30)Тема 23. Композиционные материалы с металлической матрицей

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще алюминий, магний, никель и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые мате-риалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матри-ца) составляют ту или иную композицию, получили название композиционные материалы (КМ)( рис.82 ).

Волокнистые КМ. На рис.82 приведены схемы армирования волокнистых композиционных материалов. Они делятся, по механизму армирующего действия, на дискретные l/d  10-103 и с непрерывным волокном l/d =  . Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения. Чаще КМ представляет слоистую структуру, в котором каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. КМ отличаются от обычных сплавов высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50 - 100%), модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонности к трещинообразованию. Применение КМ повышают жесткость конструкций при одновременном снижении металлоемкости. Прочность КМ определяется свойствами волокон, которые должны обладать более высокими прочностными характеристиками и модулем упругости их применяют для упрочнения алюминия, магния и их сплавов.

Таблица 64

Механические свойства композиционных материалов

в зависимости от вида наполнителя

материал  , МПа Е, ГПа

борные волокна 2500-3500 38-420

углеродные волокна 1400-3500 160-400

волокна из тугоплавкого соединения

карбид кремния с  100 мкм 2500-3500 450

Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана. Для повышения жаропрочности армируют вольфрамовой проволокой.

Таблица 65

Высокопрочные и высокомодульные волокнистые КМ

материал  , МПа Е, ГПа

Нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карби-да бора. 15000 - 28000 400 - 600

Таблица 66

Механические свойства КМ на металлической основе

Материалы  , МПа 0,2 , МПа Е, ГПа  Е/

Бор-алюминий (ВКА-1А) 1300 600 220 500 84,6

Бор- магний (ВКМ-1) 1300 500 220 590 100

Алюминий- углерод (ВКУ-1) 900 300 220 450 100

Алюминий- сталь (КАС-1А) 1700 350 110 370 24,40

Никель-вольфрам (ВКН-1) 700 150 - - -

КМ на металлической основе обладают высокой прочностью и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в КМ уменьшают скорость распространения трещин, заражающихся в матрице, и практически полностью исключают внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью одноосных волокнистых КМ является анизотро-пия механических свойств вдоль и поперек и малая чувствительность к концентраторам на-пряжений.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы (ДУ КМ). В отличии от волокни-стых КМ в ДУ КМ матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций. Высокая прочность достигается при размере частиц 10 - 500 нм при среднем расстоянии между ними 100 - 500 нм и равномерном распре-делении их в матрице. Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5 - 10 об. %.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (ок-сиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), не растворяющиеся в матричном металле, позволяет сохранять высокую прочность до 0,9-0,95 Тпл. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные.

Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия - САП (спеченный алюми-ниевый порошок), содержащий в себе дисперсные чешуйки Al2O3 , содержание которых ко-леблется от 6 - 9 % (САП-1) и до 13 - 18 (САП-3). Прочность при этом увеличивается от 300 МПа до 400 МПа соответственно.

Большие перспективы у никелевых ДУ КМ. Они обладают высокой жаропрочностью ВДУ-1 (никель упрочненный двуокисью тория), ВДУ-2 (никель упрочненный двуокисью гафния) и ВД-3 (матрица Ni+20 % Cr) упрочненная окисью тория). При температуре 12000С сплав ВДУ-1 имеет   а и   6а и сплав ВД-3 -   6а. ДУ КМ , так же как и волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длитель-ной выдержки при данной температуре.

Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов и двигателе, в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, в горной промышленности, в гражданском строительстве и других областях народного хозяйства. Технология получения полуфабрикатов и изделий из КМ достаточно хорошо отработана.

.

материалы с неметаллической матрицей нашли широкое примене-ние. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамиче-ские материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиимидная. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Уплотнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические на основе нитевидных кристаллов, а также металлические, обладающие высокой прочностью и жесткостью.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Чем выше прочность и мо-дуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала.

Свойство матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопро-тивление усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолок-ниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки (рис. 87). Плоскостные слои собираются в пла-стины, получая анизотропию свойств. Можно создавать материалы, как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов.

От порядка укладки слоев и от схем армирования по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала и ее механические свойства (рис.88).

7.2. Карбоволокниты

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из поли-мерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон).

Высокая энергия связи С-С углеродных волокон позволяет сохранять прочность, как при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной средах до 22000С), так и при низких температурах. Карбоволокниты отличаются высоким статистическим и динамическим сопротивлением усталости, сохраняют это свойство при нормальной и очень низкой температуре. Они водо- и химически стойкие. После воздействия на воздухе рентге-новского излучения сопротивление изгибу и модуль упругости почти не изменяются.

Теплопроводность углепластиков в 1,5 –2 раза выше, чем теплопроводность стекло-пластиков.

Карбоволокниты с углеродной матрицей. Коксованные материалы получают из обыч-ных полимерных карбоволокнитов, подвергнутых пиролизу в инертной или восстанови-тельной атмосфере. Образующий при пиролизе связующего кокс имеет высокую прочность сцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный материал обладает вы-сокими механическими и абляционными свойствами, стойкостью к термическому удару. Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применя-ются для тепловой защиты, дисков, авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

27.3. Бороволокниты

Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного связующего и упроч-нителя – борных волокон. Бороволокниты отличаются высокой

прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и моду-лем упругости, теплопроводностью и электропроводимостью.

Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела с матрицей.

Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости, они стойки к воздей-ствию радиации, воды, органических растворителей и горюче-смазочных материалов. По-скольку борные волокна являются полупроводниками, то бороволокниты обладают повы-шенной теплопроводностью и электропроводимостью. Для бороволокнитов прочность при сжатии в 2 –2. 5 раза больше, чем для карбоволокнитов. Изделия из бороволокнитов приме-няют в авиационной и космической технике.

27. 4. Органоволокниты

Органоволокниты представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерно-связующего и упрочнителей (наполнителей) в виде синтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительно высокой удельной прочностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременных нагрузок и резкой смене температу-ры.

Для синтетических волокон потери прочности при текстильной переработке неболь-шие; они малочувствительны к повреждениям.

В орговолокнитах значения модуля упругости и температурных коэффициентов линейного расширения упрочнителя и связующего близки. Происходит диффузия компонентов связующего в волокно и химические взаимодействия между ними. Пористость не превышает 1–3%. Отсюда стабильность механических свойств орговолокнитов при перепаде температур, действии ударных и циклических нагрузок. Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластических волокон).

Они устойчивы в агрессивных средах; диэлектрические свойства высокие, а теплопро-водность низкая. В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнами при-меняют минеральные. Такие материалы обладают большей прочностью и жесткостью.