8.2. Композиционные материалы

Композиционные материалы - сложные материалы, состоящие из нераство­римых или малорастворимых друг в друге компонентов, сильно отличающихся по свойствам и разделенные в матрице ярко выраженной границей.

Свойства композиционных материалов зависят от свойств компонентов и характера связи между ними. В таких материалах проявляются достоинства каж­дого из компонентов, а также положительные свойства, которыми каждый из компонентов в отдельности не обладает.

Основа (матрица) композиционного материала может быть металлической (композиционные материалы на металлической основе) и неметаллической (ком­позиционные материалы на неметаллической основе). В качестве металлической основы широко применяют алюминий, магний, никель, титан, сталь. Неметалли­ческая основа может быть полимерной, углеродной, керамической.

Матрица объединяет все компоненты композиционного материала в единое целое. От свойств матричного материала зависят такие эксплуатационные свой­ства композиции как рабочая температура, сопротивление воздействию окру­жающей среды, сопротивление усталостному разрушению.

В матрице равномерно распределены компоненты, наполняющие и упроч­няющие композиционный материал - упрочнители и армирующие материалы. Упрочняющие компоненты должны обладать высокой прочностью, твердостью, модулем упругости. По этим характеристикам они должны значительно превос­ходить материал матрицы. По геометрическим параметрам армирующие мате­риалы могут быть нуль-мерными, одномерными и двумерными.

Материалы, армированные нуль-мерными упрочнителями, называют дис­персно-упрочненными. В качестве дисперсных частиц чаще используют тугоплав­кие оксиды, карбиды, нитриды, бориды (А1₂0₃, Th0₂, SiC, BN и др.). Изготавли­вают дисперсно-упрочненные материалы с металлической матрицей главным образом методом порошковой металлургии. При работе дисперсно-упрочненных материалов основную нагрузку воспринимает матрица. Дисперсные частицы, эффективно тормозя движение дислокаций, препятствуют развитию пластиче­ской деформации и, таким образом, упрочняют композиционный материал. Сте­пень упрочнения определяется дисперсностью частиц и расстоянием между ни­ми. Большое упрочнение достигается при размере частиц 0,01 ... 0,1 мкм и рас­стоянии между ними 0,05 ... 0,5 мкм.

Среди дисперсно-упрочненных материалов широкое распространение полу­чили, например, спеченные алюминиевые пудры (САП) - материалы с алюми­ниевой матрицей, упрочненные чешуйками А1₂0₃. Содержание оксида в САП находится, в зависимости от марки, в пределах 6 ... 18%. САП обладают прочно­стью до 400 МПа (САП-3), низкой плотностью, высокой коррозионной стойко­стью. Длительная прочность σ₁₀₀ при температуре 500 °С материалов САП-1 и САП-2 составляет 45 ... 55 МПа. Наиболее высокую жаропрочность имеют мате­риалы на основе никеля с 2 ... 3 % двуокиси тория (ВДУ-1) или двуокиси гафния (ВДУ-2). При температуре 1200 °С ВДУ-1 имеет σ₁₀₀ = 75 МПа, а σ₁₀₀ = 65 МПа.

Материалы с одномерными или одномерными и нуль-мерными наполните­лями называют волокнистыми композиционными материалами. Упрочнителями в них могут быть проволока из металлов и сплавов (Мо, W, Та, высокопрочная сталь), волокна или нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавких со­единений (С, В, SiC, А1₂0₃, борсик - волокна бора с выращенными на них в целях улучшения сцепления с матрицей кристаллами карбида кремния и др.). В качест­ве матричных материалов могут выступать полимеры (эпоксидные, фенолфор-мальдегидные, полиамидные и др. смолы), керамические и углеродистые мате­риалы, металлы (Al, Mg, Ti, Ni и др.). Например, материалы с алюминиевой мат­рицей армируют стальной проволокой (материалы КАС), борным волокном (ма­териалы ВКА), углеродным волокном (материалы ВКУ).

При растяжении композиционного материала вдоль направления армирова­ния нагрузку в основном воспринимают волокна, матрица же служит средой для передачи усилия. Чем больше соотношение E\E_M (Е_ъ- модуль упругости волокна, Е_м - модуль упругости материала матрицы), и чем выше объемное содержание волокон, тем большая доля нагрузки приходится на волокна.

Временное сопротивление композиционного материала, в общем, тем выше, чем больше в нем упрочняющего компонента. Однако, при очень малых (< 5 %) и очень больших (> 80 %) содержаниях волокна наблюдается обратная зависи­мость.

Вопросы для контроля

1. Какой материал называют композиционным?

2. Какие композиционные материалы называют дисперсно-упрочненными?

3. Как зависит прочность дисперсно-упрочненных композиционных материалов от содержания наполнителя?

4. Каким методом получают дисперсно-упрочненные композиционные материалы?

5. Как влияет увеличение объемного содержания волокнистого наполнителя на прочность композиционного материала?

6. Что такое борсик?

7. К каким материалам относится САП-1?