Естественные композиты

В естественных композиционных материалах упрочняющая фаза кристаллизуется в виде иголок (нитевидных кристаллов), стерженьков, пластинок или зернистых включений. По виду структура этих материалов мало отличается от структуры искусственных волокнистых и слоистых композиций, но имеет ряд важных особенностей. В естественных композициях упрочнители по механическим свойствам почти не отличаются от нитевидных кристаллов ("усов"), имеющих уникально высокие механические свойства. Другими особенностями являются исключительно хорошее сопряжение матрицы с упрочнителем и высокая термодинамическая стабильность структуры. Поэтому эффект композиционного упрочнения в таких материалах сохраняется при нагревании до высоких температур (вплоть до 0,9 Т_пл). Высокая стабильность структуры этих материалов при рабочих температурах обеспечивает значительное сопротивление ползучести и выгодно отличает их от традиционных жаропрочных сплавов.

По характеру матричных фаз различают две группы материалов:

- композиции с пластичной матрицей и прочными, твёрдыми, но более хрупкими включениями упрочняющей фазы;

- материалы с хрупкой матрицей и пластичными волокнами.

По геометрической форме включений упрочняющей фазы композиции подразделяют на:

- волокнистые — обладают высоким пределом прочности, достаточно высокой вязкостью разрушения при этом они имеют по сравнению с высокопрочными сплавами меньшую чувствительность к концентраторам напряжений и более высокое сопротивление усталостному разрушению;

- пластинчатые — отличаются большим объёмным содержанием упрочняющей фазы, по эффекту упрочнения такие композиции уступают волокнистым, особенно при растяжении под углами 45 и 90° к плоскости пластинок;

- зернистые (дисперсно-упрочненные) —в таких композициях с помощью деформационно-термической обработки получается направленную структуру с сильно вытянутыми зёрнами. Дисперсно-упрочненные материалы выгодно отличаются от традиционных значительным сопротивлением ползучести и высокой жаропрочностью.

По расположению включений упрочняющих фаз композиты делятся на:

- однонаправленные, в них включения упрочняющей фазы ориентированы по направлению действия растягивающих сил и поэтому достигается максимальный эффект композиционного упрочнения. Однонаправленные композиционные структуры получают чаще всего направленной кристаллизацией эвтектик, которые по структуре делят на пластинчатые и волокнистые. Упрочняющими фазами в НКЭ могут быть как карбиды, так и интерметаллиды, в настоящее время получены и используются Ni-ТаС, Со-ТаС, Ni-Ni₃Ta, Ni₃Al-Ni₃Ta, Al-Al₃Ni, Al-Al₆Mn, Al-CuAl₂ и др.

- ненаправленные (различно ориентированные), их достоинство состоит в том, что при любом направлении оси деформации значительная часть волокон всегда работает на растяжение. примером ненаправленных композиций может служить эвтектическая колония с дендритным каркасом упрочняющей фазы, причём ветви дендрита имеют форму волокон

Вопрос 6. Наноматериалы. Особенности свойств наноматериалов.

К наноструктурыым (нанокристаллическим, нанофазным, наноразмерным и т.п.) материалам относят объекты с характерным структурным размером менее 100 нм. Особые строение и свойства малых атомных агрегаций являются промежуточными между строением и свойствами изолированных атомов и массивного (объёмного) твердого тела. Малый размер зерна приводит к появлению уникальных физических, химических, механических и других свойств. Формирование нанокристаллической структуры позволяет существенно изменить физические свойства материала: повысить пределы текучести и прочности, теплоёмкость, электросопротивление, диффузионную способность материала, понизить его упругость, температуру магнитных переходов и т.п. Изменяются и свойства других структурных уровней: атомного, электронного (снижается работа выхода электронов) и ядерного. Такие эффекты наноматериалов появляются, когда средний размер кристаллических зёрен не превышает 100 нм, и наиболее отчётливо наблюдаются, когда размер зерен менее 10 нм.

Нитевидные монокристаллы (усы) и поликристаллы (волокна) обладают очень высокой прочностью, и благодаря этому их используют как наполнители лёгких композиционных материалов. Суспензии металлических наночастиц (обычно Fe или его сплавов) размером от 30 нм используют как присадки к моторным маслам для восстановления изношенных деталей автомобильных и других двигателей непосредственно в процессе работы.