Занятие 29. Композиционные материалы: классификация и способы получения композиционных материалов.

Этот вид конструкционных материалов представляет собой сочетание двух и более химически разнородных материалов с резко отличными свойствами и с чёткой границей раздела между ними. Композиционные материалы состоят из матрицы и наполнителя

(упрочнителя).

Свойства конструкционных материалов зависят от свойств и объёмной доли матрицы и наполнителя, а также от прочности связи между ними. Как правило, матрицу и наполнитель выбирают так, чтобы они дополняли друг друга, например, пластичная матрица и прочный, но хрупкий наполнитель и. т.д. К материалам наполнителя предъявляются требования высокого модуля упругости, высокой прочности, термостойкости, химической инертности по отношению к матрице и т.д.

Композиционный материал обладает свойствами, которыми не обладают ни один из компонентов данной композиции в отдельности. Эти материалы применяют в космических кораблях, самолётах, ракетах, глубоководных аппаратах, транспортных устройствах и т.д. Композиционные материалы подразделяют на три группы: волокнистые, дисперсные и слоистые.

Волокнистые композиционные материалы состоят из волокон материала – упрочнителя (проволока из вольврама, молибдена, стали и др., а также стеклянные, углеродные, керамические и др. волокна), распределённом в другом компоненте, являющимся матрицей

(металл, полимер, керамика).

Волокнистые материалы по ориентировке волокон бывают с

однонаправленными (рис. 14.2, а) или ориентированными в двух или более

направлениях (рис. 14.2, б) волокнами; по размерам волокон эта группа

материалов бывает с непрерывными или короткими (дискретными) волокнами, диаметр волокон 1-50 мкм, а проволоки – доли мм..

г).

а) б) в)

Рис. 29.1. Схемы композиционных материалов:

а—волокнистые с однонаправленными волокнами;

б— волокнистые с перпендикулярно направленными волок­нами; в— дисперсные с равномерно распределенными карбидами, боридами и другими соединениями; г — слоистые (м — матрица, в—волокно, д—дисперсные частицы, карбиды и др., с—слоистая композиция)

Армирование металлов (мат­рицы) высокопрочными волокнами позволяет получать композиции с очень высокой прочностью и жесткостью, в них волокна являются главными компонентами, несущими нагрузку, которую передаёт им металлическая матрица. В волокнистых мате­риалах матрица связывает волокна вместе, защищает их от повреждения и воздействия внешней среды (например, коррозии). Прочность волокнистых композиционных материалов зависит от свойств волокон и матрицы, объёмной доли волокон, ориентировки, размеров и распределения волокон, прочности связи на границе раздела волокно- матрица и других факторов. Так, в композите, в котором матрицей служит алюминий, а наполнителем – стальная проволка диаметром 0, 15 мм, достигается предел прочностиσ _в = 3600 МПа. Это при­мерно в 40 раз больше, чем у чистого алюминия в отожжённом состоянии после деформации.

Волокнистые материалы с однонаправленными волокнами анизотропны, а с взаимно перпендикулярными или расположенными под углом друг к другу - изотропны.

Волокнистые композиционные материалы получают заливкой волокон, набранных в специальной фopмe, жидким металлом, например, волокон вольфрама сплавом нихрома или пропиткой волокон расплавом матрицы и др.

Дисперсные композиционные материалы состоят из частиц одного или нескольких компонентов (частицы окислов, нитридов, карбидов, боридов и др.), равномерно распределённых в матрице (металле, сплаве, см. рис. 29.1в). Этот вид композицнонных материлов чаще всего производят методом порошковой металлургии для получения металлокерамических и металлических композиций. В качестве исходного материала матрицы используют металл или металлические порошки, например, алюминиевый порошок САП, а наполнителями или упрочнителями служат частицы нитридов, карбидов и др. При нагружении таких материалов матрица несёт основную нагрузку, а частицы упрочнителя служат препятствиями, задерживающими движение дислокаций. Степень дисперсного упрочнения зависит от размера, формы и модуля сдвига частиц добавляемого компонента, расстояния между частицами упрчнителя и характера связи между ними и матрицей.

Такие дисперсные композиционные материалы получают в основном методом порошковой металлургии, включающим изготовление тонких порошков или порошковых смесей матрицы и наполнителя, их смешение, холодное прессование, спекание и горячую обработку давлением. Такие композиционные материалы «работают» при температурах до 1200^оС. Свойства дисперсных композитов изотропны.

Слоистые композиционные материалы — это многослойные композиции и биметаллы (см. рис. 29.1 г), получаемые сочетанием таких материалов, как нержавеющая сталь – углеродистая сталь, медь (или медные стружки) – углеродистая сталь, титан - углеродистая сталь и многие др. Здесь матрицей служит углеродистая сталь. Для образования металлических свя­зей слоистых композиций необходимо непосредственно перед соединением поверхностей предварительно удалить с них окисные пленки и загрязнения, сблизить очищенные поверхности до расстояния, на котором проявляется действие межатомных сил (до нескольких ангстрем). Сближение металлических поверхно­стей возможно при их coвмecтнoй пластической деформации прокаткой, прессованием или иным способом обработки давлением. В слоистых композитах слои необязательно должны быть сплошными пластинами. Они могут быть заполнены упорядо­чено расположенными в одной плоскости отдельными пласти­нами или волокнами, они могут быть заполнены упорядо­чено расположенными в одной плоскости отдельными пласти­нами или волокнами, плотно расположенными в параллельных

Композиционные материалы с металлической матрицей.
Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще алюминий, магний, никель и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица) составляют ту или иную композицию, получили название композиционные материалы КМ (Рис. 29.2).

Рис. 29.2. Схема структуры (а) и армирование непрерывными волокнами (б) композиционных материалов.

Волокнистые КМ.

На (рис.29.2) приведены схемы армирования волокнистых композиционных материалов. Они делятся, по механизму армирующего действия, на дискретные l/d» 10-10³ и с непрерывным волокном l/d = ¥. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения. Чаще КМ представляет слоистую структуру, в котором каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. КМ отличаются от обычных сплавов высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50 - 100%), модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонности к трещинообразованию. Применение КМ повышают жесткость конструкций при одновременном снижении металлоемкости. Прочность КМ определяется свойствами волокон, которые должны обладать более высокими прочностными характеристиками и модулем упругости.

КМ на металлической основе обладают высокой прочностью и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в КМ уменьшают скорость распространения трещин, зараждающихся в матрице, и практически полностью исключают внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью одноосных волокнистых КМ является анизотропия механических свойств вдоль и поперек и малая чувствительность к концентраторам напряжений.
Дисперсно-упрочненные композиционные материалы (ДУ КМ). В отличии от волокнистых КМ в ДУ КМ матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций. Высокая прочность достигается при размере частиц 10 - 500 нм при среднем расстоянии между ними 100 - 500 нм и равномерном распределении их в матрице. Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5 - 10 об. %.
Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), не растворяющиеся в матричном металле, позволяет сохранять высокую прочность до 0, 9-0, 95 Т_пл. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные.
Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия - САП (спеченный алюминиевый порошок), содержащий в себе дисперсные чешуйки Al₂O₃, содержание которых колеблется от 6 - 9 % (САП-1) и до 13 - 18 (САП-3). Прочность при этом увеличивается от 300 МПа до 400 МПа соответственно.
Большие перспективы у никелевых ДУ КМ. Они обладают высокой жаропрочностью ВДУ-1 (никель упрочненный двуокисью тория), ВДУ-2 (никель упрочненный двуокисью гафния) и ВД-3 (матрица Ni+20 % Cr) упрочненная окисью тория).

Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов и двигателе, в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, в горной промышленности, в гражданском строительстве и других областях народного хозяйства. Технология получения полуфабрикатов и изделий из КМ достаточно хорошо отработана.

Контрольные вопросы.

1. В чем различие механизмов упрочнения композиционных материалов – волокнистых и дисперсно-упрочненных?

2. Дайте оценку уровню рабочих температур стандартных никелевых сплавов и композиционных никелевых волокнистых и дисперсно-упрочненных материалов.

3. Какие разновидности волокнистых металлических материалов Вы знаете?

6. Укажите номенклатуру деталей, которые можно изготовить из композиционных материалов.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей

Общие сведения, состав и классификация

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиимидная. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Уплотнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические на основе нитевидных кристаллов, а также металлические, обладающие высокой прочностью и жесткостью.
Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала.
Свойство матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.
По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.
В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки (Рис. 29.3). Плоскостные слои собираются в пластины, получая анизотропию свойств. Можно создавать материалы, как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев и от схем армирования по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала и ее механические свойства.

Рис. 29.3. Схема армирования композиционных материалов.

Карбоволокниты

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон).
Высокая энергия связи С-С углеродных волокон позволяет сохранять прочность, как при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной средах до 2200⁰С), так и при низких температурах. Карбоволокниты отличаются высоким статистическим и динамическим сопротивлением усталости, сохраняют это свойство при нормальной и очень низкой температуре. Они водо- и химически стойкие. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения сопротивление изгибу и модуль упругости почти не изменяются.
Теплопроводность углепластиков в 1, 5 –2 раза выше, чем теплопроводность стеклопластиков.
Карбоволокниты с углеродной матрицей. Коксованные материалы получают из обычных полимерных карбоволокнитов, подвергнутых пиролизу в инертной или восстановительной атмосфере. Образующий при пиролизе связующего кокс имеет высокую прочность сцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный материал обладает высокими механическими и абляционными свойствами, стойкостью к термическому удару. Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков, авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры. 27.3.

Бороволокниты.

Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного связующего и упрочнителя – борных волокон. Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости, теплопроводностью и электропроводимостью.
Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела с матрицей.
Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости, они стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горюче-смазочных материалов. Поскольку борные волокна являются полупроводниками, то бороволокниты обладают повышенной теплопроводностью и электропроводимостью. Для бороволокнитов прочность при сжатии в 2 –2. 5 раза больше, чем для карбоволокнитов. Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике.