Композиционные и порошковые материалы

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 0,9–0,95Тпл. В связи с этим такие материалы  чаще применяют как жаропрочные. Дисперсноупрочненные 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 А12О3. Частицы  А12О3 эффективно тормозят движение дислокаций и тем самым повышают прочность 

сплава. Содержание А12О3 в САП колеблется от 6–9 % (САП-1) и до 13–18 % (САП-3). С увеличением  содержания А12О3 σB 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–З об.% двуоксида тория или двуоксида  гафния. Матрица этих сплавов обычно γ-твердый раствор Ni+20% Cr, Ni+15% Mo, Ni+20% Cr и Мо. Широкое применение получили сплавы ВДУ-1 (никель, упрочненный двуокисью  тория), ВДУ-2 (никель, упрочненный двуокисью  гафния) и ВД-3 (матрица Ni+20% Сг, 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 – 65 МПа. Дисперсно-упрочненные  композиционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительности выдержки при данной температуре (см. рис.7). 

Области применения композиционных   материалов  не ограничены. Они применяются в  авиации для высоконагруженных  деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т.д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины  и т.д.), в космической технике  для узлов силовых конструкций  аппаратов, подвергающихся нагреву, для  элементов жидкости, для элементов  жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т.д., в горной промышленности (буровой  инструмент, детали комбайнов и т.д.), в гражданском строительстве (пролеты  мостов, элементы сборных конструкций  высотных сооружений и т.д.) и в  других областях народного хозяйства. 

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов. 

Технология получения  полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов достаточно хорошо отработана. 
 
 

5. КОМПОЗИЦИОННЫЕ  МАТЕРИАЛЫ С НЕМЕТАЛИЧЕСКОЙ

МАТРИЦЕЙ 
 

5.1. Общие сведения, состав и классификация 

Рис.8. Схемы армирования

композиционных материалов 
 

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 полиимидная. 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 др.), 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 сдвиге 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. Плоскостные  слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно  учитывать направление действующих  нагрузок. Можно создавать 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. 

Рис.9. Зависимость  между напряжением и деформацией  при растяжении эпоксидного углепластика с различной схемой укладки упрочнителя: 1 – продольная; 2 – под углом 45º; 3 – взаимно перпендикулярная; 4 –  поперечная 
 

Применяется укладка  упрочнителей из трех, четырех и  более нитей (рис.8). 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 отр  ыв и сопротивление сдвигу по сравнению  со слоистыми. Система из четырех  нитей строится путем расположения упрочнителя по диагоналям куба. Структура  из четырех нитей равновесна, имеет  повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трех-направленных. Зависимость  механических свойств композиционных материалов от схемы армирования  приведена на рис.9. 

5.2.  Карбоволокниты 

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие  из полимерного связующего (матрицы) и уп­рочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон). 

Высокая энергия  связи С–С углеродных волокон  позволяет им сохранять прочность  при очень высоких температурах (в ней- 

тральной и восстановительной  средах до 2200°С), а также при низких температурах. От окисления поверхности  волокна предохраняют защитными  покрытиями (пиролитическими). В отличие  от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующим (низкая поверхностная энергия), поэтому  их подвергают травлению. При этом увеличивается  степень активирования углеродных волокон по содержанию карбоксильной  группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков  увеличивается в 1,6–2,5 раза. Применяется  вискеризация ните­видных кристаллов TiO2, AlN и Si3N4, что дает увеличение межслойной жесткости в 2 раза и прочности  в 2,8 раза. Применяются пространственно  армированные структуры. 

Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные  карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты). 

Рис.10. Значения модулей  упругости (1), сдвига (2) и коэффициентов  Пуассона (3) под углом к главному направлению композиционного материала, образованного системой трех нитей 
 

Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненный углеродной лентой, и КМУ-ly на жгуте, вискеризованном  нитевидными кристаллами, могут  длительно работать при температуре  до 200°С. 

Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-Зл получают на эпоксиани-линоформальдегидном  связующем, их можно эксплуатировать  при температуре до 100°С, они наиболее технологичны. Карбоволокниты КМУ-2 и  КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре  до 300°С. 

Карбоволокниты отличаются высоким статическим и динамическим сопротивлением усталости (рис.10), сохраняют  это свойство при нормальной и  очень низкой температуре (высокая  теплопроводность волокна предотвращает  саморазогрев материала за счет внутреннего  трения). Они водо- и химически  стойкие. После воздействия на воздухе  рентгеновского излучения σИЗГ  и Е почти не изменяются. 

Рис.11. Зависимость  модуля упругости Е, предела прочности  σВ, ударной вязкости а и сопротивления  усталости σ-1 карбостекловолокнита от содержания углеродных волокон (общее  содержание наполнителя в композиции 62 об.%) 
 

Теплопроводность  углепластиков в 1,5–2 раза выше, чем  теплопроводность стеклопластиков. Они  имеют следующие электрические  свойства: ρV=0,0024÷0,0034 Ом∙см (вдоль волокон); е=10 и tgδ=0,01 (при частоте тока 1010 Гц). 

Карбостекловолокниты  содержат наряду с угольными стеклянные волокна, что удешевляет материал. Зависимость  механических свойств модифицированного  карбоволокнита от содержания углеродных волокон показана на рис.11. 

5.3. Карбоволокниты  с углеродной матрицей. 

Коксованные материалы  получают из обычных полимерных карбоволокнитов, подвергнутых пиролизу в инертной или  восстановительной атмосфере. При  температуре 800–1500°С образуются карбонизированные, при 2500–3000°С графитированные карбоволокниты. Для получения пироуглеродных материалов упрочнитель выкладывается по форме  изделия и помещается в печь, в  которую пропускается газообразный углеводород (метан). При определенном режиме (температуре 1100°С и остаточном давлении 2660 Па) метан разлагается  и образующийся пиролитический углерод  осаждается на волокнах упрочнителя, связывая их. 

Образующийся при  пиролизе связующего кокс имеет высокую  прочность сцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный материал обладает высокими механическими  и абляционными свойствами, стойкостью к термическому удару. 

Карбоволокнит с  углеродной матрицей типа КУП-ВМ по значениям  прочности и ударной вязкости в 5–10 раз превосходит специальные  графиты; при нагреве в инертной атмосфере и вакууме он сохраняет  прочность до 2200°С, на воздухе окисляется при 450°С и требует защитного покрытия. Коэффициент трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другому  высок (0,35–0,45), а износ мал (0,7–1 мкм  на торможение). 

Полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные  винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей  авиационной техники, аппаратуры для  химической промышленности, в рентгеновском  оборудовании и др. 

Карбоволокниты с  углеродной матрицей заменяют различные  типы графитов. Они применяются для  тепловой защиты, дисков авиационных  тормозов, химически стойкой аппаратуры. 

Физико-механические свойства карбоволокнитов приведены  в табл.2. 

5.4. Бороволокниты 

Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного  связующего и упрочнителя — борных волокон. 

Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости, теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борных волокон  обеспечивает высокую прочность  при сдвиге на границе раздела  с матрицей. 

Помимо непрерывного борного волокна применяют комплексные  боростеклониты, в которых несколько  параллельных борных волокон оплетаются стеклонитью, придающей формоустойчивость. Применение боростеклонитей облегчает  технологический процесс изготовления материала. 

В качестве матриц для  получения бороволокнитов используют модифицированные эпоксидные и полиимидные  связующие. Бороволокниты КМБ-1 и  КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200°С; КМБ-3 и  КМБ-Зк не требуют высокого давления при переработке и могут работать при температуре не свыше 100°С; КМБ-2к  работоспособен при 300°С. 
 
 

Влияние на механические свойства бороволокнита содержания волокна приведено на рис.12, а  влияние различных матриц – на рис.13. 

Рис.12. Зависимость  механических свойств бороволокнита  КМБ-1 от содержания борного волокна: Е – модуль упругости;