Композиционные материалы в машиностроении

Аннотация

В данной статье представлена информация о методах получения и области применения, композиционных материалах.

Повышение прочностных свойств конструкционных материалов является важнейшей проблемой в машиностроении. Однако по мере увеличения прочности материалов происходит резкое снижение их пластичности, увеличивается склонность к хрупкому разрушению. Это сильно ограничивает использование высокопрочных материалов в качестве конструкционного материала. Создание материалов, представляющих собой композиции из мягкой матрицы и распределённых в ней высокопрочных волокон второй фазы (обычно более прочной, чем матрица), значительно расширяет их эксплуатационные возможности.

За последние годы был создан ряд искусственных композитов на металлической и неметаллической основе, армированных неорганическими волокнами высокой прочности и жёсткости, нитевидными кристаллами, неорганическими частицами

Важнейшими технологическими методами изготовления композиционных материалов являются: [1]

  • пропитка армирующих волокон матричным материалом;
  • формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы, получаемых намоткой;
  • холодное прессование обоих компонентов с последующим спеканием, электрохимическое нанесение покрытий на волокна с последующим прессованием;
  • осаждение матрицы плазменным напылением на упрочнитель с последующим обжатие;
  • пакетная диффузионная сварка монослойных лент компонентов;
  • совместная прокатка армирующих элементов с матрицей.

Композиционные материалы в конструкциях, требующих наибольшего упрочнения, характеризуются расположением армирующих волокон по направлению приложенной нагрузки. Цилиндрические изделия и другие тела вращения (например, сосуды высокого давления), в основе которых лежат композиционные материалы, армируют волокнами, ориентируя их в продольном и поперечном направлениях. Весьма перспективны композиционные материалы, в которых в качестве волокон используют "нитевидные усы" различных кристаллов, тонкие кварцевые волокна из SiO2, SiC, А12ОЗ, полученные путём направленной кристаллизации или осаждения из паров на тонкую проволоку. [2]

В настоящее время широко применяют композиционные материалы на основе фторопласта для изготовления подшипников скольжения, манжет, уплотнительных колец, прокладок гидравлических систем (станков, автомобилей), механических устройств, уплотнений поршневых и плунжерных компрессоров, направляющих тросов автомобилей, промышленных и строительных машин, скользящих опор машин, дисков сцепления для точных механизмов, деталей систем управления, системы нейтрализации газа, системы реверсивного устройства двигателя [2].

Одним из наиболее распространенных на сегодняшний день видов неметаллических материалов является капролон - материал конструкционного и антифрикционного назначения, применяемый в различных отраслях промышленности для изготовления различных деталей [2]:

  • втулок, подшипников скольжения, облицовок, направляющих и вкладышей узлов трения, работающих при нагрузке до 20 МПа;
  • шкивов, блоков, колес и роликов грузоподъемных механизмов с тяговым усилием до 30 т, гидравлических тележек, кран-балок, транспортеров, конвейеров;
  • корпусов, кронштейнов для различных приборов и автоматов, ступиц колес тележек, вагонеток, вакуумных и карусельных фильтров, к которым предъявляются повышенные требования по ударостойкости;
  • шестерен, звездочек и червячных колес для приводов редукторов (снижают вибрации и уровень шума до 15 ДБ);
  • деталей уплотнения (вместо фторопласта) для дозаторов, сепараторов, арматуры, оборудования для РТИ и манжет для систем высокого давления (до 500 атм).

Капролон имеет низкий коэффициент трения в паре с любыми металлами, хорошо и быстро прирабатывается, в 6...7 раз легче бронзы и стали, которые им заменяют. Этот материал не подвержен коррозии, не токсичен, экологически чист. Известно, что изделия из капролона в 2 раза снижают износ пар трения, повышая их ресурс [3].

Особо следует отметить технологичность полимерных композиционных материалов (ПКМ). Более низкая температура плавления, высокий уровень пластичности, хорошая обрабатываемость неметаллических материалов обеспечивают значительные преимущества в технологичности производства из них изделий машиностроения. Кроме того, снижение шума, вибрации, динамических нагрузок, рабочей температуры в сочетании с повышением коррозионной стойкости и надежности изделий из ПКМ позволяет отказаться от ряда специальных проектно-конструкторских и технологических мероприятий, направленных на обеспечение комфорта и безопасности машин. Применение ПКМ обеспечивает значительную экономическую эффективность.

Основным назначением ПКМ остается обеспечение комфортных условий эксплуатации машин. Расширение применения ПКМ в машиностроении объясняется также необходимостью обеспечения современных экологических норм и норм безопасности.

Одной из главных тенденций в развитии машиностроения является снижение веса конструкций за счёт использования современных композитных материалов.

Мировое авиастроение в настоящее время активно осуществляет переход от металлов к композитным материалам. Основные авиастроительные компании (Airbus и Boeing) заменяют алюминий и другие материалы при производстве деталей самолетов (фюзеляжей, крыльев, закрылок, килей, стабилизаторов, люков и дверей, окантовок иллюминаторов, элементов интерьера и т.д.) на высокоэффективные композиты низкой плотности для снижения массы своих самолетов. Это приводит к сокращению эксплуатационных расходов для авиаперевозчиков и создает конкурентные преимущества для производителей подобных машин. Экономия на эксплуатационных расходах образуется за счет более низких затрат на топливо и меньшей потребности в материально- техническом обслуживании, необходимость которого возникает при использовании металлов из-за их усталости и коррозии.

Одной из последних технологических новинок в области производственного использования композитных материалов стала разработка Российского самолета МС-21 компанией Иркут. Его отличительной особенностью является крыло. Оно создано при помощи вакуумной формовки с использованием легких композитных материалов, такой конструкции, чтобы обеспечить максимальную аэродинамическую эффективность в крейсерском полете, что значительно снижает расход топлива. Композиты помимо высоких прочностных характеристик, обладают высокой коррозионной стойкостью и гидрофобностью, что обуславливает их применение в судостроение. Применение композитов также позволяет снизить вес конструкций, в результате чего уменьшается расход топлива и увеличивается маневренность судов. При создании изделий, предназначенных для спасения людей при пожаре на воде, применяют композиты с высокой тепло- и огнестойкостью.

Уникальность композитов также состоит в том, что можно заранее спроектировать материал таким образом, чтобы придать изделию из него свойства, необходимые для конкретной области применения.

Композиционные материалы постепенно занимают все большее место в нашей жизни. Области применения композиционных материалов многочисленны. Кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной и горнорудной, металлургической промышленности, в строительстве и т.д. Диапазон применения этих материалов увеличивается день ото дня и сулит еще много интересного. Можно с уверенностью сказать, что это материалы будущего.

В Казахстане большое внимание уделяется композиционным материалам. В 2011 году в Республике Казахстан начал издаваться и распространяться журнала «Композитный Мир». Журнал является результатом сотрудничества Российского журнала «Композитный Мир» с казахстанским лидером по производству стеклопластиковых труб и фасонных изделий — ТОО «Amitech Astana» (Амитех Астана), имеющим вкладку в данном журнале. Журнал «Композитный Мир» — первый русскоязычный научно-популярный журнал, посвященный рынку композиционных материалов и технологий на пространстве всего СНГ и странах Таможенного Союза. На страницах журнала «Композитный Мир — Казахстан» и вкладки ТОО «Amitech Astana» (Амитех Астана) можно ознакомиться с информацией о:

  • Состоянии и перспективах развития стеклопластиковой отрасли в Республике Казахстан;
  • новейших технологиях производства изделий из композиционных материалов;
  • исходных материалах и сырье;
  • крупнейших мировых поставщиках сырья и оборудования;
  • преимуществах композиционных материалов по сравнению с традиционно используемыми;
  • областях применения и опыте использования композитов во всех странах мира;
  • событиях, выставках, новостях отрасли в целом на территории Республики Казахстан.

Казахстанский рынок композитов и стеклопластика еще только в начале пути своего развития, но потенциал его велик!

 

Литература:

  1. Тялина Л.Н, Минаев А.М.. Пручкин В. А. Новые композиционные материалы: учебное пособие/- Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ. 2011.
  2. Баурова, Н.И. Применение полимерных композиционных материалов при производстве и ремонте машин: - M.МАДИ. 2016.
  3. Берлина А. А. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб, пособие / под ред. А.А. Берлина. - 3-е испр. изд. - СПб.: ЦОП «Профессия», 2011.
Год: 2016