Композиционные материалы

Общая характеристика и классификация композици­онных материалов. Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят отличающиеся по свой­ствам нерастворимые друг в друге компоненты. Основой композиционных материалов является сравнительно пла­стичный материал, называемый матрицей. В матрице рав­номерно распределены более твердые и прочные вещества, называемые упрочнителями или наполнителями. Матрица может быть металлической, полимерной, углеродной, кера­мической. По форме упрочнителя композиционные мате­риалы делятся на дисперсно-упрочненные (с нульмерными упрочнителями), волокнистые (с одномерными упрочните­лями), слоистые (с двумерными упрочнителями).

Нуль-мерные упрочнители имеют очень малые разме­ры одного порядка во всех трех измерениях. Ими являют­ся дисперсные частицы карбидов, оксидов нитридов и др. В дисперсно-упрочненных материалах несущим компо­нентом, воспринимающим нагрузки, является матрица. Дисперсные частицы препятствуют движению дислока­ций при деформировании материала, за счет чего и проис­ходит упрочнение. Поэтому дисперсно-упрочненные ма­териалы имеют металлическую матрицу. Эти материалы характеризуются высокими показателями длительной прочности и сопротивления ползучести и применяются в качестве жаропрочных.

Одномерные упрочнители имеют малые размеры в двух измерениях и значительно превосходящий их размер в третьем измерении. Этими упрочнителями являются раз­личные волокна, нитевидные кристаллы тугоплавких со­единений, проволока. В волокнистых композиционных материалах несущим компонентом является упрочнитель, а матрица служит для соединения упрочнителя и передачи ему внешних нагрузок. Содержание упрочнителя в во­локнистых материалах колеблется в широких пределах — от 15 до 75 % (по объему).

Двумерные упрочнители имеют малые размеры в одном измерении и значительные размеры в двух других измере­ниях. Такими упрочнителями служат ткани, фольга, листы и др., которые чередуются с матричным материалом. Ком­понентом, воспринимающим нагрузку в слоистых компо­зиционных материалах также является упрочнитель.

По схеме расположения упрочнителя различают компо­зиционные материалы с одноосным (линейным), двухосным (плоскостным) и трехосным (объемном) расположением упрочнителя. При одноосном расположении могут исполь­зоваться нуль-мерные и одномерные упрочнители. Одно­мерные располагаются параллельно друг другу, а нуль­мерные так, чтобы расстояние между ними по одной оси было значительно меньше, чем по двум другим. При двухос­ном расположении могут использоваться любые формы упрочнителей, которые располагаются в параллельных плоскостях. При трехосном расположении используются нульмерные и одномерные упрочнители, которые распре­делены равномерно во всех трех направлениях.

Существуют полиматричные и полиармированные композиционные материалы. Полиматричные материалы имеют комбинированные матрицы, состоящие из череду­ющихся слоев матриц с различным химическим составом. Полиармированные материалы имеют одновременно упроч­нители различной формы или одной формы, но разного химического состава. Например, полимерная матрица с нульмерным и одномерным упрочнителем или полимер­ная матрица, упрочненная одновременно двумя видами волокон.

Особой группой композиционных материалов явля­ются эвтектические композиционные материалы. Они представляют собой сплавы эвтектического или близко­го к эвтектическому состава, в котором упрочняющей фа­зой являются ориентированные кристаллы, получающи­еся путем направленной кристаллизации. Структура эв­тектического материала состоит из кристаллов твердых прочных химических соединений в виде стержней или пластин, распределенных в твердом растворе.

Дисперсно-упрочненные композиционные материа­лы. Среди дисперсно-упрочненных материалов ведущее место занимает САП (спеченная алюминиевая пудра), представляющий собой алюминий, упрочненный дисперс­ными частицами оксида алюминия. Получают САП из окисленной с поверхности алюминиевой пудры, частицы которой имеют форму чешуек толщиной менее 1 мкм, пу­тем последовательного брикетирования, спекания и прес­сования. Структура САП состоит из алюминиевой осно­вы с равномерно распределенными дисперсными частица­ми А1₂О₃. С увеличением содержания Аl₂О₃ повышается прочность, твердость, жаропрочность САП, но снижается его пластичность. Марки САП-1, САП-2, САП-3, САП-4 содержат соответственно 6-8,9-12,13-17,18-22 % Аl₂О₃. Высокая прочность САП объясняется большой дисперс­ностью упрочнителя и малым расстоянием между его час­тицами. По жаропрочности САП превосходит все алюми­ниевые сплавы. САП хорошо обрабатывается давлением в горячем, а САП-1 и холодном состоянии, легко обраба­тывается резанием, сваривается контактной и аргонодуго-вой сваркой. Из САП производят листы, фольгу, трубы, различные профили, проволоку, штамповые заготовки. САП применяют в авиационной технике, химической и нефтехимической промышленности, электротехнике для деталей, работающих при температуре 300-500 °С.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе никеля в качестве упрочняющей фазы имеют частицы оксида тория ТhО₂ или оксида гафния HfO₂. В качестве матрицы используется никель или сплав нике­ля с хромом (нихром, 20 % Сг). Легирование никелевой матрицы вольфрамом, титаном, алюминием дополни­тельно упрочняет материал. Содержание упрочняющей фазы невелико: материалы с никелевой матрицей ВДУ-1 и ВДУ-2 содержат соответственно 2 % ТпО₂ и 2 % НЮ₂, материал с нихромовой матрицей ВДУ-3 — 2 % НЮ₂. Материалы с оксидом тория характеризуются большей жаропрочностью, но недостатком этого оксида является его повышенная токсичность.

При умеренных температурах композиционные мате­риалы с никелевой матрицей уступают по жаропрочно­сти никелевым сплавам, а при температуре 1000-1200 °С превосходят их по этому показателю. Эти материалы применяются в авиационной и космической технике для изготовления лопаток газовых турбин, камер сгорания, теплозащитных полей.

Волокнистые композиционные материалы. В волок­нистых композиционных материалах упрочнителем слу­жат углеродные, борные, синтетические, стеклянные и др. волокна, нитевидные кристаллы тугоплавких соедине­ний (карбида кремния, оксида алюминия и др.) или ме­таллическая проволока (стальная, вольфрамовая и др.). Свойства материала зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности связи между ними. Для металлических композиционных материалов прочная связь между волокном и матрицей достигается благодаря их взаимодействию. Связь между компонента­ми в композиционных материалах на неметаллической основе осуществляется с помощью адгезии. Повышение адгезии волокон к матрице достигается их поверхностной обработкой. Производится осаждение нитевидных кри­сталлов на поверхность волокон. При этом получаются