Композиционные конструкционные материалы

Композиционные материалы (композиты) обладают комплексом свойств, которые предопределяют их успешное применение для совершенствования современных и разработки принципиально новых конструкций. Композитами называют материалы, которые состоят из двух и более компонентов, объединенных различными способами в монолит и сохраняющих при этом индивидуальные особенности.

Следующая совокупность признаков характерна для композиционных материалов (КМ):

• не встречаются в природе, поскольку созданы человеком;

• состоят из двух или более компонентов, различающихся по химическому составу и разделенных выраженной границей;

• имеют свойства, отличающиеся от свойств входящих в их состав компонентов;

• неоднородны в микрообъеме и однородны в макрообъеме;

• состав, свойства и распределения компонентов спроектированы заранее;

• свойства KM определяются каждым из компонентов, которые должны быть совместимыми.

Совместимыми считаются компоненты, на границе которых возможно достижение прочной связи, близкой к прочности матрицы, при условиях, обеспечивающих сохранение исходных свойств компонентов.

Компонент, расположенный непрерывно по всему объему материала, является матрицей. Компонент, который расположен в материале в виде прерывистых (дискретных) частей, разделенных матрицей, является армирующим (наполнитель, арматура, фаза) элементом КМ.

Многообразие армирующих элементов, матричных материалов и схем армирования, используемых при создании композитов, позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, значения рабочей температуры и другие свойства путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и микроструктуры КМ. Важным преимуществом композитов является возможность создания из них элементов конструкций, наиболее полно соответствующих условиям работы изделия.

По морфологии (форме, строению) армирующих фаз композиты подразделяют на нульмерные, одномерные, двумерные (табл. 18.3). В нульмерных KM упрочнение осуществляется частицами различной дисперсности, беспорядочно расположенных в матрице. Одномерные KM — это волокнистые композиты, упрочненные однонаправленными непрерывными или дискретными волокнами; двумерные KM — это слоистые материалы, содержащие одинаково ориентированные упрочняющие слои.

По распределению армирующих фаз (схеме армирования) можно выделить KM с одноосным (линейным), двухосным (плоскостным, например ортогональным) и трехосным (объемным) армированием. Композиты первых двух видов являются анизотропными, последнего — изотропными. Кроме того, к изотропным KM относят дисперсно-упрочненные материалы, псевдосплавы и хаотично армированные композиты, которые упрочняют короткими (дискретными) элементами игольчатой формы, ориентированными в пространстве случайным образом.

Анизотропия КМ, «проектируемая» заранее с целью изготовления конструкций из композитов, называется конструкционной. В технике обычно используют анизотропные материалы с некоторой симметрией свойств. Ортогональные (ортогонально анизотропные) материалы характеризуются наличием в каждом объеме трех взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии свойств. К таким материалам относятся КМ, армированные последовательно чередующимися слоями волокон в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и ткани с продольно-поперечной укладкой.

К некоторым KM понятия «матрица» и «армирующие элементы» неприемлемы, например к слоистым КМ, состоящим из чередующихся слоев двух металлических сплавов, или к псевдосплавам, имеющим характерное строение. Псевдосплавы получают пропиткой пористой заготовки более легкоплавкими композитами, их структура представляет собой два взаимно проникающих непрерывных каркаса.

Классифицируют КM по следующим основным признакам:

• материалам матрицы или армирующих элементов;

• форме и размерам компонентов;

• структуре и расположению компонентов;

• методу получения материала.

Полная характеристика KM должна содержать все указанные признаки. На практике обычно ограничиваются одним-двумя из них. Как правило, название композита происходит от материала матрицы. KM с металлической матрицей называют металлическими (МКМ), с полимерной — полимерными (ПКМ), композиты с углеродом — углеродными, с керамикой — керамическими, с неорганической матрицей — неорганическими КМ. Композиты, содержащие два или более различных по составу и природе матричных материала, именуют полиматричными.

Название полимерных KM состоит обычно из двух частей: в первой указывают материал волокна, во второй используют слово «пластик» или «волокнит». Например, ПКМ, армированные стекловолокном (СВ), называют стеклопластиками или стекловолокнитами, металлическими волокнами — металлопластиками (металловолокнитами), органическими волокнами — органопластиками (органоволокнитами), борными волокнами — боропластиками (бороволокнитами), углеродными волокнами (YB) — углепластиками (углеволокнитами) и т. д.

Обозначение типа композита чаще всего встречается двойное: вначале указывают материал матрицы, затем материал волокна. Например, обозначение медь — вольфрам (Cu—W) относится к KM с медной матрицей и вольфрамовыми волокнами; оксид алюминия — молибден (Al2O3—Mo) — KM на основе Al2O3 с арматурой из молибденовых проволок. Используют и другие обозначения: сложное слово, в первой части которого указывают материал волокна, во второй — матрицы (например, бороалюминий, угле-алюминий и др.).

Композиты, содержащие два или более различных по составу или природе армирующих элементов, называются полиармированными. Такие KM подразделяют на простые, если армирующие элементы имеют различную природу, но одинаковые геометрические размеры (например, стекло-углепластик — полимер, армированный CB и YB), и комбинированные, если армирующие элементы различны по природе и по геометрическим размерам (например, КМ, состоящий из алюминиевой матрицы, борных волокон и прослоек из титановой фольги).

В соответствии с геометрическими размерами армирующих элементов (порошки или гранулы, волокна, пластины) выделяют порошковые (гранулированные), волокнистые и пластинчатые (слоистые) KM (рис. 18.3). К первой группе относят дисперсно-упрочненные KM (ДКМ); ко второй — волокнистые КМ, армированные непрерывными или дискретными волокнами, например композиция алюминий — борные волокна; к третьей — КМ, армированные непрерывными или дискретными пластинами, например слоистые КМ, представляющие собой чередующиеся стальную, алюминиевую и титановую фольги.

По структуре и расположению компонентов ICM подразделяют на четыре группы: с каркасной, матричной, слоистой и комбинированной структурами. В группу KM с каркасной структурой входят, например, псевдосплавы; с матричной — ДКМ и армированные материалы; со слоистой — композиции из фольги или листов материалов различной природы или состава; с комбинированной — композиции, содержащие комбинации первых трех групп (например, псевдосплавы, каркас которых упрочнен дисперсными включениями, относят к материалам, содержащим каркасную и матричную структуры).

Технологические способы получения KM подразделяют на следующие основные группы: жидкофазные, твердожидкофазные и твердофазные.

При изготовлении композитов в жидкой фазе материал матрицы должен смачивать армирующие элементы. При этом качество соединения компонентов KM определяется степенью их физического и химического сродства. Процесс смачивания сопровождается, как правило, частичным растворением волокон в материале матрицы или их химическим взаимодействием. Следовательно, смачивание почти всегда приводит к поверхностному разрушению волокон.

Наиболее эффективным способом улучшения смачивания служит нанесение на армирующие волокна специальных покрытий и введение в материал матрицы легирующих добавок.

Твердожидкофазные способы применяют для изготовления KM горячим прессованием, волочением и прокаткой полуфабрикатов. Матричный материал должен быть нанесен на армирующие элементы в таком количестве, чтобы в жидкой фазе его было достаточно для равномерной пропитки расплавом волоконного каркаса. Деформирование осуществляется в температурном интервале кристаллизации материала матрицы, что способствует снижению давления и уменьшает вероятность разрушения волокон.

Твердофазные способы применяют, если при изготовлении KM существует возможность деформировать его компоненты. Совместное пластическое деформирование матрицы и волокон не должно приводить к разрушению армирующих элементов. Если в качестве последних выбраны волокна или проволоки со значительным запасом пластичности, то можно уплотнять KM ковкой, прокаткой и прессованием.

Компоненты КМ. Основными армирующими материалами являются порошковые и волокнистые.

Порошковые материалы должны удовлетворять определенным требованиям по химическому составу, размерам и форме отдельных фракций, по технологическим свойствам (насыпная плотность, текучесть, формуемость, спекаемость) при изготовлении из них изделий.

Армирующие волокна, используемые при изготовлении КМ, должны обладать малой плотностью, высокой температурой плавления, минимальной растворимостью в материале матрицы без образования хрупких фаз в зоне контакта, высокой прочностью во всем интервале рабочих температур и химической стойкостью. Применяют в основном три вида волокон: нитевидные кристаллы, металлическую проволоку, неорганические и поликристаллические волокна.

Нитевидные кристаллы («усы») рассматривают как наиболее перспективный материал для армирования металлов, полимеров и керамики. Очень высокая прочность в широком диапазоне значений рабочих температур, малая плотность, химическая инертность ко многим материалам матриц и ряд других свойств делают их ценными в качестве армирующих материалов. Однако их внедрение в промышленных масштабах сдерживает сложная технология изготовления на производстве, низкая пластичность при изготовлении изделий и др.

Прочность металлической проволоки из высокопрочной стали, вольфрама, молибдена и других металлов ниже, чем нитевидных кристаллов. Однако промышленность выпускает ее в больших количествах, поэтому в связи с более низкой стоимостью такую проволоку широко применяют в качестве наполнителя, особенно для KM на металлической основе.

Неорганические и поликристаллические волокна отличаются малой плотностью, высокими прочностью и химической стойкостью. Углеродные, борные, стеклянные волокна применяют для армирования металлов и пластмасс.

Основное назначение наполнителей — придание KM специальных свойств. Например, волокнистые армирующие элементы вводят с целью получения максимальных прочностных характеристик.

Основой KM являются матрицы, которые придают изделию форму и делают композит монолитным. Материал матрицы определяет температурную область применения композитов. Рабочая температура изделий, изготовленных из КМ, повышается при переходе от полимерной матрицы (300 °C) к металлической (500...1000 °C) и далее к углеродной и керамической (свыше 1500 °C).

Материал матрицы должен также позволять композиции воспринимать внешние нагрузки. Матрица вносит существенный вклад в несущую способность ICM, обеспечивая распределенную передачу силы на волокна. При нагружении изделия вследствие пластичности матрицы силы от разрушенных или дискретных волокон передаются соседним армирующим элементам. Перераспределение нагрузки зависит прежде всего от качества образовавшихся связей на границе волокон и матрицы: оно в значительной степени определяется технологией изготовления КМ.