Полимерные композиционные материалы

Матрица в армированных композициях придает изделию форму и монолитность. Объединяя в единое целое многочисленные волокна, матрица должна позволять композиции воспринимать различного

ТРЕБОВАНИЯ К МАТРИЦЕ

Таблица 4.1 - Волокна, применяемые для армирования

Тип волокон	СВОЙСТВА
Температура плавления, Т°С	Плотность g, г/см^3	Предел прочности, s, МПа
Неорганические поликристаллические волокна	Борные		2,63
Углеродные		1,7
SiC		3,21	300 - 400
Al2O3		3,96	210 - 260
ZrO		6,27	240 - 270
Стекло		2,5	-
Металлическая проволока	Be		1,84	100 – 130
W		19,3
Сталь		7,83	360 - 400
Ti		4,5	150 - 200
Нитевидные кристаллы	Al2O3		3,96
AlN		3,3
SiC		3,21
SiN		3,18

рода внешние нагрузки - растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг и т.д. В то же время она принимает участие в создании несущей способности композиции, обеспечивая передачу усилий на волокна. За счет пластичности матрицы усилия от разрушенных или дискретных волокон передаются соседним волокнам, а концентрация напряжения вблизи различного рода дефектов уменьшается. Матрице отводится и роль защитного покрытия, предохраняющего волокна от механических повреждений и окисления.

Кроме того, матрица должна обеспечивать прочность и жесткость конструкции при действии растягивающей или сжимающей нагрузки в направлении, перпендикулярном к армирующим элементам. Если растягивающая нагрузка направлена по оси параллельных между собой волокон, то для получения эффекта упрочнения предельное относительное удлинение матрицы, как минимум, должно быть равно относительному удлинению волокон. Если же нагрузка перпендикулярна к оси волокон, то это оказывается недостаточным.

Чем пластичнее матрица, тем меньше допускается толщина прослойки матрицы между волокнами и тем больше волокон может быть введено в КМ.

Т.о., основные требования к матрице можно сформулировать следующим образом:

o матрица должна придавать изделию форму и делать его монолитным;

o воспринимать внешние нагрузки;

o обеспечивать передачу усилий на волокна;

o служить защитным покрытием, предохраняющим волокна от механических воздействий и окисления;

o обеспечивать прочность и жесткость системы.

Для обеспечения прочности сцепления между матрицей и волокнами необходимо некоторое взаимодействие между матрицей и волокнами. Для металлических композиционных материалов 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 в металлических композиционных материалах на неметаллической основе осуществляется с помощью адгезии. Плохой адгезией к матрице обладают высокопрочные борные, углеродные, керамические волокна. Улучшение сцепления достигается травлением, поверхностной обработкой волокон.

В зависимости от условий эксплуатации (в первую очередь от рабочих температур) используются различные матричные материалы, которые будут более подробно рассмотрены при изучении различных видов КМ.

4.2 МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

МКМ представляют собой такие материалы, в которых матрицей выступают металлы и их сплавы, а арматурой - металлические и неметаллические волокна.

В МКМ конструкционного назначения армирующие элементы (нитевидные кристаллы, поликристаллические и аморфные неметаллические волокна, металлические проволоки) воспринимают нагрузку, а металлическая матрица передает нагрузку волокнам и распределяет ее между ними. Поэтому механические свойства МКМ зависят, прежде всего, от свойств волокон.

МАТРИЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Выбор матричного материала определяется требованиями совместимости его с материалом арматуры, а также технологическими и эксплуатационными характеристиками. СОВМЕСТИМОСТЬЮ называют способность арматуры сохранять форму и структуру, а, следовательно, и высокую прочность, как в процессе изготовления МКМ, так и в условиях его эксплуатации. Наиболее остро проблема совместимости возникает в МКМ, где арматурой служат металлические волокна, т.к. они подвержены химическому взаимодействию с матрицей и взаимной диффузии. Эти явления могут привести к растворению и рекристаллизации волокон, возникновению хрупких фаз на границе раздела волокно - матрица и, как следствие, к разупрочнению арматуры и материала в целом.

К технологическим требованиям относят способность компонентов материала, и в первую очередь матрицы, подвергаться тому или иному виду пластической деформации, литья, порошковой металлургии и пр.

Эксплуатационные свойства МКМ характеризуются способностью противостоять воздействию внешней среды (температуры, давления, вибрации, коррозии и т.д.).

Поскольку матрица оформляет конфигурацию изделия из МКМ и в большей степени, чем волокна, граничит с внешней средой, при выборе матричного материала необходимо учитывать и его сопротивление рабочим температурам, коррозии, эррозионному износу и т.п.

В качестве матричных материалов при изготовлении МКМ используют промышленные металлы и сплавы, которые уже применяются в различных областях техники, а также новые сплавы, разработанные специально для армирования их тем или иным видом волокон. В зависимости от условий эксплуатации, и в первую очередь от рабочих температур, в МКМ используют следующие матричные материалы:

o легкие металлы и их сплавы (на основе алюминия и магния);

o титан и сплавы на его основе;

o медь и ее сплавы;

o жаростойкие и жаропрочные сплавы на основе железа, никеля и кобальта;

o тугоплавкие металлы и сплавы.

Все перечисленные металлические матрицы по технологическому принципу можно разделить на три больших класса: деформируемые, литейные и порошковые.

К деформируемым алюминиевым сплавам относят не упрочняемые термической обработкой сплавы марок АМц, АМг, АМг3 и др., Основными легирующими элементами являются марганец и магний. Эти сплавы обладают, хорошей пластичностью, коррозионной стойкостью, свариваемостью, но сравнительно небольшой прочностью. Большую группу деформируемых алюминиевых сплавов составляют упрочняемые термической обработкой дюралюмины (Д1, Д16 и др.) и сплавы групп АВ, АК, В95. После термической обработки (закалки и искусственного старения) эти сплавы имеют повышенную механическую прочность.

Из литейных алюминиевых сплавов наиболее распространены силумины, которые обладают хорошими литейными свойствами и в качестве основного легирующего элемента содержат 4 - 13% Si. Однако они малопластичны, имеют низкую ударную вязкость и коррозионную стойкость. Теплостойкость силуминов также невелика.

Весьма перспективны для жаропрочных МКМ на алюминиевой основе матричные материалы типа САП (спеченный алюминиевый порошок), которые представляют собой алюминий, упрочненный дисперсными частицами AL₂O₃. Главное преимущество САП в их высокой жаропрочности. Кроме того, эти материалы хорошо обрабатываются давлением и резанием, обладают высокой коррозионной стойкостью.

Магний и его сплавы выгодно отличаются от других конструкционных материалов низкой плотностью, относительно высокими механическими свойствами, хорошей способностью сопротивляться ударным нагрузкам и вибрациям. Такие деформируемые магниевые сплавы как МА5, МА8-1, технологически пластичны и хорошо обрабатываются давлением. Сплав МА2-1 легко поддается прокатке и всем операциям листовой штамповки: гибке, отбортовке, вытяжке (при нагреве до 250 - 300°С). Кроме того, он хорошо сваривается аргоно-дуговой сваркой.

При 20°С этот сплав обладает прочностью 280 - 290 МПа, а его относительное удлинение составляет 16 -18 %.

Литейные магниевые сплавы, такие как МЛ5, МЛ12, МЛ15, обладают хорошей жидкотекучестью и малой линейной усадкой 1,3 - 1,6%. После термической обработки (старения) они значительно упрочняются. Их обрабатывают методами литья в песчаные формы, в кокиль и под давлением.

Из листовых МКМ наиболее распространены тонкие листы или фольга, получаемые прокаткой.

Титан и его сплавы обладают ценными физико-механическими свойствами. При малой плотности (4,5 г/см³) титановые сплавы могут иметь предел прочности от 500 (для нелегированного титана) до 1500МПа (для сплавов). Технический титан ВТ1 и большинство сплавов титана, например ВТ5, ВТ3, ВТЛ-1, имеют хорошие литейные свойства и применяются для производства фасонных и тонкостенных отливок. Мелкие фасонные отливки (до 15 кг) изготовляют литьем в оболочковые формы из графита.

Титан и его сплавы можно обрабатывать давлением, особенно в горячем состоянии в интервале температур 600 - 1200°С, всеми известными способами.

Медь, имеющая высокую электро- и теплопроводность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью, широко применяется в электротехническом аппаратостроении. В технологическом отношении медь очень удобный металл, так как она хорошо куется, прокатывается в пруток, ленту, фольгу, протягивается в проволоку. Многие медные сплавы обладают хорошими литейными свойствами и их часто используют для получения фасонных отливок методом точного литья.

Из металлических матриц на основе железа, никеля и кобальта при создании МКМ чаще всего применяют окалиностойкие и жаропрочные стали и сплавы. Окалиностойкими (жаростойкими) обычно называют стали и сплавы, обладающие стойкостью против разрушения поверхности в газовых средах при нагревании выше 500°С и работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии (нихромы, сильхромы и т.д.). Армирование таких сплавов тугоплавкими волокнами позволяет резко повысить их жаропрочность и использовать их при температурах на 150 - 200°С выше, чем рабочие температуры неармированных матриц.

Жаропрочные сплавы также обладают значительной окалиностойкостью, но главное их качество - это способность работать в нагруженном состоянии при высоких температурах. Повышенная длительная прочность, высокое сопротивление ползучести и усталости в никелевых сплавах достигается за счет введения Ti и AL, образующих дисперсные упрочняющие фазы, а также при легировании тугоплавкими элементами (W, Mo, Nb), упрочняющими твердый никелевый раствор, и малыми добавками бора, церия и других элементов. Примеры таких сплавов - деформируемые сплавы ЭИ437А, ЭИ437Б, ЭИ617 и др.

Методами порошковой металлургии стало возможно получить МКМ с матрицей из особо тугоплавких металлов - ниобия, вольфрама, молибдена и сплавов на их основе. Чаще всего такие матрицы подвергают дисперсионному упрочнению частицами тугоплавких соединений примерно равноосной формы с размерами в пределах 0,01 - 0,1 мкм. Волокнистыми наполнителями (усами, волокнами тугоплавких соединений) эти матрицы армируют для того, чтобы придать им особые эксплуатационные характеристики - ударопрочность, термостойкость, специальные физические свойства. Создавая такие МКМ, используют матричный материал в виде тонких порошков с размерами 0,1 - 5 мкм, тонкой металлической фольги толщиной 10 – 100 мкм, а также применяют различные методы осаждения матрицы на волокна с последующим уплотнением покрытых волокон горячим прессованием, прокаткой и т.д.

ВИДЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Основными методами получения МКМ являются пластическая деформация, литье и методы порошковой металлургии. При разработке технологий изготовления МКМ следует учитывать природу волокна и матрицы, и в соответствии с этим назначать режимы - температуру, деформацию, время, скорость, среду и т.п. Для всех технологических процессов изготовления МКМ общими являются следующие стадии:

o -очистка поверхности волокон и матрицы (мойка, чистка, сушка);

o -объединение волокон и матрицы (сборка чередующихся слоев матричных элементов и волокон либо приготовление каркаса из волокон в литейной форме под заливку матричным металлом);

o -получение компактных МКМ методами пластической деформации, порошковой металлургии или литья либо комбинацией этих методов.

Как было сказано ранее все МКМ по способу армирования можно разделить на три группы:

1. волокнистые композиционные материалы;

2. слоистые композиционные материалы;

3. дисперсионно - упрочненные композиционные материалы.

Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длины волокна к диаметру примерно равно 10: 1, и с непрерывным волокном, в которых это соотношение равно бесконечности. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные (предел прочности равен 2500-3500 МПа, модуль упругости - 38 - 450 ГПа) и углеродные (предел прочности равен 1400 - 3500 МПа, модуль упругости 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 предел прочности 2500 - 3500 МПа и модуль упругости 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 требуется высокие тепло- и электропроводность. 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 предел прочности 15000 – 28000 МПа и модуль упругости 400 - 600 ГПа.

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность.

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

В настоящее время широко распространены волокнистые металлические композиционные материалы (ВКМ) и слоистые металлические композиционные материалы (СКМ) с никелевой и алюминиевой матрицами. Крайне перспективны МКМ с матрицей из алюминия или сплава Al с 6% Mg и волокнами из бора. Их плотность составляет 2,55 г/см³, модуль упругости примерно в пять раз больше, чем у стали 30ХГСА. Эти композиты широко применяются в аэрокосмической технике, судостроении. Для авиакомпрессоров не менее перспективны композиты с титановой матрицей, армированной волокнами SiC диаметром 60 – 70 мкм с долей волокон 25 - 35%. Типичные для них значения предела прочности около 3000 - 5000 МПа.

К МКМ слоистым и волокнистым относится также большая группа материалов с особыми физическими свойствами:

o высокопрочные композиты с высокой проводимостью (медный провод в оболочке из нержавеющей стали с пределом прочности более 1000 МПа; меднониобиевые провода с пределом прочности до 1950 МПа);

o сверхпроводники (металлические и керамические);

o проводники с контролируемыми свойствами.

Сверхпроводники (СП), работающие при температурах жидкого гелия (4,2 К), представляют собой многоволоконные ВКМ с волокнами из деформируемого сврехпроводящего сплава НТ - 50 (50% Nb + 50% Ti) с диаметром волокон (жил) 6 - 200 мкм и числом жил от 6 до 9000, расположенных в матрице из меди или бронзы. Получают такие СП многократной экструзией “сборок” медных капсул, заполненных стержнями из бронзы, меди и сплава НТ - 50 с последующим волочением экструдированных прутков.

СП для работы при температуре жидкого гелия и жидкого водорода (20,65 К) делают также на основе волокон интерметаллидов типа А₃В (“А” - Nb; “B” - Sn, Ga, Al) в бронзовой или бронзовомедной матрице. Медная оболочка или сердцевина провода повышает его пластичность (стабилизирует проводник). В СП с волокнами из Nb₃Sn диаметр сечения волокон 2 - 2,5 мкм, числом волокон в проводе 14641 - 44521. Получают эти СП также экструзией с последующей термообработкой и волочением.

К композиционным проводникам с управляемыми свойствами можно отнести медно-углеродные ВКМ с медной матрицей и углеродными волокнами, на которые медь наносят электролизом, а также специальную токопроводящую резину. Это эпоксидная резина, усиленная стеклянными волокнами и содержащая, около 1,5% углерода. Она используется для облицовки частей самолетов, склонных к накоплению статического электричества.

В технике высоких температур широко используются естественные волокнистые композиты, так называемые “направленные эвтектики” (НЭ) или “эвтектические композиты” (ЭК).

В отличии от обычных двухфазных эвтектик с неупорядоченным распределением двух фаз в НЭ в результате медленной направленной кристаллизации наблюдается особая структура. Одна из фаз (та, которой меньше) формируется в процессе кристаллизации в виде упорядоченно расположенных вдоль оси теплоотвода непрерывных стержней или полос (пластин). При доле этой фазы < 32% образуются стержни, при > 32% пластины. Другая фаза играет роль матрицы. На роль матрицы выбирают пластичные фазы, а на роль армирующей фазы высокопрочные соединения. Такая армирующая фаза сохраняется уже до температуры солидуса, что существенно повышает температуру службы сплава. В настоящее время наиболее широко используются НЭ с матрицами на основе никеля.

НЭ отличаются от искусственных ВКМ высокой стабильностью при высоких температурах, связанной с хорошей химической совместимостью фаз, образовавшихся в естественных условиях. НЭ сохраняют свою прочность до температур 0,8 - 0,9 Т_пл.

Наряду с направленными эвтектиками к естественным волокнистым композитам относится и один из древнейших волокнистых композитов - булат, или индийский вутц, в котором разноориентированные высокопрочные волокна высокоуглеродистой стали находятся в вязкой малоуглеродистой матрице. При этом особую роль для свойств булата играют переходные зоны между волокнами и матрицей.

СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что, комбинируя соединения из различных видов армирующих волокон и матрицы, а также количественное соотношение матричного материала и материала наполнителя можно изменять различные, как физические, так и механические свойства МКМ.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА:

Плотность. Поскольку композиционные материалы представляют собой механическую смесь двух или более компонентов, их плотность при отсутствии в них пор определяется правилом смеси:

, (4.1)

где rК - плотность композиционного материала;

rВ - плотность волокон;

rМ - плотность матричного материала;

СВ - объемная доля волокон в материале.

На рисунке 4.6 представлены расчетные данные по зависимости плотности композиционных материалов, армированных различными волокнами, от объемной доли упрочнителя. Заштрихованной полосой выделен интервал объемных содержаний упрочнителя, который обычно представляет интерес с точки зрения требований инженерного проектирования по удельной жесткости и удельной прочности.

Рисунок 4.6 - Зависимость плотности от объемного содержа-

ния волокон для композиционных материалов с

алюминиевой матрицей, армированной

волокнами различного типа:

1 – сталь; 2 – Al₂O₃; 3 – SiC; 4 – В (d = 100 мкм);

5 – В (d = 100 мкм); 6 – SiО₂; 7 – Be; 8 – графит

Термическое расширение зависит от направления армирующих волокон в композиционном материале, и будет существенно различаться вдоль и поперек укладки волокон.

Удельная теплоемкость и теплопроводность композиционного материала при постоянном давлении или при постоянном объеме не равна сумме удельных теплоемкостей компонентов, умноженных на их относительные объемные содержания в металле. Это обусловлено тем, что температурные изменения, не приводящие к изменению объема композиционного материала в целом, могут сопровождаться изменением объема каждой из составляющих его фаз.

В случае однонаправленного армирования эффективная теплопроводность может быть выражена через свойства отдельных фаз. В этом случае теплопроводность вдоль оси волокон μ_ι и в поперечном направлении μ_t определяется соотношением:

(4.2)

(4.3)

где m_м и m_в - соответственно теплопроводность матрицы и волокон,

С_в – удельная теплоемкость волокон.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА:

Свойства при растяжении вдоль волокон.

Модуль Юнга композиционных материалов в направлении вдоль оси волокон сравнительно хорошо предсказывается правилом смеси:

, (4.4)

где E_м и E_в - модули Юнга матрицы и волокон соответственно.

Теоретический предел прочности на растяжение вдоль оси волокон также выражается правилом смеси:

, (4.5)

где sв - предел прочности волокон на растяжение;

sм - напряжение в матрице при достижении предельной деформации волокон.

Прочность композиционных материалов можно предсказать более точно, используя значение средней прочности волокон, которая может быть почти на 50% выше, чем прочность пучка.

Свойства композиционных материалов при сжатии вдоль оси волокон также можно прогнозировать, если предположить, что геометрия образцов для испытаний на сжатие выбрана правильно и характеристики материала (прочность матрицы, связь волокон с матрицей и т.д.) таковы, что волокна при испытаниях не изгибаются.

На рисунке 4.7 представлены типичные данные по модулям упругости композиционных материалов с алюминиевой матрицей, армированной борными волокнами.

В таблице 4.2 приведены свойства некоторых волокнистых композиционных материалов.

Вязкость разрушения. При использовании малопластичных волокон (бор, бериллий и т.д.) для армирования композиционных материалов возникает вопрос: будут ли вязкость и сопротивление удару контролироваться свойствами хрупких волокон? Ответ на этот вопрос зависит от типа упрочнителя и его содержания в материале, от ориентации волокон по отношению к удару (от условий испытания).

Для исследования этих характеристик возможно применение образцов Шарпи с V - образным надрезом, показанных на рис. 4.8.

Рисунок 4.7 – Влияние объемного содержания борных воло-

кон в КМ с матрицей из алюминиевого сплава,

армированной борными волокнами,на модуль

Юнга в направлении:

1 – вдоль оси волокон;

2 – поперек оси волокон

Таблица 4.2 - Свойства волокнистых композиционных

материалов

Материал	Предел прочности, МПа	Модуль упругости, ГПа
Бор-алюминий (ВКА-1А)
Бор-магний (ВКМ-1)
Алюминий-углерод (ВКУ-1)
Алюминий-сталь (КАС-1А)
Никель-вольфрам (ВКН-1)		-

В случаях, когда надрез параллелен оси волокон, работа разрушения не увеличивается с ростом содержания упрочнителя, так как разрушение происходит в результате расщепления волокон. В том случае, когда надрез перпендикулярен оси волокон, они оказываются нагруженными в продольном направлении, и работа, необходимая для разрушения образцов, увеличивается с ростом объемного содержания упрочнителя.

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Перспективность использования металлических композиционных материалов в различных отраслях техники определяется их широким спектром самых различных свойств. Высокие прочность и удельная жесткость, малая чувствительность к концентраторам напряжений и высокое сопротивление усталостному разрушению и т.д. определяют области применения МКМ.

Весьма перспективным является применение металлических композиционных материалов в ракето- и авиастроении, в частности при создании тяжелых транспортных и сверхзвуковых пассажирских самолетов.

Применение таких материалов в количестве до 30% позволяет снизить массу самолета на 15 - 20%. Наиболее рационально в этом случае применение титановых и алюминиевых сплавов, армированных волокнами бора и борсика или титановых сплавов армированных волокнами из боралюминия, соединяемых пайкой.

Рисунок 4.8 – Влияние объемного содержания волокон на ударную вязкость композиционных материалов, определенную при испытании образцов Шарпи с V – образным надрезом, расположенным различным образом к оси волокон:

1 – надрез перпендикулярен к оси волокон;

2, 3 – надрез параллелен оси волокон

Боралюминиевые композиционные материалы могут применяться на космических летательных аппаратах, в узлах конструкций, подвергающихся нагреву от реактивной струи двигателя, в герметических кабинах экипажа.

Композиционные материалы на основе алюминия и титана, армированные бериллиевой проволокой применяются при создании газотурбинных двигателей для изготовления лопаток вентилятора и компрессора.

Применяются металлические композиционные материалы также в машиностроении, судостроении, автомобилестроении. Целесообразность их применения связана со значительным уменьшением массы конструкций при сохранении или даже повышении прочностных характеристик (например, для облегчения кузовов, коробок передач, поршней цилиндров, передаточных механизмов, рессор и т.д.).

Композиционные материалы со свинцовой матрицей, армированные углеродными волокнами, применяют в химической промышленности при производстве батарей и аккумуляторов, в строительстве, в изделиях, работающих на трение, и др.

В сельскохозяйственном машиностроении из МКМ изготовливают режущие части плугов, дисковых косилок, детали тракторов и т.д., что позволяет увеличить срок службы сельскохозяйственной техники.

Применение МКМ в мостостроении позволяет увеличить длину пролетов в связи с более высокой жесткостью указанной композиции, что приводит к уменьшению металлоемкости мостовых конструкций и улучшению их транспортабельности.

Применяют МКМ и в ядерной технике. Так, алюминиевый сплав, армированный стекловолокном, содержащим окись урана, обладает повышенной прочностью при температурах 550°С и может быть использован в качестве топливных пластин реакторов.

Для изготовления подшипников, работающих без смазки, успешно опробовали антифрикционный композиционный материал на основе свинца, армированный 20% проволоки из нержавеющей стали или оловянистой бронзы. В космических условиях, где применение обычной смазки в узлах трения невозможно, можно также применять МКМ с нитевидными кристаллами Al₂O₃.

Как износостойкий материал в коробках передач, дисковых муфтах, направляющих пусковых устройствах и других тяжелонагруженных механизмах можно использовать МКМ, армированные усами и волокнами.

В сварочной технике смогут применяться армированные присадочные материалы. Например, алюминий или его сплав с 4% Cu, армированный небольшими долями волокон Al₂O₃ или SiC, успешно использовали для сварки плавлением алюминия и его сплавов. Армирующая фаза при сварке переходит в сварочный шов, способствуя его упрочнению.

Достаточно эффективно МКМ используются и в других областях техники и народного хозяйства. Однако эффективным применение МКМ оказывается только при выполнении следующих условий:

o специальное конструирование деталей и узлов конструкций с учетом особенностей свойств этих материалов;

o создание специальной технологии изготовления деталей, поскольку способы изготовления деталей из традиционных сплавов неприемлемы для композиционных материалов;

o осуществление контроля технологического процесса и качества исходных материалов и изделий на основных этапах их изготовления для обеспечения надежности материалов при длительной эксплуатации.

Необходимо иметь в виду, что МКМ, так же как и традиционные сплавы не являются универсальными. Использование их по назначению в той или иной конструкции рационально только в том случае, когда это является технически обоснованным и экономически целесообразным.

СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полимерными композиционными материалами (ПКМ), или пластиками, называют системы, состоящие из полимерной матрицы (связующего) и упрочняющего наполнителя в виде волокон или порошкообразных веществ.

В настоящее время создана целая индустрия ПКМ. Из них изготавливают баллоны для сжатых газов, корпусы ракетных двигателей, цистерны для нефтепродуктов, лопасти винтов вертолетов, трубы для химических веществ, авиационные шасси, волноводы, понтоны, корпусы лодок, ракетки для тенниса, ружейные стволы, удочки, печатные электросхемы, рессоры автомобилей и многие другие изделия.

Одним из факторов, сдерживающих широкое применение ПКМ, в частности стеклопластиков, была их сравнительно низкая жесткость. За последние годы в связи с разработкой новых сортов стеклянных волокон с повышенным модулем упругости, а также таких высокомодульных волокон, как углеродные, борные, карбидокремниевые, удалось резко повысить жесткость пластиков. Угле - и боропластики имеют модуль Юнга, близкий к стали, а по удельной жесткости в несколько раз превосходят промышленные металлы. Это дало возможность применять ПКМ в ответственных, сильно нагруженных конструкциях, которые раньше изготавливались исключительно из металлов.

Во многих случаях, когда от изделий требуется высокая несущая способность при минимальном весе, высокопрочные и высокомодульные пластики оказываются эффективнее металлов. Кроме высоких механических характеристик и низкого удельного веса к числу ценных качеств ПКМ следует отнести их стойкость к воздействию кислот, щелочей, органических растворителей, масел и морской воды. Армированные пластики технологичны, обладают высокой демпфирующей способностью и вибростойкостью, радиопрозрачностью, тепло- и электроизоляционными свойствами, нечувствительностью к магнитному полю. Технологические процессы их производства можно полностью автоматизировать и механизировать, изделия из них имеют красивый внешний вид и не требуют специальной защитной окраски.

Основные преимуществами новых ПКМ по сравнению с МКМ: простота изготовления, технологичность, дешевизна, низкая плотность. Основной их недостаток - ограниченный температурный интервал эксплуатации, сравнительно низкие значения межслойной сдвиговой прочности и отрыва. Современные полимерные связующие могут обеспечить работоспособность изделий из них до температур, не превышающих 300 - 400°С.

ПОЛИМЕРНЫЕ СВЯЗУЮЩИЕ

СВЯЗУЮЩЕЕ - это вещество или группа веществ, используемых в качестве матрицы в ПКМ. Выбирают связующее, в зависимости от требований, предъявляемых к механическим и физико-химическим свойствам ПКМ. Оно должно обеспечить заданную форму изделия, монолитность материала, и требуемый уровень тепло- и электропроводности и термического расширения, перераспределение напряжений, коррозионную стойкость, возможность переработки применяемыми в промышленности методами и экономическую эффективность. Обычно полимерные связующие аморфны и не имеют определенной точки плавления.

В качестве связующих в ПКМ применяют синтетические высокомолекулярные вещества различного химического состава - полимеры, которые были рассмотрены подробно ранее в разделе органические полимерные материалы.

Следует напомнить, что молекулы полимеров представляют собой соединения, состоящие из большого числа элементарных звеньев - мономеров. Строение молекул полимеров и химическая природа мономеров определяют свойства полимерных материалов.

Как было отмечено ранее, по поведению при нагреве и охлаждении полимерные материалы принято разделять на термопластичные и термореактивные.

В качестве связующих для конструкционных ПКМ, работающих под нагрузками, в подавляющем большинстве случаев используют термореактивные смолы.

Выбор связующего определяет особенности технологии изготовления ПКМ и его эксплуатационные свойства. Наиболее широко в производстве конструкционных ПКМ применяют эпоксидные, полиэфирные, фенольные, кремнийорганические и полиамидные смолы.

ВИДЫ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Некоторые из полимерных конструкционных материалов были рассмотрены при изучении темы «Пластмассы» в разделе «Термореактивные полимеры». Это такие материалы как асбоволокниты, стекловолокниты, гетинакс, текстолит, древеснослоистые пластики, материал СВАМ. Здесь будут рассмотрены другие виды полимерных композиционных материалов.

Стеклопластики - это ПКМ, содержащие в качестве наполнителя стеклянные волокна.

Стеклопластики - одни из первых конструкционных материалов на полимерной основе. Они наиболее полно изучены, их давно применяют в промышленности. В настоящее время выпускают стеклопластики с ориентированным (однонаправленным и перекрестным) и неориентированным (хаотичным) расположением волокон. В первом случае в качестве арматуры используют непрерывные, во втором случае - дискретные (рубленые или штапельные) волокна. Стекловолокно может иметь круглое или профильное сечение, быть сплошным или полым.

Ориентированные стеклопластики. Однонаправленные стеклопластики получают формованием набора слоев стеклошпона или намоткой на оправку пропитанных стеклянных жгутов. Характерный пример однонаправленного стеклопластика - стекловолокнистый анизотропный материал - СВАМ.

Наибольшую прочность и жесткость однонаправленные стеклопластики имеют вдоль волокон. Использование высокопрочных стеклянных волокон марок Е и ВМ-1 позволяет получить прочность однонаправленных стеклопластиков в направлении волокон 1600 – 2100 МПа, при этом удельная прочность в несколько раз выше, а модуль упругости имеет примерно такую же величину, как у лучших алюминиевых сплавов (табл. 4.3).

Однако прочность однонаправленных стеклопластиков в направлении, перпендикулярном к осям волокон, очень низка, она определяется в основном свойствами связующего и составляет несколько килограммов сил на квадратный сантиметр.

Перекрестноармированные ориентированные стеклопластики лишены этого недостатка. Их получают укладкой стеклошпона,

Таблица 4.3 – Физико-механические характеристики

некоторых конструкционных материалов

Материал	Плотность г/см^3	Разрушающее напряжение при растяжении sр, МПа	Модуль упругости при растяжении Е, кгс/мм^2
Однонаправленный стеклопластик на основе:
волокна Е	2,1
волокна ВМ-1	2,2
Ортогонально-перекрестный стеклопластик СВАМ (волокно Е):
10:1	1,9
1:1	1,9
Стеклотекстолит на основе волокна ВМ-1	1,95
Сталь 30ХГСА	7,85
Дуралюмин Д16	2,8

нитей или жгутов в различных направлениях или с использованием в качестве арматуры стеклотканей (стеклотекстолиты). Изменяя соотношение числа монослоев в различных направлениях, можно в широких пределах регулировать прочность и модуль Юнга стеклопластиков.

Механические свойства стеклотекстолитов можно варьировать, применяя различные марки волокон, идущих на изготовление стеклотканей, виды переплетения волокон в ткани (сатиновое, саржевое, полотняное), соотношение чисел волокон по основе и утку.

К числу новых ПКМ следует отнести стеклопластики, армированные полыми и профильными стеклянными волокнами. Стеклопластики с полыми волокнами меньше весят, у них повышенные удельные прочность и жесткость

при изгибе и сжатии. Кроме того, эти стеклопластики имеют низкую величину диэлектрической постоянной и достаточно прозрачны.

В ПКМ с полыми волокнами сложно обеспечить высокое качество самих волокон; кроме того, у них повышенное водопоглощение. Профильные волокна имеют сравнительно низкую прочность при растяжении (» 1400 МПа), что вызвано недостатками метода их формования.

Однонаправленные стеклопластики используют для изготовления профильных изделий - уголков, швеллеров, тавров, трубок; их применяют для усиления и снижения массы металлических конструкций - баллонов внешнего и внутреннего давлений.

Материалы с перекрестным армированием применяют в различных строительных конструкциях типа оболочек, в секциях крыльев, хвостового оперения и фюзеляжа самолетов. Из этих материалов получают плиты, трубы, контейнеры, корпусы ракетных твердотопливных двигателей, сосуды высокого давления, лопасти вертолетов, радиолокационные обтекатели, топливные баки, авиационную броню, корпусы машин, пресс-формы, предохранительные кожухи станков, изоляторы для электродвигателей и трансформаторов, футеровку емкостей для химического машиностроения и многие другие изделия для различных областей техники.

Один из существенных недостатков ориентированных пластиков - их низкая прочность при межслоевом сдвиге. Этот недостаток в значительной степени преодолен в стеклопластиках с пространственным армированием. Получают его, применяя в качестве наполнителя многослойные пространственно сшитые стеклоткани. При этом сдвиговая прочность КМ возрастает в 2 - 2,5 раза, но из-за существенного искривления волокон уменьшается прочность при растяжении.

Неориентированные стеклопластики содержат хаотично расположенные в плоскости (реже в пространстве) короткие волокна и характеризуются большей, чем у ориентированных пластиков изотропией свойств. Их прочность и жесткость меньше, но в то же время и цена ниже, чем у ориентированных пластмасс. К числу неориентированных стеклопластиков относят пресс - волокниты. Их получают из стекловолокон длиной 5 - 100 мм и частично отвержденного связующего формованием в пресс - формах при высоких давлениях. Физико-механические свойства некоторых отечественных волокнитов приведены в таблице 4.4.

Отечественная промышленность выпускает также стеклопластики на основе матов (стеклохолстов) из хаотично расположенных нитей или штапельных волокон, скрепленных между собой механически (прошивкой) либо с помощью различных эмульсий и смол. Маты, совместно со связующим, подвергают контактному или вакуумному формованию. Такие стеклопластики самые дешевые.

Таблица 4.4 – Физико-механические свойства некоторых

отечественных пресс волокнитов

Показатели	АГ-4В	33-18В	П-5-2	КМС-9	РТП-170	РТП-200
Плотность, г/см^3	1,7-1,9	1,9	1,7-1,8	1,6 –1,9	1,7–1,85	1,75-1,85
Разрушающее напряжение, при:
растяжении, МПа		130-180	-	15-18	-	-
изгибе, МПа
сжатии, МПа
ударная вязкость, кДж/м^2

К неориентированным стеклопластикам относятся также материалы, получаемые одновременным напылением рубленных волокон и связующего на форму. Такая технология позволяет механизировать получение заготовок и снизить стоимость ПКМ.

Неориентированные пластики применяют в производстве светопрозрачных покрытий для теплиц, корпусов лодок, автомобилей, мебели, дачных домиков, покрытий полов, облицовки бетонных и железобетонных конструкций, силовых деталей электрооборудования и др.

В настоящее время в стоматологии для пломбирования, протезирования и восстановления анатомической формы зубов применяются также полимерные композиционные материалы, которые можно отнести к стелопластикам. Таким материалом, например, является светоотверждаемый микрогибридный композиционный пломбировочный материал ”LATELUX”. Матрицей этого материала являются термореативные полимерные материалы, а наполнителем мелкозернистое барий-алюминий-боросиликатное стекло и диоксид кремния со средним размером частиц 0,6 мкм. Содержание наполнителя составляет 60,8%. Затвердевает материал под воздействием видимого света в течении 60 с на глубину 4,5 - 6,0 мм.

Углепластики - это ПКМ, содержащие в качестве наполнителя углеродные волокна. В литературе углепластики называют также карбоволокнитами, карбопластами и углеродопластами.

В зависимости от температуры нагрева исходных волокон получают низко- и высокомодульные углеродные волокна, которые выпускают в виде жгутов и лент различной ширины.

Углепластики с низкомодульными волокнами в качестве конструкционных не используют. Из них изготавливают токопроводящие, теплозащитные и антифрикционные материалы.

Для конструкционных углепластиков характерны низкая плотность высокий модуль упругости, прочность, термостойкость, низкий коэффициент линейного расширения, высокие тепло- и электропроводность.

Свойства материалов определяются материалом связующего, свойствами, концентрацией и ориентацией волокон. Углепластики на основе эпоксидных смол имеют высокие характеристики прочности при температурах ниже 200°С.

По удельной прочности и жесткости углепластики оставляют далеко позади стеклопластики, сталь, алюминиевые и титановые сплавы.

В углепластиках, предназначенных для длительной работы при температурах до 250°С, используют фенольные смолы, до 300°С - кремнийорганические и до 330°С - полиимидные связующие.

Разрабатываются связующие с рабочими температурами до 417°С.

Еще более выраженным, чем у стеклопластиков, недостатком углепластиков является низкая прочность при межслоевом сдвиге. Это связано со слабой адгезией полимеров к углеродным волокнам.

Анизотропия свойств у углепластиков выражена еще более резко, чем у стеклопластиков. Связано это с тем, что отношение модулей упругости наполнителя и связующего у углепластиков существенно выше, чем у стеклопластиков. Кроме того, для углепластиков характерно наличие разницы между упругими свойствами самих волокон вдоль оси и перпендикулярно к ней, что приводит к дополнительной анизотропии.

Углепластики отличает высокое сопротивление усталостным нагрузкам. По величине предела выносливости на единицу массы углепластики значительно превосходят стеклопластики и многие металлы. Ценное свойство углепластиков - их высокая демпфирующая способность и вибропрочность. По этим показателям углепластики превосходят металлы и некоторые другие конструкционные материалы.

Сочетание высокой жесткости, усталостной и вибрационной прочности делает углепластики перспективным материалом для конструкций, которые работают в условиях возможного возникновения флаттера (обшивки самолетов, лопасти вентиляторов двигателей и т.п.) и для других деталей летательных аппаратов.

Характерная особенность углепластиков - высокая теплопроводность, которая зависит от объемной доли и ориентации волокон, а также от направления теплового потока. Так, теплопроводность однонаправленного углепластика на эпоксидном связующем в направлении оси волокон составляет около 13 ккал/(мּСּч), что близко к теплопроводности титана, а в перпендикулярном направлении она равна 0,54 - 0,8 ккал/(мּСּч), что всего в 1,5 - 2 раза выше, чем у стеклопластиков.

Углепластики обладают достаточно высокой электропроводностью, что позволяет применять их как антистатические и электрообогревающие материалы.

В некоторых случаях применение в качестве наполнителя только углеродных волокон не обеспечивает необходимую вязкость, эрозионную стойкость, прочность при сжатии, растяжении и сдвиге. Тогда связующие одновременно армируют углеродными и стеклянными или углеродными и борными волокнами. Комбинированное армирование позволяет расширить диапазон значение прочности, жесткости и плотности ПКМ. Полимерные материалы, армированные углеродными и стеклянными волокнами, называют углепластиками или карбостекловолокнитами. Полимерные материалы, в которых в качестве наполнителя используются углеродные и борные волокна, называют углеборопластиками или карбобороволкнитами.

Применяются углепластики в первую очередь в таких отраслях новой техники, как космонавтика, авиация и ядерная техника. Именно здесь нужны материалы с высокой прочностью и жесткостью при низкой плотности. Кроме того, относительно высокая (по сравнению со стеклопластиками и металлами) стоимость этих ПКМ, обусловленная недостаточно большими пока масштабами производства, для этих областей промышленности не становится препятствием.

В космической технике углепластики применяют для солнечных батарей, баллонов высокого давления, теплозащитных покрытий.

ПКМ с углеродными волокнами используют в качестве конструкционных радиационно-стойких материалов для рентгеновской аппаратуры и космических приборов, изготовления контейнеров, используемых в ядерных экспериментах (графит имеет малое сечение захвата нейтронов).

Химическая стойкость углепластиков позволяет применять их в производстве кислотостойких насосов, уплотнений и т.д.

Углеродные волокна имеют низкий коэффициент трения - и это дает возможность использовать их в качестве наполнителя для различных связующих, из которых делают подшипники, прокладки, втулки, шестерни.

УУКМ - углерод-углеродные композиционные материалы, представляют отдельную группу углепластиков, у которых армирующим волокном является углеродное волокно, а матрицей пироуглерод, кокс каменноугольного и нефтяных пеков и стеклоуглерод.

Свойства углеродных волокон были рассмотрены ранее. Матричные материалы представляют собой, как правило, одну из переходных форм углерода, которые были рассмотрены ранее при изучении свойств графита.

Свойства УУКМ аналогичны свойствам других углепластиков. Однако их отличает то, что для них характерно некоторое улучшение механических свойств с повышением температуры. Это объясняется релаксацией внутренних напряжений за счет улучшения пластических свойств при повышенных температурах и “залечиванием” дефектов вследствие термического расширения материала при повторном нагреве до температуры изготовления. На рисунке 4.9 показано изменение прочности при испытаниях на растяжение с изменением температуры УУКМ. Как видно, прочность на растяжение в направлении осей z и x увеличивается. С увеличением температуры увеличивается и коэффициент линейного термического расширения и теплопроводности.

Применяются УУКМ в авиастроении для изготовления тормозных дисков толщиной не более 25 мм. Диски эксплуатируются в самолетах “Конкорд”. Для самолета “Мираж -2000” используют конструкции тормозных дисков из УУКМ марки “Сепкарб - 45” и “Сепкарб - 43”. Это позволяет снизить массу тормозных систем на 42 - 48%.

Применяются УУКМ в возвращаемых космических объектах. Так в программе “Apollo” из УУКМ “Пирокарб - 406” изготавливали наружную стенку контейнера для хранения капсулы с изотопами.

Рисунок 4.9 – Зависимость прочности при испытаниях на

растяжение УУКМ от температуры

(УУКМ трехмерного армирования;

распределение прядей 2 х, 2 у, 3 z;

прочность на растяжение в направлениях:

1- х, 2 – у)

Для теплозащиты космического корабля “Шаттл” используется углерод-углеродный композиционный материал, сохраняющий прочность при нагреве до температур 1650°С.

В металлургической промышленности из УУКМ изготавливают пресс-формы для горячего прессования тугоплавких металлов и сплавов. Эти пресс-формы отличаются высокой прочностью, термостабильностью, высоким сопротивлением к термическому удару, малой массой, химической инертностью, способностью быстро охлаждаться и, кроме того, более длительным сроком эксплуатации. Штампы из УУКМ сохраняют прочность до температур 1000°С. Наиболее часто используется композиционный материал марки “Карбитекс”. Его применение позволяет снизить массу штампа, по сравнению с металлическим в 100 раз.

В машиностроении для изготовления подшипников скольжения используются антифрикционные материалы марки НИГРАН, НИГРАН-В на основе графитов, пропитанных полимерными связующими.

В медицине УУКМ имеют перспективу использования для изготовления армирующих пластинок для соединения костей при переломах, изготовления сердечных клапанов, имплантируемых зубов, зубных протезов.

В реактостроении углерод-углеродные материалы применяются для изготовления узлов активной зоны высокотемпературных водоохлаждаемых реакторов.

В электротехнике УУКМ может применяться для создания нагревательных элементов при рабочих температурах до 3000°С.

Боропластики (бороволокниты) - это ПКМ, в которых как арматуру используют борные волокна.

Диаметр борных волокон 90 - 150 мкм, в то время как диаметр элементарных углеродных волокон 5 - 7 мкм. Борную арматуру применяют в виде арматурных нитей, однонаправленных лент различной ширины, листового шпона и тканей.

Свойства. Плотность боропластиков 2,2 г/см³ - выше, чем углепластиков. Но большой диаметр волокон обеспечивает большую устойчивость изделий из них под действием сжимающих нагрузок. Наибольшую прочность и жесткость удается реализовать в однонаправленных боропластиках вдоль оси волокон.

Недостатком однонаправленных боропластиков, как и других ПКМ с такой текстурой, является низкая прочность и жесткость в направлениях, перпендикулярных к оси волокон. Чтобы повысить эти характеристики используют перекрестное армирование с расположением слоев под углами 90, 60 и 45°. Перекрестно армированные боропластики имеют меньшую анизотропию свойств.

ПКМ с борными волокнами имеют высокие значения предела усталостной прочности, который очень слабо зависит от температуры испытаний в пределах работоспособности связующего.

Сочетание перечисленных свойств делает целесообразным применение боропластиков в изделиях, работающих в условиях вибрации.

Как и для углепластиков, для боропластиков в качестве связующего чаще всего используются эпоксидные смолы. Термостойкие связующие для своего отверждения нуждаются в больших давлениях и высоких температурах; часто бывает трудно обеспечить отсутствие в них пор, пористость может доходить до 7 -20%.

Борные волокна относятся к классу полупроводников, что позволяет получать в армированных ими ПКМ сравнительно высокие значения тепло- и электропроводности.

Применяются боропластики, как и углепластики, в космической и авиационной технике. Их высокая прочность и жесткость при сжатии используется при конструировании несущих частей летательных аппаратов - балок, панелей и т.д. Например, если металлическая двутавровая балка работает на изгиб, то ту ее полку, на которой действуют сжимающие напряжения, усиливают пластинами из боропластика, а другую полку, работающую на растяжение, упрочняют углепластиком. Масса такой балки на 20 - 30% ниже, чем масса балки из алюминиевых сплавов при одинаковой несущей способности.

В настоящее время проектируется применение боропластиков в лопастях несущих и хвостовых винтов и в трансмиссионных валах вертолетов, в стойках шасси, отсеках фюзеляжа, обшивке крыльев самолетов, в дисках компрессоров газотурбинных двигателей. В перспективе использование боропластиков в корпусных деталях, работающих при всестороннем или одноосном сжатии, в трубах, сосудах внутреннего давления. Замена металлических изделий боропластиковыми позволяет снизить их массу, повысить удельную жесткость, статическую прочность предел выносливости и вибропрочность.

Металлопластики - это ПКМ, содержащие в качестве наполнителя металлические волокна.

Наиболее широко как наполнитель для металлопластиков применяют стальную проволоку. Она недорога, промышленностью выпускается в широких масштабах, при технологических операциях практически не утрачивает своей прочности.

По сравнению с другими ПКМ у металлопластиков повышенная ударная вязкость и статическая усталость (т.е. они мало разупрочняются во времени), меньший разброс свойств, высокая эрозионная стойкость.

Недостаток металлопластиков, армированных стальными волокнами, - их высокий удельный вес, поэтому удельная прочность у них ниже, чем у боро-, угле- и стеклопластиков, а удельная жесткость приближается к последним. Этого недостатка лишены металлопластики, армированные бериллиевой проволокой. Эти материала перспективны. Но, чтобы металлопластики, в которых они используются как наполнитель, оказались конкурентоспособными с другими ПКМ, необходимо повысить пластичность бериллиевых проволок. Кроме того бериллий токсичен, поэтому при работе с ним нужно соблюдать специальные меры техники безопасности.

Металлические волокна часто добавляют в боро- и углепластики. Это повышает вязкость разрушения, сопротивление распространению трещин, эрозионную стойкость, теплозащитные характеристики.

Карбидопластики - это ПКМ, содержащие в качестве наполнителя волокна карбидов. В настоящее время исследуются свойства связующих с волокнами карбида кремния SiC.

Пока карбидопластики имеют несколько меньшую прочность, чем боропластики, но больший модуль Юнга. Это вызвано тем, что выпускаемые в настоящее время волокна SiC менее прочны при низких температурах чем борные, но обладают большей жесткостью.

Использовать волокна SiC в качестве наполнителя целесообразно для термостойких связующих. Преимущество карбидокремниевых волокон перед борными в их меньшей чувствительности к повышенным температурам, большей высокотемпературной прочности и длительной прочности. Поэтому карбидопластики, вероятнее всего, найдут применение в качестве материалов для изделий высокотемпературного назначения.

Органопластики (органоволокниты) - это ПКМ, содержащие в качестве наполнителя органические волокна. Это самый старый вид ПКМ, появившийся в начале 20 века. Частично эти виды ПКМ рассматривались ранее в разделе «Термореактивные пластмассы».

В начале развития их армировали природными органическими волокнами - хлопчатобумажными, льняными, джутовыми, целлюлозными. Однако недостаточно высокий уровень прочности, жесткости, термостойкости и дефицитность природных волокон привели к постепенному вытеснению их синтетическими волокнами - капроном, нитроном, найлоном, лавсаном и др. Отличительные особенности органопластиков - их низкая плотность, высокая стабильность свойств, низкая пористость, повышенная пластичность и ударная вязкость, низкая теплопроводность (в 2 - 3 раза ниже, чем у стеклопластиков).

В последние годы разработаны новые типы органических волокон, из которых наиболее прочны и жестки волокна марки RKD - 49 (фирмы “Du Pont” - США) на основе ароматических полиамидов.

Недостаток органопластиков их низкая прочность при сжатии.

Иногда изготавливают, так называемые, самоармированные органоволокниты. Это материалы, в которых матрица и арматура имеют одинаковый химический состав, но различную структуру. Так, полиамидные смолы армируют полиамидными волокнами.

Органопластики используют в качестве конструкционных материалов (преимущественно с волокнами типа RKD - 49). Их применение в сотовых конструкциях, панелях пола и потолка, дверях, перегородках и задних стойках крыльев самолетов позволяет резко снизить массу конструкций и увеличить их полезную мощность. Органопластики широко применяют в электро- и радиотехнике для изготовления корпусов приборов, радиопрозрачных обтекателей антенн, изоляторов. Их используют и в теплозащитных устройствах.

4.4 КЕРАМИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (ККМ)

Керамические композиционные материалы (ККМ) представляют собой материалы, в которых матрица состоит из керамики, а арматура - из металлических или неметаллических, волокнистых наполнителей. Армированные волокнами материалы на основе порошковых комбинированных матриц, в которые входят тугоплавкие неметаллические частицы и металл - связка, условно будем относить также к ККМ.

Керамические материалы характеризуются высокими точками плавления, высокой прочностью на сжатие, сохраняющейся при достаточно высоких температурах, и высокой стойкостью к окислению. Эти свойства керамики в течении многих веков использовались при изготовлении футеровки печей, огнеупорных изделий и т.д. В настоящее время требования к керамике, как к конструкционному изделию значительно возросли. Наряду с перечисленными свойствами от нее требуется высокая прочность на растяжение и ударная вязкость, стойкость к вибрациям и термоудару. Такими свойствами обладают, например, некоторые металлы. Сопоставление свойств керамики и металлов привело к попыткам создать КМ, в которых керамическая матрица сочетается с металлическими включениями в виде порошка. Так появились керметы.

Дальнейшими исследованиями было установлено, что еще больший эффект дает введение в керамическую матрицу волокон металла. Так, чтобы достичь одинаковой с керметом термостойкости, в керамику нужно ввести примерно в 3 раза меньше металла в форме волокон, чем виде порошка. Аналогичные исследования были, затем проведены в области введения в керамическую матрицу керамических волокон.

В ККМ нагрузка переносится с малопрочной матрицы на более прочную арматуру. Однако эффект увеличения предела прочности при растяжении наблюдается у ККМ не всегда. В некоторых случаях композиция получается менее прочной, чем неармированная матрица. Объяснить это можно сочетанием в ККМ малой пластичности с высоким модулем упругости при растяжении. Из-за этого удлинение матрицы при напряжении ее разрушения оказывается недостаточным для того, чтобы передать значительную часть нагрузки армирующим элементам.

Увеличение ударной вязкости армированной керамики объясняется лучшим распределением механических усилий, а также ограничением распространения трещин в матрице за счет армирующих волокон. Аналогично объясняется и повышение стойкости армированной керамики к термоудару.

Для изготовления ККМ применяют три основных метода: горячее прессование, прессование с последующим спеканием и шликерное литье.

Выбирая металлические волокна для армирования, нужно учитывать их способность к рекристаллизации в области высоких температур. Большое значение имеет и геометрия волокон, т.к. на прочность сцепления волокон с матрицей кроме диффузионных и химических процессов влияет и чисто механическое сцепление. Улучшить последнее можно, создавая шероховатость на поверхности волокон ворсовкой их или травлением.

Химическое взаимодействие между волокном и матрицей протекает преимущественно по поверхностям контакта компонентов.

Важен и вопрос ориентации волокон. Они могут располагаться в матрице, как направлено, так и хаотично. Знать ориентацию волокон в материале необходимо для выбора схемы его работы.

Примером ККМ, в котором модуль упругости матрицы ниже модуля упругости армирующих волокон, может быть армированная вольфрамовой проволокой керамика, состоящая из 50% каолина, 30% кремнезема и 20% полевого шпата. Этот матричный состав применяют обычно для электрических изоляторов. У таких композиций волокно в состоянии воспринять на себя значительную часть общей нагрузки даже при малых относительных удлинениях, которые допускает керамика до своего разрушения. При содержании арматуры свыше 40% сопротивление растяжению композиции ухудшается. Это связано с тем, что при больших объемных содержаниях проволок не удается получить беспористый материал.

Керамические композиции с керамическими волокнами имеют некоторые преимущества перед ККМ с металлической арматурой. Это малое различие в значениях модуля Юнга и коэффициентах термического расширения; химическое сродство, жаростойкость оксидов в процессе изготовления и работы КМ и т.д.

Характерными керамическими композициями, для которых армирование волокнами открывает новые области использования, являются, например ККМ на основе оксида хрома. Для изготовления огнеупорных изделий чистый оксид хрома практически не применяют, т.к. он плохо спекается. Его пористость при обычных методах производства керамики составляет 40% и выше, а механические свойства низкие. Существенно повысить прочность и термостойкость оксида хрома удалось использованием в качестве армирующей добавки усов муллита.

Наиболее обширной группой керамических композиционных материалов являются ККМ на основе бескислородной керамики (нитридов и карбидов кремния). Например, армирование нитрида кремния кристаллами муллита 3Al₂O₃/2SiO₂. Основное преимущество этого материала заключается в высокой стойкости

Дата добавления: 2014-01-11