Композиционные материалы и их строение

По методам изготовления композиционные материалы делятся на материалы, полученные жидко- и твердофазными методами, методами осаждения - напыления, и комбинированными методами. К жидкофазным методам относятся пропитка (например, пропитка каркасов из карбида титана сталями или жаропрочными материалами), непрерывное литье, направленная кристаллизация эвтектических сплавов. К твердофазным методам относятся прессование, прокатка, ковка, волочение, диффузионная сварка и др. Для композиционных материалов, полученных твердофазными методами, характерно использование матрицы в виде порошка, листов или фольги. При изготовлении композитов методом осаждения - напыления матрицу наносят на волокна из растворов солей, парогазовой фазы, газоплазменным и плазменным напылениями. Комбинированные методы заключаются в использовании комбинации нескольких методов. Например, плазменное напыление используют как предварительная операция, а в качестве окончательной операции применяют прокатку или прессование.

Рис. 2 Строение композиционных материалов

2.1 Строение композиционных материалов на металлической основе

Преимущества КМ на металлической основе по сравнению с другими основами состоят в следующем:

механические свойства – высокие значения характеристик, зависящих от свойств матрицы (предела прочности и модуля упругости в направлении, перпендикулярном оси армирующих волокон); высокая пластичность, вязкость разрушения; сохранение прочностных характеристик до температур плавления основного металла;

физические свойства – высокая тепло- и электропроводность;

химические свойства – негорючесть (по сравнению с КМ на полимерной основе);

технологические свойства – высокая деформируемость, обрабатываемость.

Наиболее перспективными материалами для матриц металлических КМ являются металлы, обладающие небольшой плотностью (Al, Mg, Ti), и сплавы на их основе, а также никель – широко применяемый в настоящее время в качестве основного компонента жаропрочных сплавов.

В порошковых (дисперсно-упрочнённых) композитах на металлической основе наполнителями служат дисперсные частицы тугоплавких фаз – оксидов Al2O3, SiO2 и карбидов. Отличительная особенность порошковых композиционных материалов, как было указано, состоит в изотропности механических и физических свойств.

Примером порошкового КМ на металлической основе является материал САП (спечённая алюминиевая пудра), состоящий из смеси порошков алюминия и оксида алюминия (6-22%). В настоящее время в двигателестроении из САП изготавливают многие ответственные детали: поршни, шатуны, тарелки клапанных пружин. САП имеет высокую технологичность при деформации, сварке, резании; отличается высокой коррозионной стойкостью и жаропрочностью. В отличие от жаропрочных алюминиевых сплавов они работают при температурах до 500˚С, а не до 300˚С.

Для изготовления деталей ГТД – дисков, лопаток, роторов – применяют порошковые сплавы типа ВДУ (высокотемпературные дисперсно-упрочнённые), представляющие собой смесь порошков никель-хромового сплава и оксидов гафния (HfO2) или тория (ThO2). Сплавы ВДУ получают методом механического легирования. Жаропрочность и жаростойкость таких КМ выше, чем никелевых сложнолегированных сплавов, получаемых как по традиционной технологии, так и при направленной кристаллизации поликристаллических и монокристаллических сплавов.

В волокнистых КМ упрочнителями служат волокна и нитевидные кристаллы чистых элементов или тугоплавких соединений (B, C, Al2O3, SiC), проволоки. Волокна могут быть непрерывными или дискретными. Объёмная доля колеблется от нескольких единиц до 80…90 %. Свойства волокнистых КМ зависят от схемы армирования. Механическим свойствам волокнистых КМ присуща анизотропия, поэтому при изготовлении из них деталей волокна ориентируют так, чтобы с максимальной выгодой использовать свойства композита с учётом действующих нагрузок.

В докторской диссертационной работе  Костылевой Л. В. ''Создание новых научных принципов упрочнения железоуглеродистых сплавов на основе развития теории кристаллизации и микроликвации'' проведен анализ взаимного расположения составляющих первичной структуры и сопоставление прочностных свойств дендритных ветвей и эвтектической матрицы, который дал основание отнести такую структуру к аналогу композита с дискретными неориентированными волокнами. Подобная аналогия при целенаправленном её использовании для усиления эффекта композитного упрочнения позволила при существенном уменьшении степени легирования добиться усиления армирующей роли дендритных ветвей и повысить прочностные характеристики чугуна.

Сходство первичной структуры чугуна с волокнистыми композитами, основанное на морфологическом подобии дендритов дискретным упрочняющим волокнам, замечено давно. Однако анализ соответствия фактической структуры чугуна основным требованиям КМ показал, что они либо выполняются не в полной мере, либо вовсе не выполняются, не позволяя реализовать полномасштабное композитное упрочнение.

Так условие σвволок. >>σвматр. может частично выполняться при сорбитной структуре первичных дендритных кристаллов, но утрачивает смысл при выделении в дендритах феррита.

Другой принцип КМ, ограничивающий морфологию волокон по длине и толщине соотношением l/d > 100, в чугунах выполняется не в полной мере, поскольку дендрита едва достигают нижних границ указанного соотношения, и технических решений по увеличению их длины пока нет.

Важнейший принцип КМ, требующий прочной, но не диффузной связи волокон с упрочняемой матрицей, в чугунах практически не реализуется, и дендриты очень ограниченно участвуют в работе разрушения чугуна, отслаиваясь без разрушения от малопрочной матрицы.

Тем не менее, литейная технология позволяет хорошо освоенными методами усилить сцепление дендритов с матрицей, например, за счёт измельчения эвтектических ячеек, снижения разветвлённости графитовых включений, повышенного содержания фосфора, формирующего монолитную кайму фосфидов вокруг эвтектических ячеек и др.

Эти частные решения, по отдельности и для других целей, опробованные литейщиками с положительными результатами, целесообразно использовать в комплексе по новому назначению для усиления композитного упрочнения серого чугуна.

Принципиальное значение для конструктивной прочности чугунов имеет необходимость предотвращать образование феррита в дендритных ветвях, предупреждая катастрофическое разупрочнение литых деталей.

В чугунах существуют объективные термодинамические ограничения на использование упрочняющего легирования. При прочих равных условиях менее легированный чугун с меньшим содержанием Si, Mn, Cr будут иметь более однородную перлитную структуру, в том числе и в дендритных ветвях, и, как следствие, лучшие прочностные свойства.  

В табл. 1 приведены свойства некоторых волокнистых КМ с металлической матрицей. Для примера даны свойства чистого алюминия (нагартованный лист) и самого прочного легированного сплава В95. Этот сплав упрочняется при старении и имеет предел прочности 600 МПа, и предел выносливости – 155 МПа (сопротивление циклическим нагрузкам). Создание композиционного материала – введение в алюминий волокон бора (КМБ) – повышает предел прочности почти на порядок по сравнению с алюминием и вдвое по сравнению со сплавом В95; при этом втрое возрастает модуль упругости и вчетверо – предел выносливости.

Таблица 1. Свойства однонаправленных КМ на металлической основе

Если же в качестве наполнителя используют стальную проволоку, диаметр которой больше, чем диаметр волокон бора или углерода, то снижается модуль упругости, однако этот материал (КАС) имеет самый высокий предел прочности и отличается значительно более высокой удельной прочностью благодаря малой плотности. Для всех КМ характерен высокий предел выносливости, свидетельствующий об их противостоянии циклическим нагрузкам.

Прочность КМ в большой степени зависит от прочности сцепления волокон с матрицей. Между матрицей и наполнителем в КМ возможны различные типы связи.

1. Механическая связь, возникающая благодаря зацеплению неровностей поверхностей матрицы и наполнителя, а также действию трения между ними. КМ с механическим типом связи (например, Cu – W) имеют низкую прочность при поперечном растяжении и продольном сжатии.

2. Связь, обеспечиваемая силами поверхностного натяжения при пропитке волокон жидкой матрицей вследствие смачивания и небольшого растворения компонентов (например, Mg – B до 400˚ С).

3.  Реакционная связь, обусловленная химическим взаимодействием компонентов (Ti и B) на границе раздела, в результате чего образуются новые химические соединения (TiB2).

4. Обменно-ракционная связь, возникающая при протекании двух и более стадийных химических реакций. Например, алюминий из твёрдого раствора матрицы титанового сплава образует с борным волокном AlB2, который затем вступает в реакцию с титаном, образуя TiB2 и твёрдый раствор алюминия.

5.  Оксидная связь, возникающая на границе раздела металлической матрицы и оксидного наполнителя (Ni – Al2O3), благодаря образованию сложных оксидов типа шпинели и др.

6.  Смешанная связь, реализуемая при разрушении оксидных плёнок и возникновении химического и диффузионного взаимодействий компонентов (Al – B, Al – сталь).

Для металлических КМ прочная связь между волокном и матрицей осуществляется благодаря их взаимодействию и образованию очень тонкого слоя (1 – 2 мкм) интерметаллидных фаз. Если между волокнами и матрицей нет взаимодействия, то на волокна наносят специальные покрытия для его обеспечения, но прослойки образующейся при этом фазы должны быть очень тонкими.

Связь между компонентами и КМ на неметаллической основе осуществляется с помощью адгезии. Плохой адгезией к матрице обладают высокопрочные борные, углеродные, керамические волокна. Улучшение сцепления достигается травлением, поверхностной обработкой волокон, называемой вискеризацией. Вискеризация – это выращивание монокристаллов карбида кремния на поверхности углеродных, борных и других перпендикулярно их длине. Полученные таким образом «мохнатые» волокна бора называют «борсик». Вискеризация способствует повышению сдвиговых характеристик, модуля упругости и прочности при сжатии без снижения свойств вдоль оси волокна. Так, увеличение объёмного содержания нитевидных кристаллов до 4 – 8 % повышает сдвиговую прочность в 1,5 – 2 раза, модуль упругости и прочность при сжатии на 40 – 50 %.        

2.2 Строение композиционных материалов на неметаллической основе

Матрицей в композиционных материалах на неметаллической основе служат термореактивные пластмассы – эпоксидные, фенолформальдегидные смолы, полиамиды и др. Основную часть КМ на неметаллической основе составляют волокнистые материалы. Их название обычно включает характеристику наполнителя: карбоволокниты, бороволокниты, стекловолокниты, органоволокниты. КМ на неметаллической основе (полимеры) имеют следующие преимущества по сравнению с металлическими сплавами и КМ на металлической основе:

механические свойства – высокая удельная прочность (1,2 …2,2по сравнению с 2,25…4,8 для КМ на металлической основе); высокая усталостная прочность; хорошие антифрикционные и амортизационные свойства;

химические свойства – высокая химическая стойкость;

технологические свойства – хорошая обрабатываемость;

экономические свойства – дешёвые исходные материалы.

Общими недостатками КМ на полимерной основе являются: резкая потеря прочности при температурах выше 100…200۫ С, горючесть, отсутствие способности к сварке. Механические свойства волокнитов указаны в табл. 2.

Родоначальниками КМ на полимерной основе являются стеловолкниты. По удельной прочности они превосходят легированные стали, сплавы алюминия, магния, титана. В ДВС на ряде зарубежных автомобильных фирм из стекловолокнитов изготавливают разнообразные детали: детали топливно-подающей системы (фирма Zeta), крыльчатки вентиляторов систем охлаждения, расширительные бачки радиаторов (Ford), головки цилиндров, бензиновые баки (BMV, Du Pont). 

Таблица 2. Свойства однонаправленных КМ на неметаллической основе