4.6. Композиционные материалы

Композиционными называют материалами, состоящие из двух (и более) материалов. При таком сочетании возможно совмещение положительных качеств каждого составляющего, и получение нового материла с улучшенными прочностными свойствами. Композиционные материалы (КМ) состоят из матрицы (или связующего) и упрочняющего (или армирующего) материала. В зависимости от рода входящих в состав материалов различают металлические и неметаллические композиционные материалы. По способу упрочнения подразделяют дисперсноупрочненные и волокнистые КМ.

4.6.1. Дисперсноупрочнённые композиционные материалы

В дисперсноупрочненные КМ состоят из основного материала (матрицы) и вкрапленых в неё мелких частиц 10–500 нм (Рис.58.). Матрица несет основную нагрузку, а дисперсные частицы затрудняют движение дислокаций. Для достижения высокой прочности частицы должны быть равномерно распределены по матрице. В качестве дисперсных частиц используют тугоплавкие нерастворимые оксиды металлов в количестве 5–10% от массы.

У

Рис.58. Дисперсноупрочнённые композиционные материалы.

металлических КМ предел за счет упрочнения прочность повышается на 50-100% , увеличиваются модуль, упругости и жесткость, жаропрочность приближается вплотную к температуре плавления 0,9–0,95t_пл. Снижается вероятность трещинообразования, практически устраняется склонность к внезапному хрупкому разрушению, т.к. трещины активно тормозятся дисперсными частицами. Это важное положительное качество композиционных материалов.

В качестве примера рассмотрим широко применяемый спеченный алюминиевый порошок САП.

Он изготавливается из алюминиевого порошка, который спекается при высокой температуре под давлением. Частицы порошка алюминия покрыты тонким слоем прочного тугоплавкого оксида Al₂O₃. При прессовании и спекании пленки разламывается на кусочки и распределяется по алюминиевой матрице. Получается дисперноупрочненный КМ.

САП обладает следующими свойствами.

1) предел прочности σ = 400 МПа

2) пластичность около 3%

3) прочность при высоких температурах (250–500 ºС) 50 МПа.

САП материал легкий, как алюминий ρ= 2700 кг/см³ , у него прочность при температурах 250–500 ºС, как у титана и сталей. Т.е. он сочетает легкость и высокую прочность . По этим свойствам он заменяет титан при температурах до 500 ºС, а по стоимости он намного дешевле его.

Другой пример КМ на основе никеля, который упрочняется тугоплавкими частицами оксида тория или оксида гафния. Получается очень хороший жаропрочный и коррозионностойкий материал сохраняющий высокие свойства до температуры t_раб = 1200 ºС.

4.6.2. Волокнистые композиционные материалы

В

а) б) в)

Рис.59. Волокнистые композиционные материалы и способы укладки волокон:

а – однонаправленная, б – сотканная, в – объёмная.

олокнистые композиционные материалы представляют собой относительно мягкую матрицу, которая связывает прочные волокна (Рис.59.). Основную механическую нагрузку несут волокна, а матрица равномерно распределяет её. Упрочняющие (или армирующие) волокна могут быть диаметромd= 10 нм – 100 мкм , как длинные, так и короткие. Если отношение длины волокна к диаметру (l/d) = 10 – 1000, то такие волокна называются дискретными. Если (l/d) > 1000 , то такие волокна называют непрерывными. В процентном содержании волокна могут составлять 20–80% массы материала.

В зависимости от способа укладки волокон различают структуры композиционных материалы:

1. Однонаправленные – волокна укладываются вдоль одного направления.

2. Сотканные – волокна уложены перекрестно в двух направлениях, как в ткани..

3. Объемные –пространственная укладка волокон. Волокна сшиваются в объёмную структуру в трёх и более направлениях.

Сотканные и слоистые материалы анизотропны, прочность вдоль слоев волокон заметно больше, чем в поперечном направлении. Наибольшей прочностью обладают материалы с объемной структурой. Они почти изотропные, т.е. в разных направлениях свойства одинаковы.

В качестве армирующих волокон используются сверхпрочные борные волокна, углеродные, карбидные, нитридные, оксидные и т.д. Из металлических материалов для армирования применяют проволоку из вольфрама, молибдена, углеродистой стали.

В качестве матрицы используются как металлы, так и не металлы, органические и не органические соединения – все подряд. При этом материалы выбираются таким образом, чтобы комбинировать и получить определенные сочетания положительных свойств матрицы и армирующих соединений.

Рассмотрим примеры волокнистых КМ композиционных материалов.

• Бор – алюминий

Алюминиевая матрица . Алюминий мягкий материал. Борные волокна – это прочный материал, но хрупкий. В сочетании эти два материала дают вязкий и прочный композиционный материал. С пределом прочности σ_в= 1300 МПа. Т.е. по прочности как легированная сталь, по весу как алюминий.

• Алюминий – сталь

Алюминиевая матрица. Стальные волокна. Обладает пределом прочности σ_в= 1600 МПа. Т.е. прочность ещё выше, но значительно легче стали.

• Никель-вольфрам

Никель – матрица, вольфрамовая нить – армирующий материал. Это жаростойкий материал. Имеет прочность σ_в= 700 МПа. Высокая прочность при высоких температурах.

• Углепласт

Углеродные волокна , которые пропитываются связующим – полимерной смолой.

После полимеризации смолы получается сверхпрочный материал углепласт σ_в= 1000 МПа. При этом он чрезвычайно легкий ρ = 1500 кг/см³, легче алюминия, сохраняет прочность при кратковременном нагреве до температуры 2200 ºС .

• Борноволокнистые материалы

Для армирования используют борные волокна. Такой КМ обладают еще большей прочностью σ_в= 1300 МПа, легкий ρ = 2000 кг/см³, выдерживает длительный нагрев до температуры t_раб= 300 ºС.

Композиционные материалы благодаря своим уникальным свойствам все более широко используется в самых разнообразных областях. Это современные перспективные материалы, которые востребованы в первую очередь авиационной, автомобильной , ракетной технике. Их стоимость снижается и потому они все шире и чаще используются для изготовления легких конструкций и деталей в строительстве, машиностроении, бытовой техники и т.д..

• Контрольные вопросы

1. Какие материалы называют композиционными?

2. Строение дисперсноупрочнёных композиционных материалов.

3. Принципы упрочнения волокнистых материалов.

4. Способы укладки волокон.

5. Преимущества композиционных материалов?

6. Приведите примеры композиционных материалов.