Лекция 15-16 Неметаллические материалы

различные типы графитов для тепловой защиты, изготовления дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

Бороволокниты — композиционные материалы на основе полимерного связующего вещества и упрочнителя (борных волокон). Иногда в качестве упрочнителя применяют комплексные боростеклониты, где несколько параллельных борных волокон оплетаются стеклонитью, придающей формоустойчивость и улучшающей технологические свойства материала. Связующим веществом служат эпоксидные, полиэфирные, фенолоформальдегидные и другие смолы. Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела с матрицей.

Изделия из бороволокнитов имеют высокую работоспособность в условиях повышенных температур. Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200°С; КМБ-3 и КМБ-Зк не требуют высокого давления при переработке и могут работать при температурах не свыше 100°С; КМБ-2к работоспособен при 300°С. Бороволокниты применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и др.).

3) Пластмассы без наполнителя Органическое стекло — полярный аморфный полимер полиметилметакрилат (температура

стеклования 114°С). Применяется в интервале температур от -180 до +80°С.

Преимущества органического стекла: сочетание легкости (в 2 раза легче силикатных стекол), прочности (по прочности на изгиб превосходит силикатное стекло в 7 раз) и прозрачности (пропускает свыше 99% солнечного света), легкость обработки резанием (а также склеивается, сваривается, полируется), возможность окрашивания и красивый вид изделия. По прочности и жесткости органическое стекло лучше многих термопластов; его ударная вязкость невелика -- 1,2...2,0 Н•см2, но она мало меняется во всем интервале рабочих температур. Органическое стекло стойко к щелочам, разбавленным кислотам, топливу, смазкам. В воде оно немного набухает (поглощает до 2% воды при 100% влажности), но это мало отражается на его свойствах. Растворимо в дихлорэтане и других растворителях, поэтому легко склеивается. Исключительно стойко против атмосферного старения.

Недостатки органического стекла: невысокая стойкость в кислых средах, низкая теплостойкость, горючесть (при температурах выше 300°С), склонность к растрескиванию под напряжением - - появление «серебра», т.е. участков с мелкими трещинами, на которых полностью отражается свет. Плохо сопротивляется истиранию.

Органическое стекло применяют для остекления промышленных зданий, светотехнических устройств и световодов, светильников, часовых стекол, автомобильных фар, предохранительных щитков на станках и машинах. Как диэлектрик органическое стекло применяют для изготовления изделий, сочетающих электрическую прочность и стойкость против старения. Благодаря способности выделять большое количество газов под действием дуги стекло используют также в качестве твердого дугогасящего материала.

4) Пластмассы с газовоздушным наполнителем Газовоздушные (ячеистые) пластмассы получают из термопластичных и термореактивных

полимеров химическим и физическим способами. При химическом способе ячеистая газонаполненная структура образуется при термическом разложении газообразователей или взаимодействии компонентов, при физическом способе - - в результате интенсивного расширения растворенных газов при снижении давления или повышения температуры, а также их механического диспергирования. В газовоздушных пластмассах поры занимают 90...98% объема материала.

Газовоздушные пластмассы подразделяют в зависимости от характера пор на пенопласты и поропласты (торговое название в России -- полиуретан). Пенопласты имеют преимущественно закрытые поры в виде ячеек, разделенных тонкими перегородками, а поропласты имеют сообщающиеся поры. Существуют материалы и со смешанной структурой.

Плотность ячеистых пластмасс зависит от плотности полимера и содержания газообразователя и составляет 10...200 кг/м3. Наиболее легкими являются карбамидные поропласты (например, мипора имеет плотность 10...20 кг/м3).

Ячеистые пластмассы в большинстве случаев разрушаются постепенно и не имеют четко выраженного предела прочности. Прочность их определяют обычно при относительной деформации, составляющей 2... 10%. Сравнительно высокие прочностные показатели имеют полистирольные и поливинилхлоридные пенопласты. При плотности 40...70 кг/м3 предел их прочности при сжатии достигает 0,3...1 МПа, а при растяжении — 0,8...1,9 МПа. Жесткие пено- и поропласты гибки и эластичны. Прочностные показатели ячеистых пластмасс снижаются при увлажнении. Для них характерны повышенные деформации ползучести, особенно интенсивные при больших нагрузках и воздействии атмосферных факторов.

Ячеистые пластмассы очень малотеплопроводны. Теплостойкость пено- и поропластов на основе термопластичных

полимеров составляет 60...70°С. Наиболее теплостойки кремнийорганические пенопласты: температура их эксплуатации достигает 250°С. Большинство газовоздушных пластмасс горючи.

Ячеистые пластмассы имеют высокое водопоглощение (малым водопоглощением отличаются материалы с замкнутыми ячейками) и в то же время отличаются водостойкостью и не загнивают. Наибольшую атмосферостойкость имеют полистирольные и поливинилхлоридные пенопласты, пониженную — фенольные.

Пенопласты радиопрозрачны. Поропласты при обычных температурных условиях имеют хорошее звукопоглощение, так, например, у пористого полиуретана (поролона) плотностью 30...75 кг/м3 при толщине 50 мм коэффициент звукопоглощения равен 0,9 на частоте 500 Гц.

Пенопласты применяют для теплоизоляции кабин, контейнеров, приборов, холодильников, рефрижераторов, труб и др. В строительстве они используются при производстве труднозатопляемых изделий, а в радио- и . электронной технике

— для заливки деталей, так как пенопласт, являясь легким заполнителем, повышает удельную прочность, жесткость и вибростойкость силовых элементов конструкций.

Поролон применяют при изготовлении амортизаторов, мягких сидений, а в строительстве — в виде плит и скорлуп для утепления стен и покрытий, теплоизоляции промышленного оборудования и трубопроводов при температурах до 60°С.

Стандартизированные изделия из пластмасс

Полимерные пленочные материалы выпускаются толщиной до 1 мм, отличаются малой массой, химической стойкостью, водонепроницаемостью и прочностью. Наиболее высокие физико-химические свойства у полипропиленовых пленок: предел прочности при растяжении 25..,30 МПа, относительное удлинение при разрыве 500...700%, водопоглощение за 24 ч 1,5%. Полипропиленовые пленки сохраняют эластичность до -20°С. Для поливинилхлоридных пленок предел прочности на растяжение -10...15 МПа; относительное удлинение при разрыве 100...300%; водопоглощение за 24 ч

0,15...0,2%.

Для гидроизоляции используются в основном полиэтиленовые и поливинилхлоридные пленки, в которые для замедления старения и предохранения от грызунов добавляют каменноугольный пек.

Декоративно-отделочные пленки изготавливают главным образом из поливинилхлорида. При обычных температурах эти материалы обладают гибкостью и эластичностью, малой водо-, паро- и газопроницаемостью, достаточно долговечны.

Пленки на звукоизолирующей подоснове используют для отделки помещений с повышенными акустическими требованиями. На обратной стороне самоклеящихся поливинилхлоридных пленок нанесен специальный клеевой состав, защищенный силиконизированной бумагой. Пленки могут быть с рисунками, имитирующими ценные породы древесины или ткань. Двухслойный рулонный материал, состоящий из верхней тисненой поливинилхлоридной пленки и нижнего бумажного слоя, называют изопленом.

Липкая изоляционная лента — поливинилхлоридный пленочный пластикат, покрытый слоем перхлорвинилового клея (100 г/м2). Предел прочности на разрыв не менее 8 МПа; удельное объемное электросопротивление не менее 1013 Ом•см; липкость — не менее 30 с; морозостойкость до -40°С. Выпускают ее четырех марок: ПХЛ-020; ПХЛ-030; ПХЛ-040; ПХЛ-045 - толщиной, соответственно, 0,2; 0,3; 0,4; 0,45 мм и шириной 15...50 мм.

Линолеум — рулонный материал из поливинилхлоридных, алкидных и других полимеров. В состав массы однослойного линолеума обычно входит 40...45% суспензионного поливинилхлорида, 19...23% пластификатора, 0,5...1% стабилизатора, 19...35% наполнителей (тальк, каолин, мел, барит, древесная или асбестовая мука), 5...15% пигментов. Линолеумы могут быть безосновные и с подосновой (тканевой, войлочной и других видов). Войлок и другие волокнистые материалы используются в качестве теплоизоляционной и звукопоглощающей подосновы. Линолеумы могут иметь поверхность, окрашенную в различные цвета, гладкую, с узором, блестящую, матовую, тесненую. Приклеивают линолеум к основанию битумными и другими мастиками.

Синтетические ковровые материалы - материалы с подосновой из поливинилхлорида, полиуретана или вспененного латекса с верхом из тканых и нетканых покрытий из синтетических волокон.

Ворсолан — нетканый двухслойный ворсовой синтетический ковровый материал с подосновой из пленки эмульсионного поливинилхлорида и с ворсовой пряжей из полипропиленовых или полиамидных волокон. Ворсолан можно склеивать и сваривать.

Ворсонит— рулонный одноили двухслойный синтетический ковровый материал на основе холстов из полиэфиров, полиамидов и других полимеров. Его прочность при разрыве — не менее 2...2,5 МПа.

Неорганические стекла

Неорганическое стекло - аморфный полимерный материал, получаемый при твердении расплава оксидов Si, A1, В, Р, As, Pb и других элементов. Оно не имеет определенной точки плавления или затвердевания и при охлаждении переходит из расплавленного, жидкого состояния в высоковязкое состояние, а затем в твердое, сохраняя при этом неупорядоченность и неоднородность внутреннего строения.

В состав неорганического стекла входят стеклообразующие оксиды; модифицирующие оксиды

(щелочные и щелочноземельные) вида Ме2О и МеО, изменяющие физико-химические свойства стекол; технологические добавки (оксиды алюминия, железа, свинца, титана, бериллия и др.), замещающие стеклообразующие оксиды и придающие стеклу необходимые потребительские свойства.

Модифицирующие оксиды вводят в процессе варки стекол. Глинозем А12О3 повышает механическую прочность, а также термическую и химическую стойкость стекол. При добавке В2О3 повышается скорость стекловарения, улучшается осветление и уменьшается склонность к

кристаллизации. Оксид свинца РЬО, вводимый главным образом при изготовлении оптического стекла и хрусталя, повышает показатель светопреломления. Оксид цинка ZnO понижает температурный коэффициент линейного расширения стекла, благодаря чему повышается его термическая стойкость.

Технологические добавки делят по их назначению на следующие группы: осветлители — вещества, способствующие удалению из стекломассы газовых пузырей (сульфат натрия, плавиковый шпат); обесцвечиватели — вещества, обесцвечивающие стекольную массу; глушители — вещества, делающие стекло непрозрачным.

Стеклообразующие оксиды (например, SiO2, A12O3, В2О3, Р2О3) образуют пространственную сетку из однородных звеньев-полиэдров, а модифицирующие оксиды, располагаясь внутри ячеек сетки, ослабляют или разрывают связи в стеклообразующих оксидах и снижают прочность, термо- и химическую стойкость стекла, но позволяют регулировать температуру его размягчения и другие свойства.

Строение кварцевых стекол (рис., 3 а) представляется наиболее простым. Здесь пространственная сетка образована из соединенных вершинами тетраэдров SiO4. Связи между кремнием и кислородом прочные, поэтому стекло мало расширяется при нагреве, плавится при температуре выше 1700 °С, после плавления вязко и плохо формуется. Ячейки между тетраэдрами довольно велики, они расширяются при нагреве, и стекло теряет вакуумную плотность: при температуре 150 °С оно пропускает гелий, выше 300 °С - - водород, а выше 800 °С — воздух. В силикатных стеклах катионы металлов модифицирующих оксидов и технологических добавок помещаются (рис.3, б) между отрицательно заряженными тетраэдрами SiO4, не нарушая строения силикатного каркаса. При этом углы между связями Si — О — Si меняются в более широких (120...180 °С) пределах, чем в кварцевом стекле.

Свойства неорганических стекол изотропны. К основным свойствам относятся:

•плотность - 2200...6500 кг/м3 (для стекол с оксидами свинца или бария — до 8000 кг/м3);

•температуры для промышленных стекол: стеклования — 425...600 °С; размягчения — 600...800 °С;

•коэффициент теплопроводности — 0,7...15 Вт/(м•К);

•температурный коэффициент линейного расширения: для кварцевых стекол 5,6•107 °С-1; для строительных стекол — 9,0•107 °С-1;

•сж= 500...2000 МПа;

•раст=30...90 МПа;

•изг-50...150МПа.

Рис. 3. Схема структуры стекол: а - чистого кварцевого;

б - натрийсиликатного (1 - Si; 2 - О; 3- Na)

Более высокие прочностные характеристики имеют стекла бесщелочного состава и кварцевые:

•модуль Юнга — (7...7,5)•104 МПа;

•модуль сдвига — (2...3)•104 МПа;

•коэффициент Пуассона — 0,184...0,26;

•твердость — 5...7 ед. по Моосу;

•ударная вязкость - 1,5...2,5 кДж/м2;

•удельное электросопротивление - 1012...1018 Ом•см;

•диэлектрическая проницаемость - 3,5...16;

•полупроводниковые свойства;

•химическая стойкость;

•высокие оптические свойства.

По оптическим свойствам различают прозрачное, окрашенное, бесцветное и рассеивающее свет стекла.

К потребительским свойствам неорганических стекол относятся прозрачность, высокая стойкость к атмосферным воздействиям, водо- и воздухонепроницаемость, термостойкость. Термостойкость стекла характеризует его долговечность в условиях резких изменений температуры и

определяется разностью температур, которую стекло может выдержать без разрушения при резком охлаждении в воде (t=0°С). Для большинства видов неорганических стекол термостойкость колеблется от 90 до 170°С, а для кварцевого стекла она составляет 800...1000°С.

Стекло поддается механической обработке: его можно пилить циркулярными пилами с алмазной набивкой, обтачивать победитовыми резцами, резать алмазом, шлифовать, полировать.

Способы воздействия на свойства неорганических стекол определяются необходимостью нейтрализовать дефектный поверхностный слой. Их можно разделить на четыре группы: механическая обработка (полирование), химическая обработка (травление), термическая обработка (закалка), химико-термическая обработка. Так, закалка, при которой можно получить анизотропию свойств, и химико-термическая обработка стекла в несколько раз повышают показатели прочности и ударную вязкость, а также увеличивают термостойкость. Травление закаленного неорганического стекла плавиковой кислотой способствует удалению поверхностных дефектов и также повышает прочность и термостойкость.

Неорганические стекла классифицируются по виду стеклообразующего вещества, виду модификаторов, технологии изготовления и назначению.

По виду стеклообразующего вещества неорганические стекла делятся на силикатные (SiO2),

алюмосиликатные (А12О3 — SiO2), боросиликатные (В2О3 — SiO2), алюмоборосиликатные (А12О3 — В2О5 — SiO2), алюмофосфатные (А12О3 — Р2О5), халькогенидные (например, As31Ge30Se2ITe180),

галогенидные и другие стекла.

По виду модификаторов различают щелочные, бесщелочные и кварцевые неорганические стекла. Прочность щелочных стекол под действием влаги уменьшается вдвое, так как вода выщелачивает стекло. При этом образуются щелочные растворы, которые расклинивают стекло, вызывая появление микротрещин в поверхностном слое.

По технологии изготовления неорганическое стекло может быть получено выдуванием, литьем,

штамповкой, вытягиванием в листы, трубки, волокна и др. Стекло выпускается промышленностью в виде готовых изделий, заготовок и отдельных деталей.

Металлические стекла

Металлические стекла (аморфные сплавы, стекловидные металлы, метглассы) -

металлические сплавы в стеклообразном состоянии, образующиеся при сверхбыстром охлаждении металлического расплава, когда быстрым охлаждением предотвращена кристаллизация (скорость охлаждения менее 106 К/с).

Сверхбыстрое охлаждение обеспечивает переохлаждение расплава, и расплав из-за сильного увеличения вязкости по достижении температуры стеклования Тст становится твердым аморфным телом. Вместе с тем температура стеклования Тст не является точкой фазового превращения: расплав и полученное из него стекло принадлежат одной и той же фазе. Металлическое стекло — это как бы замороженная жидкость (в металлическом стекле, как и в расплаве, отсутствует дальний порядок в расположении атомов).

Особенности строения металлических стекол обусловливают отсутствие характерной для кристаллов анизотропии свойств, высокую прочность, коррозионную стойкость и магнитную проницаемость, малые потери на перемагничивание.

Физико-химические свойства металлических стекол значительно отличаются от свойств литых сплавов. Характерной особенностью потребительских свойств металлических стекол является высокая прочность (для Fe80B20 в=3600 МПа) в сочетании с большой пластичностью и высокой коррозионной стойкостью. Некоторые металлические стекла — ферромагнетики с очень низкой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью (сплавы на основе Fe, Co, Fe-Ni), а для других характерно очень слабое поглощение звука (сплавы редкоземельных металлов с переходными металлами). Наиболее широкое применение металлические стекла нашли из-за магнитных и коррозионных свойств.

Композиционные материалы

Композиционные материалы – искусственно созданные материалы, которые состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу и разделенных выраженной границей, и которые имеют новые свойства, запроектированные заранее.

Характерные признаки композиционных материалов:

•состав и форма компонентов материала определены заранее;

•компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих заданные свойства материала;

• композиционный материал является многофазной системой, однородной в макромасштабе и неоднородной — в микромасштабе (компоненты различны по свойствам, и между ними существует явная граница раздела).

Вкомпозиционных материалах приняты следующие наименования компонентов:

•матрица - компонент, обладающий непрерывностью по всему объему материала;

•упрочнитель (или арматура), усиливающий (армирующий) компонент - компонент

прерывный, распределенный особым образом в объеме композиции.

Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств композиционного материала, защищает арматуру от механических повреждений и других воздействий среды.

В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. От природы матрицы зависят физико-химические, эксплуатационные и технологические свойства материала. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные свойства: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.

Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Вместо термина армирующий компонент можно использовать термин наполнитель.

Механические свойства композиционных материалов определяются в основном следующими параметрами: высокой прочностью упрочнителя; жесткостью матрицы; размерами, формой и пространственным распределением упрочнителя и прочностью связи на границе матрица - упрочнитель.

Композиционные материалы классифицируют по природе матрицы, природе упрочнителя,

характеру взаимодействия упрочнителя с матрицей, форме элементов упрочнителя, конструктивному признаку упрочнения и назначению.

По природе матрицы и упрочнители могут быть полимерными, металлическими и минеральными. В наименовании композиционных материалов часто фигурирует природа упрочнителя и матрицы (стеклопластики, карбопластики, боропластики и др.).

Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и от прочности связи между ними. Максимальная прочность достигается, если между матрицей и арматурой происходит образование твердых растворов или химических соединений. По характеру взаимодействия упрочнителя с матрицей различают активные и инертные упрочнители. Отсутствие взаимодействия между упрочнителем и матрицей существенно повышает трещиностойкость композиционного материала.

По форме элементов различают упрочнители (наполнители) композиционные материалы подразделяются на три группы:

с нульмерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;

с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превышает два других;

с двухмерными наполнителями, два размера которых значительно превышают третий. Нульмерными являются порошкообразные (дисперсные) упрочнители.

Для одномерных, или т.н. волокнистых упрочнителей величина отношения длины к толщине

элемента упрочнителя равна 10 и более, т.е это нити, волокна, проволоки, ленты и т.п. Чем больше величина отношения длины к толщине волокна, тем выше степень упрочнения материала. В качестве волокнистых упрочнителей применяются высокопрочные стеклянные, углеродные, борные и органические волокна, металлические проволоки, а также волокна и нитевидные кристаллы ряда карбидов, оксидов, нитридов и других соединений. Обрезки волокон, применяемые для упрочнения, получили название — фибры.

Двумерные или слоистые (листовые) упрочнители это листы, полотна, ткани и др. на основе высокопрочных волокон различной природы. Композиционные материалы, у которых входящие в композицию элементы выполнены в виде слоев, называются слоистыми. Применяя соответствующие материалы, можно получать слоистые материалы с заданным сочетанием механических, теплофизических, химических и других свойств.

По конструктивному признаку упрочнения (рис. 4) различают композиционные материалы с

хаотическим упрочнением, одномерно-, двумерно- и пространственно армированные.

Композиционные материалы, одномерно армированные непрерывными волокнами, называются волокнитами, а двумерно армированные тканями - текстолитами. О подобных материалах уже шла речь в разделах пластмассы и неорганические стекла. При армировании возможны различные схемы укладки упрочнителя (волокон), которые приведены на рис. 5.

Рис. 4. Классификация композитов по конструктивному признаку:

а) хаотически армированные (1 - короткие волокна; 2 - непрерывные волокна); б) одномерно армированные (1 -

однонаправленные непрерывные; 2 – однонаправленные короткие); в) двумерно армированные

(1 - непрерывные нити; 2 - ткани); г) пространственно армированные (1 - три семейства нитей; 2 – n семейств нитей)

Рис. 5 Схемы укладки волокон при армировании:

а) прямоугольная; б) косоугольная;

в) с искривленными волокнами; г) система из n нитей

По назначению композиционные материалы делятся на конструкционные, инструментальные, электротехнические и др.

В композиционных материалах с нульмерным наполнителем наибольшее распространение получила металлическая матрица. Композиции на металлической основе упрочняются равномерно распределенными дисперсными частицами различной дисперсности. Такие материалы отличаются изотропностью свойств.

В таких материалах матрица воспринимает всю нагрузку, а дисперсные частицы наполнителя препятствуют развитию пластической деформации. Эффективное упрочнение достигается при содержании 5…10 % частиц наполнителя. Армирующими наполнителями служат частицы тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов. Дисперсионно упрочненные композиционные материалы получают методами порошковой металлургии или вводят частицы армирующего порошка в жидкий расплав металла или сплава.

Остановимся кратко на получении металлических порошковых материалов, как на процессе без которого не мог бы существовать очень большой пласт композиционных материалов.

Металлические порошковые материалы (металлокерамика) - материалы, изготовляемые путем прессования металлических порошков в изделия необходимых формы и размеров и последующего спекания сформованных изделий в вакууме или защитной атмосфере при температуре 0,75...0,8Тпл. Эти материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.

Спекание - соединение мелкозернистых и порошкообразных материалов в куски при повышенных температурах. При спекании происходят сложные физико-химические процессы (восстановление поверхностных оксидов, диффузия, рекристаллизация и др.) и образуется однородный твердый раствор. Спекание позволяет получить однородный твердый раствор даже в том случае, если в равновесных условиях при плавлении использованные компоненты практически нерастворимы друг в друге. В процессе получения металлических порошковых материалов после холодного прессования материалы, а также заготовки и детали из них обладают невысокой прочностью. Спекание снимает остаточные напряжения и изменяет физические свойства, улучшая механические. Однако увеличение температуры и продолжительности спекания приводит к росту зерен, что может снизить механические свойства изделия.

Порошковые металлические материалы делят на компактные и пористые. Пористыми называют материалы, в которых после окончательной обработки сохраняется 10...30% остаточной пористости.

Механические свойства изделий из металлических порошков во многих случаях не уступают свойствам изделий, полученных обычными металлургическими методами, но сильно зависят от пористости и содержания кислорода. Увеличение пористости и содержания кислорода заметно снижает ударную вязкость и прочность изделий. Для высоконагруженных деталей порошковые стали, например, не применяются. Пористые материалы главным образом используются для изготовления фильтров и как антифрикционные материалы.

Металлические порошковые материалы, как и металлы, подвергают химико-термической обработке (азотированию, хромированию, цианированию и др.), но процессы в этом случае протекают более активно ввиду наличия пористости и, следовательно, более развитой поверхности.

К достоинствам металлических порошковых материалов относят увеличение коэффициента использования металла, повышение производительности, возможность получить сплавы с особыми физическими свойствами (литьем нельзя получить, обеспечив необходимый химический состав). Недостатком металлических порошковых материалов является то, что при существующей технологии изделия из них должны быть простой симметричной формы, иметь небольшую массу и размеры. Конструктивные формы детали не должны содержать отверстий под углом к оси заготовки, выемок, внутренних полостей и выступов. Конструкция и форма детали должны обеспечивать возможности равномерного заполнения полости пресс-формы порошками, их уплотнения, распределения напряжений и температуры при прессовании и удаления изделий из пресс-формы.

В композиционных дисперсно-упрочненных материалах с металлической матрицей последняя является основным элементом, несущим нагрузку, и эффект упрочнения достигается за счет торможения движения дислокаций в ней дисперсными частицами упрочняющей фазы. Прочность при этом не подчиняется закону аддитивности в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз.

Высокая прочность достигается при размере частиц упрочняющей фазы 10...500 нм, среднем расстоянии между ними 100...500 нм и равномерном распределении их в матрице. Оптимальное содержание частиц для обеспечения прочности и жаропрочности в различных дисперсно-упрочненных материалах неодинаково, но обычно не превышает 5...10 об.%. Дисперсно-упрочненные металлокомпозиты могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов. Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия - САП (спеченный алюминиевый порошок). В спеченном сплаве алюминий является матрицей ячеистого строения, в которую в качестве фазы-упрочнителя включены дисперсные частицы Al2O3. Их получают прессованием алюминиевой пудры с последующим спеканием (САП). Преимущества САП проявляются при температурах выше 300oС, когда алюминиевые сплавы разупрочняются. Дисперсионно упрочненные сплавы сохраняют эффект упрочнения до температуры 0,8 Тпл.

Сплавы САП удовлетворительно деформируются, легко обрабатываются резанием, свариваются аргонодуговой и контактной сваркой. Из САП выпускают полуфабрикаты в виде листов, профилей, труб, фольги. Из них изготавливают лопатки компрессоров, вентиляторов и турбин, поршневые штоки.

Перспективными дисперсионно-упрочняемыми материалами являются никелевые металлокомпозиты. Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. Так сплав ВДУ-1(сплав на основе никеля с 2-3 % диоксида тория) при температуре 1200 С имеет 100=75 МПа.

В композиционных материалах с одномерными наполнителями упрочнителями являются одномерные элементы в форме нитевидных кристаллов, волокон, проволоки, которые скрепляются матрицей в единый монолит. Важно, чтобы прочные волокна были равномерно распределены в пластичной матрице. Для армирования композиционных материалов используют непрерывные дискретные волокна с размерами в поперечном сечении от долей до сотен микрометров.

Материалы, армированные нитевидными монокристаллами, были созданы в начале семидесятых годов для авиационных и космических конструкций. Основным способом выращивания нитевидных кристаллов является выращивание их из перенасыщенного пара (ПК-процесс). Для производства особо высокопрочных нитевидных кристаллов оксидов и других соединений осуществляется рост по П-Ж-К – механизму: направленный рост кристаллов происходит из парообразного состояния через промежуточную жидкую фазу.

Осуществляется создание нитевидных кристаллов вытягиванием жидкости через фильеры. Прочность кристаллов зависит от сечения и гладкости поверхности.

Композиционные материалы этого типа перспективны как высокожаропрочные материалы. Для увеличения к.п.д. тепловых машин лопатки газовых турбин изготавливают из никелевых сплавов, армированных нитями сапфира (Al2O3), это позволяет значительно повысить температуру на входе в турбину (предел прочности сапфировых кристаллов при температуре 1680oС выше 700 МПа).

Армирование сопл ракет из порошков вольфрама и молибдена производят кристаллами сапфира как в виде войлока, так и отдельных волокон, в результате этого удалось удвоить прочность материала при температуре 1650oС. Армирование пропиточного полимера стеклотекстолитов нитевидными волокнами увеличивает их прочность. Армирование литого металла снижает его хрупкость в конструкциях. Перспективно упрочнение стекла неориентированными нитевидными кристаллами.

Для армирования композиционных материалов применяют металлическую проволоку из разных металлов: стали разного состава, вольфрама, ниобия, титана, магния – в зависимости от условий работы. Стальная проволока перерабатывается в тканые сетки, которые используются для получения композиционных материалов с ориентацией арматуры в двух направлениях.

Металлические волокна используют в тех случаях, когда требуется высокие тепло- и электропроводность. При этом сравнительно дешевое армирование осуществляют стальной проволокой.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные ( в= 2500...3500 МПа, Е= 38...420 ГПа) и углеродные ( в = 1400...3500 МПа, Е= 160...450 ГПа) волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют в= 2500...3500 МПа, Е=450 ГПа. Нередко в качестве волокон используют проволоку из высокопрочных сталей. Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана. Для никелевых сплавов повышение жаропрочности достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой.

В алюминиевых, магниевых и титановых сплавах жаропрочность обеспечивается их армированием тугоплавкими непрерывными волокнами бора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия. Особенностью таких волокнистых материалов является малая скорость разупрочнения во времени с повышением температуры.

Перспективными упрочнителями для волокнистых высокопрочных и высокомодульных композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др., имеющие в = 15000...28000 МПа и Е= 400...600 ГПа.

Основным недостатком композиционных материалов с одно- и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. В волокнистых одноосных композиционных материалах резко проявляется анизотропия физических свойств. Этого недостатка лишены материалы с объемным армированием.

Эвтектические композиционные материалы – сплавы эвтектического или близкого к эвтектическому состава, в которых упрочняющей фазой выступают ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации. В отличие от обычных композиционных материалов, эвтектические получают за одну операцию. Направленная ориентированная структура может быть получена на уже готовых изделиях. Форма образующихся кристаллов может быть в виде волокон или пластин. Способами направленной кристаллизации получают композиционные материалы на основе алюминия, магния, меди, кобальта, титана, ниобия и других элементов, поэтому они используются в широком интервале температур.

Полимерные композиционные материалы. Поскольку эти материалы уже были рассмотрены в разделах пластмассы и стекла (это различные волокниты и текстолиты, в том числе стекловолокниты и стеклотекстолиты), то подробно здесь их рассматривать не будем. Особенностью является то, что матрицу образуют различные полимеры, служащие связующими для арматуры, которая может быть в виде волокон, ткани, пленок, стеклотекстолита.

Формирование полимерных композиционных материалов осуществляется прессованием, литьем под давлением, экструзией, напылением.

Широкое применение находят смешанные полимерные композиционные материалы, куда входят металлические и полимерные составляющие, которые дополняют друг друга по свойствам. Например, подшипники, работающие в условиях сухого трения, изготовляют из комбинации фторопласта и бронзы, что обеспечивает самосмазываемость и отсутствие ползучести.

Созданы материалы на основе полиэтилена, полистирола с наполнителями в виде асбеста и других волокон, обладающие высокими прочностью и жесткостью.