Сравнение композиционных материалов с металлами. Порошковые композиты. Слоистые армированные пластики

К этому виду композиционных материалов относятся материалы типа САП (спеченная алюминиевая пудра), которые представляют собой алюминий, упрочненный дисперсными частицами оксида алюминия. Алюминиевый порошок получают распылением расплавленного металла с последующим измельчением в шаровых мельницах до размера около 1 мкм в присутствии кислорода. С увеличением длительности помола пудра становится мельче и в ней повышается содержание оксида алюминия. Дальнейшая технология производства изделий и полуфабрикатов из САП включает холодное прессование, предварительное спекание, горячее прессование, прокатку или выдавливание спеченной алюминиевой заготовки в форме готовых изделий, которые можно подвергать дополнительной термической обработке.

Сплавы типа САП применяют в авиационной технике для изготовления деталей с высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью, работающих при температурах до 300–500 °С. Из них изготавливают штоки поршней, лопатки компрессоров, оболочки тепловыделяющих элементов и трубы теплообменников.

Армирование алюминия и его сплавов стальной проволокой повышает их прочность, увеличивает модуль упругости, сопротивление усталости и расширяет температурный интервал службы материала.

Армирование короткими волокнами проводят методами порошковой металлургии, состоящими из прессования с последующей гидроэкструзией или прокаткой заготовок. При армировании непрерывными волокнами композиций типа сэндвич, состоящих из чередующихся слоев алюминиевой фольги и волокон, применяют прокатку, горячее прессование, сварку взрывом, диффузионную сварку.

Весьма перспективным материалом является композиция «алюминий – бериллиевая проволока», в которой реализуются высокие физико-механические свойства бериллиевой арматуры, и в первую очередь, ее низкая плотность и высокая удельная жесткость. Получают композиции с бериллиевой проволокой диффузионной сваркой пакетов из чередующихся слоев бериллиевой проволоки и матричных листов. Из алюминиевых сплавов, армированных стальной и бериллиевой проволоками, изготавливают корпусные детали ракет и топливные баки.

В композиции «алюминий – углеродные волокна»сочетание низкой плотности арматуры и матрицы позволяет создать композиционные материалы с высокой удельной прочностью и жесткостью. Недостатком углеродных волокон является их хрупкость и высокая реакционная способность. Композицию «алюминий – углерод» получают пропиткой углеродных волокон жидким металлом или методами порошковой металлургии. Технологически наиболее просто осуществимо протягивание пучков углеродных волокон через расплав алюминия.

Композит «алюминий – углерод» применяют в конструкциях топливных баков современных истребителей. Благодаря высокой удельной прочности и жесткости материала масса топливных баков уменьшается на
30 %. Этот материал используют также для изготовления лопаток турбин авиационных газотурбинных двигателей.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ

Традиционно применяемые металлические и неметаллические материалы в значительной мере достигли своего предела конструктивной прочности. Вместе с тем развитие современной техники требует создания материалов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Зачастую требования, предъявляемые к материалам, могут носить противоречивый характер. Решение этой задачи можно осуществить путем использования композиционных материалов.

Композиционным материалом (КМ) или композитом называют объемную гетерогенную систему, состоящую из сильно различающихся по свойствам, взаимно нерастворимых компонентов, строение которой позволяет использовать преимущества каждого из них.

Принцип построения КМ человек заимствовал у природы. Типичными композиционными материалами являются стволы деревьев, стебли растений, кости человека и животных.

КМ позволяют иметь заданное сочетание разнородных свойств: высокой удельной прочности и жесткости, жаропрочности, износостойкости, теплозащитных свойств и др. Спектр свойств КМ невозможно получить при использовании обычных материалов. Их применение дает возможность создавать ранее недоступные, принципиально новые конструкции.

Благодаря КМ стал возможен новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, уменьшении массы машин и конструкций и повышении весовой эффективности транспортных средств и авиационно-космических аппаратов.

Важными характеристиками материалов, работающих в этих условиях, являются удельная прочность σ в /ρ и удельная жесткость Е /ρ, где σ в - временное сопротивление, Е - модуль нормальной упругости, ρ – плотность материала.

Высокопрочные сплавы, как правило, имеют низкую пластичность, высокую чувствительность к концентраторам напряжений и сравнительно низкое сопротивление развитию трещин усталости. Хотя композиционные материалы могут иметь также невысокую пластичность, они значительно менее чувствительны к концентраторам напряжений и лучше сопротивляются усталостному разрушению. Это объясняется разным механиз-мом образования трещин у высокопрочных сталей и сплавов. В высокопрочных сталях трещина, достигнув критического размера, в дальнейшем развивается прогрессирующим темпом.

В композиционных материалах действует другой механизм. Трещина, двигаясь в матрице, встречает препятствие на границе раздела матрица-волокно. Волокна тормозят развитие трещин, и их присутствие в пластичной матрице приводит к росту вязкости разрушения.

Таким образом, в композиционной системе сочетаются два противоположных свойства, необходимых для конструкционных материалов - высокая прочность за счет высокопрочных волокон и достаточная вязкость разрушения благодаря пластичной матрице и механизму рассеяния энергии разрушения.

КМ состоят из сравнительно пластичного матричного материала-основы и более твердых и прочных компонентов, являющихся наполнителя-ми. Свойства КМ зависят от свойств основы, наполнителей и прочности связи между ними.

Матрица связывает композицию в монолит, придает ей форму и служит для передачи внешних нагрузок арматуре из наполнителей. В зависимости от материала основы различают КМ с металлической матрицей, или металлические композиционные материалы (МКМ), с полимерной - полимерные композиционные материалы (ПКМ) и с керамической - керамические композиционные материалы (ККМ).

Ведущую роль в упрочнении КМ играют наполнители, часто называемые упрочнителями . Они имеют высокую прочность, твердость и модуль упругости. По типу упрочняющих наполнителей КМ подразделяют на дисперсноупрочненные ,волокнистые и слоистые (рис. 28.2).

Рис. 28.2. Схемы строения композиционных материалов: а ) дисперсноупрочненные; б ) волокнистые; в ) слоистые

В дисперсноупрочненные КМ искусственно вводят мелкие, равномерно распределенные тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов и др., не взаимодействующие с матрицей и не растворяющиеся в ней вплоть до температуры плавления фаз. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояние между ними, тем прочнее КМ. В отличие от волокнистых, в дисперсноупрочненных КМ основным несущим элементом является матрица. Ансамбль дисперсных частиц наполнителя упрочняет материал за счет сопротивления движению дислокаций при нагружении, что затрудняет пластическую деформацию. Эффективное сопротивление движению дислокаций создается вплоть до температуры плавления матрицы, благодаря чему дисперсноупрочненные КМ отличаются высокой жаропрочностью и сопротивлением ползучести.

Арматурой в волокнистых КМ могут быть волокна различной формы: нити, ленты, сетки разного плетения. Армирование волокнистых КМ может осуществляться по одноосной, двухосной и трехосной схеме (рис. 28.3, а ).

Прочность и жесткость таких материалов определяется свойствами армирующих волокон, воспринимающих основную нагрузку. Армирование дает больший прирост прочности, но дисперсное упрочнение технологически легче осуществимо.

Слоистые композиционные материалы (рис. 28.3, б ) набираются из чередующихся слоев наполнителя и матричного материала (типа «сэндвич»). Слои наполнителя в таких КМ могут иметь различную ориентацию. Возможно поочередное использование слоев наполнителя из разных материалов с разными механическими свойствами. Для слоистых композиций обычно используют неметаллические материалы.

Рис. 28.3. Схемы армирования волокнистых (а ) и слоистых (б ) композиционных материалов

ДИСПЕРСНОУПРОЧНЕННЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

При дисперсном упрочнении частицы блокируют процессы скольжения в матрице. Эффективность упрочнения, при условии минимального взаимодействия с матрицей, зависит от вида частиц, их объемной концентрации, а также равномерности распределения в матрице. Применяют дисперсные частицы тугоплавких фаз типа Al 2 O 3 , SiO 2 , BN, SiC, имеющие малую плотность и высокий модуль упругости. КМ обычно получают методом порошковой металлургии, важным преимуществом которого является изотропность свойств в различных направлениях.

В промышленности обычно применяют дисперсноупрочненные КМ на алюминиевой и, реже, никелевой основах. Характерными представителями этого вида композиционных материалов являются материалы типа САП (спеченная алюминиевая пудра), которые состоят из алюминиевой матрицы, упрочненной дисперсными частицами оксида алюминия. Алюминиевый порошок получают распылением расплавленного металла с последующим измельчением в шаровых мельницах до размера около 1 мкм в присутствии кислорода. С увеличением длительности помола пудра становится мельче и в ней повышается содержание оксида алюминия. Дальнейшая технология производства изделий и полуфабрикатов из САП включает холодное прессование, предварительное спекание, горячее прессование, прокатку или выдавливание спеченной алюминиевой заготовки в форме готовых изделий, которые можно подвергать дополнительной термической обработке.

Сплавы типа САП удовлетворительно деформируются в горячем состоянии, а сплавы с 6–9 % Al 2 O 3 - и при комнатной температуре. Из них холодным волочением можно получить фольгу толщиной до 0,03 мм. Эти материалы хорошо обрабатываются резанием и обладают высокой коррозионной стойкостью.

Марки САП, применяемые в России, содержат 6–23 % Al 2 O 3 . Различают САП-1 с содержанием 6–9, САП-2 - с 9–13, САП-3 - с 13–18 % Al 2 O 3 . С увеличением объемной концентрации оксида алюминия возрастает прочность композиционных материалов. При комнатной температуре характеристики прочности САП-1 таковы: σ в = 280 МПа, σ 0,2 = 220 МПа; САП-3 таковы: σ в = 420 МПа, σ 0,2 = 340 МПа.

Материалы типа САП обладают высокой жаропрочностью и превосходят все деформируемые алюминиевые сплавы. Даже при температуре 500 °С их σ в не менее 60–110 МПа. Жаропрочность объясняется тормозящим действием дисперсных частиц на процесс рекристаллизации. Характеристики прочности сплавов типа САП весьма стабильны. Испытания длительной прочности сплавов типа САП-3 в течение 2 лет практически не повлияли на уровень свойств как при комнатной температуре, так и при нагреве до 500 °С. При 400 °С прочность САП в 5 раз выше прочности стареющих алюминиевых сплавов.

Сплавы типа САП применяют в авиационной технике для изготовления деталей с высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью, работающих при температурах до 300–500 °С. Из них изготавливают штоки поршней, ло-патки компрессоров, оболочки тепловыделяющих элементов и трубы теплообменников.

Методом порошковой металлургии получают КМ с использованием дисперсных частиц карбида кремния SiC. Химическое соединение SiC обладает рядом положительных свойств: высокой температурой плавления (более 2650 °С), высокой прочностью (около 2000 МПа) и модулем упругости (» 450 ГПа), малой плотностью (3200 кг/м 3) и хорошей коррозионной стойкостью. Выпуск абразивных порошков кремния освоен промышленностью.

Порошки алюминиевого сплава и SiC смешивают, подвергают предварительному компактированию под небольшим давлением, затем горячему прессованию в стальных контейнерах в вакууме при температуре плавления матричного сплава, т. е. в твердо-жидком состоянии. Полученную заготовку подвергают вторичной деформации с целью получения полуфабрикатов необходимой формы и размера: листов, прутков, профилей и др.

Порошковый наполнитель вводят в матрицу композиционного материала с целью реализации присущих веществу наполнителя свойств в функциональных свойствах композита. В порошковых композитах матрицей служат главным образом металлы и полимеры. За порошковыми композитами с полимерной матрицей закрепилось название «пластмассы».

Композиты с металлической матрицей

Композиты с металлической матрицей. Порошковые композиты с металлической матрицей получают путем холодного или горячего прессования смеси порошков матрицы и наполнителя с последующим спеканием полученного полуфабриката в инертной или восстановительной среде при температурах около 0,75 Т пл металла матрицы. Иногда процессы прессования и спекания совмещают. Технологию получения порошковых композитов называют «порошковая металлургия». Методами порошковой металлургии производят кер- меты и сплавы с особыми свойствами.

Керметами называют композиционные материалы с металлической матрицей, наполнителем которой служат дисперсные частицы керамики, например карбидов, оксидов, боридов, силицидов, нитридов и др. В качестве матрицы используют преимущественно кобальт, никель и хром. Керметы сочетают твердость, а также жаропрочность и жаростойкость керамики с высокой вязкостью и теплопроводностью металлов. Поэтому керметы в отличие от керамики менее хрупки и способны выдерживать большие перепады температур без разрушения.

Наиболее широкое применение керметы получили в производстве металлообрабатывающего инструмента. Порошковыми твердыми сплавами называют керметы инструментального назначения.

Порошковым наполнителем твердых сплавов являются карбиды или карбонитриды в количестве 80% и более. В зависимости от типа наполнителя и металла, который служит матрицей композита, порошковые твердые сплавы делят на четыре группы:

• 1) WC-Co - однокарбидные типа В К;
• 2) WC-TiC-Со - двухкарбидные типа ТК,
• 3) WC-TiC-TaC-Co - трехкарбидные типа ТТК;
• 4) TiC и TiCN-(Ni + Mo) - сплавы на основе карбида и карбо- нитрида титана - безвольфрамовые типа ТН и КНТ.

Сплавы ВК. Сплавы маркируются буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта. Например, состав сплава ВК6: 94% WC и 6% Со. Теплостойкость сплавов ВК - около 900°С. Сплавы этой группы обладают наибольшей прочностью по сравнению с прочими твердыми сплавами.

Сплавы ТК. Сплавы обозначают комбинацией букв и цифр. Цифра после Т указывает на содержание в сплаве карбида титана, после К - кобальта. Например, состав сплава Т15К6: TiC - 15%, Со - 6%, остальное, 79 %, - WC. Твердость сплавов ТК вследствие введения в состав его наполнителя более твердого карбида титана больше, чем твердость сплавов В К. Они также имеют преимущество по теплостойкости - 1000°С, однако их прочность при равном содержании кобальта ниже.

Сплавы ТТК (ТТ7К12, ТТ8К, ТТ20К9). Обозначение сплавов ТТК аналогично ТК. Цифра после второй буквы Т указывает на суммарное содержание карбидов TiC и ТаС.

При равной теплостойкости (1000°С) сплавы ТТК превосходят сплавы ТК при одинаковом содержании кобальта и по твердости, и по прочности. Наибольшее влияние легирования карбидом тантала проявляется при циклических нагрузках - ударная усталостная долговечность повышается до 25 раз. Поэтому танталсо- держащие сплавы используются в основном для тяжелых условий резания с большими силовыми и температурными нагрузками.

Сплавы ТН, КНТ. Это безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС) на основе карбида и карбонитрида титана с никель-молибденовой, а не кобальтовой связкой.

По теплостойкости БВТС уступают вольфрамсодежащим сплавам, теплостойкость БВТС не превышает 800°С. Их прочность и модуль упругости также ниже. Теплоемкость и теплопроводность БВТС ниже, чем у традиционных сплавов.

Несмотря на сравнительно низкую стоимость, широкое применение БВТС для изготовления режущего инструмента проблематично. Наиболее целесообразно использование безвольфрамовых сплавов для изготовления измерительного (концевые меры, калибры) и волочильного инструмента.

Металлическая матрица используется также для связывания порошкового наполнителя из алмаза и кубического нитрида бора, которые объединяют общим названием «сверхтвердые материалы» (СТМ). Композиционные материалы с наполнителем из СТМ используют в качестве обрабатывающего инструмента.

Выбор матрицы для алмазного порошкового наполнителя ограничен низкой теплостойкостью алмаза. Матрица должна обеспечивать термохимический режим надежного связывания зерен алмазного наполнителя, исключающий сгорание или графитацию алмаза. Для связывания алмазного наполнителя наиболее широко используют оловянистые бронзы. Более высокая теплостойкость и химическая инертность нитрида бора позволяют использовать связки на основе железа, кобальта, твердого сплава.

Инструмент с СТМ изготавливают преимущественно в виде кругов, обработка которыми производится путем стачивания поверхности обрабатываемого материала вращающимся кругом. Абразивные круги на основе алмаза и нитрида бора широко используют для заточки и доводки режущего инструмента.

При сравнении абразивных инструментов на основе алмаза и нитрида бора следует отметить, что две эти группы не конкурируют друг с другом, а имеют собственные области рационального применения. Это определяется различиями их физико-механических и химических свойств.

К преимуществам алмаза как инструментального материала перед нитридом бора относится то, что его теплопроводность выше, а коэффициент термического расширения ниже. Однако определяющими являются высокая диффузионная способность алмаза по отношению к сплавам на основе железа - сталям и чугунам и, напротив, инертность к этим материалам нитрида бора.

При высокой температуре наблюдается активное диффузионное взаимодействие алмаза со сплавами на основе железа. При температурах ниже ос

Применимость алмаза на воздухе имеет температурные ограничения. Алмаз начинает окисляться с заметной скоростью при температуре 400°С. При более высоких температурах он сгорает с выделением углекислого газа. Это также ограничивает эксплуатационные возможности алмазного инструмента по сравнению с инструментом на основе кубического нитрида бора. Заметное окисление нитрида бора на воздухе наблюдается только после часовой выдержки при температуре 1200°С.

Температурный предел работоспособности алмаза в инертной среде ограничен его превращением в термодинамически стабильную форму углерода - графит, которое начинается при нагреве до 1000°С.

Другой обширной областью применения керметов является их использование в качестве конструкционного материала высокотемпературного назначения для объектов новой техники.

Служебные свойства порошковых композитов с металлической матрицей определяются главным образом свойствами наполнителя. Поэтому для порошковых композиционных материалов с особым свойством наиболее распространена классификация по областям применения.

Волокнистые композиционные металлические материалы.

Эвтектические композиционные металлические материалы.

Композиционные металлические материалы, формируемые спеканием.

Дисперсно-упрочненные материалы на металлической матрице.

Композиционные материалы на металлической матрице.

Лекция № 2

Слоистые армированные пластики

Текстолиты – материалы, формируемые из слоёв ткани, пропитанной термореактивной синтетической смолой.

Дублированные пластики – слоистые материалы, состоящие из листов полиэтилена, полипропилена и других термопластов, соединённых подслоем на основе ткани, химически стойкой резины, нетканых волокнистых материалов и т.п.

Линолеум – полимерный рулонный материал для покрытия полов – представляет собой многослойный или на тканевой основе КПМ, содержащий алкидные смолы, полвинилхлорид, синтетические каучуки и другие полимеры.

Гетинакс – слоистый пластик на основе бумаги, пропитанной термореактивной синтетической смолой.

Металлопласт – конструкционный материал, состоящий из металлического листа, снабженного с одной или двух сторон полимерным покрытием из полиэтилена, фторопласта или поливинилхлорида.

Древесно-слоистые пластики – материалы, получаемые «горячим» прессованием заготовок из древесины (шпона), пропитанных синтетическими термореактивными смолами.

Тема: « КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕ»

Номенклатуру КММ делят на три основные группы:1) дисперсно-упрочненные материалы, армированные частицами, в том числе псевдосплавы, полученные методом порошковой металлургии; 2) эвтектические композиционные материалы – сплавы с направленной кристаллизацией эвтектических структур; 3) волокнистые материалы, армированные дискретными или непрерывными волокнами.

Дисперсно-упрочненные материалы

Если в металлической матрице КММ распределены частицы упрочняющей фазы размером 1…100 нм, занимающие 1…15% объема композита, матрица воспринимает основную часть механической нагрузки, приложенной к КММ, а роль частиц сводится к созданию эффективного сопротивления перемещению дислокаций в материале матрицы. Такие КММ характеризуются повышенной температурной стабильностью, вследствие чего их прочность практически не снижается вплоть до температур (0,7…0,8) Т пл, где Т пл – температура плавления матрицы. Материалы этого типа подразделяют на две группы: материалы, формируемые спеканием, и псевдоматериалы.

М а т е р и а л ы, ф о р м и р у е м ы е с п е к а н и е м, содержат мелкодисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов и других тугоплавких соединений, а также интерметаллидов, которые при формировании КММ не плавятся и не растворяются в матрице. Технология формирования изделий из таких КММ относится к области порошковой металлургии и включает операции получения порошковых смесей, их прессования в форме, спекания полученных полуфабрикатов, деформирования и термообработки заготовок.

Материалы на матрице из алюминия . Нашедшие применение КМ с алюминиевой матрицей в основном армируют стальной проволокой, борными и углеродными волокнами В качестве матрицы используют как технический алюминий (например, АД1), так и сплавы (В95, Д20 и др.).

Дисперсно – упрочненные стали содержат в качестве упрочняющих компонентов оксиды: Аl 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 и др

КММ на матрице из кобальта в качестве дисперсной добавки содержат оксид тория, на матрице из магния – собственные оксиды.

Материалы на основе меди , упрочненные оксидами, карбидами, нитридами, приобретают жаростойкость, которая сочетается с высокой электропроводностью медной матрицы. Такие КММ используются для изготовления электрических контактов, электродов для роликовой сварки, инструментов для искровой обработки и т.д.

КММ на основе никеля , наполненные оксидом тория и оксидом гафния, предназначены для работы при температурах выше 1000 о С и используются в авиастроении, энергомашиностроении, в космической технике.

П с е в д о с п л а в – дисперсно-упрочненные КММ, состоящие из металлических и металлоподобных фаз, не образующих растворы и не вступающих в химические соединения. Технология формирования псевдосплавов относится к области порошковой металлургии. Заключительными операциями получения псевдосплавов является пропитка либо жидкофазное спекание формовок.

Пропитка заключается в заполнении пор формовки или спеченной заготовки из тугоплавкого компонента расплавом легкоплавкого компонента псевдосплава. Пропитку осуществляют, погружая пористую заготовку в расплав.

Номенклатура псевдосплавов включает преимущественно материалы триботехнического назначения.

Псевдосплавы на основе вольфрама W – Cu и W – Ag сочетают высокую твердость, прочность и электропроводность. Они применяются для изготовления электрических контактов. Такое же назначение имеют псевдосплавы на основе молибдена (Мо – Cu) и никеля (Ni – Ag) и др.

Э в т е к т и ч е с к и е КММ – сплавы эвтектического или близкого к нему состава, в которых армирующей фазой служат ориентированные волокнистые или пластинчатые кристаллы, образовавшиеся в процессе направленной кристаллизации металлической матрицы.

Технология формирования эвтектических КММ состоит в том, что образец вытягивают из расплава с постоянной скоростью, подвергая его непрерывному охлаждению. Форма фронта кристаллизации зависит от скорости вытяжки и условий теплообмена, регулируемых с помощью элементов конструкции кристаллизатора.

В о л о к н и с т ы е м а т е р и л ы. Технология формирования волокнистых КММ включает методы прессования, прокатки, совместной вытяжки, экструзии, сварки, напыления или осаждения, а также пропитки.

«Горячим» прессованием (прессованием с нагревом) получают КММ, исходным материалом матрицы которых служат порошки, фольги, ленты, листы и другие металлические полуфабрикаты. Их и армирующие элементы (проволоку, керамические, угольные или другие волокна) в определенном порядке укладывают на плиту пресса или в форму а затем прессуют при нагревании на воздухе или в инертной атмосфере.

Методом прокатки перерабатывают те же компоненты, что и прессованием.

Метод совместной вытяжки заключается в следующем. В заготовке из матричного металла высверливают отверстия, в которые вставляют армирующие прутки или проволоку. Заготовку нагревают и производят ее обжатие и волочение, которое завершают отжигом.

Методом экструзии изготавливают изделия в виде прутков или труб, армированных непрерывными и дискретными волокнами. Исходным материалом матрицы являются металлические порошки,

Н о м е н к л а т у р а волокнистых КММ включает множество материалов на матрицах из алюминия, магния, титана, меди, никеля, кобальта и др.

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni 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), составляющие ту

Рис. 196. Схема структуры (а) и армирования непрерывными волокнами (б) композиционных материалов: 1 - зернистый (дисперсно-упрочненный) материал (l/d =1); 2 - дискретный волокнистый композиционный материал; 3 - непрерывно волокнистый композиционный материал; 4 - непрерывная укладка волокон; 5 - двухмерная укладка волокон; 6,7 - объемная укладка волокон

или иную композицию, получили название композиционные материалы (рис. 196).

Волокнистые композиционные материалы. На рис. 196 приведены схемы армирования волокнистых композиционных материалов. Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длины волокна к диаметру и с непрерывным волокном, в которых Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

Часто композиционный материал представляет собой слоистую етруктуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50-100 %), модуля упругости, коэффициента жесткости () и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

Таблица 44 (см. скан) Механические свойства композиционных материалов на металлической основе

Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные и углеродные волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных сталей.

Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.

Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. Перспективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др., имеющие

В табл. 44 приведены свойства некоторых волокнистых композиционных материалов.

Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исключают внезапное

Рис. 197. Зависимость модуля упругости Е (а) и временного сопротивления (б) бороалюминиевого композиционного материала вдоль (1) и поперек (2) оси армирования от объемного содержания борного волокна

хрупкое разрушение. Отличительной особенностью одноосных волокнистых композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения.

На рис. 197 приведена зависимость и Е бороалюминиевого композиционного материала от содержания борного волокна вдоль (1) и поперек оси армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше и Е вдоль оси армирования. Однако необходимо учитывать, что матрица может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно - матрица. Для предотвращения контакта между волокнами матрица должна полностью окружать все волокна, что достигается при содержании ее не менее 15-20 %.

Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при изготовлении или эксплуатации, так как это может привести к понижению прочности композиционного материала.

Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления 6 полями напряжения.

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени (рис. 198, а) с повышением температуры.

Рис. 198. Длительная прочность бороалюминиевого композиционного материала, содержащего 50% борного волокна, в сравнении с прочностью титановых сплавов (а) и длительная прочность никелевого композиционного материала в сравнении с прочностью дисперсионно-твердеющих сплавов (б): 1 - бороалюминиевый композит; 2 - титановый сплав; 3 - дисперсионно-упрочненный композиционный материал; 4 - дисперснонно-твердеющие сплавы

Основным недостатком композиционных материалов одно- и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого недостатка лишены материалы в объемным армированием.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы. В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненных композиционных материалах 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

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), нерастворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала до . В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.

Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия - САП (спеченный алюминиевый порошок). САП состоит из алюминия и дисперсных чешуек Частицы эффективно тормозят движение дислокаций и тем самым повышают прочность

сплава. Содержание в САП колеблется от и до С увеличением содержания повышается от 300 для до для а относительное удлинение соответственно снижается с 8 до 3 %. Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкие стали при работе в интервале температур По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность для сплавов при составляет

Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов. Наиболее высокую жаропрочность имеют сплавы на основе никеля с 2-3 об. двуоксида тория или двуоксида гафния. Матрица этих сплавов обычно -твердый раствор Широкое применение получили сплавы (никель, упрочненный двуокисью тория), (никель, упрочненный двуокисью гафния) и (матрица упрочненная окисью тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. При температуре сплав имеет сплав Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительности выдержки при данной температуре (см. рис. 198).

Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т. д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т. д.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т. д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т. д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т. д.) и в других областях народного хозяйства.

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов достаточно хорошо отработана.