Керамические композитные материалы

Керамические композиционные материалы и их получение

Керамические композиционные материалы (ККМ) – материалы, в которых матрица состоит из керамики, а арматура из металлических или неметаллических наполнителей.

Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами позволяет получать высокопрочные композиты.

Однако ассортимент волокон, пригодных для армирования керамики, ограничен свойствами исходного материала. Часто используют металлические волокна. Сопротивление растяжению растет незначительно, зато повышается сопротивление тепловым ударам – материал меньше растрескивается при нагревании, но возможны случаи, когда прочность материала падает. Это зависит от соотношения коэффициентов термического расширения матрицы и наполнителя.

Керамические композиционные материалы с металлическими волокнами изготавливают методом горячего прессования. Используют волокна из вольфрама, молибдена, ниобия, стали. При армировании образуется пластическая сетка, способная создать целостность керамики после ее растрескивания и уменьшить вероятность преждевременного разрушения. Однако ККМ имеют низкую стойкость к окислению при высокой температуре.

Армирование керамики дисперсными металлическими частицами приводит к новым материалам – керамико-металлическим (керметам) с повышенной стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с повышенной теплопроводностью. Их получают обработкой смеси керамических порошков с использованием методов порошковой металлургии.

Металлической связкой в керметах служат порошки никеля, железа, кобальта, хрома. Для работы при температуре +450…630 °С используют сплавы на основе Аl20з (оксида алюминия), при температуре не выше +1000 °С – применяют керметы на основе карбида титана, при более высоких температурах – композиции на основе карбидов бора и кремния.

Керметы на основе боридов переходных металлов (борметы) отличаются высокой жаропрочностью, используют для изготовления деталей ракетных двигателей.

Широко применяют в промышленности магнитные, пористые и контактные материалы, полученные методами порошковой металлургии. Из высокотемпературных керметов изготавливают детали для газовых турбин, арматуру электропечей, детали для ракетной и реактивной техники. Твердые износостойкие керметы используют для изготовления режущих инструментов и деталей.

Кроме того, керметы применяют в специальных областях техники – это тепловыделяющие элементы атомных реакторов на основе оксида урана, фрикционные материалы для тормозных устройств и т.д.

Керамические композиционные материалы получают методом горячего прессования (таблетирование с последующим спеканием под давлением) или методом шликерного литья (волокна заливаются суспензией матричного материала, которая после сушки также подвергается спеканию). Керамические материалы имеют высокую температуру плавления, в основном высокую стойкость к окислению.

Керамические композиционные материалы с углеродными волокнами (оксидами, карбидами, силицидами) перспективны при высокотемпературных режимах использования.

Большую перспективу имеют материалы «керамика – керамика» в связи с небольшим различием модуля упругости матрицы и наполнителя, коэффициентов расширения, возможности работы до +2000 °С.

В промышленности нашли применение очень твердые материалы на основе кубического нитрида бора (боразон, эльбор). На их основе создан сплав гексанит. Твердость этого сплава превышает твердость алмаза, а температура, которую он выдерживает, достигает +1930 °С. При работе резцом из гексанита производительность труда повышается в 10 раз.

Кроме металлокерамических твердых сплавов используют минералокерамические материалы. Они состоят из зерен оксидов металлов или синтетических минералов, соединенных синтетическим стеклом. Из наиболее употребляемых следует назвать микролит. Для его изготовления применяют корунд (кристаллический оксид алюминия) с добавками оксида магния.

Микролиты обладают большой химической стойкостью, твердостью, краскостойкостью, но очень хрупки. Хрупкость и низкая прочность ограничивают область их применения. Они эффективно используются для обработки изделий из цветных металлов с небольшими глубинами резания, для чистовой обработки стальных и чугунных изделий.

Перспективно применение стеклокерамических и углеродо-керамических композиционных материалов конструкционного и теплозащитного назначения («Стекларм», «Геларм», «Кар- бокс» и др.).

Области применения композиционных материалов многочисленны. Кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники они востребованы в энергетическом турбостроении, автомобильной, горнорудной, металлургической промышленности, в строительстве и т.д. Диапазон применения этих материалов постоянно увеличивается.

Керамические и стеклокерамические материалы | ВИАМ

В соответствии со «Стратегическими направлениями развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» по направлению № 14 «Высокотемпературные керамические и керамоподобные материалы» реализуются комплексные проблемы 14.1 «конструкционные керамические композиционные материалы (ККМ)» и 14.2 «новые технологии получения сверхвысокотемпературных керамических и металлических композиционных материалов».

Стеклокерамические композиционные материалы

«Геларм» – многофункциональный высокотемпературный стеклокерамический материал на основе дискретных и/или дисперсных армирующих наполнителей и силикатной гель-матрицы с рабочей температурой до 1650°С. Материал предназначен для огне-и теплозащиты, в том числе в условиях термомеханических, газодинамических нагружений и термоударов, для применения в изделиях авиационной, ракетно-космической техники, в машиностроении и других областях. отличительные особенности материала – малая энергоемкость технологических процессов, возможность изготовления крупногабаритных теплозащитных панелей, включая ремонт и восстановление в составе изделия.

Панели и образцы из СККМ типа «Геларм»

ВМК-2 («Стекларм») – высокотемпературный стеклокерамический композиционный материал на основе боросиликатной или стеклокристаллической матрицы, армированный углеродными волокнистыми материалами типа «кулон». Материал обладает: плотностью 2– 2,3 г/см³, высокими значениями механических свойств (предел прочности при изгибе от 500 до 1000 МПа в зависимости от текстильной формы наполнителя и его объемного содержания), повышенной окислительной стойкостью при температурах до 600°С (длительно) и 800 °С (кратковременно). Предназначен для изготовления теплонагруженных деталей авиационной, космической техники и изделий машиностроения (например, кольцевых элементов рабочего колеса малоинерционного компрессора высокого давления ГТД) методом прямого горячего прессования полуфабрикатов на основе ленточных и жгутовых препрегов. (Разработка данного материала осуществлялась совместно с РХТУ им. Д.И. Менделеева.)

Керамические, углеродкерамические композиционные материалы
и антиокислительные покрытия

ВМК-3 – «безволоконный» конструкционный керамический композиционный материал типа SiC/SiC, работоспособный при температурах до 1650°С в окислительной среде, который отличается сверхвысокой термостойкостью (термостойкость по режиму 800-1750°С более 10 000 циклов, где 1 цикл: 1 минута). Материал обладает низкой удельной массой (в 2–3 раза легче сталей), повышенной эрозионной, химической и коррозионной стойкостью в агрессивных средах; при эксплуатационных температурах обладает эффектом самозалечивания микродефектов и восстановления до 100% исходных механических характеристик (прочность при изгибе во всем интервале рабочих температур – 250–300 МПа). Отличительной особенностью материала, разработанного совместно с ИОНХ им. Н.С. Курнакова РАН и РХТУ им. Д.И. Менделеева является реализация процесса синтеза, основанного на применении золь-гель технологии для получения наноструктурных упрочняющих фаз в матрице керамического композита, что также позволяет снизить энергоемкость технологического процесса и сократить время изготовления независимо от габаритов и сложности изделия. Материал предназначен для изготовления теплонагруженных деталей горячего тракта перспективных двигателей (например, внутренняя поверхность двухстеночной камеры сгорания) и высокоскоростных летательных аппаратов.

НККМ – трещиностойкий (квазипластичный) высокотемпературный углеродкерамический композиционный материал для изготовления теплонагруженных узлов и деталей авиационных и стационарных газотурбинных двигателей. Совместно с сотрудниками ЦИАМ им. Баранова разработана технология изготовления жаровой трубы из материала НККМ.

ЭФФЕКТ САМОЗАЛЕЧИВАНИЯ:

• востановление прочности до 100%
• высокая термостойкость: при 1500-800°С - более 7000 циклов (1 цикл: 1 минута)

Жаровая труба из квазипластичного керамического композита и фрагмент элемента жаровой трубы и кольца

ВМК-1, ВМК-4 – керамические композиционные материалы на основе муллита с рабочими температурами 1200–1350°С, допускаются кратковременные забросы до 1550°С. Материалы предназначены для применения в качестве материалов деталей и узлов трения, испытывающих механические нагрузки в условиях высоких температур.

ВМК-5, ВМК-6 – материалы на основе дискретных волокон оксида алюминия. Высокие температуры эксплуатации материала и диэлектрические характеристики делают возможным применение данных материалов для изготовления радиопрозрачных обтекателей ракет, окон приборов ориентации, элементов передних кромок крыльев ракетнокосмической техники и гиперзвуковой авиации, теплозащитных элементов низкоинерционных термических установок, теплоизоляции печей.

Свойства НККМ

Свойства НККМ

Свойства покрытия ЭВУ-5

Свойства покрытия ЭВУ-5

В последние годы во ФГУП «ВИАМ» разработаны высокотемпературные теплозащитные и теплоизоляционные материалы с широким диапазоном плотностей (как жесткие, так и гибкие) на основе волокон оксида алюминия с рабочей температурой до 1700°С.

ЭВУ-5 – высокотемпературное покрытие предназначено для защиты от окисления высокотемпературных углеродсодержащих композитов при температурах вплоть до 2000°С. отличительной особенностью нового поколения активных покрытий является способность за счет управляемых структурно-фазовых превращений адаптироваться к условиям эксплуатации – эффективность покрытия основана на принципе химического захвата кислорода, благодаря чему многократно снижается коэффициент его диффузии через покрытие к основному материалу.

Производство керамических композиционных материалов (ККМ)

 Разработана ВИАМ совместно с ИОНХ РАН и РХТУ им. Д.И. Менделеева принципиально новая технология получения композиционных материалов, обладающих уникальными свойствами.

С применением золь-гель технологии и метода направленной кристаллизации разработан наноструктурированный стеклокерамический композиционный материал с повышенной вязкостью разрушения (60–70 кДж/м2), работоспособный при температурах не менее 1300°С в условиях окислительных и других агрессивных сред при воздействии больших механических нагрузок.

Создан высокотемпературный конструкционный керамический композиционный материал SiC–SiC без армирующих волокон SiC (марка ВМК-3 «Карбокс»), с рабочей температурой до 1650°С в условиях окислительной и других агрессивных сред. Отличительными особенностями материала ВМК-3 являются: формирование каркасоподобной структурно-упрочняющей фазы вследствие направленного роста нитевидных кристаллов; высокая термостойкость; эффект самозалечивания микродефектов и восстановления прочности до 100% при рабочей температуре. Материал обладает химической и коррозионной стойкостью в агрессивных средах, обеспечивает снижение массы конструкции в 2–4 раза. Образцы из ККМ типа «Карбокс» на основе карбида кремния впервые в отечественной практике успешно выдержали испытания на стенде при термоциклировании по режиму 800-1700°С более 10000 циклов (1 цикл: 60 секунд).

Исследования и разработки в области керамических материалов

Благодаря своей способности выдерживать очень высокие температуры, существенно большей чем у металлов твердости, высочайшей удельной прочности и удельной жесткости, керамика широко используется для изготовления облицовки двигателей, компонентов ракет, режущих кромок инструментов, специальной прозрачной и непрозрачной защиты, что, безусловно, является одними из приоритетных направлений развития систем военного назначения. Впрочем, в перспективе область ее применения должна значительно расшириться, поскольку в рамках научных исследований и разработок, проводимых во многих странах мира, ведется поиск новых способов повышения пластичности, трещиностойкости и других желательных механических свойств за счет комбинации керамической основы с армирующими волокнами в так называемых керамоматричных композиционных материалах (КМКМ). Также новые технологии изготовления позволят наладить массовое производство очень прочных, высококачественных прозрачных изделий сложной формы и больших размеров из материалов, пропускающих видимые и инфракрасные волны. Кроме того, создание новых структур с использованием нанотехнологий позволит получить прочные и легкие, сверхжаропрочные, химически стойкие и в тоже время фактически неразрушающиеся материалы. Подобная комбинация свойств сегодня считается взаимоисключающей и тем самым очень привлекательной для военного применения.

Керамоматричные композиционные материалы (КМКМ)

Подобно своим полимерным аналогам КМКМ состоят из вещества-основы, называемого матрицей, и армирующего наполнителя, представляющего собой частицы или волокна другого материала. Волокна могут быть непрерывными или дискретными, случайным образом ориентированными, уложенными под точными углами, переплетеными особым образом для получения повышенной прочности и жесткости в заданных направлениях или их равномерного распределения по всем направлениям. Однако, какой не была комбинация материалов или ориентация волокон, связь между матрицей и армирующим компонентом критична для свойств материала. Поскольку полимеры имеют меньшую жесткость по сравнению с армирующим их материалом, то связь между матрицей и волокнами, как правило, сильна настолько, что позволяет материалу сопротивляться изгибу как единому целому. Впрочем, в случае с КМКМ матрица может быть жестче армирующих волокон так, что связующая сила, оптимизированная подобным образом, чтобы позволить небольшую «делокализацию» волокна и матрицы, помогает поглотить энергию удара, например, и предотвратить развитие трещин, которое бы в ином случае привело бы к хрупкому разрушению и раскалыванию. Это делает КМКМ гораздо более вязкими по сравнению с чистой керамикой, а это важнейшее из свойств высоконагруженных движущихся деталей, например, деталей реактивных двигателей.

Легкие и горячие турбинные лопатки

В феврале 2015 года компания GE Aviation объявила об успешных испытаниях того, что она называет «первым в мире нестатичным комплектом деталей из КМКМ для авиационного двигателя», хотя компания при этом не раскрыла материалы, используемые для матрицы и армирующего материала. Речь идет о лопатках турбины низкого давления в экспериментальном образце турбовентиляторного двигателя F414, разработка которых призвана обеспечить дальнейшее подтверждение соответствия материала заявленным требованиям работы при высоких ударных нагрузках. Эта деятельность ведется в рамках программы разработки демонстрационного образца самоприспосабливающегося двигателя следующего поколения AETD (Adaptive Engine Technology Demonstrator), в которой компания GE сотрудничает с исследовательской лабораторией американских ВВС. Цель программы AETD - предоставить ключевые технологии, которые могли бы быть реализованы в двигателях истребителей шестого поколения и начиная с середины 2020-х годов в двигателях машин пятого поколения, например F-35. Адаптивные двигатели смогут регулировать свою степень повышения давления и степень двухконтурности в полете с целью получения максимальной тяги при взлете и в бою или максимальной топливной экономичности в крейсерском режиме полета.

В компании подчеркивают, что введение вращающихся деталей из КМКМ в «самые горячие и тяжелонагруженные» части реактивного двигателя представляет собой значительный прорыв, так как ранее технология позволяла использовать КМКМ только для изготовления неподвижных деталей, например, бандажа турбины высокого давления. Во время испытаний лопатки турбины из КМКМ в двигателе F414 прошли через 500 циклов - от холостых оборотов до взлетной тяги и обратно.

Как сообщили в компании, турбинные лопатки гораздо легче обычных лопаток из никелевых сплавов, что позволило металлические диски, к которым они крепятся, сделать меньше и легче.

«Переход от никелевых сплавов к вращающейся керамике внутри двигателя - это действительно большой скачок. Но это чистая механика, - сказал Джонатан Бланк, глава направления КМКМ и полимерных связующих в компании GE Aviation. - Более легкие лопатки создают меньшую центробежную силу. Это означает, что вы можете уменьшить диск, подшипники и другие детали. КМКМ позволили внести революционные изменения в конструкцию реактивного двигателя».

Целью программы AETD является снижение на 25% удельного расхода топлива, увеличение дальности полета более чем на 30% и увеличение максимальной тяги на 10% по сравнению с самыми продвинутыми истребителями 5-го поколения. «Одной основных проблем при переходе от статичных компонентов из КМКМ к вращающимся компонентам можно назвать поле напряжений, в котором они должны работать», - заметил руководитель программы по продвинутому боевому двигателю в компании GE Aviation Дэн Маккормик. При этом он добавил, что испытания двигателя F414 позволили получить важные результаты, которые будут использованы в двигателе адаптивного цикла. «Лопатка турбины низкого давления из КМКМ весит в три раза меньше металлической лопатки, которую она заменяет, кроме того, во втором экономичном режиме нет необходимости охлаждать воздухом лопатку из КМКМ. Лопатка теперь будет более эффективной с аэродинамической точки зрения, поскольку нет необходимости нагнетать весь этот охлаждающий воздух через нее».

Материалы КМКМ, в которые, по данным компании, она инвестировала более миллиарда долларов с тех пор как начала работу над ними в начале 90-х годов, могут выдерживать температуры на сотни градусов выше, чем традиционные никелевые сплавы, и отличаются армированием карбидокремниевыми волокнами керамической матрице, что повышает ее ударную вязкость и трещиностойкость.

Компания GE, по всей видимости, довольно серьезно потрудилась над этими турбинными лопатками. Ведь некоторые механические свойства КМКМ весьма скромные. Например, предел прочности при растяжении сравним с пределом прочности медных и дешевых алюминиевых сплавов, что не совсем хорошо для деталей, к которым прилагаются большие центробежные силы. Кроме того, они демонстрируют низкую величину деформации при разрыве, то есть при разрушении они удлиняются очень незначительно. Впрочем, эти недостатки, кажется, были преодолены, а низкая масса этих материалов определенно внесла свой важный вклад в победу новой технологии.

Вклад композитной брони

Хотя технологии защиты, представляющие собой комбинацию слоев металла, армированных волокном полимерных композитов и керамики, хорошо освоены, промышленность продолжает разрабатывать все более сложные композиционные материалы, но при этом многие детали этого процесса тщательно скрываются. В этой области хорошо известна компания Morgan Advanced Materials, объявившая в прошлом году о получении награды на конференции Armoured Vehicles XV в Лондоне за технологию своей защиты САМАС. По данным компании Morgan, широко используемая на машинах британской армии защита САМАС, представляет собой композиционный материал, усиленный такими материалами как S-2 Glass, E-Glass, арамид и полиэтилен, затем сформированный в листы и отвержденный под высоким давлением: «Волокна могут комбинироваться с гибридными керамо-металлическими материалами с целью соответствия особым требованиям к конструкции и характеристикам».

По данным компании Morgan, броня САМАС общей толщиной 25 мм, используемая для изготовления защитных капсул экипажа, может снизить массу легких защищенных машин более чем на 1000 кг по сравнению с машинами со стальной капсулой. К другим преимуществам относятся упрощение ремонта при увеличении толщины менее чем на 5 мм и присущие этому материалу свойства противоосколочного подбоя.

Явный прогресс шпинели

По данным Научно-исследовательской лаборатории ВМС США, бурно развивается разработка и производство прозрачных материалов на основе алюминиевокислого магния (MgAI2O4), также известных под общим названием искусственные шпинели. Шпинели давно известны не только своей прочностью - шпинель толщиной 0,25 дюйма имеет такие же баллистические характеристики, что и 2,5 дюйма пуленепробиваемого стекла, - но и сложностью изготовления деталей больших размеров с однородной прозрачностью. Впрочем, группа ученых из этой лаборатории изобрела новый процесс низкотемпературного спекания в вакууме, который позволяет получать детали размерами, ограниченными только размерами пресса. Это серьезный прорыв по сравнению с предыдущими процессами изготовления, ведущими свое начало с процесса расплавления исходного порошка в плавильном тигеле.

Одним из секретов нового процесса является равномерное распределение спекающей добавки из фторида лития (LiF), которая расплавляет и «смазывает» зерна шпинели для того, чтобы они могли равномерно распределяться во время спекания. Вместо сухого смешивания порошков фторида лития и шпинели лаборатория разработала способ равномерного покрытия частиц шпинели фторидом лития. Это позволяет существенно сократить расход LiF и повысить светопропускаемость до 99% от теоретического значения в видимой и в средней инфракрасной области спектра (0,4-5 микрон).

Новый процесс, позволяющий наладить производство оптики различных форм, включая листы, комфорные с крыльями самолета или беспилотника, был лицензирован неназванной компанией. Возможные применения шпинели включают бронированные стекла с массой двое меньшей, чем масса существующих сортов стекла, защитные маски для солдат, оптику для лазеров следующего поколения и мультиспектральные сенсорные стекла. При массовом производстве, например, трещиностойких стекол для смартфонов и планшетов, стоимость изделий из шпинели существенно снизится.

PERLUCOR - новая веха в системах защиты от пуль и износа

Компания CeramTec-ETEC несколько лет назад разработала прозрачную керамику PERLUCOR, имеющую хорошие перспективы применения как в оборонной, так и в гражданской сферах. Превосходные физические химические и механические свойства PERLUCOR стали основными причинами для успешного вхождения этого материала в рынок.

PERLUCOR имеет относительную прозрачность свыше 90%, в три-четыре раза прочнее и тверже обычного стекла, термостойкость этого материала примерно в три раза выше, что позволяет применять его при температурах до 1600°С, также он обладает чрезвычайно высокой химической стойкостью, это позволяет использовать его с концентрированными кислотами и щелочами. PERLUCOR имеет высокий показатель преломления (1,72) что позволяет изготавливать оптические объективы и оптические элементы миниатюрных размеров, то есть получать приборы с мощным увеличением, чего невозможно достигнуть с полимерами или стеклом. Плитки из керамики PERLUCOR имеют стандартный размер 90x90 мм; впрочем, компания CeramTec-ETEC разработала технологию получения на основе этого формата листов сложной формы по спецификациям заказчика. Толщина панелей может в особых случаях составлять десятые доли миллиметра, но, как правило, это 2-10 мм.

Развитие более легких и более тонких систем прозрачной защиты для оборонного рынка идет быстрыми темпами. Немалый вклад в этот процесс вносит прозрачная керамика компании СегаmТес, которая входит в состав систем защиты многих производителей. Снижение массы таких систем, прошедших испытания в соответствии со стандартами STANAG 4569 или APSD, составляет порядка 30-60 процентов.

В последние годы оформилось еще одно направление развития технологий, разработанных СегатТес-ЕТЕС. Окна транспортных средств, особенно в скалистой и пустынной местности, например в Афганистане, страдают от ударов камней, а также царапин, образующихся в результате движения щеток стеклоочистителей по покрытому песком и пылью лобовому стеклу. Также снижаются баллистические характеристики пулестойких стекол, получивших повреждения от ударов камней. Во время боевых действий машины с поврежденными стеклами подвергаются серьезному и непредсказуемому риску. СегаmТес-ЕТЕС разработала действительно инновационное и оригинальное решение для защиты стекол от подобного типа износа. Нанесение тонкого слоя (<1 мм) керамического покрытия PERLUCOR на поверхность лобового стекла помогает успешно противостоять подобным повреждениям. Подобная защита подходит и для оптических приборов, например телескопов, объективов, инфракрасного оборудования и других сенсоров. Плоские, а также изогнутые линзы, изготовленные из прозрачной керамики PERLUCOR, продлевают срок службы этого очень ценного и чувствительного оптического оборудования.

CeramTec-ETEC с успехом представляла на лондонской выставке DSEI 2015 дверную панель из пуленепробиваемого стекла и защитную панель устойчивую к царапинам и камням.

Прочная и гибкая нанокерамика

Гибкость и упругость - это не те качества, которые присущи керамике, однако группа ученых под руководством профессора материаловедения и механики Джулии Грир из Калифорнийского технологического института взялась за решение этой проблемы. Исследователи описывают новый материал как «прочные, легкие, восстанавливающиеся трехмерные керамические нанорешетки». Впрочем, так же называется статья, опубликованная Грир и ее студентами в научном журнале пару лет назад.

Что под этим скрывается, лучше всего иллюстрирует куб из нанорешеток оксида алюминия размером несколько десятков микрон, снятый электронным микроскопом. Под действием нагрузки он сжимается на 85% и при ее снятии восстанавливается до своих оригинальных размеров. Проводились также эксперименты с решетками, состоящими из трубок разной толщины, при этом самые тонкие трубки оказались самыми прочными и эластичными. При толщине стенок трубок 50 нанометров решетка разрушалась а при толщине стенок 10 нанометров возвращалась в исходное состояние - пример того, как размерный эффект повышает прочность некоторых материалов. Теория объясняет это тем, что при уменьшении размеров пропорционально уменьшается число дефектов в массивных материалах. При такой архитектуре решетки из полых трубок 99,9% объема куба составляет воздух.

Команда профессора Грира создает эти крошечные структуры, запуская процесс подобный 3D-печати. Каждый процесс начинается с CAD-файла, который управляет двумя лазерами, «рисующими» структуру в трех измерениях, отверждая полимер в точках, где лучи усиливают друг друга синфазно. Неотвержденный полимер вытекает из отвержденной решетки, которая теперь становится подложкой для формирования окончательной структуры. Далее на подложку исследователи наносят оксид алюминия с помощью метода, позволяющего точно контролировать толщину покрытия. Наконец, концы решетки обрезаются с целью удаления полимера, в результате остается только кристаллическая решетка из полых трубок из оксида алюминия.

Прочность стали, а весит как воздух

Потенциал таких «сконструированных» материалов, которые по объему в основном состоят из воздуха, но тем менее прочны как сталь, громаден, но труден для осмысления, поэтому профессор Грир привела несколько ярких примеров. Первый пример, воздушные шары, из которых откачан гелий, но при этом сохраняющие свою форму. Второй, будущий самолет, чья конструкция весит столько, сколько весит его ручная модель. Что более всего удивительно, будь знаменитый мост «Золотые ворота» изготовлен из подобных нанорешеток, все материалы необходимые для его строительства можно было бы разместить (без учета воздуха) на человеческой ладони.

Точно также как огромные структурные преимущества этих прочных, легких и жаростойких материалов, пригодных для бесчисленных военных приложений, так и их предопределяемые электрические свойства могли бы совершить революцию в хранении и выработке энергии: «Эти наноконструкции имеют очень небольшую массу, механическую устойчивость и одновременно огромную площадь поверхности, то есть мы можем использовать во множестве приложений электрохимического типа».

К ним можно отнести чрезвычайно эффективные электроды для аккумуляторов и топливных элементов, они являются заветной целью для автономных источников питания, переносных и возимых энергоустановок, а также реальным прорывом в технологии солнечных батарей.

«Также в этой связи можно назвать фотонные кристаллы, - сказала Грир. - Эти структуры позволяют манипулировать со светом таким образом, что вы может полностью его захватить, то есть вы можете изготавливать гораздо более эффективные солнечные элементы - вы захватываете весь свет и у вас нет потерь на отражение».

«Это всё говорит о том что, комбинация размерного эффекта в наноматериалах и структурных элементов позволяет нам создавать новые классы материалов со свойствами доселе не достижимыми, - прозвучало в докладе профессора Грир в Европейской организации по ядерным исследованиям в Швейцарии. - Самая большая проблема, которая стоит перед нами, как увеличить масштаб и перейти от нано к размерам нашего мира».

Промышленная прозрачная керамическая защита

Компания IBD Deisenroth Engineering разработала прозрачную керамическую защиту с баллистическими характеристиками, сравнимыми с характеристиками непрозрачной керамической брони. Эта новая прозрачная защита легче примерно на 70% бронированного стекла и может компоноваться в структуры с такими же многоударными характеристиками (способность выдерживать множественные попадания) как у непрозрачной брони. Это позволяет не только резко уменьшить массу транспортных средств с большими окнами, но и закрыть все баллистические бреши.

Для получения защиты, соответствующей стандарту STANAG 4569 Уровень 3 бронестекло имеет поверхностную плотность примерно 200 кг/м2. При типичной площади окон грузового автомобиля три квадратных метра масса бронестекол составит 600 кг. При замене таких бронестекол на керамику IBD снижение массы составит более 400 кг. Прозрачная керамика от IBD является дальнейшим развитием керамики IBD NANOTech. Компания IBD преуспела в разработке специальных технологических процессов связывания, которые применяются для сборки керамических плиток («мозаичная прозрачная броня») и последующего ламинирования этих сборок с прочными несущими слоями с целью формирования больших оконных панелей. Благодаря выдающимся характеристикам этого керамического материала возможно изготовление прозрачных бронепанелей со значительно меньшей массой. Подложка в комбинации со слоистым материалом Natural NANO-Fibre способствует дальнейшему повышению баллистических характеристик новой прозрачной защиты из-за ее большего энергопоглощения.

Израильская компания OSG (Oran Safety Glass), реагируя на повышения уровня нестабильности и напряженности во всем мире, разработала широкую линейку изделий из бронестекла. Они специально предназначены для оборонной и гражданской сфер, для военных, военизированных формирований, гражданских профессий с высоким риском, строительной и автомобильной отраслей. Компания продвигает на рынок следующие свои технологии: решения прозрачной защиты, решения баллистической защиты, дополнительные продвинутые системы из прозрачной брони, цифровые окна Visual Window, окна аварийного выхода, керамические окна с технологией цветного дисплея, интегрированные световые индикаторные системы, стеклянные щитки, стойкие к ударам камней, и, наконец, противоосколочную технологию ADI.

Прозрачные материалы компании OSG постоянно испытываются в реальных жизненных ситуациях: отражение физических и баллистических атак, спасение жизней и защита собственности. Все бронированные прозрачные материалы были созданы в соответствии с основными международными стандартами.

Использованы материалы:
www.shephardmedia.com
www.geaviation.com
www.osg.co.il
www.morganadvancedmaterials.com
www.nrl.navy.mil
www.ceramtec.com
www.caltech.edu
www.ibd-deisenroth-engineering.de
www.saint-gobain.com
www.wikipedia.org
ru.wikipedia.org

Keramicheskie i kompozitnie materiali v podshipnikah

Что такое композитные материалы

Сейчас у многих на слуху такие слова, как композиты, композитные материалы. Так что это такое. Если посмотреть в ГОСТ 32794-2014, там можно прочитать точное определение материала.

Современные технологии смогли соединить материалы, имеющие свойства, которые отличаются между собой. Соединяют два и более материала, что бы получить новый материал с уникальными свойствами. Причем берется основной материал, который называется матрицей, и в него по специальной технологии вводятся специальные наполнители, которые и задают необходимые свойства. При этом зачастую объединяются такие качества материалов, которые в отдельности абсолютно противоположные между собой. Например, малый удельный вес и большая прочность, стойкость при воздействии агрессивных сред и малая гигроскопичность. Эти добавки заполняют ячейки и вместе с тем создают единое целое, работая в одном направлении. По виду добавки могут быть волокнистые, слоистые, порошковые и другие.

По технологии изготовления это может быть напыление, которое применяется в мелкосерийном производстве для изделий больших габаритов, может быть ручное формование, может применяться и технология подачи смол в форму под давлением. Последний метод имеет перспективу применения в больших партиях. Все виды технологий можно рассмотреть на схемах, представленных ниже.

Может применяться технология намотки, когда полимер в виде нити, пропитанный смолами, наматывается на основу, прессования, вакуумной инфузии, более современная технология, автоматизированная выкладка, метод литья.

Самым сложным в процессе изготовления композитов является добиться того, что бы в материале все работало в одном направлении, то есть получить искомые свойства. При этом материал должен быть долговечным, не «сыпаться» и иметь искомые параметры. Над созданием такого «идеального» материала работают химики большинства стран. Например, в ноябре 2019 года в Москве прошла международная конференция под эгидой ИПХФ РАН по вопросу « Композитные материалы: производство, применение».

Запланировано участие НПП «Полипластик» в 23 –ей международной выставке пластмасс и каучуков в 2020 году. Жаль, но мы делаем только первые шаги в направлении композиционных материалов.

Подшипники, изготовленные из композиционных материалов

Композиты используются во многих отраслях промышленности, начиная от медицины, это хирургия, стоматология, заканчивая космической техникой и точным приборостроением. Сказать, в какой отрасли они применяются больше, просто нереально.

Если брать такую отрасль, как производство подшипников, композиты используются и в подшипниках качения и в подшипниках скольжения. Изготавливаются как полностью полимерные и композитные подшипники, так и частично, например, только тела качения. По поводу выбора полимера, здесь химическая промышленность предоставила богатый выбор. Поэтому выпускаются подшипники под определённые условия использования.

Высокие нагрузки, которым подвергаются подшипники в некоторых узлах современной техники, способны выдерживать только неметаллические детали. В основном, потребителями таких подшипников являются автомобилестроение, машиностроение и станкостроение. Сила трения тел качения в них сведена до минимальных показателей, поэтому они более долговечные и работают с меньшим шумом. Коэффициент линейного расширения у них меньше, за счет этого они могут работать с большим перепадом температур и выдерживать как высокие, так и низкие скорости.

При изготовлении в базовый матричный полимер добавляются волокна других материалов. Полученная структура имеет увеличенные показатели прочности и противодействия износу. В данных подшипниках применяют твердую смазку или они могут быть самосмазывающимися.

Популярные производители, выпускающие полимерные и композитные подшипники

К сожалению, российских компаний в этом списке пока нет. Из известных на рынке подшипников можно выделить следующих производителей.

Компания GGB

Можно сказать без преувеличения – самая крупная в мире компания по выпуску подшипников скольжения из полимеров, а также различных цилиндрических втулок, специальных деталей. Это также биметаллические и металлические подшипники, металлополимерные, полностью полимерные, подшипники, усиленные специальным волокном. Её продукция используется как в электростанциях, так и в робототехнике и в нанотехнологиях.

Изготавливает подшипники, используя карбоновые волокна (чаще) с добавками из PTFT и PTS, иногда может добавляться графит, стекловолокно или РАI. Есть изделия, полностью изготовленные из РОМ.

Компания SKF, лидер по новым видам подшипников

Подшипники из композитов, работающие по принципу сухого скольжения, имеют маркировку, оканчивающуюся на буквы FW. Это могут быть как подшипниковые узлы, например, в опорах, так и отдельные подшипники.

Если рассматривать полимерные подшипники, которые компания выпускает, это в основном шарикоподшипники:

• однорядные, тела качения – шарик, диаметр посадочной втулки от 3 до 60 мм;
• упорные подшипники, тела качения – шарик, диаметр от 10 до 45 мм.

Материал, из которого изготовлен такой шарикоподшипник, обозначается в маркировке следующим образом:

• РОМ – полиоксиметилен;
• РР – полипропилен;
• PTFT – полиэстер (политетрафторэтилен).

Последний материал используется в нитях для усиления рабочей поверхности, матрица изготавливается из эпоксидной смолы, а подложка из той же эпоксидной смолы и стекловолокна. Оба слоя имеют прочное сцепление и изготавливаются по технологии перекрестной намотки нитей. Но эта технология применяется для изготовления радиально – нагруженных подшипников, если возникает в процессе эксплуатации увеличенная нагрузка на один из краёв.

Иногда компания выпускает подшипники комбинированные, то есть имеющие усиление обечайкой из металла.

Компания NSK

Из перечня продукции интересны следующие разработки:

Керамический подшипник для работы в агрессивных средах, коррозия практически не влияет на их работу, что удлиняет их срок пригодности. Постоянно идут исследования в этом направлении, комбинации различных добавок.

Подшипники, изготовленные из полимеров с добавлением фторсодержащих компонентов. Также используются в агрессивных средах, при работе в кислоте и в газовой агрессивно – активной среде. Очень востребованы химической промышленностью.

Разработки компании INA

Одним из пунктов этой компании это подшипники, материал которых имеет основу металл – пропиленов. Считают, что эти композиты имеют лучшие характеристики перед другими аналогами.

Из всего перечня композитных подшипников наиболее интересными можно считать следующие.

Подшипники, не требующие обслуживания, изготовленные из материала, который обозначается как Е 40, или политетрафторэтилена (PTFT). Такие подшипники не нуждаются в смазке на протяжении всего периода использования. Основная сфера их применения это гидроэлектростанции, медтехника, автомобильная промышленность, электронная промышленность.

Подшипники, смазывающиеся одноразово при изготовлении. Материал обозначается Е 50 или полиоксиметилен (РОМ). Продукт стоек к большому перепаду температур, к агрессивным средам. У него маленький коэффициент трения. Такие подшипники применяются в тяжёлой технике, например большегрузные автомобили и транспорт, в сельскохозяйственной технике, строительной промышленности и в станкостроении (крупные объекты).

Подшипники, изготавливаемые из материала Е 60 или политетрафторэтилена (PTFT). Плюс в этот состав добавлены специальные вещества. Они также называются необслуживаемыми, состав дает дополнительные антифрикционные свойства и хорошее скольжение. Применяют в основном в автомобильной промышленности для новых марок авто и в мебельной производстве.

Конечно, учитывая интерес к такому виду продукции, ждём появления новых разработок и от российских компаний.

Внимание покупателей подшипников

Уважаемые покупатели, отправляйте ваши вопросы и заявки по приобретению подшипников и комплектующих на почту или звоните сейчас:
tel:+7 (495) 646 00 12
[email protected]
Доставка подшипников по РФ и зарубежью.
Каталог подшипников на сайте

Внимание покупателей подшипников

Уважаемые покупатели, отправляйте ваши вопросы и заявки по приобретению подшипников и комплектующих на почту или звоните сейчас:
tel:+7 (495) 646 00 12
[email protected]
Доставка подшипников по РФ и зарубежью.
Каталог подшипников на сайте

Композиционные материалы на основе керамики

Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами позволяет получать высокопрочные композиты, однако, ассортимент волокон, пригодных для армирования керамики, ограничен свойствами исходного материала. Часто используют металлические волокна. Сопротивление растяжению растет незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым ударам – материал меньше растрескивается при нагревании, но возможны случаи, когда прочность материала падает. Это зависит от соотношения коэффициентов термического расширения матрицы и наполнителя.

Армирование керамики дисперсными металлическими частицами приводит к новым материалам (керметам) с повышенной стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с повышенной теплопроводностью. Из высокотемпературных керметов делают детали для газовых турбин, арматуру электропечей, детали для ракетной и реактивной техники. Твердые износостойкие керметы используют для изготовления режущих инструментов и деталей. Кроме того, керметы применяют в специальных областях техники – это тепловыделяющие элементы атомных реакторов на основе оксида урана, фрикционные материалы для тормозных устройств и т.д.

Керамические композиционные материалы получают методами горячего прессования (таблетирование с последующим спеканием под давлением) или методом шликерного литья (волокна заливаются суспензией матричного материала, которая после сушки также подвергается спеканию).

Бетоны

Бетонами называют искусственные каменные материалы, получаемые в результате затвердевания тщательно перемешанной и уплотненной смеси из минерального или органического вяжущего вещества с водой, мелкого и крупного заполнителей, взятых в определенных пропорциях. До затвердевания эту смесь называют бетонной смесью.

В строительстве широко используют бетоны, приготовленные на цементах или других неорганических вяжущих веществах. Эти бетоны обычно затворяют водой. Цемент и вода являются активными составляющими бетона; в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей в единый монолит.

Между цементом и заполнителем обычно не происходит химического взаимодействия (за исключением силикатных бетонов, получаемых автоклавной обработкой), поэтому заполнители часто называют инертными материалами.

Однако они существенно влияют на структуру и свойства, изменяя его пористость, сроки затвердевания, поведения при воздействии нагрузки и внешней среды. Заполнители значительно уменьшают деформации бетона при твердении и тем самым обеспечивают получение большеразмерных изделий и конструкций. В качестве заполнителей используют преимущественно местные горные породы и отходы производства (шлаки и др.). Применение этих дешевых заполнителей снижает стоимость бетона, так как заполнители и вода составляют 85... 90%, а цемент - 10...15% от массы бетона.

В последние годы в строительстве широко используют легкие бетоны, получаемые на искусственных пористых заполнителях. Пористые заполнители снижают плотность бетона, улучшают его теплотехнические свойства.

Для регулирования свойств бетона и бетонной смеси в их состав вводят различные химические добавки, которые ускоряют или замедляют схватывание бетонной смеси, делают ее более пластичной и удобоукладываемой, ускоряют твердение бетона, повышают его прочность и морозостойкость, а также при необходимости изменяют и другие свойства бетона.

Бетоны на минеральных вяжущих веществах являются капиллярно-пористыми телами, на структуру и свойства которых заметное влияние оказывают как внутренние процессы взаимодействия составляющих бетона, так и воздействие окружающей среды.

В течении длительного времени в бетонах происходит изменение поровой структуры, наблюдается протекание структурообразующих, а иногда и деструктивных процессов и как результат - изменение свойств материала. С увеличением возраста бетона повышается его прочность, плотность, стойкость к воздействию окружающей среды. Свойства бетона определяется не только его составом и качеством исходных материалов, но и технологией приготовления и укладки бетонной смеси в конструкцию, условиями твердения бетона. Все эти факторы учитывают при проектировании бетона и производстве конструкций на его основе.

На органических вяжущих веществах (битум, синтетические смолы и т.д.) бетонную смесь получают без введения воды, что обеспечивает высокую плотность и непроницаемость бетонов.

Многообразие вяжущих веществ, заполнителей, добавок и технологических приемов позволяет получать бетоны с самыми разнообразными свойствами.

Бетон является хрупким материалом: его прочность при сжатии в несколько раз выше прочности при растяжении. Для восприятия растягивающих напряжений бетон армируют стальными стержнями, получая железобетон. В железобетоне арматуру располагают так, чтобы она воспринимала растягивающие напряжения, а сжимающие напряжения передавались на бетон. Совместная работа арматуры и бетона обусловливается хорошим сцеплением между ними и приблизительно одинаковыми температурными коэффициентами линейного расширения. Бетон предохраняет арматуру от коррозии.

Бетонные и железобетонные конструкции изготовляют либо непосредственно на месте строительства - монолитный бетон и железобетон, либо на заводах и полигонах с последующем монтажом на строительной площадке - сборный бетон и железобетон.

Тесты для самоконтроля

Композиционные материалы

А) малокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д

Б) многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д

В) многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из непластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими низкой прочностью, жесткостью и т.д

Многокомпонентные композиционные материалы

А) полиматричные, когда в одном материале только одна матрица

Б) полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители

По структуре композиты делятся на

А) волокнистые и слоистые

Б) дисперсноупрочненные и слоистые

В) волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты

К полимерным композиционным материалам относятся

А) Стеклопластики, текстолиты, углепластики

Б) Полимеры, наполненные порошками

В)Стеклопластики, углепластики, боропластики, органопластики, полимеры, наполненные порошками, текстолиты

Дисперсноупрочненные металлические композиты получают

А) вводя порошок наполнителя в расплавленный металл, или методами порошковой металлургии

Б)вводя порошок наполнителя в нерасплавленный металл

Армирование «усами» позволяет

А) значительно уменьшить прочность материала и повысить его жаростойкость

Б) значительно увеличить прочность материала и повысить его жаростойкость

В) значительно увеличить прочность материала и понизить его жаростойкость

Твердые износостойкие керметы используют для

А) изготовления пленок, пропиточных составов и лаковых покрытий

Б) изготовления транспортеров, герметизирующих и прокладочных материалов

В) изготовления режущих инструментов и деталей

Заполнители значительно

А) уменьшают деформации бетона при твердении

Б) увеличивают деформации бетона при твердении

9. Бетон является хрупким материалом:

А) его прочность при сжатии в несколько раз ниже прочности при растяжении

Б) его прочность при сжатии в несколько раз выше прочности при растяжении

Читайте также:

Армирование компонентов керамикой MMC

Возможности применения и новые подходы к решениям в облегченной конструкции

Усилив эти гильзы цилиндров в блоке цилиндров на месте, компания CeramTec не только доказала надлежащее функционирование и эффективность преформ MMC в серийном производстве, но и создала совершенно новый класс композитов. Это касается ряда применений, ранее недоступных для керамики - даже в тех областях, где до сих пор керамические компоненты не использовались.

«Преформы MMC недоступны в готовом виде; однако все возможно ».

Подобно другой керамике, композиты с металлической матрицей изготавливаются по индивидуальному заказу в соответствии с индивидуальными требованиями. Каждая область применения требует собственных разработок и тесного взаимодействия между пользователями, дизайнерами и экспертами по керамике.

Но везде, где требуется усиление или оптимизация легких металлических компонентов, использование композитов с металлической матрицей является технически и экономически привлекательным решением с огромным потенциалом.

композитный материал керамическое волокно, композитный материал керамическое волокно Поставщики и производители на Alibaba.com

2. Обеспечьте длительный срок службы огнеупорных и теплоизоляционных материалов, в настоящее время мы заполняем этот пробел. Контроль качества проводится во всех звеньях нашего производства. Мы готовы ответить на ваши консультации в любое время.

Керамическая сопловая плата из наноразмерного волокнистого композитного материала Специфика Caster Tip & amp; Сопловая пластина: алюминиево-силикатные наконечники роликов являются ключевыми частями машины непрерывного литья алюминия, которые напрямую влияют на качество алюминиевых листов.Открывающаяся поверхность и покрытие рабочей поверхности гладкие и устойчивы к коррозии жидкого алюминия, что гарантирует чистоту алюминиевого листа. Зубчатые наконечники с превосходными несмачивающими свойствами, низкой теплопроводностью, стабильностью при высоких температурах, однородной плотностью, гладкими поверхностями и жесткими допусками являются превосходными продуктами для непрерывного литья алюминиевой ленты.

% PDF-1.5 % 210 0 объект > endobj xref 210 40 0000000016 00000 н. 0000001754 00000 н. 0000001856 00000 н. 0000002409 00000 н. 0000002446 00000 н. 0000002560 00000 н. 0000002684 00000 н. 0000003611 00000 н. 0000004523 00000 н. 0000005410 00000 н. 0000005522 00000 н. 0000006444 00000 н. 0000007219 00000 п. 0000007956 00000 н. 0000008361 00000 п. 0000008903 00000 н. 0000008987 00000 н. 0000009396 00000 н. 0000009919 00000 н. 0000010649 00000 п. 0000011466 00000 п. 0000014115 00000 п. 0000017374 00000 п. 0000017411 00000 п. 0000019208 00000 п. 0000019534 00000 п. 0000019933 00000 п. 0000020008 00000 п. 0000020307 00000 п. 0000020382 00000 п. 0000020681 00000 п. 0000024036 00000 п. 0000046192 00000 п. 0000049358 00000 п. 0000052448 00000 п. 0000058439 00000 п. 0000062628 00000 п. 0000068413 00000 п. 0000072390 00000 п. 0000001096 00000 н. трейлер ] / Назад 787676 >> startxref 0 %% EOF 249 0 объект > поток hb```c``Y "@M 8EqK Ik]:%` `x '.% 'Whf2UQpq ۺ 3] WIlZ * zGL 2: / c3 \\\\ C! L`qX \ Ȁc46 @ h2 [ҠR, @ CC # XV spG $ PF @ Z ڤ Yd4v 4u \ {> Xx "? b`t0! ŁAq7z396 aA & EF + X2Y plb>% U @ (n pq & (8 @ 0

- wikiwand

Для более быстрой навигации этот iframe предварительно загружает страницу Wikiwand для Композитная керамическая матрица .

Подключено к:

Из Википедии, свободной энциклопедии

Спасибо за жалобу на это видео!

Смотрите также

• 
  Сурик это какой цвет
• 
  Софиты из профлиста
• 
  Опалубка для дома
• 
  Шуруп не откручивается что делать
• 
  Добор для двери что это
• 
  На каком расстоянии от дома можно делать септик
• 
  Расстояние между строениями на соседних участках снип
• 
  Недостатки акриловых ванн
• 
  Куриный навоз как удобрение
• 
  Принц уэльский можжевельник
• 
  Теплообменник в печь