Глава I Физико-технологические основы

получения композиционных материалов

1. ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Развитие всех отраслей промышленно­сти, а также задача повышения качества выпускаемых изделий потребовали созда­ния новых конструкционных материалов. Авиация, ракетно-космическая техника, ядерная энергетика и многие другие от­расли нуждаются в материалах, характе­ризующихся высокими прочностью, тер­мостойкостью и жаропрочностью, малой плотностью, теплопроводностью и элек­тропроводимостью, диэлектрическими, магнитными и другими специальными физическими свойствами. Объединение различных ценных свойств отдельных материалов позволило создать единое це­лое - композицию. Современное материа­ловедение уже добилось значительных успехов в исследовании и разработке ком­позиционных материалов (КМ).

На современном этапе понятие компо­зиционного материала должно удовлетво­рять следующим критериям: композиция должна представлять собой объемное со­четание хотя бы двух химически разно­родных материалов с четкой границей раздела между этими компонентами (фа­зами) и характеризоваться свойствами, которых не имеет никакой из ее компо­нентов в отдельности. Композицию полу­чают путем введения в основной материал (матрицу) определенного количества дру­гого материала, который добавляется в

целях получения специальных свойств. КМ может состоять из двух, трех и более компонентов. Размеры частиц входящих компонентов могут колебаться в широких пределах - от сотых долей микрометра (для порошковых наполнителей) до не­скольких миллиметров (при использовании волокнистых наполнителей).

Практически всякий современный ма­териал представляет собой композицию, поскольку материалы редко используются в чистом виде. Действительно, почти все металлические сплавы содержат несколь­ко фаз, которые либо создаются специаль­но (для придания материалу заданных эксплуатационных и технологических свойств), либо образуются в результате наличия в металле вредных примесей.

Отличие большинства КМ от традици­онных материалов в том, что процесс по­лучения КМ технологически совмещается с процессом изготовления изделия.

Проектирование изделия из КМ начи­нается с конструирования самого мате­риала - выбора его компонентов и назна­чения оптимальных технологических про­цессов производства. Особенность созда­ния конструкций из КМ в отличие от кон­струкций из традиционных материалов заключается в том, что конструирование материала, разработка технологического процесса изготовления и проектирование самой конструкции - это единый взаимо­связанный процесс.

ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

457

mil.

гооог.

-Al-ша/ы П^-угмтикит-^ш»

ЩЩ-и-сл/ю/ы

■стала

Рис. 8.1. Структура баланса используемых материалов планера самолета

Физико-механические свойства КМ в зависимости от концентрации компонен­тов, их геометрических параметров и ори­ентации, а также технологии изготовления могут меняться в очень широких преде­лах. Тем самым открывается возможность специального создания (конструирования) материала с заданными свойствами для определенного изделия.

С развитием теории и технологии КМ стало возможным создавать изделия, ра­ботающие в экстремальных условиях. Так, при разработке космического корабля многоразового использования "Буран" требовалось создать легкую конструкцию, способную длительно работать в исклю­чительно тяжелых условиях: при сверхвы­соких динамических и акустических на­грузках от мощных ракетных двигателей и сверхзвукового потока воздуха при подъ­еме; охлаждении в открытом космосе и нагреве облицовки корабля до температу­ры свыше тысячи градусов при входе в плотные слои атмосферы при посадке. Решения этих задач удалось достичь бла­годаря использованию конструкторами нетрадиционных новых, в том числе и композиционных, материалов со специ­альными свойствами.

Наглядным подтверждением широкого применения КМ является использование углепластиков в авиации (рис. 8.1). Ана-

логичная тенденция применения КМ ха­рактерна и для других отраслей промыш­ленности, так как это неразрывно связано с повышением технико-экономических показателей выпускаемых изделий.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Все КМ условно можно классифициро­вать по следующим признакам: материалу композиции, типу арматуры и ее ориента­ции, способу получения композиции и изделий из них, по назначению.

В зависимости от материала матрицы КМ можно разделить на следующие ос­новные группы: композиции с металличе­ской матрицей - металлические компо­зиционные материалы (МКМ), с поли­мерной - полимерные композиционные материалы (ПКМ), с резиновой - рези­новые композиционные материалы (РКМ) и с керамической - керамические композиционные материалы (ККМ).

Название ПКМ обычно присваивают в зависимости от армирующего материала. Например, ПКМ, армированные стеклян­ными волокнами, называют стеклопласти­ками. Аналогично получили свои названия металлопластики, асбестопластики, угле­пластики, боропластики и т.д.

458

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

У металлических и керамических КМ пока еще нет четких правил присвоения названий. Обычно вначале указывают ма­териал матрицы, а затем армирующий ма­териал, например медно-вольфрамовые, алюминиево-стальные КМ и т.п.

По типу арматуры и ее ориентации КМ подразделяют на две основные группы: изотропные и анизотропные.

Изотропные КМ имеют одинако­вые свойства во всех направлениях. К этой группе относят КМ с порошкообразными наполнителями. К числу изотропных ус­ловно относят и КМ, армированные ко­роткими (дискретными) частицами. КМ при этом получаются квазиизотропными, т.е. изотропными в объеме всего изделия, но анизотропными в микрообъемах.

У анизотропных материалов свойства зависят от направления арми­рующего материала. Их подразделяют на однонаправленные, слоистые и трехмер­но-направленные. Анизотропия материала закладывается конструктором для получе­ния КМ с заданными свойствами. Одно­направленные КМ чаще всего проектиру­ют для изготовления изделий, работаю­щих на растяжение. Слоистые КМ полу­чают путем продольно-поперечной уклад­ки с правильным чередованием слоев. Трехмерно-направленное армирование обычно достигается за счет использования "сшитых" в поперечном направлении ар­мирующих тканей, сеток и т.п. Кроме та­кой анизотропии образуется еще техноло­гическая анизотропия, возникающая при пластическом деформировании изотроп­ных материалов (металлов).

В последнее время находят широкое применение так называемые гибридные КМ.

Гибридными называют КМ, со­держащие в своем составе три или более компонентов. В зависимости от распреде­ления компонентов гибридные КМ обыч­но делят на следующие классы: однород­ные КМ (рис. 8.2, а), с равномерным рас­пределением каждого армирующего ком­понента по всему объему композиции; ли­нейно неоднородные КМ с объединением отдельных волокон в жгуты (рис. 8.2, б);

Рис. 8.2. Схемы армирования КМ:

/ - одномерного; 2 - двумерного

КМ с плоскостной неоднородностью (рис. 8.2, в), в которых волокна каждого типа образуют чередующиеся слои, и мак-ронеоднородные КМ, когда разнородные волокна образуют зоны, соизмеримые с характерным размером изделия из КМ (рис. 8.2, г). При этом возможно использо­вать структуру типа "оболочка - сердце­вина". Такое сочетание компонентов рас­сматривается как наиболее перспективное. Конструктор, проектируя изделие из КМ, армирующие волокна (например, из угле­рода, бора и др.) помещает в оболочку из металлической проволоки, сетки, фольги и т.п. Такие "полуфабрикаты" характеризу­ются высокой технологичностью при изготовлении изделий из волокнистых КМ. Помимо рассмотренных возможны и дру­гие сочетания компонентов в композиции. По способу получения полимерные и резиновые КМ разделяют на литейные и прессованные. Металлические КМ анало­гично делят на литейные и деформируе-

ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

459

мые. Литейные получают путем пропитки арматуры расплавленным матричным ма­териалом (сплавом). Для получения де­формируемых МКМ применяют спека­ние, прессование, штамповку, ковку на молотах и др.

По назначению КМ разделяют на об­щеконструкционные, термостойкие, по­ристые, фрикционные и антифрикцион­ные и т.д.

3. ТРЕБОВАНИЯ,

ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К АРМИРУЮЩИМ

И МАТРИЧНЫМ МАТЕРИАЛАМ

Армирующие материалы подразде­ляют на порошкообразные и волокнистые. Порошковые материалы должны удовле­творять требованиям по химическому составу, размерам и форме отдельных фракций, по технологическим свойствам (насыпная масса, текучесть, прессуемость, спекаемость) при изготовлении изделий порошковой металлургией. Они не долж­ны содержать загрязнений, влаги, масел и других примесей, должны храниться в условиях, исключающих окислительные процессы на поверхности порошковых зерен.

Армирующие волокна, используемые для получения КМ, должны иметь сле­дующие свойства: малую плотность, вы­сокую температуру плавления, минималь­ную растворимость в материале матрицы, высокую прочность во всем интервале рабочих температур, высокую химиче­скую стойкость, технологичность, отсут­ствие фазовых превращений в зоне рабо­чих температур, отсутствие токсичности при изготовлении и эксплуатации. Приме­няют в основном три вида волокон: ните­видные кристаллы, металлическую прово­локу, неорганические и поликристалличе­ские волокна.

Нитевидные кристаллы ("усы") рас­сматривают как наиболее перспективный материал для армирования металлов, по-

лимеров, керамики. Сверхвысокая проч­ность в широком диапазоне рабочих тем­ператур, малая плотность, химическая инертность ко многим материалам матри­цы и ряд других свойств делают их неза­менимыми в качестве армирующих мате­риалов. Однако широкое их внедрение сдерживается пока несовершенством тех­нологии их получения в промышленных масштабах, сложностью ориентации их в материале матрицы, сложностью техноло­гии деформирования изделий из компози­ций с нитевидными кристаллами и др.

Металлическая проволока из высо­копрочной стали, вольфрама, молибдена и других металлов имеет меньшую проч­ность, чем нитевидные кристаллы. Однако ее выпускают промышленно в больших количествах и в связи с более низкой стоимостью широко применяют в качестве арматуры, особенно для КМ на металли­ческой основе.

Неорганические и поликристалличе­ские волокна имеют малую плотность, высокую прочность и химическую стой­кость. Широко применяют углеродные, борные, стеклянные и другие волокна для армирования пластмасс и металлов.

Основное назначение наполнителей -придание КМ специальных свойств. На­пример, волокнистые наполнители вводят с целью получения максимальных проч­ностных характеристик.

Матрица в армированных композици­ях является основой, придает изделию форму и делает материал монолитным. Материал матрицы должен позволять композиции воспринимать внешние на­грузки. Матрица принимает участие в соз­дании несущей способности композиции, обеспечивая передачу силы на волокна. При нагружении за счет пластичности матрицы силы от разрушенных или дис­кретных (коротких) волокон передаются соседним волокнам. Передача нагрузки зависит прежде всего от качества соеди­нений, т.е. от хорошей адгезии между

460

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

компонентами КМ. Без этого невозможны передача нагрузки волокон и, следова­тельно, армирование.

Получению качественного соединения способствуют взаимная диффузия с обра­зованием твердого раствора; поверхност­ное химическое взаимодействие между компонентами композиции; отсутствие на поверхности раздела каких-либо загряз­няющих слоев.

При изготовлении композиции в жид­кой фазе материал матрицы должен сма­чивать армирующий материал (волокно). Качество соединения зависит от смачи­ваемости волокон материалом матрицы, что обусловливается определенной степе­нью физического и химического сродства компонентов. Процесс смачивания сопро­вождается чаще всего частичным раство­рением волокон в материале матрицы или их химическим взаимодействием. Следо­вательно, смачивание почти всегда приво­дит к поверхностному разрушению волок­на. Но без химического взаимодействия невозможно смачивание.

Смачивание зависит также от взаимно­го физического сродства компонентов, т.е. от соотношения их поверхностных энер­гий (рис. 8.3).

Способность жидкой матрицы смачи­вать или не смачивать наполнитель зави­сит от соотношения сил поверхностного натяжения на границах твердая фаза -жидкость (у_т _ _ж), жидкость - пар (у_ж _ „) и твердая фаза - пар (у_т_ _п).

а) б)

Рис. 8.3. Схемы смачивания (а) и несмачивания (б) жидкой матрицей поверхности наполнителя: Т - твердая фаза; Ж - жидкость; П - пар

Если Ут - _п > Yt - ж + Уж - _п ^cos 0_; смачива­ние удовлетворительное, и наоборот, если Ут - ж > Ут - _п + Уж - п cos 9, смачивание не­удовлетворительное. Исследование сма­чивания обычно проводят путем нанесе­ния капли жидкого материала матрицы на подложку из материала наполнителя. О смачиваемости судят по величине краево­го угла 0 (рис. 8.3, а, б).

Смачивание может быть улучшено средствами, влияющими на первоначаль­ное равновесие между силами поверхно­стного натяжения. Наиболее эффективные способы улучшения смачиваемости - на­несение на армирующие волокна специ­альных покрытий и введение в материал матрицы специальных легирующих доба­вок. Улучшить смачивание при пропитке волокон металлическими расплавами можно, применив ультразвуковую обра­ботку жидкой фазы. В отдельных случаях положительный эффект может быть дос­тигнут за счет повышения температуры расплава и увеличения времени нахожде­ния композиции в жидком состоянии.

Таким образом, создавая новые КМ жидкофазными способами, следует при­нимать во внимание, что материал матри­цы должен полностью смачивать арми­рующие волокна, не должен разъедать или иным способом разрушать волокна. Кроме того, матрице отводится роль защитного покрытия, предохраняющего волокна от механических повреждений и окисления.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что понимают под КМ и каковы предпо­сылки их создания?

2. В чем заключается технологическая осо­бенность получения КМ?

3. По каким признакам классифицируют КМ?

4. Какие основные требования предъявляют к армирующим и матричным материалам?

5. Почему уделяют большое внимание во­просу смачивания и какими способами можно улучшить смачивание армирующих элементов матричным материалом?

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 461