Композиционные материалы

Композиционные материалы (композиты) – это новый класс легких и высокопрочных материалов с большим сопротивлением развитию трещины.

По удельной прочности и удельной жесткости композиты превосходят все обычные конструкционные материалы. Кроме того, они сохраняют высокую прочность при повышенных температурах, хорошо сопротивляются усталостному разрушению.

Композиты – сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам, не растворимые друг в друге компоненты, разделенные ярко выраженной границей.

Сам принцип создания композитов заимствован у природы: стволы деревьев состоят из жестких волокон целлюлозы и мягкого лигнина, кости человека и животных строятся из жестких нитей фосфатных солей и мягкого, вязкого белка коллагена.

Свойства композиционных материалов (КМ) зависят от свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительная особенность: композиты проявляют достоинства компонентов, а не их недостатки. Вдобавок появляются свойства, которых не имели отдельно взятые компоненты. Поэтому для создания композитов выбирают компоненты с дополняющими друг друга свойствами.

Строение композитов

Композиционный материал состоит из основы, или матрицы (металлической или полимерной) и наполнителя, или армирующего компонента.

Матрица связывает материал в единое целое, придает ему форму. От свойств матрицы зависят технология получения материала, рабочая температура, удельная прочность σ_в/γ, предел усталости σ_-1.

Наполнитель равномерно распределяется в матрице в определенном порядке. Наполнитель воспринимает нагрузку, поэтому должен иметь высокие прочность, твердость, модуль упругости.

Матрица распределяет нагрузку между частицами наполнителя, защищает их поверхность и повышает энергию распространения трещины, предупреждая хрупкое разрушение. Сама матрица не упрочняется, и в этом отличие композитов от металлических сплавов.

По форме наполнители могут быть нуль-мерными, одномерными и двумерными (см. рис. 116).

Композиционные материалы, упрочненные мелкими частицами наполнителя, называют дисперсно-упрочненными. Композиты, содержащие волокна, – волокнистыми. Двумерные наполнители применяются, в основном, в полимерных композитах.

а б в

Рис. 116. Форма наполнителей в композиционных материалах:

а – частицы; б – волокна; в – пластины, листы, ткань

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы

Наполнителями в них являются частицы тугоплавких веществ: оксиды, карбиды, нитриды. Обычно это Al₂O₃, SiO₂, BN, SiC.

Для матриц используют либо материалы с малой плотностью (алюминий, магний, титан и их сплавы), либо жаропрочные материалы (никель).

Получают дисперсно-упрочненные КМ прессованием и спеканием или введением наполнителя в жидкую матрицу перед разливкой.

В этом виде КМ матрица воспринимает основную нагрузку, а частицы наполнителя мешают движению дислокаций. Для них справедливо соотношение  , где R – расстояние между частицами наполнителя. Наилучшее сочетание механических свойств достигается при размере частиц 0,01–0,1 мкм и расстоянии между ними 0,05–0,5 мкм.

П римером является спеченная алюминиевая пудра (САП). Она имеет высокую жаропрочность и коррозионную стойкость. Состоит из алюминия и частиц Al₂O₃ в виде чешуек толщиной менее 1 мкм (рис. 117). Чем больше в этом материале доля Al₂O₃, тем выше прочность, твердость, жаропрочность, но ниже пластичность (рис. 118).

Преимуществом такого материала по сравнению с обычными сплавами алюминия являются очень мелкие зерна, равномерное распределение упрочняющих частиц, отсутствие линейных дефектов.

Изделия из САП: листы, фольга, профили, трубы. Получают детали для работы при 300–500 С: лопатки компрессоров, лопасти турбин и вентиляторов.

Волокнистые композиционные материалы

Наполнителями в них служат волокна или нитевидные кристаллы: углеродные, борные, из SiC, Al₂O₃, стекла, а также проволока из коррозионно-стойкой стали, молибдена, вольфрама, бериллия. Волокна являются элементами, воспринимающими нагрузку. Для матриц используются те же металлы, что и для предыдущей группы.

Для достижения максимальной прочности композиционного материала волокна должны быть расположены параллельно направлению действия напряжения. Поэтому расположение волокон может быть одноосным, двухосным или трехосным (рис. 119).

а б в

Рис. 119. Расположение армирующих волокон в композитах:

а – одноосное; б – двухосное; в – трехосное

При одноосном армировании проявляется анизотропия: в направлении волокон прочность выше, чем в поперечном (так как нагрузку воспринимает волокно, а матрица – передающая среда). При двухосном армировании анизотропии нет, но прочность вдоль оси волокон уменьшается примерно в 3 раза (рис. 120).

Р

а)

б)

ис. 120. П рочность при одноосном (а) и двухосном (б) армировании

Чем тоньше и длиннее волокно, тем выше степень упрочнения (см. рис. 121).

Объемная доля волокна составляет от нескольких процентов до 80–90 %. Увеличение доли наполнителя повышает прочность и другие характеристики.

Н апример, материал ВКА-1 состоит из алюминия и борного волокна. Предел прочности у него 1200 МПа (как у углеродистых сталей), а удельная прочность – намного выше, чем у сталей.

П олучают волокнистые композиты формованием волокон в порошке матрицы, пропиткой волокна жидким металлом матрицы, осаждением матрицы на волокна с последующим формованием и спеканием и другими способами. Все больше применяется способ направленной кристаллизации эвтектик.

П роблемы технологии композитов в том, что волокна бора, углерода, карбида кремния и другие плохо слипаются с матрицей, не смачиваются жидким металлом матрицы. Прочность сцепления обеспечивается диффузионными процессами и химическими реакциями (обычно на границе матрица-волокно образуются интерметаллиды). Приходится применять различные приемы, например, наносить предварительно металлические покрытия на волокна, которые улучшают сцепление, но удорожают материал. Или проводят травление поверхности волокна. Это тоже улучшает схватываемость с металлом матрицы. На поверхности борных или углеродных волокон выращивают монокристаллы карбида кремния SiC. Получаются ворсистые волокна – борсик. Если основой волокна является тончайшая вольфрамовая проволока диаметром 12 мкм, то на ней можно нарастить кристаллы бора. Все волокно будет иметь диаметр 70–200 мкм. Такие волокна прочнее сцепляются с матрицей.

Основной недостаток волокнистых композитов – их высокая стоимость и сложная технология получения.

Углеродные волокна несколько дешевле. Их получают из синтетических органических волокон высокотемпературной обработкой. Они могут быть изготовлены в виде жгутов, нитей, ткани, лент. Каждое волокно состоит из мельчайших ленточек – фибрилл.

Стекловолокно производят с квадратной, прямоугольной, шестигранной формой – для лучшей укладки в матрице.

Применение КМ увеличивается с каждым годом. Главный потребитель – авиа-, ракетная и космическая техника. Из них изготавливают легкие и прочные корпуса, камеры сгорания ракетных двигателей, лопатки турбин, лопасти винтов, кузовные детали автомобилей.

Важнейшая деталь турбины – лопатка, изготовленная из никелевого сплава, упрочненного нитями сапфира Al₂O₃, выдерживает температуру газов на входе 1650 С! При этом предел прочности нитей составляет более 700 МПа.

Сопла ракет изготавливают из порошков вольфрама или молибдена с керамическими нитями Al₂O₃ в виде волокон или войлока. При этом прочность увеличивается в два раза.

Композиционные материалы на полимерной основе

В композитах на полимерной основе усилие от матрицы передается армирующему волокну за счет сил межмолекулярного взаимодействия адгезионного характера. Необходимо полное смачивание жидким связующим поверхности волокон.

Борные и углеродные волокна лучше смачиваются эпоксидной смолой. Так получаются боропластики и углепластики.

Стекловолокниты имеют максимальную прочность и удельную прочность: σ_в составляет 700 МПа и даже 2400 МПа (при уменьшении диаметра волокон и добавке монокристаллов Al₂O₃ в матрицу).

Соединяют композиты точечной сваркой, склеиванием, клееболтовыми и клеезаклепочными соединениями.