Композитная арматура фото: Стеклопластиковая арматура для фундамента: правила армирования

Содержание

виды, характеристики, плюсы и минусы, область применение в строительстве.

Сравнительно недавно металлическая арматура была не просто самой распространенной – она была единственным в своем роде материалом. Неудивительно, что все армирование бетона выполнялось с её помощью. Но сегодня рынок насыщен многочисленными аналогами, большинство из которых превосходит металлические пруты по ряду параметров. Одним из них является арматура композитная, так же известная как пластиковая. Рассмотрим подробно, что она собой представляет.

Что такое композитная арматура?

Внешне она похожа на классические металлические пруты, но основным материалом при её изготовлении являются волокна из углерода, базальта, стекла или арамида. Они скрепляются воедино специальными термопластичными или термореактивными полимерами, придающими им высокую прочность и долговечность.

Неметаллическая арматура может иметь на поверхности специальные ребра, что повышает качество сцепления с бетоном при армировании. В некоторых случаях поверхность просто густо посыпается песком. Прилипая к ещё не застывшему полимеру, он также улучшает сцепление, но благодаря простоте изготовления стоимость материала значительно ниже.

Кроме того, в продаже имеется гладкая пластиковая арматура. Она имеет сравнительно невысокую цену, но малое сцепление существенно ограничивает сферу применения. Её не используют в качестве основной рабочей арматуры – только как вспомогательную. При армировании крупных массивов бетона (фундамент, толстые стены) пруты не укладываются на основание, а собираются в каркас. Основные пруты, которые будут улучшать качества бетона, имеют ребра. А гладкие применяется именно для сборки каркаса – на них приходится минимальная нагрузка. Поэтому возможно использование более простого материала для снижения затрат на строительство.

Где она применяется?

Применение композитной арматуры стремительно набирает популярность. Она используется при возведении различных объектов:

  • малоэтажные здания;
  • монолитное строительство с легкими и тяжелыми бетонами;
  • дорожные полотна, основание железных дорог;
  • железобетонные плиты перекрытия;
  • мосты;
  • путепроводы.

Кроме того, высокое качество продукции приводит к тому, что арматура из пластика часто применяется при изготовлении бетонных изделий, как с предварительным напряжением, так и без него. Опоры для линий электропередач, осветительные опоры, поребрики, заборные плиты, шпалы для железных дорог – это далеко не полный список железобетонной продукции, при изготовлении которое используется арматура неметаллическая композитная.

Виды арматуры

Теперь расскажем поподробнее из каких материалов изготавливается неметаллическая композитная арматура. Наиболее распространенными на сегодняшний день являются следующие разновидности:

  • АСП или стеклопластиковая. Изготавливается из стекловолокна, пропитанного термореактивной смолой, выполняющей функцию связующего материала. Главным достоинством является малый вес и высокая прочность;
  • АУП или углепластиковая. Основным материалом при их изготовлении выступают углеводородные волокна. Обладая высокой прочностью, эта она имеет определенные недостатки. Главным из них является высокая цена. Именно из-за неё она не получила широкого распространения;
  • АБП или базальтопластиковая. Создается из базальтового волокна и органических смол. Имеет меньшую прочность, чем стеклопластиковая, зато может применяться в агрессивных средах – солях, газах, щелочах и кислотах, что делает её весьма востребованным строительным материалом;
  • АКК или комбинированная. Как понятно из названия, эта пластиковая арматура изготавливается из волокон разного типа – а конкретно из базальтопластиковых и стеклопластиковых. Является компромиссом между чистыми видами, частично сохраняя их достоинства.

Разумеется, все рассмотренные материалы в полной мере подходят под ГОСТ 31938-2012, регулирующий все характеристики нового материала. Благодаря такому многообразию использование композитной арматуры становится всё более широким. Для возведения любого объекта может быть подобран вариант, подходящий по стоимости, прочности и другим характеристикам.

Также в некоторых случаях можно увидеть пруты разного цвета. Некоторые продавцы утверждают, что цвет влияет на прочность, химическую стойкость и другие параметры. На самом деле это не более, чем рекламный ход. Красящий пигмент никак не влияет на важные технические характеристики материала – не улучшает и не ухудшает его. Главное назначение – придание внешнего вида (опять же рекламный ход, заставляющий потенциального покупателя обратить внимание на конкретную продукцию) и упрощение визуального распознавания прутов разной толщины.

Композитная арматура какого диаметра существует?

Как в случае с металлической, диаметр композитной арматуры может быть различным. Наиболее востребованы материалы диаметром от 4 до 32 миллиметров – они полностью удовлетворяют требованиям строителей как при заливке фундамента для бани или гаража, так и при строительстве многоэтажного монолитного дома.

Однако некоторые покупатели, не слишком хорошо разбирающиеся в торговле, удивляются, что при собственноручном замере диаметр не соответствует тому, что был заявлен в магазине. Здесь нет ничего удивительного. Во-первых, погрешность в несколько всегда может иметь место – даже при замере одного прута в разных точках. Но это практически не влияет на прочность материала, поэтому ГОСТ предусматривает такие перепады. Во-вторых, изучая характеристики композитной арматуры, вы читаете про номинальный диаметр. Также существует внешний (при проведении замеров по выступающим ребрам) и внутренний (при замере по самому стержню). Номинальный же, который присваивается материалу, является средним арифметическим между внешним и внутренним.

Также при строительстве нередко используют сетку из композитной арматуры. Тонкие волокна и высокая гибкость значительно упрощают процесс выравнивая потолков и стен (если накладываемый слой штукатурки имеет толщину 1.5-2.5 сантиметра и более), а также прекрасно подходят для армирования бетонной стяжки.

Когда с этим разобрались, будет полезно рассказать о плюсах и минусах композитной арматуры, чтобы каждый потенциальный покупатель решил – подходит ему этот материал или же лучше поискать другой.

Основные достоинства

Для начала расскажем про преимущества композитной арматуры, позволившие ей стать настолько популярным строительным материалом:

  1. Высокая прочность – по некоторым данным строительная полимерная арматура из стеклопластика в 10 раз прочнее, чем такая же по диаметру металлическая.
  2. Экологическая чистота. Материал не вредит окружающей среде, не выделяет даже при длительной эксплуатации и контакте с открытым огнем токсичные вещества.
  3. Низкий коэффициент теплопроводности снижает теплопотери здания.
  4. Устойчивость перед коррозией – даже если при работе материал напрямую контактирует с водой, газом или агрессивной средой, он способен прослужить многие годы, не снижая изначальных эксплуатационных характеристик.

Кроме прекрасных строительных свойств использование композитной арматуры в строительстве оправдано по причине удобства рабочих. Она обладает большей гибкостью, чем металлическая, но при этом, как уже говорилось, имеет высокую прочность. Благодаря таким качествам создание каркаса становится значительно более легким и простым. Для обеспечения высокой надежности угловых соединений теперь не обязательно использовать специальные станки, чтобы сгибать арматуру.

Также в положительные свойства композитной арматуры можно вписать коэффициент температурного расширения близкий с бетоном. Если армированный бетон нагревается или охлаждается, то он не разрушается, так как пластиковая арматура расширяется и сужается вместе с ним.

Имеет ли материал недостатки?

Каждый строительный материал имеет определенные недостатки. Поэтому знать про минусы композитной арматуры не менее важно, чем про достоинства. Перечислим основные из них:

  1. Малая упругость. Как показывают испытания, пластиковая арматура имеет упругость примерно в 4 раза ниже, чем у такой же по диаметру металлической. Поэтому при армировании крупных объемов бетона нужно использовать в 4 раза больше арматуры, что весьма не дешево.
  2. Опасность резки. Если металлический прут можно разрезать или распилить без лишних проблем, то когда распиливается неметаллическая арматура в воздух попадает большое количество микроскопических частиц стекловолокна. При попадании в дыхательные пути или глаза они могут стать причиной множественных микротравм.
  3. Низкая пластичность. Материал практически лишен пластичности. Поэтому, чтобы согнуть прут, необходимо нагреть его до нужной температуры. Очень важно не превысить отметку в 300 градусов по Цельсию – это приведет к потере несущих свойств.

Как видите, пластиковая арматура имеет как важные преимущества, так и серьезные недостатки. Серьёзно подумайте, прежде чем окончательно определиться с выбором подходящей арматуры для строительства.

Теперь вы знаете, что такое композитная арматура, а также разбираетесь в её плюсах и минусах. Это позволит легко сделать правильный выбор, о котором не придется сожалеть впоследствии. К тому же, разбираясь в основных свойствах материала, можно легко решить, в каких случаях он станет лучшим выбором, а когда желательно отдать предпочтение другим аналогам.

технические характеристики, свойства, плюсы и минусы, область применения

Разработанная еще в середине прошлого века в СССР, стеклопластиковая арматура (сокращенно АСП или СПА) начала масштабно использоваться сравнительно недавно. Популярность стеклотекстолитовые изделия приобрели благодаря снижению стоимости их производства. Малый вес, высокая прочность, широкие возможности применения и легкость монтажа сделали арматуру СПА хорошей альтернативой стальным пруткам. Материал прекрасно подходит для малоэтажного строительства, сооружения береговых укреплений, несущих конструкций искусственных водоемов, элементов мостов, ЛЭП.

Что такое стеклопластиковая арматура?

Стеклопластиковая композитная арматура (АКС) представляет собой стержень, произведенный из стеклянного сплеточного нитевидного волокна (ровинга) прямого или скрученного, скрепленного особым составом. Обычно это синтетические эпоксидные смолы. Другой вид представляет собой стекловолоконный стержень с намоткой из углепластиковой нити. После намотки такие стекловолоконные заготовки подвергают полимеризации, превращая их в монолитный стержень. Стекловолоконная арматура имеет диаметр от 4 до 32 мм, толщиной от 4 до 8 мм упаковывается в бухты. Бухта содержит 100-150 метров арматуры. Также возможна нарезка в заводских условиях, когда размеры предоставляет заказчика. От технологии производства и связующего зависят прочностные характеристики стержня.

Варианты упаковки и транспортировки АСП.

Изготавливают материал методом протягивания. Стекловолокно, намотанное на бобинах, разматывают, пропитывают смолами и отвердителями. После этого пропускают заготовку через фильеры. Их назначение – отжим лишней смолы. Там же будущая арматура уплотняется и приобретает характерную форму с цилиндрическим сечением и заданным радиусом.

После этого еще на не отвердевшую заготовку наматывают по спирали жгут. Он необходим для лучшего сцепления с бетоном. Затем материал запекается в печи, где происходит процесс отвердения и полимеризации связующего. Из печи прутья направляется на механизм, где происходит ее протяжка. На современных заводах для полимеризации используются трубчатые печи. В них же удаляются летучие вещества. Готовую продукцию наматывают в бухты либо нарезают прутки необходимой длины (по предварительному заказу клиента). После продукция отправляется на склад. Также клиент может заказать арматуру с заданным углом изгиба.

Назначение и область применения

Стеклопластиковая арматура используется в различных отраслях промышленного и частного строительства, для обычного и предварительно напряженного армирования строительных конструкций и элементов, эксплуатация которых, проходит в средах с различной степенью агрессивного воздействия. Самые известные примеры использования.

  1. Армирование блочных, кирпичных стен и стен из газосиликатных блоков. Стеклопластиковая арматура показала весьма неплохие результаты при армировании данных конструкций. Основные плюсы: экономия средств и облегчение конструкций.
  2. В качестве связующего бетонных элементов, между которыми располагается утеплитель. СПА позволяет улучшить сцепление бетонных элементов.
  3. Для укрепления несущих элементов конструкций, которые подвержены воздействию факторов, вызывающих коррозию (искусственные водоемы, мосты, укрепительные сооружения береговых линий пресных и соленых естественных водоемов). В отличие от металлических прутьев, стекловолоконные не подвержены коррозии.
  4. Для армирования конструкций из клееной древесины. Использование арматуры из СПА позволяет в разы повысить прочность балок из клееного дерева и повысить жесткость конструкции.
  5. Возможно применение в строительстве ленточных заглубленных фундаментов для малоэтажных зданий, если они располагаются на твердых, неподвижных грунтах. Заглубление выполняется ниже уровня промерзания почвы.
  6. Для повышения жесткости полов в жилых домах и промышленных комплексах.
  7. Для повышения прочности и долговечности дорожек и дорожного покрытия.

Область применения стеклопластиковой арматуры.

Свойства арматуры из стеклопластика

Чтобы понять плюсы и минусы стеклопластиковой арматуры, необходимо знать ее свойства. Описание преимущества стеклопластиковой арматуры приведены ниже.

  1. По коррозионной стойкости прутья из стекловолокна почти в 10 раз превышают традиционные металлические. Изделия из стеклокомпозита практически не вступают в реакции с щелочами, соляными растворами и кислотами.
  2. Коэффициент теплопроводности 0,35 Вт/м С против 46 Вт/м С у стальных прутков, что исключает появление мостиков холода, и заметно снижает теплопотери.
  3. Соединение прутов из стеклокомпозита производится пластиковыми хомутами, вязальной проволокой и соответствующими фиксаторами без сварочного аппарата.
  4. Стеклопластиковая арматура – отличный диэлектрик. Это свойство используется еще с середины прошлого века при строительстве элементов ЛЭП, железнодорожных мостов и прочих конструкций, где электропроводящие свойства стали негативно влияют на работу приборов и целостность конструкции.
  5. Вес 1 метра стеклокомпозитной качественной арматуры в 4 раза меньше метрового стального прута равного диаметра при равной прочности на растяжение. Это позволяет в 7-9 раз уменьшить вес сооружения.
  6. Меньшая по сравнению с аналогами стоимость.
  7. Возможность бесшовной укладки.
  8. Величина коэффициента теплового расширения близка к коэффициенту теплового расширения бетона, что практические исключает возникновение трещин при перепадах температур.
  9. Широкий диапазон температур, при котором можно применять материал: от – 60 С до +90 С.
  10. Заявленный срок службы – 50-80 лет.

Арматура и

технические характеристики, процесс производства, плюсы и минусы, область применения

Арматура – обязательный атрибут современного строительства. Применяется при возведении фундаментов частных домов, бань и заводов, строительстве мостов и дорог. Сегодня большой популярностью пользуется базальтопластиковая арматура (АБП). Материал обладает характеристиками, позволившими ему частично вытеснить классическую металлическую арматуру – проверенный и надежный материал. Поэтому перед выбором подходящего строительного материала, полезно узнать больше про АБП.

Процесс изготовления

Данный вид композитной арматуры, изготавливается из базальтовых волокон, которые пропитываются термореактивными или термопластичными связующими полимерами. Благодаря своему составу, прутья АБП обладают высокой стойкостью к агрессивным средам.

Сегодня существует несколько методов изготовления прутьев из базальтопластика. От этого зависят свойства готовой продукции. Перечислим наиболее распространенные варианты:

  • Pulltrusion – волокна стержня пропитываются специальным полимером, после чего пропускаются через фильеры, диаметр которых постепенно уменьшается. Это дает возможность формовать и повышать прочность готового материала.
  • Planetrusion – применяется безфильерная протяжка, позволяющая снизить стоимость прутьев.
  • Needletrusion – волокнистые нити, связанные в один стержень, пропитываются полимерным связующим, пропускаются по отдельным каналам. А потом соединяются, подвергаясь натягиванию и скручиванию. Готовая арматура отличается высокой стоимостью, зато имеет прекрасные эксплуатационные характеристики.

Требования к внешнему виду базальтопластиковой арматуры.

Большой выбор технологий производства позволяет получить готовую продукцию, отвечающую требованиям потребителя. Есть возможность выбрать материал, имеющий подходящий диаметр и длину, а также другие важные характеристики.

Технические характеристики

В зависимости от требований пользователя прутья могут иметь как гладкую, так и рельефную поверхность. Выпускаются номинальными диаметрами от 4 до 32 миллиметров. При желании можно заказать и иной диаметр – производство базальтовой арматуры отличается высокой гибкостью. Однако 32 миллиметра – это и без того очень толстые пруты, способные выдержать нагрузки в десятки тонн. От толщины зависит также способ хранения. Тонкая арматура, от 4 до 8 мм., хранится и перевозится в бухтах длиной 50 или 100 метров. Толстая – в прутах длиной от 0,5 метров и больше.

Таблица физико-механических характеристик базальтопластиковой арматуры

ХарактеристикаПоказатель
Предел прочности при растяжении, МПа, не менее800
Модуль упругости при растяжении, ГПа, не менее50
Предел прочности при сжатии, МПа, не менее300
Предел прочности при поперечном срезе, МПа, не менее150
Предел прочности сцепления с бетоном, МПа, не менее12
Снижение предела прочности при растяжении после выдержки в щелочной среде, %, не более25
Предел прочности сцепления с бетоном после выдержки в щелочной среде, МПа, не менее10
Предельная температура эксплуатации, °С, не менее60

Сфера применения

Как показывает практика, применение этого материала оправдано при строительстве любых объектов. Её применяют при возведении промышленных, общественных и жилых зданий, в коттеджном и малоэтажном строительстве. Часто прутья применяются при заливке бетонных форм в зимнее время. Чтобы раствор набрал твердость, в него добавляют специальные противоморозные добавки. Благодаря им можно заниматься строительством в холодное время года. Но при этом существенно ускоряется коррозия стальной арматуры. Но композитная базальтовая арматура не боится коррозии, поэтому может использоваться при строительстве.

Применение базальтопластиковой арматуры в строительстве.

Устойчивость к коррозии дополнительно увеличивает сферу применения. Арматура базальтовая применяется при сооружении насыпей и устройстве дорожных покрытий, на которых будут использоваться специальные противогололедные реагенты, которые также могут стать причиной коррозии. Металлическая арматура боится влажности, особенно соленой воды. Поэтому пользоваться ею при возведении берегоукрепительных конструкций следует с осторожностью. Но базальтопластику коррозия не грозит, поэтому строительство становится простым и безопасным.

Достоинства

В настоящее время процент использования в строительных работах базальтопластиковых прутьев, растет с быстрым темпом. Это неудивительно, если знать, какие преимущества характерны для материала. Коротко расскажем о главных достоинствах, которые высоко ценят профессионалы:

  • Высокая, по сравнению с металлическим аналогом, прочность. Как показали проверки, она выдерживает нагрузки на разрыв в 3 раза большие, чем привычные прутья из металла.
  • Легкость – выигрыш по весу составляет примерно 4-5 раз.
  • Не боится коррозии (о чем уже говорилось выше).
  • Отличается малой теплопроводностью, благодаря чему существенно снижается теплопроводность стен зданий, а значит и их теплопотери при эксплуатации.
  • Работает в широком диапазоне температур – от -70 до +100 градусов по Цельсию.
  • Транспортировка – арматуру малого диаметра можно перевозить в бухтах, даже на легковом автомобиле.
  • Температурный коэффициент расширения, такой же как и у бетона.  Что не допускает появлению трещин в бетонной конструкции, при изменениях температуры окружающей среды.
  • Обеспечивает хорошее сцепление при работе в бетоне.

Поэтому вопросов о том, почему же базальтопластиковая арматура быстро набрала популярность, обычно не возникает.

К сожалению, любой строительный материал имеет не только плюсы, но и минусы. О последних знать особенно важно. Поэтому расскажем коротко и о них.

Недостатки

Одним из главных минусов, каким обладают прутья из базальтопластика, является низкая пластичность. Площадка текучести практически полностью отсутствует. Поэтому согнуть их просто невозможно – приходится использовать специальное оборудование для нагрева до нужной температуры. Это делает строительство (особенно частное) более сложным.

Низкая жесткость, в 4 раза меньше чем у металлической арматуры. Так же малая теплостойкость – теряет свои несущие свойства при температуре выше 300°С, а металлическая при 500°С. В связи с этим её применение в строительстве резко ограничивается.

При работе с нею желательно использовать защитное оборудование. А пилить базальтовую арматуру без перчаток, очков и респиратора ни в коем случае нельзя. При этом образуется мельчайшая пыль. Малый вес позволяет ей долгое время находиться в воздухе. Каждая пылинка представляет собой тонкую и острую иголку из стекловолокна. Попадание их на открытую кожу, органы дыхательных путей и глаза станет причиной опасных травм.

Выбирая строительный материал, ни в коем случае не стоит забывать про эти недостатки. В противном случае можно возвести строение, которое не будет отвечать предъявляемым требованиям, а также нанести урон собственному здоровью.

Опираясь на приведенные выше аргументы, можно с уверенностью сказать – если внимательно изучить свойства материала, то впоследствии сожалеть о его использовании при строительстве не придется. Конструкция, возведенная с помощью базальтопластиковой арматуры, прослужит десятилетия.

Композитная арматура - применение в строительстве, характеристики и сравнение

Изобретение композитной арматуры знатоки строительного дела относят к 60-м годам прошлого столетия. В этот период в США и в Советском Союзе были начаты активные исследования ее свойств.

Однако, несмотря на достаточно солидный возраст, данный материал до сих пор не знаком большинству застройщиков. Восполнить пробел знаний о стеклопластиковой арматуре, ее свойствах, достоинствах и недостатках вам поможет эта статья.

Попутно отметим, что материал этот весьма спорный. Производители хвалят его на все лады, а строители-практики относятся с недоверием. Простые граждане смотрят на тех и на других, не зная кому верить.

Что такое композитная арматура, как она производится и где применяется?

Коротко структуру композитной арматуры можно охарактеризовать как «волокно в пластике». Ее основа – стойкие к разрыву нити из углерода, стекла или базальта. Жесткость композитному стержню придает эпоксидная смола, обволакивающая волокна.

Для лучшего сцепления с бетоном на прутья наматывается тонкий шнур. Он сделан из того же самого материала, что и основной стержень. Шнур создает винтовой рельеф, как у стальной. Твердение эпоксидной смолы происходит в сушильной камере. На выходе из нее композитную арматуру немного вытягивают и нарезают. Некоторые производители до момента твердения полимера обсыпают пластиковые стержни песком для улучшения сцепления с бетоном гладких участков.

Область применения стеклопластиковой арматуры нельзя назвать очень широкой. Ее используют в качестве гибких связей между облицовкой фасада и несущей стеной, а также укладывают в дорожные плиты и опалубку резервуаров. В каркасах, усиливающих ленточные фундаменты и бетонные полы, пластиковую арматуру применяют не так часто.

Ставить композитные стержни в плиты перекрытия, перемычки и другие конструкции, работающие на растяжение, не рекомендуется. Причина – повышенная гибкость данного материала.

Физические свойства композитной арматуры

Модуль упругости у полимерного композита существенно ниже, чем у стали (от 60 до 130 против 200 ГПа). Это значит, что там, где металл вступает в работу, предохраняя бетон от образования трещин, пластик еще продолжает сгибаться. Прочность на разрыв у стеклопластикового стержня в 2,5 раза выше, чем у стального.

Основные прочностные параметры композитной арматуры содержатся в таблице №4 ГОСТ 31938-2012

Здесь мы видим основные классы композитного материала: АСК (стеклопластиковая композитная), АБК (базальтовое волокно), АУК (углеродная), ААК (арамидокомпозитная) и АКК (комбинированная – стекло + базальт).

Наименее прочная, но самая дешевая — арматура из стекловолокна и базальтовый композит. Самый надежный и вместе с тем самый дорогой материал делают на основе углеродного волокна (АУК).

К прочностным свойствам материала мы еще вернемся, когда будем сравнивать его с металлом.

А пока рассмотрим другие характеристики данного материала:

  • К положительным качествам композита относится его химическая инертность. Он не боится коррозии и воздействия агрессивных веществ (щелочной среды бетона, морской воды, дорожных химреагентов и кислот).
  • Вес пластиковой арматуры в 3-4 раза меньше, чем стальной. Это дает экономию при транспортировке.
  • Низкая теплопроводность материала улучшает энергосберегающие характеристики конструкции (нет мостиков холода).
  • Композитная арматура не проводит электричества. В конструкциях, где она используется, не возникает коротких замыканий электропроводки и блуждающих токов.
  • Композитный пластик магнитноинертен и радиопрозрачен. Это позволяет использовать его в строительстве сооружений, где должен быть исключен фактор экранирования электромагнитных волн.

Стеклопластиковый стержень под 90 градусов на стройке не согнешь

Недостатки композитной арматуры:

  • Невозможность гибки с малым радиусом в условиях стройки. Гнутый стержень нужно заранее заказывать у производителя.
  • Невозможность сваривать каркас (минус относительный, поскольку даже для стальной арматуры лучший способ соединения – вязка, а не сварка).
  • Низкая термостойкость. При сильном нагреве и пожаре бетонная конструкция, армированная композитными стержнями, разрушается. Стекловолокно не боится высокой температуры, но связующий ее пластик теряет прочность при нагреве выше +200 С.
  • Старение. Общий минус всех полимеров. Неметаллическая арматура не исключение. Ее производители завышают срок эксплуатации до 80-100 лет.

Вязка пластиковыми хомутами или стальной проволокой – единственный возможный метод сборки каркаса

Какая арматура лучше металлическая или стеклопластиковая?

Один из главных аргументов, приводимых в пользу стеклопластиковой при сравнении с металлической арматурой, – более низкая цена. Однако, заглянув в ценники металлобаз, вы увидите, что это не так. Стоимость металла в среднем на 20-25% ниже композита.

Причина путаницы состоит в том, что продавцы пластика берут в расчет так называемый «эквивалент» диаметра. Логика здесь такая: неметаллическая арматура на разрыв прочнее строительной стали. Поэтому полимерный стержень меньшего диаметра выдержит такую же нагрузку, как и более толстая стальная арматура. На основании  этого делается вывод: для армирования конструкции пластика нужно меньше, чем металла. Отсюда и появляется более «низкая» цена.

Для аргументированного сравнения композита с металлом необходим нормативный документ. Сегодня такое руководство уже имеется. Это приложение «Л» к приказу Минстроя России № 493/пр от 08.07. 2016 г.

В пункте Л.2.3. малопонятном для рядовых застройщиков, но весьма интересном для профессионалов содержатся два понижающих коэффициента для всех видов композитной арматуры.

Для примера рассмотрим самую распространенную стеклопластиковую (АСК):

  • При действии продолжительной нагрузки предел ее прочности на растяжение должен умножаться на 0,3. То есть, вместо 800 МПа мы получаем 240 МПа (800х0,3=240).
  • Если конструкция работает на открытом воздухе, то полученный результат нужно умножить еще на 0,7 (240 МПа х 0,7 = 168 МПа).

Таблица с понижающим коэффициентом для композитной арматуры

Таблица с коэффициентами, учитывающими условия эксплуатации

Далее, как требует норматив, полученные 168 МПа нужно разделить на коэффициент надежности (запас прочности), равный 1,5. В итоге мы получим 112 МПа.

Теперь можно корректно сравнивать прочность пластиковой арматуры с металлической. Для примера возьмем строительную сталь марки А500. У нее предельное сопротивление растяжению с учетом запаса прочности составляет 378 МПа. У стеклопластикового композита мы получили всего 112 МПа.

Наше маленькое исследование наглядно иллюстрирует таблица реальной, а не теоретической равнопрочной замены стальной арматуры на композитную. Ей можно пользоваться при выборе и покупке.

Просмотрев данную таблицу, нетрудно заметить, что пластика для равноценной замены металла требуется не меньше, а больше металла. Только самый дорогой углеродоволоконный материал (АУК) превосходит сталь равного с ним диаметра.

Сортамент и цена композитной арматуры

Самая востребованная на стройке – арматура из стеклопластикового композита. Ее сортамент и средние цены мы свели в одну таблицу.

О том, сколько весит пластиковая арматура разных диаметров вы можете получить информацию из таблицы ниже.

Продают материал в бухтах по 200, 100 и 50 метров и в виде стержней любой длины.

Выводы и рекомендации

Принимая во внимание ценовой фактор (равнопрочный со сталью композит обойдется дороже) мы не можем рекомендовать композитную арматуру для повсеместного применения в частном строительстве.

Для армирования ригелей, плит перекрытия, несущих балок, колонн и диафрагм жесткости специалисты настойчиво советуют не ставить ее. Как конструктивную такую арматуру использовать можно. Для армирования плитных фундаментов она может использоваться.

Плитный фундамент с каркасом из стеклопластиковой арматуры

Для усиления свайных ростверков и ленточных фундаментов лучше купить стальные прутья.

характеристики, плюсы и минусы композитной арматуры

Армирование бетонных монолитных конструкций пластиковыми материалами находит все более широкое применение в строительстве. Это объясняется такими эксплуатационными качествами как высокая прочность, долговечность и отсутствие коррозии. Последнее обстоятельство является особенно важным при возведении гидротехнических сооружений, мостов и фундаментных оснований.

Классификация

Производители строительных материалов выпускают 5 видов композитной арматуры из пластика:

  • стеклокомпозитную или стеклопластиковую – АСК;
  • углекомпозитную – АУК;
  • базальтокомпозитную – АБК;
  • арамидокомпозитную – ААК;
  • комбинированную – АКК.

Из названия можно понять, какой материал является базовой основой для изготовления пластиковой арматуры.

Общее описание и технология изготовления

Благодаря низкой стоимости и хорошим эксплуатационным качествам, наибольшее распространение получила арматура из стекловолокна. Ее прочность немного ниже, чем у других композитов, но снижение затрат оправдывает ее применение. Для его изготовления используют:

  • штапельное стекловолокно;
  • эпоксидные термореактивные смолы в качестве связующего;
  • специальные полимерные добавки для повышения прочности и улучшения других характеристик.

Композитная стеклопластиковая арматура для фундамента может иметь гладкую или рифленую поверхность. По технологии изготовления первоначально из стекловолокна формируют жгуты необходимого диаметра и пропитывают их эпоксидной смолой. После, для получения рифленого переменного сечения, поверхность гладкого прута обматывают по спирали шнуром, который так же сплетен из стекловолокон. Затем полученные заготовки полимеризируют в печи при высокой температуре и, после охлаждения, режут на прямые отрезки или сматывают в бухты.

Технические характеристики

Производство периодического профиля и технические характеристики стеклопластиковой арматуры регламентируются ГОСТ 31938-2012. Стандарт определяет:

  • виды пластиковой арматуры в зависимости от применяемых материалов;
  • номинальные диаметры в пределах от 4 до 32 мм;
  • длину прямых стержней от 0,5 до 12 метров;
  • возможность поставки материалов в бухтах при диаметре до 8 мм включительно;
  • маркировку и условные обозначения;
  • способы контроля качества;
  • правила хранения и транспортировки.
Характеристика видов композитной арматуры.

Вес материала зависит от величины поперечного сечения и может находиться в пределах от 0,02 до 0,42 кг/м.

Вес пластиковой арматуры.

Данные о предельной прочности и упругости, приведенные в ГОСТ, показывают, что эти параметры превышают характеристики стального проката при одинаковых диаметрах. Это позволяет использовать полимерную арматуру в особо ответственных конструкциях или при необходимости уменьшения сечений армирующих материалов.

Область и способ применения

Пластиковая арматура является современной альтернативой металлическому прокату. Одинаковая форма прутов позволяет ее использование по технологии аналогично стальной. Арматурный каркас из композитной пластиковой арматуры формируется в виде плоской сетки или пространственной конструкции, предназначенной для усиления и повышения прочности железобетонных монолитов.

Полимерные армирующие материалы применяют при строительстве дорог, мостов, гидротехнических сооружений, колонн, стен, перекрытий, фундаментов и других монолитных конструкций.

Основная нагрузка приходится на продольные пруты конструкции. Они имеют большее сечение и расположены на расстоянии не более 300 мм друг от друга. Вертикальные и поперечные элементы могут находиться на расстоянии 0,5-0,8 м. Соединение отдельных прутов в местах пересечений осуществляется при помощи полимерных стяжек или вязальной проволоки. Стыковка отдельных стержней на одной горизонтальной линии осуществляется внахлест.

Преимущества пластиковой арматуры

При сравнении композитных прутов с металлическими (сравнение мы уже проводили в этой статье), явно определяется ряд плюсов и минусов пластиковой арматуры. К ним относят:

  • уменьшение веса арматурного каркаса в 5-7 раз;
  • более высокую прочность, позволяющую уменьшить диаметр стержней;
  • устойчивость к коррозии и химическим веществам в составе бетона;
  • простой монтаж и высокая скорость сборки армирующих каркасов;
  • упрощенная технология создания конструкций круглой и овальной формы;
  • отличные диэлектрические и теплоизоляционные свойства;
  • удобство транспортировки.

Кроме этого, следует отметить неограниченную длину прутов у материалов, поставляемых в бухтах, а так же простой раскрой заготовок необходимой длины.

Арматура, изготовленная на основе стеклопластика, на 20-30% уступает по прочности другим композитам, но существенно дешевле. Поэтому такой материал пользуется более высоким спросом в строительстве.

Недостатки

В числе главных минусов композитных армирующих материалов специалисты называют:

  • низкую предельную температуру использования, не превышающую 60-70°C;
  • слабую механическую устойчивость при поперечных нагрузках;
  • невозможность сгиба с малым углом закругления и необходимость использования специальных элементов.

Следует отметить отсутствие нормативной базы на применение полимеров для армирования бетона и, зачастую, недостоверные технические данные от изготовителя материала. Это затрудняет проведение расчетов и вынуждает собирать конструкции с запасом прочности.

Технология армирования фундаментов композитными материалами

Небольшой вес пластиковой арматуры для фундамента упрощает процесс сборки арматурного каркаса любой конструкции. При этом, благодаря повышенной прочности материала, диаметр поперечного сечения берется на один номер меньше, чем для металлических аналогов.

Технологический процесс монтажа бетонных монолитных конструкций с применением полимерных стержней состоит из следующих этапов:

  1. установка опалубки и отметка уровня заливки бетонной смеси;
  2. сборка и установка армирующего каркаса;
  3. заливка бетона в опалубку;
  4. снятие опалубочных щитов.

Работы по монтажу армированных монолитных конструкций необходимо выполнять в соответствии с принятыми проектными решениями. Конфигурация палубы должна полностью соответствовать размерам и форме фундамента. В качестве опалубочного материала можно использовать штатные щиты заводского изготовления, доски, влагостойкую фанеру или ДСП. Для несъемной опалубки чаще всего применяют листовой пенополистирол.

После сборки и закрепления опалубочных щитов, на их внутренней стороне, при помощи водяного уровня, делают отметки верхнего предела заливки бетонной смеси. Это сократит время выполнения работы и поможет более равномерно распределить бетон.

Пространственный армирующий каркас для ленточного фундамента

Схема армирования фундамента, укладки и диаметр прутьев всегда указываются в проекте. Применение композитной арматуры, особенно на основе углеволокна, позволяет уменьшить диаметр стержней на один размер. Укладка материала должна точно соответствовать расчетным данным. Сборка каркаса производится на ровной площадке.

Работа начинается с нарезки заготовок. Для этого из бухты отматывают отрезки необходимой длины и устанавливают из на подставки на высоте 35-50 мм над опорной подушкой или грунтом. После этого укладываются поперечные перемычки, согласно чертежу, и в местах пересечений связываются проволокой или стяжками. Таким образом будет собран нижний ряд пространственного арматурного каркаса.

На следующем этапе необходимо собрать решетку, полностью аналогичную первой, уложить ее сверху и после этого нарезать вертикальные стойки проектной длины. Первая стойка привязывается на углу плоских решеток, вторая — на соседнем пересечении, в итоге так постепенно образуется пространственная конструкция. Если горизонтальных рядов больше, то вторая решетка фиксируется на нужной высоте, а потом закрепляется следующая. Вертикальная стойка в этом случае представляет собой один целый отрезок.

При сборке каркаса необходимо помнить, что концы арматурных прутов должны находиться от опалубки на расстоянии 35-50 мм. Это создаст защитный слой бетона и увеличит эксплуатационный срок конструкции. С этой целью очень удобно использовать специальные пластиковые фиксаторы.

Пластиковые фиксаторы.

На дно траншеи необходимо насыпать песчано-щебеночную подушку и хорошо ее утрамбовать. После этого слой песка рекомендуется накрыть геотекстилем или гидроизолирующим материалом. Это предотвратит поступление влаги к бетону и прорастание сорных растений.

Горизонтальное армирование плитных фундаментов

При заливке фундаментных оснований плитного типа применяют технологию горизонтального армирования. Ее главная особенность заключается в отсутствии поворотных и примыкающих участков. Обычно это две сетки, расположенные друг над другом из длинных прямых прутов и вертикальных стоек.

Все работы выполняются по месту. Сначала, по проектному чертежу, вяжется нижняя сетка, а поверх нее укладывается верхняя. После этого устанавливаются вертикальные стойки, как было рассказано для ленточных конструкций. Нижняя сетка должна быть обязательно установлена на подставки.

Заливка бетона на пластиковый арматурный каркас

Технологически заливка бетонной смеси ничем не отличается от работ при использовании стальной арматуры. Однако, учитывая меньшую прочность материала при боковом радиальном воздействии, уплотнение вибратором следует производить осторожно, чтобы не нарушить целостности пластиковых прутов.

Использовать ручную трамбовку не рекомендуется, т.к. давление бетона может изменить конфигурацию армирующей конструкции.


Арматура композитная или железная 🧱 какая лучше для фундамента: какую выбрать?

Для улучшения прочностных характеристик бетона традиционно используется железная арматура. С развитием строительных технологий на смену металлу приходят композитные материалы – и среди них стеклопластик. Он не подвержен коррозии, легкий и прочный. Арматура такого типа с успехом применяется в монолитном строительстве. В статье мы постараемся ответить на естественный вопрос: какая арматура лучше для фундамента?

Композитная арматура различается как по составу, так и по внешнему виду

Состав и строение композитной арматуры

Прутки стеклопластиковой арматуры – это пучок стекловолокна толщиной 15 микрон каждое, пропитанный эпоксидными или другими смолами и имеющий рифленую поверхность для лучшего сцепления с бетоном. В правильно устроенном прутке должен быть центральный стержень из волокон, который оплетается по спирали вторым слоем стекловолокна.

Вид материала волокна определяет свойства и название арматуры. Кроме стекловолоконной, встречаются углепластиковые и базальтовые изделия.

Диаметр прутка арматуры находится в пределах 4-18 мм, а максимальная длина ограничена только настройками производственного оборудования. Плотность стеклопластика составляет всего 1,9 т/м3, а 1 кубометр стальной арматуры весит не менее 7 тонн. Благодаря этому свойству, композиты применяются в изготовлении легкого бетона с 60-х годов прошлого века. Средний срок службы — не менее 80 лет.

Рифленая поверхность арматуры способствует ее сцеплению с бетоном

Производство стеклопластиковых прутков для усиления бетона возможно только в заводских условиях, что снижает вероятность купить некачественный продукт, несоответствующий нормативным требованиям. Композитная арматура не ржавеет, не проводит электрический ток и экологична.

Преимущества использования стеклопластика

Свойства стали и железобетона, изготовленного с ее применением, хорошо изучены, известны все сильные и слабые стороны такого материала. Композитные материалы не так давно появились в свободном доступе, поэтому разберем их преимущества подробно:

  • меньший вес (более, чем в 3 раза) конструкции снижает нагрузку на фундамент и грунт, делает транспортировку стройматериалов до места стройки простым и дешевым;
  • очень высокая нагрузка на разрыв (650 Мпа у стекловолокна против 400 Мпа у стали) делает ее незаменимой в ответственных местах;
  • стойкость к атмосферным и химическим процессам, не теряет прочности из-за коррозии, как металлическая;
  • коэффициент теплового расширения композитных материалов очень близок к таким же параметрам у бетона, а это снижает вероятность появления трещин;
  • низкая теплопроводность пластика помогает сохранять тепло в здании и цокольном помещении;
  • хорошая устойчивость к механическому износу, по этому показателю стеклопластик не уступает железу;
  • не является помехой для радиоволн и не проводит электричество;
  • с пластиком удобно работать, не потребуется сварочный аппарат, а все соединения фиксируют гибкими хомутами или вязальной проволокой;
  • малая цена заметно снижает стоимость монолитных бетонных работ.
Композитную арматуру можно доставить в багажнике легкового автомобиля

Эти свойства и делают стеклопластиковую арматуру незаменимой в возведении фундаментов и заливке монолитных оснований для постройки дома.

На практике, композитная арматура для фундамента приобрела наибольшую популярность в малоэтажном домостроении, что объясняется нижеследующими факторами.

Недостатки неметаллической арматуры

Не бывает идеальных во всем материалов, так и композитная арматура имеет ряд особенностей, которые накладывают ограничение на ее широкое использование. Минусы неметаллических элементов бетонной конструкции:

  • модуль упругости стали выше такового у стеклопластика в 4 раза, поэтому из железной арматуры выполняют плиты перекрытия и несущие элементы конструкции;
  • пластик невозможно сваривать, только вязка между собой или применение арматуры с металлическими наконечниками;
  • любые композитные прутки нельзя сгибать под прямым углом, для соединения берут специальные уголки или связывают встык с перехлестом;
  • механические свойства ухудшаются с нагревом, а при температуре 600 градусов происходит полное разрушение конструкции;
  • небольшой опыт работы с композитами у строительных бригад и отсутствие сертификации на большую часть возводимых объектов (по умолчанию задана металлическая арматура).
В углах композитная арматура не гнется

Свести недостатки к минимуму поможет сочетание в конструкции металлических узлов и пластиковых прутков различного диаметра. Такое взаимное сочетание считается оптимальным и надежным.

Особенности применения в разных видах фундаментов

Чтобы выбрать, какую арматуру лучше использовать для фундамента, нужно принять во внимание все вышеизложенные факторы. Наиболее распространенные типы фундамента, на которых можно использовать композитный материал, – это ленточный мелкозаглубленный, ростверк и монолитная плита.

Композитная арматура хорошо подходит для ленточного фундамента небольшой постройки

Для них берут арматуру толщиной 8-12 мм и со специальными насечками для надежного сцепления с раствором. Гладкие прутки типа А1 можно использовать для легких хозяйственных построек и в качестве маяков при заливке фундамента.

Пример использования пластиковой арматуры в плитном фундаменте

Особенности армирования фундамента дома:

  • количество прутков рассчитывается из способа укладки и поясности армирующих слоев;
  • для ленточного фундамента необходимо 2 таких слоя, для плитного — достаточно одного и песчаной подушки под основанием;
  • шаг ячейки для стеклопластика не должен превышать 500 мм;
  • углы фундамента проходят специальными уголковыми элементами, потому что соединение встык в углах не допускается;
  • вязку арматуры в местах соединения осуществляют проволокой, скобами и специальным пистолетом или пластиковыми хомутами;
  • для равномерного распределения каркаса в толще бетона потребуются фиксаторы арматуры, расстояние до поверхности оставляют 1-2 сантиметра;
  • Столбчатый фундамент размещают ниже глубины промерзания (обычно от 0,7 до 1,5 метров в зависимости от региона), что исключает его подвижки и разрывы.
Композитной арматурой можно пользоваться при строительстве свайного фундамента небольшой постройки

Важно! Заливая раствор в опалубку, проверяют, чтобы все части каркаса были скрыты бетоном. В месте выхода арматуры на поверхность будут образовываться трещины и происходить дальнейшее разрушение фундамента.

Сталь или пластик: что лучше для фундамента?

Стеклопластик не является заменителем металла в усилении бетона армированием.

Большинство зданий и технических сооружений возводятся с использованием металлического прутка. Фундаменты многоэтажных зданий, промышленных производств, электростанций выполнены из железобетона. Композитную арматуру можно использовать в малоэтажном и дачном строительстве, где не требуется высокая прочность на сжатие и изгиб. Из нее делают фундаменты:
  • ленточные под бани, коттеджи, хозяйственные постройки;
  • дорог, опор под столбы, заборы;
  • причалов, доков, укрепления береговой линии;
  • канализационных объектов, находящихся в воде.
Стальную арматуру можно заменить пластиковой меньшего диаметра

Использование стеклопластиковой арматуры для возведения фундамента оправдано в большинстве случаев. Эта часть дома меньше всего испытывает динамические нагрузки, а физических свойств композитов достаточно для надежной конструкции. Снижению цены постройки способствует ее малый вес и простота укладки, не требующая специального инструмента.

Подводя итог, заметим, что для тех, кто строит своими руками, композитная арматура чрезвычайно интересна. В нижеследующем ролике изложена подробная информация на данную тему.

Поделитесь с друьями!

подкреплений> Однонаправленная матрица - NetComposites

Однонаправленная ткань (UD) - это ткань, в которой большинство волокон проходит только в одном направлении. Небольшое количество волокна или другого материала может течь в других направлениях с основной целью удерживать первичные волокна на месте, хотя другие волокна также могут обладать некоторыми структурными свойствами. Некоторые ткачи тканей под углом 0/90 ° называют однонаправленными ткань, у которой только 75% ее веса в одном направлении, в то время как для других однонаправленное обозначение применяется только к тканям с более чем 90% веса волокна в одном направлении.Однонаправленные волокна обычно имеют первичные волокна в направлении 0 ° (вдоль рулона и основы UD), но могут также иметь их под углом 90 ° к длине рулона (UD утка).

Истинно однонаправленные ткани позволяют размещать волокна в компоненте именно там, где это требуется, и в оптимальном количестве (не больше или меньше, чем требуется). Кроме того, волокна UD прямые и не гофрированные. Это приводит к наивысшим возможным свойствам волокна из ткани в конструкции композитных компонентов.Что касается механических свойств однонаправленных тканей, их можно улучшить только с помощью однонаправленной ленты из препрега, где нет никакого вторичного материала, удерживающего однонаправленные волокна на месте. В этих препрегах только система смолы удерживает волокна на месте.

Однонаправленная конструкция

Существуют различные методы удержания первичных волокон в одном положении в одном направлении, включая плетение, сшивание и склеивание. Как и в случае с другими тканями, качество поверхности однонаправленной ткани определяется двумя основными факторами: сочетанием текучести и количества нитей первичного волокна, а также количеством и типом вторичного волокна.Драпируемость, гладкость поверхности и стабильность ткани в основном контролируются стилем конструкции, в то время как удельный вес, пористость и (в меньшей степени) смачивание определяются путем выбора соответствующей комбинации текучести волокна и количества волокон на см.

Однонаправленные основы или уток могут быть выполнены в процессе сшивания (см. Информацию в разделе «Мультиаксиальный» данной публикации). Однако для достижения достаточной устойчивости обычно необходимо добавить к лицевой стороне ткани коврик или ткань.Следовательно, наряду с сшивающей нитью, необходимой для сборки волокон, в этом типе UD-ткани содержится относительно большое количество вторичного паразитного материала, который имеет тенденцию ухудшать свойства ламината. Кроме того, высокая стоимость установки слоя 0 ° на линии сшивания и относительно низкая скорость производства означают, что эти ткани могут быть относительно дорогими.

Опубликовано любезно Дэвидом Криппсом, Gurit

http://www.gurit.com


Поделиться статьей

Твиттер Facebook LinkedIn Электронная почта


Перейти к тканым материалам Вернуться к типам тканей

Подкрепление

Gurit поставляет широкий ассортимент арматуры, подходящей для изготовления и ремонта композитных компонентов.Эти материалы основаны на наиболее широко используемых типах волокон и ориентации волокон, и при их производстве используются различные строительные технологии.

Наш ассортимент армирования представлен типами волокон:

  • Стеклянные изделия - E Glass
  • Углеродные продукты
  • Гибридные комбинации вышеуказанных волокон
  • Изделия из натурального льноволокна

Продукты из натурального льняного волокна

В 2019 году Gurit начал сотрудничество с Bcomp, швейцарским высокотехнологичным стартапом, специализирующимся на экологически безопасных решениях по облегчению веса на основе натуральных волокон.Сейчас Gurit продает продукты Bcomp ampiTex ™ и powerRibs ™, часто в сочетании с аккредитованными Gurit растворами смол на биологической основе или низкотоксичными смолами.

Технология powerRibs ™ - это чрезвычайно легкая армирующая сетка из натурального волокна. Вдохновленный прожилками листьев, он обеспечивает максимальную жесткость при минимальном весе за счет создания ребристой структуры на одной стороне тонкостенного элемента оболочки. Ассортимент армирующих тканей ampiTex ™ имеет широкий спектр архитектур, оптимизированных для множества применений.

Благодаря этим усилениям, выбросы CO2 от полуструктурных элементов, например внешние панели могут быть уменьшены на 75% по сравнению с углеродными волокнами при сохранении соответствующих характеристик. Для внутренних панелей вес может быть уменьшен до 50%, а пластиковых - до 80% при соответствующих характеристиках. Комбинация биосмол Gurit и натуральных волокон Bcomp в настоящее время является важным первым шагом в создании композитных панелей на основе биологических материалов для различных отраслей промышленности.
Коды изделий из льняной ткани, препрега и SPRINT ™, которые теперь доступны для заказа, доступны в последних каталогах продукции Gurit.Для получения дополнительной информации или технических характеристик продукта обратитесь к местному представителю службы поддержки клиентов Gurit или партнеру по распространению (см. Страницу контактов Gurit).

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие документы на боковой панели или обратитесь к представителю службы поддержки клиентов.

подкреплений | PRF Composities

Наш ассортимент композитных армирующих материалов, включая Kevlar®, Dyneema®, стекло и углеродные ткани, охватывает широкий спектр текстильных технологий, включая тканые ткани и ленты, трикотажные мультиаксиальные ткани, тесьму и нетканые технические вуали.Доступны дополнительные средства обработки и отделки тканей, включая порошковое покрытие эпоксидной смолой или полиэстером. Порошковое покрытие стабилизирует ткань, предотвращает деформацию и позволяет разрезать ткань без обтрепывания. Термопластичное порошковое покрытие может использоваться для соединения слоев, как при производстве преформ для обработки RTM. Мы также предлагаем материалы для косметического применения, в том числе углеродные ткани эстетического качества. Эти ткани сотканы с соблюдением самых высоких стандартов и проверок.

Разработка тканей

В дополнение к нашему стандартному ассортименту мы обладаем обширным опытом в разработке тканых и нетканых материалов на заказ и будем работать вместе с клиентами, чтобы разработать их идеальное решение. Мы можем использовать специальные материалы, такие как нержавеющая сталь, кварц и базальт, чтобы обеспечить уникальные качества, создать новые гибридные ткани и новые узоры переплетения. Мы также можем комбинировать такие технологии, как нетканые вуали и тканые ткани, чтобы создать уникальный и действительно инновационный продукт, который ведет себя так, как требуется в конечном компоненте.Свяжитесь с нашим отделом продаж, чтобы обсудить индивидуальный проект сегодня. Свяжитесь с нашим отделом продаж, чтобы обсудить индивидуальный проект сегодня.

Узкие ленты и тесьма

Наш ассортимент узких тканых лент и тесьмы доступен шириной от 10 мм до 350 мм из углеродных, арамидных, стеклянных, полиэфирных и гибридных волокон. Мы поставляем однонаправленные тканые трубчатые изделия с эластичными уточными волокнами и плетеные трубчатые изделия. Недавняя разработка, мы также можем предложить современные спирально-тканые ленты и плетеные оплетки, а также трехмерные тканые профильные структуры для преформ, в которых волокна сплетаются под углом 0/90 °, а также в трехмерном формате под прямым углом на основе. и уток; обеспечение армирования по осям x, y и z в компоненте.

Мультиаксиальные ткани

В рамках нашего стандартного ассортимента армирующих материалов у нас имеется широкий выбор мультиаксиальных тканей, которые идеально подходят для тяжелых компонентов, где большой вес тканей вместе с возможностью ориентировать волокна под разными углами позволяет уменьшить количество слои, которые будут использоваться. PRF предлагает широкий выбор высококачественных мультиаксиальных тканей из таких материалов, как карбюратор и стекло, различной конфигурации и веса. Также доступны такие материалы, как арамид.

Нетканые технические вуали

Предлагая экономически эффективные средства реализации преимуществ высокопроизводительных специальных волокон в различных композитных структурах, нетканые технические вуали, поставляемые PRF, доступны в широком диапазоне волокон, с диапазон удельного веса поверхности от 4 до 200 г / м² (в зависимости от типа волокна). Мы обладаем уникальным опытом в использовании этих продуктов в полной мере, используя их технические свойства для производства инновационных композитных материалов, таких как материалы с защитой от ударов молнии или материалы, обеспечивающие экранирование EMI ​​/ RFI.

Kitting

PRF также предлагает услуги по ламинированию и продольной резке поставляемых нами материалов. Мы также можем разрезать широкий спектр тканых материалов, в том числе многослойный кевлар баллистической чистоты, на наших станках с ЧПУ. Двумерные чертежи САПР принимаются по электронной почте, и мы размещаем их для оптимального использования материалов. Комплекты поставляются упакованными, маркированными в соответствии с требованиями заказчика и готовыми к использованию.

Стратегии армирования волокон

Ключ к раскрытию прочности в 3D-печати из непрерывного волокна заключается в понимании того, где можно усилить пряди или панели, чтобы они распределяли нагрузочные силы при растяжении или изгибе, как мы рассмотрели в Физике 3D-печати.Ниже мы расскажем о нескольких различных методах определения и размещения волокна в вашей детали, чтобы обеспечить прочность там, где она вам нужна.

Как подумать об армировании непрерывными волокнами

Проектирование армирования волокнами аналогично проектированию для базовой 3D-печати, но с учетом дополнительных требований к прочности.
1. Определите условия нагрузки

Взгляните на вашу конструкцию. Где он будет испытывать изгибающие силы? Растягивающие силы? Сжимающие силы? Если вы не уверены, подумайте о том, как силы будут передаваться через другие части - при необходимости нарисуйте схему! Это поможет вам принять обоснованное решение о стратегии волоконно-оптической маршрутизации.

2. Определите ориентацию печати

В каком направлении с вашей стороны перемещаются наибольшие грузы? Вы хотите, чтобы ваша деталь была ориентирована таким образом, чтобы эти силы в основном перемещались в плоскости с печатным столом, нагружая волокна при изгибе или растяжении. Если у вас есть много больших сил, охватывающих несколько осей, вы можете рассмотреть возможность изменения конструкции или разделения ее на несколько частей.

3. Определите площади армирования

Какие поверхности или сегменты необходимо укрепить в зависимости от условий нагрузки? Имея это в виду, подумайте, какие типы подкрепления вам нужно будет применить в этих областях.

4. Балансные волокнистые панели

Если армирована только одна сторона детали, она может быть подвержена деформации из-за неровной сэндвич-панели, что происходит, когда одна сторона укрепляется, а другая - нет. t, или если одна грань имеет совершенно другое поперечное сечение, чем другая. Если одна группа слоев вашей детали армирована, сбалансируйте сэндвич-панель, усилив эквивалентную группу слоев на самом дальнем Z-слое с аналогичным поперечным сечением.

5.Подтверждение прохождения волокна

Подходит ли волокно и проходит ли оно в нужных вам областях? Можете ли вы проследить непрерывные пряди волокна, которые проходят по путям нагрузки и «подпирать» силу? В противном случае вам может потребоваться отрегулировать настройки волокна или изменить характеристики так, чтобы волокно проходило в нужных вам местах. Помните, что для печати групп волокон требуется не менее четырех пластиковых слоев крыши и пола, поэтому любые грани, которые нуждаются в армировании, должны начинаться со смещения четырех слоев от ближайшей крыши или пола.

Базовая стратегия армирования: шелушение

Ниже описана базовая стратегия армирования печатной детали. Эта стратегия гарантирует, что ваша деталь в целом будет прочной и устойчивой к изгибающим и ударным нагрузкам по любой оси. Как описано ранее, более важно усилить крайние стороны вашей части, чем стержень, поэтому мы расскажем, как «обшить» часть для эффективной силы со всех сторон.

Shelling - верный способ укрепить любую деталь, напечатанную на 3D-принтере, непрерывным волокном, поскольку он защищает от большинства условий нагрузки.
1. Изотропные панели на самых дальних Z-слоях

Чтобы максимизировать прочность на изгиб, создайте сэндвич-панель с 2–4 слоями изотропного волокна на верхней и нижней плоскостях детали, исключая любые небольшие поверхностные выступы. Слои волокна должны начинаться над четырьмя слоями «пола» или заканчиваться под четырьмя слоями «крыши» данной горизонтальной поверхности.

2. Изотропные панели при больших промежуточных изменениях геометрии

Добавьте 2-4 слоя изотропного волокна под или над любыми поверхностями, которые вызывают большие изменения геометрии детали, снова учитывая четыре «крыша» и «пол». »Слои.

3. Усиление внутреннего отверстия для отверстий под болты по оси Z

Усиление отверстий под болты по оси Z двумя кольцами из концентрических волокон. Используйте «только внутренние отверстия», если вам не требуется усиление боковой нагрузки, или используйте «все стены» для охвата шага 4. Это распределяет сжимающую силу, прилагаемую болтом, и создает композитную «втулку», чтобы противостоять любому смещению оси скручивающие нагрузки, которые испытывает болт.

4. Армирование внешней стенки для любых боковых нагрузок

Чтобы максимизировать прочность на изгиб вокруг оси Z и усилить против боковых нагрузок, укрепите внешние стенки детали двумя кольцами из концентрических волокон.Используйте «только внешнюю оболочку», если у вас нет отверстий для болтов по оси Z, или используйте «все стены», чтобы охватить шаг 3. Это также укрепит любые отверстия с осями на плоскости XY.

Специализированные стратегии армирования

Если вам нужно решить более конкретные условия нагрузки, вы можете использовать другую тактику для усиления определенных областей, усиления определенных секций детали или управления размещением волокон. Ниже приведены некоторые уникальные дополнительные стратегии, которые вы можете реализовать внутри своей части.

Полосы из волоконных панелей
Используйте полосы из волокон для увеличения прочности на изгиб.Вы также можете разделить полосы на детали, чтобы сбалансировать неровности сэндвич-панелей.

Для повышения прочности на изгиб в плоскости XY вы можете добавить «полосы» ИЗОТРОПНОГО ВОЛОКНА через несколько слоев Z. Это наиболее эффективно с более толстыми деталями, которые имеют довольно постоянное или симметричное поперечное сечение, потому что полосы из волокон создают несколько наложенных друг на друга сэндвич-панелей для дальнейшего усиления изгибаемой детали.

Направление волокна с помощью ребер
Создание ребер в ваших 3D-печатных деталях заставит волокна следовать определенным путям нагрузки.

Волокно можно направлять в определенных направлениях с помощью армированных ребер или вырезов, которые следуют по путям нагрузки от сил, приложенных к вашей детали. Вы можете заставить волокно следовать этим путям нагрузки, применив концентрическое волокно для усиления вокруг вырезов или стен.

Использование углов волокна для направления волокон
Углы волокна можно использовать для армирования в определенных направлениях.

Вы можете использовать инструмент «Углы волокон», чтобы проложить «зигзагообразные» изотропные волокна в определенном направлении для лучшего совмещения с силами, прилагаемыми к вашей детали.При настройке по умолчанию узор заливки поворачивается на 45 градусов для каждого слоя, но вы можете изменить это, поместив определенный угол или узор углов в диалоговом окне «Углы волокон» для любого слоя, любой группы слоев или по всей части.

Достижение прочности по оси Z
Вы можете обойти проблемы с прочностью по оси Z при 3D-печати, добавив болты в деталь.

Умный дизайн и стратегии усиления позволяют добиться большей прочности по нескольким осям.Пропускание болта через вашу деталь с изотропным волокном, усиливающим сжатые поверхности, может усилить деталь и предотвратить срезание или растяжение от разделения детали на линии слоев. Вы можете усилить область вокруг болта с помощью концентрического волокна «только внутренние отверстия», чтобы любая из этих сил распределялась по волокну в виде изгибающих сил.

Производство и свойства кварца (SiO2), армированного частицами матричных композитов Al-11,8% Si

1. Введение

Композиты с металлической матрицей (MMC) - это класс композитов, которые содержат матрицу элемента или сплава, в которой закреплена вторая фаза прочно глубоко и равномерно распределены для достижения необходимого улучшения свойств.Свойства композита варьируются в зависимости от размера, формы и количества второй фазы (Sayuti et al., 2010; Sulaiman et al., 2008). Композиты с металлической матрицей с прерывистым усилением, другое название композитов, армированных частицами, составляют 5-20% новых современных материалов (Gay et al., 2003). На механические свойства обработанных композитов большое влияние оказывает их микроструктура. Повышенная жесткость, предел текучести и предел прочности при растяжении обычно достигаются за счет увеличения массовой доли фазы армирования в матрице.Несмотря на эти преимущества, использование ММС, армированных частицами, в качестве структурных компонентов в некоторых приложениях ограничено из-за низкой пластичности (Rizkalla and Abdulwahed, 1996). В связи с этим и для преодоления недостатков специалистами по композитам было проведено подробное исследование механизма упрочнения композитов (Humphreys, 1987). Они обнаружили, что размер частиц и их массовая доля в композитах с металлической матрицей влияет на образование дислокаций из-за термического несоответствия.На эффект также влияют развивающиеся остаточные и внутренние напряжения. Исследователи предсказали, что плотность дислокаций прямо пропорциональна массовой доле и из-за количества теплового несоответствия. В результате эффект упрочнения пропорционален квадратному корню из плотности дислокаций. Этот эффект будет значительным для мелких частиц и фракций с более высоким весом. ММС обладают улучшенными физико-механическими свойствами, и эти выдающиеся преимущества обусловлены сочетанием металлических и керамических свойств (Hashim et al., 2002). Хотя существуют различные типы MMC, композиты, армированные частицами, являются наиболее универсальными и экономичными (Sayuti, Sulaiman, Vijayaram, et al., 2011; Sayuti, Suraya, et al., 2011).

За последние 40 лет исследователи и эксперты по дизайну считали, что в своих исследованиях акцент делается на поиске легких, экологически чистых, недорогих, высококачественных материалов с хорошими эксплуатационными характеристиками (Feest, 1986). В соответствии с этой тенденцией, ГМК вызывают растущий интерес среди исследователей и промышленников.Атрибуты MMC включают изменения в механическом поведении (например, свойствах при растяжении и сжатии, ползучести, стойкости к надрезам и трибологии) и физических свойствах (например, промежуточная плотность, тепловое расширение и температуропроводность) изменение, в первую очередь вызванное усиленным наполнителем. фаза (Sayuti, et al., 2011). Несмотря на то, что MMC обладают различными преимуществами, они все же имеют ограничения по термической усталости, термохимической совместимости и обладают более низким сопротивлением поперечной ползучести. Чтобы преодолеть эти ограничения, изготовление ММС на основе прерывисто армированного алюминия осуществлялось стандартными методами металлургической обработки, такими как порошковая металлургия, прямое литье, прокатка, ковка и экструзия.Впоследствии изделиям придавали форму, обрабатывали и просверливали с помощью обычных процессов механической обработки. Следовательно, ММС будут доступны в подходящих количествах с желаемыми свойствами, особенно для автомобильного применения (Sharma et al., 1997).

В целом композитные материалы обладают хорошими механическими и термическими свойствами, устойчивы в широком диапазоне температур (Vijayaram et al., 2006). Желательные факторы, такие как требования к собственности, соображения фактора стоимости и перспективы будущего применения, будут определять выбор метода обработки (Kaczmar et al., 2000). На практике композитные материалы с металлической или сплавной матрицей изготавливаются методом литья или порошковой металлургии (Фридляндер, 1995). Они рассматриваются как потенциальные кандидаты в материалы для широкого спектра структурных применений в транспортной, автомобильной и спортивной промышленности из-за превосходного диапазона механических свойств, которые они демонстрируют (Hashim et al., 1999). MMC представляют собой новое поколение инженерных материалов, в которых прочная керамическая арматура включена в металлическую матрицу для улучшения ее свойств, таких как удельная прочность, удельная жесткость, износостойкость, коррозионная стойкость и модуль упругости (Baker et al., 1987; Chambers et al., 1996; Кок, 2005). Благодаря своей структуре и связи между матрицей и арматурой, MMC сочетают в себе металлические свойства матричных сплавов (пластичность и ударную вязкость) с керамическими свойствами арматуры (высокая прочность и высокий модуль), что приводит к большей прочности на сдвиг и сжатие, поскольку а также возможности для более высоких рабочих температур (Huda et al., 1993). Таким образом, они имеют научное, технологическое и коммерческое значение. ММС, благодаря своим улучшенным свойствам, широко используются для высокопроизводительных приложений, таких как авиационные двигатели, особенно в последнее десятилетие.В последнее время они также находят применение в автомобильной промышленности (Surappa, 2003; Therén and Lundin, 1990).

Порошки оксида алюминия (Al 2 O 3 ) и карбида кремния (SiC) в форме волокон и частиц обычно используются в качестве армирующих элементов в MMC. В автомобильной и авиационной промышленности, например, при производстве поршней и головок цилиндров двигателей, трибологические свойства используемых материалов считаются решающими. Следовательно, матричные композиты из алюминиевого сплава, армированного оксидом алюминия и карбидом кремния, применяются в этих областях (Prasad and Asthana, 2004).В связи с их высоким спросом, разработка композитов с алюминиевой матрицей получает большое внимание в современном применении. Отчеты об исследованиях подтверждают, что включение твердых частиц второй фазы в матрицы сплава для производства MMC является выгодным и экономичным из-за его высокой удельной прочности и свойств коррозионной стойкости (Kok, 2005). Следовательно, MMC - это те материалы, которые имеют более высокий потенциал для широкого спектра инженерных приложений.

2. Композиты с металлической матрицей (MMC)

Композиты с металлической матрицей - это семейство новых материалов, которые привлекают значительный промышленный интерес и инвестиции во всем мире.Они определяются как материалы, микроструктуры которых нарушают непрерывную металлическую фазу (матрицу), в которую искусственно введена вторая фаза или фазы. Это контрастирует с обычными сплавами, микроструктуры которых создаются во время обработки естественным фазовым превращением (Feest, 1986). Композиты с металлической матрицей отличаются от более широко разработанных композитов со смоляной матрицей своей металлической природой с точки зрения физических и механических свойств, а также их способностью подходить для обычных операций металлургической обработки.Электропроводность, теплопроводность и невоспламеняемость, прочность матрицы на сдвиг, пластичность (обеспечивающая механизм затупления трещин) и сопротивление истиранию, возможность нанесения покрытия, соединения, формования и термообработки - вот некоторые из свойств, которые отличают композиты с металлической матрицей от полимерной матрицы композиты. MMC - это класс современных материалов, которые были разработаны для применений с критичным весом в аэрокосмической промышленности. Алюминиевые композиты с прерывистой арматурой, состоящие из высокопрочных алюминиевых сплавов, армированных частицами карбида кремния или нитевидными кристаллами, являются подклассом ММС.Сочетание их превосходных свойств и технологичности делает их привлекательными кандидатами для многих структурных компонентов, требующих высокой жесткости, высокой прочности и малого веса. Так как армирование является прерывистым, могут быть изготовлены прерывисто армированные композиты со свойствами, которые являются изотропными в трех измерениях или в плоскости. Обычные методы вторичного производства могут использоваться для производства широкого спектра композитных изделий, что делает их относительно недорогими по сравнению с другими современными композитами, армированными непрерывными нитями.Преимущество использования композитных материалов и причину их все более широкого применения следует искать в преимуществе достижения комбинаций свойств, которые могут привести к ряду преимуществ обслуживания. Среди них повышенная прочность, уменьшенный вес, более высокая рабочая температура, улучшенная износостойкость и более высокий модуль упругости. Основное преимущество композитов заключается в адаптации их механических и физических свойств к конкретным критериям проектирования. Композиционные материалы постоянно вытесняют традиционные конструкционные материалы из-за их преимуществ в виде высокой жесткости и прочности по сравнению с составами однородных материалов.Тип, форма и пространственное расположение армирующей фазы в композитах с металлической матрицей являются ключевыми параметрами, определяющими их механическое поведение. Твердый керамический компонент, который увеличивает механические характеристики композитов с металлической матрицей, вызывает быстрый износ и преждевременный выход инструмента из строя при операциях обработки. Композиты с металлической матрицей изучаются с начала 1960-х годов, и в то время они были стимулированы тем, что обладали высокими потенциальными структурными свойствами, которые можно было бы достичь с материалами, разработанными для конкретных приложений (Mortensen et al., 1989).

При обработке композитов с металлической матрицей одна из представляющих интерес тем - выбор подходящей матрицы и армирующего материала (Ashby and Jones, 1980). В некоторых случаях химические реакции, которые происходят на границе раздела между матрицей и ее армирующими материалами, считаются вредными для конечных механических свойств, и их обычно избегают. Иногда межфазные реакции вызываются намеренно, потому что новый слой, образующийся на границе раздела, действует как прочная связь между фазами (Gregolin et al., 2002).

Во время производства композитов с металлической матрицей несколько оксидов использовались в качестве армирующих элементов в форме частиц, волокон или вискеров (Zhu and Iizuka, 2003). Например, частицы оксида алюминия, оксида циркония и оксида тория используются в качестве усиливающих элементов в алюминиевых, магниевых и других металлических матрицах (Upadhyaya, 1990). Очень немногие исследователи сообщили об использовании кварца в качестве частиц, усиливающих вторичную фазу в матрице алюминия или алюминиевого сплава, из-за его агрессивной реакционной способности между этими материалами (Sahin, 2003).Предварительные исследования показали, что контакт между расплавленным алюминием и керамическими частицами на основе диоксида кремния полностью разрушил микроструктуру второй фазы из-за реакции восстановления, которая провоцирует проникновение жидкой металлической фазы в керамический материал (Mazumdar, 2002). Предыдущие работы, проведенные с использованием непрерывных волокон диоксида кремния в качестве армирующих фаз в алюминиевой матрице, показали, что даже при температурах, близких к 400 0 ° C, диоксид кремния и алюминий могут реагировать и образовывать преобразованный слой на исходной поверхности волокна в результате твердой диффузии между фазы и из-за образования жидкой фазы алюминий-кремний (Seah et al., 2003). Организации и компании, которые очень активно используют MMC в Канаде и США, включают следующие (Rohatgi, 1993):

  1. Aluminium Company of Canada, Dural Corporation, Kaiser Aluminium, Alcoa, American Matrix, Lanxide, American Refractory Corporation

  2. Northrup Corporation, McDonald Douglas, Allied Signal, Advanced Composite Materials Corporation, Textron Specialty Materials

  3. DWA Associates, MCI Corporation, Novamet

  4. Martin Marietta Aerospace, Национальная лаборатория Окриджа, Североамериканский Роквелл, General Dynamics Corporation, Lockheed Aeronautical Systems

  5. Dupont, General Motors Corporation, Ford Motor Company, Chrysler Corporation, Boeing Aerospace Company, General Electric, Westinghouse

  6. База ВВС США Райт Паттерсон (Дейтон, Огайо) и

  7. Центр надводного вооружения ВМС, (Silver Spri ng, Мэриленд)

Индия также ведет значительную деятельность в области PM и литья MMC.Компания провела исследования и разработки мирового класса в области композитов из твердых частиц алюминия, которые были востребованы даже в западных странах.

2.1. Классификация композитов

Среди основных разработок в области материалов в последние годы - композитные материалы. Фактически, композиты в настоящее время являются одним из наиболее важных классов технических материалов, поскольку они предлагают несколько выдающихся свойств по сравнению с обычными материалами. Матричный материал в композите может быть на керамической основе, полимерным или металлическим.В зависимости от матрицы композитные материалы классифицируются следующим образом:

Композиты с металлической матрицей (MMC)

Композиты с полимерной матрицей (PMC)

Композиты с керамической матрицей (CMCs)

Большинство коммерчески используемых композитов представляют собой матрицы на основе полимеров. Однако композиты с металлической матрицей и композиты с керамической матрицей вызывают большой интерес в высокотемпературных приложениях (Feest, 1986). Другой класс композитных материалов основан на цементной матрице.Ввиду их важности в строительных конструкциях, значительные усилия прилагаются для разработки композитов с цементной матрицей с высоким сопротивлением растрескиванию (Schey, 2000). Композиты с металлической матрицей (MMC) - это композиты с металлической матрицей или сплавом. Он обладает стойкостью к повышенным температурам, более высоким модулем упругости, пластичностью и более высокой вязкостью. Ограничения - более высокая плотность и большая сложность обработки деталей. Матричные материалы, используемые в этих композитах, обычно представляют собой алюминий, магний, алюминий-литий, титан, медь и суперсплавы.Волоконными материалами, используемыми в MMC, являются оксид алюминия, графит, карбид титана, карбид кремния, бор, вольфрам и молибден. Прочность на растяжение неметаллических волокон находится в диапазоне от 2000 МПа до 3000 МПа, а модуль упругости находится в диапазоне от 200 до 400 ГПа. Из-за их легкости, высокой удельной жесткости и высокой теплопроводности борные волокна в алюминиевой матрице использовались для конструктивных трубчатых опор орбитального корабля космического челнока. Композиты с металлической матрицей, содержащие волокна карбида кремния и титановую матрицу, используются для обшивки, ребер жесткости, балок и рам разрабатываемых гиперзвуковых самолетов.Другие области применения - велосипедные рамы и спортивные товары (Wang et al., 2006). Графитовые волокна, армированные алюминиевыми и магниевыми матрицами, используются в спутниках, ракетах и ​​конструкциях вертолетов. Композиты со свинцовой матрицей, содержащие графитовые волокна, используются для изготовления пластин аккумуляторных батарей. Графитовые волокна, встроенные в медную матрицу, используются для изготовления электрических контактов и подшипников. Волокна бора в алюминии используются в качестве лопаток компрессора и конструктивных опор. Те же волокна в магнии используются для изготовления антенных структур.Композитные волокна из титана и бора используются в качестве лопастей вентилятора реактивного двигателя. Волокна молибдена и вольфрама диспергированы в матрицах из суперсплавов на основе кобальта для изготовления высокотемпературных компонентов двигателя. MMC, литые методом прессования, обычно имеют гораздо лучшее распределение арматуры, чем композитные материалы. Это связано с тем, что керамический перфорированный материал, который используется для содержания желаемой массовой доли арматуры, жестко прикреплен друг к другу, так что движение предотвращается. Следовательно, слипание и сегрегация дендритов устраняются.Пористость также сводится к минимуму, поскольку давление используется для того, чтобы заставить металл проникать в межволоконные каналы, вытесняя газы. Размер и форма зерен могут варьироваться в пределах пропитанной преформы из-за особенностей теплового потока. Вторичные фазы обычно образуются на границе раздела волокно-матрица, поскольку более низкие области замерзания, богатые растворенными веществами, диффундируют к волокну перед затвердевающей матрицей (Surappa, 2003).

2.2. Значение композитов

Технология композитов и наука требует взаимодействия различных дисциплин, таких как структурный анализ и проектирование, механика материалов, материаловедение и технологические процессы.Задачи исследования композитов заключаются в изучении основных характеристик составляющих и композитных материалов, разработке эффективных и действенных процедур изготовления, оптимизации материала для условий эксплуатации и понимании их влияния на свойства материала, а также в определении свойств материала и прогнозировании поведения конструкции с помощью аналитических методов. процедуры и, следовательно, для разработки эффективных экспериментальных методов для определения характеристик материалов, анализа отказов и анализа напряжений (Дэниел и Ишаи, 1994).Важной задачей является неразрушающая оценка целостности материала, оценка долговечности, надежности конструкции, критичности дефектов и прогноз срока службы. Структурные конструкции и системы, способные работать при повышенных температурах, стимулировали интенсивные исследования в области высокотемпературных композитов, таких как керамика / матрица, металл / керамика и углерод / углеродные композиты. Использование традиционных и новых композитных материалов тесно связано с развитием методов производства. Производственный процесс - один из важнейших этапов контроля свойств и обеспечения качества готового продукта.Технология композитов, хотя и развивается, но достигла зрелости. Тем не менее перспективы на будущее радужные по разным причинам. Новые массовые применения, например, в автомобильной промышленности, значительно расширят использование композитов.

2.3. Матрица

Матрица - это просачивающийся сплав / металл / полимер / пластик / смола / керамика, образующий компонент композита, в который встроены другие компоненты. Если матрица - металл, то она называется металлической матрицей и последовательно полимерной матрицей, если матрица - полимером и так далее.В композитах матрица или матрицы выполняют две важные функции (Weeton et al., 1988). Во-первых, удерживает на месте фазу армирования. Затем под действием приложенной силы он деформируется и распределяет напряжение на составляющие арматуры. Иногда сама матрица является ключевым укрепляющим элементом. Это происходит в некоторых композитах с металлической матрицей. В других случаях матрице, возможно, придется выдерживать тепло и холод. Он может проводить электричество или противостоять ему, не пропускать влагу или защищать от коррозии.Его можно выбрать из-за его веса, простоты использования или любого другого применения. Любое твердое вещество, которое можно обработать для заделки и плотного захвата армирующей фазы, является потенциальным матричным материалом.

В композитах матрица является важной фазой, которая определяется как непрерывная. Важной функцией матрицы является удержание фазы армирования в ее встроенном месте, которые действуют как точки передачи напряжения между арматурой и матрицей и защищают арматуру от неблагоприятных условий (Clyne, 1996).Он влияет на механические свойства, модуль сдвига и прочность на сдвиг, а также на технологические характеристики. Фаза армирования - это основной несущий элемент в композите. Следовательно, ориентация фазы армирования определяет свойства композита.

2.4. Фаза усиления / Материалы

Армирующие материалы должны быть доступны в достаточном количестве и по экономичной цене. Недавние исследования направлены на создание более широкого разнообразия армирования для ряда рассматриваемых матричных материалов, поскольку различные типы и формы армирования имеют определенные преимущества в разных матрицах (Basavarajappa et al., 2004). Следует отметить, что свойства композита зависят не только от свойств составляющих, но также от химического взаимодействия между ними и от разницы в их коэффициентах теплового расширения, которые оба зависят от маршрута обработки. В высокотемпературных композитах проблема усложняется из-за усиленных химических реакций и фазовой нестабильности как при температуре обработки, так и при температуре нанесения. Фазы армирования в MMC закладываются в виде непрерывного армирования или прерывистого армирования в матричный материал.Армирующая фаза может быть в виде частиц или волокон, непрерывного или прерывистого типа. Некоторые из важных частиц, обычно армируемых в композитных материалах, - это карбид титана, карбид вольфрама, нитрид кремния, силикат алюминия, кварц, карбид кремния, графит, летучая зола, оксид алюминия, стекловолокно, борид титана и т. Д. Материал второй фазы армирования выбирается в зависимости от по применению при обработке композитов (Clyne, 1996). Фаза армирования обычно имеет форму частиц и волокон.Размер частиц выражается в микронах, микрометрах. Однако прерывистое волокно определяется термином, называемым «соотношение сторон». Он выражается как отношение длины к диаметру волокна. Чтобы улучшить смачиваемость жидким сплавом или материалом металлической матрицы, армирующая фаза всегда предварительно нагревается (Adams et al., 2003).

2.5. Факторы, влияющие на армирование

Граница раздела между матрицей и арматурой играет важную роль в принятии решения и объяснении механизма упрочнения в композитах с металлической матрицей.Интерфейс между матрицей и армированием должен быть организован таким образом, чтобы связь между интерфейсом не была ни сильной, ни слабой (Singh et al., 2001).

2.6. Матричный интерфейс / Интерфейс матриц

Интерфейсы считаются особенно важными в механическом поведении MMC, поскольку они контролируют передачу нагрузки между матрицей и арматурой. Их природа зависит от состава матрицы, характера армирования, метода изготовления и термической обработки композита.Для определенных ассоциаций матрица / армирование и особенно с жидкостными способами обработки могут происходить реакции, которые изменяют состав матрицы и приводят к продуктам межфазной реакции, таким образом изменяя механическое поведение композитов. Межфазные явления в ГМК исследовались несколькими авторами. Принимая во внимание физические и химические свойства как матрицы, так и армирующего материала, фактическую прочность и ударную вязкость, требуемые для конечных MMC, необходимо достичь компромисса, уравновешивая часто несколько противоречащих друг другу требований.Слабая граница раздела приведет к распространению трещины по границе раздела, в то время как сильная матрица, связанная с прочной границей раздела, обнаружит трещины как в матрице, так и в армировании. Однако, если матрица является слабой по сравнению с границей раздела и прочностью частиц, разрушение будет распространяться через саму матрицу. Смачиваемость армирующего материала жидкометаллической матрицей играет важную роль в образовании связи. Это в основном зависит от теплоты образования, электронной структуры армирования и температуры расплавленного металла, времени, атмосферы, шероховатости и кристаллографии армирования.Сходство между металлической связью и ковалентной связью отражается в некоторых металлах, таких как карбид титана и карбид циркония, которые легче смачиваются, чем сильные ионные связи, обнаруженные в керамике, такой как оксид алюминия, которая остается плохо смачиваемой. Шероховатость поверхности армированного материала улучшает механическое сцепление на границе раздела, хотя вклад результирующей прочности на сдвиг на границе раздела вторичен по сравнению с химическим связыванием. Следует избегать больших различий в коэффициенте теплового расширения между матрицей и арматурой, поскольку они могут включать внутренние напряжения матрицы и, в конечном итоге, вызывать межфазные разрушения.С чисто термодинамической точки зрения сравнение свободной энтальпии образования при различных температурах показывает, что многие металлы в жидком состоянии являются реактивными по отношению к армирующим материалам, в частности оксидам или карбидам. Хотя термодинамически предпочтительны, некоторые реакции, однако, не наблюдаются, и практически кинетику этих реакций следует рассматривать в сочетании с термодинамическими данными, чтобы оценить реальный потенциал реакций. Последствиями таких межфазных реакций являются химическая деградация армирующего материала, связанная со снижением его механических свойств, образование хрупких продуктов реакции на границе раздела, а также выделение элементов, изначально входивших в состав армирующего материала, в сторону матрицы. генерируют несвоевременные металлургические фазы вблизи армирующих материалов.Более того, в случае легированных матриц избирательная реакционная способность и истощение данных элементов из сплава могут создавать градиенты состава в матрице и, следовательно, могут изменять ее свойства вблизи границы раздела. Хотя умеренная реакция может улучшить сцепление композита, продолжительные реакции обычно разрушают армирующий материал. Связь между межфазными реакциями и прочностью границы раздела зависит от материалов. Разработка MMC часто требует очень короткого времени затвердевания, чтобы избежать избыточной межфазной реакции.Во время процесса охлаждения разница в теплоемкости и теплопроводности между армирующим материалом и матрицей вызывает локальные градиенты температуры. Считается, что затвердевание металлической матрицы обычно является направленным наружу процессом, начиная с внутренней части металлической матрицы и заканчивая поверхностью армирующего материала. Наконец, необходимо выбрать тип обработки и параметры и настроить их для конкретной системы MMC. Металлы обычно более активны в жидкости, чем в твердом состоянии.Следовательно, более короткое время обработки, то есть короткое время контакта между жидким металлом и арматурой, может ограничивать степень межфазных реакций. Изучение армирования и связывания матрицы важно в структуре композитной матрицы, которая была описана Греголином (2002). Пока нагрузка действует на композит, она распределяется между матрицей и фазой армирования через поверхность раздела матрицы. Армирование эффективно укрепляет матрицу, только если между ними существует прочная межфазная связь.Межфазные свойства также влияют на сопротивление распространению трещин в композите и, следовательно, на его вязкость разрушения (Dusza and Sajgalik, 1995). Двумя наиболее важными механизмами разрушения композита с поглощением энергии являются отслоение и вырывание частиц на границе раздела частиц с матрицей. Если граница раздела между матрицей и армированием отслаивается, то распространение трещины прерывается процессом отслаивания, и вместо того, чтобы двигаться через частицу, трещина движется вдоль поверхности частицы, позволяя частице нести более высокую нагрузку (Эль-Махаллави и Таха, 1993).

2.7. Физические явления смачиваемости и применение

Смачиваемость определяется как степень растекания жидкости по твердой поверхности. Межфазное соединение происходит за счет сцепления между армирующей фазой и матрицей. Чтобы адгезия произошла во время изготовления композита, арматура и матрица должны находиться в тесном контакте. На стадии изготовления композита матрица часто находится в состоянии, когда она способна течь к арматуре, и это поведение приближается к поведению потока жидкости.Ключевым понятием в этом контакте является смачиваемость. Как только матрица смачивает армирующую частицу и, таким образом, матрица находится в тесном контакте с армированием, происходит связывание (Hashim et al., 2001; Oh et al., 1987). Возможны разные типы склеивания, и тип скрепления варьируется от системы к системе и полностью зависит от таких деталей, как наличие поверхностных загрязнений. Наблюдаются различные типы связывания: механическое связывание, электростатическое связывание, химическое связывание и взаимное диффузионное связывание (Burr et al., 1995). Прочность сцепления может быть измерена путем проведения таких испытаний, как испытание на отдельные частицы, испытание на массивном образце и испытание на микровыступ (Dusza and Sajgalik, 1995).

Плохая смачиваемость большинства керамических частиц расплавленными металлами является основным препятствием для обработки этих армированных частицами MMC методом жидкой металлургии. Поэтому определение характеристик и улучшение смачиваемости имеет решающее значение для успешной обработки композитов (Asthana and Rohatgi, 1993).Смачиваемость показана на Рисунке 1 ниже и обычно представлена ​​в терминах краевого угла смачивания, определяемого из уравнения Юнга-Дюпре, которое выражается следующим образом:

Рисунок 1.

Сидящая капля слева является примером плохой смачивание (> 90) и сидячая капля справа являются примером хорошего смачивания (<90) (Rajan et al., 1998).

γlvcos θ = γsv − γslE1

Где γ SV = поверхностная энергия твердого тела / пара, γ SL = поверхностная энергия твердого тела / жидкости и γ LV = поверхностная энергия жидкости / пара.

Смачиваемость жидкости твердым телом может быть охарактеризована смачиванием или краевым углом смачивания, который образуется между жидкостью и твердой подложкой. «Сидящая капля» - это непрерывная капля жидкости на плоской твердой поверхности в стационарных условиях. Чтобы пренебречь влиянием силы тяжести, силы тяжести должны быть малы по сравнению с поверхностным натяжением капли. Если это условие выполнено, капля будет приближаться к полусферической форме, которая представляет ее наименьшую площадь и наименьшую свободную поверхностную энергию.Сидящую каплю помещают на твердую подложку и измеряют угол между твердой поверхностью и касательной к поверхности жидкости в точке контакта. Это известно как краевой угол или угол смачивания. Краевой угол смачивания может варьироваться от 0 до 180 и является мерой степени смачивания. Условия хорошего смачивания (<90) и частичного смачивания (> 90) показаны на рисунке 1. Полное смачивание (также называемое растеканием) достигается под углом 0, а полное несмачивание происходит под углом 180.Краевой угол представляет собой векторную сумму межфазных поверхностных энергий между фазами твердое / жидкое (γ sl ), жидкость / пар (γ lv ) и твердое тело / пар (γ sv ). Уравнение Юнга представляет собой стационарное состояние границы раздела твердое тело / жидкость в стабильном или метастабильном термодинамическом равновесии. Было показано, что изменения температуры влияют на угол смачивания многих различных систем. Температурный эффект в большинстве случаев можно объяснить реакцией на границе раздела жидкость / твердое тело.Реакции с термической активацией могут происходить, потому что многие системы не находятся в химическом равновесии. Реакции, способствующие смачиванию (уменьшению краевого угла), - это те, которые увеличивают движущую силу смачивания (γ SV - γ SL ), которая действует на поверхности жидкой капли и твердой подложки. Движущей силой смачивания являются реакции, при которых состав субстрата изменяется из-за растворения компонента жидкости.Напротив, если реакция приводит к изменению состава жидкости за счет растворения твердого субстрата, но без изменения состава субстрата, вклад в движущую силу смачивания отсутствует.

Как упоминалось выше, если твердая подложка является активным участником реакции, свободная энергия внешней поверхности жидкой капли будет способствовать движущей силе смачивания. Когда капля расширяется на подложке, периметр остается в контакте с непрореагировавшим твердым телом, и, таким образом, реакция продолжает вносить вклад в движущую силу смачивания.Изучение фазовых диаграмм, представляющих взаимодействие между составляющими жидкой и твердой поверхностей, может помочь предсказать поведение системы при смачивании.

Более того, измерение смачиваемости порошков, состоящих из нерегулярных и полизоварных частиц, чрезвычайно сложно. В термодинамической литературе было предложено несколько методов для измерения смачиваемости. Однако эти методы применялись в основном к неметаллическим жидкостям, и их применение к металлокерамическим системам применительно к литью под давлением композитов было весьма ограниченным.Инженерные подходы к увеличению смачиваемости можно условно разделить на две категории. Один метод - это модификация поверхности фазы армирования, а другой - обработка расплавом. Модификации поверхности армирования включают термообработку частиц для определения поверхностной десорбции газа, поверхностного окисления и покрытия частиц материалами, которые вступают в реакцию с матрицей. Обработка расплавом обычно проводится для повышения реакционной способности между металлом и поверхностью твердых частиц.Реакция смачивания должна быть ограничена, чтобы предотвратить деградацию арматуры во время изготовления для последующего использования (Ho and Wu, 1998).

2,8. Армирование из частиц

Повышение ударной вязкости за счет армирования из частиц зависит от остаточных напряжений, окружающих частицы, массовой доли частиц, размера и формы частиц (Suery and Esperance, 1993). Частицы могут быть сферическими, дисковыми, стержневыми и пластинчатыми. Каждая частица заставляет трещину выходить из плоскости и может заставить трещину отклоняться более чем в одном направлении и, таким образом, увеличивать поверхностную энергию трещины (Gogopsi, 1994).Частицы пластинчатой ​​и стержневой формы могут повысить ударную вязкость композита за счет другого механизма, называемого «вытягиванием» и «перекрытием». Остаточное напряжение вокруг частиц возникает из-за несоответствия теплового расширения между частицами и матрицей, что помогает противостоять распространению трещин. Термин «частицы» используется для того, чтобы отличить эти материалы от частиц, и относится к большой, разнообразной группе материалов, которые состоят из мельчайших частиц. Частица второй фазы может давать небольшое, но значительное увеличение ударной вязкости и, следовательно, увеличивает свою прочность за счет процессов отклонения трещин.Частицы, иногда имеющие собственное покрытие, можно использовать для повышения прочности. По сравнению с системами армирования нитевидными кристаллами, системы армирования частиц имеют меньше трудностей при обработке и должны позволять добавлять более высокие массовые доли армирующей фазы. Ориентация частиц проявляется в виде плоских пластин (Matthew and Rawlings, 1999; Pardo et al., 2005).

3. Методика эксперимента

3.1. Материалы, выбранные для обработки композитов

Алюминий.- 11,8% кремния (LM6)

Основными материалами, используемыми в этом проекте, являются алюминиевый сплав LM6 в качестве материала матрицы и SiO 2 -кварц в качестве армированных частиц, добавленных в различных процентах. Чистый (99,99%) алюминий имеет удельный вес 2,70, а его плотность равна 2685 кг / м 3 . Подробные сведения о свойствах и составе сплава LM6 показаны в Таблице 1 и Таблице 2.

9035 Mn 9035
Состав LM6
Al 85.95
Cu 0,2
Mg 0,1
Si 11,8
Fe 0,5
Zn 0,1
Свинец 0,1
Олово 0,05
Титан 0,2
02

Таблица 1.

Состав LM6 (Sayuti, Sulaiman, Baharudin, et al., 2011)

) 9035 %; перерыв (%) м- o C)
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗНАЧЕНИЯ ПЛОТНОСТЬ
2,66
МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗНАЧЕНИЯ
Предел прочности при растяжении, предельный (МПа) 290
9035 Предел прочности при растяжении450 3.5
Коэффициент Пуассона 0,33
Усталостная прочность (МПа) 130
ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ЗНАЧЕНИЯ
ЗНАЧЕНИЯ
20,4
CTE, линейный 250 o C (мкм / м- o C) 22,4
Теплоемкость (Дж / г- o C ) 0.963
Теплопроводность (Вт / м-К) 155
Точка плавления ( o C) 574

Кварц

Чистый и плавленый кварц обычно называют кварцем. Кварц - твердый минерал, который широко доступен как природный ресурс. Он имеет кристаллическую структуру ромбоэдра с твердостью 7 по шкале Мооса и имеет низкий удельный вес от 2,50 до 2,66. Он обеспечивает отличную твердость при включении в мягкий свинцовый сплав, что делает его более подходящим для применений, где желательна твердость.Он также придает хорошую коррозионную стойкость и высокую химическую стабильность. Это минерал, имеющий состав SiO 2 , который является наиболее распространенным среди всех материалов и находится в комбинированном и несвязанном состояниях. Подсчитано, что 60% земной коры содержит SiO 2. Песок, глины и горные породы в основном состоят из мелких кристаллов кварца. SiO 2 имеет белый цвет в чистом виде. Свойства чистого кварца приведены в таблице 3.

53% 0 O25
Свойства кварца
Молекулярная масса 60.08
Точка плавления, ° C 1713
Точка кипения, ° C 2230
Плотность гм / куб.см 2,32
Вт / см
Температуропроводность 0,009 см2 / сек (объемная)
Твердость по Моосу при 20 ° C 7 Модифицированный Моос
Si% 46,75
Кристаллическая структура Кубическая
Размер ячейки 230
Размер 65 мкм (65 мкм)

Подготовка. материалов

Материалами, использованными в этой работе, были алюминиевый сплав LM6 в качестве матрицы и SiO 2 в качестве армирующих частиц с различным массовым процентом. Образцы для испытаний на растяжение были подготовлены в соответствии со стандартами ASTM B 557 M-94 (ASTM, 1991).Силикат натрия и газ CO 2 были использованы для производства песчаной формы CO 2 для обработки композитного литья. Алюминиевый сплав LM6 был основан на британских стандартах, соответствующих BS 1490-1988 LM6. Сплав LM6 на самом деле является эвтектическим сплавом, имеющим самую низкую температуру плавления, которую можно увидеть на фазовой диаграмме Al-Si. Основной состав LM6 составляет около 85,95% алюминия и 11,8% кремния.

Частицы SiO 2 , используемые в качестве армирования второй фазы в матрице сплава, были добавлены к расплавленному LM6 фракциями с разным весом, такими как 5%, 10%, 15%, 20%, 25% и 30%.Размер ячеек частиц диоксида кремния составляет 230 микрон, а средний размер частиц равен 65 микронам (65 микрон).

Изготовление. композитов

В этом проекте использовался только один тип рисунка, и процедура создания рисунка включает в себя подготовку чертежа, выбор материала рисунка и обработку поверхности. Для приготовления образцов использовался процесс формования из двуокиси углерода в соответствии со стандартной процедурой формования. ГМК, армированные кварцевыми частицами, были изготовлены методом литья.Использовали шесть различных массовых фракций частиц SiO 2 в диапазоне от 5%, 10%, 15%, 20%, 25% и 30% по массе. В этой исследовательской работе частицы предварительно нагревали до 200 o ° C в муфельной печи для термообработки в течение 2 часов и сразу же переносили в тигель, содержащий жидкий сплав LM6.

3.2. Методы испытаний

Растяжение. испытание

Испытание на растяжение было проведено для определения механических свойств обработанных композитов из сплава LM6, армированного частицами SiO 2 .Образцы для испытаний были изготовлены в соответствии со стандартом ASTM B557 M-94. Сервогидравлическая система INSTRON 8500 UTM 250 кН использовалась для проведения испытания на растяжение. Испытание образцов на растяжение было выполнено на основе следующих спецификаций и процедур в соответствии со стандартами ASTM, которые включают скорость одной ползуна 2,00 мм / мин, расстояние захвата 50,0 мм, расстояние между образцами 50,0 мм и температуру 24 0 ° C

Твердость. измерение

Проверка твердости проводилась на твердомере по Роквеллу.Твердость композитов проверяли с помощью твердомера MITUTOYO ATK-600 MODEL. Для каждого образца произвольно снимали десять значений твердости с поверхности образцов. Значения твердости различных типов обработанных композитов определены для разной массовой доли частиц карбида титана, содержащих сплав алюминия с 11,8% кремния, и построены графики между значением твердости и соответствующим типом добавки твердых частиц на основе массовой доли.

Удар.испытание

Испытание на ударную вязкость было проведено в соответствии со стандартами ASTM E 23-05 при комнатной температуре с использованием прибора для испытания на удар izod. Этапы обработки отливки и результаты испытаний показаны на рисунке 2.

Рисунок 2.

Этапы обработки отливки; (a) Образец формы (b) песчаная форма: волочение и медь (c) плавление и заливка в песчаную форму (d) образцы на растяжение с системой затворов (e) образец на растяжение после удаления запорных систем (f) испытание на растяжение

Плотность.измерение

Плотность материала определяется как его масса на единицу объема. A & D-GR 200 - Аналитические весы использовались для измерения плотности. Теоретическая плотность каждого набора композитов была рассчитана с использованием правила смесей (Rizkalla and Abdulwahed, 1996). Каждую таблетку взвешивали в воздухе (W и ), затем суспендировали в ксилоле и снова взвешивали (W). Плотность гранулы рассчитывали по формуле:

Плотность = Wa (Wa-Ww) × плотность XyleneE2

Thermal.Измерение коэффициента диффузии

Температуропроводность композитных материалов измеряется с помощью метода фотовспышки. Система обнаружения фотовспышки состоит из источника света, держателя образца, термопары, малошумящего предварительного усилителя, осциллографа, фотодиода и персонального компьютера. Повышение температуры на задней поверхности образца регистрируется термопарой. Обнаруженный сигнал усиливается малошумящим предусилителем и обрабатывается цифровым осциллографом (Carter, Norton, 2007; Yu et al., 2002).

Напряжение, подаваемое на вспышку камеры, всегда поддерживается ниже 6 В перед включением основного источника питания. Образец подвергается механической обработке для получения плоской поверхности для получения более качественного результата и прикрепляется непосредственно к термопаре. Вспышка камеры расположена на расстоянии 2 см перед держателем образца. Перед запуском оборудования установка была протестирована с использованием стандартного материала, такого как алюминий. Измерения проводились каждые 10 минут, чтобы дать возможность образцу термически уравновеситься при комнатной температуре.Данные были проанализированы перед запуском следующего измерения.

Система обнаружения фотовспышки не является дорогостоящим методом, и стандартное значение температуропроводности для алюминия составляет 0,83 см 2 / сек для толщины более 0,366 см (Muta et al., 2003). В системе фотовспышки источником возбуждения является вспышка камеры высокой интенсивности. Этот метод хорошо подходит для алюминия, алюминиевых сплавов и композитов с металлической матрицей в виде частиц алюминия и кремния (Collieu and Powney, 1973).Значения температуропроводности могут быть получены для различных толщин исследуемых образцов. Температуропроводность α определяет скорость распространения тепловых волн за счет теплопроводности при изменении температуры со временем. Его можно связать с α, теплопроводностью, с помощью следующего уравнения (Michot et al., 2008; Taylor, 1980).

Техника фотовспышки была первоначально описана Паркером и является одним из наиболее распространенных способов измерения температуропроводности твердых образцов.Компьютер запрограммирован на расчет коэффициента температуропроводности α по формуле:

α = (1,37 x L2) [(3,14) 2 x t0,5] E3

Где L = толщина в мм и t 0,5 = полувысок время в секундах.

Сканирование. Электронная микроскопия (SEM)

Сканирующий электронный микроскоп LEO 1455 с переменным давлением с энергодисперсионным рентгеновским излучением (EDX) Inca 300 был использован для исследования морфологических особенностей. Результаты и данные, полученные для образцов, испытанных на растяжение, коррелировали с указанными механическими свойствами для каждой объемной доли процентного добавления диоксида кремния к матрице сплава LM6.

4. Результаты

Растяжение. свойства

Среднее значение прочности на разрыв (МПа) и модуля Юнга (МПа) в зависимости от массовой доли SiO 2 показано на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3.

Предел прочности при растяжении относительно веса в%

Рисунок 4.

Модуль Юнга Vs% по массе

График, построенный между средним пределом прочности на разрыв и значениями модуля или упругости в зависимости от изменения массовой доли кварцевых частиц, добавленных в сплав LM6, показывает, что оба свойства ухудшаются с увеличением добавления кварцевые частицы.Увеличение содержания закрытых пор с увеличением содержания частиц кварца создаст больше участков для зарождения трещин и, следовательно, снизит несущую способность композита. Колебание может быть связано с неравномерным распределением частиц кварца, из-за экспериментальных ошибок, а также зависит от скорости охлаждения отливок (ASTM, 1991; Seah, et al., 2003). Когда частицы увеличиваются, частицы больше не изолируются пластичной матрицей алюминиевого сплава, поэтому трещины не будут задерживаться пластичной матрицей, и зазоры будут легко распространяться между частицами кварца.Это остаточное напряжение влияет на свойства материала вокруг него, а вершины трещин и значения вязкости разрушения будут изменены. Следовательно, эти остаточные напряжения, вероятно, будут способствовать хрупкости композитов. Следует отметить, что преобладает прочность на сжатие частиц кварца, которая превышает предел прочности на разрыв матрицы сплава LM6, и, следовательно, предел прочности на растяжение уменьшается с увеличением количества добавления кварцевых частиц. Факт, который хорошо поддерживается, хорошо подтверждается и подтверждается из цитирование литературы (Rizkalla and Abdulwahed, 1996; Seah, et al., 2003).

Твердость

Аналогичным образом, для данного содержания арматуры S i O 2 наблюдались некоторые различия в значениях твердости в зависимости от размера частиц составляющих. В таблице 4 приведены данные о твердости композитов, армированных частицами кварца, изготовленных в песчаной форме. Было обнаружено, что значение твердости постепенно увеличивалось с увеличением добавления кварцевых частиц по процентной массе, как показано на Рисунке 5.

Максимальное значение твердости, полученное на основе поверхностной шкалы Роквелла 15N-S, составило 67.85 для добавления фракции 30%. Спектры EDS для 30 мас.% SiO 2 показаны на рисунке 5. Их соответствующий элементный анализ показан в таблице 4. Было замечено, что отливка из композита с измельченным зерном имеет более высокий массовый процент Si по сравнению с исходной отливкой из LM6. . Эти результаты указывают на взаимосвязь между тепловыми свойствами и твердостью.

Удар. Прочность

Определены данные по ударной вязкости обработанных отливок из кварцевых композитов, которые приведены в таблице 4.Из построенного на графике графика, показанного на Фигуре 6, установлено, что значения ударной вязкости постепенно увеличивались с увеличением добавления кварцевых частиц в матрицу сплава. Максимальное значение ударной вязкости составляло 24,80 Н · м для 30% -ной массовой доли кварцевых частиц в матрице сплава. Причина повышенного объемного ударно-абразивного износа композитов, армированных частицами SiO2, заключается в склонности карбидов к разрушению и скалыванию в результате многократного удара кварцита.В монолитных сплавах на основе железа матрица может поглощать значительные повреждения в виде пластической деформации. Эта пластическая деформация на самом деле выгодна тем, что в результате матрица станет более твердой, а процессы износа и усталости закончатся механизмом удаления материала. Однако в композитах, армированных частицами SiO 2 , высокая массовая доля SiO 2 ограничивает степень пластической деформации, которую может поглотить матрица. Это быстрее приводит к разрушению арматуры SiO 2 , расслоению частиц матрицы – SiO 2 и скалыванию частиц S i O 2 .Как следствие, объемный ударно-абразивный износ композитных материалов нарастает более быстрыми темпами по мере увеличения твердости. Однако для очень «самых твердых» композитов, армированных частицами S i O 2 , сопротивление удару и истиранию очень хорошее. Сводка механических свойств обработанных отливок из кварцевых композитов, армированных частицами, была определена и приведена в таблице 4.

Рисунок 5.

Твердость по отношению к мас.% Кварца

Рисунок 6.

Ударная вязкость Vs Массовая доля кварца,%


40 МПа МПа
Вес% кварца UTS (МПа) Предел текучести (МПа) МПа Модуль упругости Пластичность% Уменьшение площади% Твердость по Роквеллу Удар (Нм)
5% 142,99 132,00 14351 189.50 1,214 2,863 44,65 12,20
10% 124,74 129.60 12350 164.60 1 4123 1,412 1,412 1,412 108,47 118,50 10635 142,20 1,422 3,042 52,73 18.60
20% 78.97 109,60 7621 128,40 1,632 3,264 55,38 20,00
25% 59,53 100,50 115357
100,50
100,50
100,50
23,40
30% 52,64 92,65 5242 104,60 1,741 3,482 67,85 24.80

Таблица 4.

Механические свойства композитов из кварцевых частиц

Плотность

На рис. 8 показано влияние добавки кварца на плотность. График показывает, что по мере постепенного увеличения содержания кварца и диоксида кремния плотность алюминиевого композита уменьшалась. Наблюдалось небольшое уменьшение плотности, потому что диоксид кварца-кремния имеет немного более низкое значение плотности, чем LM6 (плотность LM6 составляет 2,65 г / см 3, а плотность кварца - 2.23гр / см).

Исследование алюминиевого композита было хорошо задокументировано. Процент закрытых пор в спеченных композитах увеличивается с увеличением содержания кварца. Это может быть связано с тем, что кремнезем тверже алюминия и не деформируется при приложенной нагрузке уплотнения. Морфологические особенности кварцевых частиц существенно отличались от таковых алюминия, и, как следствие, эффекты межчастичного трения были другими. Следовательно, увеличение количества закрытых пор с увеличением содержания кварца могло бы оправдать наблюдаемое снижение плотности (Rizkalla and Abdulwahed, 1996).

Рис. 7.

График зависимости плотности от массового процента SiO2

Термический. свойства

Отливки из композитных материалов, армированных кварцевыми частицами, изготовленные в форме из серого чугуна, были испытаны и проанализированы на термические свойства. Построены графики между добавлением кварца в процентах по массе и значениями температуропроводности и теплопроводности. Обнаружено, что температуропроводность кварцевых композитов снижается с увеличением добавки в матрицу сплава.Напротив, теплопроводность кварцевых композитов уменьшалась с увеличением количества частиц кварца в матрице сплава. Кварцевые частицы представляют собой армирующую фазу керамики, добавление которой в матрицу сплава снижает теплопроводность. Данные по температуропроводности и теплопроводности композитов, армированных частицами кварца, изготовленных в песчаной форме, приведены в таблице 4. Они проиллюстрированы на графических диаграммах и показаны на рисунках 8 и 9. Температуропроводность и теплопроводность для 30% массовая доля добавки кварца равна 0.2306 см, , 2, / сек и 52,9543 Вт / мК соответственно, и это хорошо подтверждается литературными ссылками (Collieu and Powney, 1973). Были определены общие физические свойства обработанных отливок из композитных материалов, армированных частицами кварца, которые перечислены в таблице 5.

Рисунок 8.

Рисунок 8: Температуропроводность Vs Wt Доля кварца,%

Рисунок 9.

Теплопроводность Вес% кварца

Таблица.

Физические свойства композитов из кварцевых частиц

Сканирование. электронная микроскопия (SEM)

Сканирующая электронная микроскопия и энергодисперсионная спектроскопия использовались для получения некоторых качественных свидетельств о распределении частиц в матрице и качестве связывания между частицами и матрицей. Помимо этого, поверхность излома композита была проанализирована с помощью SEM, чтобы показать детали химически прореагировавших границ раздела. Таким образом, чтобы увеличить потенциальное применение ГМК, необходимо сосредоточиться на основных аспектах, таких как размер частиц кварца и концентрация кварца в распределении.

Поверхности изломов или фрактограммы показаны на рисунках 10-15 после испытаний на растяжение образцов, имеющих различную массовую долю кварцевых частиц. Было замечено, что увеличение содержания SiO 2 создаст больше участков для зарождения трещин и снизит несущую способность MMC. Кроме того, количество контактов между частицами кварца увеличится, и больше частиц больше не будет изолироваться пластичной матрицей из алюминиевого сплава. Следовательно, трещины не задерживаются пластичной матрицей, и они легко распространяются между частицами кварца.Уменьшение содержания SiO 2 до менее 30% в матрице и размера частиц 230 микрон может повысить предел прочности. Следовательно, растрескивание на поверхности не слишком распространено. Это явление показано на Рисунке 10. Проблемой межфазной связи между частицами кварца и матрицей во время затвердевания композитов можно пренебречь, поскольку явление растрескивания происходит только на небольшой части поверхности (Seah, et al., 2003 ). Напротив, когда содержание кварца было увеличено (30%), концепция межфазного сцепления была бы важным явлением, потому что поверхностное растрескивание будет распространяться по поверхности деталей.Другая проблема, вызванная взаимодействием между алюминиевым сплавом и частицами кварца, не является существенной, и она устраняется во время затвердевания во время процесса разливки и из-за скольжения между связями / межкристаллитным перемещением, которое проиллюстрировано с помощью рисунка 11.

Рис. 10.

EDX Spectrum и Fractograph из 5 мас.% Кварцевых частиц, армированных матричным композитом из кварцевого сплава LM6, при 250-кратном увеличении с помощью SEM после испытания на растяжение.

Рис. 11.

EDX Spectrum and Fractograph из 10 мас.% Кварцевых частиц, армированных матричным композитом из кварцевого сплава LM6, при 100-кратном увеличении с помощью SEM после испытания на растяжение.

Рис. 12.

EDX Spectrum and Fractograph из 15 мас.% Кварцевых частиц, армированных матричным композитом из кварцевого сплава LM6 при 250-кратном увеличении с помощью SEM после испытания на растяжение.

Рис. 13.

EDX Spectrum and Fractograph из 20 мас.% Кварцевых частиц, армированных матричным композитом из кварцевого сплава LM6 при 100-кратном увеличении с помощью SEM после испытания на растяжение

Рис. Матричный композит из сплава кварц-LM6 при 250-кратном увеличении с помощью SEM после испытания на растяжение

Рис.

EDX Spectrum и Fractograph из 30 мас.% Кварца, артикулированного матричным композитом из кварцевого сплава LM6 при 250-кратном увеличении с помощью SEM после испытаний на растяжение

Трехмерная печать непрерывного волокна для изготовления оптимальных композитов В результате они широко используются в аэрокосмической, автомобильной и гражданской инженерии. Основная характеристика таких материалов - наличие двух разных фаз: матрицы или связующего и армирования.Арматура выдерживает основные нагрузки, а матрица заставляет отдельные элементы армирования работать вместе. В конструкционных композитах в качестве армирующего элемента используются высокопрочные волокна, такие как углеродные, стеклянные или органические, что обеспечивает значительно более высокую удельную прочность и жесткость по сравнению с любым металлом.

Матрицы - это преимущественно полимеры, хотя широко известны композиты на основе металлических, керамических и других типов связующих. Основная особенность таких волокнистых композитов - их анизотропные свойства.То есть реакция материала на внешние нагрузки существенно зависит от направления этих нагрузок. Например, прочность cCFRP ((непрерывного) полимера, армированного углеродным волокном) различается на два порядка в зависимости от того, приложена ли нагрузка вдоль волокон или поперек. Традиционно эта особенность композитных материалов считается одним из их основных недостатков, ограничивающим их массовое использование в большинстве отраслей промышленности. Анизотропия практически не отталкивается, в основном за счет изготовления так называемых квазиизотропных ламинатов - или листовых материалов - в которых слои однонаправленного композита уложены друг на друга под разными углами.В результате поведение материала сравнимо с металлическим листом в плоском напряженном состоянии. Кроме того, за исключением этапа формования, они часто используются точно так же: режутся, просверливаются, соединяются с помощью заклепок и болтов, что нарушает целостность армирующих волокон, что, в свою очередь, приводит к дополнительной концентрации напряжений из-за эффект свободной кромки и другие свойства, присущие композитным материалам, снижающие общую прочность конструкции.

Вот где природа может указать нам правильное направление: древесные волокна не обрываются в месте роста ветвей, а мягко перекручиваются, уплотняясь локально.Волокна в листьях образуют сложную разветвленную структуру усиливающих ребер, не образующих кромку к кромке друг на друге в нескольких направлениях, а отламываются на концах. Внутренние силы или напряжения, возникающие в этих телах как реакция на внешние нагрузки, имеют тензорную природу, то есть в каждой точке имеется распределение значений напряжений относительно трех пространственных направлений. Отклик материала в каждой точке неоднороден, и поэтому материал также должен быть неоднородным, чтобы оптимально «отработать» этот отклик.

Классический изотропный материал должен выдерживать максимальные напряжения в заданной точке в определенном направлении. В этом случае напряжения в остальных направлениях могут быть намного меньше, но прочность материала в этих направлениях одинакова, а это значит, что он избыточен. Анизотропный материал должен позволять оптимизировать свойства, обеспечивая минимально необходимые характеристики в разных направлениях. Самый простой пример - стержень, который работает только с натяжением вдоль своей оси.В этом случае все волокна должны быть параллельны этой оси, а поперечные свойства материала значения не имеют. Такой стержень - самая эффективная составная деталь.

Исходя из этих соображений, наиболее эффективная композитная конструкция - это конструкция, состоящая из набора стержней, соединенных друг с другом таким образом, что каждый стержень воспринимает нагрузку только вдоль своей оси. Это так называемая решетчатая структура. Неудивительно, что большинство структур с оптимизированной топологией являются решетчатыми.

В этом смысле мы бы предположили, что использование композитных материалов является лучшим вариантом для создания таких оптимизированных конструкций. Также следует отметить, что такие конструкции успешно используются при производстве ракетных и спутниковых композитных конструкций, но технологические особенности, связанные с процессом изготовления таких конструкций, накладывают существенные ограничения на их форму, а также на взаимную центровку и выбор конструкции. направление ребер.

Здесь, на стыке композитных материалов и аддитивных технологий, принципиально иной промышленный подход.Настоящее 3D не только по форме, но и по внутренней структуре. Если учесть потенциальную возможность включения датчиков и преобразователей с помощью функциональных волокон, появляется возможность создавать адаптивные конструкции путем встраивания электроники и специальных функциональных компонентов непосредственно в материал во время первоначального производственного процесса. Кроме того, это дает возможность создавать интеллектуальные и самовосстанавливающиеся материалы и трехмерные структуры на месте путем вставки специальных компонентов во время печати или организации доставки лечебных агентов по выделенным каналам внутри материала.

Сам процесс теперь перестает быть послойным, потому что направление укладки армирующих и функциональных волокон имеет принципиальное значение. Все эти возможности недостижимы в рамках послойной парадигмы аддитивного производства. На практике такое оборудование может быть реализовано на основе совместной экструзии волокна и полимера или автоматизированного размещения волокон. Печатающая головка, содержащая экструзионные сопла, через которые подают армирующие или функциональные волокна и полимерную смолу, установлена ​​на многоосном манипуляторе, который выполняет позиционирование головки произвольно в пространстве по отношению к создаваемой детали.

Саму деталь также можно разместить на роботе или на кровати. Весь процесс происходит в закрытой терморегулируемой камере, чтобы обеспечить сцепление между пучками волокон и устранить эффекты усадки и коробления. Объемная доля волокна может быть изменена локально за счет отдельной подачи армирующего волокна и смолы, при этом манипулятор должен обеспечивать укладку по сложным криволинейным пространственным траекториям. Таким образом, можно контролировать степень анизотропии в каждой точке, обеспечивая получение оптимальных структур сложной формы и внутренней структуры.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *


Вес% кварца Плотность (г / куб.см) Температуропроводность, см 2 / сек Теплопроводность (Вт / м · К) % 2.644 0,6513 215,826
10% 2,635 0,4514 149,584
15% 0,3595
0,3595
0,3395
65,6860
25% 2,621 0,2590 84,6830
30% 2,619 0,2306 52.9543