Раздел 4. Композиционные материалы

4.1. Общая характеристика

Композиционными называют материалы, состоящие из двух компонентов и более, объединенных различными способами в монолит и сохраняющими при этом индивидуальные особенности.

Компоненты композиционного материала (КМ) различны по геометрическому признаку. Компонент, который обладает непрерывностью по всему объему, является матрицей. Компонент же прерывный, разделенный в объеме композиционного материала, считается армирующим или упрочняющим. Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу. По типу упрочняющих наполнителей КМ подразделяют на дисперсноупрочненные, волокнистые и слоистые.

В дисперсноупрочненные КМ искусственно вводят мелкие равномерно распределенные тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов и др., не взаимодействующие с матрицей и не раствояющиеся 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 дви-жению дислокаций создается вплоть до температуры плавления матрицы, благодаря чему дисперсноупрочненные КМ отлича-ются высокой жаропрочностью и сопротивлением ползучести.

Арматурой в волокнистых КМ могут быть волокна различной формы: нити, ленты, сетки разного плетения. Прочность и жесткость таких материалов определяется свойст-вами армирующих волокон, воспринимающих основную наг-рузку. Армирование дает больший прирост прочности, но дис-персное упрочнение технологически легче осуществимо.

Слоистые композиционные материалы 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 механичес-кими свойствами. Для слоистых композиций обычно использу-ют неметаллические материалы.

Раздел 5. Материалы с особыми физическими свойствами

5.1. Магнитные материалы

Материалы в магнитном поле намагничиваются. Намагничивание связано с наличием у атомов (ионов) собственного магнитного поля, которое и определяет степень намагниченности материала. Магнитный момент атома является суммой векторов орбитальных и собственных (спиновых) моментов электронов. При наложении внешнего магнитного по-ля векторы ориентируются вдоль поля. Орбитальный момент при этом уменьшается, так как в атоме индуцируется добавочный момент, направленный против поля, - диамагнитный эффект. Наличие нескомпенсированных спинов электронов, наоборот, усиливает намагниченность атома - парамагнитный эффект. В твердых телах атомы сближены на-столько, что происходит перекрытие энергетических зон электронов; атомы обмениваются электронами и в результате преобладает тот или иной эффект.

Диамагнетиками называют кристаллы, в которых преобладает диамагнитный эффект. Это металлы Сu, Аg, Аu, Ве, Zn, полупроводники Gе и Si, сверхпроводники. Они слабо намагничиваются в направлении, противоположном направлению магнитного поля.

Парамагнетиками называют кристаллы, в которых преобладает парамагнитный эффект. Это Рt, А1, Мg, Тi, Zr и тугоплавкие металлы. Они намагничиваются также слабо, но в направлении намагничивающего поля.

Особую группу составляют ферромагнетики, обладающие большим собственным магнитным полем и способные создавать при намагничивании большие магнитные поля. Ими являются металлы Fе, Ni, Со, многие редкоземельные металлы, а также химические соединения в сплавах.

Явление намагничивания ферромагнитных материалов, сопровождающееся изменением их линейных размеров, называют магнитострикцией. Количественно магнитострикцию характеризуют величиной _s, называемой константой магнитострикции, которая фактически является относительным удлинением образца (_s = l/l) при намагниченности до состояния технического насыщения. Численное значение _s, невелико (10^-6 - 10^-4), и к тому же _s не является постоянной величиной данного материала.

Магнитные материалы разделяют на магнитомягкие и магнитотвердые. Термины «магнитомягкие» и «магнитотвердые» не являются характеристиками механических свойств материалов. Существуют механически мягкие, но магнитотвердые материалы и, наоборот, механически твердые, но магнитомягкие материалы.

В электро- и радиотехнике магнитомягкие материалы широко применяют в качестве магнитных изделий (разнообразных сердечников, магнитопроводов, полюсных наконечников, телефонных мембран и т.д.) в различных приборах и аппаратах: реле, трансформаторах и т.д.

К низкочастотным магнитомягким материалам относятся: железо, сталь низкоуглеродистая электротехническая нелегированная, кремнистая электротехническая сталь, пермаллои, альсиферы.

К высокочастотным магнитомягким материалам относятся: магнитодиэлектрики и ферриты.

Кремнистая электротехническая сталь представляет собой сплав, образующий твердый раствор кремния в технически чистом железе в количестве от 0,4 до 4,8 %.

Пермаллои – это сплавы с никелем (Fe-Ni), железа с никелем и кобальтом (Fe-Ni-Co) и железа с кобальтом (Fe-Co). Маркировка пермаллоев основана на их химическом составе. Первая цифра указывает на содержание никеля в процентах, буквы К, М, Х, С, Ф – соответственно кобальт, молибден, хром, кремний, ванадий. Буквы П, У и А в конце маркировки означают соответственно прямоугольную петлю гистерезиса, сплав с улучшенными свойствами и сплав с более точным составом. Например, сплав 50НП содержит 50 % никеля, П – означает прямоугольную петлю гистерезиса.

Альсиферы – это тройные сплавы, состоящие из алюми-ния, кремния и железа (Al-Si-Fe), образующие твердые раство-ры. Сплав оптимального состава содержит: Si 9,6 %, Al 54 %, остальное Fe. Альсиферы отличаются высокой твердостью и большой хрупкостью, вследствие чего толщина изделий из альсифера (например, магнитные экраны) должна быть не менее 2-3 мм.

Магнитодиэлектрики – это высокочастотные магнитные пластмассы, в которых наполнителем является ферромагнетик, а связующим – электроизоляционный материал органический (например, фенолформальдегидная смола, полистирол) или неорганический (например, жидкое стекло).

Магнитотвердые материалы подразделяются на следующие группы: 1) легированные стали, закаленные на мартенсит; 2) литые высокоэрцитивные сплавы; 3) металлокерамические и металлопластические магниты; 4) магнитотвердые ферриты; 5) сплавы на основе редкоземельных элементов; 6) сплавы для магнитных носителей информации.

Применение мартенситных сталей вследствие их низких магнитных свойств в настоящее время ограничено.

К литым высокоэрцитивным относятся сплавы системы Fe-Al-Ni (старое название альни). Маркировка этих сплавов содержит буквы Ю и Н, которые соответственно означают алюминий и никель. Затем соответственно буквы легирующих элементов: Д – медь, К – кобальт, С – кремний, Т – титан, Б – ниобий. После буквы идет цифра, указывающая процентное содержание данного элемента. Буква А означает столбчатую кристаллическую структуру; АА – монокристаллическую структуру.