Вопрос 5. Композиционные материалы.

Композиционными называют материалы, в состав которых входят конструктивные элементы, разделённые выраженной границей и резко отличающиеся по свойствам, например, пластичная матрица и прочный (но часто хрупкий) упрочнитель. Свойства композиционных материалов определяются свойствами и объёмными долями входящих в них составляющих, а также прочностью связей между ними. Но в общем случае такие свойства, как высокотемпературная прочность, сопротивление усталости, удельная прочность, в композиционных материалах выше, чем в обычных конструкционных сплавах.

Различают композиты:

- искусственные, уровень свойств которых реализуется подбором компонентов;

- естественные получаемые при естественном структурообразовании. Искусственные композиты могут иметь разную матрицу: металлическую (сплав или монометалл) и неметаллическую (полимерную, углеродную, керамическую). Разработаны также и полиматричные материалы, в которых чередующиеся слои матрицы могут иметь различный состав.

Компоненты, равномерно распределённые в матрице, называют армирующими наполнителями или упрочнителями. В зависимости от формы наполнителя композиты делят на:

- дисперсно-упрочненные — равноосные частицы наполнителя ориентированы беспорядочно;

- волокнистые — оси волокон могут быть ориентированы вдоль одного из направлений (однонаправленные композиты) в нескольких направлениях (двух и более) или без ориентации в определенном направлении (неориентированные композиты);

- слоистые — слои могут быть заполнены расположенными упорядочение в плоскости частицами либо волокнами, уложенными в параллельных плоскостях.

Иногда в одном композиционном материале используют несколько различных наполнителей. Такие композиционные материалы называют полиармированными.

В зависимости от расположения упрочнителя проявляется и анизотропия свойств композиционного материала. Наибольшего упрочнения достигают при одноосном расположении волокон, ориентированных в направлении приложения нагрузки. К упрочнителям предъявляют определённые требования. Они должны обладать высоким модулем упругости, высокой прочностью, термостойкостью, химической инертностью по отношению к матрице.

Искусственные композиты с металлической матрицей

В дисперсно-упрочненных композиционных материалах наполнителями служат частицы оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других соединений (А1₂О₃, BeO, SiC, BN, В₄С). Обычно такие материалы изготавливают порошковым методом. Жаропрочность их составляет до 1 200 °С. Из числа дисперсно-упрочненных материалов на алюминиевой основе промышленное использование получили так называемые САП (спечённая алюминиевая пудра). Сплавы состоят из алюминиевой матрицы, в которой распределены частицы оксида алюминия А1₂О₃. В различных САП размер частиц изменяется в пределах 10–50 мкм, а их объёмная доля — от 6–8 до 18–22 %. Прочность сплавов возрастает с увеличением объёмной доли оксида. В промышленности используют и дисперсно-упрочненные жаропрочные композиты с матрицами на титановой, никелевой и алюминиевой основах. Разработаны и композиционные коррозионно-стойкие сплавы. Многие карбиды (TiC; ZrC; Мо₂С), нитриды (TiN, ZrN, NbN, TaN), бориды (TiB₂, VB₂, CrB₂, Mo₂B₂), силициды (VSi₂, TiSi₂, Mo₃Si, TaSi₂) обладают высокой коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах, но хрупки и нетехнологичны, поэтому создают композиционные материалы с пластичной и одновременно коррозионно-стойкой матрицей. Композиты, включающие в качестве наполнителя перечисленные соединения, получили в литературе наименование керметов. К коррозионно-стойким композитам относят также ферротитаниды (основа — легированные сплавы на основе Fe, упрочняющая фаза — 10–75% TiC от объёма). Ферротитанид, легированный Cr, Mo, W, А1 и Ni, используют для подшипников и шаров мельниц, работающих в агрессивных условиях. Сплавы с легированной железной матрицей, упрочнённые карбидами TiC, NbC, VC, используют как коррозионно-стойкие и износостойкие, в частности, для изготовления инструмента, применяемого при вальцовке в консервной промышленности.

Волокнистые композиционные материалы. Упрочнителями таких материалов являются волокна неметаллических материалов (С, В), тугоплавких соединений (А1₂O₃, ThO₂, SiC) или проволока из тугоплавких металлов (W, Мо и др.). Диаметр волокон может быть 1–50 мкм (нитевидные монокристаллы), а диаметр проволоки обычно составляет доли миллиметра. Длина волокон в десятки раз превышает их диаметр. Волокнистые материалы анизотропны. При одинаковой объёмной доле упрочнителя более высокую прочность обеспечивают волокна большей длины. При высоких температурах длительная прочность волокнистых композитов выше, чем дисперсно-упрочненных или стареющих жаропрочных сплавов. В промышленности волокнистые композиты используют большей частью для изготовления деталей простой формы (пластин, клиньев, колец и т.п.). Нашли применение волокнистые композиты с алюминиевой матрицей, армированной проволокой из коррозионно-стойких (нержавеющих) сталей либо борными и углеродными волокнами. Для повышения модуля упругости алюминиевых композитов используют борные волокна. Применяются также волокниты на основе титановых сплавов. Для упрочнения применяют молибденовую проволоку, а также волокна WC и А1₂O₃ при их объёмной доле 25–30%. Армированные титановые сплавы способны работать до температуры 540 °С. Наибольшее применение композиционные сплавы на алюминиевой и титановой основах находят в авиации и космической технике, где требуется высокая удельная прочность. Их применяют также в машиностроительной, химической и других отраслях промышленности.