Урок химии ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОСТАВА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ

Урок химии ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОСТАВА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ (III)

а сегодняшний день потребность в разработке новых композитных материалов, соответствующим всем требованиям мировых компаний, остается самой акту- альной в направлении материаловедения. Композитные материалы зарекомендо-

вали себя как материалы, способные сохранять свои физико-механические свойства при вы- соких показателях температуры и давления. При этом конструкции на основе композитных материалов намного легче относительно традиционных сплавов и материалов. Композитом или композитными материалами называют сложные материалы, состоящие из матриц, прида- ющих материалу форму, и армирующих наполнителей, расположенных внутри матрицы. В совокупности, композитный материал обладает уникальными и характерными свойствами, ко- торыми не наделены исходные компоненты по отдельности.

Благодаря возможности добавлять наполнитель к матрице в состав композита, большую популярность в последнее время получило использование керамических композитных мате- риалов на основе оксида алюминия. Данные материалы могут использоваться при высоких температурах (выше 1500 0С), обладая при этом большим спектром механических возможно- стей противостоять агрессивным средам, приводящим к повреждениям и разрушениям.

Композиты на основе оксида алюминия обладают характерными свойствами, демон- стрирующие их преимущества перед другими материалами, а именно: низкой энергоемкостью производства, многофункциональностью, высокой коррозийной стойкостью, обладая при этом хорошими электрическими свойствами и химической стойкостью при воздействии агрес- сивных сред. Благодаря такому широкому диапазону рабочих характеристик керамические композиты находят применение в различных отраслях промышленности, начиная с атомной энергетики и заканчивая в электротехнической промышленности.

По структурным признакам примечательно использовать волокнистые конструкцион- ные материалы, в основе которых однокомпонентные материалы в качестве волокон, распре- деляющихся по всему периметру матрицы. Свойства композитного материала зависят от свойств самой матрицы и природы наполнителя. Поэтому в данном анализе будет рассматри- ваться волокнистый композиционный материал, матрицей которого выступит оксид алюми- ния, а в роли наполнителя нитриды и карбиды металлов и неметаллов. Результаты для анализа были получены с помощью программы GRANTA EduPack. Данная программа осуществляет систематический подбор для расчета состава материалов, предоставляет многочисленный вы- бор подходящего материала для инженерного применения или поиск подходящей замены.

Проводя физико-механический анализ состава волокнистого композитного материалы, было обнаружено, что использование карбидов в качестве наполнителей существенно увели- чивает показатель прочности на сжатии, который заключается в том, чтобы материал выдер- живал нагрузки, стремящиеся к значительному уменьшению (таблица 1).

При этом повышаются показатели предела упругости и прочности. Последний является одним из самых важных показателей рабочих характеристик, демонстрирующих эффектив- ность использования материала. Если рассматривать состав с нитридом кремния, то можно заметить, что его рабочие показатели значительно меньше состава с карбидами титана и бора. Больше 1000 МПа уступает состав с нитридом перед составом с карбидом титана, и больше 2000 Мпа проигрывает составу с карбидом бора. Нужно отметить, что увеличение количества наполнителя карбида бора в составе композита на 10% увеличивает удельную прочность на 7%, но снижает прочность на 25%. Керамический композитный материал, в основе которого 93,25 % оксида алюминия и 6,75% оксида кремния (IV) показывает относительно малые зна- чения по трем показателям по сравнению с другими анализируемыми составами, но имеет преимущество в прочности.

Проводя физический анализ состава композитных материалов, было обнаружено, что наполнитель в качестве карбида титана повышает максимальную рабочую температуру на 300

0С, при этом оставляя высокими показатели теплопроводности и термостойкости. Состав с карбидом бора демонстрирует значительное увеличение показателей теплового сопротивле- ния искажения, теплопроводности и термостойкости. Тепловое сопротивление искажение от- ражает сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций (рисунок 1).

Таблица 1- Механические характеристики композитных материалов на основе оксидов алю- миния.

Состав            Предел упру- гости, МПа    Удельная проч- ность, кН×м/кг     Прочность

на сжатии, МПа        Прочность, кДж/м2

Al2O3(95-99%)/Si3N4(1- 5%)         278      73,3     2770    0,0234

Al2O3(75%)/TiC(25%)          393      92,2     3930    0,0389

Al2O3-40%B4C         491      145      4910    0,0644

Al2O3-50%B4C         491      150      4910    0,0482

Al2O3 (93.25%)/SiO2

(6.75%)           195      76,8     185      24,2

Рисунок 1-Физические характеристики композитных материалов на основе оксидов

алюминия

Необходимо подчеркнуть, что высокие показатели термостойкости демонстрирует со- став с оксидом кремния. Добавляя 6,7 % в матричную структуру SiO2 плотность композита значительно снижается до 2450 кг/м3. Матричная структура осуществляет передачу напряже- ния на волокна и позволяет воспринимать такие внешние нагрузки, как растяжение, сжатие, удар и другие. Таким образом, матрица предохраняет наполнитель от окисления и механиче- ских повреждений. Высокая теплопроводность материалов, имеющих в своем составе кар- биды бора, титана и нитрид кремния, имеет значение при сильных экзотермических реакциях.

Подводя итоги, можно сказать, что использование армирующих наполнителей опреде- ляет механические, теплофизические и электрические свойства композитов. Так, например, наполнитель на основе карбидов при объемной доле больше 10% значительно улучшает ра- боту материала на сжатие. Оксид алюминия в качестве основы композитного материала явля- ется одним из перспективных керамических материалов для широкого спектра конструкцион- ных, электротехнических и других применений благодаря сочетанию высокой термостойко- сти, твердости, прочности, химической инертности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.         M.D. Snel, F. Snijkers, J. Luyten et al // Journal of the European Ceramic Society. – 2007. – V.27,

№1. - P.27-33.

2.         С.Н. Кульков, М.В. Григорьев // Перспективные материалы. - 2010. - №6. - C.73-75.

3.         Борисенко Г.А. Технология конструкционных материалов. Обработка резанием [Текст]: учебное пособие/ Г.А. Борисенко, Г.Н. Иванов, Р.Р. Сейфулин.- М.: ИНФРА-М, 2012.-142.

4.         Композиционные материалы: Справочник // Составляли справочник В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.Б. Болотин и др.; под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. – Москва: Маши- ностроение, 1990. – 512 с.

5.         Пространственно-армированные композиционные материалы: Справочник// Составляли справочник Ю. М. Тарнопольский, И. Г. Жигун, В. А. Поляков. – Москва: Машиностроение, 1987. – 230 c.