном агрегатном состояниях.

Наполнитель (армирующий материал) в основном определяет механические свойства композита, а матрица служит, главным образом, для скрепления всех элементов материала. Применительно к химическому машиностроению коррозионная стойкость КМ определяется физико-химическими свойствами как матрицы, так и наполнителя.

Основными видами композиционных материалов являются:

1.  Взаимопроникающие - получаемые пропиткой скелета (остова) тугоплавкого материала (керамика, Мб) более легкоплавким, чаще всего находящимся в жидком состоянии (РЬ, Си, органические полимеры).

2.  Волокнистые - характеризуемые обычно наличием менее прочной матрицы, включающей в себя более прочный наполнитель (волокна металлов, карбидов, углерода и т.д.).

3.  Высокотемпературные - составными частями которых являются обычно проволока из тугоплавких металлов {Mo, W) в качестве матрицы а также оксиды, карбиды (AI2O3, SiC) в качестве наполнителя. Эти материалы обладают стойкостью к окис-

лению и устойчивостью к механическому разрушению при высоких температурах.

4.  Полимерные (органические) с неорганическим наполнителем. В них в качестве матрицы применяют эпоксидные и полиакриловые смолы, полиэтилен и др. Наполнителем могут служить оксиды, нитриды, стекла и т.д.

5.  Поликомпозиционные (гибридные) - состоят из одной матрицы и двух или более наполнителей. При этом каждый из наполнителей имеет определенное назначение: упрочняющий, защищающий от окисления и т.д.

6.  "Естественные" - возникают при затвердевании сплавов и распаде смешанных кристаллов, например в сталях, чугунах.

Армирующий материал (наполнитель) чаще всего представляет собой:

1)  непрерывные волокна;

2)  полидисперсные частицы;

3)  дискретные волокна.

/                                    2                                  3

Рис. 1.1. Виды армирующих материалов

В современных композитах используют тонкие диаметром 5-200-10"⁶ м непрерывные или дисперсные волокна, которые являются армирующими элементами или служат основой для изготовления нитей, жгутов, лент и тканей с различными типами плетения. Такие волокна должны удовлетворять комплексу эксплуатационных и технологических требований. К первым относятся условия прочности, жесткости, плотности и стабильности свойств в процессе эксплуатации. Технологичность волокон определяет возможность создания высокопроизводительных процессов изготовления изделий на их основе. Еще одним важным требованием является совместимость материала волокон с материалом матрицы. Основные типы волокон:

- стеклянные волокна. Непрерывные стеклянные волокна образуются из расплавленной стекломассы путем вытягивания струи на выходе из фильер до диаметра 5-20-10 м и быстрого охлаждения. Тонкие стеклянные волокна характеризуются высокой прочностью при растяжении и сжатии, сравнительно низкой стоимостью, хорошей совместимостью с полимерными матрицами и технологичностью. К недостаткам относят низкий модуль упругости и низкую теплостойкость. Стеклянные волокна используют в виде первичных нитей, прядей из нитей, крученых нитей и тканей на их основе.

-  углеродистые волокна. Процесс изготовления углеродных волокон заключается в последовательном температурном и механическом воздействии на исходные органические волокна, приводящем к их карбонизации, графитизации и совершенствованию структуры. Основным достоинством графитовых волокон является их жесткость, а также отрицательный температурный коэффициент термического расширения. Недостатки - хрупкость и химическая инертность. Графитовые волокна применяют¹ в виде жгутов, лент и тканей.

-  борные волокна. Эти волокна получают путем осаждения бора па нагреваемую вольфрамовую нить. При таком процессе вокруг нити формируется борная оболочка, частично прореаги-ровавшая с материалом нити. В результате получаются волокна циаметром 100-200-10"⁶ м. Их основными достоинствами явля-loioi высокая прочность и жесткость при сжатии, а к недостаткам можно отнести высокую стоимость, хрупкость и большую | о и п шиу. Композиты на основе борных волокон применяют в <•< I к ни юм для изготовления стержневых элементов и панелей, а

также для усиления профилей и элементов конструкций с целью повышения их жесткости и прочности при сжатии.