Основы технологии производства композиционных материалов

Композиционные материалы (КМ) или композиты – это искусственно созданные материалы, состоящие из двух или более разнородных и нерастворимых друг в друге компонентов (фаз), соединяемых между собой физико-химическими связями.

Большое значение замены металлов и других традиционных конструкционных материалов на композиты состоит в том, что вместо ограниченного числа материалов с постоянными и практически равными во всех направлениях свойствами появляется возможность применять большее число новых материалов со свойствами, различающимися в разных направлениях (анизотропия свойств КМ). Само создание изделий из КМ является примером единства конструкции и технологии, поскольку материал, спроектированный конструктором, образуется одновременно с изделием при его изготовлении и свойства КМ в значительной мере зависят от параметров технологического процесса.

В общем случае в КМ четко выражено различие в свойствах компонентов. Одним из этих компонентов является арматура или наполнитель, а вторым – связывающая их матрица.

Матрица в КМ выполняет функцию среды, в которой распределен наполнитель. Наполнитель в КМ воспринимает основные напряжения, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, придавая ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. Работоспособность композита обеспечивается как правильным выбором и сочетанием матрицы и наполнителя, так и рациональной технологией их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между ними.

В качестве матрицы в КМ используют эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные и другие смолы, алюминий, магний, титан, никель, жаропрочные сплавы, керамику, углерод различной модификации.

КМ получают общее название по типу материала матрицы.

КМ с полимерной матрицей называют полимерными (ПКМ), с металлической - металлическими (ККМ), с углеродной – углеродными (УКМ) и т.д..

Формирование деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) может осуществляться как методами, присущими формированию изделий из полимеров (литье под давлением экструзия, прессование и др.), так и специальными методами (намотка и др.), присущим только данному классу материалов.

Намоткой называют процесс формирования, при котором заготовки получают укладкой по заданным траекториям формирующего наполнителя (нитей, лент, тканей), обычно пропитанного полимерным связующим, на вращающиеся технологически оправки. Оправки имеют конфигурацию и размеры, соответствующие внутренним размерам изготавливаемой детали. Формирование завершается отвердением. Намоткой изготавливают конструкции, имеющие форму тел вращения или близкую к ней: трубы, баки, емкости, короба, стержни и т.п.

В металлических композиционных материалах (МКМ) матрицей являются металлы и их сплавы, а арматурой - металлические и неметаллические волокна.

Технологическую схему производства изделий из МКМ можно представить следующим образом: 1) очистка поверхности волокон и матрицы; 2) объединение волокон матрицы; 3) получение МКМ методами пластической деформации, порошковой металлургии, литья либо комбинацией этих методов.

Наиболее производительный способ производства листовых, ленточных МКМ - прокатка.

Жидкофазный метод предусматривает получение МКМ совмещением армирующих волокон с расплавленной матрицей.

Изготовление МКМ методами осаждения-нанесения состоит в нанесении на волокна различными способами (газо-фазными, химическими, электролитическим, плазменным) матричного материала и заполнение им межволоконного пространства.

Наибольшее применение получили методы газо-термического (обычно плазменного) напыления и электролитического осаждения.

При плазменном нанесении покрытий наносимый материал матрицы в виде порошка или проволоки подводится к плазменной струе, расплавляется и подхваченный потоком плазмообразующего газа (например, аргона) направляется к поверхности изделия. Двигаясь с большой скоростью (150 м/с) частицы материала при ударе о поверхность подложки (металлическая фольга) прочно соединяются с уложенными на ней определенным образом волокнами. Полученный МКМ требует дальнейшей обработки давлением.

Керамические композиционные материалы (ККМ) – это материалы, в которых матрица состоит из керамики, а арматура из металлических или неметаллических наполнителей.

Керамические материалы характеризуются высокими температурами плавления, высокой стойкостью к окислению. Армируя их металлическими углеродными или керамическими волокнами, достигают значительного улучшения физико-механических свойств материала. Для получения ККМ используют преимущественно методы порошковой металлургии; гидростатическое и горячее прессование, шликерное, вакуумное литье и другие методы.

ККМ с металлическими волокнами. Обычно - это волокна вольфрама, молибдена, стали, ниобия. Основная цель такого армирования – образование пластической сетки, которая способна обеспечить целостность керамики после ее растрескивания и уменьшить вероятность преждевременного разрушения. Такие ККМ изготавливают горячим прессованием. Широкое применение металлических волокон ограничивается их низкой стойкостью к окислению при высоких температурах.

ККМ с углеродными волокнами. Взаимодействие углерода с оксидами, карбидами, силицидами происходит при более высоких температурах, чем с металлами, поэтому использование таких ККМ в качестве высокотемпературных является перспективным. Из углекерамических КМ наиболее широко исследованы композиты со стеклянной матрицей.

Материалы типа «Керамика-керамика» имеют большую перспективу, так как имеют малое различие модуля упругости матрицы и наполнителя, коэффициентов термического расширения, химическое средство, возможность работы до 2000ºС

Углерод - углеродные КМ (УУКМ). Представляют собой углеродистую или графитовую матрицу, армированную углеродным или графитовым волокном.

Основные достоинства УУКМ: высокая теплоемкость, малая плотность, стойкость к тепловому удару и облучению, высокие прочностные и жесткостные характеристики при обычной и повышенной температуре, низкий коэффициент термического расширения.

Типовым материалом для матриц служат смолы (фенольные, эпоксидные и другие) и каменноугольный пек-продукт крекинга угля.

Для получения УУКМ используется три способа: 1)пропитка смолой волокнистого каркаса и карбонизация; 2)осаждение углерода из газовой фазы между волокнами каркаса; 3)сочетание пропитки и карбонизации с осаждением углерода из газовой фазы.

Области применения ПКМ

Стеклопластики – самые дешевые из всех ПКМ, поэтому их применение оправдано в серийном и массовом производстве. Судостроение – корпуса лодок, катеров, речных и морских судов. Строительство и химическая промышленность – строительные панели, воздуховоды, реакционные аппараты, различные емкости, химически стойкие и прочные трубы, корпуса насосов, вентиляторов и так далее. Автомобильный и железнодорожный транспорт –кабины грузовиков, баки для горючего, цистерны для перевозки жидких и сыпучих грузов, приборные панели и так далее.

Органопластики – низкая плотность, высокая прочность, жесткость, влагостойкость, химическая стойкость, диэлектрические и теплофизические свойства определили их применение в качестве материалов электро- и коррозийностойкого, фрикционного назначения, в производстве спортинвентаря.

Углепластики – применяют в автомобильной промышленности, авиационной технике, химической промышленности, производстве спортинвентаря. Биологическая совместимость углеродного волокна с тканями позволяет использовать углепластики для протезирования, в медицинских приборах.

Боропластики - применяют из-за высокой стойкости в основном в авиационной и ракетно-космической технике, где используются их высокая прочность и жестокость при сжатии.

МКМ - применяют в таких областях, где они должны работать в агрессивных средах, при статических, циклических, ударных, вибрационных нагрузках. Наиболее эффективно применение МКМ в таких конструкциях, особые условия работы которых не допускают применение традиционных материалов.

В заключение отметим, что области применения композитов практически неограниченны, и в ближайшие годы надо ждать их широчайшего внедрения.