Читать книгу Композитные материалы в конструкции грузовых вагонов - - Страница 4

Композитные материалы состоят из двух основных компонентов: матрицы и армирующего материала (набивки). Матрица – это основной связующий материал, который держит вместе элементы набивки, обеспечивая форму конструктивного элемента в целом и ряд его основных механических свойств. Армирующий материал, зачастую волокна или частицы, обеспечивает требуемые механические свойства, такие как прочность и жесткость.

Классификация композитных материалов:

1. По материалу матрицы:

1.1. С металлической матрицей. Металлическая матрица упрочняется высокопрочными волокнами или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле;

1.2. С неметаллической матрицей. Наиболее распространённый тип композитов. В качестве матриц широко используются полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц (самый многочисленный вид композитов) наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу.

2. По армирующему материалу (набивке):

2.1. Стеклянные волокна. Обладают прозрачностью к радиоволнам, прочностью, электроизоляцией и низкой теплопроводностью. Это дешевый и доступный материал для применения в самых разных сферах, в том числе и в железнодорожной;

2.2. Углеродсодержащие волокна. Низкая плотность, высокий коэффициент упругости, они легкие по массе, но в тоже время очень прочные;

2.3. Борные волокна или жгуты. Имеют большую прочность при сжатии, чем волокна других материалов. Получаемые с их использованием материалы обладают отличными прочностными, износостойкими характеристиками, а также характеризуются инертностью к агрессивным средам. Но в тоже время, им свойственна хрупкость и высокая стоимость, что вводит определенные ограничения на использование;

2.4. Натуральные волокна (органопластики). Низкая плотность и вес. При этом высокая прочность. Отличное сопротивление к ударам, а также устойчивость к динамическому воздействию и нагрузкам. Прочность при изгибе и сжатии низкая;

3. По расположению (структуре) армирующего материала:

3.1. Волокна. Широко используется при производстве композитных профилей различной формы методом пултрузии;

3.2. Частицы. В этих композитах частицы, такие как керамика или металлы, встраиваются в матрицу. Они обычно обладают улучшенной термической стабильностью и износостойкостью;

3.3. Слои. Наполнение (волокна, нити, ленты) пропитанное связующим, укладывается слоями в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными (отличаются по разным направлениям прикладывания нагрузки к материалу). Именно поэтому, для правильной работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными (одинаковыми во всех направлениях), так и с анизотропными свойствами.

Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

Для получение требуемых свойств, при разработке нового композитного материала выбирается необходимая комбинация. При этом важно учитывать сочетаемость и возможность взаимодействия друг с другом выбранных материалов. Необходимо тщательно изучить процессы, которые ожидаются на границе раздела двух (или нескольких) разнородных материалов внутри разрабатываемого композита. Важна как физическая совместимость (например, необходимый уровень адгезии или коэффициент трения у армирующего материала), так и химическая, для недопущения разъедания одного компонента материала другим.