Глава 7 композиционные материалы

7.1. Классификация композиционных материалов

Композиционными материалами (КМ) называют материалы, создан­ные из двух или более компонентов, различающихся по химическому составу, разделенные ярко выраженной границей с новыми свойства­ми, отличающимися от свойств компонентов. Свойства, размеры, форма и распределение компонентов в КМ проектируются заранее и формируются в процессе изготовления. КМ подразделяют на волок­нистые, слоистые и упрочненные дисперсными частицами (рис. 7.1). Компонент, непрерывный в объеме КМ, называют матрицей, преры­вистый - армирующим элементом. В зависимости от геометрии арми­рующих элементов и их взаимного расположения свойства КМ могут быть одинаковыми во всех направлениях - изотропными (дисперс­но-упрочненные КМ) и различными - анизотропными (КМ, упроч­ненные непрерывными волокнами, ориентированными в определен­ных направлениях).

КМ, армированные стекловолокнами, называют стеклопластика­ми, металлическими волокнами - металлопластиками, борными - боропластиками, углеродистыми - углепластиками и т. д.

По способу изготовления КМ подразделяют на полученные жид­ко- и твердофазными методами, методами осаждения - напыления и комбинированными методами. К жидкофазным методам относят пропитку арматуры полимером или жидким металлом, а также на­правленную кристаллизацию. К твердофазным методам относятся прессование, прокатка, экструзия, ковка, сварка взрывом, волоче­ние, диффузионная сварка, при которых компоненты формируются в КМ, где в качестве матрицы используют порошки или тонкие лис­ты (фольги). При получении КМ осаждением - напылением матрица наносится на волокна из раствора солей, парогазовой фазы, плазмы. Комбинированные методы предусматривают совмещение нескольких методов. Например, пропитку или плазменное распыление исполь­зуют в качестве предварительной операции, а прокатку, прессование или диффузионную сварку - окончательной.

Рис. 7.1. Схема расположения упрочнителей в композиционных материалах: а - волокнистых; 6 - слоистых; в - дисперсно-упрочненных

Волокна - наиболее часто используемый армирующий элемент - несут внешнюю нагрузку. Они должны обладать низкой плотностью, высокими прочностью и модулем упругости, химической стойкостью и технологичностью изготовления, минимальной растворимостью в матрице, отсутствием фазовых превращений, нетоксичностью. Свойства волокон должны быть стабильны в условиях эксплуатации. В табл. 7.1 приведены свойства некоторых упрочняющих волокон.

Роль матрицы - придание формы изделию, защита волокна от окисления и повреждений, передача усилия на волокна.

Упрочнение алюминия, магния и титана и их сплавов высоко­прочными или высокомодульными волокнами позволяет создавать КМ с высокой удельной прочностью и жесткостью и регулируемой анизотропией. Под удельной прочностью понимают прочность ма­териала, отнесенную к его плотности: студ = ajy. Под удельной же­сткостью понимают отношение модуля упругости материала к его плотности: Еуа = Е/у. В качестве армирующих элементов использу­ют волокна бора, борсика, углерода (УВ), карбида кремния, высокопрочной стали. Характерная структура волокнистого КМ представле­на на рис. 7.2. Из волокнистых КМ изготавливают многослойные ленты, листы, стержни, трубы, профили конструкционного назначе­ния, лопатки турбин, детали для авиации и космической техники.

Таблица 7.1

Механические свойства волокон

Тип волокон	Диаметр (d), мкм	Плотность (у), г/см3	МПа	Е, ГПа	Метод изготовления
В (борные)	100	2,6	3800	448	Осаждение из газовой
					фазы
	104...146	2,76	2980	420	Осаждение из газовой
					фазы
	100	3,30	4000	500	Осаждение из газовой
					фазы
УВ (ВМН-4)	6,0	1,71	2210	270	Карбонизация
УВ (торнел 100)	9,4	1,95	3450	690	Карбонизация
(углеродные)	127	3,96	2410	470	Вытягивание из рас-
					плава
	280	4,90	1540	450	Зонная плавка
12Х18Н10Т	80	7,80	2300	210	Волочение
ВМ (вольфра-	120	19,30	1100	420	Волочение
мовые)
МТ (молибде-	120	10,22	775		Волочение
новые)
УВ (графит)	0,8	1,80	2500	700	Графитизация

Рис. 7.2. Микроструктура волокнистых упрочнителей

Жаропрочные КМ изготавливают на основе сплавов никеля и ко­бальта, упрочненных керамическими (SiC, Si3Ni4, A12O3) и углеродны­ми волокнами. КМ применяют для изготовления тяжел отгруженных деталей газотурбинных двигателей, камер сгорания, тепловых экранов, жаростойких труб и т. д.

Свойства некоторых волокнистых КМ с металлической матрицей представлены в табл. 7.2.