Композиционные и материалы

Композиционный материал (КМ) или композит представляет собой естественный или искусственный материал, состоящий из основного компонента (основы, матрицы, связующего) и распределенного в ней второго компонента в виде частиц, отдельных волокон, а также двухмерных или трехмерных сплетений волокон. Обычно второй компонент вводится с целью изменения механических свойств, однако, можно рассматривать как КМ, например, сочетание немагнитной основы и магнитных включений, малопрозрачной основы и оптических прозрачных волокон и т.п.

В качестве основы и упрочняющих компонентов используют как металлические, так и неметаллические материалы. Преимущества КМ по сравнению с обычными металлическими и неметаллическими материалами заключаются:

• в получении материалов с высоким удельным модулем упругости E/g и удельной прочностью _в/g,

• в возможности получения деталей с минимальной механической обработкой,

• в создании материалов с заданными свойствами за счет предварительного расчета характеристик, учитывающего свойства и долю компонентов, целенаправленную ориентацию упрочняющего компонента.

Принципы выбора материалов матрицы и упрочняющего компонента:

• компоненты должны иметь взаимодополняющие свойства, например, жесткие и прочные частицы карбида алюминия в пластичной, непрочной алюминиевой матрице,

• отсутствие склонности к активному химическому взаимодействию, которое уменьшают нанесением на волокно барьерных покрытий,

• между матрицей и упрочняющим компонентом предпочтительна оптимальная адгезия (сцепление), появляющаяся за счет: трения, смачивания, небольшого взаимного растворения, химического взаимодействия.

При оптимальной адгезии трещина распространяется вдоль волокна, не уменьшая сечения

Конструкционные керамические материалы представляют собой спеченные композиции на основе ковалентно-ионных соединений (оксидов, карбидов, нитридов и т. п.), имеющие структуру в виде поликристаллических частиц, равномерно размещенных в аморфной основе.

Характерные свойства конструкционной керамики:

• высокая твердость и износостойкость,

• пористость, понижающая трещиностойкость,

• низкая пластичность, связанная с особенностями ковалентных связей,

• малый коэффициент теплового расширения,

• высокая теплостойкость,

• высокая температура плавления (выше 1500С)

• низкий коэффициент трения,

• высокая коррозионная стойкость,

• относительно низкая плотность (до 6,9 г/см³),

• изотропность свойств.

Основой конструкционных керамических материалов являются соединения Al₂O₃, ZrO₂, SiO₂, Si₃N₄, SiC с добавками СеО₂, CaO, MgO и других соединений.

Уменьшения хрупкости и увеличения прочности добиваются

• измельчением частиц до субмикронных размеров и повышением размерной однородности исходных порошков за счет чего удается уменьшить пористость изделий,

• использованием в качестве включений соединений, увеличивающих объем при появлении трещины, в частности, включения ZrO₂ претерпевает полиморфное превращение вблизи трещины, сопровождающееся увеличением объема и ее смыканием,

• уменьшением доли аморфной фазы.