Дисперсионно-упрочненные полимерные композиты

Дисперсно-упрочненные полимерные композиты состоят из полимерной матрицы, в которой распределены частицы наполнителя размером от 0,01 до 0,1 мкм. В качестве полимерной матрицы в них используют эпоксидные смолы,полиметилметакрилат, полиэтиленгликоль, поливинилиденфторид, полиуретан, полистирол, поликарбонат, поликапролактон, полиакрилонитрил, полибутадиен, сополимеры и другие жидкокристаллические полимеры. В качестве нанонаполнителей для дисперсно-упрочненных полимерных композитов применяют:нанотрубки;фибриллы (многостенные нанотрубки с закрытыми концами);фуллерены;нанопластины (хлопья толщиной менее 5 нм). К нанопластинам, в частности, относятся наноглины - алюмосиликатные материалы с пластинчатой структурой толщиной менее 1 нм и относительной длиной от 300 до 1500 нм;наночастицы и нанопорошки металлов и оксидов металлов.Дисперсионно-упрочненные полимерные композиты имеют значительно более высокие модуль упругости и прочность, по сравнению с исходными полимерными материалами, при одновременном сохранении пластичности и отсутствии охрупчивания.Высокая прочность достигается при размере частиц 10–500 нм при среднем расстоянии между ними 100–500 нм 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 5–10об.%.Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), нерастворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую проч­ность материала до 0,9–0,95Т_пл. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсноупрочненные 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). САП состоит из алюми­ния и дисперсных чешуек А1₂О₃. Частицы А1₂О₃ эффективно тормозят движение дислокаций и тем самым повышают прочность сплава. Содержание А1₂О₃ в САП колеблется от 6–9 % (САП-1) и до 13–18 % (САП-3). С увеличением содержания А1₂О₃ σ_B по­вышается от 300 для САП-1до 400 МПа для САП-3, а относительное удлинение соответственно снижается с 8 до 3%. 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 σ₁₀₀ для сплавов САП-1 и САП-2 при 500°С составляет 45–55 МПа.Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов. Наиболее высокую жаропрочность имеют сплавы на основе никеля с 2–З об.%двуоксида тория или двуоксида гафния. Матрица этих сплавов обычно γ-твердый раствор Ni+20% Cr, Ni+15% Mo, Ni+20% Cr и Мо. Широкое при­менение получили сплавы ВДУ-1 (никель, упрочненный дву­окисью тория), ВДУ-2 (никель, упрочненный двуокисью гафния) и ВД-3 (матрица Ni+20% Сг, упрочненная окисью тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. При темпера­туре 1200°С сплав ВДУ-1 имеет σ₁₀₀≈75 МПа и σ₁₀₀₀≈65 МПа, сплав ВД-3 – 65 МПа. Дисперсно-упрочненные компози­ционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительности выдержки при данной температуре (см. рис.7).Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т.д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т.д.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жидкости, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т.д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т.д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т.д.) и в других областях народного хозяйства.Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энерге­тических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

Дисперсті-беріктелген композициялық материалдарда металдық матрицадағы толықтырғышы жәй еритін фазалардың бөлшектері болып табылады. Олар - тотықтар. нитридтер, боридтер, карбидтер (Аl2О3, SіО2, ВN, SіС және т.б.). Бұл топтың жақсы касиеттеріне беріктік модулінің мәнінің жоғарлығы, химиялық әсерлерге төзімділігі, қаттылығы, төмен бағалануы жатады. Дисперсті-беріктелген композициялық материалдардың әсері екінші фазаның бөлшектерінің пішініне және металдың матрицада біркелкі таралуына тәуелді болады. Бөлшектердің оптималды пішіндері 0,01-0,05 мкм, ал арақашыктығы 0,1-0,5 мкм-ді құрайды. Беріктелген бөлшектерді материалға жасанды түрде енгізеді, яғни араластыру немесе металл ұнтағымен тығыздалған фазалық бірге үнтақтау жолымен, металдағы бөлшектердің беттерінің тотығуы, немесе химиялық тұндыру арқылы енгізеді және де тағы басқа әдістермен енгізуге болады, мысалы сіңіру әдісімен. Процестердің түрлі жолдарын іске асыратын технология, ол металургиядағы ұнтақты технология болып табылады.

а) дисперсті – беріктелген б) талшықты в)қабатты

Беріктеудің жоғарғы нәтижесін алу үшін, әсіресе температура жоғары болган кезде, екінші фазадағы АВ бөлшектері мынаңдай сұраныстарды қанағаттандыруы қажет:

-М - матрицасында қиын балқуы;

-Матрицадағы А және В диффузиясының жәй жылжуы;

-Матрица және АВ арасындағы шектің беттік энергиясының төмендеуі:

-Жоғары температурадағы будың серпімділігінің төмендеуі;

-АМ немесе МВ қосыластарының пайда болмауы үшін АВ және М матрицасынын әрекеттеспеуі

-Полиморфты алмасудың болмауы;

-Қиын балқымалы болуы

-Жоғары температурада коагуляцияның болмауы;

-Жоғары жылулықты көрсету.

Дисперсті-беріктелген композициялық материалдарда негізгі қиындықты матрица алады. Материалға механикалық әсер еткен кезде фазаны беріктететін дисперсті бөлшектер дислокацияның жылжуына кедергі болады және пластикалық өзгерістерінің дамуына қарсы келеді. Дислокация өзінің жылжу процесінде бөлшектерге бөлініп ары өтуі мүмкін немесе дисперсті фазаның бөлшектерінің иілуіне әкеледі.

Бақылау сұрақтары:

1.Тотық Қорытпадан Дисперсті-беріктелген композициялық материалдардың ерекшелігі мен қолданылу орны қалай?

2. Тотық Қорытпадан Дисперсті-беріктелген композициялық материалдардың артықшылығы қандай?

3. Тотық Қорытпадан Дисперсті-беріктелген композициялық материалдардың кемшілігі неде?