Управляемые композитные материалы и системы

Космос

Космос

Авиация

Медицина

Медицина

Нефтехимическая промышленность

Строительство

Материалы
Естественные
Искусственные
Элементы таблицы Менделеева
Композиты
Сплавы
Полимеры
Композитные системы

Исторические названия материалов
Сплавы металлов (железа, меди, никеля, титана и др.), бетон, железобетон, клеи, припои, пластические массы (пластмассы), пластики, армированные пластики, многослойные стержни, пластины и оболочки, трехслойные панели с сотовыми заполнителями, поролон, пенопласт и др.

Современное представление композитных материалов:
гетерофазные (неоднородные многофазные) системы, состоящие из двух или нескольких компонентов с поверхностями раздела между ними; при этом одну из фаз называют матрицей, а другие – включениями или армирующими элементами; четкую границу между фазами считают третьим структурным элементом.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО СТРУКТУРНЫМ ПРИЗНАКАМ
АРМИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ
ВОЛОКНИСТЫЕ
СЛОИСТЫЕ
ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫЕ
НАНОКОМПОЗИТЫ
КОМПОЗИЦИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ

Волокнистые композитные материалы
Состоят из матрицы и упрочняющих одномерных элементов в форме волокон, проволоки, нитевидных кристаллов и т.п. Матрица играет роль связующей среды для упрочняющих элементов. Она может быть металлической (Al, Mg, Ni, Ti, сплавы) и неметаллической (полимеры, углерод, керамика и др.).

Классификация композитов по взаимодействию на поверхности раздела матрицы и волокон
Первая группа – компоненты практически нерастворимы и не вступают в химические реакции.
Вторая группа – матрица и волокна растворимы взаимно, но не образуют побочных продуктов.
Третья группа – на поверхности раздела появляются продукты химического взаимодействия.

Рис. 1. Волокнистый композитный материал

Рис. 2. Классификация волокнистых композитов по конструкции
а – хаотически армированные;
б – одномерно армированные;
в – двумерно армированные;
г – пространственно армированные

Классификация (названия) по армирующим волокнам
Стекловолокниты – состоят из синтети-ческой смолы (матрица) и стекляных волокон.
Карбоволокниты (углепласты) – поли-мерное связующее (матрица) и упроч-нители из углеродных волокон.
Бороволокниты - полимерное связую-щее (матрица) и борные волокна.

Качесвенные характеристики композитов
Преимущества: надежность (вязкое разрушение, трещиностойкость, тер-мостойкость), химическая стойкость, задаваемые электрические и другие физические свойства, малый объемный вес.
Недостатки: значительная стоимость, изготовление материала одновременно с деталью, токсичность некоторых компонентов.

Особености композитов
Механические, физические и химичес-кая несовместимость компонентов (ко-эффициенты расширения, деформируе-мость и др.).
Концентрация напряжений на границе, разрушение от нагрузки и температуры.
Реологические свойства компонентов.
Разносопротивляемость при растяжении и сжатии.

Варианты технологии изготовления полимерных волокнистых композитов
1. Прессование – прямое и литьевое.
2. Выдержка – время пребывания мате-риала в нагретом состоянии.
3. Контактно-вакуумное формирование за счет разности давления наружным и внутренним разрежением.
4. Автоклавное формирование исполь-зует автоклавы вулканизации резины.

5. Вариант намотки волокон
Рис. 3. Спирально-винтовая намотка лентой

Варианты технологии
6. Жидкофазное совмещение (пропитка волокон расплавом матрицы, пропитка в вакууме).
7. Твердофазное совмещение матрицы и волокон (диффузная сварка, порошко-вая металлургия, сварка взрывом).
8. Газофазные, химические, электрохи-мические (напыление, никелирование, меднение, серебрение).

Рис. 4. Схема изготовления электрохимическим способом

Дисперсно-упрочненный композит
С размером частиц 0,01 – 0,1мкм в матрицу обеспечивают структурное состояние дислокаций с определенной подвижностью для предотвращения хрупкого разрушения.
Сочетания: металлические матрица и частицы, неметаллические матрица и частицы, металлическая матрица и неметаллические частицы и наоборот.

Нанокомпозиты
Высокодисперсные материалы с содер-жанием частиц 1 – 100нм (0,000001мм) обладают межфазной удельной поверх-ностью. Используются неорганические и органи-ческие вещества. Сочетание: керамика и полимеры, включения мета-ллы или полупроводники. Структура: сетчатые, слоистые, кластерные (из атомов ме-талла) с размером кластера 1 – 10 нм.

Технология изготовления нанокомпозитов
Основана на различных химических технологиях с контролем межфазных границ: подавление фазового разделе-ния, золь-гель технология, реакции ион-ного обмена, испарение и распыление, осаждение паров, плазменная полиме-ризация, получение тонких пленок, внедрение ионов металлов в мономеры с катализаторами, гидролиз.

Свойства нанокомпозитов
Повышенные механические характеристики, особые теплофизические свойства, электрические свойства суперпарамагнитные свойства, задаваемые оптические свойства, сенсорные свойства, износостойкость.

Надежность композитов
Основные параметры надежности: прочность, жесткость, устойчивость, механика разрушения.
Условие прочности
Закон Гука для одноосного НДС

Моделирование для композитов
Композит – анизотропный и неоднородный
Макроуровень – упругое поведение (рабочее состояние).
Микроуровень – поведение при разрушении.
В макроуровне используются методы «приведения» или «осреднения»

Метод приведения (осреднения)
Реальный композитный материал моделируется более простыми изотропными или ортототропным путем использования приведенных (эффективных) геометрических и физических характеристик материала в зависимости от НДС элемента конструкции.

Растяжение композитного стержня
Пример расчета

Осреднение по объему
Безразмерные координаты:

Композитные пластины и оболочки
Рис. 5. Схема композитной волокнистой пластины, рассматриваемой как ортотропная

Дифференциальное уравнение изгиба однородной ортотропной пластины
Приведенные цилиндрические жесткости пластины:

Приведенная цилиндрическая жесткость пластины

Управляемые композитные материалы
УК – многофункциональные системы, имеющие активный отклик на измене-ние условий и, обладающие признаками интеллектуального поведения.
Бионика – наука об использовании зна-ний о конструкциях и формах, принци-пах и технологических процессах живой природы в технических устройствах и системах.

Классификация УКС
УКС: БИОКОМПОЗИТЫ, АДАПТИВНЫЕ СИСТЕМЫ;
БИОКОМПОЗИТЫ: ЕСТЕСТВЕННЫЕ, ИСКУССТВЕН-НЫЕ;
АДАПТИВНЫЕ СИСТЕМЫ: ПАССИВНЫЕ, АКТИВ-НЫЕ, АКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, КОМБИНИРОВАН-НЫЕ;
АКТИВНЫЕ АДАПТИВНЫЕ СИСТЕМЫ (ВОЗДЕЙС-ТВИЯ): ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ, ЭЛЕКТРОННОЕ (МИКРО-ПРОЦЕССОРЫ),ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ, АККУС-ТИЧЕСКОЕ, СВЕТОВОЕ, РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКОЕ, РАДИОВОЛНЫ, ЛАЗЕРНОЕ;
КОМБИНИРОВАННЫЕ.