Мальцев И.М. Лекции по материаловедению

Лекция № 25

КМ на полимерных матрицах: стеклопластики, бороволокниты, органоволокниты, карбоволокниты. КМ на металлических матрицах, из керамики, силикатных стекол и углеродных материалов. Перспективы развития КМ.

КМ на полимерных матрицах: стеклопластики, бороволокниты, органоволокниты, карбоволокниты.

Свойства конструкционных ПКМ определяются свойствами основных компонентов - матрицы и арматуры. Наиболее прочные композиты на основе фенольных смол, эпоксидных и полиэфирных смол; максимально химически стойкие ПКМ на основе полиэтилена, полипропилена и фторопласта. Сочетание эпоксидных, полиэфирных и меламиноформальдегидных смол с синтетическими тканями, волокнами и бумагой дает легкие материалы, устойчивые к вибрационным и ударным нагрузкам, водостойкие и сохраняющие герметичность в условиях сложного нагружения. ПКМ на основе эпоксидных смол, армированных УВ, борными волокнами или НК, являются наиболее высокомодульными полимерными композиционными материалами, по удельной жесткости в несколько раз превосходящими металлы. Длительно работоспособны при температуре 576 К стекло- и асбопластики с кремнийорганическим связующим; в интервале температур 573 - 613 К - полиимиды в сочетании с кремнеземным, асбестовым и ли углеродным наполнителем; в интервале 633 - 773 К в воздушной и 2273 - 2773 К в вакууме стойкими являются УУКМ. Использование профилированных СВ с различной формой сечения повышает плотность упаковки волокон и увеличивает прочность и жесткость ПКМ, особенно в поперечном направлении. Свойства ПКМ зависят от вида применяемых волокон. К органическим волокнам относят волокна на основе араматических полиамидов (арамидов). Высокопрочные и высокомодульные арамидные волокна обладают уникальным комплексом свойств, высокими прочностью и модулем упругости, термостабильностью, позволяющей эксплуатировать их в широком интервале температур. Текстильная переработка составляет 90% исходной прочности нити, что дает возможность применять их в качестве тканных материалов. Свойства показаны в таблице. Таблица

Механические свойства органических волокон.

Борные волокна получают из нитей W диаметром 12 мкм. После выскотемпературного химического осаждения получают волокно с сердцевиной из боридов вольфрама (WB, W2B5 и WB) диаметром 15 -17 мкм, окруженный слоем поликристаллического бора. Волокна бора, покрытые тонким слоем карбида кремния для повышения жаростойкости и защиты от воздействия матрицы, называются борсиком. Волокна бора находят широкое применение в композитах с полимерной и алюминиевыми матрицами. Композиты Al - SiC/БВ имеют преимущество, т.к. могут перерабатываться традиционными металлургическими способами и

101

работать до 640К. БВ обладают наибольшей сдвиговой жесткостью G = 180 Гпа. Механические свойства борных волокон показаны в таблице.

Механические свойства борных волокон.

Волокна карбидокремния применяются в металлокомпозитах, эксплуатируемых при высоких температурах. Получают парогазоосаждением на W и углеродную подложки. Последние слабо связаны между подложкой и SiG из-за чего имеют пониженную механическую прочность и повышенную чувствительность к поверхностным дефектам. Свойства волокон SiC/W приведены в таблице.

Механические свойства волокон карбида кремния на подложке W. Таблица.

Для конкретных условий эксплуатации практически имеется неограниченный выбор ПКМ, отличающийся составом и свойствами. Табл.

КМ на металлических матрицах, из керамики, силикатных стекол и углеродных материалов. Перспективы развития КМ.

Металлические композиты (МКМ) как конструкционный материал был разработан для создания авиационной и космической техники. В МКМ применяется армирование сетками трикотажного плетения из легированных сталей и УВ, кроме того применяют короткие

102

волокна, образующие дискретную хаотично армированную среду. Такое армирование создает условия разрушения, препятствующие распространению трещины (увеличивается ее путь). Ударная вязкость при этом не понижается, а сохраняется на уровне неармированной матрицы. МКМ изготовляют методами порошковой металлургии. Свойства МКМ приведены в таблице. В Углерод-Углеродных композиционных материалах, полученных карбонизацией полимерной матрицы с армированием УВ, тип плетения армирующего элемента, взаимное расположение систем нитей в структуре также оказывают влияние на характер разрушения. рис. 78. 1Д структура образованна плетением двух перпендикулярных нитей волокон, 2Д - трех, а 3Д - четырех (квазиизотропный материал). Исходными матрицами УУКМ служат фенолформальдегидные, эпоксифенольные, кремнеорганические, полибензимидазольные полимеры.

Рис. 78. Диаграммы “напряжение - деформация” КМ с различными структурами. 1- 1Д, 2 - 2Д, 3 - 3Д, 4 - 3Д при 3300 К в вакууме.

Свойства типичных композитов с металлической матрицей.

Композиты с керамическими и силикатными матрицами изготавливают традиционными методами металлокерамики. В производстве волокнистой керамики применяют армирование волокном из нитрида бора, корунда, карбида кремния, бора, углерода и других веществ. Керамику с ориентированной структурой получают спеканием и охлаждением заготовок в сильном постоянном магнитном поле, после остывания магнитная ориентация сохраняется. Подобную структуру керамики применяют в пьезоэлементах, здесь остывание происходит в электрическом поле. Можно вызвать в керамике направленную кристаллизацию в межфазной области. Известно, например, что в некоторых керамических материалах в межфазной области образуются эвтектики, которые при охлаждении дают пластичные материалы. В результате возрастает удельная работа разрушения керамического материала. Механизм разрушения этих материалов аналогичен механизму разрушения со слоистой структурой. К числу направленно кристаллизующихся эвтектик относятся: ZrO2 - MgO, 2SiO2 - Li2O и ZrO2-MgO.

103