Керамические материалы

Page 1

70
Г Л А В А 2
КЕРАМИЧЕСКИЕ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
2.1. Керамические материалы
Керамика относится к основным материалам, оказывающим опре-
деляющее влияние на уровень и конкурентоспособность промышленной
продукции. Это влияние сохранится и в ближайшем будущем. Войдя в тех-
нику и технологию в конце 60-х годов XX века, керамика произвела настоя-
щую революцию в материаловедении, за короткое время став, по общему
мнению, третьим промышленным материалом после металлов и полимеров.
Керамика была первым конкурентоспособным по сравнению с метал-
лами классом материалов для использования при высоких температурах.
Основными разработчиками и производителями керамических ма-
териалов являются США и Япония. В табл. 2.1 приведена классификация
основных видов керамики.
Исследование, проведенное Национальным бюро стандартов США, пока-
зало, что использование керамических материалов позволило к 2000 г. осу-
ществить экономию ресурсов страны в размере более 3 млрд. долларов.
Ожидаемая экономия была достигнута прежде всего за счет использования
транспортных двигателей с деталями из керамики, керамических материалов
для обработки резанием и оптокерамики для передачи информации. Помимо
прямой экономии применение керамики позволит снизить расход дорогих и
дефицитных металлов: титана и тантала в конденсаторах, вольфрама и ко-
бальта в режущих инструментах, кобальта, хрома и никеля в тепловых дви-
гателях.

---

Page 2

71
Таблица 2.1
Характеристика основных видов керамики
Функциональный
тип керамики
Используемые
свойства
Применение
Используемые
соединения
Электрокерамика
Электропроводи-
мость, электроизо-
ляционные, ди-
электрические и
пьезоэлектриче-
ские свойства
Интегральные схемы,
конденсаторы, вибра-
торы, зажигатели, на-
греватели, термисто-
ры, транзисторы,
фильтры, солнечные
батареи, твердые
электролиты
BeO, MgO,
Y
2
O
3
, ZnO,
Al
2
O
3
, ZrO
2
,
SiC, B
4
C, TiC,
CdS, титанаты,
Si
3
N
4
Магнетокерамика
Магнитные
свойства
Головки магнитной
записи, магнитные
носители, магниты
Магнито-
мягкие
и магнитотвер-
дые ферриты
Оптокерамика
Прозрачность,
поляризация,
флуоресценция
Лампы высокого дав-
ления, ИК- прозрач-
ные окна, лазерные
материалы, светово-
ды, элементы оптиче-
ской памяти, экраны
дисплеев, модуляторы
Al
2
O
3
, MgO,
Y
2
O
2
, SiO
2
,
ZrO
2
, TO
2
,
Y
2
O
3
, ThO
2
,
ZnS, CdS
Хемокерамика
Абсорбционная и
адсорбционная
способность, ката-
ли тическая актив-
ность, коррозион-
ная стойкость
Сорбенты, катализа-
торы и их носители,
электроды, датчики
влажности газов, эле-
менты химических
реакторов
ZnO, Fe
2
O
3
,
SnO, SiO
2
,
MgO, BaS,
CeS, TiB
2
, ZrB
2
,
Al
2
O
3
, SiC,
титаниды
Биокерамика
Биологическая со-
вместимость,
стойкость к био-
коррозии
Протезы зубов, суста-
вов
Системы
оксидов
Термокерамика
Жаропрочность,
жаростойкость,
огне упорность,
теплопроводность,
коэффициент тер-
мического расши-
рения (КТР), теп-
лоемкость
Огнеупоры, тепловые
трубы, футеровка вы-
сокотемпературных
реакторов, электроды
для металлургии, теп-
лообменники, тепло-
защита
SiC, TiC, B
4
C,
TiB
2
, ZrB
2
,
Si
3
N
4,
BeS, CeS,
BeO, MgO,
ZrO
2
, Al
2
O
3
,
TiO, композиты

---

Page 3

72
Продолжение табл 2.1
Механокерамика
Твердость, проч-
ность, модуль уп-
ругости, вязкость
разрушения, изно-
состойкость, три-
ботехнические
свойства, КТР,
термостойкость
Керамика для тепло-
вых двигателей, уп-
лотнительная, анти-
фрикционная и фрик-
ционная керамики,
режущий инструмент,
пресс-инструмент,
направляющие и дру-
гие износостойкие де-
тали
Si
3
N
4
, ZrO
2
, SiC,
TiB
2,
ZnB
2
, TiC,
TiN, WC, B
4
C,
Al
2
O
3
, BN, ком-
позиты
Ядерная керамика
Радиационная
стой- кость, жаро-
прочность, жаро-
стойкость, сече
ние захвата ней-
тронов, огнеупор-
ность, радиоак-
тивность
Ядерное горючее, фу-
теровка реакторов,
экранирующие мате-
риалы, поглотители
излучения, поглоти-
тели нейтронов
UO
2
, UO
2
-PuO
2
,
UC, US, ThS,
SiC, B
4
C, Al
2
O
3
,
BeO
Сверхпроводящая
керамика
Электропроводи-
мость
Линии электропере-
дач, МГД- генерато-
ры, накопители энер-
гии, интегральные
схемы, железнодо-
рожный транспорт на
магнитной подвеске,
электромобили
Оксидные сис-
темы:
La–Ba–Cu–O
La–Sr–Cu–O
Y–Ba–Cu–O
Керамическая технология предусматривает следующие основные
этапы: получение исходных порошков, консолидацию порошков, т.е. изго-
товление компактных материалов, их обработку и контроль изделий.
При производстве высококачественной керамики с высокой одно-
родностью структуры используют порошки исходных материалов с разме-
ром частиц до 1 мкм. Процесс получения столь высокой степени дисперсно-
сти требует больших энергозатрат и является одним из основных этапов ке-
рамической технологии.
Измельчение производится механическим путем с помощью мелющих
тел, а также путем распыления измельчаемого материала в жидком состоянии,
осаждением на холодных поверхностях из парогазовой фазы, виброкавитаци-

---

Page 4

73
онным воздействием на частицы, находящиеся в жидкости, с помощью само-
распространяющегося высокотемпературного синтеза и другими методами.
Для сверхтонкого помола (частицы менее 1 мкм) наиболее перспек-
тивны вибрационные мельницы, или аттриторы.
Консолидация керамических материалов состоит из процессов фор-
мования и спекания. Различают три основные группы методов формования:
1. Прессование под действием сжимающего давления, при котором
происходит уплотнение порошка за счет уменьшения пористости.
2. Пластичное формование выдавливанием прутков и труб через
мундштук (экструзия) формовочных масс с пластификаторами, увеличи-
вающими их текучесть.
3. Шликерное литье для изготовления тонкостенных изделий любой
сложной формы, в котором для формования используют жидкие суспензии
порошков.
При переходе от прессования к пластичному формованию и шликер-
ному литью увеличиваются возможности изготовления изделий сложной
формы, однако усложняется процесс сушки изделий и удаления пластифика-
торов из керамического материала. Поэтому для изготовления изделий срав-
нительно простой формы предпочтение отдается прессованию, а более слож-
ной – экструзии и шликерному литью.
При спекании отдельные частицы порошков превращаются в монолит
и формируются окончательные свойства керамики. Процесс спекания сопро-
вождается уменьшением пористости и усадкой.
Применяют печи для спекания при атмосферном давлении, установки
горячего изостатического прессования (газостаты), прессы горячего прессо-
вания с усилием прессования до 1500 кН. Температура спекания в зависимо-
сти от состава может составлять до 2000-2200 °С.
Часто применяются совмещенные методы консолидации, сочетающие
формование со спеканием, а в некоторых случаях – синтез образующегося
соединения с одновременным формованием и спеканием.

---

Page 5

74
Обработка керамики и контроль являются основными составляющи-
ми в балансе стоимости керамических изделий.
По некоторым данным, стоимость исходных материалов и консоли-
дации составляет всего лишь 11% (для металлов – 43%), в то время как на
обработку приходится 38% (для металлов – 43%), а на контроль – 51% (для
металлов – 14%).
К основным методам обработки керамики относятся термообработка
и размерная обработка поверхности.
Термообработка керамики производится с целью кристаллизации
межзеренной стеклофазы. При этом на 20-30% повышаются твердость и вяз-
кость разрушения материала.
Большинство керамических материалов с трудом поддается механи-
ческой обработке. Поэтому основным условием керамической технологии
является получение при консолидации практически готовых изделий. Для
доводки поверхностей керамических изделий применяют абразивную обра-
ботку алмазными кругами, электрохимическую, ультразвуковую и лазерную
обработку. Эффективно применение защитных покрытий, позволяющих за-
лечить мельчайшие поверхностные дефекты – неровности, риски и т.д.
Для контроля керамических деталей чаще всего используют рент-
геновскую и ультразвуковую дефектоскопию.
Учитывая, что большинство керамических материалов имеет низкую
вязкость и пластичность и, соответственно, низкую трещиностойкость, для
аттестации изделий применяют методы механики разрушения с определени-
ем коэффициента интенсивности напряжений К
1с
. Одновременно строят диа-
грамму, показывающую кинетику роста дефекта.
Количественно вязкость разрушения кристаллической керамики и
стекла составляет около 1-2 МПа/м
1/2
, в то время как для металлов значения
К
1с
значительно выше (более 40 МПа/м
1/2
). Прочность химических межатом-
ных связей, благодаря которой керамические материалы обладают высокой
твердостью, химической и термической стойкостью, одновременно обуслов-

---

Page 6

75
ливает их низкую способность к пластической деформации и склонность к
хрупкому разрушению.
Возможны два подхода к повышению вязкости разрушения керами-
ческих материалов. Один из них традиционный, связанный с совершенст-
вованием способов измельчения и очистки порошков, их уплотнения и спе-
кания. Второй подход состоит в торможении роста трещин под нагруз-
кой. Существует несколько способов решения этой проблемы. Один из них
основан на том, что в некоторых керамических материалах, например в диок-
сиде циркония ZrO
2
, под давлением происходит перестройка кристалличе-
ской структуры. Исходная тетрагональная структура Zr0
2
переходит в моно-
клинную, имеющую на 3-5% больший объем.
Расширяясь, зерна Zr0
2
сжимают трещину, и она теряет способность к
распространению (рис. 2.1, а). При этом сопротивление хрупкому разруше-
нию возрастает до 15 МПа/м
1/2
.
Второй способ (рис. 2.1, б) состоит в создании композиционного ма-
териала путем введения в керамику волокон из более прочного керамическо-
го материала, например карбида кремния SiC. Развивающаяся трещина на
своем пути встречает волокно и дальше не распространяется. Сопротивление
разрушению стеклокерамики с волокнами SiC возрастает до 18-20 МПа/м
1/2
,
существенно приближаясь к соответствующим значениям для металлов.
Рис. 2.1. Схема упрочнения конструкционной керамики
включениями ZrO
2
(а), волокнами (б) и микротрещинами (в):
1 – тетрагональный ZrO
2
; 2 – монолитный ZrO
2
.

---

Page 7

76
Третий способ состоит в том, что с помощью специальных техноло-
гий весь керамический материал пронизывают микротрещинами (рис. 2.1, в).
При встрече основной трещины с микротрещиной угол в острие трещины
возрастает, происходит затупление трещины и она дальше не распространя-
ется.
Определенный интерес представляет физико-химический способ по-
вышения надежности керамики. Он реализован для одного из наиболее пер-
спективных керамических материалов на основе нитрида кремния Si
3
N
4
.
Способ основан на образовании определенного стехиометрического состава
твердых растворов оксидов металлов в нитриде кремния, получивших назва-
ние сиалонов. Примером высокопрочной керамики, образующейся в этой
системе, являются сиалоны состава Si
6-x
Al
x
N
8-x
O
x
, где х – число замещенных
атомов кремния, азота в нитриде кремния, составляющее от 0 до 4,2. Важным
свойством сиалоновой керамики является стойкость к окислению при высо-
ких температурах, значительно более высокая, чем у нитрида кремния.
Свойства и применение керамических материалов
В современном машиностроении применение керамики постоянно уве-
личивается. Она многообразна по химическому составу и физико-
механическим характеристикам. Керамика может работать при высоких тем-
пературах 1600-2500 °С (жаропрочные стали 800-1200 °С, молибден –
1500° С, вольфрам – 1800 °С), она имеет плотность в два-три раза меньшую,
чем у жаропрочных материалов, твердость близкую к твердости алмаза, от-
личные диэлектрические характеристики, высокую химическую стойкость.
Запасы исходных материалов для производства керамики на земле неисчер-
паемы. Из керамики изготавливают детали газотурбинных и дизельных дви-
гателей, тепловыделяющие элементы ядерных реакторов, легкую броню и
элементы теплозащиты космических кораблей, тонкостенные поплавки и
контейнеры для глубоководной техники, режущие пластины и оснастку для

---

Page 8

77
горячего деформирования металлов, плунжеры и уплотнительные кольца в
насосах для перекачки агрессивных сред, элементы особо точных гироскопов
и платы ЭВМ, подшипники, постоянные магниты и т. д.
Применение керамики в автомобильных двигателях позволит поднять
рабочую температуру в цилиндрах с 1200 до 1600 °С, при этом сокращаются
потери тепла, снижается расход топлива, улучшаются эксплуатационные ха-
рактеристики. При изготовлении изделий из керамики нельзя просто заменять
металлические детали на керамические. Особо должны учитываться условия
их работы и действующие нагрузки, поскольку все детали выполняются цели-
ком, и это может снизить прочность всей конструкции. Кроме того, она не
имеет пластической деформации и обладает низкой ударной вязкостью.
В настоящее время сформулированы основные требования, которые
следует учитывать при проектировании керамических деталей.
В нагруженных зонах керамическая деталь не должна иметь концен-
траторов напряжений. Практически не используются в керамических конст-
рукциях болтовые соединения, в них стараются не сверлить отверстия, де-
лать уступы, проточки, чтобы избежать микротрещин. В местах контакта ке-
рамики с металлом необходимо устанавливать демпфирующие прокладки.
Металлические и керамические детали одного изделия должны иметь
одинаковые температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР)
или необходимо предусмотреть компенсационные прокладки, причем долж-
ны быть учтены и переходные процессы, когда происходит нагрев или охла-
ждение.
Керамика имеет теплоемкость в два раза большую, чем металл, кото-
рый нагревается вдвое быстрее, что вызывает тепловые деформации и на-
пряжения. Крайне желательно, чтобы температура керамической детали по
всему объему была бы одинаковой. Наиболее благоприятно воспринимаются
напряжения сжатия. При отсутствии нагрузки в керамических деталях не
должны сохраняться остаточные напряжения его полимеризации.

---

Page 9

78
В настоящее время используются керамические материалы на основе
нитрида кремния – реакционно-связанный, спеченный и горячепрессованный
нитрид кремния с легирующими добавками. Реакционно-связанный нитрид
кремния имеет относительно низкую по сравнению с другими материалами
прочность, но изготовленные из него детали сложного профиля дают ста-
бильно малую усадку. Горячепрессованный нитрид кремния обладает мак-
симальной прочностью. Свойства керамических материалов существенно за-
висят от рабочих параметров и технологии их изготовления. В настоящее
время разработаны составы керамик, которые по своим эксплуатационным
характеристикам могут заменять жаропрочные стали, но разработки в облас-
ти составов, технологии их получения продолжаются. Принципиальными не-
достатками керамики являются ее хрупкость и сложность обработки. Кера-
мические материалы плохо работают в условиях механических или термиче-
ских ударов, а также при циклических условиях нагружения. Им свойственна
высокая чувствительность к надрезам. В то же время керамические материа-
лы обладают высокой жаропрочностью, превосходной коррозионной стойко-
стью и малой теплопроводностью, что позволяет с успехом использовать их в
качестве элементов тепловой защиты.
При температурах выше 1000 °С керамика прочнее любых сплавов, в
том числе и суперсплавов, а сопротивление ползучести и жаропрочность ее
выше. К основным областям применения керамических материалов относят-
ся режущий инструмент, детали двигателей внутреннего сгорания и газотур-
бинных двигателей и др.
Режущий керамический инструмент
Режущая керамика характеризуется высокой твердостью, в том числе
при нагреве, износостойкостью, химической инертностью к большинству ме-
таллов в процессе резания. По комплексу этих свойств керамика существен-

---

Page 10

79
но превосходит традиционные режущие материалы – быстрорежущие стали
и твердые сплавы (табл. 2.2).
Высокие свойства режущей керамики позволили существенно повы-
сить скорости механической обработки стали и чугуна (табл. 2.3).
Для изготовления режущего инструмента широко применяется кера-
мика на основе оксида алюминия с добавками диоксида циркония, карбидов
и нитридов титана, а также на основе безкислородных соединений – нитрида
бора с кубической решеткой (
β
-BN), обычно называемого кубическим нит-
ридом бора, и нитрида кремния Si
3
N
4
. Режущие элементы на основе кубиче-
ского нитрида бора в зависимости от технологии получения, выпускаемые
под названиями эльбор, боразон, композит 09 и др., имеют твердость, близ-
кую к твердости алмазного инструмента, и сохраняют устойчивость к нагре-
ву на воздухе до 1300-1400 °С. В отличие от алмазного инструмента кубиче-
ский нитрид бора химически инертен по отношению к сплавам на основе же-
леза. Его можно использовать для чернового и чистового точения закаленных
сталей и чугунов практически любой твердости.
Режущие керамические пластины используются для оснащения раз-
личных фрез, токарных резцов, расточных головок, специального инстру-
мента.
Таблица 2.2
Сравнительные значения свойств инструментальных материалов
Свойство
Быстроре-
жущая сталь
Твердый
сплав
Керамика
на основе
Al
2
О
3
Твердость по Виккерсу, HV
850
1700
2100
Температура размягчения, °С
550
1100
1500
Температура начала образо-
вания окалины, °С
800
800
–

---

Page 11

80
Керамические двигатели
Из второго закона термодинамики следует, что для повышения КПД
любого термодинамического процесса, необходимо повышать температуру
на входе в энергетическое преобразовательное устройство: КПД = 1 – Т
2
/Т
1
,
где T
l
, и Т
2
– температуры на входе и выходе энергетического преобразова-
тельного устройства соответственно. Чем выше температура T
l,
тем больше
КПД.
Таблица 2.3
Сравнительные значения скоростей резания при точении
керамическим инструментом и инструментом из твердого сплава
Скорость резания, м/мин,
инструментом, оснащенным
Обрабатываемый материал
Твердость
керамикой
твердым сплавом
Углеродистая сталь
150-250НВ
250-300
100-200
Легированная сталь
46-45HRC
100-160
25-65
Серый чугун
120-240НВ
300-400
100-200
Высокопрочный чугун
160-300НВ
200
50-100
Однако максимально допустимые температуры определяются тепло-
стойкостью материала. Конструкционная керамика допускает применение
более высоких температур по сравнению с металлом и поэтому является пер-
спективным материалом для двигателей внутреннего сгорания и газотурбин-
ных двигателей. Помимо более высокого КПД двигателей за счет повышения
рабочей температуры преимуществом керамики является низкая плотность и
теплопроводность, повышенная термо- и износостойкость. Кроме того, при
ее использовании снижаются или отпадают расходы на систему охлаждения.
Вместе с тем следует отметить, что в технологии изготовления кера-
мических двигателей остается ряд нерешенных проблем. К ним, прежде все-
го, относятся проблемы обеспечения надежности, стойкости к термическим

---

Page 12

81
ударам, разработки методов соединения керамических деталей с металличе-
скими и пластмассовыми.
Наиболее эффективно применение керамики для изготовления ди-
зельных адиабатных поршневых двигателей, имеющих керамическую изоля-
цию, и высокотемпературных газотурбинных двигателей.
Конструкционные материалы адиабатных двигателей должны быть
устойчивы в области рабочих температур 1300-1500
0
К, иметь прочность
при изгибе а
нзг
не менее 800 МПа и коэффициент интенсивности напряжений
не менее 8 МПа · м
1/2
. Этим требованиям в наибольшей мере удовлетворяют
керамики на основе диоксида циркония ZrO
2
и нитрида кремния. Наиболее
широко работы по керамическим двигателям проводятся в Японии и США.
Японская фирма «Isuzu Motors Ltd» освоила изготовление форкамеры и кла-
панного механизма адиабатного двигателя, «Nissan Motors Ltd» – крыльчатки
турбокомпрессора, фирма «Mazda Motors Ltd» – форкамеры и пальцы толка-
теля.
Компания «Cammin Engine» (США) освоила альтернативный вариант
двигателя грузовика с плазменными покрытиями из Zr0
2
, нанесенными на
днище поршня, внутреннюю поверхность цилиндра, впускные и выпускные
каналы. Экономия топлива на 100 км пути составила более 30%.
Фирма «Isuzu» (Япония) сообщила об успешной разработке керами-
ческого двигателя, работающего на бензине и дизельном топливе. Двигатель
развивает скорость до 150 км/ч, коэффициент полноты сгорания топлива на
30-50% выше, чем у обычных двигателей, а масса на 30% меньше.
Конструкционной керамике для газотурбинных двигателей, в отличие
от адиабатного двигателя, не требуется низкая теплопроводность. Учитывая,
что керамические детали газотурбинных двигателей работают при более вы-
соких температурах, они должны сохранять прочность на уровне 600 МПа
при температурах до 1470-1670 °К (в перспективе до 1770-1920 °К) при пла-
стической деформации не более 1% за 500 ч работы. В качестве материала
для таких ответственных деталей газотурбинных двигателей, как камера сго-

---

Page 13

82
рания, детали клапанов, ротор турбокомпрессора, статор, используют нитри-
ды и карбиды кремния, имеющие высокую теплостойкость.
Повышение тактико-технических характеристик авиационных двига-
телей невозможно без применения керамических материалов.
Керамика специального назначения
К керамике специального назначения относятся сверхпроводящая ке-
рамика, керамика для изготовления контейнеров с радиоактивными отхода-
ми, броневой защиты военной техники и тепловой защиты головных частей
ракет и космических кораблей.
Контейнеры для хранения радиоактивных отходов. Одним из
сдерживающих факторов развития ядерной энергетики является сложность
захоронения радиоактивных отходов. Для изготовления контейнеров приме-
няют керамику на основе оксидов В
2
О
3
и карбидов бора В
4
С в смеси с окси-
дами свинца РbО или соединениями типа 2РbО · PbSO
4
. После спекания та-
кие смеси образуют плотную керамику с малой пористостью. Она характери-
зуется сильной поглощающей способностью по отношению к ядерным час-
тицам – нейтронам и
γ
-квантам.
Ударопрочная броневая керамика. Впервые броневая керамика была
использована в авиации армии США во время войны во Вьетнаме. С тех пор
непрерывно растет применение армиями разных стран брони из керамики в
комбинации с другими материалами для защиты сухопутных боевых машин,
кораблей, самолетов и вертолетов. По разным оценкам? рост применения
броневой керамической защиты составляет около 5-7% в год. Одновременно
наблюдается рост производства композиционной брони для индивидуальной
защиты сил охраны правопорядка, обусловленный ростом преступности и
актов терроризма.
По своей природе керамические материалы являются хрупкими. Од-
нако при высокой скорости нагружения, например в случае взрывного удара,

---

Page 14

83
когда эта скорость превышает скорость движения дислокаций в металле, пла-
стические свойства металлов не будут играть никакой роли и металл будет
таким же хрупким, как и керамика. В этом конкретном случае керамика су-
щественно прочнее металла.
Важными свойствами керамических материалов, обусловивших их
применение в качестве брони, является высокие твердость, модуль упруго-
сти, температура плавления (разложения) при в 2-3 раза меньшей плотности.
Сохранение прочности при нагреве позволяет использовать керамику для
бронепрожигающих снарядов.
В качестве критерия пригодности материала для броневой защиты М
может быть использовано следующее соотношение:
,
/
γ
σ
ПЛ
B
K
Т
EH
M =
(2.1)
где Е – модуль упругости, ГПа;
НК – твердость по Кнупну, ГПа;
σ
в
– предел прочности, МПа;
Т
пл
– температура плавления, К;
γ
– плотность, г/см3.
В табл. 2.4 приведены основные свойства широко применяемых бро-
невых керамических материалов в сравнении со свойствами броневой стали.
Наиболее высокие защитные свойства имеют материалы на основе карбида
бора. Их массовое применение сдерживается высокой стоимостью метода
прессования. Поэтому плитки из карбида бора используют при необходимо-
сти существенного снижения массы броневой защиты, например для защиты
кресел и автоматических систем управления вертолетов, экипажа и десанта.
Керамику из диборида титана, имеющую наибольшую твердость и модуль
упругости, применяют для защиты от тяжелых бронебойных и бронепрожи-
гающих танковых снарядов.

---

Page 15

84
Таблица 2.4
Свойства ударопрочной керамики
Материал
Плот-
ность
γ
,
г/см
3
Твер-
дость по
Кнупу
Н
к
,ГПа
σ
в,
МПа
Е,
ГПа
Т
пл
,
°К
Критерий
бронестойко-
сти М,
(ГПа·м)
3
х
К/кг
Горячепрессованный
карбид бора В
4
С
2,5
30
300
450 3300
5,3·10
3
Горячепрессованный
диборид титанаTiВ
4,5
33
350
570 3400
5,0·10
3
Карбад кремния SiC
3,1
21
200
410 3300
1,8·10
3
Спеченный оксид
алюминия Al
2
О
3
3,9
18
370
390 2320
1,5·10
3
Броневая сталь
7,8
3,5
3000 210 1950
0,5·10
3
Для массового производства керамики наиболее перспективен срав-
нительно дешевый оксид алюминия. Керамику на его основе используют для
защиты живой силы, сухопутной и морской военной техники.
По данным фирмы «Morgan M. Ltd» (США), пластина из карбида бо-
ра толщиной 6,5 мм или из оксида алюминия толщиной 8 мм останавливает
пулю калибром 7,62 мм, летящую со скоростью более 800 м/с при выстреле в
упор. Для достижения того же эффекта стальная броня должна иметь толщи-
ну К мм, при этом масса ее будет в 4 раза больше, чем у керамической.
Наиболее эффективно применение композиционной брони, со-
стоящей из нескольких разнородных слоев. Наружный керамический слой
воспринимает основную ударную и тепловую нагрузку, дробится на мелкие
частицы и рассеивает кинетическую энергию снаряда. Остаточная кинетиче-
ская энергия снаряда поглощается упругой деформацией подложки, в качест-
ве которой может использоваться сталь, дюралюминий или кевларовая ткань
в несколько слоев. Эффективно покрытие керамики легкоплавким инертным
материалом, играющим роль своеобразной смазки и несколько изменяющим

---

Page 16

85
направление летящего снаряда, что обеспечивает рикошет. Конструкция ке-
рамической брони показана на рис. 2.2. Бронепанель состоит из отдельных
последовательно соединенных керамических пластин размером 50 х 50 или
100 х 100 мм. Для защиты от бронебойных пуль калибром 12,6 мм использу-
ют пластины из А1
2
0
3
толщиной 12,6 мм и 35 слоев кевлара, а от пуль калиб-
ром 7,62 мм, находящихся на вооружении НАТО, - пластины из А1
2
0
3
тол-
щиной 6 мм и 12 слоев кевлара.
Рис. 2.2. Конструкция керамической бронепанели:
а, б – составные элементы бронепанели для защиты от бронебойных пуль
разного калибра; в – фрагмент бронепанели, собранной из а и б;
1 – бронебойная пуля калибра 12,7 мм; 2 – пуля калибра 7,62;
3 – защитное покрытие частично снято
Во время войны в Персидском заливе широкое использование армией
США керамической брони из А1
2
0
3
, SiC и В
4
С показало ее высокую эффек-
тивность. Для броневой защиты также перспективно применение материалов
на основе A1N, TiB и полиамидных смол, армированных керамическими во-
локнами.
Керамика в ракетно-космическом машиностроении. При полете в
плотных слоях атмосферы головные части ракет, космических кораблей, ко-
раблей многоразового использования, нагреваемые до высокой температуры,
нуждаются в надежной теплозащите. Материалы для тепловой защиты долж-
ны обладать высокой теплостойкостью и прочностью в сочетании с мини-
1
2
3
1 5 - мм пластины
оксида алюминия
6 - мм пластины
защитное
покрытие
3 5 слоев кевлара
1 2 слоев кевлара
оксида алюминия
а
б
в

---

Page 17

86
мальными значениями коэффициента термического расширения, теплопро-
водности и плотности.
Исследовательский центр НАСА США (NASA Ames Research Centre)
разработал составы теплозащитных волокнистых керамических плит, пред-
назначенных для космических кораблей многоразового использования.
Для повышения прочности, отражательной способности и абляцион-
ных характеристик внешней поверхности теплозащитных материалов их по-
крывают слоем эмали толщиной около 300 мкм. Эмаль, содержащую SiC или
94% Si0
2
и 6% B
2
O
t
, в виде шликера наносят на поверхность, а затем подвер-
гают спеканию при 1470 К. Плиты с покрытиями используют в наиболее на-
греваемых местах космических кораблей, баллистических ракет и гиперзву-
ковых самолетов. Они выдерживают до 500 десятиминутных нагревов в
электродуговой плазме при температуре 1670 К. Варианты системы керами-
ческой теплозащиты лобовых поверхностей летательных аппаратов приведе-
ны на рис. 2.3.
Облицовочный слой предохраняет теплоизолирующий слой от абля-
ционного и эрозионного разрушения и воспринимает основную тепловую на-
грузку.
Рис. 2.3. Системы керамической теплозащиты лобовых поверхностей
летательных аппаратов для температур от 1260 до 1700
0
С;
1 – керамика на основе SiC или Si
3
N
4
; 2 – теплоизоляция;
3 – спеченная керамика.
Тепловой поток
1
2
1
1
3

---

Page 18

87
Радиопрозрачные керамические материалы
Для развития современной радио-, электронной и вычислительной тех-
ники необходимы материалы на основе оксида алюминия, нитридов бора,
кремния, имеющие рабочую температуру до 3000° С, обладающие стабиль-
ными значениями диэлектрической проницаемости и малыми диэлектриче-
скими потерями с тангенсом угла tg δ = 0,0001-0,0002.
Представителями таких материалов являются чистый оксид алюминия,
горячепрессованный нитрид бора, керамика ТСМ 303, материал АРП-3, спе-
ченный нитрид бора, ситалл Д-2, кварцевая керамика, чистый нитрид крем-
ния и др.
Радиопрозрачные материалы должны обладать комплексом свойств:
стабильностью диэлектрических характеристик во всем диапазоне рабочих
температур, термостойкостью, эрозионной стойкостью, высоким качеством
поверхности, стойкостью к ионизирующим излучениям и др. Он выполняет
роль конструкционного материала, из которого изготавливают несущие рэ-
диопрозрачные элементы конструкций. Поскольку пористость оксидных ке-
рамик можно варьировать от 0 до 90%, то это позволяет из одного и того же
оксида получать материалы, принципиально отличающиеся по свойствам.
Материалы, получаемые методом структурирования, например из ди-
оксида циркония, вообще не разрушаются при воздействии теплового потока
любой интенсивности.
Примером структурирования является также получение ситаллов, в ко-
торых подбирается оптимальное соотношение кристаллической и аморфной
фаз. Изменяя химический состав и структуру, можно получить целые классы
ситаллов с заданными свойствами.
Другим направлением при производстве радиопрозрачных материалов
является использование легирующих добавок. В частности, введение в оксид
алюминия нескольких процентов оксидов магния и бора в два-три раза по-
вышает его термостойкость и ударную вязкость при нулевом влагопоглоще-

---

Page 19

88
нии. Введение в кварцевую керамику 2-5% оксида хрома в два-три раза по-
вышает интегральную степень черноты и вдвое замедляет затухание радио-
сигнала при высоких температурах.
Третьим направлением развития радиопрозрачных материалов является
разработка нитридных материалов и композиций на их основе, в частности
нитридов бора, кремния и алюминия.
Нитрид бора обладает лучшими диэлектрическими характеристиками из
всех известных в настоящее время материалов в области температур до 2000
°С, хотя имеет сравнительно низкие прочность и твердость. На его основе из-
готавливают, например, сибонит, содержащий нитрид бора и диоксид крем-
ния. Изменяя их соотношение и дисперсность, можно получить ряд новых ма-
териалов, сочетающими достоинства нитрида бора и кварцевой керамики.
Последним направлением развития радиопрозрачных материалов явля-
ется создание композиционных материалов, в частности керамических мате-
риалов, пропитанных органическими и неорганическим веществами, смо-
лами и солями. Они сочетают в себе хорошие диэлектрические свойства при
высоких температурах благодаря использованию керамической основы и вы-
сокие прочность и ударную вязкость благодаря связующему.
В зависимости от назначения и эксплуатационных характеристик изде-
лия для него разрабатывают соответствующую радиопрозрачную керамику.
Диэлектрическая проницаемость кварцевой керамики монотонно возрастает с
ростом температуры до 1500 °С, а в диапазоне 1500-1700° С она резко увели-
чивается на 18%, что связано с плавлением материала, сопровождающимся
повышением плотности до теоретического значения (2210 кг/м
3
при 20 °С).
После расплавления материал остается радиопрозрачным и его диэлектриче-
ская проницаемость возрастает до 4,3 при температуре 2500° С. Поскольку по
условиям работы изменение не должно превышать 10%, то кварцевая керами-
ка пригодна для рабочих температур до 1350° С, а оксид алюминия – до 815
°С. При увеличении пористости по объему от 5 до 20% диэлектрическая про-
ницаемость уменьшается прямо пропорционально уменьшению плотности ке-

---

Page 20

89
рамики. Тангенс угла диэлектрических потерь кварцевой керамики составляет
при комнатной температуре 0,0002-0,0004 на частоте 10
10
Гц. При увеличении
температуры до 1000 °С tgδ возрастает до 0,005.
Нитрид бора является пока единственным материалом, tgδ которого
при температурах до 1500 °С остается ниже 0,001. Причем изменение tgδ
спеченного нитрида бора в диапазоне 20-1350° С не превышает 3%, для квар-
цевой керамики эта величина равна 10%. Освоена технология синтеза высо-
коактивного порошка нитрида бора турбостратной структуры, способного к
спеканию при температурах выше 1600 °С с образованием достаточно проч-
ных заготовок. Такие материалы имеют примеси до 1% и обладают изотроп-
ной структурой. Они являются хорошими изоляторами – удельное объемное
сопротивление при комнатной температуре не менее 1·10
14
Ом·см. Под дей-
ствием импульса ядерного излучения tgδ в нитриде бора возрастает до 0,01, а
в кварцевой керамике не изменяется. Благодаря отличной термостойкости
спеченный нитрид бора используется как конструкционный материал, хотя и
имеет достаточно низкую прочность.
Материалы на основе нитрида бора, особенно горячепрессованные,
имеют высокую теплопроводность, в то время как кварцевая керамика бли-
же к теплоизоляторам. Ее теплопроводность в зависимости от пористости
колеблется при температурах 600-700 К от 0,2 до 1,0 Вт/(м·К). Высокая теп-
лопроводность может быть и достоинством материала (чем выше теплопро-
водность, тем меньше тепловые напряжения), и недостатком, если радиопро-
зрачный материал выполняет и теплозащитные функции. Материалы на ос-
нове нитрида бора и алюмооксидная керамика имеют снижение теплопро-
водности по мере роста температуры.
Для кварцевой керамики и ситалла Д-2 решающее значение имеет
стеклообразная, аморфная фаза.
Оптимальное конструирование изделий, работающих на земле, в воде,
в воздухе и в космосе, позволяет более широко использовать радиопрозрач-
ные материалы.

---

Page 21

90
2.2. Композиционные материалы
Традиционно применяемые металлические и неметаллические мате-
риалы в значительной мере достигли своего предела конструктивной прочно-
сти. Вместе с тем развитие современной техники требует создания материа-
лов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных
полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и
высоких давлений. Зачастую требования, предъявляемые к материалам, мо-
гут носить противоречивый характер. Удовлетворить эти требования можно
путем использования композиционных материалов.
Композиционным материалом (КМ), или композитом, называют объ-
емную гетерогенную систему, состоящую из сильно различающихся по свой-
ствам, взаимно нерастворимых компонентов, строение которой позволяет
использовать преимущества каждого из них.
Принцип построения КМ человек заимствовал у природы. Типичны-
ми композиционными материалами являются стволы деревьев, стебли расте-
ний, кости человека и животных.
КМ позволяют иметь заданное сочетание разнородных свойств: вы-
сокой удельной прочности и жесткости, жаропрочности, износостойкости,
теплозащитных свойств и др. Спектр свойств КМ невозможно получить при
использовании обычных материалов. Их применение дает возможность соз-
давать ранее недоступные принципиально новые конструкции.
Благодаря КМ стал возможен новый качественный скачок в увели-
чении мощности двигателей, уменьшении массы машин и конструкций и
повышении весовой эффективности транспортных средств и авиационно-
космических аппаратов.
Важными характеристиками материалов, работающих в этих усло-
виях, являются удельная прочность
σ
в
/у и удельная жесткость Е/у, где
σ
в
–
временное сопротивление, Е – модуль нормальной упругости, у – плотность
материала. По удельной прочности и жесткости композиционные материалы
превосходят все известные конструкционные сплавы.

---

Page 22

91
КМ состоят из сравнительно пластичного матричного материала-
основы и более твердых и прочных компонентов, являющихся наполните-
лями. Свойства КМ зависят от свойств основы, наполнителей и прочности
связи между ними.
Матрица связывает композицию в монолит, придает ей форму и слу-
жит для передачи внешних нагрузок арматуре из наполнителей. В зависимо-
сти от материала основы различают КМ с металлической матрицей, или ме-
таллические композиционные материалы (МКМ), с полимерной – поли-
мерные композиционные материалы (ПКМ) и с керамической – керамиче-
ские композиционные материалы (ККМ).
Ведущую роль в упрочнении КМ играют наполнители, часто называе-
мые упрочнителями. Они имеют высокую прочность, твердость и модуль уп-
ругости. По типу упрочняющих наполнителей КМ подразделяют на дис-
персно-упрочненные, волокнистые и слоистые (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Схемы строения композиционных материалов:
а – дисперсно-упрочненные; б – волокнистые; в – слоистые
В дисперсно-упрочненные КМ искусственно вводят мелкие равномерно
распределенные тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов и др., не
взаимодействующие с матрицей и не растворяющиеся в ней вплоть до темпера-
туры плавления фаз. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояние
между ними, тем прочнее КМ. В отличие от волокнистых, в дисперсно-
упрочненных КМ основным несущим элементом является матрица. Ансамбль
дисперсных частиц наполнителя упрочняет материал за счет сопротивления
движению дислокаций при нагружении, что затрудняет пластическую дефор-
мацию. Эффективное сопротивление движению дислокаций создается вплоть

---

Page 23

92
до температуры плавления матрицы, благодаря чему дисперсно-упрочненные
КМ отличаются высокой жаропрочностью и сопротивлением ползучести.
Арматурой в волокнистых КМ могут быть волокна различной формы:
нити, ленты, сетки разного плетения. Армирование волокнистых КМ может
осуществляться по одноосной, двухосной и трехосной схеме (рис. 2.5, а).
Прочность и жесткость таких материалов определяется свойствами арми-
рующих волокон, воспринимающих основную нагрузку. Армирование дает
больший прирост прочности, но дисперсное упрочнение технологически лег-
че осуществимо.
Слоистые композиционные материалы (рис. 2.5, б) набираются из че-
редующихся слоев наполнителя и матричного материала (типа "сэндвич").
Слои наполнителя в таких КМ могут иметь различную ориентацию. Возмож-
но поочередное использование слоев наполнителя из разных материалов с
разными механическими свойствами. Для слоистых композиций обычно ис-
пользуют неметаллические материалы.
Рис. 2.5. Схемы армирования волокнистых (а) и слоистых
композиционных материалов (б)
l
1
l
3
L
L
l
3
l
2
а
б
z
y
x
z
y
x
z
x
y
y
z
x

---

Page 24

93
2.2.1. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы
При дисперсном упрочнении частицы блокируют процессы скольже-
ния в матрице. Эффективность упрочнения при условии минимального взаи-
модействия с матрицей зависит от вида частиц, их объемной концентрации, а
также от равномерности распределения в матрице. Применяют дисперсные
частицы тугоплавких фаз типа А1
2
0
3
, SiO
2
, BN, SiC, имеющие малую плот-
ность и высокий модуль упругости. КМ обычно получают методом порошко-
вой металлургии, важным преимуществом которого является изотропность
свойств в различных направлениях.
В промышленности обычно применяют дисперсноупрочненные КМ
на алюминиевой и реже – никелевой основах. Характерными представителя-
ми этого вида композиционных материалов являются материалы типа САП
(спеченная алюминиевая пудра), которые состоят из алюминиевой матрицы,
упрочненной дисперсными частицами оксида алюминия. Алюминиевый по-
рошок получают распылением расплавленного металла с последующим из-
мельчением в шаровых мельницах до размера около 1 мкм в присутствии ки-
слорода. С увеличением длительности помола пудра становится мельче и в
ней повышается содержание оксида алюминия. Дальнейшая технология про-
изводства изделий и полуфабрикатов из САП включает холодное прессова-
ние, предварительное спекание, горячее прессование, прокатку или выдавли-
вание спеченной алюминиевой заготовки в форме готовых изделий, которые
можно подвергать дополнительной термической обработке.
Сплавы типа САП удовлетворительно деформируются в горячем со-
стоянии, а сплавы с 6-9 % А1
2
0
3
– и при комнатной температуре. Из них хо-
лодным волочением можно получить фольгу толщиной до 0,03 мм. Эти ма-
териалы хорошо обрабатываются резанием и обладают высокой коррозион-
ной стойкостью.
Марки САП, применяемые в России, содержат 6-23% А1
2
0
3
. Различа-
ют САП-1 с содержанием 6-9%, САЛ-2 с 9-13%, САП-3 с 13-18 % А1
2
О
3
.

---

Page 25

94
С увеличением объемной концентрации оксида алюминия возрастает проч-
ность композиционных материалов. При комнатной температуре характери-
стики прочности САП-1 следующие:
σ
в
= 280 МПа,
σ
02
= 220 МПа; САП-3:
σ
в
= 420 МПа,
σ
02
= 340 МПа.
Материалы типа САП обладают высокой жаропрочностью и превос-
ходят все деформируемые алюминиевые сплавы. Даже при температуре
500 °С они имеют
σ
в
не менее 60-110 МПа. Жаропрочность объясняется
тормозящим действием дисперсных частиц на процесс рекристаллизации.
Характеристики прочности сплавов типа САП весьма стабильны. Испытания
длительной прочности сплавов типа САП-3 в течение 2 лет практически не
повлияли на уровень свойств как при комнатной температуре, так и при на-
греве до 500 °С. При 400 °С прочность САП в 5 раз выше прочности старею-
щих алюминиевых сплавов.
Сплавы типа САП применяют в авиационной технике для изготовле-
ния 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.
Синтегран
В настоящее время синтегран используется для изготовления инстру-
мента, специальной оснастки, ответственных деталей измерительных ком-
плексов, высокоточных и специальных станков (точность обработки которых
составляет 0,001 мкм), шпал для метрополитена, изделий бытового и мемо-
риального назначения, а также многих других деталей. Слово «синтегран»
означает синтетический гранит. Работы по синтеграну в нашей стране были
начаты в 1983 году в ЭНИМСе при непосредственном участии специалистов
Российского университета дружбы народов.

---

Page 26

95
Поскольку состояние современного литейного производства не позво-
ляет поставлять чугунные отливки конструкционных элементов металлоре-
жущих станков требуемого качества, то станкостроительные заводы вынуж-
дены использовать при изготовлении станин станков альтернативные мате-
риалы. В частности, даже для изготовления станин универсальных станков
стали использовать модифицированные бетоны.
Для изготовления элементов станков, обладающих особо высокой точ-
ностью и работающих в области высокочастотных колебаний (расточные,
шлифовальные станки, станки для физико-химических методов обработки и
др.), целесообразно использовать синтегран, который на данном этапе разви-
тия станкостроения является безальтернативным материалом.
Синтегран состоит из полимерного связующего и высокопрочных ми-
неральных наполнителей и заполнителей.
Полимерное связующее состоит из смолы и отвердителя. От вида свя-
зующего, его содержания в композиционном материале зависят его свойства
и физико-механические характеристики.
Наполнители – это мелкодисперсные порошки с размером частиц ме-
нее 100 мкм и имеющие удельную поверхность порядка 1000 см
2
/г. Количе-
ство наполнителя в синтегране определяют опытным путем. При изготовле-
нии синтеграна в качестве наполнителя используют кислотоустойчивый по-
рошок марки ПК-1, который представляет собой помол переплава габбро-
диабаза и пироксенового порфита с удельной поверхностью 2300-2500 см
2
/г.
Заполнители – это различные фракции минерального вещества (щебня)
с размерами зерен 6,3-20 мм. От вида, количества и размера фракций запол-
нителя зависят прочностные свойства материала. При изготовлении синте-
грана используют щебень габбро-диабаза.
Поводом для разработки синтеграна послужило то, что многие конст-
рукции высокоточных станков, оснастки и инструмента, выполненные из ме-
талла, не соответствуют предъявляемым требованиям, а изготовление их из
натурального камня, например гранита, весьма трудоемко и экономически

---

Page 27

96
невыгодно. Существуют конструкции, которые из натурального минерала
выполнить технически невозможно.
Использование же синтеграна снимает вышеперечисленные проблемы.
По сравнению с чугуном, который традиционно применяется при изго-
товлении несущих элементов станков, синтегран имеет ряд преимуществ:
– более высокие демпфирующие способности;
– высокая тепловая стабильность и нечувствительность к кратковре-
менному перепаду температур;
– высокая временная стабильность геометрических размеров из-за
малых внутренних напряжений;
– высокая стойкость к действию агрессивных сред;
– малая усадка, позволяющая изготавливать детали без последующей
механической обработки;
– высокий коэффициент использования материала (практически рав-
ный 1);
– простота и малые габариты используемого оборудования, высокая
производительность при малых энергозатратах;
– возможность полной автоматизации технологического процесса из-
готовления.
Замена чугунных изделий на синтеграновые позволяет значительно по-
высить точность изготавливаемых станков, измерительных комплексов и от-
дельных узлов и деталей, а также снизить трудовые и материальные затраты.
При производстве высокоточного оборудования в таких странах, как
Германия, США, Франция, Швейцария, Англия, Япония, целенаправленно
используются материалы, аналогичные синтеграну.
Такие фирмы как, “Тойда машин тулз”, “Ниппон электрик” (Япония),
“Штудер”, “Позалюкс” (Швейцария), “Цинцинати Милакрон”, “Джендис
Фликслай”, “Менон” (США), “ЭМАГ”, “Эльб-Шлиф”, “SKF” (Германия) се-
рийно выпускают станки, измерительные комплексы приспособления и осна-
стку с элементами, выполненными из композиционных материалов.

---

Page 28

97
Области применения синтеграна в станкостроении представлены в
табл. 2.5.
Таблица 2.5
Области применения синтеграна в станкостроении
и инструментальной промышленности
№
Область
применения
Типы изделий
Типы станков
Достигаемый
эффект
1 Детали
функцио-
нального на-
значения
Державки и кор-
пуса
режущего
инструмента (рез-
цов, фрез, шеве-
ров и др), центры,
патроны, шпин-
дели и др.
Токарные, фре-
зерные, шлифо-
вальные,
рас-
точные и др.,
любые механиз-
мы
Улучшение демпфи-
рующих характери-
стик, снижение шума,
повышение точности,
экономия материаль-
ных и трудовых за-
трат
2 Корпусные
детали
Коробки
скоро-
стей и подач, ка-
ретки,
корпуса
редукторов, суп-
порта, столы и
т.д.
то же
то же
3 Элементы
измеритель-
ных машин
Контрольные
плиты,
направ-
ляющие, стойки,
траверсы и т.д.
Измерительные
машины, инст-
рументы и сис-
темы
Повышение
точно-
сти, упрощение кон-
струкции, снижение
материалоемкости
4 Элементы
станков,
к
которым
предъявля-
ются специ-
альные тре-
бования
Станины, корпу-
са, стойки, осно-
вания и др.
Станки для фи-
зико-
химической об-
работки
Увеличение
срока
службы,
экономия
дорогостоящих спе-
циальных сталей, воз-
можность
создания
новых конструкций
5 Комбиниро-
ванные дета-
ли
Станины, запол-
ненные синтегра-
ном, столы, осно-
вания,
стойки,
траверсы
Станки общего
назначения
Повышение жестко-
сти и улучшение ди-
намических характе-
ристик
6 Основания
Станины,
стойки траверс,
порталы,
тумбы и др.
Любые станки и
механизмы
Улучшение
демпфирования, сни-
жение шума, повы-
шение точности, эко-
номия металла

---

Page 29

98
В зависимости от назначения синтегранов существуют их три основ-
ные типа:
– для изготовления корпусных деталей станков – синтеграны, которые
обладают высокой жесткостью, прочностью, стабильностью размеров и фи-
зико-механических характеристик во времени. К этому типу материалов не
предъявляются дополнительные требования по высокой износостойкости,
низкому коэффициенту трения и т.п., поскольку эти детали не подвергаются
механической обработке, а их рабочие поверхности выполняются из других
материалов;
– для изготовления корпусов инструмента и специальной оснастки, а
также деталей измерительных машин и приборов необходимы синтеграны,
обладающие вышеперечисленными свойствами, а также обладающие высо-
кими износостойкостью и термостабильностью и возможностью механиче-
ской обработки;
– для изготовления деталей оснастки и станков для физико-
химических методов обработки необходимы синтеграны, обладающие по-
вышенной стойкостью к агрессивным средам, а также имеющие специальные
свойства, например диэлектрические.
Кроме того, изготавливаемые детали отличаются друг от друга по раз-
меру, весу, толщине стенок, что также влияет на составы синтегранов.
Поскольку компонентами синтегранов являются наполнители, запол-
нители и полимерное связующее, то от их свойств и соотношения решающим
образом зависят и свойства готового материала.
Заполнители выполняют роль своеобразного скелета синтеграна и оп-
ределяют свойства материала в целом. В качестве заполнителей рекоменду-
ется применять твердокаменные породы – базальты, граниты, габбро-
диабазы в виде щебня с размерами зерен от 60 мкм до 20 мм.
В зависимости от коэффициента технологичности Кт синтеграны мож-
но разбить на 5 групп: сверхжесткие, Кт =1,1-1,2; жесткие, Кт=1,25-1,45;
нормальные-Кт=1,5-1,7;пластичные-Кт=1,75-1,9;сверхпластичные, Кт=2,0-2,1.

---

Page 30

99
Сверхжесткие и жесткие смеси в своем составе имеют очень малое ко-
личество связующего и их формование затруднено из-за необходимости соз-
дания избыточного давления. Такие смеси не используются для изготовления
ответственных деталей.
Сверхпластичные смеси, наоборот, имеют большое количество свя-
зующего, вследствие чего они не обладают оптимальными физико-
механическими характеристиками и используются в основном при изготов-
лении второстепенных изделий.
Для изготовления ответственных деталей оснастки и инструмента ис-
пользуются нормальные и пластичные смеси с содержанием связующего 6-
10% и 7,5-13% соответственно.
Количество связующего оказывает большое влияние на свойства ком-
позиционного материала: чем его больше, тем более упрощается
технологический процесс и повышаются демпфирующие способности, но
снижается модуль упругости, повышается усадка, ведущая к внутренним на-
пряжениям, снижается стабильность размеров во времени.
При увеличении размеров максимальной фракции заполнителя повы-
шаются прочностные характеристики, но повышается трудоемкость изготов-
ления и снижается технологичность.
Разработанные применительно для станкостроения составы синтегра-
нов обладают достаточно высокими физико-механическими характеристика-
ми (табл. 2.6) и не уступают материалам, предназначенным для аналогич-
ных целей, например гидробетонам (табл. 2.7). Композиционные материалы
позволяют в 6-15 раз снизить радиоактивное излучение по сравнению с тра-
диционно применяемыми для этих целей материалами при одинаковых габа-
ритах конструкции.

---

Page 31

100
Таблица 2.6
Физико-механические характеристики
композиционного материала (синтеграна), данные в сравнении
с натуральными гранитами чугунами
Параметр
Единица
измерений
Чугун
Гранит
Синтегран
нормальный
Плотность
г/см
3
7,0...7,5
2,6-3,0
2,4-2,7
Прочность
– при сжатии
– при растяжении
– при изгибе
МПа
400...900
180...250
160...400
–
–
3,5-5,0
180-200
15-20
32-36
Модуль
упругости
при изгибе х 10
−4
МПа
10...12
1,5-2,5
4,5-5,5
Коэффициент
Пуассона
0,26
-
0,25-0,4
Теплопроводность
Вт/м
0
К
75
0,8
0,5-0,9
Коэффициент
линейного
расширения х 10
−6
1/
0
С
9,0-12,0
7-19,0
12,0-16,0
Водопоглощение
за сутки
%
–
0,02-0,1
0,02-0,05
Декремент колебаний
0,006-0,008
0,02-0,04
0,06-0,08
Таблица 2.7
Сравнительные характеристики синтеграна и гидробетона
Параметр
Единица измер. Синтегран
Гидробетон
Плотность
г/см
3
2,4-2,7
1,7-2,1
Водопоглощение за сутки
%
0,02-0,1
4-8
Прочность при сжатии
МПа
180-200
80-120
Модуль упругости
при изгибе х 10
−4
МПа
4,5-5,5
1,8-2,1
Склонность к короблению
у.е.
1
4,5
Демпфирование
у.е.
1
0,5-0,6

---

Page 32

101
Более чем двадцатилетний опыт применения синтеграна в России пока-
зал, что область его использования весьма обширна и не ограничивается
только станкостроением (табл. 2.8).
Таблица 2.8
Области применения синтеграна
№ Область применения
синтеграна
Наименование изделий
1 Режущий инструмент
Резцы, фрезы, шеверы, напильники, пилы, осе-
вой мерный инструмент
2 Измерительный
инструмент
Штанги штангенциркулей, поверочные плиты,
динамометры
3 Станки и оснастка
Станины, стойки, основания, траверсы, столы,
корпуса редукторов, коробок скоростей и подач
4 Строительство
Облицовочные материалы, стойки банков, шпа-
лы метро, элементы строительных конструкций,
крышки канализационных люков, столбы улич-
ного освещения
5 Военное дело
Бронежилеты, броня танков, глушители, фюзе-
ляжи самолетов, стабилизаторы ракет
6 Предметы народного
потребления
Декоративные изделия, бильярдные столы,
стрелы, акустические колонки, сантехнические
изделия
7 Средства экологический
защиты
Контейнеры для захоронения радиоактивных
отходов, саркофаги, контейнеры для радиоак-
тивных веществ
Таблица 2.9
Эффективность защиты от радиоактивного излучения
различными материалами при коэффициенте ослабления 14
Материал
Удельный вес (г/см
3
)
Толщина стенки (см)
Свинец
11,4
2,6
Бетон
2,3
28
Железо
7,9
7,5
Стекло свинцовое
5,0
Композиционный ма-
териал (синтегран)
2,8
4,0

---

Page 33

102
Из синтеграна строят бункеры и контейнеры как для наземного
(рис. 2.7), так и для подземного (рис. 2.6) захоронения радиоактивных отходов.
В табл. 2.9 представлена информация об эффективности защиты от р/а
излучения различными материалами.
Рис 2.6. Вариант подземного захоронения
Рис 2.7. Вариант наземного захоронения

---

Page 34

103
В настоящее время полностью отработаны технологии изготовления
изделий из синтеграна, конструкции оснастки и литейных форм, имеется
полный комплект конструкторской и технологической документации, сани-
тарные сертификаты и многолетний опыт эксплуатации изделий.
2.2.2. Дисперсно-упрочненные волокнистые композиционные материалы
Помимо обеспечения прочности и монолитности конструкции матри-
ца должна иметь необходимую пластичность и быть работоспособной в той
температурной области, для которой предназначен КМ. Для изготовления
КМ, применяемых при температурах ниже 200 °С, используют полимерные
матрицы.
В настоящее время широко используются композиционные материа-
лы, армированные стеклянными волокнами – стеклопластики. Они обладают
высокой прочностью, легко поддаются механической обработке, обладают
устойчивостью к тепловым ударам и знакопеременным нагрузкам, радиопро-
зрачностью, коррозионной стойкостью. В качестве армирующего элемента
могут быть непрерывные волокна в виде нитей или жгутов, или ткани. Слои-
стые стеклопластики на основе тканей называются стеклотекстолитами. Наи-
более высокие механические характеристики имеют стеклотекстолиты на ос-
нове однослойных тканей сатинового переплетения. Применение многослой-
ных стеклотканей увеличивает межслоевую прочность пластика, упрощает
сборку заготовки изделия, уменьшая число ручных операций. Такие компо-
зиты широко используют в судостроении, авиации, в космической технике,
автомобилестроении, при изготовлении некоторых бытовых приборов. В ка-
честве связующего используются как термореактивные смолы (эпоксидные,
полиэфирные, фенолформальдегидные и др.), так и термопластичные.
Органопластики на основе высокопрочных арамидных волокон обла-
дают высокими прочностными и упругими характеристиками, ударной вяз-
костью, высокой химической стойкостью, высокими теплоизоляционными и

---

Page 35

104
диэлектрическими свойствами, плохо горят и выделяют мало дыма. Органо-
пластики – самые легкие полимерные композиционные материалы, их плот-
ность составляет 1250-1350 кг/м
3
.
В зависимости от состава, структуры и технологии получения материа-
лов свойства органопластиков могут меняться в широких пределах: проч-
ность при растяжении а
в
от 300 до 3000 МПа, модуль упругости Е от 13 до
100 ГПа. По удельной прочности при растяжении (200 км) органопластики
занимают ведущее место среди конструкционных материалов. Для органо-
пластиков характерны высокие параметры вязкости разрушения, длитель-
ность ресурса и надежность эксплуатации изделий в условиях воздействия
механического или акустического удара, эродирующих потоков, вибрацион-
ных нагрузок. Благодаря пониженной плотности, низкой дымообразующей
способности, высоким эстетическим качествам органопластики используют
при обшивке салонов самолетов, судов, автомобилей, для внутренней отдел-
ки жилых и промышленных зданий.
При изготовлении современных вертолетов с использованием органо-
пластиков повышается их эксплуатационная надежность, сокращается при-
мерно в три раза производственный цикл, достигается снижение массы агре-
гатов на 20-30%, снижается трудоемкость и увеличивается ресурс их работы.
В пассажирских самолетах ТУ-204, ИЛ-96-300, ИЛ-114, ТУ-334 орга-
нопластики использованы в панелях пола, деталях внешнего контура, обшив-
ке салонов. Так, в самолете ТУ-204 объем органопластиков по массе состав-
ляет около 3 т, в самолете ИЛ-96-300 – 1,5 т.
Органопластики используются при изготовлении защитных экранов в
корпусах вентиляторов турбореактивных двигателей, поскольку могут вы-
держивать механический удар, например при столкновении самолета с пти-
цей. Так, вентиляторы двигателей самолетов «Руслан» имеют защитные
кольца диаметром 2,5 м и толщиной 45 мм и могут выдерживать при скоро-
сти 300 м/с удар осколков массой до 1 кг.

---

Page 36

105
Материалами нового поколения являются металлоорганопластики-
алоры, состоящие из чередующихся слоев алюминиевого сплава и органо-
пластика, который снижает нагруженность металла и увеличивает долговеч-
ность материала в целом. По сравнению с традиционными материалами они
обладают высокой трещиностойкостью, что позволяет изготавливать из них
безопасно повреждаемые конструкции на воздушном и автомобильном
транспорте.
Применение алора взамен традиционных алюминиевых сплавов обес-
печивает снижение массы конструкции на 10-20% при использовании ткане-
вого арамидного наполнителя и в 2 раза – однонаправленного. При этом зна-
чительно снижается масса изделия. Свойства органопластиков представлены
в табл. 2.10.
Таблица 2.10
Свойства органопластиков и алюминиевого сплава
в
σ
2,
0
σ
Материал
МПа
D, кг/м
3
Е, ГПа
Равнопрочный МПКМ
500
350
2400
64
Однонаправленный МПКМ
800
550
2450
70
Алюминиевый сплав Д16
430
300
2780
70
Алор обладает высокими демпфирующими характеристиками, что по-
зволяет использовать его в конструкциях, подверженных высокочастотным
колебаниям (вагоны скоростных поездов, автомобили, самолеты и др.), что
позволяет увеличить ресурс их работы в несколько раз. Он технологичен, хо-
рошо поддается всем видам механической обработки, пластическому дефор-
мированию.
Углепластики – композиты на основе высокопрочных углеродных во-
локон являются наиболее перспективными композиционными материалами.
Они обладают высокими прочностью и жесткостью, термостойкостью до
570 К, низким температурным коэффициентом линейного расширения, стой-

---

Page 37

106
костью к агрессивным средам. В них в качестве армирующих элементов при-
меняются непрерывные волокна в виде нитей, жгутов, тканей или нетканых
материалов. Матрицы изготавливают из эпоксидных, полиамидных, поли-
эфирных или других смол. Углепластики используются в конструкциях со-
временных самолетов, например «Руслан», Су-30МК, Су-34, С-37 «Беркут»,
МИГ-29, космических кораблей многоразового использования «Буран», что
доказывает их высокую техническую эффективность и эксплуатационную
надежность.
Углепластики КМУ-ЛР, КМУ-ЛТК и КМУ-Т работают в интервале
температур от –60 до +100 °С, в том числе в агрессивных средах, имеют вы-
сокие физико-механические характеристики (табл. 2.11).
Таблица 2.11
Физико-механические свойства углепластиков при Т = 298 К
Материалы/
параметр
Р313
AS/4397
КМУ-4
КМУ-2У КМУ-3Л
Волокно
Торнел-
300
А
Жгут
ВМН-4
Жгут
ВМН-4
Лента ЛУ-2
Матрица
Эпок-
сидная
Поли-
амидная
Эпокситри-
фенольная
Поли-
имидная
Эпоксифе-
нольная
Плотность
3
3
,
10
−
−
⋅
⋅
м
кг
ρ
1,55
1,57
1,5
1,4
1,4
Прочность
+
1
σ
,
МПа
1400
1431
1020
900
650
Прочность
−
1
σ
,
МПа
1108
1451
400
400
400
Модуль упру-
гости Е
1
, ГПа
142,8
128,5
180
140
120
Углепластик КМУ-П – однонаправленный, пултрузионный, работает в
агрессивных средах в интервале температур от -60 до +150 °С, обеспечивает
повышение жесткости, сопротивления усталости, ресурса и снижение массы
детали. Он выпускается в виде полос, труб, швеллера, уголка и других сече-
ний.

---

Page 38

107
Углепластики технологичны в изготовлении, обладают низким коэф-
фициентом термического расширения, коррозионной стойкостью, высокими
жесткостью, теплопроводностью, тепло, и морозостойкостью, стойкостью к
радиации.
Таблица 2.12
Свойства углепластиков КМУ-П и КМУ-4
в
σ
сж
σ
Материал
Температура,
0
С
МПа
Е, ГПа
20
1650
1200
145
КМУ-П
150
1300
780
135
20
1600
780
120
КМУ-4
160
1200
520
115
Они превосходят металлы по усталостной прочности и вибропрочности
(в 1,5–2 раза выше, чем у сталей, в 8–9 раз выше, чем у алюминиевых спла-
вов). Свойства углепластиков представлены в табл. 2.12
Из углепластиков КМУ-9ЛР, КМУ-9ЛТ, КМУ-9ЛТК, КМУ-9Т изготав-
ливают элементы конструкции ткацких станков, что позволяет повысить в
2,3 раза производительность по сравнению с обычным серийным станком AT
и снизить в 2,5 раза уровень производственного шума.
В автомобильной промышленности из углепластиков изготавливают
элементы несущего кузова и подвески, передаточные узлы механизмов
трансмиссии, силовые каркасы сидений, детали двигателей внутреннего сго-
рания, бамперы, что позволяет снизить массу, повысить эксплуатационные
характеристики автомобиля и снизить коррозию. Углепластики КМУ-3 при-
меняют в конструкциях планеров «Нямунас», «Литува», малогабаритного
беспилотного самолета-разведчика «Перо-1», дистанционно-пилотируемого
летательного аппарата «Дятел-1», управляемого снаряда УС-К, легкого спор-
тивного самолета СУ-26М и др. Например, при использовании углепластика
КМУ-11 при изготовлении крыльев и других элементов самолета СУ-26М
позволило снизить массу планера на 120 кг. Кроме того, упрощается техно-

---

Page 39

108
логия изготовления, снижается расход топлива, повышаются летные характе-
ристики самолета.
Углепластики применяют при изготовлении лодок, яхт, катамаранов,
высококлассных теннисных ракеток, рыболовных удилищ, не уступающих
по своим характеристикам зарубежным аналогам. В машиностроении из них
изготавливают корпусные детали машин и приборов, детали фрикционного
назначения, элементы приводов электродвигателей, фильтры для агрессив-
ных жидкостей и т. д., при этом достигаются снижение массы и металлоем-
кости, повышение долговечности, сокращение потерь от коррозии, уменьше-
ние энергозатрат при изготовлении.
Пластики с армирующими элементами в виде волокон бора называются
боропластиками. Они применяются для изготовления изделий, работающих
при повышенных температурах, и имеют высокую прочность при сжатии.
Борные волокна являются полупроводниками, а сам материал обладает по-
вышенной тепло- и электропроводностью. В качестве связующего использу-
ют эпоксидные, полиэфирные, фенолформальдегидные и другие смолы.
Свойства боропластиков представлены в табл. 2.13.
Таблица 2.13
Свойства боропластика
Значение при температуре
Параметр
293К
473К
Прочность, МПа при растяжении
+
σ
1200
980
при сжатии
−
σ
1160
1020
При сдвиге
τ
60
45
Модуль упругости при растяжении, Е, ГПа
250
240
При сдвиге G
9,80
5,10
Предел выностивости при изгибе, Мпа, 10
7
400
350
Логарифмический декремент колебаний, %
0,5
3,5
Коэффициент теплопроводности
)
/(
,
К
м
Вт
⋅
λ
0,5
54

---

Page 40

109
Для работы при более высоких температурах применяют металличе-
ские матрицы. Обычно используют металлы с малой плотностью: алюминий,
реже – магний, титан.
Металлические КМ обладают рядом преимуществ перед полимерны-
ми. Помимо более высокой рабочей температуры, они характеризуются
лучшей изотропией и большей стабильностью свойств в процессе эксплуа-
тации, более высокой эрозионной стойкостью.
Пластичность металлических матриц сообщает конструкции необхо-
димую вязкость. Это способствует быстрому выравниванию локальных меха-
нических нагрузок.
Высокая теплопроводность металлических КМ предохраняет от ло-
кальных перегревов, что особенно важно для таких изделий, как наконечни-
ки ракет и ведущие кромки крыльев.
Высокая электропроводность металлических КМ хорошо защищает
их от электромагнитного излучения, молнии, снижает опасность статическо-
го электричества. Важным преимуществом металлических КМ является бо-
лее высокая технологичность процесса изготовления, формовки, термообра-
ботки, формирования соединений и покрытий.
На рис. 2.8 схематически показан способ изготовления композита.
Волокна сматывают с бобин, подвергают поверхностной обработке, улуч-
шающей адгезию, протягивают в ванну, где их покрывают полимерной смо-
лой. Смола скрепляет волокна в плоский жгут-ленту. Готовые ленты соби-
рают в слоистый листовой материал (аналог фанеры) или же наматывают в
более сложные формы. Собранный в листы или намотанный материал от-
верждают термообработкой. Слои можно накладывать поочередно с разным
направлением волокон и формировать в композите клетчатую структуру ар-
матуры. Это придает материалу жесткость.

---

Page 41

110
Рис. 2.8. Схема изготовления композиционного материала
Недостатком такого композита является отсутствие поперечного ар-
мирования в каждом отдельном слое и между слоями. Поэтому материал
может расслаиваться. К тому же появившаяся трещина в объемном образ-
це из такого КМ легко находит путь распространения между слоями. Для
устранения этих недостатков изготавливают тканые КМ.
Свойства основных металлических матриц представлены в
табл. 2.14.
Для наиболее высоких рабочих температур в качестве матричного ма-
териала применяют керамику. Ее основной недостаток – отсутствие пла-
стичности – в некоторой степени компенсируется армирующими волокнами,
тормозящими распространение трещин в керамике.
Поверхностная
обработка
Смола
Непрерывные
волокна
Прокладочная
бумага

---

Page 42

111
Таблица 2.14
Свойства металлических матриц
Матрица
γ
, г/см
3
σ
в
, МПа
Е, ГПа
α
, 10
-5
К
-1
Al
2,63 – 2,80
250 – 573
69 – 73
11 – 13
Mg
1,74 – 1,83
200 – 280
43 – 45
14 – 15
Ni
4,5
500 – 1200
113
9 – 10
Cu
8,94
220 - 400
132
17 - 18
Использование в качестве матричного материала аморфного углерода,
а в качестве армирующего материала – волокон из кристаллического углеро-
да (графита) позволило создать композит, выдерживающий нагрев до 2500
°С. Такой углерод-углеродный композит перспективен для космонавтики и
заатмосферной авиации. Толчком к интенсивному использованию углерод-
углеродных композитов в США послужили работы по программе создания
космических кораблей многоразового использования. Недостаток углеродной
матрицы состоит в возможном окислении и абляции. Для предотвращения
этих явлений композит покрывают тонким слоем карбида кремния.
Таким образом, наиболее важным критерием выбора матричного мате-
риала является рабочая температура эксплуатации композита.
Помимо высокой прочности и жесткости, основными требованиями,
предъявляемыми к волокнам для КМ, является хорошее смачивание материа-
ла волокна расплавленной матрицей в процессе изготовления композита.
Важными условиями являются слабое взаимодействие волокна с материалом
матрицы и его высокая окислительная стойкость.
Для армирования металлических КМ обычно используют непрерывные
волокна: углеродные (УВ), борные (В), оксида алюминия (А1203), карбида
кремния (SiC), карбида бора (В4С), нитрида бора (BN), диборида титана
(TiB2), оксида кремния (SiO2). Также в качестве волокон применяют метал-
лическую тонкую проволоку, полученную методом волочения из стали,

---

Page 43

112
вольфрама, титана, молибдена и бериллия. Реже используют нитевидные
специально выращенные кристаллы разных материалов.
Наибольшее распространение для армирования металлических КМ по-
лучили непрерывные или дискретные углеродные и борные волокна.
Волокна бора обычно получают осаждением бора из газовой фазы при
диссоциации его галоидных соединений, например треххлористого бора
ВСl3. Бор осаждается на основу из тонкой (12 мкм) вольфрамовой нити, на-
гретой до 1100-1200 °С. В процессе осаждения бор диффундирует в вольф-
рамовую основу, образуя бориды вольфрама в сердцевине волокна. Время
пребывания волокна в реакционной камере составляет 1-2 мин. Общий диа-
метр борного волокна составляет 100-150 мкм. Свойства волокон для арми-
рования металлических КМ представлены в табл. 2.15.
Таблица 2.15
Свойства волокон для армирования металлических КМ
Тип волокна
Основа
γ
, г/см
3
σ
в
, МПа
Е, ГПа
α
, 10
-5
К
-1
ПАН
1,7-2,0
1,7-3,2
170-517 -1,0…-1,5
Вискоза
1,6-1,8
0,6-3,2
400-525
–
С
Пек
2,0
1,1-2,1
380-700
-1,3
На W
3,15
3,1-3,4
420-450
3,8-5,0
SiC
На УВ
3,05
3,45
400-420
–
На W
2,49
3,52
400
4,8-5,0
B
На УВ
2,25
3,32
380
–
B – SiC
На W
2,50
2,90
400
4,9
Al
2
O
3
–
2,90
3,9-4,3
380-500
8,5
Сырьем для получения высокопрочных и высокомодульных углерод-
ных волокон являются такие полимеры с высоким содержанием углерода, как
полиакрилнитрил (ПАН), и реже – пек и вискоза. ПАН-волокно выдавливают
через малые отверстия и подвергают пиролизу в инертной атмосфере при тем-

---

Page 44

113
пературе около 2000 °С. Углеродные волокна выпускают в виде нитей, содер-
жащих до 10000 элементарных волокон, диаметр которых составляет около 7
мкм. Модуль и прочность волокна не изменяется при нагреве его до 600 °С.
Композиты получают разными методами. К ним относятся пропитка
пучка волокон жидкими расплавами алюминия и магния с низкой температу-
рой плавления, плазменное напыление, применение методов горячего прес-
сования, иногда с последующей гидроэкструзией или прокаткой заготовок.
При армировании непрерывными волокнами композиций типа «сэндвич»,
состоящих из чередующихся слоев алюминиевой фольги и волокон, приме-
няют прокатку, горячее прессование, сварку взрывом, диффузионную сварку.
Отливку прутков и труб, армированных высокопрочными волокнами, полу-
чают из жидкометаллической фазы. Пучок волокон непрерывно проходит че-
рез ванну с расплавом и пропитывается под давлением жидким алюминием,
магнием или жидкой смолой в случае изготовления полимерного материала.
При выходе из пропиточной ванны волокна соединяются и пропускаются че-
рез фильеру, формирующую пруток или трубу. Этот метод обеспечивает
максимальное наполнение композита волокнами (до 85%), их однородное
распределение в поперечном сечении и непрерывность процесса.
Для многих видов волокон разработаны технологические процессы на-
несения покрытий для обеспечения лучшей смачиваемости, окалиностойко-
сти и оптимального взаимодействия волокна с матрицей. Борные волокна
защищают от реагирования с расплавами титана и алюминия созданием на
поверхности диффузионного барьера из карбидов кремния или бора. Волокна
бора, защищенные карбидом кремния, называют borsic (борсик). Из-за высо-
кой окислительной способности углеродных волокон на их поверхность на-
носят специальные покрытия, а процессы переработки осуществляют в за-
щитной атмосфере.
Углеродные волокна имеют отрицательное значение температурного
коэффициента линейного расширения, благодаря чему появляется возмож-
ность при соответствующей укладке волокон получать а, близкий к нулю.

---

Page 45

114
Волокна карбида кремния получают методом химического осаждения
из паровой фазы на подложку из борного или углеродного волокна. Эти во-
локна имеют хорошую теплостойкость, стойкость к окислению и мало реаги-
руют с металлом.
2.2.3. Слоистые композиционные материалы
Материалом основы композитов со слоистым строением являются пла-
стмасса, металл или керамика. В качестве наполнителей применяются поли-
мерные волокна, ленты из тканей, трикотажа и других материалов. Хорошо
известные ламинаты изготовлены из смол, армированных полимерными во-
локнами или стеклотканью. Они широко применяются в строительстве, ма-
шиностроении, мебельной промышленности, спортивном снаряжении, до-
машнем хозяйстве и т.д.
К этой же группе композитов относятся абляционные материалы для те-
пловой защиты ракет, изготовленные на базе феноло-формальдегидных смол с
углеродным или стекловолокном. В этих материалах часто используется стек-
лоткань, которая при многослойном нанесении обеспечивает высокие механи-
ческие свойства изделий, например тонкостенных труб, втулок и др.
Встречаются композиты, в которых слоистым связующим являются
алюминиевые, титановые, медные, никелевые и кобальтовые листы и фольги,
а слоями, определяющими специальные свойства и применение, – керамика,
интерметаллидные соединения или другие металлы.
Слоистые керамические композиты используют в экстремальных усло-
виях. Компонентами этого типа композиционных материалов чаще всего яв-
ляются керамика, углерод и металлы, например корунд, пиролитический гра-
фит, карбиды, оксиды, нитриды в композиции с алюминием, медью, титаном,
никелем, кобальтом, танталом, железом. Такие материалы нашли применение
в космических аппаратах для изготовления теплоизоляционных силикатных
плиток из корунда, боросиликата, углеродных карборундовых ламинатов.

---

Page 46

115
Свойства и применение композиционных материалов
Физико-механические свойства основных компонентов КМ на основе
алюминиевой матрицы приведены в табл. 2.16.
Таблица 2.16
Свойства компонентов КМ на основе алюминиевой матрицы
Тип волокна
γ , г/см
3
σ
в
, МПа Е, ГПа
σ
в
/ γ ,
км
Е/ γ ,
10
3
км
α
, 10
-6
К
-1
Т
max
,
о
С
Матрица из
Al – сплава
2,63-6,8 250-537
69-73
20
2,5
11-13
150
C
2,1-2,3
850/70
360/35
90
20
1,0-3,6
500
B
2,6
1800/330 250/140
70
10
6,0
540
SiC
2,85-2,9 1600/350 230/140
56
7
6,1
300
B·SiC
2,7-2,8 1400/320 220/180
50
–
–
–
Al
2
O
3
3,4
1200
260/140
34
7
–
–
Примечание: В числителе – продольные значения прочностных
характеристик, в знаменателе – поперечные.
Хорошая совместимость матрицы с армирующим элементом, высо-
кие прочностные свойства борного волокна и удовлетворительная пластич-
ность материала матрицы определяют высокие удельные значения прочно-
сти и жесткости МКМ (отношение временного сопротивления и модуля уп-
ругости к плотности) в сочетании с хорошей технологичностью и конструк-
ционной надежностью изделий из этого материала.
Для создания металлических КМ с еще более малой плотностью при-
меняется магний. Композиционные материалы на основе магния на 30% лег-
че, чем сплавы алюминия. У металлических КМ на основе магния хорошие
удельные свойства, стабильный температурный коэффициент линейного
расширения в широком диапазоне температур, что достигается за счет ком-
бинаций свойств матрицы и волокна и может регулироваться в зависимости

---

Page 47

116
от конкретных условий использования. Такие материалы можно получать в
форме отливок, включая плоские плиты, трубы, прутки и изделия специаль-
ной формы.
Магний – один из легких металлов, для которого не возникает про-
блем взаимодействия с углеродными, борными волокнами и волокнами из
карбида кремния. Перспективная система углеродные волокна – магний об-
ладает самыми высокими удельными характеристиками: Еуд ≈ 23,5·103 км,
σуд ≈ 115 км. Для наиболее высоких рабочих температур в качестве матрич-
ного материала применяют керамику. Ее основной недостаток – отсутствие
пластичности – в некоторой степени компенсируется армирующими волок-
нами, тормозящими распространение трещин в керамике.
Некоторые свойства металлических КМ на основе магниевой матри-
цы приведены в табл. 2.17.
Таблица 2.17
Свойства металлических КМ на основе магниевой матрицы
Армирующие волокна
Свойства
Магниевые сплавы
С
В
А1
2
О
3
γ
, г/см
3
1,74-1,83
1,9-1,95
2,15
2,5-2,9
σ
в
, МПа
200-280
825
550
530
Е, ГПа
43-45
352
150
210
σ
кд
, км
15,5
115*
25
20
Е
уд,
103км
2,5
23*
7
8
α
, 10
-6
К
-1
14-15
–
–
–
Т
max
,
о
С
–
300-320
–
–
* – проектируемые значения свойств.
Системы углеродные волокна – алюминий и углеродные волокна –
магний перспективны для использования в авиационной технике, а также в
космосе, благодаря высоким значениям удельной прочности и жесткости,
малому температурному коэффициенту линейного расширения и сравни-
тельно высокой теплопроводности.

---

Page 48

117
Металлы с высокой пластичностью и прочностью хорошо совмещают-
ся с высокопрочными и жесткими волокнами с низкой плотностью и пла-
стичностью, образуя КМ с повышенной жесткостью и малой массой. Приме-
ром такой комбинации может быть титан, армированный волокнами бора
или карбида кремния.
Однако такие системы имеют пониженную усталостную прочность из-
за остаточных напряжений и химического взаимодействия между волокнами
и матрицей при высоких температурах изготовления. Кроме того, механиче-
ская обработка КМ на основе титановой матрицы представляет большие
трудности. Недостатком этого вида КМ является также высокая реакционная
способность титановой матрицы. Свойства металлических КМ на основе ти-
тановой матрицы приведены в табл. 2.18.
Таблица 2.18
Свойства металлических КМ на основе титановой матрицы
Армирующие волокна
Свойства
Титановые сплавы
В
SiC
B·SiC
γ
, г/см
3
4,5
3,3-3,5
3,8-4,0
3,7-3,9
σ
в
, МПа
500-1200
1500/550
1720/650
1400/550
Е, ГПа
113
230
250/200
290/200
σ
кд
, км
27
43
46
37
Е
уд,
103км
2,6
6,5
7,5
7,5
α
, 10
-6
К
-1
9
–
–
4,5-5,7
Т
max
,
о
С
490
650
700
–
Примечание: В числителе – продольные значения прочностных ха-
рактеристик, в знаменателе – поперечные.
Прочность и модуль упругости, а также сопротивление материалов
удару для однонаправленных композиционных материалов на основе алю-
миния, магния и титана повышаются по мере увеличения в композиции объ-
емного содержания волокон.

---

Page 49

118
Для очень высоких температур, например в камерах сгорания реактив-
ных двигателей, используются системы, содержащие молибденовую и
вольфрамовую проволоку в матрицах из титана и суперсплавов. Наибольшей
прочностью при температуре 1093 °С обладает проволока из сплава W-Re-
Hf-C:
σ
в = 2,2 ГПа, что в несколько раз больше прочности никелевых или
кобальтовых суперсплавов при такой же температуре.
Большие перспективы открываются с развитием процессов объемного
армирования металлических КМ. В частности, для металлических КМ объ-
емное армирование дает существенный выигрыш в ударной вязкости. Сис-
тема Al203/Al трехмерного армирования поглощает почти такую же энергию
удара, как и чистый металл. Армирование по толщине, обеспечиваемое
трехмерной волокнистой структурой, предотвращает расслоение и ограни-
чивает распространение трещин.
К недостаткам металлических КМ относится их сравнительно высокая
стоимость и сложность изготовления. Их стоимость в настоящее время пре-
восходит стоимость полимерных КМ в несколько раз. Совершенствование
технологии позволит снизить себестоимость металлических КМ, а их уни-
кальные свойства делают их незаменимыми в ряде конструкций.
В авиации и ракетно-космической технике наиболее широко исполь-
зуют КМ с борными волокнами. Детали из боропластика и бороалюминия
применяют такие крупные фирмы США, как «Локхид», «Боинг», «Дженерал
Дайнемикс». Из них изготавливают горизонтальные и вертикальные стаби-
лизаторы, рули, элементы хвостового оперения лонжероны, лопасти винтов,
обшивку крыльев и др.
Области использования металлических КМ непрерывно расширяются.
Помимо улучшения технических характеристик многих ответственных изде-
лий использование металлических КМ способно обеспечить 20-30% экономию
массы. Современные Al-Li сплавы имеют этот показатель на уровне 10-15%.
Детали из боралюминия по сравнению с титановыми сплавами дают
снижение массы на 30-40% , обеспечивая более высокую длительную и уста-

---

Page 50

119
лостную прочность при нагреве до 500 "С. Еще более эффективно примене-
ние боралюминия в ракетно-космической технике. Его использование для из-
готовления крупных деталей для ракет «Атлас», космических кораблей
«Аполлон», «Шаттл» позволило уменьшить их массу на 20-50%. Это, в свою
очередь, увеличило полезную нагрузку, а для военных самолетов – дальность
полета, объем вооружения и т.д. Снижение полетной массы истребителя F-15
на 6%, или около 1100 кг, приводит к увеличению дальности полета на 15% .
Фирма «Toyota» (Япония) изготовила металлические КМ для деталей
автомобилестроения. Алюминий армировали смесью коротких волокон А1
2
0
3
и Si0
2
(диаметр около 3 мкм и длина до 10 мкм) в различных соотношениях.
С увеличением массовой доли волокон А1
2
О
3
возрастает прочность и модуль
упругости, при росте доли волокон SiO
2
повышается износостойкость. Этот
материал использовали вместо никелевых сплавов для изготовления накла-
док поршней, что позволило поднять температуру в камере сгорания двига-
теля и его мощность. За счет увеличения износостойкости поршней пробег
автомобиля увеличен до 300 тыс. км.
Производство таких металлических КМ, по мнению японских специа-
листов, откроет промышленную технологию следующего поколения.
Правильный выбор материалов с целью экономии массы летательных
аппаратов играет определяющую роль. Стоимость конструкции составляет 40
% для военных самолетов, 68% – для коммерческих, 19% – для космических
аппаратов, 50% – для орбитального космического корабля типа «Шаттл». В
космической технике экономию массы принято оценивать через стоимость
вывода 1 кг массы на орбиту с учетом числа запусков. Учитывая, что отно-
шение исходной массы к массе, доставленной на околоземную орбиту, со-
ставляет 100 : 1, эта величина может составлять до 30 тыс. долл/кг.
Применение КМ в конструкции космического корабля «Шаттл» позво-
лило снизить массу на 1402 кг, в том числе за счет боропластика – на 410 кг и
боралюминия – на 82 кг. Такая экономия массы позволила уменьшить за-
траты на вывод корабля на орбиту на несколько миллионов долларов,

---

Page 51

120
что заранее окупает затраты на стоимость элементов конструкции из
этих материалов.
Контрольные вопросы
1. Каковы основные этапы технологии получения изделий из керамики?
2. Какие виды керамики используются в промышленности?
3. В чем преимущества режущего инструмента с пластинами из кера-
мики?
4. Какой эффект достигается при изготовлении двигателей из керамики?
5. Где используется ударопрочная керамика?
6. Какова область применения радиопрозрачных керамических мате-
риалов?
7. Какой материал называется композиционным?
8. Что представляют из себя дисперсно-упрочненные, волокнистые и
слоистые композиционные материалы?
9. Что означает слово «синтегран»? Из чего состоит этот материал?
10. Области применения синтеграна?
11. Каковы свойства углепластиков и где они используются?
12. Что из себя представляют органопластики и где они применяются?
13. Область применения боропластиков?
14. Где используются композиционные материалы с металлической
матрицей?