Композиционные материалы

Титан и его сплавы

Титан — серебристо-белый металл низкой плотнос­ти (4,5 т/см³) с высокими механической прочностью, коррозионной и химической стойкостью. Температура плавления титана 1660°С, с углеродом он образует очень твердые карбиды. Титан удовлетворительно куется, про­катывается и прессуется.

Механические свойства титана определяются степе­нью его чистоты. Примеси кислорода, азота и углерода, образующие с титаном различные соединения, оказыва­ют существенное влияние на его свойства. К вредным примесям относится водород, вызывающий охрупчивание титана.

Для получения сплавов титана с заданными механи­ческими свойствами его легируют различными элемен­тами. Алюминий повышает жаропрочность и механическую прочность титана.

Композиционные материалы — это конструкционные материалы, получаемые путем объемного сочетания компонентов с различными свойствами и границей раздела между ними.

Рис. 26. Схема композиционного материала: матрица; 2 — армирующие элементы; 3 — зона раздела фаз

Компонент, непрерывный в объеме композиционно­го материала, называется матрицей (связующим) (рис. 26). Другие компоненты —

упрочнители (арматура, наполнители) распределены в объеме матрицы.

Композиционные материалы классифицируют по основным признакам:

- типу матрицы;

- виду армирующего элемента; особенностям макростроения;

- методам получения.

По типу материала матрицы различают:

· полимерные композиты (термопласты, реактогагасты и их смеси);

· металлические (в том числе материалы, получае­мые методами порошковой металлургии);

· неорганические (неорганические полимеры, ми­нералы, углерод, керамика);

· комбинированные (полиматричные). Матрица придает изделию из композита заданную форму и монолитность, обеспечивая передачу и распре­деление нагрузки по объему материала, защищает арми­рующие элементы от внешних воздействий. Непосредственно определяет термическую и коррозионную стойкость, электрические и теплозащитные свойства, склонность к старению, технологию изготовления и другие характеристики композиционного материала и изделий из него.

По виду армирующих элементов (наполнителей) композиты классифицируют в зависимости от:

§ геометрических размеров арматуры (наполните­лей);

§ порядка их расположения в матрице;

§ целей армирования.

Армирующие элементы (наполнители) вводят в композиционный материал с целью изменения его свойств: увеличения прочности, жесткости и пластичности; изменения плотности, электрических, теплофизических и других характеристик в различных направлениях по объёму материала и отдельных местах изделия из него. Целесообразно различать собственно наполнители и армирующие элементы. Наполнители — это преимущественно дисперсные и

коротковолокнистые вещества, введение которых позволяет достичь не более чем дву­кратного повышения прочности матрицы. Армирующие элементы (арматура) — это высокопрочные стержни, волокна и ткани, которые способствуют повышению прочности материала в 2—10 и более раз по сравнению с прочностью матрицы.

В композиционном материале могут находиться и наполнители, и армирующие элементы (рис. 27).

Простейшие случаи расположения армирующих элемен­тов и наполнителей в матрице композиционного материала:

а — порошка;

б — коротких волокон;

в — чешуек;

г — смеси порошка с короткими волокнами;

д — коротких волокон;

е — длинных волокон;

ж — тканей или фольги;

и — длинных волокон

(а-г, и) — хаотическое расположение,

(д~з) — одноосноориентированное расположение,

(к-м) — сложно-ориентированное расположение арматуры и наполните­лей в матрице композиционного материала

По макростроению композиционные материалы раз­личают в соответствии с геометрическими параметрами относительного расположения компонентов друг к дру­гу (рис. 27).

По методам получения композиты подразделяют на материалы, формируемые путем соединения компонентов:

—в твердой или жидкой фазах;

—с использованием газофазных процессов;

—в вязкотекучем состоянии;

—при помощи разнообразных комбинаций фазовых
состояний компонентов.

Чаще всего при изготовлении композита применяют последовательные или параллельные технологические операции с компонентами, находящимися в различных фазовых состояниях.

Жидкофазными компонентами — растворами и рас-м папами матричного материала — пропитывают армату­ру. Твердофазные компоненты соединяют в композици­онный материал прессованием, уплотнением взрывом, диффузионной сваркой. К газофазным технологическим процессам относят нанесение металлических или кера­мических матричных покрытий на армирующие элемен­ты — волокна, ткани. В вязкотекучем состоянии перера­батывают большинство композитов на полимерной матрице.

Направления использования композиционных матери­алов. Создание и применение композитов — один из наиболее перспективных путей обеспечения производстваконструкционными материалами, решения задач повышения эксплуатационных параметров техники, экономии ресурсов.

Современные композиционные материалы сочетают высокиепрочностные свойства с легкостью и долговеч­ностью. Их использование в машинах и оборудовании позволяет снизить массу конструкции на 25—50 %, трудоёмкость их изготовления — в 1,5—3 раза. За счет при­менения композитов можно в несколько раз увеличить эксплуатационный ресурс технического объекта, сни­зить до минимума потери от коррозии, расход топлива, и т. д.

Определились две области эффективного использо­вания композиционных материалов:

— в качестве заменителей дефицитных традиционных
материалов (цветных металлов, натуральных тканей
и др.), когда используется недефицитное или вто­ричное сырье: древесные опилки, отходы синтети­ческих волокон и тканей, сельскохозяйственного и
химического производства. Из них изготовляют
древесно-полимерные, волокнисто-армированные листовые материалы для отделки интерьера кабин и кузовов автомобилей, утеплительные и звуко-­
изоляционные панели, разнообразные малонагруженные детали агрегатов и механизмов;

— в качестве конструкционных материалов с уникаль­ными эксплуатационными свойствами. Они наибо­лее широко используются для изготовления ответственных изделий, в первую очередь в авиации,
автомобилестроении и электронике. Доля компо­зиционных материалов в автомобилях в ближай­шие годы может достигнуть 65 %. Из композитов
изготовляют не боящиеся коррозии рамы, рессо­ры, бамперы, узлы трения.

Композиционные материалы на полимерной матрице (КПМ) содержат полимерное связующее (матрицу), объединяющее все компоненты материала в единую структуру.

К композиционным материалам на полимерной мат­рице относятся:

— пластмассы — материалы, основу которых состав­ляют полимеры, находящиеся во время формова­ния в вязкотекучем или высокоэластическом со­стоянии;

— пластики, армированные волокнами, тканями и
объемными элементами;

— металлопласты, состоящие из чередующихся сло­
ев металла и полимерного материала;

— микрокапсулы — твердые оболочки, содержащие
малые объемы жидких или газообразных веществ;

— сотопласты и др.

В настоящее время номенклатура КПМ насчитывает сотни наименований, объединяющих материалы с уни­кальными удельной прочностью и коррозионной стой­костью, регулируемыми магнитными и электрическими характеристиками, разнообразными функциональными свойствами. Предельная температура использования КПМ соответствует 200—400°С, при этом, сочетание высо­кой прочности и стойкости к коррозии делает их перс­пективным материалом для космического машиностроения.

Композиционные материалы на металлической матри­це (КММ) значительно превосходят по эксплуатацион­ным характеристикам металлы и сплавы, в частности, по жаростойкости, жесткости, удельной прочности. Взаи­модействие матрицы и усиливающих компонентов КММ протекает главным образом в форме диффузии и химических реакций.

Номенклатура КММ делится на следующие группы:

— дисперсно-упрочненные материалы, армированные
частицами (в том числе — псевдосплавы, получен­ные методом порошковой металлургии);

— эвтектические композиционные материалы — спла­вы с направленной кристаллизацией эвтектиче­ских структур;

— волокнистые материалы, армированные дискрет­ными, или непрерывными волокнами.

Дисперсно-упрочненные материалы — когда в металли­ческой матрице равномерно распределены частицы уп­рочняющей фазы сверхмалых размеров. Такие матери­алы формуются спеканием мелкодисперсных частиц оксидов, карбидов и других тугоплавких соединений, которые при высоких температурах не растворяются в матрице.

КММ из спеченного алюминиевого порошка (СПП) превосходят по прочности все промышленные алюмини­евые сплавы. Материалы на основе меди, упрочненные оксидами, карбидами, приобретают жаропрочность, ко­торая сочетается с высокой электропроводностью, при­сущей медной матрице. Они используются для изготов­ления электроконтактов.

Псевдосплавы состоят из металлических фаз, не обра­зующих растворы и не вступающих в химические соеди­нения.

Номенклатура псевдосплавов включает материалы, предназначенные для решения задач триботехники. Материалы на основе вольфрама (W-Cu и W-Ag), мо­либдена (Mo-Cu) и никеля (Ni-Ag) сочетают высокую твердость, прочность и электропроводность. Псевдо­сплавы на основе железа (Fe-Cu, Fe-C-Cu и др.) износо­стойки, хорошо работают при воздействии ударных на­грузок; содержащие свинец и серебро — применяются для изготовления самосмазывающихся подшипников.

Эвтектические композиционные материалы — сплавы эвтектического состава, в которых армирующей фазой служат ориентированные (методами направленной кри­сталлизации) волокнистые или пластинчатые кристаллы. Номенклатуру эвтектических КММ делят на две ча­сти:

— материалы конструкционного назначения — на ос­нове легких сплавов; жаропрочные — на основе
тугоплавких металлов (например, сплавы на осно­ве алюминия применяют для изготовления высо­копрочных электрических проводов; сплавы на основе никеля и кобальта — для изготовления
лопаток и крепежных деталей газотурбинных дви­гателей);

— материалы с особыми физическими свойствами —
полупроводниковые, ферромагнитные и др., применяются в электронной технике для изготовле­ния бесконтактных переменных сопротивлений, переключателей электрических цепей; магнитные КММ применяют для изготовления магнитопроводов, носителей информации (магнитные диски).

Волокнистые материалы — КММ, армированные волокнами, обладают необычайно высокими механичес­кими характеристиками.

Номенклатура волокнистых КММ включает множе­ство материалов на матрицах из алюминия, магния, ти­тана, меди, никеля, кобальта и др., предназначенных для авиационной, космической и других областей техники, где высокая первоначальная стоимость разработки ма­териалов окупается за счет выигрыша в их эксплуатаци­онных характеристиках.

Керамические композиционные материалы (ККМ) — у которых матрица выполнена из керамического матери­ала, полученного из неметаллического минерального сырья (глин, оксидов и других соединений).

Дисперсные ККМ состоят из матрицы и частиц металлического наполнителя, равномерно распределенных по объему материала. В армированных ККМ волокнообразныйметаллический наполнитель может быть располо­жен произвольно и ориентированно.

Металлокерамические материалы на основе кремния или алюминия используют для изготовления деталей двигателей внутреннего сгорания. В фирмах «Дженерал моторс» и «Форд моторс» получены положительные результаты испытаний металлокерамического блока цилиндров. Аналогичные работы проводят фирмы «Дай­млер Бенц», «Порше». Японская фирма «НГК Спарк Плагс» испытала двигатель, который полностью выпол­нен из керамических материалов.

Слоистыми ККМ являются конструкции, состоящие из металлической основы с нанесенным керамическим покрытием. Керамический компонент такого материала может быть нанесен на металл эмалированием, газо­пламенным напылением, разложением солей металлов и последующим их окислением,

Углерод-углеродные композиционные материалы (УКМ), армирующий каркас которых изготовляют из углеродных волокон, а матрицу — из монолитного угле­рода.

В России производятся композиты на пилоуглеродной матрице УКМ-1 (армирован углеграфитовый тка­нью УУТ-2), УКМ-2 (армирован карбонизированным углепластиком); графиты, уплотненные гидроуглеро­дом - ГМЗ-ПУ, ПГ-50-ПУ, ЭГ-О-ПУ (получают осаж­дением пироуглерода в порах графита путем термиче­ского разложения газообразных углеводородов), и др.

Углерод-углеродные композиционные материалы применяют для изготовления деталей, работающих в условиях высоких температур (прокладки и уплотнения теплообменной аппаратуры и т. д.).

Контрольные вопросы

1. Что называется композиционными материалами?

2. По каким параметрам классифицируются компози­ционные материалы?

3. В каких целях используются композиционные мате­риалы?

Дата добавления: 2014-01-07