Композиционные материалы

Композиционные 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/м<sup>2</sup>
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.