8. Применение композиционных материалов в технике.

Широкое применение композиционных материалов в различных областях техники обусловлено высоким уровнем их эксплуатационных свойств, значительно превышающим таковой для традиционно используемых металлов и сплавов. Особенно перспективны композиционные материалы в качестве изделий высокотемпературной техники (выше 1000⁰С), способных работать в условиях воздействия термомеханических напряжений, ударных нагрузок и различных газовых сред. Они сочетают в себе высокую прочность и удельную жесткость, малую чувствительность к концентраторам напряжений и высокое сопротивление усталостному разрушению, а также значительную ударную вязкость, жаропрочность и износостойкость. Кроме того, они способны совмещать повышенные электрофизические, антифрикционные, теплозащитные, эрозионностойкие, радиопрозрачные и радиопоглощающие свойства.

Композиционные материалы используются в авиационной, ракетной и космической технике. Первые расчеты для оценки эффективности применения композиционных материалов в авиации проводились американскими конструкторами. Было показано, что применение алюминиевых сплавов, упрочненных волокнами бора (боралюминиевый композиционный материал), в планере самолета F-106A позволило бы снизить его массу с 3860 до 2990 кг, то есть на 23%, в том числе массу фюзеляжа и стабилизатора на 28%, крыльев – на 25% и элеронов – на 11%. Такое снижение массы позволяет увеличить на 115% полезную нагрузку самолета без уменьшения скорости и дальности полета, а также повысить его скоростные возможности. К тому же времени относится начало проработки возможности применения титановых и алюминиевых сплавов, армированных волокнами бора и борсика, в обшивках фюзеляжа транспортного самолета, в створках ниши шасси, панели крыла самолета F-111, в верхней и нижней обшивках и в отсеке концевой части крыла самолета «Нортроп F – 5», закрылках самолета «F – 4 Макдоннелл – Дуглас”, предкрылков самолета «Локхид С-5А», в конструкции внешней обшивки горизонтального стабилизатора истребителя F-14 и руля высоты самолета CV1101C. Отметим, что для выравнивания анизотропии боралюминиевого композита, в материал наряду с продольными волокнами бора, воспринимающими основную нагрузку, вводят проволоки из высокопрочных нержавеющих сталей, увеличивающие поперечную прочность. Для иллюстрации на рис. 8.1 показан элемент конструкции самолета F-111 - переборка фюзеляжа, каркас которой выполнен из титанового сплава и подкреплен профилями различного сечения из боралюминия.

Композиционные материалы типа - матрица (алюминиевый сплав), армированная бериллиевыми или борными волокнами, можно применять в качестве авиационной брони. Большое значение в авиакосмической технике имеют материалы с повышенным сопротивлением знакопеременным и циклическим нагрузкам. Такими композитами, удовлетворяющими этим требованиям, являются Al (матрица) – стальная проволока, Al (матрица) – борные или бериллиевые волокна. Из них изготавливают корпусные детали ракет и топливные баки.

Американские разработчики Дж. С. Тоз, В. Д. Брентналл и Г. Д. Менке первыми опубликовали данные о возможности применения боралюминиевых композиций на космических летательных аппаратах в узлах конструкций, подвергающихся нагреву от реактивной струи двигателя, в герметических кабинах экипажа, для элементов жесткости панелей с солнечными генераторами энергии, кожухов, юбок реактивного двигателя, удлинителей, промежуточных конструкций между ступенями баллистических ракет. Расчеты показывают, что применение боралюминия в виде панелей фюзеляжа размером 1200 х 1500 мм, состоящих из одиннадцати стрингеров и обшивки в орбитальной ступени космического летательного аппарата, позволило бы уменьшить ее массу на 1200 кг. В 1968 году из боралюминия была впервые изготовлена крупногабаритная конструкция переходного отсека ракеты «Атлас» диаметром 1200 мм и высотой 2100 мм (рис. 8.2 и 8.3). Это обеспечило снижение массы на 45% по сравнению с алюминиевой конструкцией.

Японский исследователь Фурута Тосиясу изучал возможные области применения углеалюминиевых композиционных материалов. Он отмечал, что вследствие их конкурентоспособными по стоимости с обычными металлическими сплавами возможно применение таких композитов в качестве элементов конструкций летательных аппаратов. Это обусловило возможность начала их применения в качестве подкрепляющих жесткостных элементов вертолета СН-47 и в деталях ракеты «Трайдент». Из углеалюминия возможно изготовление деталей крыла и обшивки самолетов, лонжеронов, опор и лопастей вертолетных винтов. Благодаря высокой жаропрочности углеалюминия, его можно использовать в качестве деталей оболочек корпусов и для лопаток компрессоров

авиационных газотурбинных двигателей. Следует отметить, что легкие композиционные материалы с алюминиевой матрицей, армированной высокопрочными и высокомодульными углеродными волокнами, хотя и обладают пределом прочности немногим выше предела прочности лучших промышленных алюминиевых сплавов, однако, имеют значительно более высокий модуль упругости (14  10⁴ - 16  10⁴ МПа, вместо 7  10⁴ МПа) при меньшей плотности (2300 вместо 2750 кг/м³). Удельная прочность углеалюминиевой композиции – 35 км, а у алюминиевых сплавов – не более 20 км. Удельная жесткость углеалюминиевого композита в 2,5 раза выше, чем у стандартного алюминиевого сплава (6250 км, вместо 2550 км).

Согласно данным американского ученого Вуба в конструкции «Шаттла» использовано около 300 теплозащитных панелей, изготовленных из композиционного дисперсноупрочненного материала ТД – нихром. Для этого летательного космического аппарата изготовлено около 250 трубчатых опор и стабилизаторов из боралюминия, предназначенных для применения в центральной части конструкции фюзеляжа. Замена этими элементами соответствующей алюминиевой конструкции обеспечивает снижение массы на 45%. Детали из боралюминия соединены с фланцами из титанового сплава диффузионной сваркой, а фланцы, в свою очередь, с титановыми фитингами – электронно-лучевой сваркой. Общее снижение массы заменяемых деталей составило 82 кг.

Особо важное значение имеет применение композиционных материалов в авиационном двигателестроении. Это обусловлено потенциальной возможностью существенного повышения к.п.д. газотурбинного двигателя (ГТД) даже при малом допустимом увеличении температуры газа перед входом в турбину. Схематически ГТД показан на рис. 8.4. Следует отметить, что наиболее теплонагруженными деталями ГТД являются рабочие и сопловые лопатки турбины, так как они воспринимают на себя удар горячих газов, температура которых часто превышает температуру плавления современных жаропрочных сплавов. Наиболее жаропрочные стареющие никелевые сплавы могут работать только до 1050⁰С, для них температура 1100⁰С (0,8 от температуры плавления), по-видимому, является предельной. Увеличение рабочей температуры до 1200 – 1300⁰С заставляет применять в ГТД различные способы охлаждения конструкций из используемых в настоящее время никелевых и кобальтовых сплавов. При этом усложняется геометрия рабочих и сопловых лопаток турбины, увеличиваются размеры и мощность компрессора двигателя. В связи с изложенным, становится ясно, что обеспечить работу газовой турбины без охлаждения, или по крайней мере, с охлаждением, не требующим больших конструктивных усложнений ГТД, можно путем использования специальных высокожаропрочных композиционных материалов.

На разработку таких материалов направлены усилия многих ученых, работающих в области создания новых композиционных материалов. Известно, например, что первые успешные работы в этом направлении были связаны с изготовлением из сплава ТД – нихром сопловых лопаток первой ступени турбины низкого давления двигателя F – 101, предназначенного для стратегического бомбардировщика В – 1. Имеются сведенья о применении в качестве материала для лопаток сплава никеля и хрома, армированного нитевидными кристаллами Al₂O₃.

Положительные результаты стендовых испытаний позволили уже в 1974-1975 годах приступить к летным испытаниям турбо-

вентиляторного двигателя, лопатки третьей ступени которого были полностью выполнены из боралюминия. Летные испытания проводились на самолете F-111B. Программа испытаний включала полеты самолета с двумя двигателями, оснащенными лопатками из композиционного материала. Лопатки были изготовлены из алюминиевого сплава 6061, армированного волокнами борсик. Замковая часть лопаток в виде «ласточкина хвоста» была изготовлена из титана. Передняя кромка лопатки имела никель-кобальтовое покрытие, осажденное электрохимическим способом на готовую лопатку и предназначенное для защиты от повреждения посторонними предметами, например, обломками элементов турбины. Лопатки из композиционного материала на 40% легче вентиляторных лопаток, изготовленных из титана. Расчеты показали, что применение этих лопаток позволит снизить массу двигателей на 15 – 20%.

Однако, следует признать, что изготовление элементов ГТД из композиционных материалов является сложной задачей. Это связано с тем, что наряду с высокой статической и длительной прочностью во всем температурном интервале, материал турбин должен обладать рядом других, иногда трудносовместимых свойств. Ниже перечислены эти свойства.

1. Высокая жаростойкость, необходимая для того, чтобы противостоять интенсивному окислительному действию газового потока. При этом, следует учесть, что во избежание перегрева турбины, сжигание топлива производят со значительным избытком воздуха. Кроме того, в газовом потоке содержатся продукты сгорания серы и ванадия, присутствующие в топливе. К тому же, воздух, а особенно морской, имеет в своем составе NaCl. Эти газообразные вещества оказывают интенсивное коррозионное воздействие на материал турбины.

2. Высокая стойкость к тепловым ударам. Это свойство также часто называют термостойкостью. Оно определяет способность материала противостоять разрушению при воздействии значительных термических напряжений вследствие высокоскоростного нагрева и охлаждения.

3. Высокая ударная вязкость. Она необходима для того, чтобы выдержать без разрушения соударение с твердыми частицами, возможно с обломками элементов турбины.

4. Высокое сопротивление усталостному разрушению. Оно обеспечивает способность материала выдерживать много- и малоцикловые знакопеременные напряжения.

5. Высокое сопротивление сдвигу и достаточная вязкость разрушения. Особенно это важно уже при средних температурах (500 –700⁰С) у основания лопатки, где имеет место сложное трехосное напряженное состояние.

6. Длительная стабильность структуры. Она должна обеспечиваться при длительной эксплуатации в области высоких температур, а также при наличии высоких температурных градиентов (до 1000⁰ К/см), развивающихся при охлаждении лопаток.

7. Экономичность производства и однозначная воспроизводимость свойств.

Весьма перспективным материалом для изготовления элементов ГТД считаются направленно закристаллизованные эвтектические композиции. В результате начальных технологических разработок (1965 – 1971 гг) были получены такие эвтектические композиции на основе никеля и кобальта, упрочненные нитевидными кристаллами монокарбидов или пластинчатыми частицами высокопрочных интерметаллидных фаз. Можно сказать, что это время ознаменовалось появлением нового класса перспективных высокотемпературных материалов, которые часто называли «эвтектические сверхжаропрочные сплавы». Выделяют три основные группы эвтектических сплавов, которые могут удовлетворять вышеперечисленным свойствам: 1) Ni (Al,Cr) – Ni₃Nb – t_пл 1270-1280⁰С, _в =1130 – 1230 МПа ; 2) Co (Ni, Cr, Al) – TaC - t_пл 1360-1402⁰С, _в =1650 МПа; 3) Co, Cr – (Cr, Co)₇C₃ - t_пл 1330⁰ С, _в =1280 МПа. Каждая из этих групп имеет свои достоинства и недостатки, при этом, сплавы групп 1 и 2 наиболее пригодны для авиационных двигателей, где требуется повышенная прочность, а сплавам группы 3 свойственна высокая жаростойкость. Наиболее высокая температура плавления (то есть температура образования расплава эвтектического состава) среди металлических и интерметаллидных композиций свойственна системам Ni – W (t_пл 1500⁰С), Co – Co₇W₆ (t_пл 1480⁰С), Co – CoAl (t_пл 1400⁰С). Изучена также бинарная оксидная эвтектическая композиция Al₂O₃ – ZrO₂ с температурой плавления 1890⁰С. Однако, ее применение в качестве элементов ГТД сдерживается хрупкостью, присущей оксидным керамическим композитам, а также сложностью и высокой стоимостью механической обработки керамики алмазным инструментом. При этом, весьма проблематичным является решение вопроса о надежном соединении керамических деталей с сопрягаемыми деталями из металлических сплавов.

В металлургии используются композиционные огнеупорные материалы для футеровки печей (это, как правило, керамические композиты с матрицей из Al₂O₃, ZrO₂, SiC, Si₃N₄, SiO₂), для кожухов, наконечников термопар, погружаемых в жидкий металл (ZrO₂ – Mo). Эффективность применения этих композитов заключается в увеличении срока службы металлургического оборудования.

В горнорудной промышленности из композиционных материалов на основе тугоплавких соединений (WC-Co, SiC, ZrO₂) изготавливают буровой инструмент, коробки буровых машин, детали буровых комбайнов, транспортеров. Эффективность их применения заключается в высокой абразивной стойкости и износостойкости композитов.

В химической промышленности композиционные материалы со свинцовой матрицей, армированной углеродными волокнами, применяют при производстве батарей и аккумуляторов. Эти материалы имеют особое значение, так как приобретают конструкционные свойства. Так, предел прочности и модуль упругости свинца равен 14 МПа и 14  10³ МПа соответственно. Армирование свинца углеродными волокнами позволяет повысить указанные свойства более, чем на порядок. В этом случае возможно расширение области применения композитов на основе свинца в химической, строительной и машиностроительной отраслях. Из них изготавливают оборудование и аппаратуру, обладающие высокой стойкостью в агрессивных средах, позволяющие подавлять звуковые колебания, поглощать гамма-излучение и выполнять другие функции.

В автомобильной промышленности использование композиционных материалов представляет интерес для легкового и грузового транспорта. Здесь эффективно их применение для облегчения кузовов, изготовления коробок передач, поршней цилиндров, передаточных механизмов, трубчатых элементов, охватывающих стальной сердечник ведущего вала двигателя, рессор, шасси с усиливающими элементами. Это, как правило, волоконно-армированные композиционные материалы с матрицей из алюминиевого сплава и волокнами из бора или стали. Целесообразность применения композитов заключается в снижении массы, повышении прочности деталей, увеличении грузоподъемности и проходимости машин, уменьшении расхода резины и горючего и соответственно в увеличении срока эксплуатации транспорта. Высокая эффективность применения указанных материалов в автомобильной промышленности заключается в сочетании высокой жесткости, циклической прочности и вибростойкости при малой плотности. Применение деталей из композиционных материалов взамен стальных деталей повышает в 2-3 раза удельные прочность и жесткость, значительно снижая материалоемкость автомобильных конструкций.

В сельскохозяйственном машиностроении из композиционных материалов изготавливают режущие части плугов, дисковых косилок, детали тракторов. Это позволяет увеличить срок службы сельскохозяйственной техники.

В электротехнической промышленности из композиционных материалов изготавливают электроконтакты, электроды, магниты, электроизоляционные материалы, а также провода силовых линий, железнодорожной сигнализации и автоблокировки. Применение стальной проволоки и волокон бора в качестве сердечников медных проводов в высоковольтных линиях электропередач увеличивает прочность проводов и уменьшает расход меди. Достигается также уменьшение провисания проводов и повышение надежности и срока службы.

В ядерной технике алюминиевый сплав, армированный стекловолокном, содержащим оксид урана, обладает повышенной прочностью при температуре 550⁰С и может быть использован в качестве топливных пластин реакторов.

В машиностроительной отрасли композиты широко применяются в качестве уплотнительных, антифрикционных и износостойких материалов. Например, каркас из волокон молибдена или стали, пропитанный медью или серебром является хорошим уплотнительным материалом, выдерживающим при температуре 650⁰С давление 32 МПа. Для изготовления подшипников, работающих без смазки, успешно опробован антифрикционный композиционный материал на основе свинца, армированного 20% об проволокой из нержавеющей стали или оловянной бронзы. В космических условиях, где применение обычной смазки в узлах трения невозможно, можно применять композиты с металлической матрицей, армированной нитевидными кристаллами Al₂O₃, либо металлогафитовые композиционные материалы. В качестве износостойкого материала в коробках передач, дисковых муфтах, направляющих пусковых устройствах и других тяжелонагруженных механизмах можно использовать композиты с металлической матрицей, армированной нитевидными кристаллами или волокнами SiC.

В качестве металлообрабатывающих резцов, называемых также сменными неперетачиваемыми пластинами, используются керамические композиционные материалы с алюмооксидной матрицей, армированной включениями частично стабилизированного диоксида циркония, либо нитевидными кристаллами карбида кремния. Использование таких резцов позволяет производить на токарном станке высокоскоростную чистовую обработку металлов и сплавов без применения СОЖ.

В сварочной технике могут применяться армированные присадочные материалы. Например, алюминий или его сплав с 4% меди, армированный небольшим количеством волокон Al₂O₃ или SiC, успешно используется для сварки плавлением алюминия и его сплавов. Армирующая фаза при сварке переходит в сварочный шов, обеспечивая его упрочнение.

В судостроительной промышленности применение композиционных материалов весьма целесообразно для деталей корпусов облегченных судов, судовых турбин, оболочек глубоководных аппаратов. Применение таких композиций увеличивает грузоподъемность и срок службы.

В медицинской промышленности из композиционных материалов изготавливают различные детали аппаратуры, медицинские приборы, инструмент для зубопротезирования. Металлокерамические зубные протезы – это тоже пример использования композитов в медицине.

В строительстве весьма эффективно применение композиционных материалов. Из них изготавливают элементы транспортабельных промышленных сооружений и жилых домов, например, панели из алюминиевых каркасов, заполненные углеродными материалами. Указанные панели имеют преимущества перед обычными строительными материалами. Они легки, а потому хорошо транспортабельны, кроме того, они обладают способностью обогрева за счет электропроводности углеграфитовых заполнителей. К тому же они являются хорошими тепло- и звукоизоляционными материалами.

Для бытовой техники из композиционных материалов изготавливаются рамы гоночных велосипедов, лыжи для аэросаней, спортивный инвентарь, шлемы для мотоциклистов, игрушки, детали стиральных машин и бытовых приборов.

В заключение следует отметить, что здесь приведен основной, но далеко не исчерпывающий перечень областей использования композиционных материалов в технике. Эффективность их использования в настоящее время настолько велика, что это несомненно предопределяет все большее внедрение композитов в ближайшей перспективе в различные отрасли промышленности.