Композитный материал это металл
Металлической матрицей композитов могут служить легкие металлы Al, Be, Mg, Ti и тугоплавкие металлы Ni, Co, Cr, а также их сплавы. При введении в матрицу упрочняющих элементов в виде дисперсных частиц либо волокон из различных материалов происходит значительное повышение характеристик механических свойств, жаропрочности, коррозионной стойкости, электрических свойств. Для получения заготовок и изделий из металлокомпозитов используют твердофазные методы (порошковая металлургия, обработка и сварка давлением), жидкофазные (литье, пропитка расплавом, газотермическое напыление), газофазные (химическое осаждение, вакуумно-конденсационное напыление).
Д и с п е р с н о - у п р о ч н е н н ы е композиционные материалы (ДКМ) могут содержать частицы оксидов, карбидов, нитридов, боридов размером менее 0,1 мкм, количеством в среднем 15%.
Алюминиевые ДКМ на основе технического алюминия с частицами Al2O3 наибольшим количеством 22% характеризуются как спеченный алюминиевый порошок (САП). Они обладают высокой прочностью (σв до 450 МПа) и коррозионной стойкостью, по длительной прочности при температурах до 500 о С превосходят все алюминиевые сплавы. Применяются САП при изготовлении химического оборудования, а также для деталей конденсаторов, обмоток трансформаторов, в других электротехнических устройствах. Спеченные алюминиевые сплавы (САС) также являются порошковыми и имеют алюминиевую основу с добавками Si в количестве до 30% и Ni в количестве до 7%. Они отличаются малым значением ТКЛР, высоким модулем упругости и применяются для получения легких, прочных деталей приборов. Алюминиевые ДКМ с добавками углерода содержат упрочняющие карбиды Al4C3, что придает им увеличенные показатели прочности и жаростойкости.
Никелевые ДКМ содержат в качестве матрицы никель либо никельхромовый или никельмолибденовый сплавы с включениями упрочняющих частиц диоксидов ThO2 и HfO2 в количестве до 4%. При этом достигается большая величина прочности (σв до 850 МПа) при высоких показателях жаропрочности, что позволяет применять никелевые ДКМ в химическом мишиностроении и в ракетостроении.
Бериллиевые ДКМ с оксидами и карбидами Ве обладают повышенной жаропрочностью и высоким коэффициентом рассеивания нейтронов, поэтому используются при изготовлении ядерных реакторов.
Магниевые ДКМ содержат оксиды MgO, отличаются малой плотностью и удовлетворительной жаропрочностью, применяются в авиационной, космической и ядерной технике.
Кобальтовые и хромовые ДКМ обладают высокой жаропрочностью и служат материалом для термонапряженных деталей двигателей и плазмотронов.
В о л о к н и с т ы е композиты в качестве армирующих элементов содержат металлические и неметаллические волокна. К металлическим элементам относится проволока из легированной стали, бериллия, вольфрама, молибдена, титана и их сплавов. Неметаллические волокна включают борные и углеродные нити, волокна из оксида алюминия, оксида циркония, нитевидные кристаллы оксида алюминия, нитрида алюминия, карбида кремния, нитрида кремния.
Алюминиевые композиты с матрицей из технического алюминия либо алюминиевых сплавов армируются стальной и бериллиевой проволокой, углеродными и борными волокнами в количестве до 50%. Для предотвращения химического взаимодействия с матрицей и улучшения адгезии борные волокна покрывают тонким слоем карбида кремния, получая волокно ״борсик״. Стальная проволока придает композитам высокие значения прочности (σв до 1700 МПа) и ударной вязкости (КСU до 930 кДж/м 2 ), тепло- и электропроводности. Углеродные волокна обеспечивают минимальную плотность углеалюминия в сочетании с высокими прочностными характеристиками, борные волокна создают в композитах высокие значения предела выносливости и модуля упругости.
Магниевые композиты в качестве матрицы имеют деформируемые магниевые сплавы с упрочняющими борными или углеродными волокнами. Этим обеспечивается их наименьшая плотность и высокая удельная прочность, достигается длительная прочность при повышенных температурах.
Титановые композиты на основе технического титана либо его сплавов армируются проволокой из бериллия, вольфрама, молибдена, волокнами бора, карбида кремния, оксида алюминия, борида алюминия. Благодаря этому наряду с увеличенной прочностью композиты приобретают высокие показатели модуля упругости (Е до 210 ГПа) и жаропрочности до 800 о С.
Никелевые композиты создаются на базе матрицы из никеля либо никельхромового сплава с волокнами из вольфрамовой или молибденовой проволоки для получения длительной прочности при температурах до 1100 о С.
Волокнистые металлокомпозиты с малыми значениями плотности, высокими показателями прочности, тепло- и электропроводности, а также жаропрочности применяются для деталей конструкций, устройств и приборов аэрокосмического назначения, в производстве термонапряженных деталей двигателей.
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (композиты) – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.
То, что малые добавки волокна значительно увеличивают прочность и вязкость хрупких материалов, было известно с древнейших времен. Во времена египетского рабства евреи добавляли солому в кирпичи, чтобы они были прочнее и не растрескивались при сушке на жарком солнце. Одно из самых древних, по всей видимости, описаний изготовления композиционного материала приводится в Ветхом Завете (Исход, гл. 5):
«И пришли надзиратели сынов Израилевых и возопили к фараону, говоря: «Для чего ты так поступаешь с рабами твоими? Соломы не дают рабам твоим; а кирпичи, говорят нам, делайте. И вот рабов твоих бьют; грех народу твоему». Но он сказал: «Праздны вы, праздны; поэтому и говорите „Пойдем, принесем жертву Господу". Пойдите же, работайте. Соломы не дадут вам, а положенное число кирпичей давайте».
Подобные технологии существовали у многих народов. Инки использовали растительные волокна при изготовлении керамики, а английские строители до недавнего времени добавляли в штукатурку немного волоса.
Другой композит, известный еще в Древнем Египте, содержал намного больший процент волокон, чем египетские кирпичи. Оболочки для египетских мумий делали из кусков ткани или папируса, пропитанных смолой или клеем. Этот материал (папье-маше) был заново открыт только в 18 в. (вместо папируса использовались куски бумаги) и был популярен до середины 20 в. Из папье-маше делали игрушки, рекламные макеты, а иногда даже мебель.
Пожалуй, в каждом современном доме найдутся предметы мебели, сделанные из распространенного в наши дни композиционного материала – древесно-стружечных плит (ДСП), в которых матрица из синтетических смол наполнена древесными стружками и опилками. А наиболее известным на сегодняшний день композитом, вероятнее всего, является железобетон. Сочетание бетона и железных прутьев дает материал, из которого сооружают конструкции (пролеты мостов, балки и т.п.), которые выдерживают большие нагрузки, вызывающие растрескивание обычного бетона. Интересно, что первыми применять железо в качестве арматуры стали древние греки, причем армировали они мрамор. Когда архитектору Мнесиклу в 437 до н.э. понадобилось перекрыть пролеты длиной в 4–6 м, он замуровал в специальных канавках в мраморных плитах двухметровые железные стержни, чтобы перекрытия справились с напряжениями.
Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы – металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы – полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям.
Структура композиционных материалов.
По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами – кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к этому классу композитов. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придает материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси.
В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных пленок.
Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20–25% (по объему), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов – нового класса композиционных материалов – еще меньше и составляют 10–100 нм.
Полимерные композиционные материалы (ПКМ).
Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000$. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ.
А) Стеклопластики – полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей – куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось – она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80% по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.
Стеклопластики – достаточно дешевые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т.п.
Б) Углепластики – наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление – 220° С, карбонизация – 1000–1500° С и графитизация – 1800–3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков – чаще всего – термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики – очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря.
На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы – наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С. Существует несколько способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000° С), при этом происходит пиролиз органических веществ и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза. Из углеуглепластиков делают высокотемпературные узлы ракетной техники и скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование.
В) Боропластики – композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твердости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 $/кг) в связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30% стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики.
Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.
Г) Органопластики – композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже – природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40–70% наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров – полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п. – варьируется в значительно больших пределах – от 2 до 70%. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе.
Важную роль в улучшении механических характеристик органопластика играет степень ориентация макромолекул наполнителя. Макромолекулы жесткоцепных полимеров, таких, как полипарафенилтерефталамид (кевлар) в основном ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Из материалов, армированных кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты.
Органопластики находят широкое применение в авто-, судо-, машиностроении, авиа- и космической технике, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного инвентаря и т.д.
Д) Полимеры, наполненные порошками. Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить доктор Бейкеленд (Leo H.Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола – вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бейкеленд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал – бакелит – приобрел большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и наполнителя – пресс-порошок - под давлением необратимо затвердевает в форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это – ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются по сей день.
Сейчас применяются разнообразные наполнители так термореактивных, так и термопластичных полимеров. Карбонат кальция и каолин (белая глина) дешевы, запасы их практически не ограничены, белый цвет дает возможность окрашивать материал. Применяют для изготовления жестких и эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток и т.д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного полимера. Сажа больше всего используется в качестве наполнителя резин, но вводится и в полиэтилен, полипропилен, полистирол и т.п. По-прежнему широко применяют органические наполнители – древесную муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна. Для создания биоразлагающихся композитов в качество наполнителя используют крахмал.
Е) Текстолиты – слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов – покрытия для кухонных столов – трудно переоценить.
Основные принципы получения текстолитов сохранились, но сейчас из них формуют не только пластины, но и фигурные изделия. И, конечно, расширился круг исходных материалов. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, иногда даже применяются и неорганические связующие – на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон – хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.
Композиционные материалы с металлической матрицей.
При создании композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и т.д. Наполнителем служат или высокопрочные волокна, или тугоплавкие, не растворяющиеся в основном металле частицы различной дисперсности.
Свойства дисперсноупрочненных металлических композитов изотропны –одинаковы во всех направлениях. Добавление 5–10% армирующих наполнителей (тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов) приводит к повышению сопротивляемости матрицы нагрузкам. Эффект увеличения прочности сравнительно невелик, однако ценно увеличение жаропрочности композита по сравнению с исходной матрицей. Так, введение в жаропрочный хромоникелевый сплав тонкодисперсных порошков оксида тория или оксида циркония позволяет увеличить температуру, при которой изделия из этого сплава способны к длительной работе, с 1000° С до 1200° С. Дисперсноупрочненные металлические композиты получают, вводя порошок наполнителя в расплавленный металл, или методами порошковой металлургии.
Армирование металлов волокнами, нитевидными кристаллами, проволокой значительно повышает как прочность, так и жаростойкость металла. Например, сплавы алюминия, армированные волокнами бора, можно эксплуатировать при температурах до 450–500° С, вместо 250–300° С. Применяют оксидные, боридные, карбидные, нитридные металлические наполнители, углеродные волокна. Керамические и оксидные волокна из-за своей хрупкости не допускают пластическую деформацию материала, что создает значительные технологические трудности при изготовлении изделий, тогда как использование более пластичных металлических наполнителей позволяет переформование. Получают такие композиты пропитыванием пучков волокон расплавами металлов, электроосаждением, смешением с порошком металла и последующим спеканием и т.д.
В 1970-х появились первые материалы, армированные нитевидными монокристаллами («усами»). Нитевидные кристаллы получают, протягивая расплав через фильеры. Используются «усы» оксида алюминия, оксида бериллия, карбидов бора и кремния, нитридов алюминия и кремния и т.д. длиной 0,3–15 мм и диаметром 1–30 мкм. Армирование «усами» позволяет значительно увеличить прочность материала и повысить его жаростойкость. Например, предел текучести композита из серебра, содержащего 24% «усов» оксида алюминия, в 30 раз превышает предел текучести серебра и в 2 раза – других композиционных материалов на основе серебра. Армирование «усами» оксида алюминия материалов на основе вольфрама и молибдена вдвое увеличило их прочность при температуре 1650° С, что позволяет использовать эти материалы для изготовления сопел ракет.
Композиционные материалы на основе керамики.
Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами позволяет получать высокопрочные композиты, однако, ассортимент волокон, пригодных для армирования керамики, ограничен свойствами исходного материала. Часто используют металлические волокна. Сопротивление растяжению растет незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым ударам – материал меньше растрескивается при нагревании, но возможны случаи, когда прочность материала падает. Это зависит от соотношения коэффициентов термического расширения матрицы и наполнителя.
Армирование керамики дисперсными металлическими частицами приводит к новым материалам (керметам) с повышенной стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с повышенной теплопроводностью. Из высокотемпературных керметов делают детали для газовых турбин, арматуру электропечей, детали для ракетной и реактивной техники. Твердые износостойкие керметы используют для изготовления режущих инструментов и деталей. Кроме того, керметы применяют в специальных областях техники – это тепловыделяющие элементы атомных реакторов на основе оксида урана, фрикционные материалы для тормозных устройств и т.д.
Керамические композиционные материалы получают методами горячего прессования (таблетирование с последующим спеканием под давлением) или методом шликерного литья (волокна заливаются суспензией матричного материала, которая после сушки также подвергается спеканию).
Екатерина Менделеева
Достижения в области композиционных материалов. Под. ред. Дж. Пиатти. М., Металлургия, 1982
Берлин А.А., Пахомова Л.К. Полимерные матрицы для высокопрочных армированных композитов. – Высокомолекулярные соединения. Том (А) 32, 1990, № 7
Берлин А.А. Современные полимерные композиционные материалы. – Соросовский Образовательный Журнал. 1995, № 1
Кербер М.Л. Композиционные материалы. Соросовский Образовательный Журнал. 1999, № 5
Композиционные материалы с металлической матрицей
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.
Композиционные материалы с неметаллической матрицей
Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение в промышленности. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная, полиамидная. Угольные матрицы коксованные или получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу (разложение, распад). Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.
Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними.
Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60 − 80 об. %, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) – 20 − 30 об. %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.
По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.
В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоскостные слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создавать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.
Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей (рис. 7). Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.
Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем расположения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырех направленных материалов сложнее, чем трех направленных.
Рис. 7. Схема армирования композиционных материалов: 1- прямоугольная, 2-гексагональная, 3- косоугольная, 4- с искривленными волокнами, 5 – система из n нитей
Наиболее эффективными с точки зрения использования в самых жестких условиях сухого трения являются антифрикционные материалы на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ).
Для ПТФЭ характерен достаточно высокий статический коэффициент трения, однако в процессе трения скольжения на поверхности ПТФЭ образуется очень тонкий слой высоко-ориентированного полимера, способствующий выравниванию статического и динамического коэффициентов трения и плавному движению при скольжении. При изменении направления скольжения наличие ориентированной поверхностной пленки вызывает временное увеличение коэффициента трения, значение которого снова уменьшается по мере переориентации поверхностного слоя. Такое поведение ПТФЭ при трении обусловило его широкое применение в промышленности, где главным образом используют не наполненный ПТФЭ для производства подшипников. Во многих случаях не смазываемые подшипники должны работать при более высоких скоростях трения. При этом для не наполненного ПТФЭ характерны высокие значения коэффициента трения и скорости износа. В качестве материалов для не смазываемых подшипников, работающих в таких условиях, широкое применение нашли композиционные материалы, чаще всего на основе ПТФЭ.
Наиболее простым путем уменьшения относительно высокой скорости износа ПТФЭ при сухом трении является введение порошкообразных наполнителей. При этом повышается сопротивление ползучести при сжатии и наблюдается значительное увеличение износостойкости при сухом трении. Введение оптимального количества наполнителя позволяет повысить сопротивление износу до 10 4 раз.
Полимеры и композиционные материалы на их основе обладают уникальным комплексом физико-механических свойств , благодаря которым они успешно конкурируют с традиционными конструкционными сталями и сплавами, а в ряде случаев без применения полимерных материалов невозможно обеспечить требуемые функциональные характеристики и работоспособность специальных изделий и машин. Высокая технологичность и малая энергоемкость технологий переработки пластмасс в изделия в сочетании с выше названными достоинствами ПКМ делают их весьма перспективными материалами для деталей машин различного назначения.
4.2 Металлические композиционные материалы
МКМ представляют собой такие материалы, в которых матрицей выступают металлы и их сплавы, а арматурой - металлические и неметаллические волокна.
В МКМ конструкционного назначения армирующие элементы (нитевидные кристаллы, поликристаллические и аморфные неметаллические волокна, металлические проволоки) воспринимают нагрузку, а металлическая матрица передает нагрузку волокнам и распределяет ее между ними. Поэтому механические свойства МКМ зависят, прежде всего, от свойств волокон.
Выбор матричного материала определяется требованиями совместимости его с материалом арматуры, а также технологическими и эксплуатационными характеристиками. СОВМЕСТИМОСТЬЮ называют способность арматуры сохранять форму и структуру, а, следовательно, и высокую прочность, как в процессе изготовления МКМ, так и в условиях его эксплуатации. Наиболее остро проблема совместимости возникает в МКМ, где арматурой служат металлические волокна, т.к. они подвержены химическому взаимодействию с матрицей и взаимной диффузии. Эти явления могут привести к растворению и рекристаллизации волокон, возникновению хрупких фаз на границе раздела волокно - матрица и, как следствие, к разупрочнению арматуры и материала в целом.
К технологическим требованиям относят способность компонентов материала, и в первую очередь матрицы, подвергаться тому или иному виду пластической деформации, литья, порошковой металлургии и пр.
Эксплуатационные свойства МКМ характеризуются способностью противостоять воздействию внешней среды (температуры, давления, вибрации, коррозии и т.д.).
Поскольку матрица оформляет конфигурацию изделия из МКМ и в большей степени, чем волокна, граничит с внешней средой, при выборе матричного материала необходимо учитывать и его сопротивление рабочим температурам, коррозии, эррозионному износу и т.п.
В качестве матричных материалов при изготовлении МКМ используют промышленные металлы и сплавы, которые уже применяются в различных областях техники, а также новые сплавы, разработанные специально для армирования их тем или иным видом волокон. В зависимости от условий эксплуатации, и в первую очередь от рабочих температур, в МКМ используют следующие матричные материалы:
легкие металлы и их сплавы (на основе алюминия и магния);
титан и сплавы на его основе;
медь и ее сплавы;
жаростойкие и жаропрочные сплавы на основе железа, никеля и кобальта;
тугоплавкие металлы и сплавы.
Все перечисленные металлические матрицы по технологическому принципу можно разделить на три больших класса: деформируемые, литейные и порошковые.
К деформируемым алюминиевым сплавам относят не упрочняемые термической обработкой сплавы марок АМц, АМг, АМг3 и др., Основными легирующими элементами являются марганец и магний. Эти сплавы обладают, хорошей пластичностью, коррозионной стойкостью, свариваемостью, но сравнительно небольшой прочностью. Большую группу деформируемых алюминиевых сплавов составляют упрочняемые термической обработкой дюралюмины (Д1, Д16 и др.) и сплавы групп АВ, АК, В95. После термической обработки (закалки и искусственного старения) эти сплавы имеют повышенную механическую прочность.
Из литейных алюминиевых сплавов наиболее распространены силумины, которые обладают хорошими литейными свойствами и в качестве основного легирующего элемента содержат 4 - 13% Si. Однако они малопластичны, имеют низкую ударную вязкость и коррозионную стойкость. Теплостойкость силуминов также невелика.
Весьма перспективны для жаропрочных МКМ на алюминиевой основе матричные материалы типа САП (спеченный алюминиевый порошок), которые представляют собой алюминий, упрочненный дисперсными частицами AL2O3. Главное преимущество САП в их высокой жаропрочности. Кроме того, эти материалы хорошо обрабатываются давлением и резанием, обладают высокой коррозионной стойкостью.
При 20С этот сплав обладает прочностью 280 - 290 МПа, а его относительное удлинение составляет 16 -18 %.
Литейные магниевые сплавы, такие как МЛ5, МЛ12, МЛ15, обладают хорошей жидкотекучестью и малой линейной усадкой 1,3 - 1,6%. После термической обработки (старения) они значительно упрочняются. Их обрабатывают методами литья в песчаные формы, в кокиль и под давлением.
Из листовых МКМ наиболее распространены тонкие листы или фольга, получаемые прокаткой.
Титан и его сплавы обладают ценными физико-механическими свойствами. При малой плотности (4,5 г/см 3 ) титановые сплавы могут иметь предел прочности от 500 (для нелегированного титана) до 1500МПа (для сплавов). Технический титан ВТ1 и большинство сплавов титана, например ВТ5, ВТ3, ВТЛ-1, имеют хорошие литейные свойства и применяются для производства фасонных и тонкостенных отливок. Мелкие фасонные отливки (до 15 кг) изготовляют литьем в оболочковые формы из графита.
Титан и его сплавы можно обрабатывать давлением, особенно в горячем состоянии в интервале температур 600 - 1200С, всеми известными способами.
Медь, имеющая высокую электро- и теплопроводность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью, широко применяется в электротехническом аппаратостроении. В технологическом отношении медь очень удобный металл, так как она хорошо куется, прокатывается в пруток, ленту, фольгу, протягивается в проволоку. Многие медные сплавы обладают хорошими литейными свойствами и их часто используют для получения фасонных отливок методом точного литья.
Из металлических матриц на основе железа, никеля и кобальта при создании МКМ чаще всего применяют окалиностойкие и жаропрочные стали и сплавы. Окалиностойкими (жаростойкими ) обычно называют стали и сплавы, обладающие стойкостью против разрушения поверхности в газовых средах при нагревании выше 500С и работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии (нихромы, сильхромы и т.д.). Армирование таких сплавов тугоплавкими волокнами позволяет резко повысить их жаропрочность и использовать их при температурах на 150 - 200С выше, чем рабочие температуры неармированных матриц.
Жаропрочные сплавы также обладают значительной окалиностойкостью, но главное их качество - это способность работать в нагруженном состоянии при высоких температурах. Повышенная длительная прочность, высокое сопротивление ползучести и усталости в никелевых сплавах достигается за счет введения Ti и AL, образующих дисперсные упрочняющие фазы, а также при легировании тугоплавкими элементами (W, Mo, Nb), упрочняющими твердый никелевый раствор, и малыми добавками бора, церия и других элементов. Примеры таких сплавов - деформируемые сплавы ЭИ437А, ЭИ437Б, ЭИ617 и др.
Методами порошковой металлургии стало возможно получить МКМ с матрицей из особо тугоплавких металлов - ниобия, вольфрама, молибдена и сплавов на их основе. Чаще всего такие матрицы подвергают дисперсионному упрочнению частицами тугоплавких соединений примерно равноосной формы с размерами в пределах 0,01 - 0,1 мкм. Волокнистыми наполнителями (усами, волокнами тугоплавких соединений) эти матрицы армируют для того, чтобы придать им особые эксплуатационные характеристики - ударопрочность, термостойкость, специальные физические свойства. Создавая такие МКМ, используют матричный материал в виде тонких порошков с размерами 0,1 - 5 мкм, тонкой металлической фольги толщиной 10 – 100 мкм, а также применяют различные методы осаждения матрицы на волокна с последующим уплотнением покрытых волокон горячим прессованием, прокаткой и т.д.
ВИДЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Основными методами получения МКМ являются пластическая деформация, литье и методы порошковой металлургии. При разработке технологий изготовления МКМ следует учитывать природу волокна и матрицы, и в соответствии с этим назначать режимы - температуру, деформацию, время, скорость, среду и т.п. Для всех технологических процессов изготовления МКМ общими являются следующие стадии:
-очистка поверхности волокон и матрицы (мойка, чистка, сушка);
-объединение волокон и матрицы (сборка чередующихся слоев матричных элементов и волокон либо приготовление каркаса из волокон в литейной форме под заливку матричным металлом);
-получение компактных МКМ методами пластической деформации, порошковой металлургии или литья либо комбинацией этих методов.
Как было сказано ранее все МКМ по способу армирования можно разделить на три группы:
волокнистые композиционные материалы;
слоистые композиционные материалы;
дисперсионно - упрочненные композиционные материалы.
Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длины волокна к диаметру примерно равно 10 : 1 , и с непрерывным волокном, в которых это соотношение равно бесконечности. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.
Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные (предел прочности равен 2500-3500 МПа, модуль упругости - 38 - 450 ГПа) и углеродные (предел прочности равен 1400 - 3500 МПа, модуль упругости 160 – 450 ГПа) 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 предел прочности 2500 - 3500 МПа и модуль упругости 450 ГПа. 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 требуется высокие тепло- и электропроводность. 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 предел прочности 15000 – 28000 МПа и модуль упругости 400 - 600 ГПа.
Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность.
Основным недостатком композиционных материалов с одномерным и двухмерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого недостатка лишены материалы с объемным армированием.
В настоящее время широко распространены волокнистые металлические композиционные материалы (ВКМ) и слоистые металлические композиционные материалы (СКМ) с никелевой и алюминиевой матрицами. Крайне перспективны МКМ с матрицей из алюминия или сплава Al с 6% Mg и волокнами из бора. Их плотность составляет 2,55 г/см 3 , модуль упругости примерно в пять раз больше, чем у стали 30ХГСА. Эти композиты широко применяются в аэрокосмической технике, судостроении. Для авиакомпрессоров не менее перспективны композиты с титановой матрицей, армированной волокнами SiC диаметром 60 – 70 мкм с долей волокон 25 - 35%. Типичные для них значения предела прочности около 3000 - 5000 МПа.
К МКМ слоистым и волокнистым относится также большая группа материалов с особыми физическими свойствами:
высокопрочные композиты с высокой проводимостью (медный провод в оболочке из нержавеющей стали с пределом прочности более 1000 МПа; меднониобиевые провода с пределом прочности до 1950 МПа);
сверхпроводники (металлические и керамические);
проводники с контролируемыми свойствами.
Сверхпроводники (СП), работающие при температурах жидкого гелия (4,2 К), представляют собой многоволоконные ВКМ с волокнами из деформируемого сврехпроводящего сплава НТ - 50 (50% Nb + 50% Ti) с диаметром волокон (жил) 6 - 200 мкм и числом жил от 6 до 9000, расположенных в матрице из меди или бронзы. Получают такие СП многократной экструзией “сборок” медных капсул, заполненных стержнями из бронзы, меди и сплава НТ - 50 с последующим волочением экструдированных прутков.
СП для работы при температуре жидкого гелия и жидкого водорода (20,65 К) делают также на основе волокон интерметаллидов типа А3В (“А” - Nb; “B” - Sn, Ga, Al) в бронзовой или бронзовомедной матрице. Медная оболочка или сердцевина провода повышает его пластичность (стабилизирует проводник). В СП с волокнами из Nb3Sn диаметр сечения волокон 2 - 2,5 мкм, числом волокон в проводе 14641 - 44521. Получают эти СП также экструзией с последующей термообработкой и волочением.
К композиционным проводникам с управляемыми свойствами можно отнести медно-углеродные ВКМ с медной матрицей и углеродными волокнами, на которые медь наносят электролизом, а также специальную токопроводящую резину. Это эпоксидная резина, усиленная стеклянными волокнами и содержащая, около 1,5% углерода. Она используется для облицовки частей самолетов, склонных к накоплению статического электричества.
В технике высоких температур широко используются естественные волокнистые композиты, так называемые “направленные эвтектики” (НЭ) или “эвтектические композиты” (ЭК).
В отличии от обычных двухфазных эвтектик с неупорядоченным распределением двух фаз в НЭ в результате медленной направленной кристаллизации наблюдается особая структура. Одна из фаз (та, которой меньше) формируется в процессе кристаллизации в виде упорядоченно расположенных вдоль оси теплоотвода непрерывных стержней или полос (пластин). При доле этой фазы < 32% образуются стержни, при >32% пластины. Другая фаза играет роль матрицы. На роль матрицы выбирают пластичные фазы, а на роль армирующей фазы высокопрочные соединения. Такая армирующая фаза сохраняется уже до температуры солидуса, что существенно повышает температуру службы сплава. В настоящее время наиболее широко используются НЭ с матрицами на основе никеля.
НЭ отличаются от искусственных ВКМ высокой стабильностью при высоких температурах, связанной с хорошей химической совместимостью фаз, образовавшихся в естественных условиях. НЭ сохраняют свою прочность до температур 0,8 - 0,9 Тпл.
Наряду с направленными эвтектиками к естественным волокнистым композитам относится и один из древнейших волокнистых композитов - булат, или индийский вутц, в котором разноориентированные высокопрочные волокна высокоуглеродистой стали находятся в вязкой малоуглеродистой матрице. При этом особую роль для свойств булата играют переходные зоны между волокнами и матрицей.
СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что, комбинируя соединения из различных видов армирующих волокон и матрицы, а также количественное соотношение матричного материала и материала наполнителя можно изменять различные, как физические, так и механические свойства МКМ.
Плотность. Поскольку композиционные материалы представляют собой механическую смесь двух или более компонентов, их плотность при отсутствии в них пор определяется правилом смеси:
, (4.1)
где К - плотность композиционного материала;В - плотность волокон;
М - плотность матричного материала;СВ - объемная доля волокон в материале.
На рисунке 4.6 представлены расчетные данные по зависимости плотности композиционных материалов, армированных различными волокнами, от объемной доли упрочнителя. Заштрихованной полосой выделен интервал объемных содержаний упрочнителя, который обычно представляет интерес с точки зрения требований инженерного проектирования по удельной жесткости и удельной прочности.
Рисунок 4.6 - Зависимость плотности от объемного содержа-
ния волокон для композиционных материалов с
алюминиевой матрицей, армированной
волокнами различного типа:
1 – сталь; 2 – Al2O3; 3 – SiC; 4 – В (d = 100 мкм);
5 – В (d = 100 мкм); 6 – SiО2; 7 – Be; 8 – графит
Термическое расширение зависит от направления армирующих волокон в композиционном материале, и будет существенно различаться вдоль и поперек укладки волокон.
Удельная теплоемкость и теплопроводность композиционного материала при постоянном давлении или при постоянном объеме не равна сумме удельных теплоемкостей компонентов, умноженных на их относительные объемные содержания в металле. Это обусловлено тем, что температурные изменения, не приводящие к изменению объема композиционного материала в целом, могут сопровождаться изменением объема каждой из составляющих его фаз.
В случае однонаправленного армирования эффективная теплопроводность может быть выражена через свойства отдельных фаз. В этом случае теплопроводность вдоль оси волокон μι и в поперечном направлении μt определяется соотношением:
(4.2)
(4.3)
где м и в - соответственно теплопроводность матрицы и волокон,
Св – удельная теплоемкость волокон.
Свойства при растяжении вдоль волокон.
Модуль Юнга композиционных материалов в направлении вдоль оси волокон сравнительно хорошо предсказывается правилом смеси:
, (4.4)
где Eм и Eв - модули Юнга матрицы и волокон соответственно.
Теоретический предел прочности на растяжение вдоль оси волокон также выражается правилом смеси:
, (4.5)
где в - предел прочности волокон на растяжение;
м - напряжение в матрице при достижении предельной деформации волокон.
Прочность композиционных материалов можно предсказать более точно, используя значение средней прочности волокон, которая может быть почти на 50% выше, чем прочность пучка.
Свойства композиционных материалов при сжатии вдоль оси волокон также можно прогнозировать, если предположить, что геометрия образцов для испытаний на сжатие выбрана правильно и характеристики материала (прочность матрицы, связь волокон с матрицей и т.д.) таковы, что волокна при испытаниях не изгибаются.
На рисунке 4.7 представлены типичные данные по модулям упругости композиционных материалов с алюминиевой матрицей, армированной борными волокнами.
В таблице 4.2 приведены свойства некоторых волокнистых композиционных материалов.
Вязкость разрушения. При использовании малопластичных волокон (бор, бериллий и т.д.) для армирования композиционных материалов возникает вопрос: будут ли вязкость и сопротивление удару контролироваться свойствами хрупких волокон? Ответ на этот вопрос зависит от типа упрочнителя и его содержания в материале, от ориентации волокон по отношению к удару (от условий испытания).
Для исследования этих характеристик возможно применение образцов Шарпи с V - образным надрезом, показанных на рис. 4.8.
Читайте также: