7.3. Композиционные материалы

Композиционные материалы относятся к новому классу легких и высокопрочных материалов с большим сопротивлением развитию трещины. Необходимый комплекс свойств определяется заранее и реализуется в процессе изготовления композиционного материала. Композиционные материалы имеют свойства, которыми не обладают отдельные компоненты. Для оптимизации свойств композитов выбирают компоненты с резко отличающимися, но дополняющими друг друга свойствами. Принцип построения композиционного материала заимствован у природы. Естественными композиционными материалами являются стволы деревьев, стебли растений, кости человека и животных.

В композиционном материале главную роль в упрочнении играют наполнители, (армирующие компоненты), их называют упрочнителями. Они должны обладать высокой прочностью, твердостью и высоким модулем упругости. Чем выше эти характеристики у наполнителей, тем выше соответствующие свойства композиционного материала, хотя они и не достигают характеристик наполнителя. По типу упрочняющих наполнителей композиционные материалы делят на дисперсноупрочненные, волокнистые и слоистые.

Дисперсноупрочненные материалы (см. рис. 7.4,а) содержат мелкие, равномерно распределенные тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов, которые не взаимодействуют с матрицей и не растворяются в ней вплоть до температуры плавления. Дисперсные частицы упрочняют материал за счет сопротивления оказываемого движению дислокаций, при нагружении. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояние между ними, тем прочнее материал. Сопротивление движению дислокаций сохраняется вплоть до температуры плавления матрицы. Поэтому данные материалы отличаются высокой жаропрочностью и сопротивлением ползучести.

В волокнистых композиционных материалах (рис. 7.4,б), арматурой могут быть волокна различной формы: нити, ленты, сетки различного плетения. Армирование волокнистых композиционных материалов может осуществляться по одноосной, двухосной и трехосной схеме (рис. 7.5). Прочные и твердые волокна находятся в окружении металлической или пластмассовой матрицы. В качестве волокон используют прочную металлическую проволоку, металлические или керамические нитевидные кристаллы с низкой плотностью дислокаций, стеклянные и керамические нити (например, из бора или углерода). Волокна являются элементами, воспринимающими нагрузку, матрица распределяет нагрузку между волокнами, защищает их поверхность и повышает энергию распространения трещины, предупреждая разрушение хрупкого типа. Этот принцип упрочнения композиционного материала противоположен различным методам упрочнения металлов, когда металлическая матрица упрочняется, например, за счет выделений второй фазы. В композиционных материалах твердость матрицы благодаря наличию прочных волокон повышать не требуется.

Армирование волокнами дает больший прирост прочности, но дисперсное упрочнение технологически легче осуществимо.

Слоистые композиционные материалы (рис. 7.5,б) набираются из чередующихся слоев наполнителя и материала матрицы (конструкция типа «сэндвич»). Слои наполнителя могут быть различно ориентированны. Возможно поочередное использование слоев наполнителя из материалов, с разными механическими свойствами. Для слоистых композитов обычно используют неметаллические материалы.

Для расширения комплекса свойств или усиления какого-либо свойства, композиционный материал одновременно армируют наполнителями различной формы и размеров. Так, для повышения модуля упругости композитов с полимерной матрицей, армированных стеклянными волокнами, дополнительно вводят волокна бора.

Композиционные материалы, которые содержат различные наполнители, называют полиармированными. Матрица связывает композицию и придает ей форму. От свойств матрицы зависят технологические режимы получения композиционных материалов и эксплуатационные характеристики: рабочая температура, плотность, сопротивление усталостному разрушению и воздействию окружающей среды.

Созданы композиционные материалы с матрицей, состоящей из чередующихся слоев различного химического состава. Такие материалы называют полиматричными. Например, использование в качестве матрицы, одновременно, алюминия и титана увеличивает прочность такого материала в направлении, перпендикулярном оси волокон. В качестве матриц металлических композиционных материалов используют алюминий, магний, титан, жаропрочный никель, сплавы на их основе, а также неметаллические материалы – полимеры и керамики.

Свойства и структура композиционных материалов. Свойства композитов зависят не только от свойств матрицы и наполнителя, но и от размеров армирующих волокон, схемы армирования и количества наполнителя в матрице. При упрочнении волокнами конечной длины нагрузка на них передается через матрицу с помощью касательных напряжений. С увеличением длины волокна напряжение, возникающее в нем, повышается. При определенной длине, называемой критической, напряжение достигает максимального значения и уже не меняется при дальнейшем увеличении длины волокна.

Схема армирования оказывает большое влияние на анизотропию свойств композитов. При растяжении предел прочности и модуль упругости достигают наибольших значений в направлении продольного расположения волокон, наименьших – в направлении поперечного расположения. При двухосном армировании анизотропия свойств не наблюдается. Однако по сравнению с одноосным армированием прочность вдоль оси волокон уменьшается в 3 раза.

Прочность композиционных материалов в большой степени зависит от прочности сцепления наполнителя с матрицей. Зависимость прочности композиционного материала от количества наполнителя (V) носит л инейный характер (рис. 7.6), за исключением материалов с очень низким (менее 5 %) или высоким (более 80 %) содержанием. При малом содержании упрочнителя вязкая матрица, по сравнению с хрупким наполнителем, до разрушения испытывает большую деформацию. Это приводит к нарушению сцепления волокон наполнителя с матрицей. При большом содержании наполнителя снижение прочности композиционного материала связано с достижением предела плотности упаковки упрочнителя.

Требуемая прочность сцепления обеспечивается диффузионными процессами и химическими реакциями, протекающими на границе раздела волокон наполнителя и матрицы. Процессы протекают при изготовлении композиционных материалов, так и при их использовании. Для металлических композитов прочная связь между волокном и матрицей обеспечивается благодаря их взаимодействию с образованием тонкого слоя интерметаллидных фаз. Если между волокнами и матрицей взаимодействия нет, то на поверхность волокон наносят специальные покрытия для его обеспечения. Для композитов на неметаллической основе связь между компонентами осуществляется за счет адгезии (межмолекулярного взаимодействия). Плохой адгезией к матрице обладают высокопрочные борные, углеродные и керамические волокна. Улучшение сцепления достигается травлением волокон или вискеризацией – выращиванием монокристаллов карбида кремния на поверхности углеродных, борных и других волокон перпендикулярно их длине. На поверхности волокон после обработки образуется «ворс».

Виды армирующих материалов. Углеродные волокна получают высокотемпературной обработкой синтетических органических волокон в инертной среде. В зависимости от вида исходного продукта углеродные волокна получают в виде нитей, жгутов, лент или тканого полотна. Обычно для производства углеродных волокон используют вискозу. При нагреве синтетическое волокно разлагается с образованием лентообразных слоев углерода с гексагональной структурой.

При нагреве выше 450 С на воздухе углеродные волокна окисляются, но в восстановительной и нейтральной атмосфере сохраняют свои механические свойства до 2200 С. К достоинствам волокон относятся высокая тепло- и электропроводность, коррозионная стойкость, стойкость к тепловым ударам, к недостаткам – плохая смачиваемость расплавленными материалами. Для ее улучшения на поверхность волокон наносят переходные покрытия. Например, углеродные волокна для алюминиевой матрицы покрывают боридами титана и циркония.

Борные волокна получают разложением хлорида бора в среде водорода с последующим осаждением бора из газовой фазы на горячую вольфрамовую нить диаметром 12 мкм. При долгом нагреве, после взаимодействия бора с вольфрамом, сердцевина борных волокон состоит из боридов вольфрама различного состава, в основном WB₄. При небольшой плотности, волокна бора обладают высокой прочностью и жесткостью. При температурах выше 400 С борные волокна окисляются, выше 500 С – вступают в химическое взаимодействие с алюминиевой матрицей. Для повышения жаростойкости и предохранения от взаимодействия наполнителя с матрицей, на борные волокна наносят покрытия из карбида кремния, карбида или нитрида бора, толщиной 3-5 мкм.

Стекловолокно получают продавливанием стекломассы через фильеры или вытягиванием из расплава. Для него характерна высокая прочность, теплостойкость, низкая теплопроводность и высокая коррозионная стойкость.

Изготавливают два вида стекловолокна: непрерывное диаметром 3-100 мкм, длиной до 20 км; штапельное диаметром 0,5-20 мкм, длиной 0,01-0,5 м. Штапельные волокна применяют для изготовления конструкционных материалов с однородными свойствами, тепло- и звукоизоляционных материалов. Непрерывное стекловолокно – для высокопрочных композиционных материалов на неметаллической основе. Выпускают непрерывные волокна с квадратной, прямоугольной и шестиугольной формой поперечного сечения, что повышает прочность и жесткость композитов благодаря плотной упаковке в матрице.

Металлическая проволока является наиболее дешевым и технологичным упрочняющим наполнителем. В основном используют проволоку из коррозионно-стойких сталей. Большое упрочнение такой проволоки можно получить пластической деформацией при волочении, за счет явления наклепа. Высокая температура рекристаллизации легированных сталей обеспечивает проволоке, особенно из сталей аустенитного класса, сохранение прочности при высокой температуре. Для композитов с алюминиевой матрицей, армированной стальной проволокой, температура не должна превышать 550 С, иначе в материале начинается активное взаимодействие компонентов.

Для армирования жаропрочных матриц применяют проволоку из тугоплавких металлов (Mo, W, Ta), обладающих высокой жаропрочностью (1200-1500 С). Большой удельной прочностью при малой плотности обладает проволока из бериллия. Бериллиевую проволоку получают прессованием из литой или порошковой заготовки, заключенной в никелевую оболочку. Деформированная бериллиевая проволока имеет высокую температуру рекристаллизации (700 С). Бериллиевую проволоку целесообразно применять для армирования матриц с малой плотностью (Al, Mg, Ti).

Нитевидные монокристаллы («усы») имеют наибольшую жесткость и прочность из всех армирующих материалов. Для них характерна малая плотность дислокаций. Доказано, что скручивание усов в процессе образования монокристаллов Al₂O₃ и SiO₂ вызвано наличием в них единственной винтовой дислокации, расположенной вдоль оси роста кристаллов.

Композиционные материалы с металлической матрицей. Получение композиционных материалов на металлической основе осуществляется: прессованием волокон в порошке, пропиткой волокон жидким металлом, предварительным осаждением материала матрицы на волокна с последующим прессованием и спеканием, горячим формованием и спеканием и другими способами. Основной проблемой является достижение равномерного смешивания волокон и матрицы.

Для полной пропитки жидкой матрицей необходима хорошая смачиваемость. Низкая смачиваемость волокон приводит к образованию пористости. Смачиваемость волокон увеличивают путем предварительного покрытия их металлами. Пропитка волокон происходит как за счет капиллярных сил, поднимающих жидкую матрицу по капиллярам между волокнами, так и при заливке волокон матрицы сверху.

Преимуществом композиционных материалов на металлической основе является большая тепло- и влагостойкость, а также более высокие значения характеристик в направлении, перпендикулярном оси армирующих волокон. Прежде всего, это модуль упругости, прочность, пластичность и вязкость разрушения.

Для матриц металлических композиционных материалов целесообразнее применять металлы и сплавы, обладающих небольшой плотностью (Al, Mg, Ti, а также их сплавы). Для матриц жаропрочных сплавов широко используют никель. Например, композит КАС-1 на основе алюминиевой матрицы, армированной стальной проволокой, отличается низкой стоимостью упрочнителя и лучшими значениями тепло- и электропроводности.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей. В качестве матриц используются полимерные, углеродные и керамические материалы. Наибольшее распространение получили композиты на полимерной основе из эпоксидных и фенолформальдегидных смол, полиамидов и др.

Полимерные композиционные материалы получают заливкой жидкого полимера, например эпоксидной смолы, в заранее приготовленную форму с уложенным волокнистым наполнителем. Вследствие быстрого отвердения и низкого коэффициента диффузии в неметаллической матрице переходный слой между компонентами отсутствует. Связь между волокнами и матрицей осуществляется путем молекулярного взаимодействия (адгезии). Для повышения прочности связей между компонентами проводят обработку поверхности волокон: травлением, окислением, вискеризацией (осаждение нитевидных монокристаллов на поверхность волокон). Преимущества композиционных материалов с неметаллической матрицей: хорошая технологичность, низкая плотность, большая, чем у металлических композитов, удельная прочность и жесткость, высокая коррозионная стойкость. Недостатки: потеря прочности при нагреве выше 100-200 С, низкая электропроводность.

По удельной жесткости в сочетании с хорошей удельной прочностью композиционные материалы превосходят металлы и их сплавы, что позволяет снизить массу деталей при сохранении их конструкционной прочности. Это особенно важно в самолето- и ракетостроении.

Стеклопластики являются конструкционным материалом. Из них изготавливают корпуса машин, защитные кожухи, вентиляционные трубы, контейнеры, электро- и радиомонтажные платы и др.

Фиберглас – стеклопластик, идущий на изготовление спортивного инвентаря (например, для прыжков с шестом). Углепластики используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, гребные винты), при изготовлении деталей авиационной техники, аппаратуры химической промышленности.

Карбоволокниты с углеродной матрицей применяют для элементов тепловой защиты, в производстве авиационных тормозных дисков, химически стойкой аппаратуры; бороволокниты – в авиационной и космической технике: турбинные лопатки компрессоров, лопасти вертолетных винтов тяжело нагруженные несущие валы и т. д.

Композиционные материалы с металлической матрицей используются для корпусов и камер сгорания реактивных двигателей и др.