Классификация композиционных материалов

Композиционными материалами (КМ) называют материалы, созданные из двух и более компонентов, различающихся по химическому составу, разделенные ярко выраженной границей с новыми свойствами, отличающимися от свойств компонентов.

Компонент, непрерывный в объеме КМ, называют матрицей, прерывистый - армирующим элементом.

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 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.

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 и КМ, армированные короткими (дискретными) частицами (в дисперсно-упрочнен-ных КМ), (рис. 4, в).

У анизотропных материалов свойства зависят от направления армирующего материала: однонаправленные (рис. 4, а), слоистые (рис. 4, б) и трехмерно-направленные.

9.1. Армирующие материалы

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 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.

Применяют в основном три вида волокон: нитевидные кристаллы, металлическую проволоку, неорганические и поликристаллические волокна.

Нитевидные кристаллы («усы») наиболее перспективный материал для армирования металлов, полимеров, керамики. Они имеют сверхвысокую прочность в широком диапазоне рабочих температур, малую плотность, химическую инертность ко многим материалам матрицы.

Металлическая проволока из высокопрочной стали, вольфрама, молибдена и других металлов имеет меньшую прочность, чем нитевидные кристаллы, но стоимость ее более низкая, поэтому ее 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.

Из волокнистых КМ изготавливают многослойные ленты, листы, стержни, трубы, профили конструкционного назначения, лопатки турбин, детали для авиации и космической техники.

Жаропрочные КМ изготавливают на основе сплавов никеля и кобальта, упрочненных керамическими (SiC, Si₃Ni₄, Al₂O₃) и углеродными волокнами. КМ применяют для изготовления тяжелонагруженных деталей газотурбинных двигателей, камер сгорания, тепловых экранов, жаростойких труб и т.д.

Материалы матриц

Матрица в армированных композициях является основой, придает изделию форму и делает материал монолитным. Материал матрицы должен позволять композиции воспринимать внешние нагрузки.

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 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 степью физического и химического сродства компонентов. Смачивание может быть улучшено нанесением на армирующие волокна специальных покрытий и введением в материал матрицы специальных легирующих добавок. Улучшить смачивание при пропитке волокон металлическими расплавами можно, применив ультразвуковую обработку жидкой фазы, 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.

В качестве материала матрицы в зависимости от требуемых эксплуатационных свойств применяют следующие материалы: легкие металлы и сплавы на основе алюминия и магния; сплавы на основе титана, меди; жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе железа, никеля и кобальта; тугоплавкие сплавы на основе вольфрама, молибдена и ниобия.

Алюминиевые сплавы обладают хорошей пластичностью, коррозионной стойкостью, но сравнительно невысокой прочностью. Для пропитки КМ применяют алюминиевые сплавы с хорошими литейными свойствами, например силумины, имеющие в своем составе повышенное содержание кремния. Перспективным для жаропрочных КМ является САП (спеченный алюминиевый порошок), который представляет собой алюминий, упрочненный дискретными частицами оксида алюминия. МКМ на основе САП имеют высокую жаропрочность (до 500 °С), хорошо обрабатываются давлением, резанием и обладают высокой коррозионной стойкостью.

Магний и его сплавы характеризуются низкой плотностью, относительно высокими механическими свойствами, способностью сопротивляться ударным нагрузкам и вибрациям. Кроме того, они достаточно пластичны и хорошо обрабатываются давлением.

Титановые сплавы имеют малую плотность, а по прочностным характеристикам превосходят алюминиевые и магниевые сплавы. Они имеют достаточно хорошие литейные свойства и могут обрабатываться пластическим деформированием в широком интервале температур (600…1200 °С). Для армирования КМ промышленностью налажен выпуск фольги из титановых сплавов толщиной 3…200 мкм.

Медь и медные сплавы имеют высокую электропроводимость и теплопроводность, высокие пластические свойства.

Жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе системы никель-хром с легирующими добавками вольфрама молибдена, титана, алюминия стойки к образованию окалины на поверхности в газовых средах при нагреве свыше 500 °С. Повышенная длительная прочность, высокое сопротивление ползучести и усталости достигаются за счет введения в сплавы титана и алюминия. Сплавы на никелевой и кобальтовой основе, легированные различными элементами, способны работать при температурах до 1100 °С. Пластические свойства таких сплавов низки, поэтому их подвергают обработке давлением.

Порошковой металлургией стало возможно получать МКМ с матрицей из особотугоплавких сплавов - ниобия, вольфрама, молибдена и сплавов на их основе. Волокнистыми наполнителями (нитевидными кристаллами из тугоплавких соединений) эти матрицы армируют с целью придания им особых эксплуатационных свойств (ударопрочности, термостойкости и других специальных физических характеристик).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: