Лекция 13. Композиционные материалы

Композиционные материалы (композиты) представляют собой гетерогенные, т.е. неоднородные системы, состоящие из двух или более фаз-компонентов, причем каждый из компонентов сохраняет свои свойства.

Один из компонентов является матрицей, т.е. создает целостный материал. Второй является армирующим (усиливающим). По виду армирующего материала композиты делятся на две основные группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые (см. 1.6).

Композиты имеют свойства, которыми не обладают его компоненты. Варьируя количеством упрочняющей фазы, ее распределением в матрице, можно создавать, т.е. конструировать, материалы (или непосредственно детали) с заранее заданными характеристиками для определенных условий эксплуатации.

Дисперсно-упрочненные композиты

Структура дисперсно-упрочненного композиционного материала представляет собой металлическую матрицу, в которой равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго компонента. Упрочнение таких материалов осуществляется за счет создания барьеров перемещению дислокаций, аналогично тому, как это происходит в металлических сплавах с дисперсионным твердением. Наиболее сильное торможение перемещению дислокаций достигается при использовании в качестве второй, упрочняющей, фазы частиц химических соединений – карбидов, нитридов, боридов, оксидов, обладающих высокими значениями твердости, прочности, а также высокой химической устойчивостью.

Для эффективного торможения дислокаций суммарная поверхность дисперсных частиц должна быть максимальной, а их размеры минимальными (по не менее 2...10 им, так как при меньших размерах частицы перерезаются движущимися дислокациями, а не задерживают их), т.е. частицы упрочняющей фазы малы в трех измерениях.

Наиболее распространенная технология получения дисперсно-упрочненного композита – порошковая металлургия. Основными технологическими процессами являются получение порошковых смесей, прессование порошков с последующим спеканием и пластическая деформация полученной массы. В процессе пластической деформации повышается плотность и уменьшается пористость композита.

В промышленности применяются композиты с матрицами из алюминия, магния, титана, никеля, вольфрама и др.

Композиты на основе алюминия типа САП (спеченный алюминиевый порошок) нашли широкое применение, в частности, в авиационной промышленности. В этих композитах алюминиевая матрица упрочнена оксидными частицами А12O3. Свойства композита зависят от количества А12O3 Так, предел прочности композита САП-1 (6...9% Al2O3) составляет 300 МПа, а композита САП-3 (13...18% А12O3) – 400 МПа.

При цеховой температуре механические свойства САПов ниже, чем у алюминиевых сплавов. Их основное преимущество проявляется при температурах свыше 300 °С, когда алюминиевые сплавы разупрочняются. Так, при 500 °С предел прочности сплавов САП составляет 80...120 МПа, тогда как у сплавов Д19, Д20, АК-4 не превышает 5 МПа.

Композиты на основе бериллия предназначены для длительной работы при высоких температурах. В качестве упрочнителя матрицы используют оксид или карбид бериллия – ВеО, Ве2С. Наиболее эффективно сопротивление ползучести повышается для композитов системы "Ве – Ве2С". Так, при температуре 650 °С 100-часовая прочность композита выше прочности чистого бериллия в 3 раза (40 и 14 МПа соответственно), а при температуре 730 °С – более чем в 6 раз (25 и 4 МПа соответственно).

Композиты на основе магния. Незначительная растворимость кислорода в магнии дает возможность упрочнять магний его оксидами. Наибольший эффект наблюдается при введении около 1% оксида, при этом предел прочности достигает 300 МПа, тогда как предел прочности магния составляет 180 МПа. Такие композиты обладают низкой плотностью, высокой длительной прочностью и высоким сопротивлением ползучести. Наиболее перспективно их применение в авиации для изготовления деталей, от которых требуется сочетание высокой прочности и малой массы.

Композиты на основе никеля и кобальта предназначены для эксплуатации при высоких температурах – свыше 1000 °С. Упрочнение достигается за счет введения оксидов тория или гафния в количестве 2...4%. Матрицы этих композитов могут состоять из чистых металлов или сплавов на их основе. Так, в качестве матрицы нашел применение нихром (80% Ni, 20% Cr), а также сплав кобальта с цирконием (2%). Легирование цирконием кобальтовой матрицы приводит к повышению механических свойств во всем диапазоне температур, однако при этом заметно снижается пластичность материала. Пределы прочности композитов при температуре 600 °С составляют 200...450 МПа (прочность, соизмеримая с прочностью среднеуглеродистых сталей при температуре цеха), при 1100 °С – 100...150 МПа. Основное применение композитов – авиационная и космическая техника.