0. Композиционные материалы

Под композиционным материалом следует понимать сочетание двух или более химически разнородных материалов с четкой границей раздела между ними. Композиционный материал должен обладать свойствами, которыми не может обладать ни один из компонентов в отдельности. Лишь только при этом условии есть смысл их применения.

Проекты новых космических кораблей, самолетов, ракет, глубоководных аппаратов, сосудов давления, новых видов водного и наземного транспорта и многих других изделий выдвигают такие требования, которым в наилучшей степени удовлетворяют композиционные материалы, а часто — только эти материалы.

Композиционные материалы чрезвычайно разнообразны. Обычно их подразделяют на три основные группы (рис. 5.2).

Рис. 5.2 Схемы композиционных материалов

1. Волокнистые материалы, т.е. материалы, состоящие из волокон одного компонента, распределенных в другом компоненте (матрице) — рис. 5.2, а.

2. Дисперсные материалы, состоящие из частиц одного или более компонентов, распределенных в матрице ее и образующие механическую смесь — рис. 5.2, б.

3. Слоистые материалы, состоящие из двух или более слоев различных компонентов — рис. 5.2, а. К последним можно отнести и биметаллы, рассмотренные ранее.

Внутри каждой из перечисленных групп композиционные материалы можно классифицировать различными способами; по виду материала компонентов, их размерам, форме, ориентировке, а также по назначению или методу получения. Например, волокнистые материалы по виду матрицы делят на металлические, полимерные и керамические; по виду волокон — на материалы, армированные проволокой, стеклянными, борными, углеродными, керамическими и другими волокнами или нитевидными кристаллами; по размерам волокон — на материалы с непрерывными или короткими (дискретными) волокнами; по ориентировке волокон — на материалы с однонаправленными или ориентированными в двух и более направлениях волокнами.

Металлические композиционные материалы включают два основных класса: дисперсноупрочненные материалы (рис. 5.2, б) и металлы, армированные волокнами (рис. 5.2, а).

Дисперсноупрочненные материалы — это металлы и сплавы, которые содержат равномерно распределенные частицы окислов или других соединений (нитридов, карбидов, боридов и т. д.), сохраняющих достаточную устойчивость при температурах, близких к температуре плавления матрицы. При нагружении таких материалов матрица несет основную нагрузку, а дисперсные частицы действуют как препятствия, задерживающие движение дислокаций. От обычных стареющих сплавов дисперсноупрочненные материалы отличаются природой упрочнения и методом изготовления.

Такие материалы получают в основном методами порошковой металлургии, включающими изготовление тонких порошков или порошковых смесей и их последующее прессование, спекание и обработку давлением.

Основным преимуществом дисперсноупрочненных материалов являются значительно более высокие рабочие температуры по сравнению с обычными сплавами на той же основе. Эти материалы характеризуются структурной стабильностью и высокой жаропрочностью при температурах до 0,9 Т_пл (Т_пл — температура плавления матрицы). Однако они, как правило, уступают обычным сплавам по прочности в интервале низких и средних температур (до 0,7 Т_пл), пластичности, деформируемости и свариваемости, а также значительно дороже последних. Эти недостатки ограничивают возможности применения дисперсноупрочненных материалов. В настоящее время в промышленных масштабах производят дисперсноупрочненные материалы на основе алюминия, никеля и вольфрама.

Алюминий, упрочненный частицами окиси алюминия (САП). Дисперсно-упрочненный алюминий, содержащий 6—23% Аl₂О₃ или САП (спеченная алюминиевая пудра), значительно превосходит деформируемые и литейные алюминиевые сплавы по прочности. САП — перспективный материал для авиации, судостроения, химического машиностроения и ядерной техники. Его можно использовать вместо нержавеющих сталей и титановых сплавов в ряде конструкций, работающих при 250—500°С, что позволяет значительно уменьшить массу конструкции.

Дисперсноупрочненный никель. Для повышения рабочих температур никелевых сплавов до 1100—1200° С разработан ряд дисперсноупрочненных материалов на основе никеля. Наибольшей жаропрочностью обладает никель, содержащий 2—3% двуокиси тория (сплав ВДУ-1). Никель, упрочненный частицами двуокиси гафния (сплав ВДУ-2), несколько менее жаропрочен, но не токсичен.

По сравнению с жаропрочными сплавами для этих материалов характерно значительно меньшее разупрочнение с увеличением продолжительности и температуры испытания в интервале 1000—1300°С.

Вольфрам, упрочненный частицами окиси тория. Вольфрам, содержащий 1—2% (объемн.) ThO₂, используют в качестве материала с высокими эмиссионными свойствами для электровакуумных приборов. При температурах до 1650°С торированный вольфрам уступает по прочности некоторым сплавам на основе вольфрама и молибдена, однако при температурах выше 2200°С он является единственным материалом, превосходящим по прочности нелегированный вольфрам.

Армирование металлов высокопрочными волокнами позволяет получать материалы с чрезвычайно высокой прочностью и жесткостью. В таких материалах волокно является главным компонентом, несущим нагрузку. Матрица передает внешнюю нагрузку волокнам, связывает волокна вместе, защищает их от повреждения и воздействия внешней среды и придает материалу другие требуемые физико-химические свойства, например сопротивление окислению или коррозии, электро- и теплопроводность и т. д.

Прочность волокнистого композиционного материала зависит от следующих основных факторов:

• механических свойств волокна и матрицы;

• объемной доли волокна;

• размеров;

• ориентировки и распределении волокон;

• прочности связи на границе раздела волокно – матрица;

• термической устойчивости волокон в матрице.

Значительное влияние на свойства композиций при повышенных температурах может оказывать физико-химическое взаимодействие между волокнами и матрицей, приводящее к растворению или разупрочнению волокон и образованию прослоек хрупких фаз на границе раздела.

В настоящее время проводят интенсивные исследования и опробование в опытных конструкциях многих металлов и сплавов, армированных волокнами. Наибольшее внимание привлекают алюминиевые сплавы, армированые волокнами из бора, углерода, нержавеющей стали и бериллия; титановые сплавы, армированные волокнами молибдена и бериллия, и никелевые сплавы, армированные волокнами вольфрама, молибдена и их сплавов.

Такие материалы наиболее перспективны для деталей, работающих в условиях, близких к одноосному растяжению, например лопаток турбин и компрессоров. Максимальные рабочие температуры этих материалов близки к температуре плавления матрицы.

На рис. 5.3 показана макроструктура прутка из сплава нихром, армированного волокнами вольфрама (50%).

Рис. 5.3. Макроструктура нихрома, упрочненного вольфрамовыми волокнами

С учетом высокого уровня прочности (особенно удельной) и возможности достижения требуемого комплекса свойств путем, выбора материалов матрицы и волокон, изменения объемной доли волокон, их ориентировки и т. д. такие материалы нашли широкое применение в общем машиностроении.