Примеры использования композиционных материалов в машиностроении рассказ

Аннотация

В данной статье представлена информация о методах получения и области применения, композиционных материалах.

Повышение прочностных свойств конструкционных материалов является важнейшей проблемой в машиностроении. Однако по мере увеличения прочности материалов происходит резкое снижение их пластичности, увеличивается склонность к хрупкому разрушению. Это сильно ограничивает использование высокопрочных материалов в качестве конструкционного материала. Создание материалов, представляющих собой композиции из мягкой матрицы и распределённых в ней высокопрочных волокон второй фазы (обычно более прочной, чем матрица), значительно расширяет их эксплуатационные возможности.

За последние годы был создан ряд искусственных композитов на металлической и неметаллической основе, армированных неорганическими волокнами высокой прочности и жёсткости, нитевидными кристаллами, неорганическими частицами

Важнейшими технологическими методами изготовления композиционных материалов являются: [1]

• пропитка армирующих волокон матричным материалом;
• формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы, получаемых намоткой;
• холодное прессование обоих компонентов с последующим спеканием, электрохимическое нанесение покрытий на волокна с последующим прессованием;
• осаждение матрицы плазменным напылением на упрочнитель с последующим обжатие;
• пакетная диффузионная сварка монослойных лент компонентов;
• совместная прокатка армирующих элементов с матрицей.

Композиционные материалы в конструкциях, требующих наибольшего упрочнения, характеризуются расположением армирующих волокон по направлению приложенной нагрузки. Цилиндрические изделия и другие тела вращения (например, сосуды высокого давления), в основе которых лежат композиционные материалы, армируют волокнами, ориентируя их в продольном и поперечном направлениях. Весьма перспективны композиционные материалы, в которых в качестве волокон используют «нитевидные усы» различных кристаллов, тонкие кварцевые волокна из SiO2, SiC, А12ОЗ, полученные путём направленной кристаллизации или осаждения из паров на тонкую проволоку. [2]

В настоящее время широко применяют композиционные материалы на основе фторопласта для изготовления подшипников скольжения, манжет, уплотнительных колец, прокладок гидравлических систем (станков, автомобилей), механических устройств, уплотнений поршневых и плунжерных компрессоров, направляющих тросов автомобилей, промышленных и строительных машин, скользящих опор машин, дисков сцепления для точных механизмов, деталей систем управления, системы нейтрализации газа, системы реверсивного устройства двигателя [2].

Одним из наиболее распространенных на сегодняшний день видов неметаллических материалов является капролон — материал конструкционного и антифрикционного назначения, применяемый в различных отраслях промышленности для изготовления различных деталей [2]:

• втулок, подшипников скольжения, облицовок, направляющих и вкладышей узлов трения, работающих при нагрузке до 20 МПа;
• шкивов, блоков, колес и роликов грузоподъемных механизмов с тяговым усилием до 30 т, гидравлических тележек, кран-балок, транспортеров, конвейеров;
• корпусов, кронштейнов для различных приборов и автоматов, ступиц колес тележек, вагонеток, вакуумных и карусельных фильтров, к которым предъявляются повышенные требования по ударостойкости;
• шестерен, звездочек и червячных колес для приводов редукторов (снижают вибрации и уровень шума до 15 ДБ);
• деталей уплотнения (вместо фторопласта) для дозаторов, сепараторов, арматуры, оборудования для РТИ и манжет для систем высокого давления (до 500 атм).

Капролон имеет низкий коэффициент трения в паре с любыми металлами, хорошо и быстро прирабатывается, в 6…7 раз легче бронзы и стали, которые им заменяют. Этот материал не подвержен коррозии, не токсичен, экологически чист. Известно, что изделия из капролона в 2 раза снижают износ пар трения, повышая их ресурс [3].

Особо следует отметить технологичность полимерных композиционных материалов (ПКМ). Более низкая температура плавления, высокий уровень пластичности, хорошая обрабатываемость неметаллических материалов обеспечивают значительные преимущества в технологичности производства из них изделий машиностроения. Кроме того, снижение шума, вибрации, динамических нагрузок, рабочей температуры в сочетании с повышением коррозионной стойкости и надежности изделий из ПКМ позволяет отказаться от ряда специальных проектно-конструкторских и технологических мероприятий, направленных на обеспечение комфорта и безопасности машин. Применение ПКМ обеспечивает значительную экономическую эффективность.

Основным назначением ПКМ остается обеспечение комфортных условий эксплуатации машин. Расширение применения ПКМ в машиностроении объясняется также необходимостью обеспечения современных экологических норм и норм безопасности.

Одной из главных тенденций в развитии машиностроения является снижение веса конструкций за счёт использования современных композитных материалов.

Мировое авиастроение в настоящее время активно осуществляет переход от металлов к композитным материалам. Основные авиастроительные компании (Airbus и Boeing) заменяют алюминий и другие материалы при производстве деталей самолетов (фюзеляжей, крыльев, закрылок, килей, стабилизаторов, люков и дверей, окантовок иллюминаторов, элементов интерьера и т.д.) на высокоэффективные композиты низкой плотности для снижения массы своих самолетов. Это приводит к сокращению эксплуатационных расходов для авиаперевозчиков и создает конкурентные преимущества для производителей подобных машин. Экономия на эксплуатационных расходах образуется за счет более низких затрат на топливо и меньшей потребности в материально- техническом обслуживании, необходимость которого возникает при использовании металлов из-за их усталости и коррозии.

Одной из последних технологических новинок в области производственного использования композитных материалов стала разработка Российского самолета МС-21 компанией Иркут. Его отличительной особенностью является крыло. Оно создано при помощи вакуумной формовки с использованием легких композитных материалов, такой конструкции, чтобы обеспечить максимальную аэродинамическую эффективность в крейсерском полете, что значительно снижает расход топлива. Композиты помимо высоких прочностных характеристик, обладают высокой коррозионной стойкостью и гидрофобностью, что обуславливает их применение в судостроение. Применение композитов также позволяет снизить вес конструкций, в результате чего уменьшается расход топлива и увеличивается маневренность судов. При создании изделий, предназначенных для спасения людей при пожаре на воде, применяют композиты с высокой тепло- и огнестойкостью.

Уникальность композитов также состоит в том, что можно заранее спроектировать материал таким образом, чтобы придать изделию из него свойства, необходимые для конкретной области применения.

Композиционные материалы постепенно занимают все большее место в нашей жизни. Области применения композиционных материалов многочисленны. Кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной и горнорудной, металлургической промышленности, в строительстве и т.д. Диапазон применения этих материалов увеличивается день ото дня и сулит еще много интересного. Можно с уверенностью сказать, что это материалы будущего.

В Казахстане большое внимание уделяется композиционным материалам. В 2011 году в Республике Казахстан начал издаваться и распространяться журнала «Композитный Мир». Журнал является результатом сотрудничества Российского журнала «Композитный Мир» с казахстанским лидером по производству стеклопластиковых труб и фасонных изделий — ТОО «Amitech Astana» (Амитех Астана), имеющим вкладку в данном журнале. Журнал «Композитный Мир» — первый русскоязычный научно-популярный журнал, посвященный рынку композиционных материалов и технологий на пространстве всего СНГ и странах Таможенного Союза. На страницах журнала «Композитный Мир — Казахстан» и вкладки ТОО «Amitech Astana» (Амитех Астана) можно ознакомиться с информацией о:

• Состоянии и перспективах развития стеклопластиковой отрасли в Республике Казахстан;
• новейших технологиях производства изделий из композиционных материалов;
• исходных материалах и сырье;
• крупнейших мировых поставщиках сырья и оборудования;
• преимуществах композиционных материалов по сравнению с традиционно используемыми;
• областях применения и опыте использования композитов во всех странах мира;
• событиях, выставках, новостях отрасли в целом на территории Республики Казахстан.

Казахстанский рынок композитов и стеклопластика еще только в начале пути своего развития, но потенциал его велик!

Литература:

1. Тялина Л.Н, Минаев А.М.. Пручкин В. А. Новые композиционные материалы: учебное пособие/- Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ. 2011.
2. Баурова, Н.И. Применение полимерных композиционных материалов при производстве и ремонте машин: — M.: МАДИ. 2016.
3. Берлина А. А. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб, пособие / под ред. А.А. Берлина. — 3-е испр. изд. — СПб.: ЦОП «Профессия», 2011.

Применение полимерных композитов в машиностроении

В настоящее время наблюдается стремительный рост производства полимерных композитов, проникновение их в самые различные области техники, успешное вытеснение ими многих традиционных материалов: металлов, керамики, стекла, древесины и др.. Соответственно растет число изобретений и новых технологий, конгрессов, конференций, научных публикаций, посвященных проблемам создания композиционных материалов, специалистов, занятых этими проблемами, и готовящих их учебных кафедр. Первые шаги по внедрению новейших ремонтных технологий на предприятиях лесного комплекса были сделаны в конце 80-х – начале 90-х годов.

Химическая промышленность выпускает большое количество разнообразных высокомолекулярных материалов — полимеров, применение которых обеспечивает решение многих сложных технических задач во всех отраслях народного хозяйства и, в частности, при техническом уходе и эксплуатационном ремонте машин и механизмов, а также при ремонте их непосредственно на лесосеке. Во всех отраслях промышленности идет процесс освоения синтетических материалов; крупным потребителем полимерных материалов является ремонтное производство. Опыт работы ремонтных предприятий за последние 5–6 лет свидетельствует о дальнейшем расширении области использования новых более дешевых и более стойких полимерных материалов.

Важно отметить, что полимерные материалы дают возможность без механической обработки получать первоначальные размеры изношенных деталей, герметизировать трещины, пробоины, резьбовые соединения, восстанавливать прессовые посадки, получать износостойкие и противокоррозионные покрытия. Соединение различных материалов может быть не только жестким, но и гибким. Различные сорта бензина, масел, антифриза, кислот не оказывают разрушающего действия на полимерный слой, который может работать в диапазоне температур от -50 до +150 °С, а иногда и +280 °С.

По статистическим данным за 1992–1998, выпуск лесозаготовительной техники резко сократился, оборудование по производству целлюлозы, бумаги, картона, древесноволокнистых и древесностружечных плит и запасных частей к нему фактически вовсе не выпускается. В связи с этим 95% бумагоделательных, картоноделательных и сушильных машин, машин по производству плит, ДВП, ДСП находится в эксплуатации свыше 25 лет, из них от 40 до 50% –свыше 45 лет.

Амортизационные сроки службы основного технологического оборудования перекрыты в несколько раз. Новые технологии восстановления изношенных и сломанных деталей и узлов основаны на применении новейших композиционных материалов: металлополимеров, эластомеров, клеев, эпоксидов.

Характерными особенностями работ по восстановлению и защите оборудования холодной молекулярной сваркой с использованием композиционных материалов являются: возможность выполнения работ на месте установки оборудования или в полевых условиях без сложных приспособлений, простым инструментом, без термического и механического воздействия на восстанавливаемые узлы и детали оборудования с приданием им более высоких показателей по износостойкости, коррозионной и кавитационной стойкости и повышением срока службы. После завершения молекулярной реакции и отвердения металлополимеры и эластомеры приобретают оптимальные физико-механические свойства, заданные для конкретных условий работы оборудования.

Сроки выполнения ремонтно-восстановительных работ минимальные и определяются жизнестойкостью композиций, которая составляет от 4 до 90 мин. Отвердение композиционных материалов возможно, как правило, при температуре +15°С. Разработкой ремонтных технологий на базе металлополимеров занимаются всемирно известные американские фирмы «Бельзона», «Локайт», «Девкон» и германские фирмы «Мультиметалл», «Диамант».

Государственная корпорация по атомной
энергии «Росатом»

Федеральное
государственное образовательное
учреждение

высшего
профессионального образования

«Саровский государственный физико-технический институт»

(ФГОУ ВПО «СарФТИ»)

Физико-технический
факультет

Кафедра технологии
специального машиностроения

Денисова Н.А.

Исследование и
описание

производственно-технологического
цикла пултрузии

Методическое руководство по выполнению
лабораторной работы

по дисциплине «Технологические процессы
в машиностроении» для студентов,

обучающихся по специальности 151001 —
технология машиностроения

УТВЕРЖДЕНО:

Заседанием кафедры ТСМ

Заведующий кафедрой ТСМ

_______________Ю.К.Завалишин

Научно-методическим советом СарФТИ

________________А.П.Скрипник

Саров

2009

Лабораторная работа

Исследование и описание

Производственно-технологического цикла пултрузии

Особенность данной
лабораторной работы заключается в том,
что студентам предстоит исследовать
один из новых методов получения продукции
из композиционных материалов. Подробного
описания этого метода нет в учебной
литературе, поэтому придется делать
его самостоятельно.

Цель работы:
на базе предприятия по производству
изделий из композитов исследовать и
описать пултрузию – инновационный
технологический процесс в машиностроении
получения изделий из композитов.

План выполнения
работы:

— предварительно
провести теоретический анализ применяемых
в машиностроении композиционных
материалов;

— ознакомиться с
организацией производства в цехе
пултрузии;

— рассмотреть
оборудование, оснастку, исходные
материалы для процесса пултрузии;

— ознакомиться с
методикой компьютерного моделирования
оптимальной конструкции профилей;

— проанализировать
особенности выпускаемой продукции из
армированного стеклопластика;

— описать
технологический процесс пултрузии;

— обработать
экспериментальные данные и заполнить
отчет по лабораторной работе по заданной
форме.

Методика выполнения работы

Выполнение данной
работы проходит в три этапа:

1. Ознакомиться с
   теоретической частью методического
   руководства, составить план выполнения
   лабораторной работы.

2. Ознакомиться с
   полным производственно-технологическим
   циклом производства профилированных
   изделий из армированного стеклопластика.

3. Описать в отчете
   и проанализировать пултрузию как
   инновационный технологический процесс,
   а также применяемое оборудование,
   оснастку, исходные материалы, выпускаемую
   продукцию. Сделать выводы по работе.

1. Композиционные материалы в машиностроении

Композиционные
материалы, или композиты, – это
конструкционные материалы нового
поколения, нашедшие широчайшее применение
в современном машиностроении.

Композитами
называют
сложную объемную гетерогенную систему,
состоящую из нескольких компонентов,
сильно различающихся по свойствам,
которые обычно не растворяются друг в
друге. Отличительной особенностью
композитов является то, что технологическим
процессом их получения предусмотрено
использование в их строении преимуществ
каждого компонента. Свойства композита
в основном зависят от физико-механических
свойств составляющих его компонентов
и от прочности связи между ними.

Основой композита
является матрица, которая служит для
связи композиции, придания ей формы.
Матрицей могут быть:

• металл или сплав
  – композит с металлической матрицей;

• углеродистые и
  полимерные материалы – композит с
  неметаллической матрицей.

В матрице равномерно
распределены остальные компоненты
композита – наполнители или армирующие
элементы.

Характерные
свойства композитов – рабочая температура,
сопротивление усталостному разрушению,
сопротивление воздействию среды,
плотность, удельная прочность, а также
технологические режимы получения
композита, зависят от свойств матрицы.
На свойства композита также оказывают
влияние армирующие элементы. Они могут
изменить прочностные или иные
характеристики композита исходя из
схемы армирования – формы, размеров и
характера распределения наполнителя.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #