Композиционные материалы на основе металлической матрицы

• Эвтектический композит (ЭКМ) – естественный материал, поскольку его структура формируется при направленной кристаллизации естественным путем, а не в результате искусственного введения арматуры в матрицу. Форма выделяющейся фазы – волокнистая или пластинчатая – зависит от объемной доли упрочнителя. При объемной доле упрочнителя (меньше 32 %) для ЭКМ характерна волокнистая структура, а при большей концентрации – пластинчатая. Поскольку прочность волокон выше прочности пластин, то волокнистое строение предпочтительнее пластинчатого.

• Прочность ЭКМ существенно зависит от структуры материала, в значительной степени определяемой скоростью кристаллизации. Например, ударная вязкость ЭКМ Al - AL₃Ni при малых скоростях кристаллизации (< 0, 6 см/ч), когда образуется пластинчатая микроструктура, имеет более низкие значения, чем у волокнистого материала. Однако даже в этом случае, ударная вязкость составляет 1, 1-3, 7·10⁵ Дж/м², что значительно выше ударной вязкости литейных алюминиевых сплавов. Пластинчатая эвтектика Al - CuAl₂ при испытаниях на ударную вязкость обнаруживает большую хрупкость, что является существенным недостатком этого материала. Эвтектические композиты на основе Al хорошо свариваются методом диффузионной сварки и, ввиду хорошей высокотемпературной стабильности структуры, сварку можно проводить при температурах 798 К

• Если при охлаждении расплава эвтектического состава удается создать плоский фронт кристаллизации, то возникает упрочненная ориентированная микроструктура. Это один из путей формирования нитевидных кристаллов (типа усов) непосредственно в матрице. Такие композиты получены, в частности, из меди и хрома, алюминия и никеля, меди и вольфрама. В последнем случае была достигнута прочность 175 кг/мм². Металлографические исследования показали, что процесс разрушения в таких композитах начинается с разрушения усов. Это свидетельствует о высокой прочности связи на поверхности раздела нитевидный кристалл – матрица.

• Для эвтектического сплава Ni - NbC (11 % об.) средняя прочность волокон – 586 кгс/мм². Эти же волокна, выделенные путем растворения матрицы, имели прочность 1030 кгс/мм², что свидетельствует о высоком совершенстве нитевидных кристаллов, формирующихся в процессе направленной кристаллизации эвтектики.

• Жаропрочные ЭКМ можно разделить на две группы: хрупкие и пластичные. Хрупкими, например, являются никелевые пластинчатые ЭКМ с объемной долей упрочнителя 33-35 %. Свойства хрупких ЭКМ, рассчитанные по закону аддитивности, удовлетворительно совпадают с результатами испытаний. К пластичным ЭКМ относятся: волокнистые композиты с невысокой долей упрочнителя (от 3 до 15 %), например, сплавы Ni, Co, упрочненные монокарбидами Ta, Nb, Hf. Высокие механические свойства волокнистых ЭКМ на основе Ni и Co, упрочненные карбидной фазой являются результатом создания композитной структуры, пластинчатая матрица которой армирована высокопрочными нитевидными кристаллами.

• Направленные эвтектики, состоящие из фаз с резко отличным электронным строением, обладают специфическими физическими свойствами: магнитными, термоэлектрическими, оптическими и др. Наиболее изучены ЭКМ на основе полупроводниковой матрицы – антимонида индия InSb с волокнами проводников FeSb, NiSb, MnSb, CrSb. Матрица в таких композитах обладает электропроводностью 2, 2·10² (Ом·см)^-1 и существенно отличается от электропроводности волокон (для волокон NiSb – 7·10⁴ (Ом·см)^-1). Электросопротивление ЭКМ InSb - NiSb при взаимно-перпендикулярной ориентации волокон, электрического тока и магнитного поля на порядок выше, чем для случая расположения волокон параллельно направлениям тока или магнитного поля.

• ЭКМ, в которых одна или обе фазы ферромагнитны, обладают высокими магнитными свойствами. В качестве магнитных материалов, используют ЭКМ, у которых коэрцитивная сила существенно увеличивается за счет создания ориентированной структуры с ферромагнитными волокнами, имеющими поперечный размер близкий к размеру доменов (~ 1мкм). ЭКМ с ферромагнитными матрицей и волокнами, такие как Sm₂Co₁₇ - Co, V₂Co₁₇ - Co, m FeSb – Fe, CoSb - Sb характеризуются большой коэрцитивной силой и остаточной индукцией, зависящей от содержания ферромагнитной фазы и др.

• Магнитомягкие ЭКМ системы Fe - NbC, Co - NbC, (Fe - Co) - NbC состоят из магнитомягкой матрицы и неферромагнитного упрочнителя. Эти ЭКМ из-за высокой термической стабильности могут работать в условиях высоких температур и напряжений.

• Направленно закристаллизованные эвтектические сплавы имеют анизотропные электронные, магнитные и другие свойства, что определяет их применение в электронике. Так, эвтектическую композицию Al - Al₃Ni можно использовать как материал для прочных проводников. Взаимосвязь узла между направлением токопроводящих волокон в полупроводниковых эвтектических композициях InSb - Sb, GaSb - Sb, InAs - As с магнитным сопротивлением материалов позволяет использовать эти композиты в бесщеточных коммутаторах, бесконтактных переменных сопротивлениях.

• Преимущества эвтектических композитов:

• -простота их изготовления (нет необходимости отдельного изготовления «усов», исчезают трудности, связанные с их использованием);

• -высокая прочность связи на поверхности раздела и отсутствие окисных слоев;

• -высокая термическая устойчивость – возможность длительной работы при повышенных температурах.

• Недостатки эвтектических композитов:

• -из-за постоянства объемной доли эвтектической фазы невозможно воздействовать на их свойства путем изменения состава;

• -для реализации плоского фронта кристаллизации необходимо использовать высокочистые вещества, так как примеси этому препятствуют.