книги / Новые материалы и технологии.-1

УДК 678 (075)

0532

Рецензенты: заслуженный деятель науки РФ,

доктор физико-математических наук, профессор Ю.В. Соколкин;

кандидат технических наук А.В. Гергерт

Олейник, Б.Д.

0532 Новые материалы и технологии учеб, пособие / Б.Д. Олейник. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2006. - 70 с.

Рассмотрены разработанные в последние десятилетия XX века композиционные материалы, их компоненты, структуры и свойства, а также технологические способы формирования изделий из них. При­ ведены сведения об областях применения композитов и изготовлении изделий.

Предназначено для студентов специальностей «Технология, конструирование и автоматизация в специальном машиностроении» и «Конструирование и производство изделий из композиционных мате­ риалов».

УДК 678 (075)

©ГОУ ВПО «Пермский государственный

технический университет», 2006

Кроме оборонной отрасли композиты нашли широкое применение в судостроительной, нефтехимической, машино­ строительной, электротехнической и других отраслях промыш­ ленности. К началу 90-х годов XX века применение композици­ онных материалов в развитых западноевропейских странах по основным областям выглядело следующим образом:

•судостроение 20 %;

•наземный транспорт 15 %;

•строительство 17 %;

•машиностроение и приборостроение 20 %;

•авиакосмические аппараты 23 %;

•другие области 5 %.

Внашей стране в 60...80 годы XX века КМ применялись в основном в оборонной отрасли (более 50 %) и значительно меньше в других отраслях. В связи с конверсией в оборонной промышленности в начале 90-х годов высвободились частично научно-технический персонал й производственные мощности, задействованные ранее на выполнении оборонных заказов. Этот потенциал способствовал тому, что КМ начали больше исполь­ зовать в других отраслях. Стали разрабатываться и применяться технологии двойного назначения, пригодные как для оборонной, так и для других отраслей промышленности. Помимо широко используемых методов формования композитов: намотки, вы­ кладки, прессования - начали развиваться и другие методы. Не­ которые из них: метод непрерывной намотки стеклопластико­ вых труб, способ формования КМ с применением плетеных ар­ мирующих каркасов - описаны в учебном пособии Б.Д. Олейни­ ка «Новые технологии в производстве труб и других изделий из композитов») (Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2006).

Опыт производства изделий из КМ показал, что наиболее сложной и трудоемкой операцией полного технологического цикла является формование КМ и изделия. Особенность этой операции заключается в том, что КМ и изделие формуются од­ новременно и на одном оборудовании, в едином технологиче­ ском процессе. Организация этого процесса и его реализация требуют от технолога знания всех тонкостей технологии, свойств материалов, возможностей оборудования, умения про­ вести необходимые технические расчеты.

Ниже рассмотрены некоторые из основных технологий и материалов, в основном композиционных, а также приведены сведения об областях их применения. Не оставлены без внима­ ния общие вопросы, касающиеся классификации КМ, их состава

иструктуры, физико-механических свойств и их особенностей.

1.Понятия «повые материалы» и «технология»

Сфилософской точки зрения материал - это вид материи, который использует человек в своей деятельности. Материалы могут быть природными и искусственными, находиться в раз­ личных состояниях: твердом, жидком, газообразном, в виде плазмы. В процессе развития общества и научно-технического прогресса материалов становится все больше. Появляется мате­ риалы, которые по своим свойствам принципиально отличаются от ранее известных. Таким образом, понятие «новые материа­ лы» связано с историческим процессом развития общества, про­ изводства, техники. Не случайно, что в исторической науке ха­ рактеристикой цивилизации различных эпох нередко является материал, характерный для данной эпохи, например каменный век, бронзовый век, железный век и т.д.

Под термином «новый материал» принято понимать:

•вновь созданный материал, отличающийся по составу и свойствам от ранее известных;

•уже известный материал, в котором открыты новые цен­ ные свойства и для которого найдены новые области применения;

•комбинацию известных ранее материалов, открываю­ щую их новое ценное свойство и применение.

Например, к первой группе можно отнести композицион­ ные материалы, разработанные сравнительно недавно (послед­ ние 30...50 лет) и отличающиеся уникальными свойствами, тех­ нологическими и конструкционными возможностями, ко второй группе - давно известные минералы, из которых стали недавно делать удобрения, гербициды; чистые и сверхчистые металлы, проявившие новые свойства; полупроводники, сверхпроводники

идр. Материалом третьей группы является, например, биме­ талл - комбинация двух известных металлов, которая стала ос­ новой для разработки нового способа замера и регулирования температуры в тепловых устройствах.

Сделаем исторический экскурс, чтобы проследить этапы применения различных материалов в машиностроительной от­ расли. До середины XVIII века было известно и практически применялось всего 8 металлов: железо, медь, олово, свинец, ртуть, цинк, золото, серебро. Прошел всего лишь век, и к сере­ дине XIX века к ним добавились радий, иридий, кадмий, литий, кальций, титан, алюминий, уран, ванадий и др. (около 30 мате­ риалов). В настоящее время все известные химические элементы (более 100) используются в производстве, число материалов, получаемых из них, огромно.

Перейдем к термину «технология». Появился он в Греции несколько веков назад, а в России этот термин был введен и впервые использован в начале XIX века, когда стали издавать «Технологический журнал». До этого в производстве и в лите­ ратуре применяли простые выражения, например: «варити желе­ зо», «лити олово», «ткати полотно» и др. Первоначально термин «технология» означал искусство, ремесло, знание. В России в 1828 году был учрежден первый технологический институт, технология встала на научную основу. В настоящее время тех­ нологических институтов, включая учебные и научно-произ­ водственные, более 100.

В современном понимании технология - это совокупность приемов и способов получения, обработки и переработки сырья, материалов, полуфабрикатов или изделий, связанная с измене­ нием состояния, свойств, формы или размеров предмета труда. Как научная и учебная дисциплина технология - это разработка, изучение, познание и совершенствование методов, приемов, способов, правил и тому подобного для какой-либо отрасли производства. В настоящее время понятие «технология» расши­ ряется, его применяют во многих областях деятельности чело­ века. Создаются и развиваются новые технологии в промыш­ ленности, науке, медицине, образовании, искусстве и др.

Современные технологии и объекты их приложения слож­ ны, что определяется их научной информационной емкостью. Их называют высокими технологиями. Они базируются на но­ вейших достижениях фундаментальных и прикладных наук. При этом все чаще взаимодействуют науки, далеко отстоящие друг от друга; на их стыке «рождаются» новые технологии. Примером этого могут служить «лазерные» и «мембранные»

технологии, разработанные в последние десятилетия и широко применяемые в машиностроении. В последние годы фундамен­ тальная наука разрабатывает наноматериалы и нанотехнологии. Их можно использовать для создания новых КМ (нанокомпози­ тов), обладающих важными механическими свойствами, напри­ мер высокой микротвердостью или сверхпластичностью.

2. Классификация композиционных материалов

Применительно к интересующим нас отраслям производ­ ства (машиностроительная, авиационная, ракетно-космическая) новыми, в основном, являются композиционные материалы, по­ этому перейдем к их рассмотрению. Вначале дадим определение композиционного материала. Заметим, что существует несколь­ ко определений композиционного материала: от варианта со строгой и точной научной терминологией до варианта, приве­ денного в «Большой Советской энциклопедии». Приведем вари­ ант, наиболее соответствующий рамкам изучаемой нами дис­ циплины.

Композиционный материал - материал, полученный пу­ тем совмещения различных химически разнородных компонен­ тов и характеризуемый свойствами, которыми не обладает ни один из компонентов, взятый в отдельности. При этом хотя бы один из компонентов должен связывать все составляющие в единое целое.

Существует несколько классификаций композиционных материалов, рассмотрим основные. Предварительно выделим рассматриваемые нами основные классы композитов: металло­ полимерные КМ; полимерные КМ; металлические КМ; керами-