Композиты как новые конструкционные материалы

1. Что такое композиционные материалы.

Композиционный материал – конструкционный (металлический  или неметаллический) материал, в  котором имеются усиливающие  его элементы в виде нитей, волокон  или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами  или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы  с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать  композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими  и другими специальными свойствами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Типы композиционных материалов.

2.1. Композиционные материалы с металлической матрицей.

Композиционные материалы  состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной  высокопрочными волокнами (волокнистые  материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в  основном металле (дисперсно-упрочненные  материалы). Металлическая матрица  связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.

2.2. Композиционные материалы с неметаллической матрицей.

Композиционные материалы  с неметаллической матрицей нашли  широкое применение. В качестве неметаллических  матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение  получили эпоксидная, фенолоформальдегидная  и полиамидная. Угольные матрицы  коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает  композицию, придавая ей форму. Упрочнителями  служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения  и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя  в ориентированных материалах составляет 60-80 об. %, в неориентированных (с дискретными  волокнами и нитевидными кристаллами) – 20-30 об. %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиги и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу  в плоскости укладки. Плоские  слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно  учитывать направление действующих  нагрузок. Можно создать материалы  как с изотропными, так и с  анизотропными свойствами. Можно  укладывать волокна под разными  углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев  по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. Наибольшее применение имеет структура  из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться  в осевом, радиальном и окружном направлениях.

Трехмерные материалы  могут быть любой толщины в  виде блоков, цилиндров. Объемные ткани  увеличивают прочность на отрыв  и сопротивление сдвигу по сравнению  со слоистыми. Система из четырех  нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура  из четырех нитей равновесна, имеет  повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных.

 

3. Классификация композиционных материалов.

3.1. Волокнистые композиционные материалы.

Композиционные материалы  с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых  отношение длины волокна к  диаметру l/d≥10*10³, и с непрерывным волокном, в которых l/d≥∞. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован  большим числом параллельных непрерывных  волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой  исходную форму, по ширине и длине  соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.

Композиционные материалы  отличаются от обычных сплавов более  высокими значениями временного сопротивления  и предела выносливости (на 50 – 10 %), модуля упругости, коэффициента жесткости (Е/γ) и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости  волокон должны быть значительно  больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие  в композиции при нагружении, придают  ей прочность и жесткость в  направлении ориентации волокон.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные (σ_В = 2500¸ 3500 МПа (Е = 38¸420 ГПа) и углеродные (σ_В = 1400¸3500 МПа,  Е = 160¸450 ГПа) волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют Е= 2500¸3500 МПа, Е = 450 ГПа. Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных сталей.

Для армирования титана и  его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида  кремния и борида титана.

 Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. Перспективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др., имеющие σ_В = 15000¸28000 МПа и Е = 400¸600 ГПа.   

В табл. 1 приведены свойства некоторых волокнистых композиционных материалов. (см. на след. стр.)

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.

Механические свойства композиционных материалов на металлической основе
Материал	σВ	σ-1	Е, ГПа	σВ /g	Е/g
	МПа
Бор-алюминий (ВКА-1А)	1300	600	220	500	84,6
Бор-магний (ВКМ-1)	1300	500	220	590	100
Алюминий-углерод (ВКУ-1)	900	300	220	450	100
Алюминий-сталь (КАС-1А)	1700	350	110	370	24,40
Никель-вольфрам (ВКН-1)	700	150	-	-	-

 

Композиционные материалы  на металлической основе обладают высокой  прочностью и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исчезает внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью волокнистых одноосных композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения.

Рассмотрим зависимость σ_{В и} σ_-1 бороалюминевого композиционного материала от содержания борного волокна вдоль и поперек оси армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше σ_В, σ_-1 и Е вдоль оси армирования. Однако необходимо учитывать, что матрица может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно – матрица. Для предотвращения контакта между волокнами матрица должна полностью окружать все волокна, что достигается при содержании ее не менее 15-20 %.

Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при  изготовлении и эксплуатации, так  как это может привести к понижению  прочности композиционного материала.

Анизотропия свойств волокнистых  композиционных материалов учитывается  при конструировании деталей  для оптимизации свойств путем  согласования поля сопротивления с  полями напряжения.

Армирование алюминиевых, магниевых  и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида  кремния, доборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения  во времени с повышением температуры.

Основным недостатком  композиционных материалов с одно и  двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого лишены материалы с объемным армированием.

3.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы.

В отличие от волокнистых  композиционных материалов в дисперсно-упрочненных  композиционных материалах матрица  является основным элементом, несущим  нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций. Высокая  прочность достигается при размере  частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100-500нм и равномерном  распределении их в матрице. Прочность  и жаропрочность в зависимости  от объемного содержания упрочняющих  фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5-10 об. %.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких  соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и  редкоземельных металлов), нерастворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала до 0,9-0,95 Т^ПЛ. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы могут быть получены на основе большинства  применяемых в технике металлов и сплавов.

Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – САП (спеченный  алюминиевый порошок). САП состоит  из алюминия и дисперсных чешуек Al₂O₃. Частицы Al₂O₃ эффективно тормозят движение дислокаций и тем самым повышают прочность сплава. Содержание Al₂O₃ в САП колеблется от 6-9 % (САП-1) и до 13-18 % (САП-3). С увеличением содержания Al₂O₃ повышается от 300 для САП-1 до 400 МПа для САП-3, а относительное удлинение соответственно снижается с 8 до 3 %. Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкие стали при работе в интервале температур 250-500 °С. По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность σ₁₀₀ для сплавов САП-1 и САП-2 при 500 °С составляет 45-55 МПа.

Большие перспективы у  никелевых дисперсно-упрочненных  материалов. Наиболее высокую жаропрочность  имеют сплавы на основе никеля с 2-3 об. % двуоксида тория или двуоксида  гафния. Матрица этих сплавов обычно γ-твердый раствор Ni + 20 % Cr, Ni + 15 % Mo, Ni + 20 % Cr и Mo. Широкое применение получили сплавы ВДУ-1 (никель, упрочненный двуокисью  тория), ВДУ-2 (никель, упрочненный двуокисью  гафния) и ВД-3 (матрица Ni +20 % Cr, упрочненная  окисью тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. При температуре 1200 °С сплав ВДУ-1 имеет σ₁₀₀ ~ 75 МПа и σ₁₀₀₀ ~ 65 МПа, сплав ВД-3 – σ₁₀₀ ~ 65 МПа. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительности выдержки при данной температуре.

3.3. Стекловолокниты.

Стекловолокниты – это  композиция, состоящая из синтетической  смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве наполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствие влияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Для практических целей используют волокно диаметром 5-20 мкм с  = 600÷3800 МПа и ε = 2÷3,5 %.Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатного состава.

Неориентированные стекловолокниты  содержат в качестве наполнителя  короткое волокно. Это позволяет  прессовать детали сложной формы, с  металлической арматурой. Материал получается с изотопными прочностными характеристиками, намного более  высокими, чем у пресс-порошков и  даже волокнитов. Представителями такого материала являются стекловолокниты  АГ-4В, а также ДСВ (дозирующиеся стекловолокниты), которые применяют для изготовления силовых электротехнических деталей, деталей машиностроения (золотники, уплотнения насосов и т. д.). При  использовании в качестве связующего непредельных полиэфиров получают премиксы ПСК (пастообразные) и препреги АП и  ППМ (на основе стеклянного мата). Препреги можно применять для крупногабаритных изделий простых форм (кузова автомашин, лодки, корпуса приборов и т. п.).

Ориентированные стекловолокниты  имеют наполнитель в виде длинных  волокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями и тщательно склеивающихся связующим. Это обеспечивает более высокую прочность стеклопластика.

Стекловолокниты могут работать при температурах от –60 до 200 °С, а  также в тропических условиях, выдерживать большие инерционные  перегрузки. При старении в течение  двух лет коэффициент старения К_с= 0,5÷0,7. Ионизирующие излучения мало влияют на их механические и электрические свойства. Из них изготовляют детали высокой прочности, с арматурой и резьбой.