Композиционные материалы. Композиционными называют материалы, которые представляют собой соединение высокопрочных, жаропрочных или особо жестких тонких волокон или дискретных частиц и
Композиционными называют материалы, которые представляют собой соединение высокопрочных, жаропрочных или особо жестких тонких волокон или дискретных частиц и полимерной, металлической или керамической матрицы, в которую эти волокна погружены и которая связывает их в монолитное тело. Именно такие волокна из-за ряда особенностей позволяют материалу обрести рекордные характеристики.
Композиционные материалы по жесткости и удельной прочности, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам, значительно превосходят все известные конструкционные сплавы.
Свойства композиционных материалов определяются физико-механическими свойствами компонентов и прочностью связи между ними.
Композиционные материалы могут быть двух типов: а) на металлической основе, основой (матрицей) в которых служат металлы или сплавы;
б) на неметаллической основе, основой (матрицей) в которых являются полимеры, углеродные и керамические материалы.
Свойства матрицы определяют технологию получения композиционных материалов и такие важные характеристики, как температура эксплуатации, сопротивление усталостному разрушению, плотность и удельная прочность.
Упрочнители (наполнители) равномерно распределены в матрице. По твердости, прочности и модулю упругости упрочнители, или, как их называют, "армирующие компоненты", должны значительно превосходить матрицу.
По форме армирующих компонентов композиционные материалы разделяют на: 1) дисперсно-упрочненные, в которых армирующие компоненты присутствуют в виде частиц малого размера;
2) волокнистые, в которых армирующие компоненты представляют собой волокна или пластины.
Дисперсно-упрочненные композиционные материалы в качестве наполнителей содержат дисперсные частицы тугоплавких фаз — оксидов, нитридов, боридов, карбидов (А12О3, SiO2, SiC, BN и др.). Эти тугоплавкие соединения имеют высокий модуль упругости, низкую плотность, не взаимодействуют с материалом матриц. Основную нагрузку в этих материалах воспринимает матрица, а дисперсные частицы упрочнителя препятствуют движению дислокаций, тем самым повышая прочность материала. Уровень достигнутой прочности зависит от общего объема частиц упрочнителя, равномерности их распределения, степени дисперсности и расстояния между частицами.
По сравнению с волокнистыми композиционными материалами, дисперсно-упрочненные обладают большей изотропностью свойств.
Широкое применение в промышленности нашел дисперсно-упрочненный композиционный материал на алюминиевой основе — САП (спеченная алюминиевая пудра).
Для САП характерны: высокая прочность, жаропрочность, коррозионная стойкость и термическая стабильность свойств.
САП состоит из алюминия и оксида алюминия. Оксид алюминия не растворяется в алюминии, равномерно распределен в алюминиевой матрице, тормозит движение дислокаций, в результате чего предотвращается ползучесть, уменьшается пластичность и повышается прочность сплавов.
В России получают САП четырех марок с различным содержанием A12О3, при этом, при увеличении содержания A12О3 в материале от 6 до 22% основные физ. мех. характеристики имеют следующие значения: σВ = 300 и 450МПа, σ0,2 = 220 и 370 МПа, δ = 7 и 1,5%.
По жаропрочности САП превосходит все алюминиевые сплавы, его используют для изготовления деталей, работающих при температурах до 5000С, когда требуется также высокая прочность и коррозионная стойкость. САП хорошо обрабатывается давлением, резанием, удовлетворительно сваривается. Благодаря своим свойствам САП нашел широкое примерение в самолето- и судостроении, в атомных реакторах, в электротехнической и химической промышленности. Из САП изготовляют поршневые штоки, лопатки компрессоров, обмотки электродвигателей, теплообменники, вентили управляющей системы реактивных двигателей и др.
Волокнистые композиционные материалы в качестве наполнителей содержат волокна или нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавкие соединения (В, С, А12О3, SiC и др.), а также проволоку из металлов и сплавов (Мо, W, Ве, высокопрочной стали и др.).
Волокнистые композиционные материалы обладают значительной анизотропией. Свойства их зависят от схемы армирования. Наибольшая анизотропия наблюдается при армировании вдоль одной оси. Нагрузку в волокнистых материалах в основном воспринимает упрочнитель, а матрица служит средой для передачи напряжений. Поэтому их упрочнение зависит от прочности, толщины и длины волокна: чем тоньше и длиннее волокно, тем выше прочностные карактеристики волокнистых материалов. Например, КМ алюминия с бериллиевой проволокой имеет удельную прочность порядка 48 (по сравнению со значением 15 для алюминиевого сплава типа дуралюмин). КМ: никель — графитовые волокна и алюминий — волокна бора являются наиболее перспективными.