Глава 3. Композиционные материалы

Как было сказано выше, условия работы материалов и конст­рукций современных ракет, а твердотопливных двигателей в особен­ности, очень жесткие - это прежде всего высокие температуры, боль­шие скорости газовых потоков и быстрое нарастание этих парамет­ров, например в РДТТ за 0,3...0,5 с.

Композиционные материалы могут выгодно отличаться от тради­ционных металлов высокой удельной прочностью и модулем упругос­ти, коррозионной стойкостью, сочетать в себе интересные и необходи­мые свойства компонентов, образующих композиционный материал (КМ). Достаточно сказать, что содержание КМ в современных РДТТ доходит до 80 %. Широкое применение находят они и в жидкостных ра­кетах-носителях: это и обтекатели, и межступенные отсеки и шаробал- лоны высокого давления и т. п. Очень быстро КМ внедряются и в другие отрасли машиностроения, химической промышленности. С уверенностью можно сказать, что 21 век - это век композиционных материалов.

В технике и природе практически нет материалов, которые в чис­том виде могли бы работать в экстремальных условиях ракетно-кос­мической техники. Но, разработчики этой техники научились умело сочетать в одном композиционном материале или в одной конструкции лучшие для данных условий свойства входящих материалов. Напри­мер, графит имеет температуру плавления выше 4300 К, но он хруп­кий, имеет низкую эрозионную стойкость; вольфрам плавится при тем­пературе 3695 К, но не термостоек, имеет низкую прочность при вы­соких температурах и другие отрицательные свойства. Поэтому при выборе материала конструкции и технологии должен иметь место компромисс, который возможен в КМ.

Материалы, сочетающие положительные свойства двух или нес­кольких материалов или двух фаз одного материала, получили назва­ние композиционных. Композиционные материалы в основном со­зданы человеком, и многие считают, что в природе их нет. И все- таки в природе они представлены - растительным миром, кристал­лами некоторых металлов и минералов, например: волокнистое золото, «проволочное» серебро, лучистые цеолиты, асбест, мала­хит, рубин и др. Асбест - это хризотил Mg₆ (Si₄О₁₀) (ОН)₈+вода; рубин – сапфир А1₂О₃ с иглами рутила (ТiO₂); кварц (SiO₂) с иглами рутила, эти лучистые иглы были названы «волосами Венеры».

Можно привести много подобных примеров. Сегодня иглы научились выращивать в искусственных условиях и назвали их «уса­ми», которые применяются при создании высокопрочных материа­лов. Природные материалы, о которых сказано выше, не принято называть композиционными в их классическом понимании, поэто­му для КМ есть свои строгие определения.

Композиционные материалы представляют собой гетерогенные си­стемы, полученные из двух или более компонентов с сохранением ин­дивидуальности каждого отдельного компонента [5]. Другое определе­ние: композиционными называются материалы, обладающие следую­щей совокупностью признаков: не встречаются в природе, поскольку созданы человеком; состоят из двух или более компонентов, различаю­щихся по своему химическому составу и разделены выраженной грани­цей; имеют новые свойства, отличающиеся от свойств составляющих их компонентов; неоднородны в микромасштабе и однородны в макро­масштабе; состав, форма и распределение компонентов определены за­ранее; свойства определяются каждым из компонентов, которые, в свя­зи с этим, должны присутствовать в материале в достаточно больших количествах (больше некоторого критического содержания).

В КМ различают матрицу и армировку или наполнитель. Матри­ца является непрерывным элементом во всем объеме. Армировка или наполнитель – прерывистые или разъединенные в объеме. Например, стеклопластик - смола есть матрица, стекловолокно - наполнитель; КМ могут быть изотропными, и тогда свойства их во всех направлениях одинаковы, и анизотропными, у которых свойства в разных на­правлениях неодинаковы. К изотропным, как правило, относятся дис­персионно-упрочненные КМ (ДУКМ), т. е. наполненные или армиро­ванные порошковыми материалами, иногда короткими усами. Ани­зотропные КМ - это волокнистые материалы, у которых сильно от­личаются свойства вдоль волокон или слоев и поперек (рис. 6). Прав­да, в последние годы иногда применяют так называемые ортотропные волокнистые материалы (объемно-плетеные), имеющие одинаковые характеристики по двум или трем направлениям(рис. 6).

Материалами матриц могут быть металлы и их сплавы, органи­ческие и неорганические полимеры, керамика, стекло и другие веще­ства. В зависимости от вида армирующего компонента КМ могут быть разделены на две основные группы: дисперсионно-упрочнен­ные (ДУКМ) и волокнистые материалы, отличающиеся структурой и механизмом образования высокой прочности. ДУКМ представ­ляют собой материал, в матрице которого равномерно распределе­ны мелкодисперсные частицы второго вещества.

Пластические деформации в реальных кристаллических мате­риалах начинаются при напряжениях, примерно в 1000 раз мень­ших, чем теоретически рассчитанные для идеальных материалов. Это объясняется тем, что в пластической деформации участвуют дислока­ции - локальные искажения кристаллической решетки ( рис. 7).

Рис. 6. Схема армирования КМ:

а – анизотропный КМ; б – ортотропный КМ

Рис. 7. Простейшие дислокации:

1 – дислокации; б – нормальное упорядочение

При дисперсионном распределении частиц наполнителя в металлической матрице КМ создается сильное торможение передви­жения дислокаций, и материал начинает деформироваться при бо­лее высоких напряжениях.

В качестве таких наполнителей применяются карбиды, нитри­ды, бориды, оксиды, характеризующиеся высокой жароупорностью и прочностью. Подобное явление мы наблюдаем при закалке ста­лей, когда зерна карбида железа распределяются в его матрице и при этом фиксируется определенная структура.

У волокнистых композитов чаще всего пластичная матрица арми­рована высокопрочными волокнами, проволокой, нитевидными кристаллами (усами). Идея создания волокнисто-армированных структур состоит не в том, чтобы исключить пластические деформа­ции матричного материала, а в том, чтобы при его деформации обес­печивалось одновременное нагружение волокон и использовалась бы их высокая прочность. В общем это идея каната, где волокна работа­ют вместе на растяжение, но иногда они бывают прочными, но хруп­кими, и тогда их нужно связать вместе. Для этого служит матрица - полимерная или металлическая. Отличие волокнистых КМ состоит в том, что содержание наполнителя может составлять до 75 % объема, тогда как у дисперсионно-упрочненных КМ - всего 2...4 %.

Второе отличие волокнистых КМ - это выраженная анизотро­пия свойств, в то время как ДУКМ имеют практически одинаковые свойства по всем направлениям.

Как было сказано выше, у волокнистых композиционных материалов (КМ) высокопрочные волокна воспринимают основную нагрузку, а по­датливая матрица обеспечивает их совместную работу за счет собственной жесткости и взаимодействия на границе раздела волокно - матрица.

Следовательно, механические свойства композитов определяют­ся тремя основными параметрами: высокой прочностью армирую­щих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица - волокно. Это обеспечивается как правильным выбором компонентов, так и технологией.