NM / Тема_13

178

слоями, определяющими специальные свойства и применение, – керамика, ин-

терметаллидные соединения или другие металлы.

Слоистые керамические композиты используют в экстремальных услови-

ях. Компонентами этого типа композиционных материалов чаще всего являют-

ся керамика, углерод и металлы, например корунд, пиролитический графит,

карбиды, оксиды, нитриды в композиции с алюминием, медью, титаном, нике-

лем, кобальтом, танталом, железом. Такие материалы нашли применение в кос-

мических аппаратах для изготовления теплоизоляционных силикатных плиток из корунда, боросиликата, углеродных карборундовых ламинатов.

13.5 Свойства и применение композиционных материалов

Физико-механические свойства основных компонентов КМ на основе алюминиевой матрицы приведены в таблице 13.2.

Хорошая совместимость матрицы с армирующим элементом, высокие прочностные свойства борного волокна и удовлетворительная пластичность материала матрицы определяют высокие удельные значения прочности и жест-

кости металлического КМ (отношение временного сопротивления и модуля уп-

ругости к плотности) в сочетании с хорошей технологичностью и конструкци-

онной надежностью изделий из этого материала.

Для создания металлических КМ с еще более малой плотностью приме-

179

няется магний. Композиционные материалы на основе магния на 30 % легче,

чем сплавы алюминия. У металлических КМ на основе магния хорошие удель-

ные 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 усло-

вий использования.

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: Еуд = 23,5·103 км, σуд = 115 км. Неко-

торые свойства металлических КМ на основе магниевой матрицы приведены в таблице 13.3.

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 темпе-

ратурному коэффициенту линейного расширения и сравнительно высокой теп-

лопроводности.

Металлы с высокой пластичностью и прочностью хорошо совмещаются с высокопрочными и жесткими волокнами с низкой плотностью и пластично-

стью, образуя КМ с повышенной жесткостью и малой массой. Примером такой комбинации может быть титан, армированный волокнами бора или карбида

180

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. Свойства металлических КМ на основе титановой матрицы приведены в таблице 13.4.

На рисунке 13.4 приведены типичные свойства композиционного мате-

риала на основе алюминиевого сплава, армированного борным волокном, по-

крытым карбидом кремния.

Рисунок 13.4 – Зависимость временного сопротивления (а) и модуля упругости (б) бороалюминиевого композитного материала вдоль (1) и по- перек (2) оси армирования от объемного содержания борного волокна

181

Прочность и модуль упругости, а также сопротивление материалов удару для однонаправленных композиционных материалов на основе алюминия, маг-

ния и титана повышаются по мере увеличения в композиции объемного содер-

жания волокон.

Для очень высоких температур, например в камерах сгорания реактивных двигателей, используются системы, содержащие молибденовую и вольфрамо-

вую проволоку в матрицах из титана и суперсплавов. Наибольшей прочностью при температуре 1093°С обладает проволока из сплава W – Re – Hf – C: σв = 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 объем-

ное 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 распро-

странение трещин.

К недостаткам металлических КМ относится их сравнительно высокая стоимость и сложность изготовления, однако, уникальные свойства этих мате-

риалов делают их незаменимыми в ряде конструкций.

В авиации и ракетно-космической технике наиболее широко используют КМ с борными волокнами. Детали из боропластика и бороалюминия применя-

ют такие крупные фирмы США, как «Локхид», «Боинг», «Дженерал Дайне-

микс». Из них изготавливают горизонтальные и вертикальные стабилизаторы,

рули, элементы хвостового оперения лонжероны, лопасти винтов, обшивку крыльев и др. 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. Его использование для изготовления крупных деталей

182

для ракет «Атлас», космических кораблей «Аполлон», «Шаттл» позволило уменьшить их массу на 20 – 50 %. Это, в свою очередь, увеличило полезную нагрузку, а для военных самолетов – дальность полета, объем вооружения и т.

д.

Фирма «Toyota» (Япония) изготовила металлические КМ для деталей ав-

томобилестроения. Алюминий армировали смесью коротких волокон А12О3 и

SiO2 (диаметр около 3 мкм и длина до 10 мкм) в различных соотношениях. С

увеличением массовой доли волокон А12О3 возрастает прочность и модуль уп-

ругости, при росте доли волокон SiO2 повышается износостойкость. Этот мате-

риал использовали вместо никелевых сплавов для изготовления накладок поршней, что позволило поднять температуру в камере сгорания двигателя и его мощность. За счет увеличения износостойкости поршней пробег автомоби-

ля увеличен до 300 тыс. км.