http://www.naftaros.ru — Композиционные материалы, области применения

Высокая коррозионная стойкость, способность к восприятию ударных нагрузок, отличное качество поверхности, красивый внешний вид обусловили широкое применение композиционных материалов практически во всех отраслях промышленности.

Видное место занимают эти материалы в производстве изделий для автомобильного и городского транспорта. Из них изготавливают корпуса легковых автомобилей, автобусов, детали внутреннего интерьера, кабины грузовиков, баки для горючего, цистерны для перевозки жидких и сыпучих грузов, корпуса и детали внутреннего интерьера трамваев и автобусов.

Широкое применение нашли композиционные материалы в авиационной и ракетно-космической технике, где используются такие их свойства, как высокая удельная прочность и стойкость к воздействию высоких температур, стойкость к вибрационным нагрузкам, малый удельный вес. Из этих материалов изготавливаются корпусные детали и детали внутреннего интерьера.

Очень широко композиционные материалы применяются в области судостроения. Уникальные свойства композиционных материалов позволяют изготавливать высокопрочные, легкие корпуса катеров, яхт, шлюпок.
Из композиционных материалов также изготавливаются спасательные шлюпки для танкеров, перевозящих нефтепродукты. Такие шлюпки способны вынести экипаж судна из зоны разлившейся горящей нефти в случае аварии. Этой возможности позволили достигнуть уникальные свойства применяемых материалов, их высокая теплоизоляция и огнестойкость.

Развитие промышленности композитов в районе Персидского залива происходит чрезвычайно быстро. Композиционные материалы применены в одном из наиболее престижных проектов в регионе — строительстве гостиницы Jumeirah Reach Tower. Гостиница Jumeirah Reach Tower, строительство которой уже закончено в Дубаи, как объявляют, является самым высоким зданием гостиницы в мире. Ее высота 321 метр, это выше, чем Эйфелева башня в Париже. Приблизительно 33 000 квадратных метров сэндвичевых панелей соединяют гостиничные номера и гиганский, почти 200 метров высотой атриум. Панели произведены из композиционных материалов. Огнестойкая смола и гелькоут были спроектированы и полностью проверены для использования в этом проекте. Рекомендация и опыт этого проекта, как ожидается, вызовет значительный интерес в строительной промышленности.

В области железнодорожного транспорта композиционные материалы постепенно занимают лидирующее место благодаря своим великолепным свойствам. С каждым годом все больше компаний переходят на изготовление из композиционных материалов не только отдельных деталей, но и кузовов в целом. 

Настоящий переворот совершили композиционные материалы в области сельского хозяйства. Антикоррозионные свойства этих материалов позволяют применять их там, где не выдерживают другие материалы. Это элементы животноводческих ферм, емкости для хранения минеральных удобрений, отходов, сельскохозяйственных заготовок. Композиционные материалы используются для изготовления кузовов сельскохозяйственной техники. Это позволяет значительно сэкономить средства не только при производстве, но и в процессе эксплуатации, так как в межсезонье трактора, уборочные машины не требуют затрат на обслуживание кузовных деталей, а срок службы этих деталей намного больше. 

Одной из все более расширяющихся областей применения композиционных материалов является мостостроение. Использование стеклопластика открывает перспективный путь строительства мостов из новых материалов. Рассматриваемое строительство — мост длиной 40 метров, протянутый поперек одной из наиболее загруженных железных дорог в Дании. Изготовлен  первый композитный мост, специально разработанный, для создания железнодорожных переходов. Ключевым условием создания моста, для одной из наиболее загруженных железных дорог Дании, было то, что он должен был быть установлен в самые сжатые сроки. В то же время сооружение должно было соответствоватьопределенным практическим и эстетическим критериям. Мост был смонтирован за 16 часов. Работа была выполнена ночью. Мост состоял из трех компонентов, которые были установлены на опоры с болтами — кстати, единственные элементы моста, требующие соединений. 

Композиционные материалы будут все больше и больше использоваться как Материал в наземном строительстве. Налицо многочисленные преимущества: мосты из композиционных материалов, которые требуют только косметического обслуживания в течение более чем 50 последующих лет. Подобный мост, построенный из стали весил бы 28 тонн и нуждался в замене некоторых частей каждые 25 лет. То же самое применимо и к железобетонному мосту, который весил бы 90 тонн. Одно из главных преимуществ конструкций из композитов, имеющих небольшую массу, состоит в том, что они требуют меньших, менее дорогих опор. Кроме того, они не подвержены коррозии. Мост разработан из стандартных профилей и может производиться по более низкой стоимости, чем аналогичный стальной или бетонный мост.

Новый сложный мост был построен в Швейцарских Альпах прошлой осенью. Этот мост состоит из двух элементов, весящих по 900 кг, которые были установлены при помощи вертолета. Элементы были склеены и соеденены болтами вместе. Мост, собранный из стали, едва ли смог бы транспортироваться вертолетом. Еще одно преимущество проекта состоит в том, что мост может быть легко демонтирован в случае весенних наводнений.

В оборонной промышленности композиционные материалы сыграли важную роль в стратегии и направлении новейших разработок. Так защитные каски, бронежилеты, традиционно изготавливаемые во всех странах многие годы из металла, в настоящее время также изготавливаются из композиционных материалов. Скоростные суда, транспортные корабли, самолеты невидимки, все это создано только благодаря использованию композиционных материалов, постоянному поиску новых материалов и технологий.

В очень большом количестве композиционные материалы используются в нефтеперерабатывающей промышленности. В настоящее время из этих материалов изготавливают элементы нефтяных платформ, трубы для нефте- и газопроводов. В этом году заканчивается строительство завода в Узбекистане по производству труб для нефте- и газопроводов. Мощность предприятия определяется исходя из объема потребления только огнестойкого ненасыщеного полиэфира в колличестве 6,5 тыс. тонн в год. 

Лопасти и корпуса ветряных электростанций, трейлера, рефрежераторы, предметы бытового назначения, сантехника, искусственный мрамор, полимербетон, гидроизоляция тонелей метрополитенов, изолирующие накладки, сидения для транспорта и общественных мест, малые архитектурные формы, мебель, все это и многое другое в настоящее время производится из композиционных материалов.

Композиционные материалы для аддитивных технологий

Содержание страницы

Композиционные материалы имеют большие перспективы применения во многих отраслях промышленности, прежде всего в авиакосмической. Существенный интерес проявляется к созданию металломатричных композитов с помощью аддитивных технологий .

Свойства композиционных материалов в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительной особенностью композиционных материалов является то, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Вместе с тем композиционным материалам присущи свойства, которыми не обладают отдельно взятые компоненты, входящие в их состав. Для оптимизации свойств композиций выбирают компоненты с резко отличающимися, но дополняющими друг друга свойствами.

Композиционные материалы имеют ориентированную структуру и по своей природе являются гетерогенными. По структурным признакам композиционные материалы разделяют на волокнистые, слоистые и дисперсно-упрочненные композиционные материалы. Волокнистые композиции состоят из матрицы, содержащей упрочняющие одномерные элементы в форме волокон (проволоки) и нитевидных кристаллов. Слоистые композиты представляют собой набор чередующихся армирующих компонентов в виде листовых, пластинчатых и фольговых материалов, жестко связанных между собой по всей поверхности. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы содержат равномерно распределенные в объеме матрицы дисперсные нуль-мерные частицы, не взаимодействующие активно с матрицей и не растворяющиеся в ней.

Особенностью волокнистых композиционных материалов и подобных им слоистых композиционных материалов является возможность сочетания химически инертных по отношению одна к другой составляющих – матрицы и упрочнителей. Прочность волокнистых композиционных материалов определяется нагрузкой, которую выдерживают высокопрочные волокна, а матрица – лишь среда, передающая нагрузку на волокна посредством пластического деформирования. У волокнистых и слоистых композиционных материалов несущим элементом выступает армирующее волокно, проволока или фольга (фаза-упрочнитель), которые по своей природе имеют высокую прочность, весьма высокий модуль упругости и, как правило, сравнительно низкую плотность (табл. 17, 18). В волокнистых композициях матрица скрепляет волокна или другие упрочняющие элементы в единый монолит, защищая их от повреждений. Она является средой, передающей нагрузку на волокна, а в случае разрушения отдельных волокон перераспределяет напряжения. Кроме того, ее механические свойства определяют характер поведения материала при сдвиге, сжатии и усталостном разрушении.

Таблица 17

Механические свойства некоторых металлических волокон

В дисперсно-упрочненных композиционных материалах основным элементом, несущим нагрузку, является матрица, в которой с помощью множества дисперсных практически не растворяющихся частиц и однородной дислокационной структуры создается эффективное торможение дислокаций. В этих композитах торможение движения дислокаций обеспечивается путем сложного легирования твердого раствора и создания оптимальных по размерам и распределению частиц вторых фаз. Структура дисперсно-упрочненных композиционных материалов термически стабильна вплоть до температуры начала плавления за счет введения химически инертных некогерентных частиц окислов, нитридов, карбидов или других фаз – упрочнителей оптимальных размеров, формы, распределения и объёмной доли. Дисперсно-упрочненные композиты специально предназначены для работы в условиях длительного воздействия высоких температур.

Таблица 18

Свойства волокон и нитевидных кристаллов

Структура, взаимодействие компонентов и свойства композиционных материалов в значительной степени зависят от методов их изготовления.

Выбор технологического метода определяется в основном следующими факторами:

• видом исходных материалов матрицы и упрочнителя;
• возможностью введения упрочнителя в матрицу без повреждения его, создания прочной связи на границе раздела упрочнитель – матрица и максимальной реализации в материале свойств матрицы и упрочнителя, получения необходимого распределения упрочнителя в матрице, совмещения процессов получения материала и изготовления из него детали;
• экономичностью процесса.

Технологии изготовления дисперсно-упрочненных композитов

Для введения в матрицу частиц окислов или других упрочнителей используют методы порошковой металлургии, а также методы непосредственного введения наполнителей в жидкий металл или сплав перед разливкой. В последнем случае для очистки от жировых и других загрязнений, улучшения смачиваемости частиц жидким металлом и равномерного распределения их в матрице применяют ультразвуковую обработку жидкого расплава. Разработаны и другие способы введения дисперсных наполнителей в матричный расплав: механическое перемешивание, подача в струе газа; расплавление гранул из смеси порошков основного металла и наполнителя, введение в расплав капсул или таблеток со смесью наполнителя и легкоплавкого флюса; образование частиц мелкодисперсной фазы в металлическом расплаве в результате реакции в процессе плавки.

В основе эффективности метода порошковой металлургии лежит качество смешения порошков. Тонкие металлические порошки матрицы в смесителях или шаровых мельницах смешивают со сверхтонкими порошками упрочняющей фазы. Однородность смешения тем ниже, чем больше различие в насыпных весах порошков. Ограничения этих процессов обусловлены комкованием дисперсных частиц при смешении, обычно не удается достичь однородного распределения размеров частиц.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на алюминиевой основе, нашедшие широкое промышленное применение, в основном получают методами порошковой металлургии. Так, например, САП – путем последовательного брикетирования, спекания и прессования окисленной с поверхности алюминиевой пудры. Исходным материалом для сплавов САП служит порошок, который изготовляют распылением расплавленного алюминия. Спеченные алюминиевые сплавы (САС) изготовляют в основном по той же технологии, что и САП – из порошков, полученных распылением сплавов заданных составов.

Другой путь введения упрочняющих окислов – внутреннее окисление. Сущность метода заключается в том, что при изотермическом отжиге порошков из низколегированного твердого раствора в контролируемой окислительной атмосфере, окисляться будет преимущественно тот компонент, сродство которого к кислороду больше. Металлическими матрицами в этом способе могут служить такие сравнительно легко восстановимые металлы, как серебро, медь, никель и железо.

Основные трудности этого метода, позволяющего получать равномерное распределение упрочняющей фазы с хорошей дисперсностью, связаны с получением мелкозернистого порошка малолегированных, а поэтому пластичных твердых растворов.

Для получения дисперсно-упрочненных сплавов на основе никеля наилучшими оказались химико-металлургические методы, обеспечивающие смешение компонентов на уровне, близком к молекулярному. Сами процессы в технологическом отношении достаточно просты и позволяют использовать обычное химическое и металлургическое оборудование. Сплавы получают путем осаждения из водных растворов солей, при активном перемешивании которых образуется гидроокисная карбонатная пульпа. После фильтрации производится сушка, затем при 400-450С разложение солей и удаление летучих составляющих, в результате последующего прокаливания при 800-900С в камерной печи получают тонкую равномерную смесь окислов никеля и упрочнителя в виде окислов тория, гафния, иттрия и других.

Затем следует селективное восстановление окислов никеля (матрицы) до металла в водородной атмосфере и брикетирование заготовок. Заготовки проходят стадию спекания и экструзию при 1000-1050С. Прочностные характеристики дисперсно-упрочненных сплавов на основе никеля формируются при последующей деформации экструдированных заготовок в сочетании с высокотемпературным отжигом.

Заключительная деформационно-термическая обработка позволяет получить в результате полигонизации очень стабильную субструктуру, причем стабильные субзеренные границы формируются преимущественно на частицах диаметром более 50 нм. Располагаясь в стыках субграниц, эти частицы стабилизируют субструктуру вплоть до предплавильных температур.

Метод механического легирования, применимый к любым материалам матриц и упрочнителей, отличается иным подходом к измельчению и смешению порошков. Метод смешения порошков позволяет получить средний состав композиции в макроскопических объемах навески шихты, механическое легирование обеспечивает средний состав композиции в объеме каждой порошинки. Идея метода была заимствована из технологии лакокрасочного производства. Для измельчения и смешения порошков металлов и упрочнителей применили схему аттритора, используемого для растирания красок.

При механическом легировании большое значение имеют тип и технические характеристики (в первую очередь энергонапряженность) того агрегата, в котором проводится обработка порошковой смеси. В последнее время наряду с аттриторами для механического легирования используют более энергонапряженные мельницы планетарного типа. В планетарных мельницах в результате высокоэнергетического воздействия ускоряются (более чем в 10 раз) все структурные изменения, необходимые для получения качественного материала. Также можно использовать энергонапряженные мельницы планетарного типа для получения композитов крупных матричных частиц, включая отходы механической обработки, например, алюминия и его сплавов, что позволяет расширить сырьевую базу и несколько снизить стоимость композиционного материала данного класса.

Получение композиционных материалов по порошковой технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) основано на проведении экзотермических реакций химического взаимодействия между компонентами исходной порошковой смеси, приводящих к синтезу тугоплавких соединений. Синтез сопровождается высокими температурами (1800-3000С) и наблюдается как послойное горение со скоростью распространения фронта реакции по смеси 0,1-15 см/с, или объемное одновременное сгорание всей смеси (соответственно послойный и объемный СВС). Для спекания порошковых металлических материалов порошковую прессованную заготовку нагревают в электропечи до температуры воспламенения. Этот этап обработки называют периодом нагрева. Затем наступает период горения, в процессе которого происходят экзотермические реакции взаимодействия металлических компонентов при значительном выделении тепла. Развивающиеся при этом температуры достаточны для консолидации порошковых материалов, поэтому электропечь отключают. При последующем периоде догорания происходят процессы кристаллизации материала. Короткий период процесса и возможность синтезировать компоненты в одну стадию позволяют существенно повысить производительность изготовления композиционных материалов по сравнению с промышленными технологиями. К другим достоинствам технологии СВС относятся:

• обеспечение термодинамической устойчивости композитов за счет большого тепловыделения при СВС;
• обеспечение плотного контакта и хорошей связи (адгезии) между фазами, т.к. здесь новые фазы образуются непосредственно внутри композита, имеют свежие поверхности, не контактируют с атмосферой и не содержат газов;
• предотвращение химической деградации тонких керамических частиц, образуемых при СВС;
• предотвращение нежелательного роста зерен, т. к. СВС-процесс протекает быстро;
• обеспечение широкого диапазона состава композиционных материалов.

Традиционные промышленные способы получения композиционных сплавов на алюминиевой матрице включают, как минимум, две стадии: синтез порошковых упрочняющих фаз и механическое введение в расплав алюминия тонкодисперсных порошков упрочняющих фаз. Для повышения смачиваемости частиц расплавом алюминия синтезированные порошки подвергают промежуточной операции химического или электрохимического плакирования никелем или медью, и ввод порошков осуществляют при повышенных (1200-1300С) температурах жидкого Al. Эти традиционные способы весьма сложны в технологическом отношении и дорогостоящи с точки зрения энергетики.

Близок к СВС-процессу САМ-процесс – получение литых композиционных материалов синтезом эндогенных армирующих материалов в жидкой матрице. САМ-процесс обеспечивает непрерывный и плотный контакт фаз и достаточно прочную связь между ними в литом композиционном материале. Сущность технологии в том, что дисперсные частицы армирующей фазы не вводят в расплав извне, а синтезируют в нем за счет экзотермических химических реакций между предварительно введенными компонентами. САМ-процессом можно получить, например, в расплавах алюминия дисперсные частицы тугоплавких карбидов, оксидов, нитридов, интерметаллидов. Дисперсность полученных частиц регулируется в широких пределах (0,1-20 мкм) изменением технологических параметров процесса.

Исходные материалы для САМ-процесса вводят в расплав замешиванием порошков различной дисперсности (20 мкм в диаметре). Обычно, чем крупнее частицы, тем легче они замешиваются в расплав. Полученная твердожидкая смесь называется премиксом и является полуфабрикатом для САМ-процесса. Премиксы получают при нагреве сплавов алюминия до 700-800С, при которых указанные вещества не реагируют друг с другом.

Премиксы можно рафинировать, дегазировать, получать слитки и фасонные заготовки, обрабатывать давлением в твердом и жидком состоянии. Для начала (запуска) САМ-процесса нужен общий или локальный разогрев премикса до температур выше 1100-1300С. Запуск САМ-процесса проводится непосредственно в литейной форме, применением локального разогрева, например, дугой от сварочного аппарата. Начальная температура премикса должна быть 600-700С, когда премикс находится в твердожидком состоянии. Поскольку реакции образования тугоплавких соединений – экзотермические, то САМ-процесс после запуска обеспечивает распространение реакции синтеза на весь объем премикса. Для непрерывного поддержания реакции необходимо достаточное количество теплоты.

В САМ-процессе армирующие частицы образуются внутри расплава, не контактируют с атмосферой, не содержат газов. Контакт частиц с расплавом плотный и непрерывный, а поверхностные связи с матрицей обладают максимально возможной для данной системы прочностью. Получаемые литые композиты термомеханически устойчивы, их свойства и структура сохраняются при переплавах и в процессе эксплуатации изделий.

Способы жидкофазной технологии отличаются универсальностью, возможностью достаточно тонко регулировать параметры технологического процесса и высокой производительностью. Интенсификация процессов течения расплавов по поверхности наполнителя и взаимодействия достигается дополнительным механическим воздействием, например, использованием композиционного литья. Этот способ заключается в ведении порошковых частиц в матричный расплав при энергичном перемешивании.

Установка для композиционного литья включает тигель с матричным расплавом, установленный в печи сопротивления и снабженный донным стопором (рис. 79). Температура в печи и в расплаве контролируется термопарами. Армирующие дисперсные частицы вводят в тигель засыпкой сверху при вращающемся импеллере (impeller – лопастное крыло, крыльчатка).

Рис. 79. Схема установки для композиционного литья: 1 – тигель с расплавом, 2 – подача порошка, 3 – импеллер, 4 – печь, 5 – литейная форма, 6 – стопор

Перемешивание продолжают до начала адгезионного взаимодействия в системе матрица – наполнитель. После подготовки жидкометаллической суспензии открывают донное отверстие и заливают суспензию в форму. На качество композиционного материала влияют скорость вращения импеллера, отношение диаметра импеллера к диаметру тигля и высота расположения импеллера над дном тигля. Конструкция установки усложняется, если вводимые частицы необходимо защищать от окисления. В этом случае шток импеллера делают полым и размещают в нем требуемое количество порошка, который не только прогревается до заданной температуры в замкнутом объеме, но и вводится под зеркало расплава. Подобная конструкция ротора предотвращает замешивание воздуха в расплав.

Кроме композиционного литья используют и другие способы введения наполнителей в расплав. Вихревой метод заключается в перемешивании расплава таким образом, чтобы в нем возникли вихревые зоны, в которые и вводят армирующие частицы. Поскольку скорости перемешивания в этом случае меньше, чем при композиционном литье, то количество вводимого порошка уменьшается. Если же использовать порошки с металлическими покрытиями, например, графитный порошок с никелевым покрытием, то количество вводимого порошка можно увеличить. Литые заготовки из подобных композиционных материалов изготавливают заливкой в кокиль или литьем под давлением.

Установка для введения наполнителя в расплав инжекционным методом состоит из плавильной печи, расположенного в ней тигля с донным стопором, форсунки для распыления потока, питателя для дозированной подачи армирующих частиц и литейной формы (рис. 80). После достижения требуемой температуры стопор поднимается, и расплав начинает вытекать из тигля; газовым потоком из форсунки струя расплава дробится на капли, а под воздействием давления газа частицы, поступающие из питателя, внедряются в распыленный состав. Усвоение частиц улучшается при легировании, например, алюминиевых матриц кальцием (около 2 %), медных – титаном (0,5 %). Капли расплава попадают либо в форму, где образуется слиток из композиционного материала, либо на движущуюся подложку с образованием ленты-полуфабриката. Заготовки из таких композитов могут переплавляться, а полученный расплав – заливаться обычными литейными методами без ухудшения их физико-механических свойств.

Рис. 80. Схема установки для инжекционного введения частиц в матричный расплав: 1 – распыляющее устройство; 2 – стопор; 3 – тигель с расплавом; 4 – печь; 5 – питатель для армирующего порошка; 6 – форма

Наиболее существенным недостатком различных методов замешивания армирующих частиц в матрицу является отсутствие плотного контакта фаз и возможность выкрашивания армирующих частиц из матрицы. Для устранения этих недостатков применяют адаптацию – процесс плавного предварительного приспособления частиц к условиям, ожидающим их в процессе совмещения с жидким металлом. Адаптация может быть термической или физико-химической. Термическая заключается в медленном нагреве армирующей фазы до температуры расплава перед ее вводом в расплав. При физико-химической адаптации порошки металла и армирующих фаз длительно смешиваются в вибромельницах, при этом поверхность более твердых частиц армирующих фаз частично покрывается слоем более мягкого металла.

Применение более сложных и тонких способов получения литых композитов позволяет эффективно использовать композиционные материалы для получения деталей с улучшенными эксплуатационными свойствами и для модифицирования сплавов, в частности алюминиевых.

Некоторые литые дисперсно-упрочненные композиционные материалы изменяют свои свойства при обработке давлением и термообработке. Обработка давлением повышает плотность литых композиционных материалов, а также улучшает сцепление армирующих частиц с матрицей. Термообработка, примененная после обработки давлением, оказывает заметное влияние на свойства литых композитов и позволяет в ряде случаев повысить прочность еще на 10-20 %. В необработанном, насыщенном порами композите влияние термообработки почти полностью нейтрализуется отрицательным влиянием пористости.

При выборе способа изготовления необходимо помнить, что основной вклад в ценообразование композиционных материалов вносит используемая технология их синтеза.

Значительное повышение свойств материалов, полученных посредством аддитивных технологий, может быть достигнуто при переходе от металлов и сплавов к соответствующим металломатричным композитам с использованием в качестве упрочняющей фазы микрочастиц и особенно наночастиц тугоплавких соединений . С применением аддитивных технологий получены композиты Fe/SiC , Al/Fe₂O₃ , Al-Si-Mg/SiC , Al₅₀Ti₄₀Si₁₀ , WC/Co , Ti₅Si₃/TiN , Ti-Al/TiC , W-Ni-Cu , сталь 316L/TiC(TiB₂) , Al-4.5Cu-3Mg/SiC .

В качестве исходных материалов в экспериментах используются смеси индивидуальных компонентов композитов, подвергнутые гомогенизации (перемешиванию) механообработкой преимущественно в планетарных мельницах. Условия этой обработки таковы, что в случае использования наноразмерной упрочняющей фазы достигается лишь ее перенос на поверхность металлических частиц матрицы без внедрения наночастиц в объем металла.

Важная область исследований связана с применением технологий АП для изготовления металлокерамических композиционных материалов с металлической матрицей (ММС – metal-matrix composite), например вольфрам-карбидного композита (Co-WC ММС) . Плотность ММС, изготовленных с помощью АП-технологий, в значительной степени зависит от повышенного содержания газов, агломерации частиц и микротрещин, развивающихся по границам между включениями и матрицей .

Металломатричные композиты с титановой матрицей, усиленные керамическими частицами (TiB, SiC, Al₂O₃ и B₄C) имеют улучшенные параметры сопротивления износу и растяжению . Так, например, небольшое количество включения TiB значительно повышает модуль упругости. От морфологии включений, упрочняющих матрицу, зависят такие свойства как сопротивление износу и предел прочности при растяжении, поэтому уменьшение размера и формы включений должно дать положительный эффект. В работе показано, что увеличение объемной доли TiB в титановой матрице и выбор более мелких частиц (45 мкм вместо 100 мкм) значительно увеличивает твердость по Виккерсу и предел прочности при растяжении.

Технологии изготовления волокнистых композиционных материалов

Для получения волокнистых композиционных материалов с требуемым комплексом свойств необходимо:

• легирование матрицы для уменьшения взаимодействия и растворимости в ней армирующих волокон;
• создание барьерных слоев на волокнах для предотвращения взаимодействия их с матрицей;
• разработка низкотемпературных и скоростных методов изготовления деталей из композиционных материалов, при которых отмечается требуемый уровень взаимодействия, обеспечивающий достижение расчетного значения свойств;
• использование схем армирования, позволяющих с максимальной эффективностью реализовать в композиционном материале потенциальные свойства волокон;
• создание методов расчета, которые позволяли бы прогнозировать составы матриц и упрочнителей, обеспечивающих сохранение заданного уровня свойств при длительной эксплуатации.

Существует большое разнообразие методов получения композиционных материалов, выбор которых определяется не только свойствами, которые должен иметь материал, но и задачами получения геометрии детали. Любой метод получения волокнистых композиционных материалов должен обеспечить:

• введение в матрицу упрочняющей арматуры без её разрушения;
• возможность введения значительной объёмной доли упрочняющих волокон;
• равномерность распределения волокон;
• отсутствие изменений свойств волокон и матрицы при проведении технологических операций;
• достижение необходимой прочности связи волокно-матрица;
• получение изделия заданной формы.
• Условно методы получения волокнистых композиционных материалов можно разделить на две группы:
• традиционные способы обработки материалов с целью получения структуры композиционных материалов;
• совместная переработка полученных раздельно волокон и матриц с оформлением геометрии детали.

Методы получение упрочняющих волокон. Непрерывные волокна подразделяют на пластичные металлические и хрупкие неметаллические. Пластичные металлические волокна из металлов и их сплавов получают традиционными методами металлургического производства, включающими экструзию, волочение, прокатку, прессование и др. Наиболее распространенным из них является волочение, т.е. деформирование металла протягиванием катаных или прессованных заготовок через фильеру меньшего сечения. Методы получения непрерывных волокон из неметаллических материалов разделяют на две группы: разложение органических волокон и осаждение из газовой фазы.

Технологические процессы получения композиционных материалов. Полученные раздельно волокна и матрица подвергаются совместной переработке с целью оформления геометрии детали. Метод совместной переработки – сборка композиционных материалов из волокна и матрицы, в сущности, включает две составляющие:

• переработку волокна с получением промежуточных заготовок, например монослоев;
• собственно «сборку» – изготовление компактного композиционного материала в форме детали.

В подавляющем большинстве технологий волокна наполнителя пропитывают связующим составом, погружая на несколько секунд армирующее волокно в жидкое связующее (рис. 81). Иногда связующий материал наносят кистью или распылителем на заранее уложенный слой наполнителя. Скорость пропитки существенно зависит от физических свойств наполнителя и связующего, от структуры армирующего волокна и технологического режима пропитки. Наибольшее влияние на скорость пропитки оказывают силы поверхностного смачивания волокон и капиллярного подъема связующего в порах, а также структура наполнителя, характеризуемая пространственным расположением волокон, нитей, жгутов.

История композитных материалов

Роман Барский

08 сентября 2020, 08:01

Композиты появились несколько тысяч лет назад. Из композитных материалов сделаны погребальные маски фараонов Древнего Египта  — их изготавливали из папируса, пропитанного древесной смолой. Кирпичи из глины и соломы, саман, — тоже композит. Жилища из самана строили еще в девятом тысячелетии до нашей эры. Конечно, ни о какой науке речи не шло — ​мастера того времени и не думали, что, соединяя разные материалы, создают композит. Они просто смешивали их друг с другом и выбирали подходящую комбинацию.

Наверняка вы много раз читали о том, что советский многоразовый космический корабль «Буран» был покрыт теплоизоляционной керамической плиткой. Произнося слово «керамический», каждый представляет что-то свое. Кто-то раковину в ванной комнате, кто-то любимую кружку, кто-то тонкий фарфор и керамический «Буран» в струях плазмы. На самом деле космический корабль был покрыт плиткой из легкого материала, по структуре, похожего на мелкий, воздушный … засохший зефир. Делались плитки из взбитых, практически вспененных, кварцевых волокон.

Итак, поговорим о компопозитах.

Железобетон — первый «осмысленный» композитный материал. Его придумали в конце XIX века. Можно сказать, что композитные технологии появились именно тогда. Композит состоит из нескольких материалов, и что важно, с четкой макрограницей между ними. Так, упомянутый выше железобетон состоит из двух компонентов: металлической сетки и бетона с хорошо различимой границей. Другой многокомпонентный материал, сталь, — не композит. В ней углерод внедряется в кристаллическую решетку железа, и граница становится неразличима.

Многие интересные материалы появились благодаря военным разработкам. Во времена Второй мировой войны во Всесоюзном институте авиационных материалов придумали дельта-древесину — легкий и прочный материал из древесного шпона, пропитанного фенолили крезолоформальдегидной смолой. Из-за острой нехватки металла из дельта-древесины изготавливали силовые структуры самолетов, части их фюзеляжа и крыльев. Деревянные самолеты отлично показали себя в бою. Другой необычный материал, пайкерит, —  тоже заслуга военных.

Британцы создали ковкий и прочный композит из целлюлозы и льда. Материал оказывает примерно такое же сопротивление взрыву, как бетон, а тает при этом намного медленнее, чем обычный лед. Пайкерит в 1940-е годы планировали использовать в проекте «Хаббакук» —  британской программе по созданию композитного авианосца. На поверхности искусственного айсберга — авианосца из пайкерита военные хотели сделать полетную палубу, а внутри —  ангары для самолетов. Но из-за технических трудностей проект закрыли. Понадобилось три жарких лета, чтобы полностью растопить построенный в Канаде прототип ледяного корабля.

XX век считается веком пластика. Из этого легкого и податливого материала изготавливают, кажется, все на свете. Но у пластика есть недостаток — хрупкость. Чтобы сделать его прочнее и долговечнее, технологи решили армировать пластик по аналогии с железобетоном. Так появились угле- и стеклопластики, которые все чаще применяют в промышленности —  например в автомобилестроении. Первый композитный автомобиль, который производился серийно, — немецкий Trabant. Внешние элементы машины изготавливали из дюропласта —  материала из отходов хлопчатобумажного производства, смешанных с фенолформальдегидной смолой.

Сделать еще один шаг вперед композитной отрасли позволило развитие космонавтики. Для «Бурана» пришлось разработать новые углерод-углеродные материалы для самых теплонагруженных деталей —  носового обтекателя и передних кромок крыла. Специально для «Бурана» создали углеродный материал «Гравимол».

В 1889 году в Лондоне Менделееву подарили весы, одна чаша которых была сделана из золота, а вторая —из алюминия. В XIX веке алюминий считался очень ценным материалом: его продавали по 34 доллара за унцию, тогда как золото стоило 19 долларов за унцию. Прошло 130 лет, алюминий научились изготавливать в промышленных масштабах, и сейчас мы можем пойти в магазин и без проблем купить газировку в алюминиевой банке —металл стал общедоступным.

Композиты проходят тот же путь. Пока это дорогие материалы для массового использования, но технологии развиваются, и композитные материалы становятся дешевле. Еще 10 лет назад самый дешевый автомобиль с углепластиковой силовой структурой (монококом) McLaren MP4-12C стоил 150 тыс. евро, а сейчас можно купить бюджетный BMW i3 за 30 тыс. евро.

Важное преимущество композитов —  неограниченный размер изделия. Самое большое судно из стеклопластика —  российский тральщик «Александр Обухов». Корпус длиной 62 м изготовлен из монолитного стеклопластика без швов и заклепок. Такая конструкция надежна и герметична. Сегодняшние технологии не позволяют создать монолитное судно из металла, а вот из композитных материалов —  без проблем. Эксперты верят, что композиты откроют новые возможности.

В космической отрасли композиты применяют не только для строительства кораблей. Их используют, например, для изготовления космических антенн на геостационарной орбите. Находящиеся на высоте 25 тыс. км, эти антенны при выходе из тени Земли переносят перепад температуры в 150–170 °C. Чтобы этот перепад не повлиял на конструкцию антенны, ее делают из углепластика, который не расширяется при нагреве.

15 ноября 1988 года совершил свой первый и единственный полет советский многоразовый космический корабль «Буран». Для него были разработаны углерод-углеродные материалы и антиокислительные покрытия для носового обтекателя и передней кромки крыла, которые могли выдерживать температуру до 1600 °C. Причем для этих элементов использовались разные варианты композитного материала, отличавшиеся видом углеродных волокон. Технология производства была многоступенчатой: формование, пропитка углеродом, кремнием при высокой температуре (до 3000 °C), затем —  точнейшая механическая обработка. Толщина каждого элемента —  5–7 мм. Углерод-углеродным материалам для «Бурана» были присвоены марки «Гравимол» и «Гравимол-В» (по названиям головных предприятий, участвовавших в их создании, — «НИИграфит», ВИАМ, «Молния», ВНИИВПроект). Из композитного материала «Термар», разработанного в «НИИграфите», были изготовлены фрикционные диски тормозов «Бурана», а также самолетов Ан‑124, Ту‑160, Ту‑204, Ту‑214.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!

Email*

Подписаться

Области применения — Группа компаний композит

Изначально композитные материалы разрабатывались исключительно со стратегическими, военными целями, однако, по прошествии относительно небольшого промежутка времени, они прочно заняли свое место как материалы широкого потребления, нашедшие применение в судостроении, автомобилестроении, химической промышленности, ветроэнергетике, авиационной промышленности и т.д. Композиты успешно заменяют привычные нам материалы, такие как металл, камень и дерево.

Благодаря таким своим свойствам как прочность, легкость, долговечность, неподверженность коррозии, пожаростойкость, композитные материалы широко применяются в строительстве как в качестве конструкционных, так и отделочных материалов. На основе композитов изготавливается искусственный камень, без которого сложно представить себе современное строительство и интерьеры.

Композитный материал на основе смолы и стеклянных армирующих элементов — стеклопластик успешно применяется в химической промышленности, заменяя при этом металл.

Несомненным преимуществом стеклопластика является то, что он не подвержен воздействию агрессивных сред, и гораздо более долговечен, чем металл. Это позволяет применять стеклопластик там, где использование изделий из других материалов невозможно, или же связано с большими сложностями и рисками, например, хранение и транспортировка очень агрессивных химически активных веществ.

Из стеклопластика изготавливают корпуса и надстройки яхт и кораблей, детали и элементы тюнинга автомобилей, отделочные панели, используемые в поездах и метро, изделия для активного отдыха (бассейны, лыжи, горки в аквапарках). Также следует отметить важную роль современных композитных материалов в ветроэнергетике, где они используются для изготовления лопастей ветрогенераторов. Это одна из наиболее динамично развивающихся областей их применения, поскольку идея создания экологически чистой энергетики актуальна как никогда.

Ведутся активные исследования в области нанокомпозитов, которые, благодаря своему составу, будут иметь как абсолютно новые свойства, так и качества, присущие обычным композитам, но увеличенные в несколько раз. Применение композитных материалов во всех областях находится в постоянном развитии. С каждым днем появляются новые материалы с более совершенными

Преимущества и преимущества использования композитных материалов

Гибкость конструкции — Термореактивные композиты предоставляют дизайнерам практически неограниченную гибкость при разработке форм и форм. Из них могут быть сформированы самые сложные компоненты, и они могут быть изготовлены с широким диапазоном плотностей и химических составов для обеспечения точных рабочих характеристик.

Низкая стоимость кубического дюйма — При сравнении затрат на основе объема, термореактивные композиты имеют более низкие материальные затраты, чем традиционные материалы, такие как дерево, инженерные термопласты и металлы. Кроме того, поскольку термореактивные композиты имеют низкое содержание нефти, они не подвержены колебаниям цен, характерным для продуктов на нефтяной основе.

Более низкие материальные затраты — Поскольку термореактивные композиты можно точно формовать, мало отходов и, следовательно, значительно ниже общие затраты на материалы, чем на изделия из металла.

Повышение производительности — Промышленные дизайнеры и инженеры могут снизить затраты на сборку, объединив несколько ранее собранных деталей в один компонент.Кроме того, вставки можно формовать непосредственно в детали во время процесса формования, что устраняет необходимость в последующей обработке. Кроме того, композиты обычно не требуют дополнительной обработки, что сокращает незавершенное производство и время выхода на рынок.

Другие ключевые преимущества:

• Как формованная точность размеров
  • Жесткий допуск, повторяемость формования
  • Низкая усадка формы
• Химическая стойкость
• Составные части и функции
• Коррозионная стойкость
• Гибкость дизайна
• прочный
• Высокий модуль упругости при изгибе для высоких нагрузок
• Высокая производительность при повышенных температурах
  • Термостойкость
  • Естественно огнестойкий
  • Сопротивление ползучести
  • Сохранение механических свойств
  • Превосходная термическая стабильность
• Легче металла
• Более низкие затраты по сравнению сЛитье под давлением
• Низкое содержание нефтехимии
  • Лучшая стабильность затрат, чем товары
• Более низкая стоимость на кубический дюйм по сравнению с термопластами
• Литой цвет
• Формованные вставки
• Превосходная электрическая изоляция
  • Сопротивление дуги и дорожки
  • Способность к гашению

Thermoset Composites и Mar-Bal обладают способностями и профессиональным опытом для создания индивидуализированной рецептуры и, кроме того, гибкостью конструкции для удовлетворения требований приложений. Наша команда по управлению программой гарантирует, что ваш проект будет завершен вовремя, соответствует ожиданиям или превзойдет их, а также предоставит эффективное решение для вашей сложной среды.

10 удивительных примеров композитных материалов — SMI Composites

10 удивительных примеров композитных материалов

Скорее всего, они у вас на полу, в стенах, в машине и даже в ванной. Их называют композитами.

Но что такое композиты? Как они используются и почему они важны?

Если у вас в голове возникают эти вопросы или вы хотите удивительные образцы композитных материалов, то вы попали в нужное место.

Прочтите, чтобы узнать о композитных материалах и 10 самых удивительных примерах композитных материалов.

Примеры композитных материалов

Композит — это материал, полученный путем объединения двух или более веществ, имеющих разные физические свойства. Идеальный композит состоит из материалов, которые дополняют недостатки друг друга. Например, материал, который хорошо сжимается, можно комбинировать с материалом, который хорошо растягивается, с образованием сжимаемого и растяжимого композитного материала.

Обещание «бескомпромиссного» материала, который выполнит именно то, что вы хотите, звучит как фантастика. Тем не менее, композитным материалам это удается.

1. Грязевые кирпичи

Нет лучшего способа представить композиты, чем говорить о сырцовых кирпичах. Грязевые кирпичи появились, когда люди поняли, что солома устойчива к растяжению и что засохшая грязь хорошо справляется со сжатием.

Древние египтяне использовали смесь глины с соломой. Развивающиеся страны строят свои хижины из сырцового кирпича.Возможно, появление сырцового кирпича послужило вдохновением для создания гораздо более продвинутых композитов, как мы увидим позже.

2. Дерево

Древесина (и деревья, конечно же) существуют уже тысячи лет. Тем не менее, вы можете быть удивлены, узнав, что дерево на самом деле представляет собой композит. Дерево состоит из длинных волокон целлюлозы, которые удерживаются вместе более слабым веществом, называемым лигнином.

Организация целлюлозы в древесине — это то, что делает одни виды древесины (например, железное дерево) более прочными, чем другие.Обработанная древесина, такая как фанера, использует преимущества более слабой древесины, разрезая ее на тонкие кусочки, а затем склеивая их. Это придает фанере гибкость и более мягкие качества, которые позволяют вбивать ее в фанеру.

3. Стекловолокно

Стекловолокно — это просто пластик, сочетающийся со стекловолокном. Вполне вероятно, что ваши ванны, двери, настил и оконные рамы каким-то образом используют стекловолокно.

Стекловолокно

особенно полезно в окнах, так как стекловолокно и оконное стекло имеют почти одинаковый коэффициент расширения, а это означает, что при высоких и низких температурах все окно может расширяться и сжиматься как одно целое.

4. Прозрачный бетон

Бетон является примитивным примером композитного материала из-за сочетания небольших камней и цемента, который он удерживает. Когда оптические волокна, подобные тем, которые содержатся в стекловолокне, добавляются к бетону, вы получаете полупрозрачный бетон. Внешний вид бетона может варьироваться в зависимости от соотношения цемента и оптических волокон.

5. Впитывающий бетон

Видео с этим бетоном уже давно ходят по Интернету.Впитывающий бетон может показаться чем-то прямо из комиксов, но, хотя это кажется невозможным, на самом деле есть приличная доля науки, подтверждающая это.

Впитывающий бетон работает, позволяя воде (и другим вязким жидкостям) просачиваться через крупные гальки в другой слой щебня. Этот тип бетона может оказаться полезным при борьбе с наводнением, если его внедрить в больших масштабах.

6. Кевлар

Хотя кевлар сам по себе не является композитом, он часто используется в составе композитных материалов.Это связано с чрезвычайно высокой прочностью кевлара на растяжение, а это означает, что он довольно хорошо сопротивляется растяжению. Прочность кевлара на сжатие составляет примерно 1/10 от его прочности на разрыв, поэтому он используется в композитах.

Самолеты, лодки, велосипеды, одежда для мотоциклов и обувь Nike — все это использует исключительно высокую прочность кевлара на разрыв.

7. Углеродное волокно

Углеродное волокно часто комбинируется с пластиком в так называемый полимер, армированный углеродным волокном.Эти соединения используются в крыльях самолетов, деталях кузовов автомобилей и спортивном оборудовании.

Преимущества углеродного волокна включают, помимо прочего, высокую жесткость и прочность, легкость, устойчивость к коррозии и низкий коэффициент теплового расширения (что означает, что оно не очень хорошо расширяется или сжимается).

8. Pykrete

Лед и дерево по-своему достаточно сильны, но в сочетании они образуют композит, называемый пикретом. Пикрет (также известный как пуленепробиваемый лед) представляет собой комбинацию льда и древесной массы, которая может быть до 14 раз прочнее льда.

9. Сотовый композит

Это широкая категория композитов, которые все имеют одинаковые характеристики сотовой конструкции. Искусственные композитные соты полезны из-за их высокой прочности на сжатие и сдвиг. Сотовые конструкции могут удешевить изделия, поскольку для достижения той же желаемой прочности требуется меньше материала.

10. Разработанный бамбук

Фанеру, бамбуковые полоски и клей можно комбинировать для создания искусственного бамбукового пола. Высокая прочность на растяжение, твердость и легкий бамбук делают его желательным в сочетании с композитным напольным покрытием.

Фактически, временные бамбуковые хижины были построены для жертв цунами 2004 года в Индийском океане. Это просто показывает, насколько полезен бамбук в легких строительных конструкциях.

Это еще не все!

В современном мире существуют сотни, если не тысячи примеров композитных материалов. Применения в медицине, авиакосмической, автомобильной и военной областях существуют в изобилии.

Если вы ищете композитные материалы, обязательно посетите нас.Мы предлагаем композиты для различных отраслей промышленности, включая автомобилестроение, аэрокосмическую, оборонную, медицинскую и спортивную / рекреационную промышленность.

Для получения дополнительной информации о том, как мы можем быть подходящим поставщиком для ваших нужд, перейдите на нашу страницу «О нас».

КОМПОЗИТЫ И БЕТОН | CompositesWorld

Недорогой и универсальный бетон — просто лучший строительный материал для многих областей применения. Вопрос в том, как заставить бетон выдерживать нагрузки окружающей среды и конструкции для долгосрочной эксплуатации.Настоящий композитный бетон обычно состоит из гравия и песка — заполнителя — связанных вместе в матрице мелкодисперсного портландцемента, с металлической арматурой, обычно включаемой для прочности. Он превосходно работает при сжатии, но имеет тенденцию быть хрупким и несколько слабым при растяжении. Напряжение растяжения, а также пластическая усадка во время отверждения приводят к трещинам, которые вызывают проникновение влаги, что в конечном итоге приводит к коррозии встроенного металла и возможной потере целостности по мере разрушения металла.

Армированные волокном полимерные композиты (FRP) долгое время рассматривались как материал, позволяющий улучшить характеристики бетона. Американский институт бетона (ACI) и другие группы, такие как Японское общество инженеров-строителей, сыграли важную роль в разработке спецификаций и методов испытаний композитных армирующих материалов, многие из которых сегодня признаны и хорошо зарекомендовали себя в бетонном строительстве. «В дополнение к руководящим документам по проектированию у нас теперь есть методы испытаний», — говорит Джон Бузел, председатель комитета 440 ACI, созданного в 1990 году для предоставления инженерам и дизайнерам информации и рекомендаций по композитным материалам.Методы испытаний описаны в ACI 440.3R-04. (Это и другие важные опубликованные документы, связанные с композитной арматурой бетона можно найти в сопроводительной боковой панели, «Железобетонный Design Guides») «Мы также упорно работаем над пересмотром наших 1996 внедренного докладе, информировать конкретных практиков о многих новых приложениях и возможностях развивающихся рынков », — говорит Бусел.

Композитная арматура и арматурные сетки продолжают находить применение во многих областях. Совсем недавно были разработаны продукты, и их применение начинает расти для бетона, армированного фиброй, — материала, в котором стальные или полимерные волокна используются в качестве армирования тротуаров, плит перекрытий и сборных железобетонных изделий.

КОМПОЗИТНЫЙ РЕЗЕРВУАР: УСТАНОВЛЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

За последние 15 лет композитная арматура прошла путь от экспериментального прототипа до эффективной замены стали во многих проектах, особенно в связи с ростом цен на сталь.«Стекловолоконная арматура широко используется, и это очень конкурентный рынок», — говорит Дуг Гремель, директор по неметаллической арматуре компании Hughes Bros. (Сьюард, Небраска), известного производителя арматурных изделий. «Уровень знаний отрасли о материалах намного лучше, чем 10 лет назад».

Для некоторых строительных проектов, таких как оборудование для магнитно-резонансной томографии (МРТ) в больницах или подходы к пунктам взимания платы за проезд, в которых используется технология радиочастотной идентификации (RFID) для идентификации клиентов с предоплатой, композитная арматура является единственным выбором. Стальную арматуру использовать нельзя, потому что она мешает электромагнитным сигналам. В дополнение к электромагнитной прозрачности композитная арматура также обеспечивает исключительную коррозионную стойкость, легкий вес — примерно одну четверть веса стали — и теплоизоляцию, поскольку она препятствует передаче тепла в зданиях. Двумя крупнейшими производителями являются Hughes и Pultrall (Thetford Mines, Канада).

Композитная арматура обычно изготавливается методом пултрузии с использованием ровницы из стекловолокна Е и винилэфирной смолы с использованием стандартных методов формования.Продукция Hughes ‘Aslan изготавливается со спиральной оберткой для создания волнистого профиля, а стержень V-ROD от Pultrall гладкий. Оба имеют внешнее покрытие из песка, наносимое во время производства, для создания шероховатой поверхности для оптимальной адгезии. По словам Гремеля, высококачественная винилэфирная смола в сочетании с волокном правильного размера необходима для достижения наилучших коррозионных свойств и устойчивости портландцемента к сильным щелочам, а также прочного сцепления.

Поскольку механические свойства стекловолокна отличаются от механических свойств стали, конструкция бетонной конструкции с композитной арматурой разрабатывается с использованием ACI 440.1R-03, Руководство по проектированию и строительству бетона, армированного стержнями из стеклопластика . Guide касается изгиба, удобства обслуживания, разрыва при ползучести и усталости, в дополнение к сдвигу и детализации хомутов, говорит Бузел. И Hughes, и Pultrall являются членами Совета производителей арматуры из стеклопластика под эгидой American Composites Manufacturers Assn. (ACMA) и участвуют с ACI в разработке минимальных стандартов производительности для арматуры. Хотя это правда, что композитную арматуру нельзя согнуть на стройплощадке в неожиданных условиях, Гремель утверждает, что это не проблема.«Стальные стержни с эпоксидным покрытием тоже нельзя согнуть, не повредив эпоксидное покрытие», — заявляет он. «Мы можем предварительно согнуть стержни из стекловолокна во время производства по проекту инженера в соответствии с подробным графиком, что и должно быть сделано». С появлением новых методов испытаний бетона с композитной арматурой владельцы и проектировщики теперь имеют уверенность в том, что конструкция будет работать в соответствии с ожиданиями. Gremel отмечает, что тестовый документ будет преобразован в стандарт ASTM.

Pultrall V-ROD распространяется в США.S. исключительно компанией Concrete Protection Products Inc. (CPPI, Даллас, Техас). Президент CPPI Сэм Стир сообщает о нескольких недавних проектах с использованием V-ROD, в том числе о новом мосте, который пересекает американскую автомагистраль I-65 в округе Ньютон, штат Индиана. Трехпролетный мост длиной 58 м / 191 фут имеет ширину 10,5 м / 34,5 фута с железобетонным настилом, установленным на стальных двутавровых балках, опирающихся на бетонные опоры. Бетонный настил толщиной 203 мм / 8 дюймов армирован стальной арматурой с эпоксидным покрытием в нижней половине, но коррозионностойкий композитный стержень V-ROD используется в верхней половине, где вероятность контакта с солями для борьбы с обледенением является наибольшей.Были размещены композитные стержни двух размеров, каждый на 152 мм / 6 дюймов по центру: стержень №5 (диаметр 16 мм / 0,625 дюйма) в поперечном направлении и стержень №6 (диаметр 19 мм / 0,75 дюйма), проходящий внутрь. продольное направление. Исследователи из Университета Пердью оснастили всю конструкцию оптоволоконными датчиками для постоянной оценки характеристик деки через удаленное соединение. По словам Стира, это первое использование композитной балки в настиле моста Министерством транспорта штата Индиана.

Hughes Bros.Aslan 100 стекловолоконных стержней были недавно установлены на бетонном мосту в Моррисоне, штат Колорадо, построенном Департаментом транспорта штата Колорадо (CDOT) в сотрудничестве с Департаментом парков и отдыха города и округа Денвер. Мост длиной 13,8 м / 45 футов, который проходит через Беар-Крик, использовал арматуру из стекловолокна в опорах, опорах, стенах крыльев, парапетах и ​​изогнутой бетонной арке, залитой на месте. Цельная цельнокомпозитная палуба, которая находится поверх бетонной арки, была изготовлена ​​компанией Kansas Structural Composites (Russell, Kan.). В литые элементы был включен ряд арматурных стержней различных размеров, в том числе № 5, № 6 и № 7 (диаметр 19 мм / 0,75 дюйма). Гремель отмечает, что для детального проектирования потребовалось много изогнутых хомутов и уникальных форм, добавив, что все они были изготовлены на заводе перед отправкой. Инженер CDOT Марк Леонард говорит, что штат добивался хороших успехов с композитной арматурой в прошлых проектах и ​​выбрал Аслана, потому что Хьюз представил самую низкую цену. По словам Леонарда, проектировщика моста Парсонс Бринкерхофф (Денвер, Колорадо), хотя движение по палубе минимально на низких скоростях,), следовали всем руководящим принципам ACI и использовали новые методы испытаний ACI440.3R-04 для сертификации материалов.

Ожидается, что рынок композитной арматуры станет еще более конкурентным по мере того, как новый материал — базальтовое волокно — завоевывает позиции. По словам исполнительного вице-президента Sudaglass Грэма Смита, компания Sudaglass Fiber Technology (Хьюстон, Техас), производитель базальтового волокна с производственными мощностями в России и на Украине, открыла производственные мощности в США на севере Техаса. Базальтовая / эпоксидная арматура в настоящее время производится пултрузией на Украине и находится в процессе сертификации для U.С. строительство, по Смиту.

Плотность базальтовых волокон лишь немного выше, чем у обычных стекловолокон, поэтому они имеют гораздо более широкий температурный диапазон от -260 ° C до 982 ° C (от -436 ° F до 1850 ° F) по сравнению с номинальным диапазоном -60 ° От C до 650 ° C (от -76 ° F до 1202 ° F) для стекла и температуры плавления 1450 ° C (2642 ° F), что делает базальт полезным в приложениях, требующих огнестойкости. Кроме того, Смит отмечает, что этот материал демонстрирует отличную стойкость к содержанию щелочи в бетоне, не прибегая к специальным размерам, используемым для защиты стекловолокна.

Каким бы ни был выбор арматуры, ожидается, что композитный арматурный стержень будет широко привлекать лиц, принимающих решения по проекту. «Суть в том, что хороший инженер или дизайнер пытается решить проблему коррозии», — заключает Гремель. «При увеличении стоимости проектных материалов на 5–7 процентов вы увеличиваете срок службы конструкции на 10–20 лет с помощью этого продукта».

КОМПОЗИТНЫЕ СЕТКИ В ПРЕКАСТНЫХ ПАНЕЛЯХ: ВЫСОКИЙ ПОТЕНЦИАЛ

Начиная с , CT впервые сообщил об использовании армированных волокном полимерных решеток в сборных железобетонных строительных панелях («Композитные решения, отвечающие растущим требованиям гражданского строительства», CT август 2002 г., стр.40), рынок стал свидетелем значительного роста, говорит Бусел. «Это приложение огромно», — утверждает он. «Есть огромный потенциал».

Возглавляет сборы AltusGroup, консорциум из пяти производителей сборного железобетона и производителя арматуры TechFab LLC (Андерсон, Южная Каролина), созданный специально для продвижения технологии CarbonCast, в которой решетки из углеродного волокна / эпоксидной смолы C-GRID последнего заменяют традиционную стальную сетку или арматура в сборных железобетонных конструкциях в качестве вторичной арматуры. TechFab — совместное предприятие 50/50 компании Hexcel (Дублин, Калифорния.) и Chomarat Group (Ле Шейлар, Франция). На данный момент в состав AltusGroup входят Oldcastle Precast (Эджвуд, Мэриленд), HIGH Concrete Structures (Денвер, Пенсильвания), два завода по производству сборного железобетона, принадлежащие Cretex Companies (Elk River, Миннесота) и Metromont Prestress (Гринвилл, Южная Каролина), но новые участники вероятно, будут добавлены из-за растущего объема продаж, говорит Джон Карсон, директор TechFab по коммерческому развитию и руководитель программы по технологии C-GRID.

AltusGroup предлагает широкий выбор продуктов CarbonCast, включая как структурные, так и неструктурные изолированные стеновые панели и архитектурную облицовку.C-GRID обычно заменяет вторичные армирующие элементы из стальной проволочной сетки — обычная стальная арматура все еще используется для первичного армирования в большинстве случаев. C-GRID производится с помощью эффективного запатентованного процесса квази-плетения, который выравнивает наложенные друг на друга углеродные волокна основы и утка, смоченные эпоксидной смолой быстрого отверждения, в открытой структуре. Размер отверстий в сетке варьируется от 25,4 мм до 76 мм (от 0,25 дюйма до 3 дюймов), в зависимости от требований к прочности панели, типа бетона и размера заполнителя. В процессе производства сетке придается шероховатая поверхность, что увеличивает прочность сцепления между сеткой и затвердевшим бетоном.Сетки, состоящие из стеклянных, арамидных или полимерных волокон в сочетании с любой из множества смол, также доступны в линейке продуктов TechFab MeC-GRID. Как углеродные, так и неуглеродные сетки находят применение в других областях, таких как декоративные элементы, монолитный бетон и ремонт / восстановление.

«Преимущества панелей CarbonCast значительны», — говорит Карсон. C-GRID намного легче и имеет почти в семь раз лучшие свойства на растяжение, чем сталь. Растрескивание из-за усадки при отверждении значительно снижается, и C-GRID не подвергается коррозии, что устраняет часто неприглядные поверхностные пятна, которые возникают на бетонных панелях со стальными решетками.Его коррозионная стойкость позволяет использовать всего лишь 6,35 мм / 0,25 дюйма бетонного покрытия, в то время как для защиты стальной сетки от влаги может потребоваться до 76,2 мм / 3 дюйма. Таким образом, вес панели может быть уменьшен на 66% по сравнению с обычным сборным железобетонным элементом. Более легкие панели позволяют снизить общий вес стены, которая, в свою очередь, требует меньше стальной подструктуры, что приводит к значительному снижению затрат на строительство. C-GRID также является термически непроводящим, поэтому изоляционные свойства панели не ухудшаются.Кроме того, на стройплощадке можно вырезать отверстия в панелях с помощью пилы, что невозможно при использовании стальной сетки. Все эти преимущества приводят к снижению затрат на транспортировку, монтаж и надстройку для более эффективного строительства.

На сегодняшний день продано более 3 миллионов футов 2 панелей CarbonCast, и спрос настолько высок, что TechFab недавно объявила о планах масштабного расширения. На новом заводе будет размещена дополнительная линия по производству электросетей, которая, по словам Карсона, должна быть введена в эксплуатацию к октябрю этого года.Это объявление последовало за объявленным компанией о многолетнем соглашении с Zoltek Corp. (Сент-Луис, Миссури), поставщиком большого жгутового волокна Panex 35, используемого в C-GRID. По словам Карсона, соглашение обеспечит стабильные поставки C-GRID в первые годы выпуска продукта. «Zoltek был нашим основным поставщиком волокна и защитником с первого дня реализации этого проекта», — отмечает он.

Сборные панели используются в самых разных проектах, таких как кинотеатры, церкви и гаражи.Недавний проект — офисно-складской комплекс 2 Cardinal Health площадью 332 000 футов недалеко от Балтимора, штат Мэриленд. Панели CarbonCast длиной до 15,5 м / 51 фут были отлиты для формирования вертикальных внешних стен двухэтажного здания. Каждая панель представляет собой многослойную конструкцию с пенопластовой изоляцией 152 мм / 6 дюймов (что позволяет достичь значения изоляции R-16) между лицевыми панелями, состоящими из внешнего слоя толщиной 50 мм / 2 дюйма (бетонный слой) и 100 мм / 4 дюйма. Внутренняя перемычка толщиной в дюйм C-GRID, расположенная перпендикулярно к поверхностям панели, соединяет внутреннюю и внешнюю перемычки, обеспечивая усиление сдвига.

«Мы движемся в полную силу с этой концепцией», — говорит Карсон. «Мы добавляем новые продукты, чтобы удовлетворить рост числа приложений».

БЕТОН, АРМИРОВАННЫЙ ВОЛОКНОМ: ПРОЧНЫЙ

Использование коротких волокон в бетоне для улучшения свойств было принятой технологией на протяжении десятилетий — даже столетий, учитывая, что в Римской империи строительные растворы армировались конским волосом. Волокнистая арматура увеличивает ударную вязкость и пластичность бетона (способность пластически деформироваться без разрушения), неся часть нагрузки в случае разрушения матрицы и останавливая рост трещин.Доктор Виктор Ли из Мичиганского университета исследовал свойства высокоэффективных армированных волокном цементных композитов, очень высокоэффективного подмножества армированного волокнами бетона, и считает, что приемлемость этого материала будет расти, если эксплуатационные характеристики , сохраняется низкая стоимость и простота исполнения.

«Использование этого материала может привести к устранению сдвиговых арматурных стержней, что приведет к снижению материальных и трудовых затрат», — говорит Ли. «Более тонкая структура уменьшает объем материала и статическую нагрузку, а также упрощает транспортировку.Такое общее снижение затрат может легко оправдать стоимость армированного волокном материала ».

Официальное признание фибробетона стимулировало публикацию стандартов и руководств по его использованию за последние пять лет (см. CT июль / август 2001 г., стр. 44). С тех пор коммерческие приложения получили широкое распространение.

Гигант строительных материалов Lafarge SA (Париж, Франция) уже почти десять лет продвигает свой сверхвысококачественный армированный волокном бетонный материал под торговой маркой Ductal, ориентированный на широкий спектр гражданских инфраструктур и архитектурных приложений.Ductal представляет собой смесь портландцемента, микрокремнезема, кварцевой муки, мелкодисперсного кварцевого песка, пластификаторов, воды и стальных или органических волокон, обычно длиной 12 мм / 0,5 дюйма. Вик Перри, вице-президент / генеральный директор Ductal, говорит, что комбинация тонких порошков, выбранных по относительному размеру зерна, создает максимальное уплотнение во время отверждения, что приводит к полному отсутствию постоянной пористости, что практически исключает проникновение влаги и потенциальную коррозию стальных волокон. На всякий случай волокна поливинилового спирта (PVAL) обычно используются для архитектурных или декоративных применений, чтобы исключить любую возможность окрашивания поверхности, которое может возникнуть из-за ржавого стального волокна, и устранить абразивность там, где контакт с человеком вызывает беспокойство.Материалы продаются в наливных мешках производителям сборных железобетонных изделий или бетонных смесей.

«Добавление волокон заставляет материал деформироваться пластично и выдерживать растягивающие нагрузки», — говорит Перри. «Волокна обеспечивают прочность и улучшенные микроструктурные свойства».

В зависимости от типа используемого волокна прочность на сжатие Ductal колеблется от 150 до 200 МПа (от 21 750 до 29 000 фунтов на квадратный дюйм), по сравнению со стандартным бетоном от 15 до 50 МПа (от 2175 до 7250 фунтов на квадратный дюйм).По словам Перри, испытанная прочность на изгиб составляет 40 МПа / 5800 фунтов на квадратный дюйм. Воздуховод, армированный стальными волокнами Lafarge Forta, использовался для строительства сборных железобетонных изделий и в нескольких приложениях для предварительно напряженных мостовых балок. В Сен-Пьер-ла-Кур, Франция, был спроектирован автомобильный мост длиной 20 м / 65 футов с 10 двутавровыми балками Ductal, поддерживающими традиционную монолитную бетонную платформу толщиной 170 мм / 6,5 дюйма, армированную арматурой. Сборные железобетонные балки, не содержащие арматуры, имеют глубину 600 мм / 24 дюйма и подвергались предварительному напряжению 13 мм / 0.5-дюймовые стальные многожильные кабели, размещенные в нижнем фланце. Перед заливкой Ductal в балочную форму к пряди прикладывается натяжение. Когда бетон покрывает пряди и материал начинает затвердевать, они разрезаются, что, по сути, создает напряжение сжатия в бетонной смеси.

Когда вы подвергаете предварительно напряженную балку любому изгибу, объясняет Перри, она не испытывает напряжения растяжения, а вместо этого «разжимается», значительно улучшая характеристики. Благодаря прочности Ductal для балок не требуется арматура, что значительно снижает вес на каждый фут.

Воздуховоды, поперечное сечение которых напоминает греческую заглавную букву «» (по сути, коробчатая балка без нижнего фланца), функционируют как настил и балки на экспериментальном мосту, установленном на испытательном треке в Управлении федеральных автомобильных дорог США (FHWA). ) Лаборатория Тернера Фэйрбанка, чтобы исследовать пригодность проекта для будущего строительства шоссе. Балка / настил «Π» спроектированы так, чтобы выдерживать конфигурации нагрузки HL-93 Американской ассоциации государственных служащих автомобильных дорог и транспорта (AASHTO).

«Балки Ductal позволяют использовать более длинные пролеты при том же весе», — говорит Перри. «В конце концов, мы увидим фибробетон в балках и настилах мостов».

SI Бетонные системы. (Чаттануга, штат Теннеси) — производитель фиброармирования для бетона. SI предлагает Novomesh, Fibermesh и другие изделия из волокна, которые используются в качестве альтернативы вторичной арматуре из стальной проволочной сетки и легкой арматуре как в коммерческих, так и в жилых помещениях, говорит Хэл Пейн из SI, менеджер по стратегическим альянсам.SI предлагает полипропиленовые (ПП) волокна, стальные волокна, макросинтетические волокна и инженерные смеси. По словам Пейна, продукция SI из полипропиленового волокна имеет решающее значение для борьбы с трещинами пластической усадки «в раннем возрасте», чтобы предотвратить их перерастание в серьезные дефекты по мере застывания бетона. Novomesh 950 — это новый продукт для компании, состоящий из смеси грубых макросинтетических монофиламентных волокон и собранных фибриллированных микросинтетических волокон. По словам Пейна, продукт дает такой же хороший результат, как и стальная фибра, при использовании по назначению для плит перекрытия коммерческого назначения.

Kingspan (Шерберн, Малтон, Северный Йоркшир, Великобритания) — специалист по бетонным конструкциям, использующий добавки для фибры для бетона от Bekaert Building Products (Фридрихсдорф, Германия). Формованные стальные волокна Dramix компании Bekaert добавляют в бетон для изготовления полов и крыш без армирования стальных решеток. Сообщается, что продукт идеально подходит для стесненных строительных площадок, таких как трехэтажный комплекс Spurriergate, расположенный глубоко в историческом британском городе Йорк. Поскольку бетон не требует армирования стальной сеткой, стоимость стальной сетки и трудозатраты, необходимые для доставки громоздких рулонов, а затем резки и размещения их в многоэтажных зданиях перед заливкой бетона, полностью исключаются.Полы из бетона, армированного волокном, были уложены за одну операцию, просто путем подачи армированного волокном материала непосредственно на каждый этаж с помощью автоматизированного насосного оборудования.

В Австралии, Франции, Японии и США временные руководства по проектированию (перечисленные на боковой панели) теперь содержат рекомендации и допуски для фибробетона, что является важным фактором в его более широком признании проектировщиками, инженерами и лицами, принимающими решения по проектам на рынке инфраструктуры. . «Этот материал предлагает такие решения, как скорость строительства, улучшенный внешний вид, превосходная долговечность и устойчивость к коррозии», — заключает Перри.«Это приводит к сокращению затрат на техническое обслуживание и увеличению срока службы конструкции».

Примечание редактора: Следите за нашей предстоящей статьей об использовании композитных материалов для ремонта инфраструктуры ( CT июнь 2005 г.) и будущими статьями о стержневых дюбелях из стекловолокна и предварительно напряженных стержнях.

композитов 101: Инструменты | CompositesWorld

Инструменты из инвара, такие как эти массивные инструменты с крыльями, показанные здесь, являются примером самого прочного из металлических инструментов — категорию, которую иногда называют твердым инструментом.Несмотря на то, что металлические формы относительно тяжелые и дорогие, они могут выдерживать многие тысячи производственных циклов. Изготовленные из высокопрочных сплавов стали и никеля, инварные и другие металлические формы являются прочными инструментальными материалами, но также дороги, и, поскольку немногие производители композитов имеют оборудование, необходимое для обработки и полировки таких материалов, им часто требуются услуги специалиста по изготовлению инструментов. . Источник | Ascent Tooling Group

Композитные детали формуются в формах, также известных как инструменты.Инструменты можно изготавливать практически из любого материала. Для деталей, которые будут производиться в небольших количествах и могут быть отверждены при комнатной или низкой температуре, или для деталей-прототипов, где строгий контроль точности размеров не имеет первостепенного значения, такие материалы, как стекловолокно, пены высокой плотности, обрабатываемые эпоксидные плиты или даже глиняные или деревянные / гипсовые модели часто подходят. Инструменты аддитивного производства или 3D-печати с использованием полимеров также становятся все более распространенными как для прототипов, так и для производственных деталей.Однако затраты на инструменты и их сложность возрастают по мере того, как требования к характеристикам деталей и / или эстетике готовой поверхности становятся более строгими, а количество деталей, которые необходимо производить, возрастает. Например, инструменты для высокопроизводительного производства, как правило, изготавливаются из прочных металлов, которые могут выдерживать повторяющиеся циклы и сохранять хорошую чистоту поверхности и точность размеров. Формы, в которых формуются высококачественные композитные детали, могут быть изготовлены из углеродного волокна / эпоксидной смолы, монолитного графита, литого графита, керамики или металлов (обычно алюминия, стали и их сплавов).Во всех случаях каждый материал имеет уникальные возможности и недостатки.

Иногда называют твердым инструментом , металлические инструменты, хотя и относительно тяжелые и дорогие, способны выдерживать многие тысячи производственных циклов. Самые прочные, но и самые дорогие из них изготавливаются из высокопрочных никелевых сплавов, таких как инвар. Поскольку немногие производители композитов имеют оборудование, необходимое для обработки и полировки металлических инструментов, особенно инвара, им часто требуются услуги специалиста по изготовлению инструментов.

Инструменты из композитных материалов, иногда называемые мягкими инструментами , более просты в изготовлении, чем металлические инструменты, и, поскольку они изготовлены из материалов, аналогичных тем, которые производитель композитных материалов будет использовать для изготовления детали, их можно изготавливать самостоятельно. Но, как следует из обозначения «мягкие», они более подвержены износу и обычно используются при относительно небольших объемах производства. Однако несколько инструментов могут быть изготовлены из композитных материалов по цене меньше, чем стоимость одного твердого инструмента.Это делает доступными несколько большие объемы. Как и детали, изготовленные на твердой оснастке, детали, изготовленные на композитных инструментах, можно отверждать в автоклаве или печи или путем встроенного нагрева, при котором нагревательные элементы размещаются внутри инструмента.

Материалы для управления КТР

Ключевой проблемой, связанной с инструментами для композитов, является явление несоответствия коэффициента теплового расширения (КТР). Здесь композитная оснастка имеет преимущество перед металлами. Композитные инструменты, изготовленные из инструментальных препрегов, имеют КТР, близкий к КТР детали.Во время отверждения усадка и тепловое расширение инструмента и детали будут очень похожими. Это помогает поддерживать точность размеров детали.

Большинство металлических инструментальных материалов и композитные материалы в деталях, которые они образуют, не соответствуют CTE. Сталь C-20 и алюминий являются обычным выбором для металлических инструментов, поскольку они менее дороги и обычно требуют меньшего времени выполнения заказа до поставки по сравнению с высокопроизводительными сплавами. Однако во время отверждения при нагревании несоответствие КТР менее дорогих металлических инструментальных материалов и композита часто слишком велико для использования при формовании композитных деталей с жесткими допусками.Только более дорогие металлические сплавы обеспечивают более близкое соответствие КТР. Например, инвар — единственный среди инструментальных металлов — предлагает КТР, очень близкий к КТР композитов из углеродного волокна. По этой причине это постоянный выбор для деталей, которые должны изготавливаться с очень жесткими допусками. Но инвар также является наиболее дорогостоящим инструментальным материалом , и, особенно когда он используется для больших деталей, огромный размер и вес инструментов затрудняют обращение с ними. Однако в некоторых случаях тепловое расширение стальных и алюминиевых инструментов во время циклов отверждения может быть использовано с пользой при проектировании инструментов для преднамеренного сжатия и консолидации элементов деталей (прочтите статью о сложном, состоящем из нескольких частей инструменте, который требует Преимущество расширения металла в «SQRTM позволяет создавать детали нетто-формы».)

Этот промышленный композитный инструмент был изготовлен из углепластика и эпоксидной смолы, отвержденного при относительно низкой температуре, а затем подвергнутого постотверждению в автономном режиме при температуре до 200 ° C. Этот относительно низкотемпературный режим отверждения позволяет использовать более экономичные исходные материалы, что снижает общую стоимость инструмента. Источник | Группа инструментов Ascent

Увеличение срока службы инструмента

В частности, производители аэрокосмической промышленности давно заявили о желании получить инструментальные материалы из углеродного волокна, способные выдержать тысячи циклов отверждения в автоклаве, например, инвар.Для увеличения прочности композитной оснастки, некоторые поставщики предлагают гибридные конструкции инструмента, которые сочетают в себе, например, тонкий Инваре facesheet с композитной резервной структурой или ядром углерода пены с композитной facesheet (см «Обрезкой стоимости и времени оснастки для композиты »).

Технологии эволюционировали, чтобы конкурировать с Инваром в области долговечности, но делают это за небольшую часть веса и стоимости Инвара. Компания Janicki Industries (Sedro-Woolley, Вашингтон, США), например, произвела 300-слойный бисмалеимидный ламинат (BMI) почти без пустот с использованием вливания смолы, что позволило компании производить заготовки из композита BMI / углерод, которые можно На станках с ЧПУ изготавливаются прецизионные инструменты, которые дешевле и в пять раз меньше плотности инварного эквивалента.Janicki использует эту технологию для аэрокосмических инструментов для ребер, лонжеронов и стрингеров, детали которых будут отверждены в автоклаве с использованием высокотемпературной эпоксидной смолы и углеродного волокна. BMI значительно продлевает срок службы инструмента по сравнению с эпоксидной смолой, которая обычно не выдерживает циклического нагрева до 177 ° C каждые несколько дней во время производственных циклов, которые могут растягиваться на годы.

Еще один высокопроизводительный инструмент из этой категории — HexTOOL от Hexcel (Дублин, Калифорния, США). Обрабатываемый композитный инструментальный материал из углеродного волокна / BMI, он состоит из полос препрега BMI, которые случайным образом нарезаны и распределены по антиадгезионной бумаге с образованием толстого липкого мата.После укладки и отверждения его можно обрабатывать как металл, он имеет КТР, соответствующий угольным / эпоксидным деталям, и может выдерживать 500 циклов автоклавирования, при этом время сборки и стоимость сопоставимы с существующими альтернативами.

К другим высокотемпературным технологиям, рекламирующим более длительный срок службы инструмента, относятся BMI Fortified Tooling Prepreg (FTP) от 3M Advanced Materials Division (Сент-Пол, Мин. США) и Beta Prepreg от Airtech International Inc. (Хантингтон-Бич, Калифорния, США) система инструментов, в которую входит компания Henkel (Rocky Hill, Conn., США) бензоксазиновая смола. Оба они отверждаются в автоклаве, и разработчики их составов утверждают, что они демонстрируют меньшую усадку смолы по сравнению с эпоксидной смолой и превосходную обрабатываемость.

Углерод / BMI для высокопроизводительных инструментов: для высокопроизводительных инструментов для производства композитов может быть указана комбинация материалов углерод / бисмалеимид (BMI). Здесь показан инструмент углерода / BMI после постотверждения, когда он подвергается механической обработке до окончательного допуска. Источник | Группа инструментов Ascent

Распространяется компанией TenCate Advanced Composites (сейчас Toray Advanced Composites, Морган Хилл, Калифорния., США) 3M BMI TC-44 Si использует 40% (по весу) загрузку микроскопических частиц диоксида кремния для уменьшения КТР по всей толщине на 15%, линейного КТР на 40% и линейной усадки при отверждении на 50% по сравнению с сопоставимым автоклавом без наполнителя. -отвержденный препрег BMI. Вместе эти улучшения снижают термические напряжения и деформацию детали и, как ожидается, значительно ограничат springbac k (склонность детали отклоняться от формованной формы из-за усадки при отверждении в композите). Другие преимущества включают лучшую стойкость к царапинам и трещиностойкость, меньшее образование микротрещин и на 40% меньший экзотермический эффект на массу, что значительно улучшает управление температурой, что особенно важно для изготовления толстых деталей.Airtech заявляет о аналогичных характеристиках и производственных преимуществах своего бета-препрега, в котором используется уникальный химический состав бензоксазина вместо нанокремнезема, и продемонстрировано снижение упругого возврата на 70%. Кроме того, его шестимесячный срок хранения при комнатной температуре в основном устраняет необходимость в замороженном хранилище для проектов инструментов и снижает транспортные расходы. На данный момент пользователи сообщают, что материал имеет более высокую липкость, что сокращает время простоя и требует меньшего количества промежуточных операций по удалению массы. Airtech заявляет, что BetaPrepreg является конкурентоспособным по стоимости с BMI, но утверждает, что его производительность и эффективность изготовления могут склонить чашу весов в ее пользу.

Другой альтернативой традиционным металлам является процесс изготовления инструментов, в котором используется процесс осаждения из паровой фазы никеля (NVD) для производства относительно тонких поверхностей инструмента с никелевой оболочкой, которые опираются на несущую конструкцию. С помощью процесса NVD можно производить инструменты, которые достигают высокой точности размеров, а торцевая поверхность с никелевой оболочкой демонстрирует низкий КТР, длительный срок службы и, поскольку она намного менее громоздка, чем обработанные металлические инструменты, меньше весит и способствует более быстрому нагреву и охлаждению формы, чем другие материалы.Компания Weber Manufacturing Technologies Inc. (Мидленд, Онтарио, Канада), специализирующаяся на ПНВ, производит инструменты с никелевой оболочкой для различных областей применения, от автомобильных панелей до внутренних ящиков для хранения самолетов.

Surface Generation Ltd. (Ратленд, Великобритания) предлагает сложный подход к нагретым формам. Технологический процесс производства в соответствии с функциональными характеристиками (PtFS) включает в себя ряд активных вариантов управления температурным режимом. Инструменты могут быть спроектированы таким образом, чтобы температуру формы можно было динамически регулировать в соответствии с точными требованиями отдельных областей или зон на отдельных и последовательных стадиях процесса формования и отверждения.Изоляция и индивидуальный контроль этих областей позволяет производителям непрерывно и очень быстро адаптировать уровни нагрева и охлаждения каждой зоны в режиме реального времени, оптимизируя качество деталей и увеличивая производительность.

EireComposites Teo. (Irish Composites, графство Голуэй, Ирландия) разработала запатентованную технологию для инструментов со встроенным подогревом под названием MECH (Mold Efficient Cooling and Heating). Полученная в результате форма имеет электрические нагревательные элементы, которые заделаны керамическим цементом алюмосиликатного типа, который обеспечивает низкий КТР, плотность, тепловую массу и электрическую проводимость.Армирование углеродным волокном усиливает низкую прочность керамики на растяжение. Полиэфирэфиркетон (PEEK) высокоэффективный термопластичный полимер используется в качестве адгезионного слоя между углеродным волокном и керамикой. Инструмент может быть изготовлен по недорогим моделям, поскольку керамика становится жесткой при 60 ° C. После этого начального отверждения при более низкой температуре инструмент удаляется с шаблона, а затем обрабатывается до полной температуры (от 200 ° C до 400 ° C) в автономном постотверждении. КТР в плоскости, измеренный для инструмента толщиной не менее 15 мм, по сообщениям, меньше 5.0 x 10-6 / ° C, что, согласно ÉireComposites, обычно считается «подходящим значением» для большинства композитов из стекловолокна и углеродного волокна. Используя удельную электрическую мощность 10 кВт / м ² , поверхность инструмента этого типа можно нагреть до 200 ° C менее чем за 10 минут.

Встроенная проводка сопротивления или другие электрические средства — не единственный способ нагрева инструмента. Оснастка со встроенными воздуховодами, которые нагревают и охлаждают с помощью принудительной подачи воздуха, десятилетиями используются в аэрокосмической промышленности.В ветроэнергетике в течение многих лет закладывались в нагретые формы, обычно с использованием трубопроводов для жидкости. Использование нагретых и охлаждаемых жидкостей для формования композитов впервые получило распространение с технологией плавающих форм VEC Technology LLC (Гринвилл, Пенсильвания, США), а в последнее время — с технологией Quickstep Holdings Ltd. (Бэнкстаун, Новый Южный Уэльс, Австралия), «жидкое формование со сбалансированным давлением. » технологии. Другие системы включают самонагревающийся инструмент Techni-Modul Engineering (Coudes, Франция), который имеет систему циркуляции жидкости. Эти подходы к инструментам могут использовать различные среды (масло, вода или жидкости на основе металлов) для обеспечения контроля температуры для нагрева тонких, легких корпусов инструментов, и они менее дороги, чем обычные металлические инструменты, используемые в RTM.Другой эффективный подход, предлагаемый Regloplas Corp. (Санкт-Галлен, Швейцария и Сент-Джозеф, штат Мичиган, США), сочетает в себе систему нагрева форм, установленных по водопроводу, горячей водой под давлением, когда формы находятся внутри автоклава во время цикла отверждения. . Устройство с водой под давлением нагревает инструмент напрямую. Таким образом, он передает тепло к детали намного быстрее и эффективнее, чем бортовая система конвекционного нагрева автоклава, которая нагревает воздух внутри емкости, а не напрямую нагревает инструмент.Таким образом, автоклав используется в первую очередь для создания давления, при котором укладка укладывается. В результате общие затраты энергии во время отверждения обычно значительно снижаются. Системы с подогревом жидкости для сантехнических инструментов также предлагаются Single Temperature Controls Inc. (Шарлотт, Северная Каролина, США) и Westminster Solutions Inc. (Плейнфилд, Коннектикут, США).

Коммерческое программное обеспечение для проектирования инструментов сокращает время, необходимое для моделирования и изготовления инструмента, включая резервную структуру, в некоторых случаях на 80%.Доступные системы контроля дают поставщикам и производителям инструментов возможность проверить точность размеров инструмента до и во время производства. В последние годы ряд недорогих материалов для моделирования, которые сохраняют стабильность размеров при более высоких температурах, проникли в традиционное производство инструментов.

Растущей тенденцией является использование аддитивного производства (3D-печать) для быстрого создания прототипов инструментов, приспособлений, приспособлений и даже инструментов для компоновки композитных деталей, что позволяет ускорить циклы проектирования.Развитие более крупной и надежной инфраструктуры для 3D-печати, а также более высокотемпературных смол и армированных углеродным волокном ускорит эту тенденцию. Кроме того, широкоформатное аддитивное производство продолжает развиваться, особенно для аэрокосмических приложений следующего поколения: «Большие аддитивные машины справляются с большими формами».

Дополнительную информацию о развивающихся технологиях в области 3D-печати, инфузии OOA и термопластов см. В разделе «Технологии оснастки, ориентированные на скорость и контроль».

Подготовка формы оплачивает

Независимо от материала инструмента, важность смазки для пресс-форм невозможно переоценить.Разделители создают барьер между формой и деталью, предотвращая слипание детали / формы и облегчая снятие детали. Для открытого формования большинство смазок представляет собой воск или химический состав полимеров. В некоторых случаях на форму наносят смазочную бумагу. Большинство из них представляют собой полимеры в растворах-носителях на основе растворителей, таких как смесь алифатических углеводородов. Некоторые производители предпочитают выпуски на основе нафты, которые имеют более длительный срок хранения и более высокую скорость испарения и считаются менее опасными для поверхностей композитных инструментов.Все более строгие нормы выбросов способствовали развитию выбросов на водной основе, которые не производят летучих органических соединений (ЛОС) и легче очищаются с меньшим риском раздражения кожи.

Полупостоянные полимерные смазочные системы для форм позволяют формовать и выпускать несколько деталей за одно нанесение, в отличие от пастообразных восков, которые необходимо повторно наносить на каждую деталь. Полупостоянные составы — предпочтительные для лучшего контроля над выбросами ЛОС — разработаны специально для удовлетворения потребностей литьевого формования смолы (RTM) и других процессов в закрытых формах.

Внутренние разделительные агенты, добавляемые к смоле или гелевому покрытию и используемые вместо или в дополнение к внешним агентам на поверхности формы, дополнительно сокращают выбросы и оказывают незначительное влияние на физические свойства детали и качество поверхности. Для пултрузионной обработки требуются составы для внутреннего высвобождения, поскольку деталь непрерывно протягивается через матрицу, что не дает возможности для периодического нанесения внешних высвобождающих веществ на поверхность матрицы.

Крепление, обрезка, сверление

Что касается оснастки, которая обычно является основной статьей расходов для очень больших композитных деталей, которые требуют обрезки или сверления после отверждения, возможны многие подходы, включая алюминиевые или стальные конструкции, которые удерживают деталь на месте для обработки с ЧПУ после отверждения.CMS North America Inc. (Каледония, штат Мичиган, США) — одна из нескольких компаний, которые поставляют универсальное фиксирующее приспособление, которое может быстро соответствовать форме детали и надежно удерживать его для операций после отверждения.

Janicki разработал технологии производства композитных тримов и приспособлений для сверления, которые позволяют сократить расходы по сравнению с металлами. В отличие от больших металлических конструкций, Janicki достигает тех же допусков, используя свою недорогую технологию изготовления инструментов — деревянную конструкцию с обработанной шпатлевкой и стекловолокном — но при гораздо более низкой стоимости.Это возможно благодаря тому, что он «синхронизирует» точность позиционирования фрезерной головки. Яницки снова использует образец инструмента для изготовления этих недорогих приспособлений для обрезки и сверления. Таким образом, средства на изготовление приспособления оплачиваются производством инструмента, что приводит к значительной экономии.

самолет | Определение, типы, механика и факты

На самолет, выполняющий прямолинейный неускоренный полет, действуют четыре силы.(При повороте, нырянии или полете с набором высоты в игру вступают дополнительные силы.) Эти силы — подъемная сила, сила, действующая вверх; лобовое сопротивление, замедляющая сила сопротивления подъемной силе и трению летательного аппарата, движущегося по воздуху; вес — нисходящее воздействие гравитации на самолет; и тяга — сила, действующая вперед, создаваемая двигательной установкой (или, в случае летательного аппарата без двигателя, за счет силы тяжести для преобразования высоты в скорость). Сопротивление и вес — это элементы, присущие любому объекту, включая самолет.Подъемная сила и тяга — это искусственно созданные элементы, предназначенные для полета самолета.

Чтобы понять подъемную силу, необходимо сначала понять аэродинамический профиль, который представляет собой конструкцию, предназначенную для получения реакции на его поверхность со стороны воздуха, через который он движется. Ранние аэродинамические поверхности обычно имели немного больше, чем слегка изогнутую верхнюю поверхность и плоскую нижнюю поверхность. С годами профили были адаптированы для удовлетворения меняющихся потребностей. К 1920-м годам аэродинамические поверхности обычно имели закругленную верхнюю поверхность, причем наибольшая высота достигалась в первой трети хорды (ширины).Со временем как верхняя, так и нижняя поверхности изгибались в большей или меньшей степени, а самая толстая часть профиля постепенно отодвигалась назад. По мере роста воздушной скорости возникла потребность в очень плавном прохождении воздуха над поверхностью, что было достигнуто в аэродинамическом профиле с ламинарным потоком, где изгиб был дальше назад, чем требовала современная практика. Сверхзвуковой самолет потребовал еще более радикальных изменений формы крыла, некоторые из них потеряли округлость, ранее ассоциировавшуюся с крылом, и имели форму двойного клина.

Получите эксклюзивный доступ к контенту нашего 1768 First Edition с подпиской.
Подпишитесь сегодня

При движении вперед в воздухе профиль крыла получает полезную для полета реакцию от воздуха, проходящего над его поверхностью. (В полете аэродинамический профиль крыла обычно создает наибольшую подъемную силу, но пропеллеры, хвостовые поверхности и фюзеляж также функционируют как аэродинамические поверхности и создают различную подъемную силу). В 18 веке швейцарский математик Даниэль Бернулли обнаружил, что если скорость воздуха увеличивается над определенной точкой профиля, давление воздуха уменьшается.Воздух, текущий по изогнутой верхней поверхности аэродинамического профиля крыла, движется быстрее, чем воздух, текущий по нижней поверхности, уменьшая давление сверху. Более высокое давление снизу толкает (поднимает) крыло вверх в область более низкого давления. Одновременно воздух, протекающий по нижней части крыла, отклоняется вниз, обеспечивая равную и противоположную реакцию Ньютона и внося свой вклад в общую подъемную силу.

Подъемная сила, создаваемая аэродинамическим профилем, также зависит от его «угла атаки», т. Е. Его угла по отношению к ветру.И подъемную силу, и угол атаки можно сразу же, если грубо продемонстрировать, высунув руку в окно движущегося автомобиля. Когда рука развернута к ветру, ощущается сильное сопротивление и создается небольшая «подъемная сила», так как за кистью имеется турбулентная область. Отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению низкое. Когда руку держат параллельно ветру, сопротивление гораздо меньше и создается умеренная подъемная сила, турбулентность сглаживается и соотношение подъемной силы к сопротивлению лучше.Однако, если руку слегка повернуть так, чтобы ее передний край был поднят до большего угла атаки, подъемная сила увеличится. Это благоприятное увеличение подъемной силы и сопротивления приведет к тому, что рука будет «взлетать» вверх и снова. Чем больше скорость, тем больше будет подъемная сила и сопротивление. Таким образом, общая подъемная сила связана с формой аэродинамического профиля, углом атаки и скоростью, с которой крыло движется по воздуху.

Вес — это сила, противоположная подъемной силе.Таким образом, конструкторы стараются сделать самолет максимально легким. Поскольку все конструкции самолетов имеют тенденцию к увеличению веса в процессе разработки, у современного персонала аэрокосмической техники есть специалисты, контролирующие вес с самого начала проектирования. Кроме того, пилоты должны контролировать общий вес, который разрешено перевозить воздушному судну (с учетом пассажиров, топлива и груза), как по количеству, так и по местоположению. Распределение веса (то есть контроль центра тяжести летательного аппарата) так же важно с аэродинамической точки зрения, как и величина переносимого веса.

Тяга, сила, действующая вперед, противоположна сопротивлению, так как подъемная сила противоположна весу. Тяга достигается за счет ускорения массы окружающего воздуха до скорости, превышающей скорость самолета; равная и противоположная реакция — это движение самолета вперед. В самолетах с возвратно-поступательным движением или турбовинтовыми двигателями тяга возникает из движущей силы, вызванной вращением винта, а остаточная тяга создается выхлопом. В реактивном двигателе тяга возникает из движущей силы вращающихся лопастей турбины, сжимающей воздух, который затем расширяется за счет сгорания введенного топлива и выпускается из двигателя.В самолетах с ракетными двигателями тяга возникает за счет равной и противоположной реакции на сгорание ракетного топлива. В планере высота, достигнутая механическими, орографическими или тепловыми методами, переводится в скорость посредством силы тяжести.

Противодействие тяговому усилию оказывает сопротивление, которое состоит из двух элементов. Паразитное сопротивление — это сопротивление формы (из-за формы), трение кожи, интерференция и все другие элементы, которые не способствуют подъемной силе; индуцированное сопротивление — это сопротивление, создаваемое в результате создания подъемной силы.

Паразитное сопротивление увеличивается с увеличением воздушной скорости. Для большинства полетов желательно свести к минимуму лобовое сопротивление, и по этой причине значительное внимание уделяется оптимизации формы самолета за счет устранения как можно большего количества элементов, вызывающих лобовое сопротивление (например, закрытие кабины навесом, убирая шасси, используя клепку заподлицо, а также покраску и полировку поверхностей). Некоторые менее очевидные элементы сопротивления включают относительное расположение и площадь поверхностей фюзеляжа и крыла, двигателя и оперения; пересечение поверхностей крыла и оперения; непреднамеренная утечка воздуха через конструкцию; использование лишнего воздуха для охлаждения; и использование индивидуальных форм, вызывающих локальное разделение воздушного потока.

Индуцированное сопротивление возникает из-за того, что элемент воздуха отклоняется вниз, который не является вертикальным по отношению к траектории полета, а слегка наклонен назад от нее. Чем больше угол атаки, тем больше и сопротивление; в критической точке угол атаки может стать настолько большим, что воздушный поток прерывается над верхней поверхностью крыла, и подъемная сила теряется, а сопротивление увеличивается. Это критическое состояние называется срывом.

Подъемная сила, лобовое сопротивление и сваливание по-разному зависят от формы крыла в плане.Эллиптическое крыло, подобное тому, которое использовалось на истребителе Supermarine Spitfire времен Второй мировой войны, например, в то время как аэродинамически идеальное для дозвукового самолета, имеет более нежелательный рисунок сваливания, чем простое прямоугольное крыло.

Supermarine Spitfire

Supermarine Spitfire, лучший британский истребитель с 1938 года до Второй мировой войны.

Quadrant / Flight

Аэродинамика сверхзвукового полета сложна. Воздух сжимаем, и по мере увеличения скорости и высоты скорость воздушного потока над летательным аппаратом начинает превышать скорость летательного аппарата по воздуху.Скорость, с которой эта сжимаемость влияет на самолет, выражается как отношение скорости самолета к скорости звука, называемое числом Маха в честь австрийского физика Эрнста Маха. Критическое число Маха для летательного аппарата определяется как такое, при котором в некоторой точке самолета воздушный поток достигает скорости звука.

При числах Маха, превышающих критическое число Маха (то есть скорости, при которых воздушный поток превышает скорость звука в локальных точках планера), происходят значительные изменения сил, давления и моментов, действующих на крыло и фюзеляж вызван образованием ударных волн.Один из наиболее важных эффектов — очень сильное увеличение сопротивления, а также уменьшение подъемной силы. Первоначально конструкторы стремились достичь более высоких критических чисел Маха, проектируя самолеты с очень тонкими профилями профиля крыла и горизонтальных поверхностей, а также обеспечивая как можно более высокое отношение тонкости (длины к диаметру) фюзеляжа. Соотношение толщины крыла (толщина крыла, деленная на его ширину) составляло от 14 до 18 процентов на типичных самолетах 1940-45 годов; в более поздних струях это соотношение было уменьшено до менее 5 процентов.Эти методы задерживали локальный воздушный поток, достигающий 1,0 Маха, что позволяло несколько более высокие критические числа Маха для самолета. Независимые исследования, проведенные в Германии и США, показали, что достижение критического значения Маха можно отложить еще больше, если отвести крылья назад. Стреловидность крыла была чрезвычайно важна для разработки немецкого Мессершмитта Ме 262 времен Второй мировой войны, первого действующего реактивного истребителя, а также для послевоенных истребителей, таких как североамериканский F-86 Sabre и советский МиГ-15. Эти истребители работали на высоких дозвуковых скоростях, но конкурентное давление на разработку требовало самолетов, которые могли бы работать на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях.Мощность реактивных двигателей с форсажными камерами делала эти скорости технически возможными, но конструкторам все еще мешал огромный рост лобового сопротивления в околозвуковой области. Решение заключалось в увеличении объема фюзеляжа перед крылом и за ним и уменьшении его около крыла и хвоста, чтобы создать площадь поперечного сечения, которая более приближалась к идеальной площади для ограничения трансзвукового сопротивления. Раннее применение этого правила привело к появлению «осиной талии», как, например, у Convair F-102. В более поздних реактивных самолетах применение этого правила не так очевидно в плане самолета.

Реактивный истребитель F-86

Североамериканская авиация Реактивный истребитель F-86, вступивший в строй в 1949 году. Во время войны в Корее F-86 противостояли МиГ-15 советской постройки в первом крупномасштабном боевом истребителе в истории.

Музей ВВС США

Достижения в инженерии сухожилий и связок: перспективы материалов

Введение . Сухожилия представляют собой специализированные разнородные соединительные ткани, которые представляют серьезную проблему для здоровья после травм.Первичное хирургическое вмешательство — это золотой стандарт лечения; однако это сильно зависит от степени травм. Тканевая инженерия представляет собой альтернативное решение для хорошей интеграции и регенерации тканей. В этом обзоре мы рассмотрим передовые композиты биоматериалов, используемые для улучшения роста клеток, обеспечивая при этом соответствующие механические свойства для восстановления сухожилий и связок. Методология . Всесторонний поиск литературы был сосредоточен на передовых композитных биоматериалах для инженерии тканей сухожилий и связок.Исследования были разделены на категории в зависимости от приложения. Результатов . В литературе ряд природных и / или синтетических материалов комбинируется для создания композитных каркасов для инженерии тканей сухожилий и связок. Оценка in vitro и in vivo демонстрирует многообещающую клеточную интеграцию с достаточной механической прочностью. Биологические свойства были улучшены за счет добавления факторов роста в композиционные материалы. Большинство исследований in vivo было проведено на небольших моделях животных. Выводы . Современные композитные материалы представляют собой многообещающее решение проблем, связанных с тканевой инженерией сухожилий и связок. Тем не менее, эти подходы по-прежнему демонстрируют ограничения, в том числе необходимость крупномасштабных моделей на животных, чтобы облегчить будущий клинический перевод и всестороннюю оценку ответа тканей после имплантации.

1. Введение

Травмы сухожилий и связок представляют собой серьезные проблемы для здравоохранения и экономики будущего.Примечательно, что от этих травм страдают 110 миллионов человек в США [1], а неполное восстановление связано с различными формами инвалидности и хроническими последствиями [2, 3].

Сухожилие представляет собой специализированную соединительную ткань, в которой коллаген I типа составляет ~ 80% от чистой сухой массы. В сочетании с протеогликанами и эластином коллаген обеспечивает высокую механическую прочность сухожилий [4, 5]. Кроме того, сухожилия демонстрируют уникальную структурную иерархию, в которой молекулы коллагена производят фибриллы коллагена, которые группируются вместе, образуя волокна коллагена.Мультикомпозитные единицы сухожилия состоят из нескольких коллагеновых волокон, известных как тропоколлаген (рис. 1) [3, 4, 6].

Связки — еще одна форма вязкоупругой соединительной ткани с высокоорганизованным составом, в котором коллагены (типы I, III и V) составляют основную массу. Также экспрессируются протеогликаны и хондроитинсульфат, что позволяет ткани связок набухать в водной среде [7]. В организме прикрепление сухожилий и связок к кости включает переходную зону с неминерализованным и минерализованным фиброхрящом [3, 8].Сухожилия также могут прикрепляться к мышцам через фасции [4]. Определение структурной организации сухожилий и связок улучшило понимание того, как эти гетерогенные ткани функционируют в синергии [9].