3.12. Композиционные материалы

Композиционныематериалы (далее – КМ) по удельной прочности и жесткости, жаропрочности, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам зачастую превосходят все известные конструкционные сплавы.

В

Рис. 3.5. Схема армирования КМ:

I– однонаправленная;II– двунаправленная;III– трехнаправленная;IV– четырехнаправленная

I

се КМ состоят из сравнительно непрочной и пластичной матрицы, перераспределяющей нагрузку и объединяющей материал в единое целое, и армирующих элементов, несущих основную силовую нагрузку. В качестве армирующих элементов используются тонкодисперсные твердые тугоплавкие частицы, высокопрочные волокна из различных материалов, проволока или даже стальная сетка и прутки, как это делается в самом распространенном КМ –железобетоне. Схема армирования может быть от однонаправленной (линейной) до пространственной (рис. 3.5).

Стальная проволока имеет предел прочности до 5000 МПа, борные волокна – до 3000 МПа, углеродные волокна – до 2500 МПа, волокна из карбидов, нитридов, боридов и оксидов – от 2500 до 3500 МПа.

По составу матрицы КМ подразделяются на два вида.

1. С металлической матрицей, которая выполняется из алюминия, магния, никеля, титана или их сплавов. Прочность алюминиевых сплавов, армированных борными волокнами, достигает 1 800 МПа. Наиболее распространены КМ на основе алюминия, и в частности спеченный алюминиевый порошок – САП (σ_в = 300…400 МПа при δ = 8…3%), состоящий из алюминиевой матрицы, в которой равномерно распределены чешуйки Al₂O₃. САП применяют для изготовления высоконагруженных деталей сложной формы для ракет и самолетов. Отличительной особенностью КМ с металлической матрицей является жаропрочность – из них изготавливают даже рабочие и сопловые лопатки турбин.

2. С неметаллической матрицей, в качестве которой чаще всего применяется полимерная – эпоксидная, фенолоформальдегидная, полиамидная; реже применяют более дорогие, но и более прочные углеродные и керамические матрицы.

В зависимости от вида армирующих волокон эти КМ подразделяют на стекловолокниты, карбоволокниты, бороволокниты, органоволокниты. Наибольшей прочностью обладают стекловолокниты – σ_в до 2100 МПа; бороволокниты – до 1300 МПа; карбоволокниты – до 1000 МПа; органоволокниты, производимые на основе синтетических волокон, в большинстве случаев имеют прочность, меньшую на порядок, но зато они менее чувствительны к внешним повреждениям. Из КМ с неметаллической матрицей изготавливают несущие детали летательных аппаратов, корпуса автомашин и катеров, автоцистерны, строительные панели, трубы, корпуса насосов и вентиляторов, спортивный инвентарь (лыжи, клюшки, рамы и колеса велосипедов) и т. п.

Библиографический список

1. Болтон У. Конструкционные материалы: металлы, сплавы, полимеры, керамика, композиты. – М.: ИД «Додэка-XXI», 2004. – 320 с.

2. Дурнев В.Д., Сапунов С.В., Федюкин В.К. Товароведение промышленных материалов.– М.: ИИД «Филинъ», 2002. – 536 с.

3. Зайцев Г.Н., Макарова Т.А. Физико-химические основы технологических процессов производства изделий: Учеб. пособие. – СПб.: СПбГИЭУ, 2011. – 250 с.

4. Колесов С.Н., Колесов И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов. – М.: Высш. шк., 2004. – 519 с.

5. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник. – М.: ИД Альянс, 2009. – 528 с.

6. Материаловедение / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – 648 с.

7. Материаловедение и технология металлов: Учеб. для студентов машиностроит. спец. вузов / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др.; Под ред. Г.П. Фетисова. – М.: Высш. шк., 2006. – 862 с.

8. Машины и оборудование машиностроительных предприятий / В.А. Салтыков, В.П. Семенов, В.Г. Семин, В.К. Федюкин: Учебник. – СПб.: БХВ-Петербург, 2012. – 288 с.

9. Сапунов С.В. Основы материаловедения: Учеб. пособие. – СПб.: СПбГИЭУ, 2010. – 155 с.

10. Сапунов С.В., Федюкин В.К., Дурнев В.Д. Экспертиза и управление качеством промышленных материалов. – СПб.: «Питер», 2004. – 254 с.

11. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007. – 784 с.

12. Стерин И.С. Машиностроительные материалы. Основы материаловедения и термической обработки. – СПб.: Политехника, 2003. – 344 с.