Пути повышения качества и эффективности использования композиционных материалов
Композиционные материалыпредставляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиции. По характеру структуры композиционные материалы подразделяются на волокнистые, упрочнённые непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами, дисперсноупрочнённые материалы, полученные путём введения в металлическую матрицу дисперсных частиц упрочнителей, слоистые материалы, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов. К композиционным материалам также относятся сплавы с направленной кристаллизацией эвтектических структур. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.
Волокнистые композиционные материалы, армированные нитевидными кристаллами и непрерывными волокнами тугоплавких соединений и элементов (SiC, AI2O3, бор, углерод и др.) являются новым классом материалов. Однако принципы армирования для упрочнения известны в технике с глубокой древности. Еще в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а в Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555 – 60 при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали армированные железными полосами каменные плиты. Прообразом Композиционные материалы являются широко известный железобетон, представляющий собой сочетание бетона, работающего на сжатие, и стальной арматуры, работающей на растяжение, а также полученные в 19 в. прокаткой слоистые материалы.
Успешному развитию современных композиционных материалов содействовали: разработка и применение в конструкциях волокнистых стеклопластиков, обладающих высокой удельной прочностью (1940 – 50); открытие весьма высокой прочности, приближающейся к теоретической, нитевидных кристаллов и доказательства возможности использования их для упрочнения металлических и неметаллических материалов (1950 – 60); разработка новых армирующих материалов – высокопрочных и высокомодульных непрерывных волокон бора, углерода, Al2O3, SiC и волокон других неорганических тугоплавких соединений, а также упрочнителей на основе металлов (1960 – 70).
В технике широкое распространение получили волокнистые композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами, в которых армирующие элементы несут основную нагрузку, тогда как матрица передаёт напряжения волокнам. Волокнистые композиционные материалы, как правило, анизотропны. Механические свойства их (таблица 2.1) определяются не только свойствами самих волокон (таблица 2.2), но и их ориентацией, объёмным содержанием, способностью матрицы передавать волокнам приложенную нагрузку и др. Диаметр непрерывных волокон углерода, бора, а также тугоплавких соединений (В4С, SiC и др.) обычно составляет 100 – 150 мкм.
Волокнистые Композиционные материалы, в отличие от монолитных сплавов, обладают высокой усталостной прочностью s–1. Так, например, s–1 (база 107 циклов) алюминиевых сплавов составляет 130 – 150 Мн/м2 (13 – 15 кгс/мм2), в то время как у армированного борным волокном алюминиевого Композиционные материалы s–1 около 500 Мн/м2 (при той же базе). Предел прочности и модуль упругости Композиционные материалы на основе алюминия, армированного борным волокном, примерно в 2 раза больше, чем у алюминиевых сплавов В – 95 и АК4 – 1.
Важнейшими технологическими методами изготовления Композиционные материалы являются: пропитка армирующих волокон матричным материалом; формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы, получаемых намоткой; холодное прессование обоих компонентов с последующим спеканием, электрохимическое нанесение покрытий на волокна с последующим прессованием; осаждение матрицы плазменным напылением на упрочнитель с последующим обжатием; пакетная диффузионная сварка монослойных лент компонентов; совместная прокатка армирующих элементов с матрицей и другие.
Таблица2.1. – Механические свойства волокнистых композиционных материалов с непрерывными волокнами
| Матрица (основа) | Упрочнитель (волокно) | Плотность, кг/м3 | Предел проч-ти, Гн/м3 | Удельная проч-ть, кн–м/кг | Модуль упр-ти, Гн/м3 | Удельный модуль упр-ти, Мн–м/кг | |
| материал | % (по объёму) | ||||||
| Никель | Вольфрам | 0,8 | 21,2 | ||||
| Молибден | 0,7 | 25,25 | |||||
| Титан | Карбид кремния | 0,9 | |||||
| Алюминий | Борное волокно | 1,1 | |||||
| Стальная проволока | 1,2 | 23,4 | |||||
| Борное волокно | 1,0 | ||||||
| Магний | Углеродное волокно | 1,18 | |||||
| Полимерное связующее | Борное волокно | 1,4 | 136,8 |
В узлах конструкций, требующих наибольшего упрочнения, армирующие волокна располагаются по направлению приложенной нагрузки. Цилиндрические изделия и другие тела вращения (например, сосуды высокого давления) армируют волокнами, ориентируя их в продольном и поперечном направлениях. Увеличение прочности и надежности в работе цилиндрических корпусов, а также уменьшение их массы достигается внешним армированием узлов конструкций высокопрочными и высокомодульными волокнами, что позволяет повысить в 1,5-2 раза удельную конструктивную прочность по сравнению с цельнометаллическими корпусами. Упрочнение материалов волокнами из тугоплавких веществ значительно повышает их жаропрочность. Например, армирование никелевого сплава вольфрамовым волокном (проволокой) позволяет повысить его жаропрочность при 1100 °С в 2 раза.
Весьма перспективны композиционные материалы, армированные нитевидными кристаллами (усами) керамических, полимерных и др. материалов. Размеры усов обычно составляют от долей до нескольких мкм по диаметру и примерно 10-15 мм по длине.
Таблица 2.2 – Свойства нитевидных кристаллов и непрерывных волокон
| Упрочнитель | Температура плавления, °С | Плотность, кг/м3 | Предел прочности, Гн/м2 | Удельная прочность, Мн м/кг | Модуль упругости, Гн/м2 | Удельный модуль упругости, Мн м/кг |
| Непрерывные волокна | ||||||
| Al2O3 | 2,1 | 0,53 | ||||
| B | 3,5 | 1,33 | ||||
| C | 2,5 | 1,47 | 250—400 | 147—235 | ||
| B4C | 2.3 | 0,98 | ||||
| SiC | 2,5 | 0,64 | ||||
| W | 4,2 | 0,22 | ||||
| Mo | 2,2 | 0,21 | ||||
| Be | 1,5 | 0,81 | ||||
| Нитевидные кристаллы (усы) | ||||||
| Al2O3 | 28* | 7,1 | ||||
| AlN | 15* | 4,55 | ||||
| B4C | 14* | 5,55 | ||||
| SiC | 27* | 8,4 | ||||
| Si2N4 | 15* | 4,72 | ||||
| C | 21* | 12,35 | ||||
| *Максимальные значения. |
Разрабатываются композиционные материалы со специальными свойствами, например радиопрозрачные материалы и радиопоглощающие материалы, материалы для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов, с малым коэффициентом линейного термического расширения и высоким удельным модулем упругости и другие. Свойства Композиционные материалы на основе алюминия и магния (прочность, модуль упругости, усталостная и длительная прочность) более чем в 2 раза (до 500 °С) выше, чем у обычных сплавов. Композиционные материалы на никелевой и кобальтовой основах увеличивают уровень рабочих температур от 1000 до 1200 °С, а на основе тугоплавких металлов и соединений – до 1500-2000 °С. Повышение прочностных и упругих свойств материалов позволяет существенно облегчить конструкции, а увеличение рабочих температур этих материалов даёт возможность повысить мощность двигателей, машин и агрегатов.
Области применения композиционных материалов многочисленны: кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной промышленности – для деталей двигателей и кузовов автомашин; в машиностроении – для корпусов и деталей машин; в горнорудной промышленности – для бурового инструмента, буровых машин и др.; в металлургической промышленности – в качестве огнеупорных материалов для футеровки печей, кожухов и другой арматуры печей, наконечников термопар; в строительстве – для пролётов мостов, опор мостовых ферм, панелей для высотных сборных сооружений и др.; в химической промышленности – для автоклавов, цистерн, аппаратов сернокислотного производства, ёмкостей для хранения и перевозки нефтепродуктов и др.; в текстильной промышленности – для деталей прядильных машин, ткацких станков и др.; в сельскохозяйственном машиностроении – для режущих частей плугов, дисковых косилок, деталей тракторов и др.; в бытовой технике – для деталей стиральных машин, рам гоночных велосипедов, деталей радиоаппаратуры и др.
Применение композиционных материалов в ряде случаев потребует создания новых методов изготовления деталей и изменения принципов конструирования деталей и узлов конструкций.