Тема 5.2 Композиционные материалы

Студент должен:

знать: классификацию и основные характеристики композиционных

материалов.

Композиционные материалы, классификация, строение, свойства, достоинства и недостатки, применение в промышленности.

Литература: 3, с. 438...450; 4. с. 422...431; 7, с. 133... 141.

Методические указания

Материалы данного типа относятся к классу порошковых, в которых матрица из металла или сплава упрочняется искусственно введенными мелкодисперсными частицами размером менее 0,1 мкм в количестве 0,1 - 15%. В качестве упрочняющей фазы используют дисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других тугоплавких соединений.

Смеси порошков получают механическим и химическим смешиванием, поверхностным или внутренним окислением, разложением смеси солей, водородным восстановлением или химическим осаждением из растворов.

После формования и спекания проводят горячую пластическую деформацию с целью получения плотного, беспористого полуфабриката (лент, полос, профилей и т.д.).

Существуют дисперсно - упрочненные композиционные материалы (ДКМ) на основе аллюминия, бериллия, магния, никеля, кобальта и хрома. Необходимо рассмотреть химический состав, механические свойства и обозначения (маркировку) каждого вида дисперсно - упрочненных композиционных материалов. Кроме ДКМ также распространение в современной промышленности получили волокнистые композиционные материалы.

Способы изготовления композиционных материалов (КМ) из различных комбинаций волокон и матриц, непосредственно определяются свойствами этих волокон и матриц. Простые полуфабрикаты, из которых получают более сложные и более крупногабаритные изделия, представляют собой моноволокна или прутки, покрытые материалом матрицы, пучки или полосы из одного или нескольких слоев волокон, заключенные в матрицу, широкоформатные листы, состоящие из матрицы, содержащей волокна. Эти полуфабрикаты могут быть при укладке сориентированы в одном направлении или перекрестно, уложены друг на друга и сформированы в изделия диффузионной сваркой или другим термомеханическим методом.

В специфических условиях использования в авиационной и космической технике КМ с металлической матрицей имеют определенные преимущества по сравнению с КМ с полимерной матрицей по своим высокотемпературным свойствам, стойкости к воздействию повышенной влажности, эрозии.

Методы производства композиционных материалов с металлической матрицей удобно классифицировать, разделив их на три основные категории процессов: твердофазные, жидкофазные и осаждения.

Свойства композиционных материалов в большой степени определяются армирующим материалом, его видом (волокно, проволока), количеством и ориентацией в матрице.

Неметаллические волокна - борные, углеродные, карбида кремния, оксида алюминия, оксида циркония, нитевидные кристаллы карбида и нитрида кремния, оксида и нитрида алюминия и др. Металлические армирующие - волокна (проволока) бериллия, вольфрама, молибдена, стали, титановых и других сплавов.

Наиболее широкое применение в качестве матрицы КМ получил алюминий, так как именно он определяет в первую очередь те самые удельные (т. е., отнесенные к плотности) характеристики композиционных материалов, благодаря которым эти материалы считаются перспективными во многих областях новой техники.

Весьма перспективными для применения в различных отраслях техники являются композиционные материалы на основе алюминия, армированные высокопрочной стальной и бериллиевой проволокой, имеющие высокие прочностные характеристики и сравнительно малую стоимость.

В аэрокосмической технике находят все более широкое применение жаропрочные КМ, которые могут работать в условиях высоких температур и знакопеременных нагрузок. В этом случае малая плотность конструкционного материала не имеет такого большого значения, как его способность работать при более высоких температурах.

При испытаниях на длительную прочность измеряется высокотемпературная прочность КМ и ее стабильность в условиях действия постоянной нагрузки.Такие испытания КМ не только выявляют преимущества и недостатки в их изготовлении (эти вопросы в некоторой степени решаются при испытаниях на растяжение), но также и совместимость их компонентов в условиях испытания (т. е. под воздействием напряжений при высоких температурах в течении различных периодов времени).

Среди композиционных материалов с магниевой матрицей наиболее интересными являются материалы, упрочненные борными волокнами, поскольку именно в магниевой матрице удается наиболее полно реализовать высокие прочностные характеристики борных волокон.

В конструкции летательных аппаратов все более широко начинают применяться полимерные композиционные материалы, которые по сравнению с традиционными сплавами имеют ряд преимуществ, позволяющих значительно снизить массу, повысить прочность, жесткость, теплостойкость конструкций. При создании таких материалов применяют непрерывные и дискретные поликристаллические волокна и нитевидные кристаллы бора, углерода и различных соединений (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.). Из большого числа разработанных полимерных КМ наиболее перспективными являются КМ на основе углеродных волокон, т. е. углепластики. К основным преимуществам углепластиков следует отнести: сравнительно малую плотность, высокую статическую прочность и сопротивление усталости, жесткость, коррозионную стойкость, износостойкость, малый коэффициент температурного расширения и электропроводность.

В конспект выпишите основные процессы, из которых состоит производство композиционных материалов и примерную классификацию композиционных материалов. Выпишите наиболее распространенные детали из композиционных материалов и укажите область их применения.

Вопросы для самоконтроля

1. Достоинства композиционных материалов.

2. Как делят композиционные материалы по способу их получения?

3. Расшифруйте марки материалов САП -1, КАС -1. Укажите их область применения, состав и свойства.