Was ist Verbundwerkstoff? Kompositmaterialien. Einige gängige Verbundwerkstoffe

Kompositmaterialien- Dies sind Materialien, die aus zwei oder mehr Komponenten bestehen, die sich in ihrer Natur oder chemischen Zusammensetzung unterscheiden, wobei die Komponenten zu einer einzigen monolithischen Struktur mit einer Grenzfläche zwischen den Komponenten kombiniert sind, deren optimale Kombination es ermöglicht, einen Komplex physikalisch-chemischer Verbindungen zu erhalten Und mechanische Eigenschaften, unterschiedlich vom Eigenschaftskomplex der Komponenten.

Im weitesten Sinne umfasst der Begriff „Verbundmaterial“ jedes Material mit einer heterogenen Struktur, d. h. Struktur bestehend aus zwei oder mehr Phasen.

Der erste Schöpfer von Verbundwerkstoffen war die Natur selbst. Viele natürliche Strukturen (Baumstämme, Tierknochen, menschliche Zähne usw.) weisen eine charakteristische Faserstruktur auf. Es besteht aus einer relativ plastischen Matrixsubstanz und härteren und haltbareren Stoffen in Form von Fasern. Zum Beispiel: Holz ist eine Zusammensetzung, die aus Bündeln hochfester Zellulosefasern mit röhrenförmiger Struktur besteht, die durch eine Matrix aus organischem Material (Lignin) miteinander verbunden sind, was dem Holz seitliche Steifigkeit verleiht.

Beispiele für Verbundmaterialien können natürliche Formationen wie Mineralien sein. Jade – besteht aus dicht gepackten nadelförmigen Kristallen, die an Grenzflächen miteinander verbunden sind. Diese Struktur sorgt für die hohe Viskosität der Jade und wurde daher von verschiedenen Stämmen als Material für die Herstellung von Äxten verwendet.

allgemeine Charakteristiken Kompositmaterialien

Und ihre Klassifizierung

Die Aufmerksamkeit für Verbundwerkstoffe hat in den letzten Jahren kontinuierlich zugenommen. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass die Möglichkeiten zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften traditioneller Strukturmaterialien weitgehend ausgeschöpft sind.

Verbundwerkstoffe sind allen bekannten Strukturlegierungen hinsichtlich spezifischer Festigkeit und Steifigkeit, Festigkeit bei hohen Temperaturen, Beständigkeit gegen Ermüdungsbruch und anderen Eigenschaften deutlich überlegen. Das Niveau eines bestimmten Eigenschaftssatzes wird im Voraus entworfen und während des Herstellungsprozesses des Materials umgesetzt.

Reis. 20.1. Spezifische Festigkeit und Steifigkeit von Stahl, Titan, Aluminiumlegierungen und Verbundwerkstoffen (KAS-1, VKA-1B).

Die Eigenschaften von Verbundwerkstoffen hängen hauptsächlich von den physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Komponenten und der Festigkeit der Verbindung zwischen ihnen ab. Besonderheit Der Vorteil dieser Materialien besteht darin, dass sie die Vorteile der Komponenten und nicht deren Nachteile aufweisen. Gleichzeitig weisen Verbundwerkstoffe Eigenschaften auf, die die einzelnen Bestandteile, aus denen sie bestehen, nicht besitzen. Um die Eigenschaften der Zusammensetzung zu optimieren, werden Komponenten mit stark unterschiedlichen, aber komplementären Eigenschaften ausgewählt.

Verbundwerkstoffe bestehen in ihrer Zusammensetzung aus einer Basis (Matrix) und einem Füllstoff (Verstärker, Verstärkungskomponente).

Die Basis (Matrix) von Verbundwerkstoffen sind Metalle oder Legierungen, Polymere, Kohlenstoff usw keramische Materialien.

Die Matrix bindet die Zusammensetzung und verleiht ihr Form. Die technologischen Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen und so wichtige Betriebseigenschaften wie Betriebstemperatur, Beständigkeit gegen Ermüdungsbruch, Dichte und spezifische Festigkeit hängen weitgehend von den Eigenschaften der Matrix ab.

Es wurden Verbundwerkstoffe mit kombinierten Matrizen erstellt, die aus abwechselnden Schichten (zwei oder mehr) verschiedener Schichten bestehen chemische Zusammensetzung. Solche Materialien werden Polymatrix genannt. Polymatrix-Materialien zeichnen sich durch eine umfangreichere Liste nützlicher Eigenschaften aus. Beispielsweise erhöht die Verwendung von Titan als Matrix zusammen mit Aluminium die Festigkeit von Verbundwerkstoffen in Richtung senkrecht zur Faserachse. Aluminiumschichten in der Matrix tragen dazu bei, die Dichte des Materials zu reduzieren.

Eine weitere Komponente, Verstärkungs- oder Verstärkungskomponente, manchmal auch Füllstoff genannt, ist gleichmäßig in der Matrix verteilt. Der Begriff „Verstärken“ bedeutet „in ein Material eingebracht, um Eigenschaften zu verändern“, beinhaltet aber nicht den eindeutigen Begriff „Verstärken“.

Verstärkungskomponenten müssen eine hohe Festigkeit, Härte und einen hohen Elastizitätsmodul aufweisen. In diesen Eigenschaften sind sie der Matrix deutlich überlegen.

Die Eigenschaften von Verbundwerkstoffen hängen auch von der Form bzw. Geometrie, Größe, Menge und Art der Verteilung des Füllstoffs (Verstärkungsmuster) ab.

Aufgrund ihrer Form werden Füllstoffe in drei Hauptgruppen eingeteilt:

1. Nulldimensionale Füllstoffe mit sehr kleinen Größen derselben Größenordnung in drei Dimensionen (Partikel);

2. Eindimensionale Füllstoffe sind in zwei Dimensionen klein und in der dritten Dimension (Fasern) deutlich größer;

3. Zweidimensionale Füllstoffe haben zwei Größen, die der Größe des Verbundmaterials entsprechen und die dritte (Platten, Gewebe) deutlich übertreffen.

Die fadenförmige Form der Verstärkungselemente hat sowohl positive als auch negative Seiten. Ihr Vorteil ist die hohe Festigkeit und die Möglichkeit, eine Verstärkung nur in der Richtung zu erzeugen, in der dies strukturell erforderlich ist. Der Nachteil dieser Form besteht darin, dass die Fasern die Last nur in Richtung ihrer Achse übertragen können, während es in senkrechter Richtung zu keiner Verstärkung kommt und es in manchen Fällen sogar zu einer Erweichung kommen kann.

Als Verstärkung verwendete Füllstoffe müssen folgende Eigenschaften aufweisen: hoher Schmelzpunkt, niedrige Dichte, hohe Festigkeit über den gesamten Betriebstemperaturbereich, Herstellbarkeit, minimale Löslichkeit in der Matrix, hohe chemische Beständigkeit, keine Toxizität bei Herstellung und Betrieb.

Verbundwerkstoffe, die zwei oder mehr unterschiedliche Füllstoffe enthalten, werden als polyverstärkt bezeichnet.

Bestehen Verbundwerkstoffe aus drei oder mehr Komponenten, spricht man von Hybrid.

Verbundwerkstoffe werden nach mehreren Hauptmerkmalen klassifiziert:

a) Material der Matrix und Verstärkungskomponenten;

b) Struktur: Geometrie und Anordnung der Komponenten;

c) Art der Beschaffung;

d) Anwendungsbereiche.

Betrachten wir einige Klassifizierungsmerkmale von Verbundwerkstoffen.

Heutzutage legen Bauherren großen Wert auf Verbundplatten. Diese sind fortgeschritten moderne Materialien ermöglichen es Ihnen, seltene Dinge zu erschaffen architektonischer Stil neues Gebäude. Für ausgediente Fassaden kommen Verbundplatten zum Einsatz lange Zeit. Aufgrund ihrer Verwendung ist die Aussehen Gebäude

Aufgrund ihrer Widerstandsfähigkeit können sie in heißen und kalten Regionen eingesetzt werden unterschiedliche Temperaturen. Die Verkleidung von Fassaden mit diesem Material führt zur Schaffung eines günstigen Mikroklimas im Inneren von Gebäuden und senkt zudem die Kosten für die Klimatisierung Sommerzeit Jahr und Heizung im Winter.

Woraus bestehen die Paneele?

Aluminiumverbundplatten sind Produkte, die aus zwei lackierten Aluminiumblechen bestehen. Die Struktur dieses Materials ist wie folgt:

• Schutzbeschichtung mit Korrosionsschutzeigenschaften;
• eine Schicht auf Basis einer Grundierung;
• hochfestes Aluminiumblech;
• feuerfester mineralischer oder polymerer Füllstoff, es kann sich um Polyethylen, Polyurethan, Polypropylen, Polystyrol handeln;
• eine weitere Schicht aus hochfestem Aluminium;
• Grundierung;
• Lackschicht;
• Schutzfilm.

Jede Platte ist mit einer speziellen Verbindung beschichtet, um eine höhere Festigkeit zu gewährleisten. Alle Schichten werden durch eine spezielle Technologie miteinander verbunden, wodurch das Produkt eine hohe Delaminierungsbeständigkeit erhält. Je nach Verwendungszweck kann das Produkt zusätzlich zur Lackierung beidseitig oder einseitig mit einer Rostschutzlackierung versehen werden, wodurch die Aluminium-Verbundplatte ihre Verschleißfestigkeit erhöht. Verfügbar Endprodukte Endlosband. Viel Abwechslung haben Gesamtabmessungen sehr praktisch für Verbraucher.

Die Verbundplatte wird durch Biegen von Aluminiumblechen hergestellt.

Es ist wünschenswert, dass der Krümmungsradius so klein wie möglich ist. Wenn er mit der Dicke der Platte übereinstimmt, erfüllt das Produkt alle gesetzlichen Standards. Während des Produktionsprozesses erhält das Material präzise Flächeneigenschaften, während die Schutz- und Oberflächenlackschichten gleichmäßig aufgetragen werden.

Die Oberfläche von Aluminium-Verbundplatten für Fassaden kann Folgendes nachahmen:

• Holz;
• Gips;
• Ziegel;
• Naturstein.

An Baumarkt Es gibt Aluminium-Verbundplatten mit Edelmetalleffekt, der durch das Galvanikverfahren möglich wird.

Eigenschaften von Montageprofilen

Alle Montageprofile sind in 3 Typen unterteilt:

• offenes Andocken;
• Gelenk mit Dichtung;
• Verwendung einer Feuchtigkeitssperre.

Um eine Fassade aus Verbundplatten steifer zu machen, werden häufig Zusatzelemente eingesetzt. Die Eigenschaften dieses Produkts werden durch den Füllstoff beeinflusst, der unter der Mittelschicht liegt. Zu Beginn der Produktion eines solchen Produkts verwendeten die Hersteller Polymermaterial als Füllstoff - geschäumtes Polyethylen.

Aluminiumverbundstoff hat:

• Leicht;
• gute Duktilität;
• gute Schalldämmeigenschaften.

Dieser Typ hat jedoch den Hauptnachteil, dass Polyethylen brennt, den Verbrennungsprozess unterstützt, schmilzt und schädlichen Rauch abgibt. Aluminiumbleche mit mineralischer Füllstoff. Dieses geschäumte Polyethylen enthält eine erhebliche Menge an Flammschutzmitteln. Dank dieser Mineralstoffzusätze ist sein physikalische Eigenschaften. In diesem Fall entzündet sich der Füllstoff an einer offenen Flamme, aber wenn keine Feuerquelle vorhanden ist, erlischt er sofort und außerdem:

• gibt keinen giftigen Rauch ab;
• fließt nicht.

Hersteller aus China und Europa produzieren technologische Innovationen – Füllstoffe der Klassen A und A2. Aluminiumhydroxid ist ihr Grundbestandteil. Diese zusammengesetzten Fassadenplatten gelten als nicht brennbar. Sie halten 2–4 Stunden offenem Feuer stand. Diese positive Eigenschaft macht es jedoch schwierig, fertige Produkte rund oder anders zu machen unregelmäßige Form. Die Sache ist, dass es ihnen an Plastizität mangelt. Aluminiumverbundplatten sind teuer.

Sie werden an Bauwerken und Gebäuden mit höchsten Brandschutzanforderungen eingesetzt.

Verbundaluminium mit Wabenstruktur ist eine eigene Produktklasse. In ihnen zwischen zwei Bleche Es gibt ein Netzwerk dünner Aluminiumbrücken der Zeichnungen:

• Handy;
• Gittergewebe;
• linear.

Sie unterscheiden sich:

• Biegefestigkeit;
• Leicht;
• teuer.

Dieser Typ verfügt nicht über eine ausreichende Fähigkeit, Geräusche und Vibrationen zu absorbieren. Durch mechanische Beanspruchung werden sie durchgedrückt.

Hauptvorteile

Das Verbundmaterial ist in verschiedenen Farben erhältlich. Die Produkte sind sowohl in Volltonfarben als auch in solchen erhältlich, die die Textur natürlicher Materialien nachahmen:

• Holz;
• Marmor;
• Granit

Die Vorderseite hält durch das Auftragen lange Lackbeschichtung. Zu den weiteren positiven Eigenschaften gehört die Einfachheit verschiedener Verarbeitungsprozesse. Beispielsweise können durch Fräsen technische Löcher in die Oberfläche von Aluminium-Fassadenplatten eingebracht werden. Die einfache Verarbeitung erhöht den Einsatzbereich um ein Vielfaches. Das Design des Materials ermöglicht es, es in jede beliebige Form zu bringen, zu biegen und zu schneiden.

Das Ergebnis ist die Möglichkeit, nicht standardmäßige Gebäude wie Kuppeln, Bögen und Pyramiden fertigzustellen.

Hinterlüftete Fassaden aus Aluminiumverbundplatten haben die Fähigkeit, elektromagnetische Strahlung zu dämpfen. Zu den weiteren positiven Eigenschaften gehört die Fähigkeit, Wände vor Wind und Feuchtigkeit zu schützen. Ein kleines Gewicht kann ein Gebäude nicht belasten. Bei der Verkleidung mit einem Verbundwerkstoff bleibt das Erscheinungsbild der Wände lange im Originalzustand, da eine solche Beschichtung witterungs- und beständig ist chemische Einflüsse. Aufgrund der glatten Oberfläche sammeln sich kein Staub und Schmutz darauf an. Vorhangfassade Es ist sehr rentabel, Verbundmaterialien auf Hochhäusern zu installieren, da in diesem Fall die Oberfläche die Fähigkeit zur Selbstreinigung besitzt.

Die Verkleidung mit Verbundplatten erfolgt in kurzfristig. Sie verleihen dem Gebäude ein stilvolles, modernes Aussehen und verleihen ihm bedeutende ästhetische Eigenschaften.

Kompositmaterialien reduzieren den Wärmeverlust, sind aus Umweltgesichtspunkten unbedenklich und nicht in der Lage, Strom zu speichern. Sie halten äußeren Einflüssen lange stand. Dieses Material ist sehr stoßfest ultraviolette Strahlung. Der Verbundwerkstoff reagiert nahezu überhaupt nicht auf aggressive Umgebungen.

Fassadenverkleidung von Gebäuden schädliche Produktion Diese Art von Komposit wird empfohlen.

Allerdings muss man bedenken, dass das Material auch Nachteile hat. Das Produkt ist also nicht wärmeisolierend. Dabei ist die geringe Reparaturtauglichkeit zu berücksichtigen. Wenn die Verkleidung aus Verbundplatten beschädigt ist, ist eine Reparatur nur schwer möglich. Wenn ein Austausch der Kassetten erforderlich ist, müssen auch die in der Nähe befindlichen Kassetten ausgetauscht werden. Bei einem minderwertigen Verbundmaterial kann es zur Delaminierung der Platte kommen und es kommt zur Blasenbildung an der Fassade.

Einsatzgebiete von Aluminiumplatten

Heutzutage erfreuen sich hinterlüftete Fassaden aus Verbundplatten großer Beliebtheit. Der Außenbereich von Bauwerken aller Art ist das häufigste Anwendungsgebiet. Die Verbundfassade besteht aus mehrschichtigen Aluminiumplatten, die z Außenverkleidung Gebäude.

Eine mit Verbundwerkstoff veredelte hinterlüftete Fassade erhält ein einzigartiges modernes Erscheinungsbild. Wenn Sie zusätzlich über eine Isolierung verfügen, können Sie erhebliche Einsparungen an elektrischer Energie erzielen, ohne dass zusätzliche Kosten für die Verstärkung des Fundaments und der tragenden Wände anfallen.

Die Installation von hinterlüfteten Fassaden ist einfach, da Paneele an Wänden aus montiert werden können anderes Material. Gleichzeitig müssen Sie sie nicht im Voraus vorbereiten, was bedeutet, dass Sie viel sparen können Geldmittel. Mit einer leichten, leichten hinterlüfteten Fassade aus Verbundwerkstoffen können Sie die Idee jedes Designers in die Realität umsetzen.

Dieses Material findet sich häufig im Innenraum öffentliche Einrichtungen V:

• Einkaufszentren;
• Krankenhäuser;
• Kliniken;
• Flughäfen;
• Bahnhöfe;
• Autosalons;
• Schulen.

Dies sind die Orte, an denen langlebiges Material erforderlich ist, das einer längeren Nutzung unverändert standhält. Neben hinterlüfteten Fassaden wird der Verbund auch an anderen Orten eingesetzt. Es wird häufig bei der Restaurierung von Gebäuden, beim Bau ungewöhnlicher Strukturen für die Außenwerbung und beim Bau leichter temporärer Gebäude eingesetzt. Bei der Konstruktion verschiedener dekorativer Gesimse, Bänder und Außenverkleidungen werden häufig Aluminium-Verbundplatten verwendet abgehängte Decken, in Säulenverkleidung.

Mit Verbundfassaden können Sie einen modernen Architekturstil schaffen. Möglich wurde dies durch geringes Gewicht, einfache Verarbeitung, erhöhte Flexibilität und eine große Farbvielfalt.

1. Verbund- oder Verbundwerkstoffe – Materialien der Zukunft.

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

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

2. Arten von Verbundwerkstoffen.

2.1. Verbundwerkstoffe mit einer Metallmatrix.

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

2.2. Verbundwerkstoffe mit einer nichtmetallischen Matrix.

Verbundwerkstoffe mit einer nichtmetallischen Matrix haben breite Anwendung gefunden. Als nichtmetallische Matrizen werden Polymer-, Kohlenstoff- und Keramikmaterialien verwendet. Die am häufigsten verwendeten Polymermatrizen sind Epoxid, Phenol-Formaldehyd und Polyamid.
Verkokte oder Pyrokohlenstoff-Kohlenstoffmatrizen werden aus synthetischen Polymeren gewonnen, die einer Pyrolyse unterzogen werden. Die Matrix bindet die Zusammensetzung und verleiht ihr Form. Verstärkungsstoffe sind Fasern: Glas, Kohlenstoff, Bor, organisch, basierend auf Whiskerkristallen (Oxide, Karbide, Boride, Nitride und andere) sowie Metall (Drähte), die eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweisen.

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

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

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

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

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

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

3. Klassifizierung von Verbundwerkstoffen.

3.1. Faserverbundwerkstoffe.

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

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

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

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

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

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

Verbundwerkstoffe für Metall Basis haben eine hohe Festigkeit und Hitzebeständigkeit bei gleichzeitig geringer Plastizität. Fasern in Verbundwerkstoffen verringern jedoch die Ausbreitungsgeschwindigkeit von in der Matrix entstandenen Rissen, und plötzliches Sprödversagen verschwindet fast vollständig. Ein charakteristisches Merkmal faseriger einachsiger Verbundwerkstoffe ist die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften entlang und quer zu den Fasern und die geringe Empfindlichkeit gegenüber Spannungskonzentratoren.

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

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

Der Hauptnachteil von Verbundwerkstoffen mit ein- und zweidimensionaler Verstärkung ist der geringe Widerstand gegen Scherung und Querbruch zwischen den Schichten. Materialien mit volumetrischer Verstärkung haben dies nicht.

3.2. Dispersionsverstärkte Verbundwerkstoffe.

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

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

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

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

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

3.3. Fiberglas.

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

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

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

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

3.4. Kohlenstofffasern.

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

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

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

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

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

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

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

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

3.5. Kohlefaser mit Kohlenstoffmatrix.

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

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

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

3.6. Borfasern.

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

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

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

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

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

3.7. Organofasern.

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

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

Organische Fasern sind beständig gegen aggressive Umgebungen und feuchtes tropisches Klima; Die dielektrischen Eigenschaften sind hoch und die Wärmeleitfähigkeit gering. Die meisten Organofasern können über einen langen Zeitraum bei einer Temperatur von 100–150 °C betrieben werden, solche auf Basis eines Polyimidbindemittels und Polyoxadiazolfasern – bei einer Temperatur von 200–300 °C.

In kombinierten Materialien werden neben synthetischen Fasern auch Mineralfasern (Glas-, Kohle- und Borfasern) verwendet. Solche Materialien haben eine höhere Festigkeit und Steifigkeit.

4. Wirtschaftlichkeit der Verwendung von Verbundwerkstoffen.

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

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

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

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

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

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

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

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Ein Verbundwerkstoff ist ein kontinuierliches heterogenes Material, das aus mehreren Komponenten mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften künstlich hergestellt wurde. Mechanische Eigenschaften Verbundwerkstoff bestimmt das Verhältnis der Eigenschaften von Matrix und Verstärkungselementen sowie die Festigkeit ihrer Verbindung, die gewährleistet ist, wenn die richtige Wahl treffen Ausgangskomponenten und die Art ihrer Kombination.

Das primitivste Verbundmaterial sind Ziegel aus Stroh und Ton, die von den alten Ägyptern verwendet wurden.

Am häufigsten bezieht sich ein Verbundwerkstoff auf Materialien, die auf Harz- oder Polymermatrizen basieren. Zur Herstellung von Verbundwerkstoffen werden Phenol-, Epoxid-, Vinylester-, Polyester- und Polypropylenpolymere verwendet. Verstärkungsstoffe bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen sind Schüttstoffe und Fasern. Die Festigkeit des Materials hängt von der Harzmenge ab – je weniger, desto stärker ist es. Um heute ideale Proportionen aller Komponenten in einem Verbundwerkstoff zu erreichen, wird die Formtechnologie ständig verbessert.

Verfahren zum Formen von Verbundwerkstoffen

Während des Formprozesses verbindet sich die Matrix des Verbundwerkstoffs mit seiner verstärkenden Substanz, wodurch ein bestimmtes Produkt hergestellt werden kann. Duroplastische Polymermatrizen unterliegen während des Formprozesses einer chemischen Härtungsreaktion. Thermoplastische Polymermatrizen werden während des Formprozesses geschmolzen und in einer bestimmten Form verfestigt. Dieser Prozess findet in der Regel statt Zimmertemperatur und Normaldruck.

Der heute gebräuchlichste Verbundwerkstoff ist Zement mit Metallbewehrung oder Asphaltbeton.

Es gibt auch das Kontaktformen (manuelles Formen), das eine Reihe schwerwiegender Nachteile mit sich bringt. Das durch diese Methode hergestellte Produkt enthält eine erhöhte Menge an Harz, was es zerbrechlicher macht. Darüber hinaus ist es schwierig, ideale Verhältnisse von Matrix und Verstärkungsstoff zu erreichen und die Dicke des Produkts beizubehalten und gleichzeitig interne Luftkanäle zu vermeiden.

Beim Vakuumformungsprozess wird ein offenes Werkzeug verwendet, in das die Verbundkomponenten eingelegt und mit einer Silikonmembran abgedeckt werden Polymerfolie. Dann auf Ausrüstung in Bedingungen Luftdruck und erhöhter Temperatur wird ein Vakuum angelegt.

Materialien, die auf mehreren Komponenten basieren, die ihre betrieblichen und technologischen Eigenschaften bestimmen. Verbundwerkstoffe basieren auf einer Matrix auf Basis von Metall, Polymer oder Keramik. Eine zusätzliche Verstärkung erfolgt durch Füllstoffe in Form von Fasern, Whiskern und verschiedenen Partikeln.

Sind Verbundwerkstoffe die Zukunft?

Plastizität, Festigkeit, breite Einsatzmöglichkeiten – das zeichnet moderne Verbundwerkstoffe aus. Was ist das aus produktionstechnischer Sicht? Diese Materialien bestehen aus einer metallischen oder nichtmetallischen Basis. Um das Material zu verstärken, werden Flocken mit höherer Festigkeit verwendet. Darunter können wir Kunststoffe hervorheben, die mit Bor-, Kohlenstoff-, Glasfasern oder Aluminium verstärkt sind und mit Stahl- oder Berylliumfäden verstärkt sind. Durch die Kombination der Komponenteninhalte können Verbundwerkstoffe unterschiedlicher Festigkeit, Elastizität und Abriebfestigkeit erhalten werden.

Haupttypen

Die Klassifizierung von Verbundwerkstoffen basiert auf ihrer Matrix, die metallisch oder nichtmetallisch sein kann. Werkstoffe mit einer Metallmatrix auf Basis von Aluminium, Magnesium, Nickel und deren Legierungen gewinnen zusätzliche Festigkeit durch Faserstoffe oder feuerfeste Partikel, die sich nicht im Grundmetall auflösen.

Verbundwerkstoffe mit nichtmetallischer Matrix basieren auf Polymeren, Kohlenstoff oder Keramik. Unter den Polymermatrizen sind Epoxid, Polyamid und Phenol-Formaldehyd am beliebtesten. Die Form der Zusammensetzung wird durch die Matrix vorgegeben, die als eine Art Bindemittel fungiert. Zur Verstärkung von Materialien werden Fasern, Stränge, Fäden und mehrschichtige Gewebe eingesetzt.

Die Herstellung von Verbundwerkstoffen erfolgt auf Basis folgender technologischer Methoden:

• Imprägnierung von Verstärkungsfasern mit Matrixmaterial;
• Formen von Verstärkungsbändern und Matrix in einer Form;
• Kaltpressen von Bauteilen mit weiterem Sintern;
• elektrochemische Beschichtung von Fasern und Weiterpressen;
• Aufbringen der Matrix durch Plasmaspritzen und anschließendes Verdichten.

Welcher Härter?

Verbundwerkstoffe finden in vielen Bereichen der Industrie Anwendung. Wir haben bereits gesagt, was es ist. basierend auf mehreren Komponenten, die notwendigerweise mit speziellen Fasern oder Kristallen verstärkt werden. Die Festigkeit der Verbundwerkstoffe selbst hängt von der Festigkeit und Elastizität der Fasern ab. Je nach Art der Bewehrung lassen sich alle Verbundwerkstoffe einteilen:

• auf Glasfaser;
• Kohlefaserverbundwerkstoffe mit Kohlefasern;
• Borfasern;
• Organofasern.

Verstärkungsmaterialien können in zwei, drei, vier oder mehr Fäden verlegt werden; je mehr es sind, desto stärker und zuverlässiger sind die Verbundmaterialien im Betrieb.

Holzverbundwerkstoffe

Holzverbundwerkstoffe sind gesondert zu erwähnen. Es wird durch eine Kombination von Rohstoffen gewonnen verschiedene Typen, wobei Holz den Hauptbestandteil darstellt. Jeder Holz-Polymer-Verbund besteht aus drei Elementen:

• Partikel aus zerkleinertem Holz;
• thermoplastisches Polymer (PVC, Polyethylen, Polypropylen);
• ein Komplex chemischer Zusätze in Form von Modifikatoren – bis zu 5 % davon in der Zusammensetzung des Materials.

Die beliebteste Art von Holzverbundwerkstoffen sind Verbundplatten. Seine Einzigartigkeit liegt darin, dass es die Eigenschaften von Holz und Polymeren vereint, was den Anwendungsbereich erheblich erweitert. So zeichnet sich die Platte durch ihre Dichte (ihr Indikator wird durch das Grundharz und die Dichte der Holzpartikel beeinflusst) und eine gute Biegefestigkeit aus. Gleichzeitig ist das Material umweltfreundlich, behält Textur, Farbe und Aroma Naturholz. Die Verwendung von Verbundplatten ist absolut sicher. Auf Kosten der Polymeradditive Verbundplattengewinne hohes Niveau Verschleißfestigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit. Es kann zur Fertigstellung von Terrassen verwendet werden, Gartenwege, auch wenn sie schwer beladen sind.

Produktionsmerkmale

Holzverbundwerkstoffe haben durch die Kombination von Holzwerkstoffen eine besondere Struktur Polymerbasis mit Holz. Zu den Materialien dieser Art zählen Spanplatten unterschiedlicher Dichte, orientierte Spanplatten und Holz-Polymer-Verbundwerkstoffe. Die Herstellung derartiger Verbundwerkstoffe erfolgt in mehreren Schritten:

1. Holz wird zerkleinert. Hierzu werden Brecher eingesetzt. Nach dem Zerkleinern wird das Holz gesiebt und in Fraktionen aufgeteilt. Liegt der Feuchtigkeitsgehalt des Rohmaterials über 15 %, muss es getrocknet werden.
2. Die Hauptkomponenten werden in bestimmten Anteilen dosiert und gemischt.
3. Das fertige Produkt wird gepresst und formatiert, um ein verkaufsfähiges Aussehen zu erhalten.

Hauptmerkmale

Wir haben die beliebtesten Polymerverbundwerkstoffe beschrieben. Was es ist, ist jetzt klar. Dank des Schichtaufbaus ist es möglich, jede Schicht mit parallelen Endlosfasern zu verstärken. Es lohnt sich, die Eigenschaften moderner Verbundwerkstoffe gesondert zu erwähnen, die sich unterscheiden:

• hoher Wert der temporären Widerstands- und Ausdauergrenze;
• hohe Elastizität;
• Festigkeit, die durch Verstärkungsschichten erreicht wird;
• Aufgrund der starren Verstärkungsfasern weisen Verbundwerkstoffe eine hohe Zugfestigkeit auf.

Metallbasierte Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit und Hitzebeständigkeit aus, während sie praktisch unelastisch sind. Aufgrund der Struktur der Fasern wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Rissen, die manchmal in der Matrix auftreten, verringert.

Polymermaterialien

Polymerverbundwerkstoffe werden in vielfältigen Varianten angeboten, was große Einsatzmöglichkeiten eröffnet verschiedene Bereiche, von der Zahnmedizin bis zur Herstellung von Luftfahrtausrüstung. Verbundwerkstoffe auf Polymerbasis werden mit unterschiedlichen Stoffen gefüllt.

Als vielversprechendste Einsatzgebiete gelten das Baugewerbe, die Öl- und Gasindustrie, die Automobilproduktion und der Schienenverkehr. Auf diese Branchen entfallen etwa 60 % des Einsatzvolumens von Polymerverbundwerkstoffen.

Aufgrund der hohen Korrosionsbeständigkeit von Polymerverbundwerkstoffen, der glatten und dichten Oberfläche der durch Formen erhaltenen Produkte erhöht sich die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des Endprodukts.

Schauen wir uns beliebte Typen an

Fiberglas

Zur Verstärkung dieser Verbundwerkstoffe werden Glasfasern aus geschmolzenem anorganischem Glas verwendet. Die Matrix basiert auf thermoaktiven Kunstharzen und thermoplastischen Polymeren, die sich durch hohe Festigkeit, geringe Wärmeleitfähigkeit und hohe elektrische Isoliereigenschaften auszeichnen. Ursprünglich wurden sie zur Herstellung von Antennenradomen in Form kuppelförmiger Strukturen eingesetzt. IN moderne Welt Glasfaserkunststoffe werden häufig verwendet Baugewerbe, Schiffbau, Herstellung von Haushaltsgeräten und Sportartikeln, Funkelektronik.

In den meisten Fällen wird Glasfaser durch Sprühen hergestellt. Dieses Verfahren ist besonders effektiv bei der Produktion kleiner und mittlerer Stückzahlen, beispielsweise von Bootsrümpfen, Booten und Kabinen Straßentransport, Eisenbahnwaggons. Die Sprühtechnik ist komfortabel und wirtschaftlich, da das Glasmaterial nicht geschnitten werden muss.

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe

Die Eigenschaften polymerbasierter Verbundwerkstoffe ermöglichen deren Einsatz in den unterschiedlichsten Bereichen. Als Füllstoff verwenden sie Kohlenstofffasern, die aus synthetischen und natürlichen Fasern auf Basis von Zellulose und Pech gewonnen werden. Die Faser wird in mehreren Stufen thermisch verarbeitet. Im Vergleich zu Glasfaserkunststoffen haben Kohlefasern eine geringere und eine höhere Dichte und sind gleichzeitig leicht und fest. Aufgrund ihrer einzigartigen Leistungseigenschaften werden kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe im Maschinenbau, im Raketenbau, in der Raumfahrt usw. eingesetzt medizinische Ausrüstung, Fahrräder und Sportgeräte.

Boroplastik

Hierbei handelt es sich um Mehrkomponentenmaterialien auf Basis von Borfasern, die in eine duroplastische Polymermatrix eingebracht werden. Die Fasern selbst werden durch Monofilamente, Stränge, dargestellt, die mit einem Hilfsglasfaden geflochten sind. Die hohe Härte der Fäden gewährleistet die Festigkeit und Beständigkeit des Materials gegenüber aggressiven Einflüssen, gleichzeitig sind Borkunststoffe jedoch brüchig, was die Verarbeitung erschwert. Borfasern sind teuer, daher ist der Anwendungsbereich von Borkunststoffen hauptsächlich auf die Luft- und Raumfahrtindustrie beschränkt.

Organoplastik

In diesen Verbundwerkstoffen sind überwiegend Füllstoffe enthalten synthetische Fasern- Seile, Fäden, Stoffe, Papier. Zu den besonderen Eigenschaften dieser Polymere zählen geringe Dichte, Leichtigkeit im Vergleich zu Glas- und Kohlefaserkunststoffen, hohe Zugfestigkeit und hohe Schlagfestigkeit dynamische Belastungen. Dieses Verbundmaterial wird häufig in Bereichen wie Maschinenbau, Schiffbau, Automobilindustrie usw. verwendet. Weltraumtechnologie, Chemieingenieurwesen.

Wie hoch ist die Wirksamkeit?

Verbundwerkstoffe fällig einzigartige Komposition kann in den verschiedensten Bereichen eingesetzt werden:

• in der Luftfahrt bei der Herstellung von Flugzeugteilen und Triebwerken;
• Raumfahrttechnik zur Herstellung von Leistungsstrukturen von Geräten, die einer Erwärmung ausgesetzt sind;
• Automobilindustrie zur Herstellung von Leichtbaukarosserien, Rahmen, Paneelen und Stoßfängern;
• Bergbauindustrie bei der Herstellung von Bohrwerkzeugen;
• Tiefbau zur Herstellung von Brückenfeldern, Elementen von Fertigkonstruktionen in Hochhäusern.

Der Einsatz von Verbundwerkstoffen ermöglicht es, die Leistung von Motoren und Kraftwerken zu steigern und gleichzeitig das Gewicht von Maschinen und Anlagen zu reduzieren.

Wie sind die Aussichten?

Nach Angaben von Vertretern der russischen Industrie gehören Verbundwerkstoffe zu einer neuen Materialgeneration. Es ist geplant, dass bis 2020 das Volumen der inländischen Produktion von Produkten der Verbundindustrie steigen wird. Im ganzen Land werden bereits Pilotprojekte zur Entwicklung von Verbundwerkstoffen der neuen Generation umgesetzt.

Der Einsatz von Verbundwerkstoffen ist in vielen Bereichen sinnvoll, am effektivsten ist er jedoch in Branchen mit Bezug zur Hochtechnologie. Zum Beispiel heute niemand Flugzeug werden nicht ohne den Einsatz von Verbundwerkstoffen hergestellt, und einige von ihnen bestehen zu etwa 60 % aus Polymerverbundwerkstoffen.

Dank der Möglichkeit, verschiedene Verstärkungselemente und Matrizen zu kombinieren, ist es möglich, eine Zusammensetzung mit bestimmten Eigenschaften zu erhalten. Und das wiederum ermöglicht den Einsatz dieser Materialien in vielfältigen Bereichen.