Композиционные материалы - материалы, представляющие собой гетерогенные, термодинамически неравновесные
системы, состоящие из двух или более компонентов, отличающихся по хим. составу,
физ--механич. свойствам и разделённых в материале чётко выраженной границей.
Каждый из компонентов вводится в состав К. м., чтобы придать ему требуемые свойства,
к-рыми не обладает каждый из компонентов в отдельности. Комбинируя объёмное
соотношение компонентов, можно получать материалы с требуемыми характеристиками:
прочностными, радиопрозрачными, диэлектрическими, магнитными и др.
В большинстве случаев компоненты
К. м. различаются по геом. признаку: напр., один из компонентов может быть непрерывным
по всему объёму материала, в этом случае он наз. матричным или матрицей. Компонент
же, являющийся прерывистым, разъединённым в объёме материала, наз. армирующим
или наполнителем. Деление компонентов на матричный и армирующий не имеет смысла,
если оба компонента равнозначны по геом. размерам и форме (например, для слоистых
К. м., состоящих из чередующихся слоев двух или более компонентов). Типичным
примером К. м. является железобетон, в к-ром высокая прочность на сжатие бетона
сочетается с прочностью на растяжение железных прутьев.
Табл. 2. - Некоторые свойства конструкционных материалов *
Конструкционные
материалы |
||||||||
Физ. свойства |
Боралюми-ний |
Бормагний |
Углеалю-миний |
Борпластик |
Угле-пластик |
Стеклопластик |
||
Прочность, 102
МПа .......... |
12,0- |
12,0- |
9,5- |
12, 0- |
12. 0 - |
2,8- |
||
|
16,0 |
15,0 |
12,0 |
14,0 |
16,0 |
4,3 |
||
йодуль упругости,
ГПа ........ |
220-230 |
220-230 |
140-280 |
220 - 250 |
160-190 |
13-19 |
||
Плотность, г/см3
............ |
2,60 |
2,20 |
2,30-2,40 |
2,00 |
1,35 - 1,60 |
1,45 - 1,95 |
||
гСоэф. термич.
расширения, град . . . |
5,0-5,6 |
5,2-5,8 |
6,8 - 7,6 |
3,8 - 4, 2 |
-1,75-+0, 1 |
4,8-6,2 |
||
Теплопроводность,
Вт/М-Град ..... |
82-87 |
66-72 |
102-108 |
0,45 - 0,55 |
0,48-0,58 |
0,26 - 0,36 |
||
Теплоёмкость, кЦж/кг-град
...... |
0,92-1,02 |
0,95-1,05 |
0,84-0,9 |
1,04-1,30 |
0,92-1,30 |
0, 70 - 1,20 |
||
* При содержании волокон - 50% объёма, прочность и модуль упругости -в направлении волокон, теплофиз. свойства - при 20 °С.
Интенсивное развитие конструкционных
К. м. началось в 1960-х гг., когда благодаря успехам хим. технологии появились
высокопрочные и высокомодульные (обладающие высокими модулями упругости) волокна:
борные, углеродные, карбидокремниевые, оксидные, органич. волокна, нитевидные
монокристаллы и др. Свойства нек-рых видов волокон и армированных ими материалов
приведены в табл. 1 и 2. Высокая прочность волокон объясняется их малым диаметром,
т. к. вероятность того, что волокно содержит дефекты, способные вызвать хрупкое
разрушение, падает с уменьшением его поперечного сечения. Нитевидные же монокристаллы,
или "усы", имеющие практически совершенную, бездефектную структуру,
обладают прочностью, близкой к теоретической. Для реализации в К. м. свойств
волокон или иных дискретных компонентов, напр. порошков, служит матрица, к-рая
объединяет все компоненты К. м., защищает волокна от внеш. воздействий, способствует
равномерному распределению нагрузок между отд. волокнами и позволяет создавать
детали требуемой формы и размеров.
Рис. 1. Типы армирующих
компонентов: порошковые (а), дискретные (б) и непрерывные (в) волокна.
К. м. различают по природе
компонентов, обычно матрицы, по геометрии армирующих компонентов, по расположению
компонентов (схеме армирования). По природе матричного компонента К. м. разделяют
на металлические, полимерные и К. м. с матрицей из неорганич. элементов или
соединений (углерод, оксиды, карбиды, бориды и т. п.). По геометрии армирующих
компонентов К. м. делятся на порошковые, в
к-рых используются наполнители в виде дисперсных порошков или гранул (рис. 1,
а), волокнистые, армированные непрерывными или дискретными волокнами (рис. 1,
б и в), в т. ч. нитевидными монокристаллами, и слоистые (пластинчатые).
В зависимости от расположения армирующего компонента в материале К. м. могут
быть изотропными или квазиизотрогшыми (порошковые, дисперсно-упрочнённые, хаотично
армированные дискретными частицами игольчатой формы) и анизотропными (волокнистые
или слоистые, в к-рых армирующие компоненты ориентированы в определ. направлениях).
К композиционным относятся также материалы, получаемые направленной кристаллизацией
сплавов автектич. состава. Такие К. м. более стабильны при нагреве в силу равновесных
условий кристаллизации составляющих компонентов, к-рые являются фазами одного
исходного расплава.
Методы получения К. м.
Осн. фактором, определяющим выбор метода получения К. м., является технол. совместимость
компонентов, т. к. возможно разупрочнение волокон в результате хим. взаимодействия
с матрицей в процессе изготовления К. м., а также их механич. повреждение. Наиб.
часто используются технол. процессы: жидкофазные (пропитка волокнистой или порошковой
арматуры полимерной или жидкометаллич. матрицей, направленная кристаллизация
эвтектик); твердофазные (прессование, прокатка, экструзия, штамповка, диффуз.
сварка и др.); осаждение матричного компонента на волокнах из парогазовой фазы,
из растворов солей, плазменное напыление или эл--хим. методы и др.; комбинированные
методы, напр, плазменное напыление с последующим уплотнением диффузионной сваркой.
Если выбор армирующего
компонента определяется назначением К. м., то в выборе матричного материала
руководствуются гл. обр. уровнем рабочих температур. В К. м., подвергающихся нагреву
не выше 150- 200 СС, используется в основном полимерная матрица -
термореактивные и термопластичные смолы; полиимидные смолы выдерживают длит.
нагрев до 300 СС. При более высоких темп-pax используются К. м. с
металлич. матрицей: до ~400 °С - с алюминиевой матрицей, до ~700 °С
- с титановой, до ~1200°С - с никелевой или хромовой матрицей. Для рабочих
температур выше 1200 °С рекомендуются керампч. матрицы. Металлич. К. м. помимо
высокой теплостойкости обладают рядом др. преимуществ: более высокой трансверсальной
(в поперечном относительно волокон направлении) и сдвиговой прочностью, обусловленной
более высокими прочностью, ударной вязкостью, тепло- и электропроводностью,
свариваемостью и др. свойствами металлич. сплавов. Выбор компонентов высокотемпературных
К. м. ограничивается и их совместимостью, т. к. при изготовлении или длит. работе
в результате диффуз. процессов на границе раздела компонентов возможно образование
хрупких прослоек в виде интерметаллидов и др. соединений, резко снижающих свойства
К. м.
Свойства К. м. Тепло- и
электропроводность, дизлектрич. и магн. проницаемости К. м. определяются соответствующими
характеристиками компонентов с учётом их объёмного соотношения и структурных
особенностей, а для анизотропных волокнистых К. м.- и направлением армирования.
Эти характеристики с точностью, достаточной для практич. целей, могут быть вычислены
по правилу аддитивности. Тому же правилу подчиняется и коэф. термич. расширения
в соответствии с модулями упругости компонентов, что позволяет проектировать
материал с заранее заданными свойствами. Напр., введение углеродных волокон
в алюминиевые сплавы позволяет снизить их коэф. термич. расширения в неск. раз
(в направлении волокон), а металлич. волокон в керамич. матрицу - существенно
повысить её теплопроводность; металлонаполненные полимеры приобретают магн.
свойства, высокую тепло- и электропроводность и т. д.
Прочность и жёсткость К.
м. определяются гл. обр. свойствами высокопрочных и высокомодульных волокон,
однако роль матрицы также существенна. При нагружении пучка несвязанных между
собой волокон разрушение единичного волокна приводит к перегрузке остальных.
Если же волокна находятся в вязкой матрице, то пластич. или упругая деформация
матрицы вблизи места разрыва вызывает сдвиговые напряжения, к-рые постепенно
увеличивают нагружение разорванных фрагментов волокна. Вследствие такого перераспределения
напряжений через матрицу К. м. способен выдерживать значительно большие напряжения,
чем такой же комплекс волокон в отсутствие матрицы. Естественно, что для перераспределения
нагрузки путём сдвиговых напряжений необходимо в процессе изготовления К. м.
обеспечить прочную связь между волокном и матрицей, в противном случае происходит
выдёргивание концов разорвавшихся волокон из матрицы и неполная реализация их
прочности. Эффективность упрочения дискретными волокнами всегда несколько ниже.
Поскольку нагрузка от матрицы на волокно передаётся посредством сдвиговых усилий,
площадь поверхности волокон, т. е. отношение длины к диаметру, должна быть велика;
для большинства К. м. критич. отношение длины к диаметру волокна, при к-ром
оно получает нагрузку, способную его разорвать, равно 100 : 1.
Прочность при растяжении
однонаправленного К. м. с непрерывными волокнами может быть оценена по ф-ле
где
- прочность волокон,
- напряжения в матрице в момент разрушения волокон, Vf - объёмная
доля волокон в К. м. Для более точного расчёта прочности необходимо в эту ф-лу
ввести ряд коэф., учитывающих дисперсию прочности волокон, их частичную разориентацию,
наличие внутр. напряжений, пористости матрицы и др. Упрочняющий эффект волокон
в К. м. проявляется лишь при содержании их не менее нек-рого значения Vкp;
при V<Vкp роль волокон аналогична дефектам в матрице, приводящим
к снижению прочности в соответствии с ур-нием
=
=
(1 -Vf). Модуль упругости (модуль Юнга) в направлении волокон рассчитывается по правилу
аддитивности:
где Еf и
Ет - модули упругости волокна и матрицы соответственно. Модуль
упругости в поперечном направлении в предположении равенства и однородности
напряжений в матрице и волокнах определяется выражением
Особенностью К. м. является также большое сопротивление распространению усталостной трещины при знакопеременных или пульсирующих нагрузках, что характерно для волокнистых структур. Обычно в К. м. трещина усталости, достигнув границы раздела компонентов, развивается нек-рое время вдоль неё, затем перерезает очередное волокно в его слабом участке и т. д.; это приводит к диссипации напряжений в устье трещины и замедлению её распространения. Напр., предел выносливости боралюминиевого К. м. ок. 600 МПа при числе циклов 2-107 , в то время как для высокопрочных конструкц. алюминиевых сплавов он составляет прибл. 100 МПа. Поэтому К. м. позволяют значительно повысить надёжность и долговечность конструкций. Армирование борными и углеродными волокнами повышает также уровень рабочих температур сплавов Аl с 250 до прибл. 400° С (рис. 2). Применение К. м. Используются
Рис. 2. Зависимости прочности
от температуры для сплавов А1 (1) и композиционных материалов - уг-леалюминия
(2) и бор-алюминия (3).
К. м. в разл. отраслях
техники: боралюминий и углепла-стики - в авиац. и космич. технике (элементы
силового набора крыла и фюзеляжа летат. аппаратов, створки, обтекатели, закрылки,
рули), в ядерной и криогенной технике, хим. машиностроении, где необходимы корроз.
радиационная стойкость, низкие коэф. термич. расширения и др.; стеклопластики
- в судостроении (корпуса катеров и яхт), приборостроении (корпуса приборов),
автомобилестроении и т. д.; полимерные К. м. с наполнителем из борсодер-жащих
соединений - для защиты от нейтронного излучения, а с наполнителями, содержащими
тяжёлые элементы,- для защиты от -излучения;
металлоке-рамич. порошковые К. м.- в качестве тепловыделяющих элементов, регулирующих
стержней и замедлителей в реакторостроении, в качестве электрич. контактов,
сварочных электродов, деталей узлов трения и др.; порошковые дисперсно-упрочнённые
К. м.- в деталях авиац. двигателей.
С. Е. Салибеков
|
![]() |