Лекция 8. Области применения МКМ

МКМ все чаще применяют в таких областях современной техники, где они должны работать при низких, высоких и сверхвысоких температурах, в агрессивных средах, при статических, циклических, ударных, вибрационных и других нагрузках. Наиболее эффективно применение МКМ в таких конструкциях, особые условия работы которых не допускают применения традиционных металлических материалов.

В настоящее время особое внимание уделяется боралюминию как одному из первых материалов, определяющих возможность применения МКМ в авиационно-космических конструкциях.

Например, по зарубежным данным известно, что применение боралюминия в планере самолета F-106A (М-2) позволило снизить его массу с 3860 до 2990 кг, т.е. на 23 %, и увеличить за счет этого на 115 % полезную нагрузку без уменьшения скорости и дальности полета.

Первый отечественный МКМ этого типа (ВКА-1), разработанный в ВИАМе, был получен с помощью диффузионной сварки. Предел прочности и модуль упругости боралюминия ВКА-1 при объемном содержании волокон бора 50 % с прочностью волокон 2500 МПа составляют соответственно 1100 МПа и 260 ГПа.

Боралюминий практически сохраняет свои высокие прочностные и упругие свойства до температур 673...773 К. Существенно расширить рабочую температуру боралюминиевых материалов можно, используя волокна из борсика (волокна бора с нанесенным защитным покрытием карбида кремния).

Об эффективности применения МКМ в авиационной технике можно судить на примере их использования в конструкции самолета ИЛ-62, что может обеспечить снижение взлетной массы самолета при сохранении летных характеристик на 17%, увеличение дальности полета на 15% и увеличение полезной нагрузки нa 20 %.

Применение боралюминиевых композиций эффективно в космических летательных аппаратах, узлах конструкций, подвергающихся нагреву, в герметических кабинах, для элементов жесткости панелей, кожухов, юбок ракетного двигателя, соединительных отсеков ступеней баллистических ракет.

Легкие МКМ с алюминиевой матрицей, армированной углеродными высокомодульными волокнами, хотя и обладают пределом прочности немногим выше предела прочности лучших промышленных алюминиевых сплавов, однако имеют значительно более высокий модуль упругости (140...160 вместо 70 ГПа) при меньшей плотности (2300 вместо 2750 кг/м³). Особенно велика разница в удельной жесткости, которая у углеалюминиевой композиции в 2,5 раза выше, чем у стандартных сплавов. Углеалюминий отличается высокой усталостной прочностью, которая находится на уровне усталостной прочности титана и легированных сталей. Он обладает также малым коэффициентом температурного расширения при изменении температуры в интервале 293...673 К. Указанные свойства дают основание конструкторам использовать материалы в опытных конструкциях таких высоконагруженных деталей, как корпус и сопловые лопатки турбин двигателей самолетов, вертолетов и ракет.

Углеродные волокна используют также в композиции с медными, свинцовыми, цинковыми матрицами в изделиях различного назначения, для которых требуется высокая износостойкость, малый коэффициент трения, высокая электропроводность, хорошая термостабильность и способность сохранять высокие прочностные и упругие свойства при нагреве. Армирование свинца углеродными волокнами дает возможность получить МКМ с пределом прочности и модулем упругости более чем в 10 раз выше, чем у неармированного свинца. Это позволяет использовать углесвинец как конструкционный материал для оборудования и аппаратуры, обладающей высокой стойкостью в агрессивных средах, способностью подавлять звуковые колебания, поглощать гамма-излучение и выполнять другие функции.

Для изготовления подшипников, работающих без смазки, успешно опробован антифрикционный МКМ на основе свинца, армированного проволокой из нержавеющей стали или оловянистой бронзы.

Введение арматуры из вольфрама или молибдена в медную и серебряную матрицу позволяет получить износостойкие электрические контакты для сверхмощных высоковольтных выключателей.

МКМ на основе никеля и хрома, армированные нитевидными кристаллами оксида алюминия Аl₂О₃, а также композиции, в которых матрица изготавливается из жаропрочных сплавов, а арматура из высокопрочных тугоплавких волокон, перспективны для изготовления жаропрочных деталей газотурбинных двигателей.

Специалистами научно-исследовательского центра NASA (США) показана эффективность применения МКМ, полученного методом электролитического осаждения для изготовления камеры высокого давления жидкостного ракетного двигателя. Высокопрочную стальную проволоку наматывали на цилиндрическую оправку с шагом, равным диаметру проволоки, после чего осаждали плотный, беспористый слой никеля. Испытания показали, что усиление стальной проволокой повышает прочность цилиндра не менее чем на 50 %.

Области применения МКМ практически неограничены. К настоящему времени работы в области создания конструкций из них вышли далеко за рамки чисто научных исследований и в ближайшие годы следует ждать их широкого внедрения.

Дата добавления: 2014-01-20