2. Композиционные материалы

1. Общая характеристика

Композиционные материалы (КМ) по удельным прочности и жест­кости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостно­му разрушению и другим свойствам значительно превосходят все извест­ные конструкционные сплавы (рис. 14.18). Уровень заданного комплекса свойств проектируется заранее и реализуется в процессе изготовления ма­териала. При этом КМ придают по возможности форму, максимально приближающуюся к форме готовых деталей и даже отдельных узлов кон­струкции.

Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорас­творимые один в другом компоненты, разделенные в материале ярко вы­раженной границей.

Рис. 14.18. Удельная прочность и удель­ный модуль упругости некоторых неарми- рованных материалов и КМ, армированных 50 % (об.) волокон:

1

Е/(уё)10’³, км

- А1; 2- Т1 и сталь; 3 - 'П, армированный прово­локой Ве; 4 ^- 'П, армированный волокнами 5Ю; 5- 'П, армированный волокнами борсика; 6 - А1, ар­мированный волокнами В; 7 - эпоксидная смола, армированная волокнами углерода; 8 эпоксидная смола, армированная волокнами В

Принцип создания КМ заимствован у природы. Примером естествен­ных КМ могут служить стволы и стебли растений, кости человека и жи­вотных. В дереве волокна целлюлозы соединены пластичным лигнином, в костях тонкие прочные нити фосфатных солей — пластичным коллагеном.

Свойства КМ в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительной особенно­стью КМ является то, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Вместе с тем КМ присущи свойства., которыми не обла­дают отдельно взятые компоненты, входящие в их состав. Для оптимиза­ции свойств композиций выбирают компоненты с резко отличающимися, но дополняющими друг друга свойствами.

Основой КМ (матриц) служат металлы или сплавы (КМ на металли­ческой основе), а также полимеры, углеродные и керамические материалы (КМ на неметаллической основе).

Матрица связывает композицию, придает ей форму. От свойств ма­трицы в значительной степени зависят технологические режимы получе­ния КМ и такие важные эксплуатационные характеристики, как рабо­чая температура, сопротивление усталостному разрушению, воздействию окружающей среды, плотность и удельная прочность. Созданы КМ с ком­бинированными матрицами, состоящими из чередующихся слоев (двух или более) различного химического состава.

КМ с комбинированными матрицами называют полимагпричными (рис. 14.19, а). Для полиматричных материалов характерен более обшир­ный перечень полезных свойств. Например, использование в качестве ма­трицы наряду с алюминием титана увеличивает прочность КМ в напра­влении, перпендикулярном оси волокон. Алюминиевые слои в матрице способствуют уменьшению плотности материала.

В матрице равномерно распределены остальные компоненты (напол­нители). Поскольку главную роль в упрочнении КМ играют наполнители,

Волокно Матрица 1 Матрица Волокно I а б

Рис. 14.19. Схемы полиматричного (а) и полиармированного (б) КМ

их часто называют упрочнителями. Упрочнители должны обладать высо­кими прочностью, твердостью и модулем упругости. По этим свойствам они значительно превосходят матрицу. С увеличением модуля упругости и временного сопротивления наполнителя повышаются соответствующие свойства КМ, хотя они и не достигают характеристик наполнителя. На­полнители называют еще армирующими компонентами. Это более ши­рокое понятие, чем «упрочнитель». Оно не конкретизирует роль напол­нителя и поэтому показывает, что наполнитель вводится в матрицу для изменения не только прочности, но и других свойств.

Свойства КМ зависят также от формы или геометрии, размера, ко­личества и характера распределения наполнителя (схемы армирования).

По форме наполнители разделяют на три основные группы (рис. 14.20, о): нуль-мерные (1), одномерные (2), двумерные (5).

Нулъ-мерными называют наполнители, имеющие в трех измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы). Одномерные наполните­ли имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходя­щий их размер в третьем измерении (волокна). У двумерных наполните­лей два размера, соизмеримы с размером КМ и значительно превосходят третий (пластины, ткань).

По форме наполнителя КМ разделяют на дисперсно-упрочненные, слоистые и волокнистые.

Дисперсно-упрочненными называют КМ, упрочненные нуль-мерными наполнителями; волокнистыми — КМ, упрочненные одномерными или одномерными и двумерными наполнителями; слоистыми — КМ, упроч­ненные двумерными наполнителями.

По схеме армирования КМ подразделяют на три группы: с одноос­ным, двуосным и трехосным армированием (см. рис. 14.20, б-г).

Для одноосного (линейного) армирования используют нуль-мерные и одномерные наполнители (см. рис. 14.20, б). Нуль-мерные располагаются

Рис. 14.20. Формы наполнителя (а) и схемы армирования (б - г) КМ

так, что расстояние между ними по одной оси (например, по оси ж) зна­чительно меньше, чем по двум другим. В этом случае содержание напол­нителя составляет 1 - 5 % (об.). Одномерные наполнители располагаются параллельно один другому.

При двухосном (плоскостном) армировании используют нуль-, одно- и двумерные наполнители (см. рис. 14.20, е). Нуль-мерные и одномерные наполнители располагаются в параллельных плоскостях. При этом рас­стояние между ними в пределах плоскости значительно меньше, чем меж­ду плоскостями. При таком расположении нуль-мерного наполнителя его содержание доходит до 15 - 16 % (об.). Одномерные наполнители нахо­дятся также в параллельных плоскостях. При этом в пределах каждой

п

м

Рис. 14.21. Схемы армирования:

а - хаотическая; б - слоистая; в - розеточная; г - з - ортогональные; и - аксиально-радиально-окружная; к - аксиально-спиральная; л - радиально­спиральная; м - аксиально-радиально-спиральная

лоскости они расположены параллельно, а по отношению к другим плос­костям — под разными углами. Двумерные наполнители параллельны один другому.

При трехосном (объемном) армировании нет преимущественного на­правления в распределении наполнителя. Для армирования используют нуль-мерные и одномерные наполнители (см. рис. 14.20, г). Расстояния между нуль-мерными наполнителями одного порядка. В этом случае их содержание может превышать 15 - 16 % (об.). Одномерные наполнители располагаются в трех и более пересекающихся плоскостях (рис. 14.21).

Для расширения комплекса свойств или усиления какого-либо свой­ства при армировании КМ одновременно используют наполнители раз­личной формы. Например, для увеличения прочности связи между одно­мерными наполнителями (стеклянным или углеродным волокном) и поли­мерной матрицей в нее вводят нуль-мерный наполнитель (частицы асбе­ста, карбида кремния и др.). С этой же целью применяют армирование

наполнителями одной формы, но разного состава. Так, для повышения мо­дуля упругости КМ с полимерной матрицей, армированной стеклянным волокном, дополнительно вводят волокна бора.

КМ, которые содержат два и более различных наполнителя, называ­ют полиармированными (рис. 14.19,6).

Если КМ состоят из трех и более компонентов, они называются ги­бридными.

КМ применяют во многих отраслях промышленности. Благодаря вы­соким удельным характеристикам прочности и жесткости, их используют при изготовлении лопастей винтов и деталей вертолетов, корпусов и камер сгорания реактивных двигателей и т.д. Использование КМ в конструкци­ях летательных аппаратов уменьшило их массу на 30 - 40 %, увеличило полезную нагрузку без снижения скорости и дальности полета.

В настоящее время КМ применяют в энергетическом машинострое­нии (рабочие и сопловые лопатки турбины), автомобилестроении (кузо­ва автомобилей и рефрижераторов, детали двигателей), машиностроении (корпуса и детали машин), химической промышленности (автоклавы, ци­стерны, емкости), судостроении (корпуса лодок, катеров, гребные винты) и др.

Особые свойства ряда КМ позволяют использовать их в качестве электроизоляционных материалов, радиопрозрачных обтекателей, под­шипников скольжения и других деталей.