Композиционные материалы и перспективы их развития

  3. Композиционные материалы с металлической матрицей

  

  Рис.4. Схема  структуры (а) и армирования непрерывными волокнами (б) композиционных материалов

  Композиционные  материалы состоят из металлической  матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной  высокопрочным 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 или иную композицию, получили название композиционные материалы (рис.4).

  4. Волокнистые композиционные материалы.

  На рис.4 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 l/d ≈ 10÷103, и с непрерывным волокном, в которых l/d = ∞. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

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

  Композиционные  материалы отличаются от обычных  сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела  выносливости (на 50–100 %), модуля упругости, коэффициента жесткости (Е/γ) и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

  Таблица 1. Механические свойства композиционных материалов на металлической основе

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

  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 (σВ = 2500÷3500 МПа, Е = 38÷420 ГПа) и углеродные (σВ = 1400÷3500 МПа, Е = 160÷450 ГПа) волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют σВ = 2500÷3500 МПа, Е = 450 ГПа. Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных сталей.

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

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

  В табл.1 приведены свойства некоторых волокнистых композиционных материалов.

  

  Рис.5. Зависимость  модуля упругости Е (а) и временного сопротивления σВ (б) бороалюминиевого композиционного материала вдоль (1) и поперек (2) оси армирования от объемного содержания борного волокна

  Композиционные  материалы на металлической основе обладают высокой прочностью (σВ, σ-1) 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 хрупкое разрушение. Отличительной особенностью одноосных волокнистых композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль к поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения,

  На рис.5 приведена зависимость σВ и Е  бороалюминиевого композиционного  материала от содержания борного  волокна вдоль (1) и поперек (2) оси  армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше σВ, σ-1 и Е вдоль оси армирования. Однако необходимо учитывать, что матрица может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно — матрица. Для предотвращения контакта между волокнами матрица должна полностью окружать все волокна, что достигается при содержании ее не менее 15–20 %.

  

  Рис.6. 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)

  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 с 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.6, а) с повышением температуры.

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

5. 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 5–10об.%.

  Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), нерастворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую  прочность материала до 0,9–0,95Тпл. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. 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 А12О3. Частицы А12О3 эффективно тормозят движение дислокаций и тем самым повышают прочность сплава. Содержание А12О3 в САП колеблется от 6–9 % (САП-1) и до 13–18 % (САП-3). С увеличением содержания А12О3 σB повышается от 300 для САП-1 до 400 МПа для САП-3, а относительное удлинение соответственно снижается с 8 до 3%. Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкие стали при работе в интервале температур 250–500°С. По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность σ100 для сплавов САП-1 и САП-2 при 500°С составляет 45–55 МПа.

  Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных  материалов. Наиболее высокую жаропрочность  имеют сплавы на основе никеля с 2–З об.% двуоксида тория или двуоксида  гафния. Матрица этих сплавов обычно γ-твердый раствор Ni+20% Cr, Ni+15% Mo, Ni+20% Cr и Мо. Широкое применение получили сплавы ВДУ-1 (никель, упрочненный двуокисью тория), ВДУ-2 (никель, упрочненный двуокисью гафния) и ВД-3 (матрица Ni+20% Сг, упрочненная окисью тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. При температуре 1200°С сплав ВДУ-1 имеет σ100≈75 МПа и σ1000≈65 МПа, сплав ВД-3 – 65 МПа. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительности выдержки при данной температуре (см. рис.6).

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

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

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

6. Композиционные материалы с неметаллической матрицей

6.1. Общие сведения, состав и классификация

  

  Рис.7. Схемы армирования композиционных материалов

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

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

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

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

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

  

  Рис.8. Зависимость между напряжением и деформацией при растяжении эпоксидного углепластика с различной схемой укладки упрочнителя: 1 – продольная; 2 – под углом 45º; 3 – взаимно перпендикулярная; 4 – поперечная

  Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей (рис.8). Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.

  Трехмерные  материалы могут быть любой толщины  в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем расположения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных. Зависимость механических свойств композиционных материалов от схемы армирования приведена на рис.8.

6.2. Карбоволокниты

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