7.4. Слоистые композиты

Материалом основы композитов со слоистым строением явля­ются пластмасса, металл или керамика. В качестве наполнителей применяются полимерные волокна, ленты из тканей, трикотажа и других материалов. Хорошо известные ламинаты изготовлены из смол, армированных полимерными волокнами или стеклотка­нью. Они широко применяются в строительстве, машинострое­нии, мебельной промышленности, спортивном снаряжении, до­машнем хозяйстве и т. д.

К этой же группе композитов относятся абляционные мате­риалы для тепловой защиты ракет, изготовленные на базе феноло-формальдегидных смол с углеродным или стекловолокном. В этих материалах часто используется стеклоткань, которая при многослойном нанесении обеспечивает высокие механические свойства изделий, например тонкостенных труб, втулок и др.

Встречаются композиты, в которых слоистым связующим яв­ляются алюминиевые, титановые, медные, никелевые и кобаль­товые листы и фольги, а слоями, определяющими специальные свойства и применение, - керамика, интерметаллидные соедине­ния или другие металлы.

Слоистые керамические композиты используют в экстремаль­ных условиях. Компонентами этого типа композиционных мате­риалов чаще всего являются керамика, углерод и металлы, на­пример корунд, пиролитический графит, карбиды, оксиды, нит­риды в композиции с алюминием, медью, титаном, никелем, кобальтом, танталом, железом. Такие материалы нашли приме­нение в космических аппаратах для изготовления теплоизоляци­онных силикатных плиток из корунда, боросиликата, углеродных карборундовых ламинатов.

7.5. Свойства и применение композиционных материалов

Строение композиционного материала в виде ленты толщиной 0,5 мм, содержащей волокна бора в алюминиевой матрице, показано

Хорошая совместимость матрицы с армирующим элементом, высокие прочностные свойства борного волокна и удовлетворительная пластичность материала матрицы определя­ют высокие удельные значения прочности и жесткости МКМ (от­ношение временного сопротивления и модуля упругости к плот­ности) в сочетании с хорошей технологичностью и конструкцион­ной надежностью изделий из этого материала.

Для создания металлических КМ с еще более малой плотно­стью применяется магний. Композиционные материалы на основе магния на 30 % легче, чем сплавы алюминия. У металлических КМ на основе магния хорошие удельные свойства, стабильный температурный коэффициент линейного расширения в широком диапазоне температур, что достигается за счет комбинаций свойств матрицы и волокна и может регулироваться в зависимости от конкретных условий использования. Такие материалы можно по­лучать в форме отливок, включая плоские плиты, трубы, прутки и изделия специальной формы.

Магний − один из лег­ких металлов, для которо­го не возникает проблем взаимодействия с углерод­ными, борными волокнами и волокнами из карбида кремния. Перспективная система углеродные волок­на − магний обладает самы­ми высокими удельными характеристиками: Е_уд и σ_уд.

Системы углеродные волокна − алюминий и углеродные во­локна − магний перспективны для использования в авиационной технике, а также в космосе, благодаря высоким значениям удель­ной прочности и жесткости, малому температурному коэффици­енту линейного расширения и сравнительно высокой теплопро­водности.

Металлы с высокой пластичностью и прочностью хорошо со­вмещаются с высокопрочными и жесткими волокнами с низкой плотностью и пластичностью, образуя КМ с повышенной жестко­стью и малой массой. Примером такой комбинации может быть ти­тан, армированный волокнами бора или карбида кремния. Однако такие системы имеют пониженную усталостную прочность из-за остаточных напряжений и химического взаимодействия между волокнами и матрицей при высоких температурах изготовления. Кроме того, механическая обработка КМ на основе титановой матрицы представляет большие трудности. Недостатком этого ви­да КМ является также высокая реакционная способность титано­вой матрицы.

Прочность и модуль упругости, а также сопротивление мате­риалов удару для однонаправленных композиционных материа­лов на основе алюминия, магния и титана повышаются по мере увеличения в композиции объемного содержания волокон.

Для очень высоких температур, например в камерах сгорания реактивных двигателей, используются системы, содержащие мо­либденовую и вольфрамовую проволоку в матрицах из титана и суперсплавов. Наибольшей прочностью при температуре 1093 °С обладает проволока из сплава W−Re−Hf−C: σ_в = 2,2 ГПа, что в 6 раз больше прочности никелевых или кобальтовых суперспла­вов при такой же температуре.

Большие перспективы открываются с развитием процессов объемного армирования металлических КМ. В частности, для ме­таллических КМ объемное армирование дает существенный вы­игрыш в ударной вязкости. Система А1₂О₃/А1 трехмерного арми­рования поглощает почти такую же энергию удара, как и чистый металл. Армирование по толщине, обеспечиваемое трехмерной волокнистой структурой, предотвращает расслоение и ограничи­вает распространение трещин.

К недостаткам металлических КМ относится их сравнительно высокая стоимость и сложность изготовления. Их стоимость в на­стоящее время превосходит стоимость полимерных КМ в не­сколько раз. Совершенствование технологии позволит снизить себестоимость металлических КМ, а их уникальные свойства де­лают их незаменимыми в ряде конструкций.

В авиации и ракетно-космической технике наиболее широко используют КМ с борными волокнами. Детали из боропластика и бороалюминия применяют для изготовления горизонтальных и вертикальных стабилизаторов, эле­ментов хвостового оперения. лонжеронов, лопастей винтов, обшивки крыльев и др.

Области использования металлических КМ непрерывно рас­ширяются. Помимо улучшения технических характеристик мно­гих ответственных изделий, использование металлических КМ способно обеспечить 20 − 30 % -ю экономию массы. Современные Аl − Li сплавы имеют этот показатель на уровне 10 − 15 %.

Детали из бороалюминия по сравнению с титановыми сплава­ми дают снижение массы на 30 − 40 % , обеспечивая более высокую длительную и усталостную прочность при нагреве до 500 °С. Еще более эффективно приме­нение бороалюминия в ра­кетно-космической технике