При полете в плотных слоях атмосферы головные части ракет, космических кораблей, кораблей многоразового использования, нагреваемые до высокой температуры, нуждаются в надежной теплозащите.

Материалы для тепловой защиты должны обладать высокой теплостойкостью и прочностью в сочетании с минимальными значениями коэффициента термического расширения, теплопроводности и плотности.

Исследовательский центр НАСА США (NASA Ames Research Centre) разработал составы теплозащитных волокнистых керамических плит, предназначенных для космических кораблей многоразового использования. Свойства плит ряда составов приведены в табл. 11. Средний диаметр волокон 3 – 11 мкм.

Таблица 11

Составы и свойства теплозащитных плит из волокнистой керамики для космических кораблей многоразового использования

Для повышения прочности, отражательной способности и абляционных характеристик внешней поверхности теплозащитных материалов их покрывают слоем эмали толщиной около 300 мкм. Эмаль, содержащую SiC или 94 % SiO₂ и 6 % В₂О₃, в виде шликера наносят на поверхность, а затем подвергают спеканию при 1470 К. Плиты с покрытиями используют в наиболее нагреваемых местах космических кораблей, баллистических ракет и гиперзвуковых самолетов. Они выдерживают до 500 десятиминутных нагревов в электродуговой плазме при температуре 1670 К. Варианты системы керамической теплозащиты лобовых поверхностей летательных аппаратов приведены на рис. 21.

Высокопористый волокнистый слой теплоизоляции на основе FRCI, АЕТВ или HTR защищен облицовкой из слоя карбида кремния. Облицовочный слой предохраняет теплоизолирующий слой от абляционного и эрозионного разрушения и воспринимает основную тепловую нагрузку.

Контрольные вопросы

1. Классификация композиционных материалов по четырем основным признакам.

2. На какие три группы по геометрии наполнителя подразделяют композиционные материалы?

3. Какие три группы композиционных материалов выделяют по схеме расположения наполнителей?

4. На какие четыре группы разделяют композиционные материалы по природе компонентов?

5. Классификация композиционных материалов по структуре, предложенная Г. Фроммейером

6. Что является основным элементом в дисперсно-упрочненных композиционных материалах, несущим нагрузку?

7. Назовите основные компоненты в составе органоволокнитов.

8. Основные преимущества и недостатки порошковых материалов.

9. Где используются металлокерамические материалы?

10. Основные этапы изготовление металлокерамических деталей.

11. Технологические требования, предъявляемые к конструкциям деталем из металлических порошков.

12. Керметы и их основные свойства.

Заключение

Приведенные примеры композиционных материалов на различных матрицах свидетельствуют о возможности реализации в них чрезвычайно интересных сочетаний важнейших эксплуатационных характеристик - высокой прочности, включая диапазон высоких температур, жаростойкости, усталостной прочности и др. Уже сейчас на керамических матрицах рабочие температуры могут достигать 160°С, на металлических - до 1370°С. Увеличение рабочих температур в двигателях приводит к уменьшению их размеров, росту мощности и снижению стоимости эксплуатации. Вместе с тем применение для армирования таких волокнистых материалов, как углеродное волокно, окисные волокна и усы, карбиды и другие материалы с низкой плотностью позволяет реализовать в композитах значительное снижение массы деталей при сохранении ими неизменной прочности. Это предопределило тот факт, что наибольшие успехи в практическом использовании КМ достигнуты в аэрокосмической технике (сопловые блоки ракет, носовые конуса), производстве газотурбинных двигателей (лопатки турбин), вертолетостроении. Уже сейчас КМ широко применяются в строительстве скоростных автомобилей, корпусов экстремальных яхт и гоночных судов, спортивного инвентаря и т.п. В настоящее время важнейшими факторами, сдерживающими применение большинства КМ, являются высокая стоимость армирующих волокон, в первую очередь нитевидных монокристаллов, а также серьезные проблемы технологического характера, затрудняющие высокую степень реализации прочности армирующих волокон в деталях из композиционных материалов.

Поэтому основные усилия исследователей и производственников направлены на разработку эффективных, технологичных и экономичных методов получения армирующих волокон, а также на совершенствование технологических процессов изготовления материалов и изделий. Успешное решение этих проблем позволит надеяться, что преимущества, связанные с использованием КМ, будут успешно реализованы в самом широком ассортименте изделий, с которыми нам приходится иметь дело постоянно.

Авторы надеются, что при усвоении материала учебного пособия студенты не только внимательно изучили теоретический материал, но и не игнорировали предложенные вопросы. Если студенты успешно справились со всеми вопросами, то можно считать, что цель, поставленная авторами в процессе работы над пособием, достигнута.

Библиографический список

1. Волоконные композиционные материалы: пер. с англ. / под ред. Дж. Уиктна, Э.Скала. М.: Металлургия, 1978. 240 с.

2. Современные композиционные материалы: пер. с англ. / под ред. Л. Браутмана, Р. Крока. М.: Мир, 1970. 672 с.

3. Углеродные волокна и углекомпозиты: пер. с англ. / под ред. Э. Фитцера. М.: Мир, 1988. 336 с.

4. Берлин А.А. Современные полимерные композиционные материалы (ПМК) // Соросовский Образовательный Журнал. 1995. № 1. С. 57-65.

5. Справочник по композиционным материалам: в 2 кн.: пер. с англ.: / под ред. Дж. Любина. М.: Машиностроение, 1988. Кн. 1. 448 с.; Кн. 2. 584 с.

6. Достижения в области композиционных материалов: пер. с англ. / под. ред. Дж. Пиатти. М.: Металлургия, 1982. 304 с.

7. Цирлин Н.К. Непрерывные неорганические волокна для композиционных материалов./ Н.К. Цирлин М.: Металлургия, 1992. 206 с.

8. Айзенкольб Ф. Порошковая металлургия./ Ф. Айзенкольб М., Металлургиздат, 1959.

9. Андриевский Р. А. Пористые металлокерамические материалы / Р. А. Андриевский. М.: Металлургия, 1964.

10. Бальшин М. Ю. Порошковое металловедение / М. Ю. Бальшин. М.: Металлургиздат, 1948.

11. Борок Б. А. Порошковая металлургия. / Б. А. Борок, И. И. Ольхов. М.. Металлургиздат, 1948

12. Прессование и прокатка металлокерамнческих материалов/ Г. А. Виноградов и др. М.: Машгиз, 1963.

13. Вопросы порошковой металлургии и прочности материалов. Вып. I—VI. Киев, АН УССР, 1956—1959, в настоящее время журнал «Порошковая металлургия», АН УССР.

14. Киффер Р. Твердые сплавы. / Р. Киффер, П.М. Шварцкопф. Металлургиздат, 1957.

15. Порошковая металлургия. М. Металлургиздат, 1954.

16. Твердые сплавы в машиностроении/ В. С. Раковский и др. М., Машгиз, 1955.

17.Федорченко И. М. Основы порошковой металлургии./ И. М. Федорченко, Р. Л.Андриевский. Киев, AИ УССР, 1963.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………3

1. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ……….……....…3

1.1. Общие сведения о композиционных материалах………………………………………………………..3

1.2. Состав и строение композита ……................................5

1.3. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, армированные частицами …...……………………………..…..17

1.4. Волокнистые композиционные материалы ………...18

1.5. Слоистые композиционные материалы ………..…...23

2. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ ……………………….….24

3. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ ………………………..28

3. 1. Общие сведения, состав и классификация ……...… 28

3.2. Карбоволокниты ……………………………….……...31

3.3. Карбоволокниты с углеродной матрицей ………...…34

3.4. Бороволокниты ………………………………......……35

3.5. Органоволокниты ………….……………………..…...37

4. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ………………………..…..…............................39

5. ОСНОВЫ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ ……........46

5.1. Способы получения и технологические свойства порошков………………………………………………….….….47

5.2. Металлокерамические материалы …….………...…...53

6. КОНСТРУКЦИОННЫЕ ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ …………………………………………….........55

7. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ……………………………………………………….61

7.1. Приготовление смеси …………………………….......61

7.2. Способы формообразования заготовок и деталей…..61

7.3. Спекание и окончательная обработка заготовок …...66

7.4. Технологические требования, предъявляемые к конструкциям деталей из металлических порошков .…...…...68

8. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ ……………………………..…..…..69

9. ПРОЧИЕ ПОРОШКОВЫЕ СПЛАВЫ ……………..........78

10. СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ……………………………………………...90

10.1. Керамическая технология и классификация керамики…………………………………………….…..….....…94

10.2. Свойства и применение керамических материалов100

10.3 Режущий керамический инструмент …………...….100

10.4. Керамика специального назначения ……………...104

Контрольные вопросы …………………………………….110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………….111

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………….….112

Учебное издание

Лукин Анатолий Александрович

Лукина Зоя Семеновна

КОМПОЗИЦИОННЫЕ И ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В авторской редакции

Подписано к изданию 12.10.2012.

Объем данных 2,0 Мб

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

394026 Воронеж, Московский просп., 14

117