Композиционные материалы

К новым конструкционным материалам, которые по удельной прочности и жесткости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят известные конструкционные металлы и сплавы относятся, так называемые композиционные материалы (КМ), или, иначе, композиты (рис 1.1).

Рис. 1.1. Удельная прочность и удельный модуль упругости некоторых неармированных и композиционных материалов, армированных 50 об. %волокон:

1 – алюминий; 2 – титан и сталь; 3 – титан, армированный бериллиевой проволокой; 4 – титан, армированный волокнами SiC; 5 – титан, армированный волокнами борсика; 6 – алюминий, армированный борными волокнами; 7 – эпоксидная смола, армированная волокнами графита; 8 – эпоксидная смола, армированная борными волокнами.

KM - это искусственно созданный материал, состоящий из двух или более разнородных и нерастворимых друг в друге компонентов (фаз), разделённых между собой ярко выраженной границей, и обладающий достоинством компонентов, а не их недостатками. Вместе с тем КМ присущи свойства, которыми не обладают отдельно взятые компоненты, входящие в их состав.

В общем случае в KM четко выражено различие в свойствах - компонентов. Одним из этих компонентов является арматура или наполнитель, а вторым - связывающая их матрица.

Принципиальное значение замены металлов как традиционных конструкционных материалов на КМ состоит в том. что вместо ограниченного числа материалов с постоянным и практически равными во всехнаправлениях свойствами появляется возможность применять большое число новых материалов со свойствами, различающимися в различных направлениях в зависимости от направления ориентации наполнителя в материале (анизотропия свойств КМ). Более того. это различие свойств КМ является регулируемым и у конструктора появляется возможность направленно создавать КМ под конкретную конструкцию в соответствии с действующими нагрузками или даже с эпюрой напряжений в детали и особенностями ее эксплуатации. Поэтому правильно спроектированная и хорошо изготовленная конструкция из КМ может быть более совершенной, чем выполненная из металлов. Само создание изделий из КМ является примером единства конструкции и технологии, поскольку материал, спроектированный конструктором, образуется одновременно с изделием при его изготовлении и свойства КМ в значительной степени зависят от параметров технологического процесса.

Следует отметить, что дальнейшее развитие ряда областей новой техники и, в первую очередь, в авиационной, космической, судостроительной и др., связано, во многом, с разработкой принципиально новых материалов, одним из которых являются КМ. Перспективность использования КМ объясняется, с одной стороны, тем, что традиционные пути повышения механических свойств конструкционных материалов и сплавов в значительной степени исчерпаны и, с другой стороны требованиями высокой весовой эффективности материала, т.е. высокими значениями удельной прочности и удельной жёсткости, под которыми понимают отношение предела прочности s в и модуля упругости Е к плотности (s в/ r, Е / r).

Стоит обратить внимание на то, что удельная жёсткость (Е / r) у большинства материалов [Fe (сталь),Ti, Al, Mg и др.] и дерева примерно одинаковы (~ 2700) этим можно объяснить многолетнюю конкуренцию между авиационными конструкциями из стали, алюминия, титана и дерева.

Создание конструкции с сочетанием лучших свойств этих материалов может быть реализовано, наиболее полно, в разработке новых композиционных материалов.

Вместе с тем специфика КМ, в частности их низкая прочность и жесткость при сдвиге, требует внимательного отношения к конструктивно-технологической обработке конструкции: расчету сложных многослойных систем, сохранению в изделии высоких прочностных свойств армирующих волокон, получению стабильных характеристик КМ.

КМ получают общее название по типу материала матрицы. КМ с полимерной матрицей называют полимерными (ПКМ), с металлической - металлическими (МКМ), с керамической - керамическими (ККМ), с углеродной - углерод - углеродными (УУКМ).

В качестве матрицы в КМ используют эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные и другие смолы, соответственно алюминий, магний, титан, никель, жаропрочные сплавы и другие металлы, а также керамику и углерод различной модификации.

Матрица в КМ выполняет функцию среды, в которой распределен наполнитель. Податливая матрица, заполняющая межволоконное пространство, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счет собственной жесткости и взаимодействия, существующего на границе раздела матрица-волокно.

Наполнитель в КМ воспринимает основные напряжения, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, придавая ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. Арматура в КМ может быть любой природы и иметь любую форму поверхности – непрерывные и дискретные волокна, чешуйки, микросферы, порошки и т.п. В современной технике наиболее широко применяют непрерывные высокомодульные, высокопрочные волокна, которые обеспечивают наиболее высокие механические характеристики получаемого КМ- Чаще всего используют стеклянные, органические, углеродные, борные и различные металлические волокна.

Работоспособность композита обеспечивается как правильным набором и сочетанием матрицы и наполнителя, так и рациональной технологией их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между ними.

Матрица, являясь основой, связывает композицию, придаёт ей форму. От свойств матрицы в значительной степени зависят технологические режимы получения композиционных материалов и такие важные эксплуатационные характеристики как рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению, воздействию окружающей среды, плотность и удельная прочность. В настоящее время созданы КМ с комбинированными матрицами, состоящими из чередующихся слоёв (двух или более) различного химического состава.

КМ скомбинированными матрицами называют полиматричными (рис 1.2, а). Для полиматричных материалов характерен более обширный перечень полезных свойств. Например, использование в качестве матрицы наряду с алюминием титана увеличивает прочность материала в направлении, перпендикулярном оси волокон. Алюминиевые слои в матрице способствуют уменьшению плотности материала.

Рис. 1.2. Схемы полиматричного (а) и полиармированного (б) композиционных материалов

В матрице равномерно распределены остальные компоненты (наполнители). Поскольку главную роль в упрочнении композиционных материалов играют наполнители, их часто называют упрочнителями. Упрочнители должны обладать высокими прочностью, твёрдостью и модулем упругости. По этим свойствам они значительно превосходят матрицу. С увеличением модуля упругости и временного сопротивления наполнителя повышаются соответствующие свойства КМ, хотя они и не достигают характеристик наполнителя. Наполнители называют ещё армирующими компонентами. Это более широкое понятие, чем «упрочнитель». Оно не конкретизирует роль наполнителя и поэтому показывает, что наполнитель вводится в матрицу для изменения не только прочности, но и других свойств.

Свойства КМ зависят также от формы или геометрии, размера, количества и характера распределения наполнителя (схемы армирования).

По форме наполнители разделяют на три основные группы (рис. 1.3, а): нуль – мерные (1), одномерные (2),двумерные (3).

Рис. 1.3.Классификация композиционных материалов по форме наполнителя (а) и схемы армирования (б,в,г).

Нуль – мерными называют наполнители, имеющие в трёх измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы). Одномерные наполнители имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в третьем измерении (волокна). Двумерные наполнители имеют два размера, соизмеримые с размером КМ, значительно превосходящие третий (пластины, ткань).

По форме наполнителя КМ разделяют на дисперсно – упрочнённые и волокнистые. Дисперсно – упрочнёнными называют КМ, упрочнённые нуль – мерными наполнителями. К волокнистым относят КМ, упрочнённые одномерными или одномерными и двумерными наполнителями.

По схеме армирования КМ подразделяют на три группы: с одноосным, двухосным и трёхосным армированием (см. рис. 1.3, б – г).

Для одноосного (линейного) армирования используют нуль – мерные и одномерные наполнители (см. рис. 1.3, б). Нуль – мерные располагаются так, что расстояние между ними по одной оси (например по оси C) значительно меньше, чем по двум другим. В этом случае объёмное содержание наполнителя составляет 1–5 %. Одноименные наполнители располагаются параллельно друг другу.

При двухосном (плоском) армировании используют нуль-, одно- и двумерные наполнители (см. рис. 1.3, в). Нуль – мерные и одномерные наполнители располагаются в плоскостях, параллельных друг другу. При этом расстояние между ними в пределах плоскости значительно меньше, чем между плоскостями. При таком расположении нуль – мерного наполнителя его содержание доходит до 15 –16 %. Одномерные наполнители расположены также в параллельных плоскостях. При этом в пределах каждой плоскости они расположены параллельно, а по отношению к другим плоскостям под разными углами. Двумерные наполнители расположены параллельно друг другу.

При трёхосном (объёмном) армировании нет преимущественного направления в распределении наполнителя. Для армирования используют нуль – мерные и одномерные наполнители (см. рис. 1.3, г). Расстояние между нуль – мерными наполнителями одного порядка. В этом случае их объёмное содержание может превышать 15 – 16 %. Одномерные наполнители помещают в трёх взаимно перпендикулярных плоскостях.

Для расширения комплекса свойств или усиления какого-либо свойства при армировании КМ одновременно используют наполнители различной формы. Например, для увеличения прочности связи между одномерными наполнителями (стеклянным или углеродным волокном) и полимерной матрицей в неё вводят нуль – мерный наполнитель (частицы асбеста, карбида кремния и др.). С этой же целью применяют армирование наполнителями одной формы, но разного состава. Так, для повышения модуля упругости КМ с полимерной матрицей, армированной стеклянным волокном, дополнительно вводят волокна бора.

КМ, которые содержат два и более различных наполнителя, называют полиармированными (см. рис.1.2, б).

Как было отмечено ранее, что все КМ по форме наполнителя разделяют на дисперсно–упрочнённые и волокнистые. К первым относятся материалы упрочнённые нуль – мерными наполнителями, представляющие собой дисперсные частицы тугоплавких фаз-оксидов, нитридов, боридов, карбидов (Al2O3, SiO2, BN, SiC и др.). к достоинствам тугоплавких соединений относятся высокие значения модуля упругости (Е), низкая плотность (r), пассивность к взаимодействию с материалами матрицы и другими свойствами.

Уровень прочности КМ во многом зависит от объёмного содержания упрочняющей фазы, равномерности её распределения, степени дисперсности и расстоянии между частицами. Согласно формуле Орована, сопротивление сдвигу увеличивается с уменьшением расстояния между частицами:

s = G b / l,

где G – модуль сдвига, b – межатомное расстояние, l – расстояние между частицами.

Приемущество дисперсно–упрочнённых МКМ по сравнению с волокнистыми – изотропность (равнопрочность во всех направлениях).

К дисперсно-упрочнённым МКМ на алюминиевой основе, нашедшим промышленное применение, относятся материалы из спечённой алюминиевой пудры (САП). Структура САП представляет собой алюминиевую основу с равномерно распределёнными дисперсными включениями Al2O3 с увеличением содержания Al2O3 повышается прочность, твёрдость, жаропрочность, и уменьшается пластичность (рис.1.4)

δ, % σ _в, σ ₁³₀⁰₀⁰, МПа

НВ

σ _в

35 – 350 - - 1400

- 1200

25 – 250 - НВ - 1000

σ ₁³₀⁰₀⁰ - 800

15 – 150 - - 600

- 400

5 – 50 - δ - 200

0 2 4 6 8 Al₂O₃ %

Рис. 1.4. Зависимость механических свойств САП от содержания Al₂O₃.

Из МКМ САП производят все виды полуфабрикатов: листы, профили, штампованные заготовки, трубы, фольгу. САП используют для деталей, работающих при температурах 300 – 500°С, от которых требуется высокая удельная прочность и коррозионная стойкость (поршневые штоки, лопатки компрессоров, лопасти вентиляторов и турбин).

В волокнистых композиционных материалах (ВКМ) упрочнителями служат волокна (В), или нитевидные кристаллы (НК) чистых элементов или тугоплавких соединений (В, С, Al2O3, SiC, и др.), а также проволока из металлов и сплавов (Мо, W, Ве, высокопрочная сталь и др.). Для армирования КМ используют непрерывные и дискретные волокна диаметром от долей до сотен миллиметров.

При упрочнении волокнами конечной длины нагрузка на них передается через матрицу за счёт касательных напряжений. В условиях прочного (без проскальзывания) соединения волокна с матрицей нагрузка на волокна при растяжении равна:

s = t × p d l,

где τ – касательное напряжение, возникающее в матрице в месте контакта с волокнами; d – диаметр волокна; l – длина волокна. С увеличением длины волокна увеличивается возникающее в нём напряжение. при определённой длине, названной критической (l кр), напряжение достигает максимума. В дальнейшем с увеличением длины оно не меняется. Длина l кр определяется из равенства усилий в матрице на границе с волокном и в волокне с учётом симметричного распределения напряжений в нём:

τ π d l кр / 2 ═ σ_вπ d² /4;

следовательно l _кр = σ _в d /(2 τ); далее выразим это уравнение через отношение:

l _кр / d = σ _в /(2 τ).

Из этого выражения следует, что чем тоньше и длиннее волокно, а точнее, чем больше отношение длины к диаметру, тем выше степень упрочнения σ _в ^КМ / σ _в ^В(КМ).

Свойства ВКМ в основном зависят от схемы армирования (рис. 1.5).

1 2 10^˚ 3 4 45^˚ 5

σ ,МПа

Рис.1.5.Схема армирования (1-5)

1 КМ и их влияние на напряжения

750 - при растяжении ПКМ.

3

500 -

2

250 -

5 4

0 0,4 0,8 ε,%

В виду значительного различия в свойствах волокон и матрицы при однородном армировании физическим и химическим свойствам присуща анизотропия. При нагружении растяжением временное сопротивление и модуль упругости КМ достигают наибольших значений в направлении расположения волокон, наименьших – в поперечном направлении.

Анизотропия свойств практически не наблюдается при двухосном армировании с взаимно перпендикулярным расположением упрочняющих волокон (рис. 1.5, кривая 3).

При нагружении материала растяжением вдоль волокон, - нагрузку, в основном, воспринимают высокопрочные волокна, а матрица служит средой для передачи усилий. Соотношение нагрузки, воспринимаемой волокнами (Р ^В) и матрицей (Р ^М), выражают через возникающие в них напряжения, соответственно σ ^в и σ ^м:

Р ^в / Р ^м = σ ^в V ^в /[ σ ^м (1- V ^в)],

где V ^в – объём волокон.

Согласно закону Гука, напряжение можно выразить через модуль упругости, тогда:

Р ^в / Р ^м = Е ^в ε ^в V ^в / [ E ^м ε ^м (1- V ^в)].

При условии прочного (без проскальзывания) соединения волокон с матрицей в момент приложения нагрузки в них возникает одинаковая деформация, т.е. ε ^в = ε ^м. Следовательно:

Р ^в / Р ^м= Е ^в V ^в / [ E ^м (1- V ^в)],

т.е. чем выше модуль упругости волокна Е ^в и больше их объём, тем в большей степени они воспринимают приложенную нагрузку.

Модуль упругости КМ сравнительно достоверно может быть подсчитан, исходя из свойств и объёмного содержания волокон и матрицы:

E ^км = Е ^в V ^в +E ^м (1- V ^в).

Временное сопротивление КМ изменяется в зависимости от объёмного содержания наполнителя также по закону аддитивности (рис. 1.6.). исключение составляют материалы с очень малым (< 5%) или очень большим (> 80%) содержанием волокон.

σ _в ^КМ

σ _в ^В

Рис.1.6. Схема изменения прочности

ВКМ в зависимости от содержания

σ _в ^М волокон

5 80 V^B,%

Временное сопротивление КМ подсчитывают по формуле:

σ _в ^км = σ _в ^в V ^в + σ _в ^м(1- V ^в),

где σ _в ^в и σ _в ^м – соответственно временное сопротивление волокна и матрицы.

Малые значения прочности и жёсткости КМ в направлении, перпендикулярном расположению волокон, при растяжении объясняется тем, что в этом случае, они определяются свойствами матрицы. Большую роль играет матрица в сопротивлении КМ усталостному разрушению, которое начинается с

матрицы. Гетерогенная структура поверхности раздела между волокном и матрицей затрудняет процесс распространения трещины в направлении, перпендикулярном оси волокон. В связи с этим КМ характеризуются высокими значения предела выносливости. Так, по пределу выносливости, МКМ на алюминиевой основе превосходят лучшие алюминиевые сплавы в 3 – 4 раза.

Дата добавления: 2014-01-20