In der Geschichte der Technologieentwicklung lassen sich zwei wichtige Richtungen unterscheiden:

• Entwicklung von Werkzeugen, Strukturen, Mechanismen und Maschinen,
• Materialentwicklung.

Es ist schwer zu sagen, welche davon wichtiger ist, denn... Sie sind recht eng miteinander verbunden, aber ohne die Entwicklung von Materialien ist technischer Fortschritt grundsätzlich nicht möglich. Es ist kein Zufall, dass Historiker die frühen Zivilisationsepochen in einteilen Steinzeit, Bronzezeit und Eisenzeit.

Das aktuelle 21. Jahrhundert kann bereits dem Jahrhundert zugeschrieben werden Verbundwerkstoffe(Verbundwerkstoffe).

Das Konzept der Verbundwerkstoffe entstand Mitte des letzten 20. Jahrhunderts. Dabei handelt es sich bei Verbundwerkstoffen überhaupt nicht um ein neues Phänomen, sondern lediglich um einen von Materialwissenschaftlern neu formulierten Begriff besseres Verständnis die Entstehung moderner Baumaterialien.

Verbundwerkstoffe sind seit Jahrhunderten bekannt. In Babylon zum Beispiel nutzte man beim Bau von Häusern Schilfrohr, um Lehm zu verstärken, und die alten Ägypter fügten gehäckseltes Stroh hinzu Lehmziegel. IN Antikes Griechenland Beim Bau von Palästen und Tempeln wurden Marmorsäulen mit Eisenstangen verstärkt. In den Jahren 1555-1560 verwendeten die russischen Architekten Barma und Postnik beim Bau der Basilius-Kathedrale in Moskau Bewehrungen Eisenstreifen Steinplatten. Als direkte Vorläufer moderner Verbundwerkstoffe können Stahlbeton und Damaststahl bezeichnet werden.

Es gibt natürliche Analoga von Verbundwerkstoffen – Holz, Knochen, Muscheln usw. Viele Arten natürlicher Mineralien sind eigentlich Verbundstoffe. Sie sind nicht nur langlebig, sondern verfügen auch über hervorragende dekorative Eigenschaften.

Verbundwerkstoffe- Mehrkomponentenmaterialien, bestehend aus einer Kunststoffbasis – einer Matrix und Füllstoffen, die eine verstärkende und andere Rolle spielen. Zwischen den Phasen (Komponenten) des Verbundwerkstoffs besteht eine Phasengrenze.

Durch die Kombination unterschiedlicher Stoffe entsteht ein neues Material, dessen Eigenschaften sich deutlich von den Eigenschaften seiner einzelnen Bestandteile unterscheiden. Diese. Ein Zeichen für ein Verbundmaterial ist auffällig gegenseitige Beeinflussung konstituierende Elemente zusammengesetzt, d.h. ihre neue Qualität, Wirkung.

Durch Variation der Zusammensetzung von Matrix und Füllstoff, deren Verhältnis, Einsatz spezieller Zusatzreagenzien etc. entsteht ein breites Spektrum an Materialien mit den geforderten Eigenschaften.

Die Lage der Elemente des Verbundwerkstoffes ist von großer Bedeutung, sowohl in Richtung der einwirkenden Lasten als auch im Verhältnis zueinander, d.h. Ordentlichkeit. Hochfeste Verbundwerkstoffe weisen in der Regel eine hochgeordnete Struktur auf.

Ein einfaches Beispiel. Hand voll Sägemehl in einen Eimer geworfen Zementmörtel wird seine Eigenschaften in keiner Weise beeinträchtigen. Wenn die Hälfte der Lösung durch Sägemehl ersetzt wird, ändern sich die Dichte des Materials, seine thermophysikalischen Konstanten, die Produktionskosten und andere Indikatoren erheblich. Aber eine Handvoll Polypropylenfasern machen Beton schlagfest und verschleißfest, und ein halber Eimer Fasern verleiht ihm Elastizität, die für mineralische Werkstoffe überhaupt nicht charakteristisch ist.

Derzeit ist es im Bereich der Verbundwerkstoffe (Composites) üblich, eine Vielzahl künstlicher Materialien einzubeziehen, die in verschiedenen Technologie- und Industriezweigen entwickelt und umgesetzt werden Allgemeine Grundsätze Herstellung von Verbundwerkstoffen

Warum wächst gerade jetzt das Interesse an Verbundwerkstoffen? Denn traditionelle Werkstoffe werden den Anforderungen der modernen Ingenieurspraxis nicht mehr immer oder nicht vollständig gerecht.

Matrizen in Verbundwerkstoffen sind Metalle, Polymere, Zemente und Keramiken. Als Füllstoffe kommen verschiedenste künstliche und natürliche Stoffe zum Einsatz. verschiedene Formen

(große, blattförmige, faserige, dispergierte, feindisperse, mikrodisperse, Nanopartikel).

• Es sind auch Mehrkomponenten-Verbundwerkstoffe bekannt, darunter:
• Polymatrix, wenn mehrere Matrizen in einem Verbundmaterial kombiniert werden, Hybrid, darunter mehrere verschiedene Füllstoffe

, von denen jedes seine eigene Rolle hat.

Der Füllstoff bestimmt in der Regel die Festigkeit, Steifigkeit und Verformbarkeit des Verbundwerkstoffs und die Matrix sorgt für dessen Festigkeit, Spannungsübertragung und Widerstandsfähigkeit gegenüber verschiedenen äußeren Einflüssen.

Einen besonderen Platz nehmen dekorative Verbundwerkstoffe mit ausgeprägten dekorativen Eigenschaften ein. Es werden Verbundwerkstoffe mit besonderen Eigenschaften entwickelt, zum Beispiel strahlentransparente Materialien und strahlenabsorbierende Materialien, Materialien zum thermischen Schutz der Umlaufbahn Raumfahrzeug

Verbundwerkstoffe werden in allen Bereichen der Wissenschaft, Technik, Industrie, inkl. im Wohnungs-, Industrie- und Sonderbau, allgemeiner und spezieller Maschinenbau, Metallurgie, chemische Industrie, Energie, Elektronik, Haushaltsgeräte, Bekleidungs- und Schuhproduktion, Medizin, Sport, Kunst usw.

Struktur von Verbundwerkstoffen.

Aufgrund ihrer mechanischen Struktur werden Verbundwerkstoffe in mehrere Hauptklassen eingeteilt: faserige, schichtförmige, durch Dispersion verstärkte, partikelverstärkte und Nanokomposite.

Faserverbundwerkstoffe werden mit Fasern oder Whiskern verstärkt. Bereits ein geringer Füllstoffanteil in derartigen Verbundwerkstoffen führt zu einer deutlichen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs. Die Eigenschaften des Materials können auch durch Änderung der Ausrichtung, Größe und Konzentration der Fasern stark variiert werden.

Bei laminierten Verbundwerkstoffen sind Matrix und Füllstoff schichtweise angeordnet, beispielsweise bei Triplex, Sperrholz, laminierten Holzkonstruktionen und laminierten Kunststoffen.

Die Mikrostruktur anderer Klassen von Verbundwerkstoffen zeichnet sich dadurch aus, dass die Matrix mit Partikeln eines Verstärkungsstoffs gefüllt ist und diese sich in der Partikelgröße unterscheiden. Bei partikelverstärkten Verbundwerkstoffen ist ihre Größe größer als 1 Mikrometer und der Gehalt beträgt 20–25 % (Volumen), während Dispersionsverstärkte Verbundwerkstoffe 1 bis 15 % (Volumen) an Partikeln mit einer Größe von 0,01 bis 100 mm enthalten 0,1 µm. Die in Nanokompositen enthaltenen Partikelgrößen sind sogar noch kleiner und betragen 10-100 nm.

Einige gängige Verbundwerkstoffe

Beton- die gebräuchlichsten Verbundwerkstoffe. Derzeit wird eine große Auswahl an Betonen hergestellt, die sich in Zusammensetzung und Eigenschaften unterscheiden. Moderne Betone werden sowohl auf traditionellen Zementmatrizen als auch auf Polymermatrizen (Epoxidharz, Polyester, Phenol-Formaldehyd, Acryl usw.) hergestellt. Moderne Hochleistungsbetone kommen in ihrer Festigkeit den Metallen nahe. Dekorativer Beton wird immer beliebter.

Organoplastik- Verbundwerkstoffe, bei denen es sich bei den Füllstoffen um organische, synthetische und seltener natürliche und künstliche Fasern in Form von Kabeln, Fäden, Stoffen, Papier usw. handelt. Bei duroplastischen Organoplasten besteht die Matrix meist aus Epoxid-, Polyester- und Phenolharzen sowie Polyimiden. Organokunststoffe haben eine geringe Dichte, sind leichter als Glas- und Kohlenstoffkunststoffe und weisen eine relativ hohe Zugfestigkeit auf; hohe Widerstandsfähigkeit gegen Stöße und dynamische Belastungen, aber gleichzeitig geringe Druck- und Biegefestigkeit. Zu den häufigsten Organokunststoffen zählen Holzverbundwerkstoffe. Gemessen an den Produktionsmengen übertreffen Organokunststoffe Stahl, Aluminium und Kunststoffe.

IN ausländische Literatur V in letzter Zeit Neue Begriffe werden immer beliebter – Biopolymere, Biokunststoffe und dementsprechend Biokomposite.

Holzverbundwerkstoffe. Zu den gebräuchlichsten Holzverbundwerkstoffen gehören Arbolite, Xylolithe, Zementspanplatten und Laminat Holzkonstruktionen, Sperrholz und gebogene Schichtholzteile, Holzkunststoffe, Spanplatten und Faserplatten und Balken, Holzpressen und Presspulver, thermoplastische Holz-Polymer-Verbundwerkstoffe.

Fiberglas- mit Glasfasern verstärkte Polymerverbundwerkstoffe, die aus geschmolzenem anorganischem Glas geformt werden. Als Matrix werden am häufigsten sowohl duroplastische Kunstharze (Phenolharz, Epoxidharz, Polyester usw.) als auch thermoplastische Polymere (Polyamide, Polyethylen, Polystyrol usw.) verwendet. Glasfaserkunststoffe haben eine hohe Festigkeit, eine geringe Wärmeleitfähigkeit, hohe elektrische Isoliereigenschaften und sind darüber hinaus für Radiowellen transparent. Ein geschichtetes Material, bei dem aus Glasfasern gewebtes Gewebe als Füllstoff verwendet wird, wird als Glasfaser bezeichnet.

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe- Kohlenstofffasern dienen in diesen Polymerverbundwerkstoffen als Füllstoff. Kohlenstofffasern werden aus synthetischen und natürlichen Fasern auf Basis von Zellulose, Acrylnitril-Copolymeren, Erdöl- und Kohlenteerpechen usw. gewonnen. Die Matrizen in Kohlenstoffkunststoffen können entweder duroplastische oder thermoplastische Polymere sein. Die Hauptvorteile von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen im Vergleich zu glasfaserverstärkten Kunststoffen sind: geringe Dichte und einem höheren Elastizitätsmodul sind kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe sehr leichte und gleichzeitig langlebige Materialien.

Auf der Basis von Kohlenstofffasern und einer Kohlenstoffmatrix entstehen Kohlenstoff-Graphit-Verbundwerkstoffe – die hitzebeständigsten Verbundwerkstoffe (Kohlenstofffaserkunststoffe), die in inerten oder reduzierenden Umgebungen Temperaturen von bis zu 3000 °C über lange Zeit standhalten können.

Boroplastik- Verbundwerkstoffe, die Borfasern als Füllstoff enthalten, eingebettet in eine duroplastische Polymermatrix, wobei die Fasern entweder in Form von Monofilamenten oder in Form von mit einem Hilfsglasfaden geflochtenen Bündeln oder Bändern vorliegen können, in denen Borfäden miteinander verflochten sind Threads. Der Einsatz von Borkunststoffen ist durch die hohen Herstellungskosten von Borfasern begrenzt, weshalb sie vor allem in der Luft- und Raumfahrttechnik an Teilen eingesetzt werden, die langfristigen Belastungen in aggressiven Umgebungen ausgesetzt sind.

Presspulver (Pressmischungen). Es sind mehr als 10.000 Marken gefüllter Polymere bekannt. Füllstoffe werden verwendet, um die Kosten des Materials zu senken und ihm besondere Eigenschaften zu verleihen. Gefülltes Polymer wurde erstmals von Dr. Baekeland (Leo H. Baekeland, USA) hergestellt, der es zu Beginn des 20. Jahrhunderts entdeckte. Methode zur Synthese von Phenolformaldehyd (Bakelit)-Harz. Dieses Harz selbst ist eine zerbrechliche Substanz mit geringer Festigkeit. Baekeland entdeckte, dass die Zugabe von Fasern, insbesondere Holzmehl, zum Harz vor dem Aushärten seine Festigkeit erhöhte. Das von ihm geschaffene Material Bakelit erfreute sich großer Beliebtheit. Die Technologie zu seiner Herstellung ist einfach: Eine Mischung aus teilweise ausgehärtetem Polymer und Füllstoff – Presspulver – härtet unter Druck in einer Form irreversibel aus. Das erste Massenprodukt wurde mit dieser Technologie im Jahr 1916 hergestellt, es war der Schaltknauf eines Rolls-Royce-Autos. Gefüllte duroplastische Polymere werden in den meisten Fällen häufig verwendet verschiedene Bereiche Technologie. Zum Füllen duroplastischer und thermoplastischer Polymere werden verschiedene Füllstoffe verwendet – Holzmehl, Kaolin, Kreide, Talkum, Glimmer, Ruß, Glasfaser, Basaltfasern usw.

Textolithe- laminierte Kunststoffe, verstärkt mit Geweben aus verschiedenen Fasern. Die Technologie zur Herstellung von Textolithen wurde in den 1920er Jahren entwickelt. auf Basis von Phenol-Formaldehyd-Harz. Stoffbahnen werden mit Harz imprägniert und dann bei erhöhten Temperaturen gepresst, um Textolite-Platten oder geformte Produkte herzustellen.

Bei den Bindemitteln in Textolithen handelt es sich um eine breite Palette duroplastischer und thermoplastischer Polymere, teilweise auch um anorganische Bindemittel auf Basis von Silikaten und Phosphaten. Als Füllstoff werden Stoffe aus den unterschiedlichsten Fasern verwendet – Baumwolle, Synthetik, Glas, Kohlenstoff, Asbest, Basalt usw. Dementsprechend vielfältig sind die Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten von Textolithen. Verbundwerkstoffe mit einer Metallmatrix.

Bei der Herstellung metallbasierter Verbundwerkstoffe werden Aluminium, Magnesium, Nickel, Kupfer usw. als Matrix verwendet. Der Füllstoff besteht aus hochfesten Fasern, feuerfesten Partikeln unterschiedlicher Dispersion, fadenförmigen Einkristallen aus Aluminiumoxid, Berylliumoxid, Bor- und Siliziumcarbiden, Aluminium- und Siliziumnitriden usw. 0,3–15 mm lang und 1–30 Mikrometer im Durchmesser. Die Hauptvorteile von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen im Vergleich zu herkömmlichem (nicht verstärktem) Metall sind: erhöhte Kraft

, erhöhte Steifigkeit, erhöhte Verschleißfestigkeit, erhöhte Kriechfestigkeit. Verbundwerkstoffe auf Keramikbasis.

Die Verstärkung von Keramik mit dispergierten Metallpartikeln führt zu neuen Materialien (Cermets) mit erhöhter Haltbarkeit, Beständigkeit gegen Temperaturschocks und erhöhter Wärmeleitfähigkeit. Aus Hochtemperatur-Cermets werden Teile für Gasturbinen, Armaturen für Elektroöfen und Teile für die Raketen- und Strahltechnik hergestellt. Für die Herstellung von Schneidwerkzeugen und -teilen werden verschleißfeste Cermets verwendet. Darüber hinaus werden Cermets in speziellen Technologiebereichen eingesetzt – dies sind Brennelemente von Kernreaktoren auf Basis von Uranoxid, Reibmaterialien für Bremsvorrichtungen usw.

1. Verbund- oder Verbundwerkstoffe – Materialien der Zukunft.

Nachdem uns die moderne Physik der Metalle die Gründe für ihre Duktilität, Festigkeit und deren Steigerung ausführlich erklärt hatte, begann eine intensive systematische Entwicklung neuer Materialien. Dies wird wahrscheinlich schon in absehbarer Zukunft zur Schaffung von Werkstoffen führen, deren Festigkeit weit über der Festigkeit heutiger herkömmlicher Legierungen liegt. Gleichzeitig große Aufmerksamkeit Der Schwerpunkt liegt auf den bereits bekannten Mechanismen der Stahlhärtung und -alterung von Aluminiumlegierungen, Kombinationen dieser bekannten Mechanismen mit Umformprozessen und den zahlreichen Möglichkeiten zur Herstellung kombinierter Materialien. Kombinierte Materialien, die entweder mit Fasern oder dispergierten Feststoffpartikeln verstärkt sind, bieten zwei vielversprechende Wege. Der erste, der feinste hochfeste Fasern aus Glas, Kohlenstoff, Bor, Beryllium, Stahl oder fadenförmige Einkristalle in eine anorganische Metall- oder organische Polymermatrix einbringt. Durch diese Kombination wird maximale Festigkeit mit einem hohen Elastizitätsmodul und einer geringen Dichte kombiniert. Das sind die Werkstoffe der Zukunft, also Verbundwerkstoffe.

Verbundwerkstoff ist ein struktureller (metallischer oder nichtmetallischer) Werkstoff, der Verstärkungselemente in Form von Fäden, Fasern oder Flocken enthält langlebiges Material. Beispiele für Verbundwerkstoffe: mit Bor, Kohlenstoff, Glasfasern verstärkter Kunststoff, darauf basierende Stränge oder Gewebe; Aluminium verstärkt mit Stahl- und Berylliumfäden. Durch die Kombination des Volumengehalts der Komponenten ist es möglich, Verbundwerkstoffe mit den erforderlichen Werten für Festigkeit, Wärmebeständigkeit, Elastizitätsmodul, Abriebfestigkeit zu erhalten sowie Zusammensetzungen mit den erforderlichen magnetischen, dielektrischen, radioabsorbierenden und anderen Werten zu erstellen besondere Eigenschaften.

2. Arten von Verbundwerkstoffen.

2.1. Verbundwerkstoffe mit einer Metallmatrix.

Verbundwerkstoffe oder Verbundwerkstoffe bestehen aus einer Metallmatrix (meist Al, Mg, Ni und deren Legierungen), verstärkt mit hochfesten Fasern (Faserwerkstoffe) oder feinen feuerfesten Partikeln, die sich nicht im Grundmetall auflösen (dispersionsverstärkte Werkstoffe). Metallmatrix bindet Fasern (verteilte Partikel) zu einem Ganzen. Fasern (dispergierte Partikel) und ein Bindemittel (Matrix), aus denen die eine oder andere Zusammensetzung besteht, werden als Verbundmaterialien bezeichnet.

2.2. Verbundwerkstoffe mit nichtmetallische Matrix.

Verbundwerkstoffe mit einer nichtmetallischen Matrix haben breite Anwendung gefunden. Polymer, Kohlenstoff und keramische Materialien. Aus Polymermatrizen größte Verbreitung erhielt Epoxidharz, Phenol-Formaldehyd und Polyamid.
Verkokte oder Pyrokohlenstoff-Kohlenstoffmatrizen werden aus synthetischen Polymeren gewonnen, die einer Pyrolyse unterzogen werden. Die Matrix bindet die Zusammensetzung und verleiht ihr Form. Verstärkungsstoffe sind Fasern: Glas, Kohlenstoff, Bor, organisch, basierend auf Whiskerkristallen (Oxide, Karbide, Boride, Nitride und andere) sowie Metall (Drähte), die eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweisen.

Die Eigenschaften von Verbundwerkstoffen hängen von der Zusammensetzung der Komponenten, ihrer Kombination, ihrem Mengenverhältnis und der Stärke der Bindung zwischen ihnen ab.
Verstärkungsmaterialien können in Form von Fasern, Strängen, Fäden, Bändern und mehrschichtigen Stoffen vorliegen.

Der Härtergehalt in orientierten Materialien beträgt 60-80 Vol.-%. %, in nichtorientierter Form (mit einzelnen Fasern und Whiskern) – 20–30 Vol. % %. Je höher die Festigkeit und der Elastizitätsmodul der Fasern sind, desto höher ist die Festigkeit und Steifigkeit des Verbundmaterials. Die Eigenschaften der Matrix bestimmen die Festigkeit der Zusammensetzung unter Scherung und Druck sowie den Widerstand gegen Ermüdungsversagen.

Je nach Art der Verstärkung werden Verbundwerkstoffe in Glasfasern, Kohlenstofffasern mit Kohlenstofffasern, Borfasern und Organofasern eingeteilt.

Bei geschichteten Materialien werden mit einem Bindemittel imprägnierte Fasern, Fäden und Bänder parallel zueinander in der Verlegeebene verlegt. Flache Schichten werden zu Platten zusammengesetzt. Die Eigenschaften sind anisotrop. Damit das Material in einem Produkt funktioniert, ist es wichtig, die Richtung der einwirkenden Belastungen zu berücksichtigen. Es ist möglich, Materialien mit sowohl isotropen als auch anisotropen Eigenschaften herzustellen.
Fasern können untergelegt werden verschiedene Winkel, wodurch die Eigenschaften von Verbundwerkstoffen variiert werden. Die Biege- und Torsionssteifigkeit des Materials hängt von der Reihenfolge ab, in der die Schichten über die Dicke des Pakets gelegt werden.

Es werden Verstärkungen aus drei, vier oder mehr Fäden verwendet.
Die am weitesten verbreitete Struktur ist eine Struktur aus drei zueinander senkrechten Fäden. Verstärkungen können in axialer, radialer und Umfangsrichtung angeordnet sein.

Dreidimensionale Materialien können in Form von Blöcken oder Zylindern beliebiger Dicke vorliegen. Voluminöse Stoffe erhöhen im Vergleich zu laminierten Stoffen die Schälfestigkeit und Scherfestigkeit. Durch die Verteilung der Bewehrung entlang der Würfeldiagonalen entsteht ein System aus vier Fäden. Die Struktur aus vier Fäden ist ausgeglichen und weist in den Hauptebenen eine erhöhte Schersteifigkeit auf.
Allerdings ist die Erstellung von Materialien in vier Richtungen schwieriger als die Erstellung von Materialien in drei Richtungen.

3. Klassifizierung von Verbundwerkstoffen.

3.1. Faserverbundwerkstoffe.

Oft handelt es sich bei dem Verbundwerkstoff um eine Schichtstruktur, bei der jede Schicht verstärkt ist eine große Anzahl parallele Endlosfasern. Jede Schicht kann auch mit Endlosfasern verstärkt werden, die zu einem Stoff verwoben sind, der die ursprüngliche Form hat und dessen Breite und Länge dem Endmaterial entsprechen. Oft werden die Fasern zu dreidimensionalen Strukturen verwoben.

Verbundwerkstoffe unterscheiden sich von herkömmlichen Legierungen durch höhere Werte der Zugfestigkeit und Dauerfestigkeit (um 50–10 %), des Elastizitätsmoduls, des Steifigkeitskoeffizienten und einer geringeren Rissanfälligkeit. Der Einsatz von Verbundwerkstoffen erhöht die Steifigkeit der Struktur und reduziert gleichzeitig den Metallverbrauch.

Die Festigkeit von Verbundwerkstoffen (Fasermaterialien) wird durch die Eigenschaften der Fasern bestimmt; Die Matrix sollte hauptsächlich die Spannungen zwischen den Verstärkungselementen umverteilen. Daher müssen die Festigkeit und der Elastizitätsmodul der Fasern deutlich größer sein als die Festigkeit und der Elastizitätsmodul der Matrix.
Starre Verstärkungsfasern nehmen die bei Belastung in der Zusammensetzung auftretenden Spannungen auf und verleihen ihr Festigkeit und Steifigkeit in Richtung der Faserorientierung.

Zur Verstärkung von Aluminium, Magnesium und deren Legierungen werden Bor sowie Fasern aus feuerfesten Verbindungen (Karbide, Nitride, Boride und Oxide) mit hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul verwendet. Als Fasern werden häufig Drähte aus hochfesten Stählen verwendet.

Zur Verstärkung von Titan und seinen Legierungen werden Molybdändraht, Saphirfasern, Siliziumkarbid und Titanborid verwendet.

Die Erhöhung der Hitzebeständigkeit von Nickellegierungen wird durch deren Verstärkung mit Wolfram- oder Molybdändraht erreicht. Metallfasern werden auch dort eingesetzt, wo eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit erforderlich ist. Vielversprechende Festiger für hochfeste und hochmodulige Faserverbundwerkstoffe sind Whisker aus Aluminiumoxid und -nitrid, Siliziumkarbid und -nitrid, Borkarbid usw.

Verbundwerkstoffe für Metallbasis haben eine hohe Festigkeit und Hitzebeständigkeit bei gleichzeitig geringer Plastizität. Fasern in Verbundwerkstoffen verringern jedoch die Ausbreitungsgeschwindigkeit von in der Matrix entstandenen Rissen, und plötzliches Sprödversagen verschwindet fast vollständig. Besonderheit Faserige einachsige Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch eine Anisotropie der mechanischen Eigenschaften entlang und quer zu den Fasern und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Spannungskonzentratoren aus.

Bei der Bauteilkonstruktion wird die Anisotropie der Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen berücksichtigt, um die Eigenschaften durch Abstimmung des Widerstandsfeldes mit den Spannungsfeldern zu optimieren.

Die Verstärkung von Aluminium-, Magnesium- und Titanlegierungen mit kontinuierlichen feuerfesten Fasern aus Bor, Siliziumkarbid, Titandoborid und Aluminiumoxid erhöht die Hitzebeständigkeit deutlich. Ein Merkmal von Verbundwerkstoffen ist die geringe Erweichungsgeschwindigkeit im Laufe der Zeit bei steigender Temperatur.

Der Hauptnachteil von Verbundwerkstoffen mit ein- und zweidimensionaler Verstärkung ist geringer Widerstand Zwischenschichtscherung und Querbruch. Materialien mit volumetrischer Verstärkung haben dies nicht.

3.2. Dispersionsverstärkte Verbundwerkstoffe.

Im Gegensatz zu Faserverbundwerkstoffen ist beidispersionsverstärkten Verbundwerkstoffen die Matrix das Haupttragelement und dispergierte Partikel hemmen die Bewegung von Versetzungen darin.
Eine hohe Festigkeit wird bei einer Partikelgröße von 10–500 nm mit einem durchschnittlichen Abstand zwischen ihnen von 100–500 nm und ihrer gleichmäßigen Verteilung in der Matrix erreicht.
Festigkeit und Wärmebeständigkeit gehorchen je nach Volumengehalt der Verstärkungsphasen nicht dem Additivitätsgesetz. Der optimale Gehalt der zweiten Phase variiert je nach Metall, überschreitet jedoch in der Regel 5–10 Vol.-% nicht. %.

Die Verwendung stabiler feuerfester Verbindungen (Oxide von Thorium, Hafnium, Yttrium, komplexe Zusammenhänge Oxide und Seltenerdmetalle), unlöslich im Matrixmetall, ermöglicht die Aufrechterhaltung der hohen Festigkeit des Materials bis zu 0,9-0,95 T. In diesem Zusammenhang werden solche Materialien häufig als hitzebeständig verwendet. Dispersionsverstärkte Verbundwerkstoffe können auf Basis der meisten in der Technik verwendeten Metalle und Legierungen gewonnen werden.

Die am häufigsten verwendeten Legierungen auf Aluminiumbasis sind SAP (gesintertes Aluminiumpulver).

Die Dichte dieser Materialien entspricht der Dichte von Aluminium, sie stehen dieser in puncto Korrosionsbeständigkeit in nichts nach und können bei Betrieb im Temperaturbereich von 250-500 °C sogar Titan und korrosionsbeständige Stähle ersetzen. Hinsichtlich der Dauerfestigkeit sind sie Aluminium-Knetlegierungen überlegen. Die Langzeitfestigkeit der Legierungen SAP-1 und SAP-2 bei 500 °C beträgt 45–55 MPa.

Mit Nickeldispersion verstärkte Werkstoffe haben große Aussichten.
Nickelbasislegierungen mit 2-3 Vol.-% haben die höchste Hitzebeständigkeit. % Thoriumdioxid oder Hafniumdioxid. Die Matrix dieser Legierungen ist normalerweise eine feste Lösung aus Ni + 20 % Cr, Ni + 15 % Mo, Ni + 20 % Cr und Mo. Weit verbreitet sind die Legierungen VDU-1 (Nickel verstärkt mit Thoriumdioxid), VDU-2 (Nickel verstärkt mit Hafniumdioxid) und VD-3 (Ni + 20 % Cr-Matrix, verstärkt mit Thoriumoxid). Diese Legierungen weisen eine hohe Hitzebeständigkeit auf. Dispersionsverstärkte Verbundwerkstoffe sind ebenso wie faserige Verbundwerkstoffe beständig gegen Erweichen mit zunehmender Temperatur und Dauer der Einwirkung einer bestimmten Temperatur.

3.3. Fiberglas.

Glasfaser ist eine Zusammensetzung, die aus einem Kunstharz als Bindemittel und einem Glasfaserfüllstoff besteht. Als Füllstoff werden Endlos- oder Kurzglasfasern verwendet. Die Festigkeit von Glasfaser nimmt mit abnehmendem Durchmesser stark zu (aufgrund des Einflusses von Inhomogenitäten und Rissen, die in dicken Abschnitten auftreten). Die Eigenschaften von Glasfaser hängen auch vom Alkaligehalt in seiner Zusammensetzung ab; beste Leistung in alkalifreien Gläsern aus Aluminoborosilikat-Zusammensetzung.

Nichtorientierte Glasfasern enthalten Kurzfasern als Füllstoff. Dadurch können Teile gepresst werden komplexe Form, Metallbeschläge. Das Material wird mit Isotopenfestigkeitseigenschaften erhalten, die viel höher sind als die von Presspulvern und sogar Fasern. Vertreter dieses Materials sind AG-4V-Glasfasern sowie DSV (Metered Glass Fibers), die zur Herstellung von leistungselektrischen Teilen, Maschinenbauteilen (Schieberventile, Pumpendichtungen usw.) verwendet werden. Bei Verwendung ungesättigter Polyester als Bindemittel werden Vormischungen PSC (pastös) und Prepregs AP und PPM (auf Glasmattenbasis) erhalten. Prepregs können für großformatige Produkte mit einfachen Formen (Autokarosserien, Boote, Instrumentenkarosserien usw.) verwendet werden.

Orientierte Glasfasern enthalten einen Füllstoff in Form langer Fasern, die in orientierten Einzelsträngen angeordnet und mit einem Bindemittel sorgfältig miteinander verklebt sind. Dies gewährleistet eine höhere Festigkeit der Glasfaser.

Glasfaser kann bei Temperaturen von –60 bis 200 °C sowie in verwendet werden tropische Bedingungen, großen Trägheitsüberlastungen standhalten.
Bei einer Alterung von zwei Jahren beträgt der Alterungskoeffizient K = 0,5-0,7.
Ionisierende Strahlung hat kaum Einfluss auf ihre mechanischen und elektrischen Eigenschaften. Mit ihnen werden hochfeste Teile mit Verstärkung und Gewinde hergestellt.

3.4. Kohlenstofffasern.

Kohlenstofffasern (Kohlenstofffasern) sind Zusammensetzungen bestehend aus einem Polymerbindemittel (Matrix) und Verstärkungsstoffen in Form von Kohlenstofffasern (Kohlenstofffasern).

Die hohe Bindungsenergie von C-C-Kohlenstofffasern ermöglicht es ihnen, ihre Festigkeit bei sehr hohen Temperaturen (in neutralen und reduzierenden Umgebungen bis zu 2200 °C) sowie bei zu behalten niedrige Temperaturen. Die Faseroberfläche wird durch Schutzbeschichtungen (pyrolytisch) vor Oxidation geschützt. Im Gegensatz zu Glasfasern werden Kohlenstofffasern schlecht von einem Bindemittel benetzt
(geringe Oberflächenenergie), daher werden sie geätzt. Gleichzeitig steigt der Aktivierungsgrad der Kohlenstofffasern hinsichtlich des Gehalts an Carboxylgruppen auf ihrer Oberfläche. Die Scherfestigkeit zwischen den Schichten von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen erhöht sich um das 1,6- bis 2,5-fache. Es wird eine Viszerisierung von TiO-, AlN- und SiN-Filamentkristallen verwendet, was zu einer Erhöhung der Zwischenschichtsteifigkeit um das Zweifache und der Festigkeit um das 2,8-fache führt. Es kommen räumlich verstärkte Konstruktionen zum Einsatz.

Bei den Bindemitteln handelt es sich um synthetische Polymere (Polymer-Kohlenstofffaser); synthetische Polymere, die einer Pyrolyse unterzogen werden (verkokte Kohlenstofffasern); Pyrolytischer Kohlenstoff (Pyrocarbon-Kohlenstofffasern).

Mit Epoxidphenol-Kohlenstofffasern verstärktes KMU-1l, verstärkt mit Kohlenstoffband, und KMU-1u an einem Seil, mit Whiskern versehen, können lange Zeit bei Temperaturen bis zu 200 °C betrieben werden.

Die Kohlefaserfasern KMU-3 und KMU-2l werden mit einem Epoxidanilin-Formaldehyd-Bindemittel hergestellt und können bei Temperaturen bis zu 100 °C verwendet werden. Kohlenstofffasern KMU-2 und
KMU-2l auf Basis eines Polyimid-Bindemittels kann bei Temperaturen bis zu verwendet werden
300 °C.

Kohlenstofffasern zeichnen sich durch eine hohe statistische und dynamische Ermüdungsbeständigkeit aus und behalten diese Eigenschaft bei normalen und sehr niedrigen Temperaturen (die hohe Wärmeleitfähigkeit der Faser verhindert eine Selbsterwärmung des Materials aufgrund innerer Reibung). Sie sind wasser- und chemikalienbeständig. Nach Einwirkung von Luft verändern sich Röntgenstrahlen und E nahezu nicht.

Die Wärmeleitfähigkeit von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen ist 1,5-2 mal höher als die Wärmeleitfähigkeit von glasfaserverstärkten Kunststoffen. Sie haben folgende elektrische Eigenschaften: = 0,0024-0,0034 Ohm cm (entlang der Fasern); ? = 10 und tg =0,001 (bei einer aktuellen Frequenz von 10 Hz).

Carbonfaserglas enthält neben Kohlenstoff auch Glasfasern, was die Materialkosten senkt.

3.5. Kohlefaser mit Kohlenstoffmatrix.

Verkokte Materialien werden aus herkömmlichen Polymerkohlenstofffasern hergestellt, die einer Pyrolyse in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre unterzogen werden. Bei einer Temperatur von 800–1500 °C bilden sich karbonisierte Kohlenstofffasern, bei 2500–3000 °C entstehen graphitierte Kohlenstofffasern. Um Pyrokohlenstoff-Materialien zu erhalten, wird der Härter entsprechend der Form des Produkts ausgelegt und in einen Ofen gegeben, in den gasförmiger Kohlenwasserstoff (Methan) geleitet wird. Unter einem bestimmten Regime (Temperatur 1100 °C und Restdruck 2660 Pa) zersetzt sich Methan und der entstehende Pyrolysekohlenstoff lagert sich auf den Verstärkungsfasern ab und bindet diese.

Der bei der Pyrolyse des Bindemittels entstehende Koks weist eine hohe Haftfestigkeit an Kohlenstofffasern auf. In dieser Hinsicht weist das Verbundmaterial hohe mechanische und ablative Eigenschaften sowie eine hohe Temperaturschockbeständigkeit auf.

Kohlenstofffasern mit einer Kohlenstoffmatrix vom Typ KUP-VM haben eine 5- bis 10-mal höhere Festigkeit und Schlagzähigkeit als Spezialgraphite und behalten beim Erhitzen in einer inerten Atmosphäre und im Vakuum eine Festigkeit von bis zu 2200
°C, oxidiert an der Luft bei 450 °C und erfordert eine Schutzbeschichtung.
Der Reibungskoeffizient eines Kohlefaserverbundwerkstoffs mit einer Kohlenstoffmatrix ist hoch (0,35–0,45) und der Verschleiß gering (0,7–1 Mikrometer beim Bremsen).

3.6. Borfasern.

Borfasern sind Zusammensetzungen aus einem Polymerbindemittel und einem Verstärker – Borfasern.

Borfasern zeichnen sich durch hohe Druck-, Scher- und Scherfestigkeit, geringes Kriechen, hohe Härte und Elastizitätsmodul, Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit aus. Die zelluläre Mikrostruktur von Borfasern sorgt für eine hohe Scherfestigkeit an der Matrixgrenzfläche.

Neben durchgehenden Borfasern werden auch komplexe Borglasnitrate verwendet, bei denen mehrere parallel verlaufende Borfasern mit Glasfasern verflochten sind, was für Formstabilität sorgt. Die Verwendung von Borglasfäden macht es einfacher Verfahren Produktion von Material.

Als Matrizen zur Herstellung von Borfasernitraten werden modifizierte Epoxid- und Polyimidbindemittel verwendet. Borfasern KMB-1 und
KMB-1k sind für gedacht lange Arbeit bei einer Temperatur von 200 °C; KMB-3 und KMB-3k erfordern während der Verarbeitung keinen hohen Druck und können bei Temperaturen von nicht mehr als 100 °C betrieben werden; KMB-2k ist bei 300 °C betriebsbereit.

Borfasern weisen eine hohe Ermüdungsbeständigkeit auf und sind beständig gegen Strahlung, Wasser, organische Lösungsmittel und Schmiermittel.

3.7. Organofasern.

Organofasern sind Verbundwerkstoffe, die aus einem Polymerbindemittel und Verstärkungsstoffen (Füllstoffen) in Form von synthetischen Fasern bestehen. Solche Materialien haben eine geringe Masse, eine relativ hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit und sind unter Einwirkung von Wechselbelastungen und plötzlichen Temperaturänderungen stabil. Bei synthetischen Fasern ist der Festigkeitsverlust bei der Textilverarbeitung gering; Sie sind unempfindlich gegenüber Beschädigungen.

Bei Organofasern liegen die Werte des Elastizitätsmoduls und der Temperaturkoeffizienten der linearen Ausdehnung von Festiger und Bindemittel nahe beieinander.
Es kommt zu einer Diffusion der Bindemittelkomponenten in die Faser und zu einer chemischen Wechselwirkung zwischen ihnen. Die Struktur des Materials ist fehlerfrei. Die Porosität überschreitet nicht 1–3 % (bei anderen Materialien 10–20 %). Daher die Stabilität der mechanischen Eigenschaften von Organofasern bei starken Temperaturänderungen, Stößen und zyklischen Belastungen. Schlagfestigkeit hoch (400-700 kJ/mI). Der Nachteil dieser Materialien ist ihre relativ geringe Druckfestigkeit und hohe Kriechfestigkeit (insbesondere bei elastischen Fasern).

Organofasern sind resistent gegen aggressive Umgebungen und in feuchten tropischen Klimazonen; Die dielektrischen Eigenschaften sind hoch und die Wärmeleitfähigkeit gering. Die meisten Organofasern können lange Zeit bei einer Temperatur von 100–150 °C betrieben werden, solche auf Basis eines Polyimidbindemittels und Polyoxadiazolfasern – bei einer Temperatur von 200–300 °C.

IN kombinierte Materialien Neben synthetischen Fasern werden auch Mineralfasern (Glas-, Kohle- und Borfasern) verwendet. Solche Materialien haben eine höhere Festigkeit und Steifigkeit.

4. Wirtschaftlichkeit der Verwendung von Verbundwerkstoffen.

Die Einsatzgebiete von Verbundwerkstoffen sind nicht begrenzt. Sie werden in der Luftfahrt für hochbelastete Teile von Flugzeugen (Haut, Holme, Rippen, Verkleidungen usw.) und Triebwerken (Kompressorschaufeln und Turbinen usw.) verwendet, in der Raumfahrttechnik für Komponenten von Energiestrukturen von Geräten, die einer Erwärmung ausgesetzt sind, z Versteifungen, Platten, in der Automobilindustrie zur Erleichterung von Karosserien, Federn, Rahmen, Karosserieteilen, Stoßstangen usw., im Bergbau (Bohrwerkzeuge, Teile für Mähdrescher usw.), im Tiefbau (Brückenfelder, vorgefertigte Elemente). Strukturen von Hochhäusern usw.) usw.) und in anderen Bereichen der Volkswirtschaft.

Der Einsatz von Verbundwerkstoffen stellt einen neuen Qualitätssprung bei der Leistungssteigerung von Motoren, Energie- und Transportanlagen sowie der Gewichtsreduzierung von Maschinen und Geräten dar.

Die Technologie zur Herstellung von Halbzeugen und Produkten aus Verbundwerkstoffen ist recht weit entwickelt.

Verbundwerkstoffe mit einer nichtmetallischen Matrix, nämlich Polymerkohlenstofffasern, werden im Schiffbau und in der Automobilindustrie (Karosserie, Fahrgestell, Propeller) eingesetzt; Daraus werden Lager, Heizpaneele, Sportgeräte und Computerteile hergestellt. Hochmodulige Kohlenstofffasern werden zur Herstellung von Flugzeugteilen, Ausrüstung für die chemische Industrie usw. verwendet Röntgengeräte und ein Freund.

Kohlenstofffasern mit Kohlenstoffmatrix ersetzen verschiedene Graphitarten. Sie werden für den Wärmeschutz, Flugzeugbremsscheiben und chemisch beständige Geräte verwendet.

Produkte aus Borfasern werden in der Luft- und Raumfahrttechnik eingesetzt (Profile, Platten, Kompressorrotoren und -blätter, Propellerblätter und Getriebewellen von Hubschraubern usw.).

Organische Fasern werden als Isolier- und Strukturmaterial in der Elektro- und Funkindustrie, der Luftfahrttechnik und der Automobilindustrie eingesetzt; Sie werden zur Herstellung von Rohren, Behältern für Reagenzien, Beschichtungen für Schiffsrümpfe und mehr verwendet.

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Führt den Leser in metallbasierte Verbundwerkstoffe und keramische Verbundwerkstoffe ein. Außerdem werden die Hauptanwendungen von Verbundwerkstoffen beschrieben.

• Organokunststoffe mit organischen Fasern natürlichen und künstlichen Ursprungs. Leichter als Glas und Kohlefaser. Sie haben eine hohe Schlagfestigkeit, aber eine geringe Zug-/Biegefestigkeit. Zu den Kunststoffen dieser Art gehört beispielsweise Kevlar.
• Textolithe aus einer Polymermatrix und Stoffen unterschiedlicher Beschaffenheit als Füllstoff. Einige Textolithe bestehen aus einer Matrix anorganischer Substanzen (Silikate, Phosphate). Die Eigenschaften von Materialien sind sehr vielfältig und hängen von der Art der Stofffaser ab. Fasern bestehen aus Baumwolle, Asbest, Basalt, Glas, künstliche Materialien usw.
• Pulvergefüllte Polymere (Polyethylene, Polypropylene, Harze mit verschiedenen Füllstoffen, zum Beispiel Talk, Stärke, Ruß, Calciumcarbonat usw.) – mehr als 10.000 Arten von Kunststoffen dieser Art wurden bereits entwickelt. Bitte beachten Sie, dass Sie bei uns verschiedene Füllstoffe und andere notwendige Rohstoffe für die Herstellung von Verbundwerkstoffen kaufen können.

Verbundwerkstoffe auf Metallbasis

Metallverbundwerkstoffe werden auf Basis vieler Nichteisenmetalle hergestellt, beispielsweise Kupfer, Aluminium, Nickel. Zum Füllen resistente Fasern hohe Temperaturen, löst sich nicht in der Base auf. Am häufigsten werden Metallfasern oder Einkristalle aus Oxiden, Nitriden, Keramiken, Karbiden und Boriden verwendet. Dadurch entstehen Verbundwerkstoffe, die deutlich feuerfester, langlebiger und verschleißfester sind als das ursprüngliche reine Metall.

Keramische Verbundwerkstoffe

Keramische Verbundwerkstoffe werden durch Sintern der ursprünglichen Keramikmasse unter Zugabe von Fasern oder Partikeln hergestellt. Als Füllstoffe werden am häufigsten Metallfasern verwendet – es werden Cermets erhalten. Sie sind temperaturschockbeständig und haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit.

Cermets werden zur Herstellung verschleißfester und hitzebeständiger Teile verwendet, beispielsweise für Gasturbinen und Elektroöfen. Sie sind auch für die Herstellung von Schneidwerkzeugen und Teilen gefragt Bremssysteme, Brennstäbe für Kernreaktoren.

Anwendung von Verbundwerkstoffen

Verbundwerkstoffe werden bereits in nahezu allen Produktionsbereichen eingesetzt. Sie werden verwendet:

• im Baugewerbe;
• Herstellung von Sicherheits- und Panzerglas für Fahrzeuge, Schaufenster und Türen;
• medizinische Prothesen;
• Bezüge für Küchentische und Sockel für elektronische Leiterplatten;
• Teile und Gehäuse von Haushaltsgeräten;
• Fensterrahmen und vieles mehr.

Das ist interessant: Verbundwerkstoffe mit extremen Eigenschaften sind im Flugzeug-, Auto-, Schiffs- und Raketenbau gefragt. Sie werden bei der Herstellung von Teilen für Raumfahrzeuge, Kernkraftwerke und Sportgeräte (z. B. leichte und langlebige Fahrräder) benötigt. Sie werden zur Herstellung von Elementen von Geräten und Anlagen verwendet, die in aggressiven Umgebungen und bei hohen Temperaturen betrieben werden.

Verbundwerkstoff

Verbundwerkstoff (Verbundwerkstoff, KM) – ein künstlich erzeugtes heterogenes kontinuierliches Material, das aus zwei oder mehr Komponenten mit einer klaren Grenzfläche zwischen ihnen besteht. Bei den meisten Verbundwerkstoffen (mit Ausnahme von Laminaten) können die Komponenten in eine Matrix und die darin enthaltenen Verstärkungselemente unterteilt werden. In Verbundwerkstoffen für strukturelle Zwecke sorgen üblicherweise Verstärkungselemente für die notwendigen mechanischen Eigenschaften des Materials (Festigkeit, Steifigkeit usw.), und die Matrix (oder das Bindemittel) sorgt dafür zusammenarbeiten Elemente verstärken und vor ihnen schützen mechanischer Schaden und aggressiver chemischer Umgebung.

Das mechanische Verhalten der Zusammensetzung wird durch die Beziehung zwischen den Eigenschaften der Verstärkungselemente und der Matrix sowie der Stärke der Bindung zwischen ihnen bestimmt. Die Wirksamkeit und Leistung des Materials hängt davon ab die richtige Wahl die Originalkomponenten und die Technologie ihrer Kombination, die darauf ausgelegt sind, eine starke Verbindung zwischen den Komponenten zu gewährleisten und gleichzeitig ihre ursprünglichen Eigenschaften beizubehalten.

Durch die Kombination von Verstärkungselementen und der Matrix entsteht ein Eigenschaftskomplex der Zusammensetzung, der nicht nur die ursprünglichen Eigenschaften seiner Bestandteile widerspiegelt, sondern auch Eigenschaften umfasst, die die isolierten Bestandteile nicht besitzen. Insbesondere das Vorhandensein von Grenzflächen zwischen den Verstärkungselementen und der Matrix erhöht die Rissbeständigkeit des Materials deutlich, und in Zusammensetzungen führt eine Erhöhung der statischen Festigkeit im Gegensatz zu homogenen Metallen nicht zu einer Abnahme, sondern in der Regel zu eine Erhöhung der Bruchzähigkeitseigenschaften.

Zur Herstellung der Zusammensetzung werden verschiedene verstärkende Füllstoffe und Matrizen verwendet. Dies sind Getinax und Textolite (laminierte Kunststoffe aus Papier oder Stoff, die mit duroplastischem Kleber verklebt sind), Glas- und Graphitkunststoffe (Gewebe oder gewickelte Fasern aus Glas oder Graphit, imprägniert). Epoxidklebstoffe), Sperrholz... Es gibt Materialien, bei denen dünne Fasern aus hochfesten Legierungen mit Aluminiummasse gefüllt sind. Bulat ist einer der ältesten Verbundwerkstoffe. Darin werden dünne Schichten (manchmal Fäden) aus kohlenstoffreichem Stahl mit weichem kohlenstoffarmen Eisen „zusammengeklebt“.

In letzter Zeit experimentieren Materialwissenschaftler mit dem Ziel, Materialien zu schaffen, die bequemer herzustellen und damit effizienter sind. billige Materialien. Es werden selbstwachsende kristalline Strukturen untersucht, die zu einer einzigen Masse verklebt sind Polymerkleber(Zemente mit Zusätzen wasserlöslicher Klebstoffe), thermoplastische Zusammensetzungen mit kurzen Verstärkungsfasern usw.

Klassifizierung von Verbundwerkstoffen

Verbundwerkstoffe werden üblicherweise nach der Art des verstärkenden Füllstoffs klassifiziert:

• faserig (verstärkende Komponente – faserige Strukturen);
• geschichtet;
• gefüllte Kunststoffe (Verstärkungskomponente - Partikel)
  • Masse (homogen),
  • Skelett (ursprüngliche Strukturen, die mit einem Bindemittel gefüllt sind).

Vorteile von Verbundwerkstoffen

Der Hauptvorteil von CM besteht darin, dass Material und Struktur gleichzeitig erzeugt werden. Eine Ausnahme bilden Prepregs, bei denen es sich um Halbzeuge zur Herstellung von Strukturen handelt. Es lohnt sich sofort festzulegen, dass CMs für die Erfüllung dieser Aufgaben geschaffen werden und dementsprechend nicht alle möglichen Vorteile enthalten können. Beim Entwerfen eines neuen Verbundwerkstoffs steht es dem Ingenieur jedoch frei, ihm Eigenschaften zu verleihen, die den Eigenschaften herkömmlicher Materialien bei der Erfüllung von a deutlich überlegen sind In einem bestimmten Mechanismus erfüllen sie zwar einen bestimmten Zweck, sind ihnen aber in allen anderen Aspekten unterlegen. Das bedeutet, dass KM nicht besser sein kann traditionelles Material in allem, das heißt, für jedes Produkt führt der Ingenieur alles aus notwendigen Berechnungen und wählt erst dann das Optimum zwischen den Materialien für die Produktion aus.

• hohe spezifische Festigkeit (Festigkeit 3500 MPa)
• hohe Steifigkeit (E-Modul 130…140 – 240 GPa)
• hohe Verschleißfestigkeit
• hohe Dauerfestigkeit
• Aus CM lassen sich formstabile Strukturen herstellen
• Leichtigkeit

Darüber hinaus, verschiedene Klassen Verbundwerkstoffe können einen oder mehrere Vorteile haben. Einige Vorteile können nicht gleichzeitig erreicht werden.

Nachteile von Verbundwerkstoffen

Verbundwerkstoffe haben genug große Zahl Mängel, die ihre Verbreitung behindern.

Hohe Kosten

Die hohen Kosten von CM sind auf die hohe Wissensintensität der Produktion, die Notwendigkeit, spezielle teure Geräte und Rohstoffe zu verwenden, zurückzuführen und daher entwickelt Industrielle Produktion und die wissenschaftliche Basis des Landes.

Anisotropie der Eigenschaften

Geringe Schlagfestigkeit

Hohes spezifisches Volumen

Hygroskopizität

CM kann auch andere Flüssigkeiten mit hoher Penetrationsfähigkeit absorbieren, beispielsweise Flugkerosin.

Toxizität

Während des Betriebs können CMs häufig giftige Dämpfe abgeben. Wenn Produkte aus CM hergestellt werden, befindet sich dieses in unmittelbare Nähe vom Menschen stammen (der Verbundrumpf des Boeing 787 Dreamliner kann als solches Beispiel dienen), dann sind zur Genehmigung der bei der Herstellung von CM verwendeten Materialien zusätzliche Untersuchungen zu den Auswirkungen von CM-Komponenten auf den Menschen erforderlich.

Geringe betriebliche Effizienz

Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch eine geringe Herstellbarkeit, geringe Wartbarkeit und hohe Betriebskosten aus. Dies ist auf die Notwendigkeit zurückzuführen, spezielle arbeitsintensive Methoden anzuwenden. Spezialwerkzeuge zur Modifikation und Reparatur von Objekten von CM. Objekte aus CM unterliegen oft überhaupt keiner Änderung oder Reparatur.

Anwendungen

Konsumgüter

Merkmal

Die Technologie dient zur Bildung zusätzlicher Schutzschichten auf Oberflächen in Stahl-Gummi-Reibpaarungen. Durch den Einsatz von Technologie können Sie die Einschaltdauer von Dichtungen und Wellen erhöhen Industrieausrüstung Arbeiten in einer aquatischen Umgebung.

Verbundwerkstoffe bestehen aus mehreren funktionellen ausgezeichnete Materialien. Die Basis anorganische Materialien besteht aus mit verschiedenen Zusätzen modifizierten Magnesium-, Eisen- und Aluminiumsilikaten. Phasenübergänge in diesen Materialien treten bei relativ hohen lokalen Belastungen auf, nahe der Endfestigkeit des Metalls. Dabei bildet sich auf der Oberfläche im Bereich hoher lokaler Belastungen eine hochfeste Metallkeramikschicht, wodurch es möglich ist, die Struktur der Metalloberfläche zu verändern.

• Rüstungen für militärische Ausrüstung

Literatur

• Vasiliev V.V. Mechanik von Strukturen aus Verbundwerkstoffen. - M.: Maschinenbau, 1988. - 272 S.
• Karpinos D. M. Verbundwerkstoffe. Verzeichnis. - Kiew, Naukova Duma

Siehe auch

Notizen

Links

Wikimedia-Stiftung.

2010.

Sehen Sie in anderen Wörterbüchern, was „Verbundmaterial“ ist: VERBUNDMATERIAL Eine Zusammensetzung, die durch die Kombination von zwei oder mehr anderen Materialien wie Beton, Glasfaser oder Sperrholz entsteht. Typischerweise weist ein Verbundwerkstoff bessere Eigenschaften auf als diejenigen, aus denen er hergestellt ist.

Wissenschaftliches und technisches Enzyklopädisches Wörterbuch Verbundwerkstoff Leitfaden für technische Übersetzer

Wissenschaftliches und technisches Enzyklopädisches Wörterbuch- 3.3 Verbundmaterial: Ein Material, das aktives Gummipulver als Basis sowie gezielte und funktionelle Zusätze enthält und zur Modifikation bestimmt ist Asphaltbetonmischungen. Quelle … Wörterbuch-Nachschlagewerk mit Begriffen der normativen und technischen Dokumentation

Verbundmaterial Verbundmaterial. Kombinationen aus zwei oder mehr Materialien (Verstärkungselemente, Füllstoffe und Verbundmatrix). Bindemittel), unterschiedlich in Form, Zusammensetzung, Größe. Die Bestandteile behalten ihre... ... Wörterbuch der metallurgischen Begriffe

Wissenschaftliches und technisches Enzyklopädisches Wörterbuch- kompozitas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: engl. zusammengesetzt; Verbundwerkstoff vok. Verbundstoff, m rus. zusammengesetzt, m; Verbundwerkstoff, m pranc. zusammengesetzt, f; Materialverbund, m… Radioelektronikos terminų žodynas

Einführung

In den letzten Jahren wurde der Schaffung und Erforschung sogenannter Multiferroika große Aufmerksamkeit gewidmet – Materialien, die gleichzeitig ferroelektrische und ferromagnetische Eigenschaften aufweisen.

Multiferroika können sowohl in einphasiger als auch in zusammengesetzter Form realisiert werden. Die meisten einphasigen multiferroischen Materialien zeigen magnetoelektrische Eigenschaften in Tieftemperaturbereichen, hauptsächlich bei kryogenen Temperaturen.

Eine Alternative zu diesen praktisch unbrauchbaren einphasigen Multiferroika wurden in sogenannten Verbundwerkstoffen gefunden, künstlich hergestellten Materialien durch eine Kombination zweier Phasen, beispielsweise einer Kombination aus piezoelektrischen und piezomagnetischen Phasen oder magnetostriktiven und piezoelektrischen Phasen. Diese Materialien halten ferroelektrische Strukturen bei Temperaturen nahe der Raumtemperatur im Gleichgewicht. Sie haben einen großen magnetoelektrischen (ME) Effekt, magnetostriktive und piezoelektrische Phasen von guter Qualität und gehören zu den sogenannten multifunktionalen Materialien. Die wichtigste Errungenschaft bei der Herstellung synthetischer Verbund-Multiferroika ist ihre relativ einfache und kostengünstige Herstellung sowie die Möglichkeit, das molekulare Phasenverhältnis und die Korngröße jeder Phase zu steuern. Es gibt auch ein Problem, das mit der Verhinderung möglicher Ereignisse verbunden ist chemische Reaktion an den Grenzen zwischen ferroelektrischer und magnetischer Phase während der Synthese, was beispielsweise zum Verlust dielektrischer Eigenschaften führt. Im Allgemeinen sind bei Verbundwerkstoffen die Korngröße, die Form und die Grenzen zwischen den Körnern die Hauptelemente, die zur Entstehung neuer Eigenschaften führen und gleichzeitig die „Muttereigenschaften“ der Phasen beibehalten. Daher ist bekannt, dass es zu einem Anstieg des kolossalen magnetischen Widerstands (CRM) kommen kann, der im Spin-Polarisations-Tunnelmodell durch das Auftreten nichtleitender Barriereschichten zwischen den Körnern erklärt wird.

Mir wurden dann folgende Aufgaben übertragen:

1) Machen Sie sich mit der Literatur zu zusammengesetzten Multiferroika der vorgestellten Probe vertraut;

2) Untersuchung der Eigenschaften und Struktur von (La 0,5 Eu 0,5) 0,7 Pb 0,3 MnO 3 und PbTiO 3;

3) PbTiO 3 in polykristalliner Form synthetisieren und einen Einkristall (La 0,5 Eu 0,5) 0,7 Pb 0,3 MnO 3 züchten;

4) Beginnen Sie mit der Untersuchung der magnetischen, magnetoelektrischen und anderen Eigenschaften (1-x) (La 0,5 Eu 0,5) 0,7 Pb 0,3 MnO 3 + xPbTiO 3.

Beispiele für Verbundwerkstoffe

Was sind Verbundwerkstoffe?

Verbundwerkstoffe sind Materialien, die aus zwei oder mehr unterschiedlichen Phasen bestehen und Eigenschaften besitzen, die den Originalkomponenten nicht eigen sind. Diese Definition spiegelt die Idee eines Verbundwerkstoffs gut wider, ist jedoch zu weit gefasst, da sie die überwiegende Mehrheit der Materialien und Legierungen abdeckt (z. B. Stahl, Gusseisen, Beton usw.). Anscheinend wäre eine andere Definition besser: Verbundwerkstoffe sind eine dreidimensionale monolithische künstliche Kombination aus zwei oder mehr Materialien (Komponenten) unterschiedlicher Form und Eigenschaften mit einer klaren Schnittstelle, die die Vorteile jeder Komponente nutzt und durch Grenzprozesse neue Eigenschaften aufweist .

Typischerweise bestehen Verbundwerkstoffe aus einer Basis (Matrix) aus einem Material, die mit Füllstoffen aus Fasern, Schichten und dispergierten Partikeln eines anderen Materials verstärkt wird. Dadurch werden die Festigkeitseigenschaften beider Komponenten vereint. Durch Auswahl der Zusammensetzung und Eigenschaften von Füllstoff und Matrix, ihres Verhältnisses und der Ausrichtung des Füllstoffs ist es möglich, ein Material mit der erforderlichen Kombination von betrieblichen und technologischen Eigenschaften zu erhalten.

Ein Verbundwerkstoff unterscheidet sich von einer Legierung dadurch, dass die einzelnen Komponenten im fertigen Verbundwerkstoff ihre inhärenten Eigenschaften behalten. Die Komponenten müssen an der Verbundschnittstelle interagieren und dürfen nur positive neue Eigenschaften aufweisen. Ein solches Ergebnis kann nur erreicht werden, wenn die Eigenschaften der Komponenten im Verbundwerkstoff erfolgreich kombiniert werden, d. h. Bei der Verwendung eines Verbundwerkstoffs sollen nur die erforderlichen Eigenschaften der Komponenten zum Vorschein kommen und deren Mängel ganz oder teilweise beseitigt werden.

Daher:

Der resultierende Verbund erhält neue, beste Eigenschaften und kann daher zusätzliche Funktionen erfüllen (multifunktionales Material);

Die Eigenschaften des Verbundstoffs sind besser als die seiner Komponenten einzeln oder zusammen, ohne Berücksichtigung von Randprozessen;

Die Wirkungen einzelner Komponenten eines Verbundes manifestieren sich immer in ihrer Gesamtheit unter Berücksichtigung der an der Phasengrenzfläche ablaufenden Prozesse.

Der aktive Einsatz von Verbundwerkstoffen begann in den frühen 70er Jahren, obwohl die Idee, zwei oder mehr Ausgangsmaterialien als Komponenten zu verwenden, die eine Verbundumgebung bilden, schon existiert, seit man sich mit Materialien beschäftigt.

Das Ziel bei der Herstellung eines Verbundwerkstoffs besteht darin, eine Kombination von Eigenschaften zu erreichen, die nicht jedem einzelnen Originalmaterial eigen sind. Somit kann der Verbundwerkstoff aus Materialien hergestellt werden, die selbst nicht den Anforderungen genügen. Da sich diese Anforderungen auf physikalische, chemische, technologische und andere Eigenschaften beziehen können, liegt die Wissenschaft der Verbundwerkstoffe an der Schnittstelle verschiedene Bereiche Wissen und erfordert die Beteiligung von Forschern verschiedener Fachrichtungen.

Traditionell waren Materialauswahl und Design von Strukturbauteilen getrennte Aufgaben. Als Verbundwerkstoffe begannen, Metalle und Legierungen in Bereichen wie dem Flugzeug-, Schiffs- und Automobilbau zu ersetzen, Industriedesign und die Wahl des Materials passte zusammen und wurde einfach verschiedene Aspekte ein Prozess.

Es ist zu beachten, dass es neben der strukturellen Anisotropie des Verbundwerkstoffs eine technologische Anisotropie gibt, die bei der plastischen Verformung isotroper Materialien auftritt, und eine physikalische Anisotropie, die beispielsweise Kristallen innewohnt und mit den Strukturmerkmalen des Kristallgitters verbunden ist.

Basierend auf der Produktionsmethode gibt es zwei Arten von Verbundwerkstoffen: künstliche und natürliche. Alle als Ergebnis erhaltenen Verbundwerkstoffe künstliche Verabreichung Verstärkungsphase in die Matrix, zu natürlichen Legierungen mit eutektischen und ähnlichen Zusammensetzungen. In eutektischen Verbundwerkstoffen besteht die Verstärkungsphase aus orientierten faserigen oder plattenförmigen Kristallen, die auf natürliche Weise während des Prozesses der gerichteten Kristallisation entstehen.

Wenn neue Verbundwerkstoffe erstellt werden, erweitern sich die „alten“ Klassifizierungsarten und es können neue entstehen.

Beim Studium der Literatur zu magnetischen und magnetoelektrischen Verbundwerkstoffen habe ich die folgenden Verbundwerkstoffe auf Oxidbasis gefunden, die synthetisiert und untersucht wurden:

1. „MgFe 2 O 3 -BaTiO 3“;

2. „BaTiO 3 – (Ni, Zn) Fe 2 O 4“;

3. „La 0,67 Ca 0,33 MnO 3 -CuFe 2 O 4“;

4. „(La 0,7 Ca 0,3 MnO 3) 1-x / (MgO) x“;

5. „La 2/3 Ca 1/3 MnO 3 /SiO 2“;

6. „La 0,7 Sr 0,3 MnO 3 / Ta 2 O 5“.