Что значит "композиционные материалы"

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (композиты) материалы, образованные объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними. Характеризуются свойствами, которыми не обладает ни один из компонентов, взятый в отдельности. Различают композиционные материалы волокнистые (упрочненные волокнами или нитевидными кристаллами), дисперсноупрочненные (упрочнитель в виде дисперсных частиц) и слоистые (полученные прокаткой или прессованием разнородных материалов). По прочности, жесткости и др. свойствам превосходят обычные конструкционные материалы.

представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиции. По характеру структуры К. м. подразделяются на волокнистые, упрочнённые непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами , дисперсноупрочнённые материалы , полученные путём введения в металлическую матрицу дисперсных частиц упрочнителей, слоистые материалы , созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов. К. К. м. также относятся сплавы с направленной кристаллизацией эвтектических структур. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами. Волокнистые К. м., армированные нитевидными кристаллами и непрерывными волокнами тугоплавких соединений и элементов (SiC, AI2O3, бор, углерод и др.) являются новым классом материалов. Однако принципы армирования для упрочнения известны в технике с глубокой древности. Еще в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а в Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555≈60 при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали армированные железными полосами каменные плиты. Прообразом К. м. являются широко известный железобетон , представляющий собой сочетание бетона, работающего на сжатие, и стальной арматуры, работающей на растяжение, а также полученные в 19 в. прокаткой слоистые материалы. Успешному развитию современных К. м. содействовали: разработка и применение в конструкциях волокнистых стеклопластиков, обладающих высокой удельной прочностью (1940≈50); открытие весьма высокой прочности, приближающейся к теоретической, нитевидных кристаллов и доказательства возможности использования их для упрочнения металлических и неметаллических материалов (1950≈60); разработка новых армирующих материалов ≈ высокопрочных и высокомодульных непрерывных волокон бора, углерода, Al2O3, SiC и волокон других неорганических тугоплавких соединений, а также упрочнителей на основе металлов (1960≈70). В технике широкое распространение получили волокнистые К. м., армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами, в которых армирующие элементы несут основную нагрузку, тогда как матрица передаёт напряжения волокнам. Волокнистые К. м., как правило, анизотропны. Механические свойства их () определяются не только свойствами самих волокон (), но и их ориентацией, объёмным содержанием, способностью матрицы передавать волокнам приложенную нагрузку и др. Диаметр непрерывных волокон углерода, бора, а также тугоплавких соединений (В4С, SiC и др.) обычно составляет 100≈150 мкм. Волокнистые К. м., в отличие от монолитных сплавов, обладают высокой усталостной прочностью s-

1. Так, например, s-1 (база 107 циклов) алюминиевых сплавов составляет 130≈150 Мн/м2 (13≈15 кгс/мм2), в то время как у армированного борным волокном алюминиевого К. м. s-1 около 500 Мн/м2 (при той же базе). Предел прочности и модуль упругости К. м. на основе алюминия, армированного борным волокном, примерно в 2 раза больше, чем у алюминиевых сплавов В-95 и АК4-1.

   Важнейшими технологическими методами изготовления К. м. являются: пропитка армирующих волокон матричным материалом; формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы, получаемых намоткой; холодное прессование обоих компонентов с последующим спеканием, электрохимическое нанесение покрытий на волокна с последующим прессованием; осаждение матрицы плазменным напылением на упрочнитель с последующим обжатием; пакетная диффузионная сварка монослойных лент компонентов; совместная прокатка армирующих элементов с матрицей и другие.

   Табл. 1. ≈ Механические свойства волокнистых композиционных материалов с непрерывными волокнами

   Упрочнитель (волокно)

   Предел

   Удельная

   Модуль

   Удельный

   Матрица (основа)

   материал

   % (по объёму)

   Плотность, кг/м3

   прочности, Гн/м3

   прочность, кн-м/кг

   упругости, Гн/м3

   модуль упругости, Мн-м/кг

   Никель

   Вольфрам

   40

   12500

   0,8

   64

   265

   21,2

   Молибден

   50

   9300

   0,7

   75

   235

   25,25

   Титан

   Карбид кремния

   25

   4000

   0,9

   227

   210

   52

   Алюминий

   Борное волокно

   45

   2600

   1,1

   420

   240

   100

   Стальная проволока

   25

   4200

   1,2

   280

   105

   23,4

   Борное волокно

   40

   2000

   1,0

   500

   220

   110

   Магний

   Углеродное волокно

   50

   1600

   1,18

   737

   168

   105

   Полимерное связующее

   Борное волокно

   60

   1900

   1,4

   736

   260

   136,8

   Табл.

2. ≈ Свойства нитевидных кристаллов и непрерывных волокон

   Упрочнитель

   Температура плавления, ╟С

   Плотность, кг/м3

   Предел прочности, Гн/м2

   Удельная прочность, Мн∙м/кг

   Модуль упругости, Гн/м2

   Удельный модуль упругости, Мн∙м/кг

   Непрерывные волокна

   Al2O3

   2050

   3960

   2,1

   0,53

   450

   113

   B

   2170

   2630

   3,5

   1,33

   420

   160

   C

   3650

   1700

   2,5

   1,47

   250≈400

   147≈235

   B4C

   2450

   2360

   2.3

   0,98

   490

   208

   SiC

   2650

   3900

   2,5

   0,64

   480

   123

   W

   3400

   19400

   4,2

   0,22

   410

   21

   Mo

   2620

   10200

   2,2

   0,21

   360

   35

   Be

   1285

   1850

   1,5

   0,81

   240

   130

   Нитевидные кристаллы (усы)

   Al2O3

   2050

   3960

   28*

   7,1

   500

   126

   AlN

   2400

   3300

   15*

   4,55

   380

   115

   B4C

   2450

   2520

   14*

   5,55

   480

   190

   SiC

   2650

   3210

   27*

   8,4

   580

   180

   Si2N4

   1900

   3180

   15*

   4,72

   495

   155

   C

   3650

   1700

   21*

   12,35

   700

   410

   *Максимальные значения.

   В узлах конструкций, требующих наибольшего упрочнения, армирующие волокна располагаются по направлению приложенной нагрузки. Цилиндрические изделия и другие тела вращения (например, сосуды высокого давления) армируют волокнами, ориентируя их в продольном и поперечном направлениях. Увеличение прочности и надежности в работе цилиндрических корпусов, а также уменьшение их массы достигается внешним армированием узлов конструкций высокопрочными и высокомодульными волокнами, что позволяет повысить в 1,5≈2 раза удельную конструктивную прочность по сравнению с цельнометаллическими корпусами. Упрочнение материалов волокнами из тугоплавких веществ значительно повышает их жаропрочность. Например, армирование никелевого сплава вольфрамовым волокном (проволокой) позволяет повысить его жаропрочность при 1100 ╟С в 2 раза.

   Весьма перспективны К. м., армированные нитевидными кристаллами (усами) керамических, полимерных и др. материалов. Размеры усов обычно составляют от долей до нескольких мкм по диаметру и примерно 10≈15 мм по длине.

   Разрабатываются К. м. со специальными свойствами, например радиопрозрачные материалы и радиопоглощающие материалы , материалы для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов, с малым коэффициентом линейного термического расширения и высоким удельным модулем упругости и другие. Свойства К. м. на основе алюминия и магния (прочность, модуль упругости, усталостная и длительная прочность) более чем в 2 раза (до 500 ╟С) выше, чем у обычных сплавов. К. м. на никелевой и кобальтовой основах увеличивают уровень рабочих температур от 1000 до 1200 ╟С, а на основе тугоплавких металлов и соединений ≈ до 1500≈2000 ╟С. Повышение прочностных и упругих свойств материалов позволяет существенно облегчить конструкции, а увеличение рабочих температур этих материалов даёт возможность повысить мощность двигателей, машин и агрегатов.

   Области применения К. м. многочисленны; кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной промышленности ≈ для деталей двигателей и кузовов автомашин; в машиностроении ≈ для корпусов и деталей машин; в горнорудной промышленности ≈ для бурового инструмента, буровых машин и др.; в металлургической промышленности ≈ в качестве огнеупорных материалов для футеровки печей, кожухов и другой арматуры печей, наконечников термопар; в строительстве ≈ для пролётов мостов, опор мостовых ферм, панелей для высотных сборных сооружений и др.; в химической промышленности ≈ для автоклавов, цистерн, аппаратов сернокислотного производства, ёмкостей для хранения и перевозки нефтепродуктов и др.; в текстильной промышленности ≈ для деталей прядильных машин, ткацких станков и др.; в сельскохозяйственном машиностроении ≈ для режущих частей плугов, дисковых косилок, деталей тракторов и др.; в бытовой технике ≈ для деталей стиральных машин, рам гоночных велосипедов, деталей радиоаппаратуры и др.

   Применение К. м. в ряде случаев потребует создания новых методов изготовления деталей и изменения принципов конструирования деталей и узлов конструкций.

   Лит.: Волокнистые композиционные материалы, пер. с англ., М., 1967: Современные композиционные материалы, под ред. П. Крока и Л. Броутмана, пер. с англ., М., 1970; Туманов А. Т., Портной К. И., «Докл. АН СССР», 1971, т. 197, ╧ 1, с. 75; 1972, т. 205, ╧2, с. 336; их же, «Металловедение и термическая обработка металлов», 1972, ╧ 4, с. 24.

   А. Т. Туманов, К. И. Портной.