72. Композиционные материалы: принцип получения, строение, свойства. Примеры композиционных материалов.

Композиционные материалы по удельной прочности и жесткости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят все известные конструкционные сплавы.

Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые друг в друге компоненты, разделенные ярко выраженной границей.

Основой композиционных материалов (матрицей) служат металлы или сплавы, а также полимеры, углеродные и керамические материалы.

Матрица связывает композицию, придает ей форму. От свойств матрицы в значительной степени зависят технологические режимы получения композиционных материалов и такие важные эксплуатационные характеристики, как рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению, воздействию окружающей среды, плотность и удельная прочность.

В матрице равномерно распределены остальные компоненты (наполнители или, как их часто называют, упрочнители). Они должны обладать высокими прочностью, твердостью и модулем упругости. По этим свойствам они значительно превосходят матрицу. С увеличением модуля упругости и временного сопротивления наполнителя повышаются соответствующие свойства композиционного материала, но они не достигают уровня характеристик наполнителя.

По форме наполнителя композиционные материалы разделяют на дисперсно-упрочненные и волокнистые. Дисперсно-упрочненными называют композиционные материалы, упрочненные наполнителями в виде компактных частиц. К волокнистым относят композиционные материалы, упрочненные наполнителями в виде волокон или проволоки, а иногда – в виде пластин (например, фольги, ткани).

По схеме армирования композиционные материалы подразделяют

на три группы: с одноосным, двухосным и трехосным армированием.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы. В дисперсно-упрочненных композиционных материалах наполнителями служат дисперсные частицы тугоплавких фаз – оксидов, нитридов, боридов, карбидов (Al₂O₃, SiO₂, BN, SiC и др.), а матрицей – металлы или сплавы. К достоинствам тугоплавких соединений относятся высокие значения модуля упругости, низкая плотность, пассивность к взаимодействию с материалами матриц, а таких, как оксиды алюминия и кремния – большая распространенность в природе и невысокая стоимость образующих их элементов.

Дисперсно-упрочненные материалы в основном получают методами порошковой металлургии, но существуют и другие методы, например, непосредственное введение наполнителей в жидкий металл перед разливкой.

В дисперсно-упрочненных материалах основную нагрузку воспринимает матрица, а дисперсные частицы упрочнителя оказывают сопротивление движению дислокаций при нагружении материала, мешают развитию пластической деформации. Чем больше это сопротивление, тем выше прочность.

Большое упрочнение достигается при размере частиц в пределах 0,01-0,1 мкм и расстоянии между ними 0,05-0,5 мкм.

Преимущество дисперсно-упрочненных композиционных материалов по сравнению с волокнистыми – изотропность свойств.

Волокнистые композиционные материалы. В этих материалах упрочнителями служат волокна или нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавких соединений (В,С, Al₂O₃, SiC и др.), а также проволока из металлов и сплавов (Mo, W, Be, высокопрочная сталь и др.). Для армирования композиционных материалов используют непрерывные и дискретные волокна диаметром от долей до сотен микрометров.

Свойства волокнистых композиционных материалов в большой степени зависят от схемы армирования. Ввиду значительного различия в свойствах волокон и матрицы при одноосном армировании физическим и механическим свойствам присуща анизотропия. При нагружении растяжением временное сопротивление и модуль упругости достигают наибольших значений вдоль направления волокон, а наименьших – в поперечном направлении. Например, композиционный материал с матрицей из технического алюминия, упрочненный волокнами бора, в направлении волокон имеет σ_В=1000-1200 МПа, а в поперечном – всего 60-90 МПа. Анизотропия свойств не наблюдается при двухосном армировании с взаимно-перпендикулярным расположением упрочняющих волокон. Однако по сравнению с одноосным армированием прочность вдоль оси волокон уменьшается почти в 3 раза.

При изготовлении деталей из композиционных материалов волокна ориентируют так, чтобы с максимальной выгодой использовать их свойства с учетом действующих в конструкции нагрузок. Прочность композиционных материалов в большой степени зависит от прочности сцепления волокон с матрицей.

Композиционные материалы применяют во многих отраслях промышленности и прежде всего в авиации, ракетной и космической технике, где особенно большое значение имеет снижение массы конструкции при одновременном повышении прочности и жесткости. Их используют, например, при изготовлении стабилизаторов и закрылков самолетов, лопастей винтов и контейнеров вертолетов, корпусов и камер сгорания реактивных двигателей и др. Использование композиционных материалов в конструкциях летательных аппаратов уменьшило их массу на 30-40%, увеличило полезную нагрузку без снижения скорости и дальности полета.

Композиционные материалы находят применение и во многих других отраслях техники: в энергетическом машиностроении, автомобилестроении, судостроении, химической промышленности и др.