3.7.1.2. Волокнистые композиционные материалы

В волокнистых композиционных материалах армирующими наполнителями служат волокна или нитевидные кристаллы из чистых элементов и тугоплавких соединений (B, C, Al₂O₃, SiC и др.), а также проволока из металлов и сплавов (Mo, W, Be, высокопрочная сталь и др.). Для армирования композиционных материалов используют непрерывные или дисперсные волокна с диаметром от долей до сотен микрометров.

В настоящее время находят применение волокнистые композиционные материалы на алюминиевой, магниевой, титановой и никелевой основе.

А. Волокнистые композиционные материалы на алюминиевой основе

Нашедшие практическое применение композиционные материалы с алюминиевой матрицей чаще всего армируют стальной проволокой, борными или углеродными волокнами. В качестве матрицы (основы) используют как технический алюминий (типа АД1), так и сплавы (АМг 6; В 95; Д 20 и др).

Армирование технического алюминия проволокой из стали ВНС 9 диаметром 0,15 мм (σ_в=3600 МПа) увеличивает прочность материала (σ_в) в 10 – 12 раз при содержании наполнителя 25 (об. %) и в 14 – 15 раз при содержании проволоки 40 (об. %). При дальнейшем увеличении объемного содержания наполнителя прочность композита уменьшается. Применение для армирования стальной проволоки меньшего диаметра (с σ_в=4200 МПа) позволяет получить композиционные материалы с σ_в=1750 МПа. Таким образом, алюминий, армированный стальной проволокой [25 – 40 (об. %)] по основным свойствам заметно превосходит даже прочные алюминиевые сплавы и выходит на уровень свойств титановых сплавов. При этом плотность композиций составляет 3,9 – 4,8 т/м³.

Упрочнение алюминия и его сплавов более дорогими борными волокнами повышает стоимость композита, но при этом улучшаются его некоторые свойства. Промышленное применение нашёл материал ВКА-1, содержащий 50% (об.) непрерывных высокопрочных и высокомодульных волокон бора. По модулю упругости (Е) и прочности (σ_в) в интервале температур 20 – 500ºС он превосходит все стандартные алюминиевые сплавы, в том числе высокопрочные (В 95) и жаропрочные (АК 4-1).

Композиционные материалы на алюминиевой основе, армированные углеродными волокнами (ВКУ), дешевле и легче материалов с борными волокнами. И хотя ВКУ уступает последним по прочности (σ_в), их удельные прочности [σ_в /(ρ·g)] довольно близки (42 и 45 км соответственно). Однако надо иметь в виду, что изготовление композиционных материалов с углеродными волокнами связано с большими технологическими трудностями. Углерод при нагревании взаимодействует с металлическими матрицами, что приводит к снижению прочности материала. Для устранения указанного недостатка применяют специальные покрытия углеродных волокон.

Б. Волокнистые композиционные материалы на магниевой основе

Материалы с магниевой матрицей имеют меньшую плотность (ρ=1,8 – 2,2 т/м³) при примерно такой же прочности (σ_в=1000 – 1200 МПа) по сравнению с материалами на алюминиевой матрице, поэтому первые имеют более высокую удельную прочность по сравнению со вторыми. Деформируемые магниевые сплавы (МА 2 и др.), армированные борным волокном [50 (об. %)], имеют удельную прочность (разрывную длину) более 50 км. Удельная прочность магниевых материалов увеличивается благодаря легированию матрицы легким литием (ρ=0,55 т/м³), а также в результате использования более легкого углеродного волокна. Однако использование углеродного волокна усложняет технологию приготовления и без того малотехнологичных сплавов.

В. Волокнистые композиционные материалы на титановой основе

При создании композиционных материалов на титановой основе встречаются трудности в связи с необходимостью применения нагрева до высоких температур. При температурах переработки титановая матрица становится активной и начинает химически взаимодействовать с многими упрочнителями: бором, карбидом кремния, оксидом алюминия и др. В результате снижается прочность как самих армирующих волокон, так и композиционных материалов в целом. Для упрочнения материалов с титановой матрицей применяют проволоку из бериллия и керамические волокна из тугоплавких оксидов (Al₂O₃), карбидов (SiC), а также проволоку или волокна из тугоплавких металлов с большим модулем упругости и высокой температурой рекристаллизации (Mo, W). Целью армирования при этом является не увеличение удельной прочности (и без того высокой), а увеличение модуля упругости (Е) и рабочих температур.

Г. Волокнистые композиционные материалы на никелевой основе

Основная задача при создании конструкционных материалов на никелевой основе заключается в повышении рабочих температур до 1000ºС и более. Одним из лучших армирующих материалов для решения указанной задачи является вольфрамовая проволока. Введение вольфрамовой проволоки в количестве от 40 до 70 об. % в сплав никеля с хромом обеспечивает σ₁₀₀¹⁰⁰⁰ в пределах 130 – 250 МПа, тогда как лучший неармированный никелевый сплав, предназначенный для работы в аналогичных условиях, имеет σ₁₀₀¹⁰⁰⁰=75 МПа. Армирование этого сплава проволокой из сплавов вольфрама с рением или гафнием позволяет увеличить показатель на 30 – 50%.