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

Рис. 196. Схема структуры (а) и армирования непрерывными волокнами (б) композиционных материалов: 1 - зернистый (дисперсно-упрочненный) материал (l/d =1); 2 - дискретный волокнистый композиционный материал; 3 - непрерывно волокнистый композиционный материал; 4 - непрерывная укладка волокон; 5 - двухмерная укладка волокон; 6,7 - объемная укладка волокон

или иную композицию, получили название композиционные материалы (рис. 196).

Волокнистые композиционные материалы. На рис. 196 приведены схемы армирования волокнистых композиционных материалов. Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длины волокна к диаметру и с непрерывным волокном, в которых 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 етруктуру, 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 50-100 %), модуля упругости, коэффициента жесткости () и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

Таблица 44 (см. скан) Механические свойства композиционных материалов на металлической основе

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 и углеродные 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 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

В табл. 44 приведены свойства некоторых волокнистых композиционных материалов.

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 исключают внезапное

Рис. 197. Зависимость модуля упругости Е (а) и временного сопротивления (б) бороалюминиевого композиционного материала вдоль (1) и поперек (2) оси армирования от объемного содержания борного волокна

хрупкое разрушение. Отличительной особенностью одноосных волокнистых композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения.

На рис. 197 приведена зависимость и Е бороалюминиевого композиционного материала от содержания борного волокна вдоль (1) и поперек оси армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше 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 или 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 6 полями напряжения.

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени (рис. 198, а) с повышением температуры.

Рис. 198. Длительная прочность бороалюминиевого композиционного материала, содержащего 50% борного волокна, в сравнении с прочностью титановых сплавов (а) и длительная прочность никелевого композиционного материала в сравнении с прочностью дисперсионно-твердеющих сплавов (б): 1 - бороалюминиевый композит; 2 - титановый сплав; 3 - дисперсионно-упрочненный композиционный материал; 4 - дисперснонно-твердеющие сплавы

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

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 100-500 нм 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

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 . 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 Частицы эффективно тормозят движение дислокаций и тем самым повышают прочность

сплава. Содержание в САП колеблется от и до С увеличением содержания повышается от 300 для до для 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 По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность для сплавов при составляет

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 -твердый раствор Широкое применение получили сплавы (никель, упрочненный двуокисью тория), (никель, упрочненный двуокисью гафния) и (матрица упрочненная окисью тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. При температуре сплав имеет сплав Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительности выдержки при данной температуре (см. рис. 198).

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 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.

Порошковый наполнитель вводят в матрицу композиционного материала с целью реализации присущих веществу наполнителя свойств в функциональных свойствах композита. В порошковых композитах матрицей служат главным образом металлы и полимеры. За порошковыми композитами с полимерной матрицей закрепилось название «пластмассы».

Композиты с металлической матрицей

Композиты с металлической матрицей. Порошковые композиты с металлической матрицей получают путем холодного или горячего прессования смеси порошков матрицы и наполнителя с последующим спеканием полученного полуфабриката в инертной или восстановительной среде при температурах около 0,75 Т пл металла матрицы. Иногда процессы прессования и спекания совмещают. Технологию получения порошковых композитов называют «порошковая металлургия». Методами порошковой металлургии производят кер- меты и сплавы с особыми свойствами.

Керметами называют композиционные материалы с металлической матрицей, наполнителем которой служат дисперсные частицы керамики, например карбидов, оксидов, боридов, силицидов, нитридов и др. В качестве матрицы используют преимущественно кобальт, никель и хром. Керметы сочетают твердость, а также жаропрочность и жаростойкость керамики с высокой вязкостью и теплопроводностью металлов. Поэтому керметы в отличие от керамики менее хрупки и способны выдерживать большие перепады температур без разрушения.

Наиболее широкое применение керметы получили в производстве металлообрабатывающего инструмента. Порошковыми твердыми сплавами называют керметы инструментального назначения.

Порошковым наполнителем твердых сплавов являются карбиды или карбонитриды в количестве 80% и более. В зависимости от типа наполнителя и металла, который служит матрицей композита, порошковые твердые сплавы делят на четыре группы:

• 1) WC-Co - однокарбидные типа В К;
• 2) WC-TiC-Со - двухкарбидные типа ТК,
• 3) WC-TiC-TaC-Co - трехкарбидные типа ТТК;
• 4) TiC и TiCN-(Ni + Mo) - сплавы на основе карбида и карбо- нитрида титана - безвольфрамовые типа ТН и КНТ.

Сплавы ВК. Сплавы маркируются буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта. Например, состав сплава ВК6: 94% WC и 6% Со. Теплостойкость сплавов ВК - около 900°С. Сплавы этой группы обладают наибольшей прочностью по сравнению с прочими твердыми сплавами.

Сплавы ТК. Сплавы обозначают комбинацией букв и цифр. Цифра после Т указывает на содержание в сплаве карбида титана, после К - кобальта. Например, состав сплава Т15К6: TiC - 15%, Со - 6%, остальное, 79 %, - WC. Твердость сплавов ТК вследствие введения в состав его наполнителя более твердого карбида титана больше, чем твердость сплавов В К. Они также имеют преимущество по теплостойкости - 1000°С, однако их прочность при равном содержании кобальта ниже.

Сплавы ТТК (ТТ7К12, ТТ8К, ТТ20К9). Обозначение сплавов ТТК аналогично ТК. Цифра после второй буквы Т указывает на суммарное содержание карбидов TiC и ТаС.

При равной теплостойкости (1000°С) сплавы ТТК превосходят сплавы ТК при одинаковом содержании кобальта и по твердости, и по прочности. Наибольшее влияние легирования карбидом тантала проявляется при циклических нагрузках - ударная усталостная долговечность повышается до 25 раз. Поэтому танталсо- держащие сплавы используются в основном для тяжелых условий резания с большими силовыми и температурными нагрузками.

Сплавы ТН, КНТ. Это безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС) на основе карбида и карбонитрида титана с никель-молибденовой, а не кобальтовой связкой.

По теплостойкости БВТС уступают вольфрамсодежащим сплавам, теплостойкость БВТС не превышает 800°С. Их прочность и модуль упругости также ниже. Теплоемкость и теплопроводность БВТС ниже, чем у традиционных сплавов.

Несмотря на сравнительно низкую стоимость, широкое применение БВТС для изготовления режущего инструмента проблематично. Наиболее целесообразно использование безвольфрамовых сплавов для изготовления измерительного (концевые меры, калибры) и волочильного инструмента.

Металлическая матрица используется также для связывания порошкового наполнителя из алмаза и кубического нитрида бора, которые объединяют общим названием «сверхтвердые материалы» (СТМ). Композиционные материалы с наполнителем из СТМ используют в качестве обрабатывающего инструмента.

Выбор матрицы для алмазного порошкового наполнителя ограничен низкой теплостойкостью алмаза. Матрица должна обеспечивать термохимический режим надежного связывания зерен алмазного наполнителя, исключающий сгорание или графитацию алмаза. Для связывания алмазного наполнителя наиболее широко используют оловянистые бронзы. Более высокая теплостойкость и химическая инертность нитрида бора позволяют использовать связки на основе железа, кобальта, твердого сплава.

Инструмент с СТМ изготавливают преимущественно в виде кругов, обработка которыми производится путем стачивания поверхности обрабатываемого материала вращающимся кругом. Абразивные круги на основе алмаза и нитрида бора широко используют для заточки и доводки режущего инструмента.

При сравнении абразивных инструментов на основе алмаза и нитрида бора следует отметить, что две эти группы не конкурируют друг с другом, а имеют собственные области рационального применения. Это определяется различиями их физико-механических и химических свойств.

К преимуществам алмаза как инструментального материала перед нитридом бора относится то, что его теплопроводность выше, а коэффициент термического расширения ниже. Однако определяющими являются высокая диффузионная способность алмаза по отношению к сплавам на основе железа - сталям и чугунам и, напротив, инертность к этим материалам нитрида бора.

При высокой температуре наблюдается активное диффузионное взаимодействие алмаза со сплавами на основе железа. При температурах ниже ос

Применимость алмаза на воздухе имеет температурные ограничения. Алмаз начинает окисляться с заметной скоростью при температуре 400°С. При более высоких температурах он сгорает с выделением углекислого газа. Это также ограничивает эксплуатационные возможности алмазного инструмента по сравнению с инструментом на основе кубического нитрида бора. Заметное окисление нитрида бора на воздухе наблюдается только после часовой выдержки при температуре 1200°С.

Температурный предел работоспособности алмаза в инертной среде ограничен его превращением в термодинамически стабильную форму углерода - графит, которое начинается при нагреве до 1000°С.

Другой обширной областью применения керметов является их использование в качестве конструкционного материала высокотемпературного назначения для объектов новой техники.

Служебные свойства порошковых композитов с металлической матрицей определяются главным образом свойствами наполнителя. Поэтому для порошковых композиционных материалов с особым свойством наиболее распространена классификация по областям применения.

К этому виду композиционных материалов относятся материалы типа САП (спеченная алюминиевая пудра), которые представляют собой алюминий, упрочненный дисперсными частицами оксида алюминия. Алюминиевый порошок получают распылением расплавленного металла с последующим измельчением в шаровых мельницах до размера около 1 мкм в присутствии кислорода. С увеличением длительности помола пудра становится мельче и в ней повышается содержание оксида алюминия. Дальнейшая технология производства изделий и полуфабрикатов из САП включает холодное прессование, предварительное спекание, горячее прессование, прокатку или выдавливание спеченной алюминиевой заготовки в форме готовых изделий, которые можно подвергать дополнительной термической обработке.

Сплавы типа САП применяют в авиационной технике для изготовления деталей с высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью, работающих при температурах до 300–500 °С. Из них изготавливают штоки поршней, лопатки компрессоров, оболочки тепловыделяющих элементов и трубы теплообменников.

Армирование алюминия и его сплавов стальной проволокой повышает их прочность, увеличивает модуль упругости, сопротивление усталости и расширяет температурный интервал службы материала.

Армирование короткими волокнами проводят методами порошковой металлургии, состоящими из прессования с последующей гидроэкструзией или прокаткой заготовок. При армировании непрерывными волокнами композиций типа сэндвич, состоящих из чередующихся слоев алюминиевой фольги и волокон, применяют прокатку, горячее прессование, сварку взрывом, диффузионную сварку.

Весьма перспективным материалом является композиция «алюминий – бериллиевая проволока», в которой реализуются высокие физико-механические свойства бериллиевой арматуры, и в первую очередь, ее низкая плотность и высокая удельная жесткость. Получают композиции с бериллиевой проволокой диффузионной сваркой пакетов из чередующихся слоев бериллиевой проволоки и матричных листов. Из алюминиевых сплавов, армированных стальной и бериллиевой проволоками, изготавливают корпусные детали ракет и топливные баки.

В композиции «алюминий – углеродные волокна»сочетание низкой плотности арматуры и матрицы позволяет создать композиционные материалы с высокой удельной прочностью и жесткостью. Недостатком углеродных волокон является их хрупкость и высокая реакционная способность. Композицию «алюминий – углерод» получают пропиткой углеродных волокон жидким металлом или методами порошковой металлургии. Технологически наиболее просто осуществимо протягивание пучков углеродных волокон через расплав алюминия.

Композит «алюминий – углерод» применяют в конструкциях топливных баков современных истребителей. Благодаря высокой удельной прочности и жесткости материала масса топливных баков уменьшается на
30 %. Этот материал используют также для изготовления лопаток турбин авиационных газотурбинных двигателей.

Волокнистые композиционные металлические материалы.

Эвтектические композиционные металлические материалы.

Композиционные металлические материалы, формируемые спеканием.

Дисперсно-упрочненные материалы на металлической матрице.

Композиционные материалы на металлической матрице.

Лекция № 2

Слоистые армированные пластики

Текстолиты – материалы, формируемые из слоёв ткани, пропитанной термореактивной синтетической смолой.

Дублированные пластики – слоистые материалы, состоящие из листов полиэтилена, полипропилена и других термопластов, соединённых подслоем на основе ткани, химически стойкой резины, нетканых волокнистых материалов и т.п.

Линолеум – полимерный рулонный материал для покрытия полов – представляет собой многослойный или на тканевой основе КПМ, содержащий алкидные смолы, полвинилхлорид, синтетические каучуки и другие полимеры.

Гетинакс – слоистый пластик на основе бумаги, пропитанной термореактивной синтетической смолой.

Металлопласт – конструкционный материал, состоящий из металлического листа, снабженного с одной или двух сторон полимерным покрытием из полиэтилена, фторопласта или поливинилхлорида.

Древесно-слоистые пластики – материалы, получаемые «горячим» прессованием заготовок из древесины (шпона), пропитанных синтетическими термореактивными смолами.

Тема: « КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕ»

Номенклатуру КММ делят на три основные группы:1) дисперсно-упрочненные материалы, армированные частицами, в том числе псевдосплавы, полученные методом порошковой металлургии; 2) эвтектические композиционные материалы – сплавы с направленной кристаллизацией эвтектических структур; 3) волокнистые материалы, армированные дискретными или непрерывными волокнами.

Дисперсно-упрочненные материалы

Если в металлической матрице КММ распределены частицы упрочняющей фазы размером 1…100 нм, занимающие 1…15% объема композита, матрица воспринимает основную часть механической нагрузки, приложенной к КММ, а роль частиц сводится к созданию эффективного сопротивления перемещению дислокаций в материале матрицы. Такие КММ характеризуются повышенной температурной стабильностью, вследствие чего их прочность практически не снижается вплоть до температур (0,7…0,8) Т пл, где Т пл – температура плавления матрицы. Материалы этого типа подразделяют на две группы: материалы, формируемые спеканием, и псевдоматериалы.

М а т е р и а л ы, ф о р м и р у е м ы е с п е к а н и е м, содержат мелкодисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов и других тугоплавких соединений, а также интерметаллидов, которые при формировании КММ не плавятся и не растворяются в матрице. Технология формирования изделий из таких КММ относится к области порошковой металлургии и включает операции получения порошковых смесей, их прессования в форме, спекания полученных полуфабрикатов, деформирования и термообработки заготовок.

Материалы на матрице из алюминия . Нашедшие применение КМ с алюминиевой матрицей в основном армируют стальной проволокой, борными и углеродными волокнами В качестве матрицы используют как технический алюминий (например, АД1), так и сплавы (В95, Д20 и др.).

Дисперсно – упрочненные стали содержат в качестве упрочняющих компонентов оксиды: Аl 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 и др

КММ на матрице из кобальта в качестве дисперсной добавки содержат оксид тория, на матрице из магния – собственные оксиды.

Материалы на основе меди , упрочненные оксидами, карбидами, нитридами, приобретают жаростойкость, которая сочетается с высокой электропроводностью медной матрицы. Такие КММ используются для изготовления электрических контактов, электродов для роликовой сварки, инструментов для искровой обработки и т.д.

КММ на основе никеля , наполненные оксидом тория и оксидом гафния, предназначены для работы при температурах выше 1000 о С и используются в авиастроении, энергомашиностроении, в космической технике.

П с е в д о с п л а в – дисперсно-упрочненные КММ, состоящие из металлических и металлоподобных фаз, не образующих растворы и не вступающих в химические соединения. Технология формирования псевдосплавов относится к области порошковой металлургии. Заключительными операциями получения псевдосплавов является пропитка либо жидкофазное спекание формовок.

Пропитка заключается в заполнении пор формовки или спеченной заготовки из тугоплавкого компонента расплавом легкоплавкого компонента псевдосплава. Пропитку осуществляют, погружая пористую заготовку в расплав.

Номенклатура псевдосплавов включает преимущественно материалы триботехнического назначения.

Псевдосплавы на основе вольфрама W – Cu и W – Ag сочетают высокую твердость, прочность и электропроводность. Они применяются для изготовления электрических контактов. Такое же назначение имеют псевдосплавы на основе молибдена (Мо – Cu) и никеля (Ni – Ag) и др.

Э в т е к т и ч е с к и е КММ – сплавы эвтектического или близкого к нему состава, в которых армирующей фазой служат ориентированные волокнистые или пластинчатые кристаллы, образовавшиеся в процессе направленной кристаллизации металлической матрицы.

Технология формирования эвтектических КММ состоит в том, что образец вытягивают из расплава с постоянной скоростью, подвергая его непрерывному охлаждению. Форма фронта кристаллизации зависит от скорости вытяжки и условий теплообмена, регулируемых с помощью элементов конструкции кристаллизатора.

В о л о к н и с т ы е м а т е р и л ы. Технология формирования волокнистых КММ включает методы прессования, прокатки, совместной вытяжки, экструзии, сварки, напыления или осаждения, а также пропитки.

«Горячим» прессованием (прессованием с нагревом) получают КММ, исходным материалом матрицы которых служат порошки, фольги, ленты, листы и другие металлические полуфабрикаты. Их и армирующие элементы (проволоку, керамические, угольные или другие волокна) в определенном порядке укладывают на плиту пресса или в форму а затем прессуют при нагревании на воздухе или в инертной атмосфере.

Методом прокатки перерабатывают те же компоненты, что и прессованием.

Метод совместной вытяжки заключается в следующем. В заготовке из матричного металла высверливают отверстия, в которые вставляют армирующие прутки или проволоку. Заготовку нагревают и производят ее обжатие и волочение, которое завершают отжигом.

Методом экструзии изготавливают изделия в виде прутков или труб, армированных непрерывными и дискретными волокнами. Исходным материалом матрицы являются металлические порошки,

Н о м е н к л а т у р а волокнистых КММ включает множество материалов на матрицах из алюминия, магния, титана, меди, никеля, кобальта и др.

Композитные материалы с металлической матрицей. Для работы при более высоких температурах применяют ме­таллические матрицы.

Металлические КМ обладают рядом преимуществ перед поли­мерными. Помимо более высокой рабочей температуры, они ха­рактеризуются лучшей изотропией и большей стабильностью свойств в процессе эксплуатации, более высокой эрозионной стойкостью.

Пластичность металлических матриц сообщает конструкции необходимую вязкость. Это способствует быстрому выравниванию локальных механических нагрузок.

Важным преимуществом металлических КМ является более высокая технологичность процесса изготовления, формовки, тер­мообработки, формирования соединений и покрытий.

Преимуществом ком­позиционных материалов на металличе­ской основе являются более высокие значения характеристик, зависящих от свойств матрицы. Это прежде всего вре­менное сопротивление и модуль упруго­сти при растяжении в направлении, пер­пендикулярном оси армирующих воло­кон, прочность при сжатии и изгибе, пластичность, вязкость разрушения. Кроме того, композиционные мате­риалы с металлической матрицей сохра­няют свои прочностные характеристики до более высоких температур, чем мате­риалы с неметаллической основой. Они более влагостойки, негорючи, обладают электрической проводимостью.Высокая электропроводность металлических КМ хорошо за­щищает их от электромагнитного излучения, молнии, снижает опасность статического электричества. Высокая теплопроводность металлических КМ предохраняет от локальных перегревов, что особенно важно для таких изделий, как наконечники ракет и ведущие кромки крыльев .

Наиболее перспективными материала­ми для матриц металлических компози­ционных материалов являются ме­таллы, обладающие небольшой плот­ностью (А1, Мg, Тi), и сплавы на их основе, а также никель - широко приме­няемый в настоящее время в качестве основного компонента жаропрочных сплавов.

Композиты получают разными методами. К ним относятся пропитка пучка волокон жидкими расплавами алюминия и маг­ния, плазменное напыление, применение методов горячего прес­сования иногда с последующей гидроэкструзией или прокаткой заготовок. При армировании непрерывными волокнами компо­зиций типа "сэндвич", состоящих из чередующихся слоев алюми­ниевой фольги и волокон, применяют прокатку, горячее прессо­вание, сварку взрывом, диффузионную сварку. Отливку прутков и труб, армированных высокопрочными волокнами, получают из жидкометаллической фазы. Пучок волокон непрерывно про­ходит через ванну с расплавом и пропитывается под давлением жидким алюминием, или магнием. При выходе из пропиточной ванны волокна соединяются и пропускаются через фильеру, формирующую пруток или трубу. Этот метод обеспечивает мак­симальное наполнение композита волокнами (до 85 %), их одно­родное распределение в поперечном сечении и непрерывность процесса.

Материалы с алюминиевой матрицей. Материалы с алюминиевой матрицей в основном армируют стальной проволокой (КАС), борным волокном (ВКА)и углеродным волокном (ВКУ). В каче­стве матрицы используют как техниче­ский алюминий (например, АД1), так и сплавы (АМг6, В95, Д20 и др.).

Использование в качестве матрицы сплава (например, В95), упрочняемого термообработкой (закалка и старение), дает дополнительный эффект упрочне­ния композиции. Однако в направлении оси волокон он невелик, тогда как в поперечном направлении, где свойства определяются в основном свойствами матрицы, достигает 50%.

Наиболее дешевым, достаточно эф­фективным и доступным армирующим материалом является высокопрочная стальная проволока. Так, армирование технического алюминия проволокой из стали ВНС9 диаметром 0,15 мм (σ в = 3600 МПа) увеличивает его про­чность в 10-12 раз при объемном со­держании волокна 25% и в 14-15 раз при увеличении содержания до 40%, по­сле чего временное сопротивление до­стигает соответственно 1000-1200 и 1450 МПа. Если для армирования ис­пользовать проволоку меньшего диаме­тра, т. е. большей прочности (σ в = 4200 МПа), временное сопротивление композиционного материала увеличится до 1750 МПа. Таким образом, алюми­ний, армированный стальной проволо­кой (25-40%), по основным свойствам значительно превосходит даже высокопрочные алюминиевые сплавы и выхо­дит на уровень соответствующих свойств титановых сплавов. При этом плотность композиций находится в пределах 3900-4800 кг/м 3 .

Упрочнение алюминия и его сплавов более дорогими волокнами В, С, А1 2 О э повышает стоимость композиционных материалов, но при этом эффективнее улучшаются некоторые свойства: напри­мер, при армировании борными волок­нами модуль упругости увеличивается а 3-4 раза, углеродные волокна способ­ствуют снижению плотности. Бор мало разупрочняется с повышением температуры, поэтому композиции, армированные борными волокнами, сохраняют высокую прочность до 400-500 °С Промышленное применение нашел материал, содержащий 50 об.% непрерывных высокопрочных и высокомодульных волокон бора (ВКА-1). По модулю упругости и временному сопротивлению в интервале температур 20-500°С он превосходит все стандартные алюминиевые сплавы, в том числе высокопрочные (В95), и сплавы, специально предназначенные для ра­боты при высоких температурах (АК4-1), что наглядно представлено на рис. 13.35. Высокая демпфирующая спо­собность материала обеспечивает ви­бропрочность изготовленных из него конструкций. Плотность сплава равна 2650 кг/м 3 , а удельная про­чность-45 км. Это значительно выше, чем у высокопрочных сталей и тита­новых сплавов.

Расчеты показали, что замена сплава В95 на титановый сплав при изготовле­нии лонжерона крыла самолета с под­крепляющими элементами из ВКА-1 увеличивает его жесткость на 45% и дает экономию в массе около 42%.

Композиционные материалы на алю­миниевой основе, армированные угле­родными волокнами (ВКУ), дешевле и легче, чем материалы с борными во­локнами. И хотя они уступают послед­ним по прочности, обладают близкой удельной прочностью (42 км). Однако изготовление композиционных материа­лов с углеродным упрочнителем связа­но с большими технологическими труд­ностями вследствие взаимодействия углерода с металлическими матрицами при нагреве, вызывающего снижение прочности материала. Для устранения этого недостатка применяют специальные покрытия углеродных воло­кон.

Материалы с магниевой матрицей. Материалы с магниевой матрицей(ВКМ) характеризуются меньшей плот­ностью (1800-2200 кг/м 3), чем с алюми­ниевой, при примерно такой же высокой прочности 1000-1200 МПа и поэтому более высокой удельной прочностью. Деформируемые магниевые сплавы (МА2 и др), армированные борным во­локном (50 об. %), имеют удельную прочность > 50 км. Хорошая совместимость магния и его сплавов с борным волокном, с одной стороны, позволяет изготовлять детали методом пропитки практически без последующей механической обработки, с другой - обеспечивает большой ресурс работы деталей при повышенных температурах. Удельная прочность этих материалов повышается благодаря применению в качестве матрицы сплавов, легированных легким литием, а также в результате использования более легкого углеродного волокна. Но, как было указано ранее, введение углеродного волокна осложняет технологию и без того нетехнологичных сплавов. Как известно, магний и его сплавы обладают низкой технологической пластичностью, склонностью к образованию рыхлой оксидной пленки.

Композиционные материалы на титановой основе. При создании композиционных материалов на титановой основевстречаются трудности, вызванные необходимостью нагрева до высоких температур. При высоких температурах титановая матрица становится очень активной; она приобретает способность к газопоглощению, взаимодействию с многими упрочнителями: бором, карбидом кремния, оксидом алюминия и др. В результате образуются реакционные зоны, снижается прочность как самих волокон, так и композиционных материалов в целом. И, кроме того, высокие темпе­ратуры приводят к рекристаллизации и разупрочнению многих армирующих материалов, что снижает эффект упроч­нения от армирования. Поэтому для упрочнения материалов с титановой ма­трицей используют проволоку из берил­лия и керамических волокон тугоплав­ких оксидов (А1 2 0 3), карбидов (SiС), а также тугоплавких металлов, обла­дающих большим модулем упругости и высокой температурой рекристаллиза­ции (Мо, W). Причем целью армирова­ния является в основном не повышение и без того высокой удельной прочности, а увеличение модуля упругости и повы­шение рабочих температур. Механиче­ские свойства титанового сплава ВТ6 (6 % А1, 4 % V, остальное А1), армирован­ного волокнами Мо, Ве и SiС, предста­влены в табл. 13.9 . Как видно из. та­блицы, наиболее эффективно удельная жесткость повышается при армирова­нии волокнами карбида кремния.

Армирование сплава ВТ6 молибдено­вой проволокой способствует сохране­нию высоких значений модуля упруго­сти до 800 "С. Его величина при этой температуре соответствует 124 ГПа, т. е. снижается на 33%, тогда как вре­менное сопротивление разрыву при этом уменьшается до 420 МПа, т. е. бо­лее чем в 3 раза.

Компо­зиционные материалы на никелевой ос­нове . Жаропрочные КМ изготавливают на основе сплавов никеля и кобальта, упрочненных керамическими (SiC, Si 3 Ni 4 , Al 2 O 3) и углеродными волокнами. Основная задача при создании компо­зиционных материалов на никелевой ос­нове(ВКН) заключается в повышении рабочих температур выше 1000 °С. И одним из лучших металлических упрочнителей, способных обеспечить хо­рошие показатели прочности при столь высоких температурах, является воль­фрамовая проволока. Введение вольфра­мовой проволоки в количестве от 40 до 70 об.% в сплав никеля с хромом обес­печивает прочность при 1100°С в тече­ние 100 ч соответственно 130 и 250 МПа, тогда как лучший неармированный никелевый сплав, предназна­ченный для работы в аналогичных усло­виях, имеет прочность 75 МПа. Исполь­зование для армирования проволоки из сплавов вольфрама с рением или гаф­нием увеличивает этот показатель на 30-50%.

Композиционные материалы приме­няют во многих отраслях промышлен­ности и прежде всего в авиации, ракет­ной и космической технике, где особен­но большое значение имеет снижение массы конструкций при одновременном повышении прочности и жесткости. Бла­годаря высоким удельным характеристикам прочности и жесткости их ис­пользуют при изготовлении, например, горизонтальных стабилизаторов и за­крылков самолетов, лопастей винтов и контейнеров вертолетов, корпусов и камер сгорания реактивных двигате­лей и др. Использование компози­ционных материалов в конструкциях ле­тательных аппаратов уменьшило их массу на 30-40%, увеличило полезную нагрузку без снижения скорости и даль­ности полета.

В настоящее время композиционные материалы применяют в энергетическом турбостроении (рабочие и сопловые ло­патки турбины), автомобилестроении (кузова автомобилей и рефрижераторов, детали двигателей), машиностроении (корпуса и детали машин), химической промышленности (автоклавы, цистерны, емкости), судостроении, (корпуса лодок, катеров, гребные винты) и др.

Особые свойства композиционных материалов позволяют использовать их в качестве электроизоляционных мате­риалов (органоволокниты), радиопроз­рачных обтекателей (стекловолокниты), подшипников скольжения (карбоволокниты) и других деталей.

Композитные материалы с керамической матрицей. Для наиболее высоких рабочих температур в качестве матрич­ного материала применяют керамику. В качестве керамических матриц используют силикатные (SiO 2), алюмосиликатные (Al 2 O 3 - SiO 2), алюмоборосиликатные (Al 2 O 3 - B 2 O 3 - SiO 2) материалы, тугоплавкие оксиды алюминия (Al 2 O 3), циркония (ZrO 2), бериллия (BeO), нитрид кремния (Si 3 N 4), бориды титана (TiB 2) и циркония (ZrB 2), карбиды кремния (SiC) и титана (TiC). Композиты с керамической матрицей обладают высокими температурой плавления, стойкостью к окислению, термоударам и вибрации, прочностью при сжатии. Керамические КМ на основе карбидов и оксидов с добавками металлического порошка (< 50об. %) называются керметами . Помимо порошков для армирования керамических КМ используют металлическую проволоку из вольфрама, молибдена, ниобия, жаропрочной стали, а также неметаллические волокна (керамические и углеродные). Использование металлической проволоки создает пластичный каркас, предохраняющий КМ от разрушения при растрескивании хрупкой керамической матрицы. Недостатком керамических КМ, армированных металлическими волокнами, является низкая жаростойкость. Высокой жаростойкостью обладают КМ с матрицей из тугоплавких оксидов (можно использовать до 1000 °C), боридов и нитридов (до 2000°C), карбидов (свыше 2000°C). При армировании керамических КМ волокнами карбида кремния достигается высокая прочность связи между ними и матрицей в сочетании со стойкостью к окислению при высоких температурах, что позволяет использовать их для изготовления тяжелонагруженных деталей (высокотемпературные подшипники, уплотнения, рабочие лопатки газотурбинных двигателей и др.). Основной недостаток керамики - отсутствие пластичности - в некоторой степени компенсируется армирующими волокнами, тормозящими распространение тре­щин в керамике.

Углерод-углеродный композит . Использование в качестве матричного материала аморфного углерода, а в качестве армирующего материала - волокон из кри­сталлического углерода (графита) позволило создать композит, выдерживающий нагрев до 2500 °С. Такой углерод-углеродный композит перспективен для космонавтики и заатмосферной авиации. Недостаток углеродной матрицы состоит в возможном окислении и абляции. Для предотвращения этих явлений композит покрывают тонким слоем карбида кремния.

Углеродная матри­ца, подобная по физико-химическим свойствам углеродному волокну, обес­печивает термостойкость УУКМ

Наиболее широкое применение нашли два способа получения углерод-углеродных композитов:

1. карбонизация полимерной матрицы заранее сформованной углепластиковой заготовки путем высоко­температурной термообработки в неокисляющей среде;

2. осаждение из га­зовой фазы пироуглерода, образую­щегося при термическом разложении углеводородов в порах углеволокнистой подложки.

Оба эти способа имеют свои достоин­ства и недостатки. При создании УУКМ их часто комбинируют для придания композиту необходимых свойств.

Карбонизация полимерной матрицы. Процесс карбонизации представляет собой термообработку изделия из углепластика до темпера­туры 1073 К в неокисляющей среде (инертный газ, угольная засыпка и т.д.). Цель термообработки - пере­вод связующего в кокс. В процессе карбонизации происходит термоде­струкция матрицы, сопровождающаяся потерей массы, усадкой, образованием большого числа пор и снижением вследствие этого физико-механических свойств композита.

Карбонизация проводится чаще всего в ретортных печах сопротивления. Реторта, изготовленная из жаропроч­ного сплава, предохраняет изделие от окисления кислородом воздуха, а нагревательные элементы и изоля­цию - от попадания на них летучих коррозионно-активных продуктов пи­ролиза связующего и обеспечивает равномерность обогрева реакционного объема печи.

Механизм и кинетика карбонизации определяются соотношением скоростей диссоциации химических связей и ре­комбинации образовавшихся радика­лов. Процесс сопровождается удале­нием испаряющихся смолистых соеди­нений и газообразных продуктов и образованием твердого кокса, обога­щающегося атомами углерода. Поэтому в процессе карбонизации ключевым моментом является выбор температурно-временного режима, который дол­жен обеспечивать максимальное об­разование коксового остатка из свя­зующего, поскольку механическая прочность карбонизованного компо­зита зависит, помимо прочего, от ко­личества образовавшегося кокса.

Чем больше габариты изделия, тем продолжительнее должен быть процесс карбонизации. Скорость подъема температуры при карбони­зации - от нескольких градусов до нескольких десятков градусов в час, продолжительность процесса карбони­зации 300 ч и более. Карбонизация заканчивается обычно в интервале температур 1073-1773 К, соответ­ствующих температурному интервалу перехода углерода в графит.

Свойства УУКМ в значительной мере зависят от вида исходного свя­зующего, в качестве которого приме­няются синтетические органические смолы, дающие высокий коксовый остаток. Чаще всего для этой цели применяют фенолформальдегидные смолы вследствие их технологичности, доступности низкой стоимости, образовавшийся в этом процессе кокс обладает высокой проч­ностью.

Фенолформальдегидным смолам свой­ственны определенные недостатки. Вследствие поликонденсационного ха­рактера их отверждения и выделения при этом летучих соединений трудно получить однородную плотную струк­туру. Величина усадки при карбонизации фенолформальдегидных связующих больше, чем для других типов связую­щих, применяемых при производстве УУКМ, что приводит к возникновению внутренних напряжений в карбонизованном композите и снижению его физико-механических свойств.

Более плотный кокс дают фурановые связующие. Усадка их при карбони­зации меньше, а прочность кокса вы­ше, чем у фенолформальдегидных смол. Поэтому, несмотря на более сложный цикл отверждения, связующие на ос­нове фурфурола, фурфурилиденацетонов, фурилового спирта также приме­няются при производстве УУКМ.

Весьма перспективны для получения углеродной матрицы каменноугольные и нефтяные пеки вследствие большого содержания углерода (до 92-95%) и высокого коксового числа. Преиму­ществами пеков перед другими свя­зующими являются доступность и низ­кая стоимость, исключение раствори­теля из технологического процесса, хорошая графитируемость кокса и его высокая плотность. К недостаткам пеков можно отнести об­разование значительной пористости, деформацию изделия, нали­чие в их составе канцерогенных соеди­нений, что требует дополнительных мер безопасности.

Вследствие выделения летучих со­единений при термодеструкции смолы в карбонизованном пластике возникает значительная пористость, снижающая физико-механические свойства УУКМ. Поэтому стадией карбонизации угле­пластика завершается процесс полу­чения лишь пористых материалов, для которых не требуется высокая проч­ность, например, низкоплотных УУКМ теплоизоляционного назначения. Обыч­но для устранения пористости и повы­шения плотности карбонизованный ма­териал вновь пропитывается связую­щим и карбонизуется (этот цикл может повторяться неоднократно). Повтор­ная пропитка производится в автокла­вах в режиме «вакуум-давление», т. е. сначала заготовка нагревается в ва­кууме, после чего подается связующее и создается избыточное давление до 0,6-1,0 МПа. При пропитке исполь­зуются растворы и расплавы связую­щих, причем пористость композита с каждым циклом уменьшается, по­этому необходимо использовать свя­зующие с пониженной вязкостью. Сте­пень уплотнения при повторной про­питке зависит от типа связующего, коксового числа, пористости изделия и степени заполнения пор. С ростом плотности при повторной пропитке повышается и прочность материала. Этим методом можно получать УУКМ с плотностью до 1800 кг/м 3 и выше. Метод карбонизации углепластика сравнительно прост, он не требует сложной аппаратуры, обеспечивает хо­рошую воспроизводимость свойств ма­териала получаемых изделий. Однако необходимость многократного проведе­ния операций уплотнения значительно удлиняет и удорожает процесс полу­чения изделий из УУКМ, что является серьезным недостатком указанного ме­тода.

При получении УУКМ по способу осаждения пироуглерода из газовой фазы газообразный углеводород (метан, бензол, ацетилен и т. д.) или смесь углеводорода и разбавляющего газа (инертный газ или водород) диффунди­рует через углеволокнистый пористый каркас, где под действием высокой тем­пературы происходит разложение угле­водорода на нагретой поверхности волокна. Осаждающийся пироуглерод постепенно создает соединительные мо­стики между волокнами. Кинетика осаждения и структура получаемого пироуглерода зависят от многих фак­торов: температуры, скорости потока газа, давления, реакционного объема и др. Свойства получаемых композитов определяются также типом и содержа­нием волокна, схемой армирования.

Процесс осаждения проводится в вакууме или под давлением в индук­ционных печах, а также в печах со­противления.

Разработано несколько технологиче­ских методов получения пироуглеродной матрицы.

При изотермическом методе заго­товка находится в равномерно обо­греваемой камере. Равномерность обо­грева в индукционной печи обеспечи­вается с помощью тепловыделяющего элемента - сусцептора, изготавливае­мого из графита. Углеводородный газ подается через днище печи и диффун­дирует через реакционный объем и заготовку; газообразные продукты ре­акции удаляются через выходное от­верстие в крышке печи.

Процесс производится обычно при температуре 1173-1423 К и давлении 130-2000 кПа. Уменьшение темпе­ратуры приводит к снижению скорости осаждения и чрезмерному удлинению продолжительности процесса. Увели­чение температуры ускоряет осажде­ние пироуглерода, но при этом газ не успевает диффундировать в объем заготовки и происходит поверхностное наслоение пироуглерода. Продолжи­тельность процесса достигает сотен часов.

Изотермический метод обычно при­меняется для изготовления тонкостен­ных деталей, поскольку в этом случае заполняются преимущественно поры, находящиеся у поверхности изделия.

Для объемного насыщения пор и получения толстостенных изделий при­меняется неизотермический метод, за­ключающийся в создании в заготовке температурного градиента путем по­мещения ее на обогреваемую оправку или сердечник или прямым разогревом ее током. Углеводородный газ подается со стороны, имеющей более низкую температуру. Давление в печи обычно равно атмосферному. В результате осаждение пироуглерода происходит в наиболее горячей зоне. Охлаждающее действие газа, протекающего над по­верхностью с высокой скоростью, яв­ляется основным способом достижения температурного градиента.

Повышение плотности и теплопровод­ности композита приводит к перемеще­нию температурного фронта осажде­ния, что обеспечивает в конечном итоге объемное уплотнение материала и полу­чение изделий с высокой плотностью (1700-1800 кг/м 3).

Для изотермического метода полу­чения УУКМ с пироуглеродной матри­цей характерны следующие достоин­ства: хорошая воспроизводимость свойств; простота технического оформ­ления; высокая плотность и хорошая графитируемость матрицы; возмож­ность обработки одновременно не­скольких изделий.

К недостаткам относятся: малая скорость осаждения; поверхностное осаждение пироуглерода; плохое за­полнение крупных пор.

Неизотермический метод имеет такие достоинства: большую скорость осаж­дения; возможность заполнения круп­ных пор; объемное уплотнение изде­лия.

Его недостатки заключаются в сле­дующем: сложное аппаратурное оформ­ление; обрабатывается лишь одно изделие; недостаточная плотность и графитируемость матрицы; образование микротрещин.

3.4.4. Высокотемпературная термо­обработка (графитация) УУКМ. Струк­тура карбонизованных пластиков и композитов с пироуглеродной матри­цей после уплотнения из газовой фазы несовершенна. Межслоевое расстоя­ние d 002 , характеризующее степень упорядоченности углеродной матри­цы, относительно велико - свыше 3,44·10 4 мкм, а размеры кристаллов сравнительно малы - обычно не более 5·10 -3 мкм, что характерно для двух­мерного упорядочения базисных слоев углерода. Кроме того, в ходе процесса получения в них могут возникать внутренние напряжения, способные привести к деформациям и искажениям структуры изделия при эксплуатации этих материалов при температуре выше температуры карбонизации или осаж­дения пироуглерода. Поэтому при необходимости получения более термо­стабильного материала проводят его высокотемпературную обработку. Ко­нечная температура термообработки определяется условиями эксплуатации, но лимитируется сублимацией мате­риала, которая интенсивно протекает при температуре свыше 3273 К. Термо­обработка проводится в индукционных печах или печах сопротивления в неокисляющей среде (графитовая засыпка, вакуум, инертный газ). Изменение свойств углерод-углеродных материалов в процессе высокотемпературной термообработки опре­деляется многими факторами: типом наполнителя и матрицы, конечной температурой и продолжительностью термообработки, видом среды и ее давлением и еще другими факторами. При высоких температурах преодоле­ваются энергетические барьеры в уг­леродном материале, препятствующие перемещению многоядерных соедине­ний, их присоединению и взаимной переориентации с большей степенью уплотнения.

Длительность этих процессов неве­лика и степень превращения опреде­ляется в основном температурой. Поэ­тому длительность процессов высоко­температурной термообработки значи­тельно меньше, чем в случае карбони­зации или осаждения пироуглерода, и составляет обычно несколько часов. При высокотемпературной термообра­ботке карбонизованных пластиков происходят необратимые деформации изделия, постепенное «залечивание» де­фектов. Для хорошо графитируемых материалов на основе пеков при тем­пературах свыше 2473 К наблюдается интенсивный рост трехмерноупорядоченных углеродных кристаллитов вплоть до перехода к графитовой струк­туре. В то же время в карбонизован­ных пластиках на основе плохо графитирующихся полимерных связую­щих дефекты структуры сохраняются до 3273 К и материал остается в неграфитированной структур­ной форме.