Лекція №24

Навчальні питання:

1. Композиційні матеріали. Класифікація.

2. Склад, будова та властивості композиційних матеріалів.

3. Порошкові матеріали.

Навчальне питання 1. Композиційні матеріали. Класифікація.

Композиційний матеріал - неоднорідний суцільний матеріал, що складається з двох або більше компонентів, серед яких можна виділити армуючі елементи, що забезпечують необхідні механічні характеристики матеріалу, і матрицю, що забезпечує спільну роботу армуючих елементів. Механічне поведінка композиту визначається співвідношенням властивостей армуючих елементів і матриці, а також міцністю зв'язку між ними. Ефективність і працездатність матеріалу залежать від правильного вибору вихідних компонентів і технології їх суміщення, покликаної забезпечити міцний зв'язок між компонентами при збереженні їх початкових характеристик. У результаті суміщення армуючих елементів і матриці утворюється комплекс властивостей композиту, не тільки відображає вихідні характеристики його компонентів, але і включає властивості, якими ізольовані компоненти не володіють. Зокрема, наявність кордонів розділу між армуючими елементами і матрицею істотно підвищує тріщиностійкість матеріалу, і в композитах, на відміну від металів, підвищення статичної міцності призводить не до зниження, а, як правило, до підвищення характеристик в'язкості руйнування.

Переваги композиційних матеріалів:

-Висока питома міцність;

-Висока жорсткість (модуль пружності 130 ... 140 ГПа);

-Висока зносостійкість;

-Висока втомна міцність;

З КМ можливо виготовити размеростабільние конструкції, причому, різні класи композитів можуть володіти одним або декількома перевагами.

Найбільш часті недоліки композиційних матеріалів:

-Висока вартість;

-Анізотропія властивостей;

-Підвищена наукоємність виробництва, необхідність спеціального дорогого обладнання та сировини, а отже розвиненого промислового виробництва та наукової бази країни.

Класифікація композиційних матеріалів .Композити - багатокомпонентні матеріали, що складаються з полімерної, металевої., Вуглецевої, керамічної або ін основи (матриці), армованої наповнювачами з волокон, ниткоподібних кристалів, тонкодісп e рсних частинок і ін Шляхом підбору складу та властивостей наповнювача і матриці (зв'язуючого), їх співвідношення, орієнтації наповнювача можна отримати матеріали з необхідним поєднанням експлуатаційних і технологічних властивостей. Використання в одному матеріалі декількох матриць (поліматричного композиційні матеріали) чи наповнювачів різної природи (гібридні композиційні матеріали) значно розширює можливості регулювання властивостей композиційних матеріалів. Армуючі наповнювачі сприймають основну частку навантаження композиційних матеріалів.

За структурою наповнювача композиційні матеріали поділяють на волокнисті (армовані волокнами і ниткоподібними кристалами), шаруваті (армовані плівками, платівками, шаруватими наповнювачами), дісперсноармірованние, або дисперсно-зміцнені (з наповнювачем у вигляді тонкодисперсних частинок). Матриця в композиційних матеріалах забезпечує монолітність матеріалу, передачу і розподіл напруги в наповнювачі, визначає тепло-, волого-, вогне-і ​​хім. стійкість.

За природою матричного матеріалу розрізняють полімерні, металеві, вуглецеві, керамічні та ін композити.

Композиційні матеріали з металевою матрицею представляють собою металевий матеріал (частіше Al, Mg, Ni і їх сплави), зміцнений високоміцними волокнами (волокнисті матеріали) чи тонкодисперсними тугоплавкими частинками, не розчиняються в основному металі (дисперсно-зміцнені матеріали). Металева матриця пов'язує волокна (дисперсні частинки) в єдине ціле.

Композиційні матеріали з неметалевої матрицею знайшли широке застосування. Як неметалевих матриць використовують полімерні, вуглецеві та керамічні матеріали. З полімерних матриць найбільшого поширення набули епоксидна, фенолоформальдегідних і поліамідна. Вугільні матриці, коксоване або піроуглеродние, отримують із синтетичних полімерів, підданих піролізу. Матриця пов'язує композицію, надаючи їй форму. Зміцнювачі служать волокна: скляні, вуглецеві, борні, органічні, на основі ниткоподібних кристалів (оксидів, карбідів, боридів, нітридів та інших), а також металеві (дроту), що володіють високою міцністю і жорсткістю.

Композиційні матеріали з волокнистим наповнювачем (упрочнителей) за механізмом армуючого дії ділять на дискретні, в яких відношення довжини волокна до діаметру відносно невелика, і з безперервним волокном. Дискретні волокна розташовуються в матриці хаотично. Діаметр волокон від часток до сотень мікрометрів. Чим більше відношення довжини до діаметра волокна, тим вище ступінь зміцнення.

Часто композиційний матеріал являє собою шарувату структуру, в якій кожен шар армований великим числом паралельних безперервних волокон. Кожен шар можна армувати також безперервними волокнами, витканими в тканину, яка представляє собою вихідну форму, по ширині та довжині відповідну кінцевому матеріалу. Нерідко волокна сплітають в тривимірні структури.

Композиційні матеріали відрізняються від звичайних сплавів більш високими значеннями тимчасового опору і межі витривалості (на 50 - 10%), модуля пружності, коефіцієнта жорсткості і зниженою схильністю до утворення тріщин. Застосування композиційних матеріалів підвищує жорсткість конструкції при одночасному зниженні її металоємності. Міцність композиційних (волокнистих) матеріалів визначається властивостями волокон; матриця в основному повинна перерозподіляти напруги між армуючими елементами. Тому міцність і модуль пружності волокон повинні бути значно більше, ніж міцність і модуль пружності матриці. Жорсткі армуючі волокна сприймають напруги, що у композиції при навантаженні, надають їй міцність і жорсткість у напрямку орієнтації волокон.

Для зміцнення алюмінію, магнію та їх сплавів застосовують борні волокна, а також волокна з тугоплавких сполук (карбідів, нітридів, боридів та оксидів), що мають високі міцність і модуль пружності. Для армування титану і його сплавів застосовують молибденовую дріт, волокна сапфіру, карбіду кремнію і борида титану. Підвищення жароміцності нікелевих сплавів досягається армуванням їх вольфрамової чи молібденової дротом. Металеві волокна використовують і в тих випадках, коли потрібні високі теплопровідність і електропровідність. Перспективними упрочнителя для високоміцних і високомодульних волокнистих композиційних матеріалів є ниткоподібні кристали з оксиду і нітриду алюмінію, карбіду і нітриду кремнію, карбіду бору та ін Композиційні матеріали на металевій основі мають високу міцність і жароміцністю, в той же час вони малопластична. Однак волокна в композиційних матеріалах зменшують швидкість поширення тріщин, що зароджуються в матриці, і практично повністю зникає раптове крихке руйнування. Відмінною особливістю волокнистих одноосьових композиційних матеріалів є анізотропія механічних властивостей вздовж і впоперек волокон і мала чутливість до концентраторів напруги. Анізотропія властивостей волокнистих композиційних матеріалів враховується при конструюванні деталей для оптимізації властивостей шляхом узгодження поля опору з полями напруги. Необхідно враховувати, що матриця може передавати напруги волокнах тільки в тому випадку, коли існує міцний зв'язок на поверхні розділу армуюче волокно - матриця. Для запобігання контакту між волокнами матриця повинна цілком оточувати всі волокна, що досягається при вмісті її не менш 15-20%. Матриця і волокно не повинні між собою взаємодіяти (має бути відсутня взаємна дифузія) при виготовленні та експлуатації, так як це може призвести до зниження міцності композиційного матеріалу. Армування алюмінієвих, магнієвих і титанових сплавів безперервними тугоплавкими волокнами бору, карбіду кремнію, борида титану та оксиду алюмінію значно підвищує жароміцність. Особливістю композиційних матеріалів є мала швидкість разупрочнения в часі з підвищенням температури.

Основним недоліком композиційних матеріалів з ​​одно і двовимірним армуванням є низький опір міжшарової зрушення і поперечному обриву. Цього позбавлені матеріали з об'ємним армуванням.

На відміну від волокнистих композиційних матеріалів у дисперсно-зміцнених композиційних матеріалах матриця є основним елементом, що несе навантаження, а дисперсні частинки гальмують рух в ній дислокацій.

Висока міцність досягається при розмірі частинок 10-500 нм при середній відстані між ними 100-500нм і рівномірному розподілі їх в матриці. Міцність і жароміцність в залежності від об'ємного вмісту зміцнюючих фаз не підпорядковуються закону адитивності. Оптимальний зміст другої фази для різних металів неоднаково, але звичайно не перевищує 5-10 об. %. Використання як зміцнюючих фаз стабільних тугоплавких сполук (оксиди торію, гафнію, ітрію, складні сполуки оксидів і рідкоземельних металів), не розчиняються в матричному металі, дозволяє зберегти високу міцність матеріалу до 0,9-0,95 Т пл. У зв'язку з цим такі матеріали найчастіше застосовують як жароміцні. Дисперсно-зміцнені композиційні матеріали можуть бути отримані на основі більшості застосовуваних в техніці металів і сплавів. Найбільш широко використовують сплави на основі алюмінію - САП (спечений алюмінієвий порошок).

Навчальне питання 2. Склад, будова та властивості композиційних матеріалів.

Властивості композиційних матеріалів залежать від складу компонентів, їх поєднання, співвідношення і міцності зв'язку між ними. Армуючі матеріали можуть бути у вигляді волокон, джгутів, ниток, стрічок, багатошарових тканин. Зміст упрочнителя в орієнтованих матеріалах складає 60-80 об.%, В неорієнтованих (з дискретними волокнами і ниткоподібними кристалами) 20-30 об.%. Чим вище міцність і модуль пружності волокон, тим вище міцність і жорсткість композиційного матеріалу. Властивості матриці визначають міцність композиції при зсуві і стиску і опір втомного руйнування. У шаруватих матеріалах волокна, нитки, стрічки, просочені сполучною, укладаються паралельно один одному в площині укладання. Плоскі шари збираються в пластини. Властивості виходять анізотропними. Для роботи матеріалу у виробі важливо враховувати напрям діючих навантажень. Можна створити матеріали як з ізотропними, так і з анізотропними властивостями. Можна укладати волокна під різними кутами, варіюючи властивості композиційних матеріалів. Від порядку укладання шарів по товщині пакета залежать згинні і крутильні жорсткості матеріалу. Застосовується укладання упрочнителей з трьох, чотирьох і більше ниток. Найбільше застосування має структура з трьох взаємно перпендикулярних ниток. Зміцнювачі можуть розташовуватися в осьовому, радіальному та окружному напрямках. Тривимірні матеріали можуть бути будь-якої товщини у вигляді блоків, циліндрів. Об'ємні тканини збільшують міцність на відрив і опір зрушенню в порівнянні з шаруватими. Система з чотирьох ниток будується шляхом розкладання упрочнителя по діагоналях куба. Структура з чотирьох ниток рівноважна, має підвищену жорсткість при зсуві в головних площинах. Проте створення четирехнаправленних матеріалів складніше, ніж трехнаправленних.

Найбільше застосування в будівництві та техніці отримали композиційні матеріали, армовані високоміцними і високомодульних безперервними волокнами. До них відносять: полімерні композиційні матеріали на основі термореактивних (епоксидних, поліефірних, феноло-формальдегідних, поліамідних тощо) і термопластичних сполучних, армованих скляними (склопластики), вуглецевими (вуглепластики), органічними (органопластікі), борними (боропластікі) та ін . волокнами; металеві композиційні матеріали на основі сплавів Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сr, армованих борними, вуглецевими або карбідкремнійового волокнами, а також сталевий, молібденової або вольфрамової дротом; композиційні матеріали на основі вуглецю, армованого вуглецевими волокнами (вуглець- вуглецеві матеріали); композиційні матеріали на основі кераміки, армованої вуглецевими, карбідокремніевимі та ін жаростійкими волокнами і SiC. При використанні вуглецевих, скляних, амідних і борних волокон, що містяться в матеріалі в кол-ве 50-70%, створені композиції з питомою міцністю і модулем пружності в 2-5 разів більшими, ніж у звичайних конструкційних матеріалів і сплавів. Крім того, волокнисті композиційні матеріали перевершують метали і сплави по втомної міцності, термостійкості, вібростійкості, шумопоглинанню, ударної в'язкості та ін властивостями. Так, армування сплавів А l волокнами бору значно покращує їх механічні характеристики і дозволяє підвищити температуру експлуатації сплаву з 250-300 до 450-500 ° С. Армування дротом (з W і Мо) і волокнами тугоплавких сполук використовують при створенні жароміцних композиційних матеріалів на основі Ni, Cr, Co, Ti і їх сплавів. Так, жароміцні сплави Ni, армовані волокнами, можуть працювати при 1300-1350 ° С. При виготовленні металевих волокнистих композиційних матеріалів нанесення металевої матриці на наповнювач здійснюють в основному з розплаву матеріалу матриці, електрохімічним осадженням або напиленням. Формування виробів проводять гол. обр. методом просочування каркаса з армуючих волокон розплавом металу під тиском до 10 МПа або з'єднанням фольги (матричного матеріалу) з армуючими волокнами із застосуванням прокатки, пресування, екструзії при нагріванні до температури плавлення матеріалу матриці.

Один із загальних технологічних методів виготовлення полімерних та металевих волокнистих і шаруватих композиційних матеріалів - вирощування кристалів наповнювача в матриці безпосередньо в процесі виготовлення деталей. Такий метод застосовують, напр., При створенні евтектичних жароміцних сплавів на основі Ni і Со. Легування розплавів карбідним і интерметаллическими сполуками, що утворюють при охолодженні в контрольованих умовах волокнисті або пластинчасті кристали, призводить до зміцнення сплавів і дозволяє підвищити температуру їх експлуатації на 60-80 o С. Композиційні матеріали на основі вуглецю поєднують низьку щільність з високою теплопровідністю, хім. стійкістю, постійністю розмірів при різких перепадах температур, а також зі зростанням міцності та модуля пружності при нагріванні до 2000 ° С в інертному середовищі. Високоміцні композиційні матеріали на основі кераміки отримують при армуванні волокнистими наповнювачами, а також металевими і керамічними дисперсними частинками. Армування безперервними волокнами SiC дозволяє отримувати композиційні матеріали, що характеризуються підвищеною в'язкістю, міцністю на вигин і високою стійкістю до окислення при високих температурах. Однак армування кераміки волокнами не завжди призводить до значного підвищення її міцнісних властивостей через відсутність еластичного стану матеріалу при високому значенні його модуля пружності. Армування дисперсними металевими частинками дозволяє створити кераміко-металічні матеріали (кермети), що володіють підвищеною міцністю, теплопровідністю, стійкістю до теплових ударів. При виготовленні керамічних композиційних матеріалів звичайно застосовують гаряче пресування, пресування з наступним спіканням, шлікерної лиття. Армування матеріалів дисперсними металевими частинками призводить до різкого підвищення міцності внаслідок створення бар'єрів на шляху руху дислокацій. Таке армування гол. обр. застосовують при створенні жароміцних хромонікелевих сплавів. Матеріали одержують введенням тонкодисперсних частинок в розплавлений метал з подальшою переробкою звичайної злитків у вироби. Введення, напр., ТhO₂ або ZrO₂ в сплав дозволяє отримувати дісперснозміцнені жароміцні сплави, які тривалий час працюють під навантаженням при 1100-1200 ° С (межа працездатності звичайних жароміцних сплавів в тих же умовах 1000-1050 ° С). Перспективний напрямок створення високоміцних композиційних матеріалів - армування матеріалів ниткоподібними кристалами ("вусами"), які внаслідок малого діаметра практично позбавлені дефектів, наявних у більш великих кристалах, і володіють високою міцністю. Найбільш практичний інтерес представляють кристали Аl₂О₃, BeO, SiC, B₄C, Si₃N₄, AlN і графіту діаметром 1-30 мкм і довжиною 0,3-15 мм. Використовують такі наповнювачі у вигляді орієнтованої пряжі або ізотропних шаруватих матеріалів на зразок паперу, картону, повсті. Введення в композицію ниткоподібних кристалів може надавати їй незвичайні поєднання електричних і магнітних властивостей. Вибір і призначення композиційних матеріалів багато в чому визначаються умовами навантаження і температурою експлуатації деталей або конструкцій, технол. можливостями. Найбільш доступні й освоєні полімерні композиційні матеріали. Велика номенклатура матриць у вигляді термореактивних і термопластичних полімерів забезпечує широкий вибір композиційні матеріали для роботи в діапазоні від негативних температур до 100-200 ° С - для органопластіков, до 300-400 ° С - для скло-, вугле - і боропластіков. Полімерні композиційні матеріали з поліефірної і епоксидної матрицею працюють до 120-200 °, з фенолформальдегіду - до 200-300 ° С, поліамідної і кремнійорганічної - до 250-400 ° С. Металеві композиційні матеріали на основі А l, Mg та їх сплавів, армовані волокнами з В, С, SiC, застосовують до 400-500 ° С; композиційні матеріали на основі сплавів Ni і Со працюють при температурі до 1100-1200 ° С, на основі тугоплавких металів і з'єднань - до 1500-1700 ° С, на основі вуглецю і кераміки - до 1700-2000 ° С. Використання композитів як конструкційні теплозахисних, антифрикційних, радіо - та електротехнічних та інших матеріалів дозволяє знизити масу конструкції, підвищити ресурси та потужності машин і агрегатів, створити принципово нові вузли, деталі та конструкції. Всі види композиційні матеріали застосовують в хімічній, текстильній, гірничорудної, металургійної промисловості, машинобудуванні, на транспорті, для виготовлення спортивного спорядження і ін.