Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Химия / Научные работы / Ученический проект на тему: «Композиционные материалы: свойства, применение»

Ученический проект на тему: «Композиционные материалы: свойства, применение»


  • Химия

Поделитесь материалом с коллегами:


Министерство образования Иркутской области

Государственное бюджетное профессиональное

образовательное учреждение

Иркутской области

«Иркутский авиационный техникум»

(ГБПОУИО «ИАТ»)

2015

КС-15-1



«Композиционные материалы: свойства, применение»



Председатель ЦК:

________________________________ (С.Н.Быкова)

(подпись, дата)

Руководитель:

______________________________ (Г.В,Перепияко )

(подпись, дата)

Тьютор:

________________________________ (Е.П. Зайкова)

(подпись, дата)



Обучающийся:

_________________________________ (К.М. Рылов)

(подпись, дата)









Иркутск 2015



Содержание

Введение……………………………………………………………….…....…3

2.Композиционные материалы…………..…………………………….……..4

2.1 История открытия композиционных материалов …….……….…….…4

2.2 Классификация композиционных материалов……...………...……...…5

2.3 Применение Композиционные материалы в авиации…………...…….10

2.4 Применение Композиционные материалы в медицине………….....…11

Заключение…………………………………………………………..…….....17

Список использованных источников……………………..…………...……18




















Введение

Нас заинтересовал вопрос: как и в чем могут применяться композиционные материалы, поэтому нами была выбрана тема «композиционные материалы: свойства, применение».

Цель создания композита - достичь комбинации свойств, не присущих каждому из исходных материалов в отдельности. Композит может изготавливаться из материалов, которые сами по себе не удовлетворяют предъявляемым требованиям. Так как эти требования могут относиться к физическим, химическим, технологическим и другим свойствам, то наука о композитах находится на стыке различных областей знания и требует участия исследователей различных специальностей.

Цель работы: узнать6, как и где  используются композиционные материалы.

Задачи:

1. Определить что такое композиционные материалы, каких видов и типов они бывают.

2. Выяснить какими физическими свойствами обладают композиционные материалы.

3. Узнать, как и где применяются композиционные материалы.

4. Подтвердить или опровергнуть гипотезу: «Благодаря композиционным материалам самолеты становятся легче и могут летать быстрее, выше и дальше с меньшими расходами».








2. Композиционные материалы


Композиционный материал (композит, от латинского compositio - составление) - представляет собой, сложную многокомпонентную искусственную структуру, состоящую из матрицы (связующего) и армирующего наполнителя, с четко разделяющей их границей, при этом полученный материал характеризуется свойствами, которых нет ни у одного, взятого в отдельности, используемого компонента и использует преимущества каждого из них.

2.1 История открытия композиционных материалов

Существенный прогресс в области композиционных материалов, и в особенности армированных пластиков, был достигнут в начале 40-х годов 20 века, когда были созданы первые высокопрочные композиты.

Еще перед второй мировой войной армированные пластики были способны конкурировать с другими конструкционными материалами. В 1941 г. в США был подписан первый правительственный контракт на создание деталей из прочесанного хлопкового волокна, пропитанного фенольной смолой. Композит отверждали под давлением 14 МПа. В 1942 г. методом прессования при низком давлении были получены композиционные материалы с использованием полиэфирных связующих. В конце второй мировой войны уже успешно применялись композиционные материалы, армированные стекловолокнами.

В 1979 г. в США было произведено различных композиционных материалов, или композитов, включая наполненные пластмассы, более 3,6 млн.т, из которых более 0,9 млн.т приходится на стеклопластики.

Дальнейшее развитие промышленности, выпускающей армированные пластики, привело к тому, что сейчас не существует области техники, где не применялись бы эти материалы. Они используются при создании авиалайнеров, судов и автомобилей, при строительстве жилья и при оборудовании производственных и складских помещений. Специфические свойства различных армированных волокнами пластиков расширили традиционные области применения полимерных материалов.

На начальных этапах развития производство армированных пластиков сдерживалось высокими ценами на сырье и относительно медленными и дорогими способами получения этих материалов. Сегодня в этой области наблюдается такой прогресс, что прирост производства в год измеряется миллиардами долларов. Кроме объемов производства, совершенствуются качественные характеристики самих армированных пластиков.

В основе дальнейшего роста объемов промышленного производства композиционных материалов лежат многолетний удачный опыт их применения и те исследования в области композиционных материалов, которые были проведены в последние десятилетия. Эффективное применение этих материалов определяет их значимость на рынках сбыта.


2.2 Классификация композитов

Классификация композитов может осуществляться по разным признакам:

1) По природе компонентов: металлические; полимерные; жидкокристаллические; керамические; другие неорганические материалы (углерод, оксиды, бориды и др.).

2) По структуре композита: каркасная; матричная; слоистая; комбинированная.

К композитам с каркасной структурой относятся, например, псевдосплавы, полученные методом пропитки, с матричной структурой дисперсно-упрочненные и волокнистые композиты, со слоистой структурой - композиты, составленные из чередующихся слоев фольги или листов материалов различной природы или состава, с комбинированной структурой.

3) По геометрии армирующих компонентов: порошковые и гранулированные, волокнистые, слоистые.

4) По расположению компонентов: изотропные или квазизотропные (порошковые, дисперсно-упрочненные, хаотично армированные дисперсными частицами, дискретными или непрерывными волокнами и др.); анизотропные (волокнистые, слоистые с определённой ориентацией армирующих элементов относительно матрицы).

5) По количеству компонентов: полиматричные - использование в одном материале нескольких матриц; гибридные - использование наполнителей различной природы.

Композиты, которые содержат два или более различных по составу или природе типа армирующих элементов, называются полиармированными или гибридными.

Гибридные композиты могут быть простыми, если армирующие элементы имеют различную природу, но одинаковую геометрию (например, стеклоуглепластик - полимер, армированный стеклянными и углеродными волокнами), и комбинированными, если армирующие элементы имеют и различную природу, и различную геометрию.

6) По методу получения: искусственные и естественные.

К искусственным относятся все композиты, полученные в результате искусственного введения армирующей фазы в матрицу.

К естественным - сплавы эвтектического и близкого к ним состава. В эвтектических композитах армирующей фазой являются ориентированные волокнистые или пластинчатые кристаллы, образованные естественным путем в процессе направленной кристаллизации.

Типы композиционных материалов

Таблица №1

Тип

Матрица

Армирующее вещество

Применение

волокнистые

Углеродная матрица, Металлическая матрица

волокнистые структуры

Широкое применение

Дисперсно-упрочненные

спеченный алюминиевый порошок

Частицы

нанотрубки;  фибриллы (многостенные нанотрубки с закрытыми концами);    нанопластины (хлопья толщиной менее 5 нм).


Стекловолокнистые

стекловолокно

смола

в современном строительстве ,машиностроение

 Карбоволокнистые

Полимерно-связующие вещество

углеродные волокна

узлы авиационных двигателей, корпуса компрессора и вентилятора

Бороволокнистные

эпоксидные и полиимидные связующие

борные волокна

в самолето и ракето строении

Органоволокнистые

полимерная матрица

синтетических волокон - капрона, нитрона, найлона, лавсана.



Дисперсно-упрочненные-Композиционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительности выдержки при данной температуре. Дисперсно-упрочненные полимерные композиты состоят из полимерной матрицы, в которой распределены частицы наполнителя размером от 0,01 до 0,1 мкм. В качестве полимерной матрицы в них используют эпоксидные смолы, полиэтилен гликоль, полиуретан, полистирол, поликарбонат, сополимеры и другие жидкокристаллические полимеры. В качестве нано наполнителей для дисперсно-упрочненных полимерных композитов применяют:  нанотрубки;  фибриллы (многостенные нанотрубки с закрытыми концами);    нанопластины (хлопья толщиной менее 5 нм).



Бороэпоксидные композиционные материалы-за рубежом наибольшее распространение получили материалы (боропластики) с армирующим наполнителем из волокон бора (бороволокон) и эпоксидными матрицами. Композиционные материалы на основе бороволокна имеют высокие показатели по прочности, жесткости и сопротивлению усталости. Кроме того, боропластики сохраняют свои качества в диапазоне температур от -60 до + 177°С. Сочетание этих свойств и предопределило перспективность широкою использования боропластиков в авиационной и ракетно-космической технике.

Благодаря применению боропластиков значительно упрощается технология производства, и, кроме того, возможно сокращение общего количества узлов и деталей в некоторых элементах конструкции самолета. Например, по заявлению специалистов фирмы "Макдоннелл Дуглас", при изготовлении из боропластиков руля направления самолета F-4 "Фантом" число деталей сократилось с 240 до 84.

Композиционные материалы с углеродными волокнами-иностранные специалисты считают, что в условиях высоких температур, возникающих при сверхзвуковом полете, наиболее эффективны композиционные материалы на основе матриц, армированных волокнами графита (углерода). Использование этих материалов в конструкциях современных и перспективных сверхзвуковых самолетов выгодно с точки зрения экономии веса конструкции, особенно для узлов, вес которых в большей степени определяется требованиями жесткости, чем прочности. Наибольшее распространение за рубежом получили материалы с углеродными волокнами на основе эпоксидных матриц (углепластики) и материалы на основе углеродных графитизированных матриц, армированных волокнами углерода ("углерод-углерод").

Углепластики-иностранная печать отмечает, что углепластики имеют малый удельный вес - 1,5 г/см3 (алюминиевые сплавы 2,8 г/см3, титановые 4,5 г/см3); высокие жесткость, ветроустойчивость и показатели усталостной прочности. Всё это делает их одними из самых перспективных материалов для производства авиационной и космической техники.

Композиционные материалы "углерод-углерод" обладают малым удельным весом (1,5 г/см3), высокими теплозащитными свойствами, способностью сохранять прочностные характеристики при температурах свыше 2500. Благодаря этим и другим качествам они считаются весьма перспективными для изготовления тех деталей и узлов самолетов, которые работают в условиях высоких температур, а также для теплозащитных экранов летательных аппаратов, прежде всего космических кораблей. По сообщениям зарубежной печати, в настоящее время из этого материала для самолетов разработаны детали колесных тормозов, вес их составляет около 30%. веса стальных тормозов.

Бороалюминиевые-в качестве армирующего наполнителя этого композиционного материала используются волокна бора (иногда с покрытием из карбида кремния), а в качестве матрицы - алюминиевые сплавы. Бороалюминий в 3,5 раза легче алюминия и в 2 раза прочнее его, что позволяет получить значительную весовую экономию. Кроме того, при высоких температурах (до 430°С) бороалюминиевый композиционный материал имеет в 2 раза большие значения удельной прочности и жесткости по сравнению с титаном, что дает возможность его применения для самолетов со скоростями полета М=3.

За рубежом наибольшее распространение получили материалы (боропластики) с армирующим наполнителем из волокон бора (бороволокон) и эпоксидными матрицами. По данным иностранной печати, применение боропластиков позволяет уменьшил вес конструкции на 20-40%, увеличить

ее жесткость и повысить эксплуатационную надежность изделия. Композиционные материалы на основе бороволокна имеют высокие показатели по прочности, жесткости и сопротивлению усталости.

Благодаря применению боропластиков значительно упрощается технология производства, и, кроме того, возможно сокращение общего количества узлов и деталей в некоторых элементах конструкции самолета.


2.3 Композиционные материалы в авиации

Композитные материалы в самолетах

Таблица №2

/№

Тип самолета

Композиционная часть самолета

Процент композиционного материала в самолете

Ту-204

механизация крыла: закрылки, элероны, интерцепторы, рули высоты и направления, а также панели люков, полов и интерьера.

25%

Ил-476

композитное крыло, силовая установка, двигатель ПС-90А-76

70%

Мс-21

композитное крыло

от 30% до 40%

Boeing-787

Замена некоторых аллюминевых деталей на композитные.

~50%

Airbus A350

задняя часть фюзеляжа, секции 16–18

~50%

SSJ-110


12%

Superjet-100

элероны, рули, интерцепторы, тормозные щитки, обтекатель стыка крыла с фюзеляжем, носовой радиопрозрачный конус



2.4 Композиционные материалы в медицине


Полимеры - высокомолекулярные соединения (ВМС), вещества с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов), в которых атомы, соединенные химическими связями, образуют линейные или разветвленные цепи, а также пространственные трехмерные структуры.

К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза, крахмал, каучук и другие органические вещества.

Большое число ВМС получают синтетическим путем на основе простейших соединений и элементов нефтяного, углехимического, лесохимического и минерального происхождения в результате реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений одних полимеров (природных и синтетических) в другие.


Полимерные материалы делят на три основные группы: пластические массы, каучуки и химические волокна.


Полимерные материалы широко применяются во многих областях жизнедеятельности человека , удовлетворяя потребности различных отраслей промышленности, сельского хозяйства, медицины, культуры и быта.

Есть два типа химических реакций, приводящих к превращению мономеров в полимеры: поликонденсация и полимеризация. Они отличаются химическим строением. Синтетические полимеры, выпускаемые в настоящее время, примерно на 75 % состоят из продуктов полимеризации. Применяются они в строительстве и радиоэлектронике, медицине, машиностроении и производстве бытовых изделий.

В медицине широко применяются изготовленные из синтетических полимеров искусственные суставы, сосуды и т.п., полностью заменяющие ткани организма (таблица 3).











Полимеры

Таблица№ 3

Класс полимеров

Название полимера

Целевое назначение в медицинской




практике




Изделия применяются для контурной




пластики (замена мягких тканей, дета




лей аппаратов искусственных орга


Кремнийорганические

Силиконы

нов). Иногда эти материалы называют


компаундами (сложные соединения


соединения

Полисилоксаны


полимерных материалов). Они приме







няются для окклюзии протоков подже




лудочной железы, в ортопедических




изделиях.



Полигидрооксиэтил

метакрилат

Изделия для кератопротезирования.


Полиакрилаты


Применяется при внутренней

сосудистой окклюзии, для контурной

пластики мягких тканей















Полидодекандамид

Протезно-ортопедические изделия, хирургические нити.


Полиамиды




Поликапромид

Протезно-ортопедические изделия, хирургические нити









Полипропилен

Нити, детали искусственных клапанов

сердца, сосудистые протезы.









Полиэтилен (высо-

Изделия для кератопротезирования,


Полиолефины

детали аппарата «искусственная поч

ка», «сердце – легкие».


кого давления)







Фторированные

Нити, протезы сосудов и клапанов



лиолефины

сердца, фетр и трикотажные ткани

для реконструктивных операций на



(фторопласт 4)

сердце.



Клей ХЛЗ

Бесшовные соединения тканей при



операции.


Полиуретаны



Сегментированный

полиуретан

Камеры искусственного сердца, внут




рисосудистые баллоны, протезно-ортопедические изделия










Полигалантин

Нити, перевязочный материал,

протезно-ортопедические изделия.









Полигликолид

Нити, перевязочный материал, протезно-ортопедические изделия.


Полиэфиры





Поликарбонат

Корпуса деталей искусственных желудочков в кардиологии











Полиэтилен- фтолат

Сетки, нити, протезы сосудов, ленты




для пластики связок и сухожилий.


В современной медицине пластмассовые полимеры нашли широкое применение в реконструктивно – восстановительной хирургии, травматологии, ортопедии, урологии, стоматологии, офтальмологии и др.

Требования, предъявляемые к пластмассовым полимерным материалам:


  1. физиологическая безвредность;


  1. отсутствие токсичности;

  2. отсутствие канцерогенности;

  3. отсутствие аллергогенности;

  4. минимальное раздражающее действие на окружающие ткани;

  5. постоянство физико-химических и механических свойств;

  6. большая прочность и работоспособность при незначительной усталости;

  7. длительная и функциональная пригодность реконструируемого органа или ткани.


Полимеры делят на природные (натуральный каучук, асбест, целлюлоза) и синтетические (полиэтилен, полистирол, полиамиды).

Низкомолекулярные синтетические полимеры (этилен, стирол и др.) получают 2 способами:

1) Полимеризация;

2) Поликонденсация;

Характерной особенностью полимеров является тепловое, световое, озоновое и атмосферное старение. Процесс самопроизвольного изменения приводит к саморазмягчению и наоборот. Применение разработанных материалов в медицине, связано с их уникальным комплексом физико-химических и физико-механических характеристик, возможностью их модификации в широких пределах, сравнительной доступностью сырья, возможностью переработки на высокопроизводительном оборудовании.

По функциональным свойствам изделия из данного полимерного материала успешно конкурируют с аналогичными образцами из традиционных материалов – металлов, стекла, натурального каучука, значительно превосходя их по экономическим показателям.

Они являются незаменимыми материалами, например, для изготовления эластичных прозрачных трубок для систем переливания крови, мембран для массообменных устройств и т.п.

Основные достоинства разработанных полимерных материалов: высокая стойкость к агрессивным средам, атмосферным и радиационным воздействиям, ударным нагрузкам, низкая теплопроводность, высокая производительность и малая энергоемкость методов получения и переработки, низкая стоимость, малая масса изделий, что выгодно отличает их от применяемых в настоящее время в медицинских устройствах поливинилхлорида, полиэтилена, полипропилена и полистирола.

Разрабатываемые конструкционные материалы на основе модифицированных ароматических поликарбонатов найдут применение для создания медицинских инструментов, применяемых при проведении хирургических операций, а также для других медицинских целей, в частности для:

  • деталей медицинских приборов и инструментов,

  • предметов ухода за больными,

  • для изготовления футляров-стерилизаторов,

  • для изготовления пробирок, пипеток и т.д.,

  • для изготовления воронок, трубок, лабораторной посуды.



Ассортимент и области применения полимеров для внутреннего протезирования

Таблица №4

Наименование

Области применения


материала




Полиэтилен низкой

Изделия, контактирующие с тканями организма


плотности



Поликапролактам

Протезно-ортопедические изделия, хирургические нити,


(капрон)

изделия, контактирующие с тканями организма


Поликарбонат

Корпуса и детали искусственных желудочков и стимуля



торов сердца


Политетрафторэти-

Протезы сосудов, клапанов сердца, фетр для реконструк


лен (фторопласт-4)

тивных операций на сердце


Полипропилен

Детали искусственных клапанов сердца, протезы сосудов


Полиэтилентереф-

Изделия для внутреннего протезирования и восстанови


талат (лавсан)

тельной хирургии – сетки, нити, протезы кровеносных



сосудов, ленты для пластики связок и сухожилий


Полиметилметак-

Изделия для кератопротезирования, детали аппаратов


рилат

«искусственная почка», «сердце - легкие» и др.


Кремнийорганиче-

Изделия для внутреннего протезирования, детали аппара


ский каучук

тов искусственных органов


Цианакрилатный

Бесшовное соединение тканей организма при хирургиче


клей

ских операциях






















Заключение

1. Мы изучили ряд композиционных материалов ,их виды и типы таких как: бороэпоксидные, углепластики , карбоволокнистые, стекловолокнистые.

2. Мы смогли выяснить какими физическими свойствами обладают композиционные материалы.

3. Мы узнали, что композиционные материалы применяются в авиастроении из них делают:

  • крылья

  • фюзеляжи

  • элероны

  • рули

, машиностроении из них делают:

  • каркас

  • облегченные стойки

,медицине из них делают:

  • протезы

  • ортезы

  • зубы

  • суставы

  • искусственные органы

  • сосуды









Список использованных источников

  1. Любин Д.Н. Справочник по композиционным материала / Д.Н. Любин.- М.:Машиностроение,1988.-  кн. 1 - 448с , кн.  2 - 581 с.

  2. Батаев А.А. Композиционные материалы: строение, получение, применение/ А.А. Батаев , В.А. Батаев.-М.:Логос,2006.-398с.

  3. Худяков В.А. Современные композиционные строительные материалы/ В.А.-М.: Феникс, 2007.- 220с

  4. Достижения в области композиционных материалов/под. ред. Дж. Пиатти.: М.: Металлургия, 1982.-326с.

  5. Бондаренко В.А. / Материаловедение в вопросах и ответах: Учебн.пособие..- О.:ОГУ, 2001.-210с.



Автор
Дата добавления 03.09.2016
Раздел Химия
Подраздел Научные работы
Просмотров315
Номер материала ДБ-175034
Получить свидетельство о публикации

Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх