Композиционные материалы. Учебное пособие

совершенно новый материал с заранее заданными свойствами, отличными от свойств компонентов.

Классификация по структуре композита предполагает деление соответственно с каркасной, матричной, слоистой и комбинированной структурой.

Каркасная структура характерна для пористой матрицы, например, как у псевдосплавов, созданных методом пропитки жидким компонентом. Матричная структура характерна для дисперсно-упрочненных композитов, у которых матрица непрерывна, а слоистую структуру имеют композиты, у которых волокнистый или листовой материал расположен послойно, а связующим является матрица.

Исходя из названия такой структуры как комбинированная, такая структура относится к материалам, содержащим совокупность из каркасных, матричных или слоистых структур. Например, говоря о псевдосплавах с каркасной структурой,

упрочняя ее дисперсной фазой, можно сказать о сочетании этой структуры с матричной. На рисунке 4 представлены композиты, сочетающие разные армирующие, поэтому называющиеся полиармированные, и композиты,

сочетающие более двух матриц, поэтому называющиеся полиматричные. Здесь же представлены композиты, сочетающие несколько матриц и армирующих элементов,

которые создают при получении изделия. Такие композиты называются гибридными и прежде, чем создавать такой материал, необходимо определить сочетание элементов, чтобы наиболее полно использовать необходимые их свойства для изделия.

а – полиармированные; б – полиматричные; в – гибридные Рисунок 4 – Схема комбинированных композиционных материалов:

11

По схеме расположения упрочнителя, композиционные материалы делят на одноосные, когда наполнитель ориентируют в направлении одной оси, т.е. в одну линию. Двухосные композиты, когда наполнитель ориентирован по двум осям или,

можно сказать, имеет плоскостное расположение и трехосные или объемные, когда наполнитель ориентируют по осям X,Y,Z в пространстве (рисунок 5).

Рисунок 5 – Схемы расположения упрочнителя в КМ Продолжая рассмотрение принципов деления КМ, необходимо уделить

внимание конструктивным особенностям материала. В этом плане предполагается исходить из схемы армирования. Такая классификация называется конструкционной.

Рассматривая структурные признаки композитов, ранее говорилось о направленности наполнителя. Если наполнитель расположен в матрице хаотично, т.

е. хаотично-армированный композиционный материал, то в этом случае можно говорить об изотропности материала. Такой композит имеет одинаковые свойства во всех направлениях. Если же наполнитель ориентирован в каком-либо направлении или дисперсный материал имеет неоднородное распределение в

12

объеме, то такой композит анизотропный и имеет зависимость свойств от

направленности армирующего элемента.

а– хаотично-армированные: 1 – короткие волокна; 2 – непрерывные волокна;

б– одномерно-армированные: 1 – однонаправленные непрерывные; 2 –

однонаправленные короткие; в – двумерно-армированные: 1 – непрерывные нити; 2

– ткани; г – пространственно-армированные: 1 – три семейства нитей; 2 – n

семейств нитей Рисунок 6 – Конструкционный принцип систематизации КМ

С другой стороны все выше сказанное систематизируют как хаотично-

армированные и упорядоченно-армированные композиционные материалы, что и отражено на рисунке 6. На этом же рисунке показано их деление по схеме расположения арматуры, плоскостной или объемной.

Однако композит может быть армирован в небольшом объеме с направленностью, а в целом эти объемы расположены хаотично. Такие материалы называются квазиизтропными.

Надо отметить, что анизотропия создается при разных условиях:

искусственно созданная для придания заранее заданных свойств, называется конструкционной, созданная в результате технологических особенностей

13

соответственно технологической, а если анизотропия возникла в результате протекания физических процессов, например, кристаллизации, называется физической анизотропией.

Существует систематизация КМ по способам их производства, которая называется технологическая. Основные способы производства композитов это жидкофазный, твердофазный и осаждения-напыления. Сочетание этих способов позволяет получить материал комбинированной технологией. Соответственно композиты, полученные по той или иной технологии, классифицируются по названию способа (рисунок 7).

Жидкофазный способ производства включает пропитку и направленную кристаллизацию сплавов, а твердофазный – прокатку, штамповку, волочение,

экструзию и многое другое, предполагающее использование порошков или тонких листов, например, фольги.

Само название способа осаждения-напыления предполагает действия,

заложенные в названии. Последовательность операций предполагает нанесение матрицы на волокна из каких-либо соединений, парогазовой фазы, растворов солей и т.д.

Примером комбинированной технологии может служить использование плазменного напыления в качестве предварительной операции, а прокатку – как окончательную обработку.

Эксплуатационный принцип, положенный в основу классификации КМ,

говорит о себе уже по определению. Такой принцип не совсем точен, ведь композиты многофункциональны и их эксплуатация очень широка. Но, тем не менее, деление предполагает материалы общеконструкционного назначения,

термостойкие, жаропрочные, фрикционные и антифрикционные, ударопрочные,

теплозащитные и материалы со специальными свойствами и др.

Разобрав классификацию, относящуюся к матрице, перейдем к делению КМ по природе наполнителя.

14

Различают органические и неорганические вещества природного или

искусственного происхождения, дисперсно-наполненные композиты, материалы на

основе коротких и непрерывных волокон и армирующие волокна.

Композиционный материал, полученный

комбинированными методами

Рисунок 7 – Технологическая систематизация КМ

Органические и неорганические вещества природного или искусственного происхождения характеризуются зависимостью свойств от материала наполнителя и соотношения его в матрице. Чем выше модуль упругости наполнителя и степень наполнения, тем больше деформационная устойчивость материала.

Дисперсно-наполненные композиты, материалы на основе коротких и непрерывных волокон характеризуются упорядоченностью частиц наполнителя.

Они могут быть расположены как хаотически, так и в определённом порядке. От

15

этого зависит направленность свойств материала. Химическая природа частиц разнообразна: мел, слюда, оксиды металлов, стеклосферы, углерод в виде саж или фуллеренов, аэросил, чешуйки стекла или глины, каучукоподобные включения и др.

Армирующие волокна – это стеклянные, органические, углеродные,

высокотермостойкие борные и карбидокремниевые волокна, которые чаще используются для армирования металлов, т.е. изменения свойств материала, как правило, для усиления их прочностных свойств.

Таким образом, один и тот же КМ можно отнести к разным группам классификации. Например, углерод-углерод по природе матрицы относится к неметаллической группе, а по природе армирующего элемента – к волокнистой.

Реперные точки раздела:

1.Что понимают под композиционным материалом?

2.Назовите критерии КМ.

3.Какое деление положено в основу технологической классификации КМ?

4.Какие виды наполнителя используют при производстве КМ?

5.Какая классификация КМ предполагается по структуре?

6.По геометрии наполнителя, какое деление КМ используют?

2 Матрица и ее типы

В композитах, если исходить от латинского слова matrix, под «матрицей»

понимают матку, структуру, отвечающую за свойства, которая предполагает источник конфигурации, позволяющий ее сохранять, передавать нагрузки арматуре в процессе эксплуатации изделия и оказывать сопротивление элементам извне.

Другое определение композита исходит из производной от латинского слова compositio – составление, т. е. это уже многокомпонентный материал, включающий матрицу как основу, армированную наполнителем. При этом составлять композит можно из разных материалов и матрицы и арматуры, добиваясь определенных

16

свойств изделия в целом. Именно свойства изделия являются определяющими при получении материала, а не понятие наполнителя – арматуры как упрочняющего.

Из определения матрицы видно, что к ней предъявляют повышенные требования, которые материаловеды делят на 3 группы, в зависимости от заданных свойств:

к первой группе относят прочность, жесткость, теплостойкость полимерной матрицы;

ко второй – пластичность, трещиностойкость, ударную вязкость;

к третьей – перерабатываемость, технологичность наполнителя.

Создателю композиционного материала необходимо найти компромисс между материалом матрицы, соотношением упрочнителя, оптимизировать выбор связующего, при этом, не забывая об экологических, экономических,

конъюнктурных и других факторах.

При конструировании КМ надо использовать различные схемы армирования,

так как их свойства, как уже говорилось ранее, зависят от порядка расположения компонентов, которые называют анизотропными. К ним относятся волокнистые и слоистые композиты. Если же свойства композитов не зависят от направления армирующих элементов, т.е. их расположение может быть хаотичным, т. е. КМ изотропен, каковыми являются порошковые, дисперсно-упрочненные, хаотично армированные дисперсными частицами и т.д.

На рисунке 8 представлены типы матриц, в зависимости от материала композитов. Выделены металлические матрицы, выполненные из таких сплавов как медь, никель и кобальт, алюминия и его сплавов, магниевых сплавов, титана и его сплавов. Полимерные матрицы широко используют в качестве материала различные термопласты, способные переходить при нагревании в высокоэластичное или вязко текучее состояние, реактопласты, которые при нагревании образуют неплавкий и нерастворимый материал, а именно эпоксидные и полиуретановые смолы,

фенолоальдегидные смолы, ненасыщенные полиэфирные смолы, аминосмолы,

эластомеры, т.е. полимеры с высокоэластичными свойствами, это изопреновые каучуки, бутадиеновые, бутадиен-стирольные каучуки. В керамических матрицах

17

материалом являются и обычная и техническая керамика, а также керметы, у

которых связка содержит керамическую, представленную оксидами металлов

(Al2O3), и металлическую составляющие (Cr, Ni, Co, Fe). Если говорить об

углеродных матрицах, то само название говорит о том, что материалом для них служит углерод, причем в качестве армирующего элемента выступает углеродное волокно, что позволяет сохранять высокие прочностные, теплозащитные свойства даже при очень высоких температурах.

Рисунок 8 – Типы матриц, в зависимости от материала

2.1 Металлические матрицы

В качестве материалов матриц при изготовлении МКМ применяют освоенные промышленностью металлы и сплавы, а также сплавы, создаваемые специально для

18

получения МКМ. В зависимости от требуемых эксплуатационных свойств применяют следующие материалы: легкие металлы и сплавы на основе алюминия и магния; сплавы на основе титана, меди; жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе железа, никеля и кобальта; тугоплавкие сплавы на основе вольфрама,

молибдена и ниобия.

Самой широко используемой металлической матрицей является алюминиевая и матрица на основе его сплавов, что объясняется, прежде всего, его технологическими свойствами при получении композитов как жидко-, так и твердофазными методами. При этом в качестве армирующих компонентов выступают борные, углеродные волокна, а также стальная проволока, что обусловлено высокими механическими показателями. Алюминиевые сплавы обладают хорошей пластичностью, коррозионной стойкостью, но сравнительно невысокой прочностью. Для пропитки КМ применяют алюминиевые сплавы с хорошими литейными свойствами, например силумины, имеющие в своем составе повышенное содержание кремния. Перспективным для жаропрочных КМ является спеченный алюминиевый порошок, который представляет собой алюминий,

упрочненный дискретными частицами оксида алюминия. Такой материал имеет высокую жаропрочность (до 500 °С), хорошо обрабатывается давлением, резанием и обладает высокой коррозионной стойкостью.

Надо отметить, что разные способы получения композиционных материалов предполагают использование разных сплавов, так при получении композита твердофазными способами применяют деформируемые алюминиевые сплавы, что позволяет обеспечить высокую технологическую пластичность при высоком уровне механических свойств, малую плотность. Жидкофазные методы литьем или пропиткой используют литейные алюминиевые сплавы, где кроме алюминия содержатся в незначительных количествах магний, кремний, медь. Это позволяет получить повышенной жидкотекучестью, малой линейной усадкой, пониженной склонностью к образованию трещин при повышенных температурах. Методы порошковой металлургии и газотермического напыления также используются для получения композиционных материалов на основе алюминия.

19

Высокой удельной прочностью, малой плотностью, относительно высокими механическими свойствами, способностью сопротивляться ударным нагрузкам и вибрациям обладают магниевые сплавы. Кроме того, они достаточно пластичны и хорошо обрабатываются давлением. Однако их технологические свойства не позволяют широко развернуть их производство, вследствие низкой пластичности и плохой свариваемости. Магний практически не реагирует со многими материалами,

используемыми для получения упрочняющих волокон.

Титан и его сплавы обладают высокой удельной прочностью, но для получения достаточно хороших показателей по жесткости и жаропрочности матрицу из этого материала армируют такими металлами как бор, молибден,

бериллий. Сочетание таких материалов позволяет обеспечить изделию высокие механические характеристики, поэтому титановые сплавы используют не только в самолетостроении, но и в космической технике. Они имеют достаточно хорошие литейные свойства и могут обрабатываться пластическим деформированием в широком интервале температур от 600 до1200 °С. Для армирования КМ используют фольгу из титановых сплавов толщиной от 3 до 200 мкм.

При производстве композиционных материалов из меди надо помнить, что при высоких температурах она имеет низкий уровень прочностных свойств, что ограничивает её применение. Устранения этого недостатка добиваются путем армирования меди волокнами вольфрама, железа, графита. Медь и медные сплавы имеют высокую электропроводимость и теплопроводность и в технологическом отношении они характеризуются высокими пластическими свойствами. В

большинстве случаев медные сплавы пластически деформируются в холодном состоянии.

Жаропрочные и жаростойкие сплавы получают на основе системы никель-

хром с легирующими добавками вольфрама, молибдена, титана, алюминия. Они стойки к образованию окалины на поверхности в газовых средах при нагреве свыше

500 °С. Повышенная длительная прочность, высокое сопротивление ползучести и усталости достигаются за счет введения в сплавы титана и алюминия.

20