Классификация и области применения КМ

1.1. Классификация КМ

По характеру распределения армирующего материала КМ можно разделить на два основных класса:

- с упорядоченным армированием;

- с неупорядоченным армированием.

В первом случае разработчик материала заранее задается конфигурацией, т.е. геометрической структурой распределения арматуры в матрице. Во втором случае распределение арматуры носит случайный, хаотический характер.

Композиционные материалы обоих классов можно разделить по типу материалов, используемых в качестве матриц, и армирующих материалов. И те, и другие материалы могут быть органической и неорганической природы. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними.

Матрица в КМ обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне- и химическую стойкость. По природе матричного материала различают полимерные, металлические, углеродные, керамические и другие.

Армирующие материалы могут быть в виде волокон (жгутов, нитей, лент), многослойных тканей и частиц различной формы и размеров.

КМ обычно классифицируются по виду армирующего наполнителя:

- волокнистые;

- дисперсно-упрочненные;

- слоистые.

Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

По природе упрочнителя композиционные материалы классифицируют на:

- стекловолокниты;

- карбоволокниты;

- бороволокниты;

- органоволокниты.

Волокнистые композиционные материалы. Прочность волокнистых КМ определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы.

Наиболее широкое применение в технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят:

- полимерные КМ на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальд., полиамидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и другими волокнами;

- металлические КМ на основе сплавов алюминия, магния, меди, титана, никеля, хрома, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой;

- КМ на основе углерода (углепластики), армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы);

- КМ на основе керамики, армированной углеродными, карбидокремниевыми и другими жаростойкими волокнами.

При использовании углеродных, стеклянных и борных волокон, содержащихся в материале в количестве 50-70%, созданы композиции с прочностными характеристиками и модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые КМ превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости,, шумопоглощению, ударной вязкости и другим свойствам.

Так, армирование сплавов алюминия волокнами бора значительно улучшает их механические характеристики и позволяет повысить температуру эксплуатации сплава с 250-300 до 450-500°С. Армирование проволокой (из вольфрама и молибдена) и волокнами тугоплавких соединений используют при создании жаропрочных композиционных материалов на основе никеля, хрома, кобальта, титана и их сплавов. Так, жаропрочные сплавы на основе никеля, армированные волокнами, могут работать при 1300-1350°С.

Один из общих технологических методов изготовления полимерных и металлических волокнистых и слоистых композиционных материалов - выращивание кристаллов наполнителя в матрице непосредственно в процессе изготовления деталей. Такой метод применяют, например, при создании эвтектических жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта. Легирование расплавов карбидными и интерметаллическими соединениями, образующими при охлаждении в контролируемых условиях волокнистые или пластинчатые кристаллы, приводит к упрочнению сплавов и позволяет повысить температуру их эксплуатации на 60-80⁰С.

Композиционные материалы на основе углерода (углепластики) сочетают низкую плотность с высокой теплопроводностью, химической стойкостью, постоянством размеров при резких перепадах температур, а также с возрастанием прочности и модуля упругости при нагреве до 2000°С в инертной среде.

Высокопрочные композиционные материалы на основе керамики получают при армировании волокнистыми наполнителями, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами. Армирование непрерывными волокнами SiC позволяет получать композиционные материалы, характеризующиеся повышенной вязкостью, прочностью на изгиб и высокой стойкостью к окислению при высоких температурах. Однако армирование керамики волокнами не всегда приводит к значительному повышению ее прочностных свойств из-за отсутствия эластичного состояния материала при высоком значении его модуля упругости.

Содержание волокон в ориентированных материалах составляет 60-80 об% в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) – 20-30 об%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге, сжатии и сопротивление усталостному разрушению. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

Перспективное направление создания высокопрочных композиционных материалов - это армирование материалов нитевидными кристаллами ("усами"), которые вследствие малого диаметра практически лишены дефектов, имеющихся в более крупных кристаллах, и обладают высокой прочностью. Наибольший интерес представляют КМ, армированные нитевидными кристаллами керамических, полимерных и др. материалов. Размеры усов обычно составляют от долей до нескольких мкм по диаметру и примерно 10—15 мм по длине. Наибольший практический интерес представляют кристаллы оксидов алюминия, бериллия, карбидов кремния и бора, нитридов кремния и алюминия диаметром 1-30 мкм и длиной 0,3-15 мм. Используют такие наполнители в виде ориентированной пряжи или изотропных слоистых материалов наподобие бумаги, картона, войлока. Композиционные материалы на основе эпоксидной матрицы и нитевидных кристаллов ThO₂ (30% по массе) имеют модуль упругости 70 ГПа. Введение в композицию нитевидных кристаллов может придавать ей необычные сочетания электрических и магнитных свойств. Выбор и назначение композиционных материалов во многом определяются условиями эксплуатации детали или конструкции, технологическими возможностями.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы. В отличие от волокнистых КМ в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций.

Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100-500нм и равномерном распределении их в матрице.

Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5-10 об %.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), не растворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.

Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – САП (спеченный алюминиевый порошок).

Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкие стали при работе в интервале температур 250-500°С, по длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность для сплавов САП-1 и САП-2 при 500°С составляет 45-55 МПа.

Армирование материалов дисперсными металлическими частицами приводит к резкому повышению прочности вследствие создания барьеров на пути движения дислокаций. Такое армирование в основном применяют при создании жаропрочных хромоникелевых сплавов. Материалы получают введением тонкодисперсных частиц в расплавленный металл с последующей переработкой слитков в изделия. Введение, например, ТhO₂ или ZrO₂ в сплав позволяет получать дисперсно-упрочненные жаропрочные сплавы, длительно работающие под нагрузкой при 1100-1200°С (предел работоспособности обычных жаропрочных сплавов в тех же условиях -1000-1050°С). Армирование дисперсными металлическими частицами позволяет создать керамико-металлические материалы (керметы), обладающие повышенной прочностью, теплопроводностью, стойкостью к тепловым ударам.

Слоистые композиционные материалы. В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами.

Широкое применение находят КМ, имеющие сэндвичевые конструкции. Эта особая форма конструкции состоит из двух прочных облицовочных пластин – обшивок и толстой легкой сердцевины (соты) – заполнителя, распределяющего нагрузку между ними, а также адгезионных слоев, связывающих нагрузку от заполнителя к облицовкам и обратно.

Впервые сотовые конструкции были использованы в 1820 г. для облегчения массы несущих конструкций, а промышленное применение началось в 30-х годах нашего столетия.