6.2. Матрица композиционных материалов

Основное назначение матрицы в КМ состоит в связывании дисперсных частиц или более крупных зерен, дискретных или непрерывных волокон наполнителя в сплошное твердое тело, а также в восприятии и равномерном перераспределении внешней нагрузки на элементы наполнителя. Для выполнения указанных функций матричный материал должен быть пластичным и обла­дать достаточно высокой прочностью контактного взаимодействия с поверхностью наполнителя.

В качестве матрицы КМ используется ряд материалов, имею­щих и самостоятельное применение, в том числе конструкцион­ное (рис. 15).

Большинство металлов и полимеров вполне удовлетворяют ос­новным требованиям, предъявляемым к матричному материалу, и получили широкое применение для создания КМ на их основе. Стекло и керамика относятся к хрупким материалам, однако они также находят применение при разработке КМ специального на­значения.

Стекло наиболее широко используется в качестве матричного материала при создании дисперсно-упрочненных КМ на его основе – ситаллов. За рубежом дисперсно-упрочненное стекло по­лучило название пирокерам. Комбинируя состав и долевое соотно­шение стеклянной матрицы и дисперсных частиц наполнителя получают КМ с самыми разными, в том числе резко противопо­ложными, свойствами.

Рис. 15. Классификация композиционных материалов по виду матрицы

Керамика имеет самостоятельное применение в качестве вы­сокотемпературного материала. Существенный недостаток ке­рамики заключается в низком сопротивлении механическим и тепловым ударам. Главная цель введения наполнителя в кера­мическую матрицу состоит в повышении термопрочности и ударной вязкости получаемого композита. Поэтому для арми­рования керамики используют преимущественно волокнистый наполнитель.

6.2.1. Металлическая матрица

Создание КМ на металлической матрице преследует цель уст­ранить такие основные недостатки металлов, препятствующие их эффективному применению в качестве конструкционного мате­риала, как большая плотность, низкая рабочая температура эксп­луатации и низкая вязкость разрушения.

В качестве матрицы КМ наиболее широкое применение полу­чили легкие и жаропрочные металлы и сплавы. Легкие металлы и сплавы позволяют получать максимальное значение удельной проч­ности КМ на их основе, особенно в сочетании с низкоплотными волокнами. Это обеспечивает максимальное уменьшение матери­алоемкости деталей машин, что приобретает особую важность при­менительно к транспортным средствам.

Их легких металлов алюминий получил наиболее широкое при­менение, что обусловлено наряду с ценным комплексом свойств его большими природными ресурсами и соответственно большим объемом производства. К достоинствам алюминия относятся низ­кая плотность (2,7 г/см³) и высокая коррозионная стойкость при нормальных и повышенных температурах. Низкая температура плавления и высокая пластичность облегчают технологические процессы его переработки. Недостатком алюминия является его низкая прочность (σ_в ~ 60 МПа). Поэтому при использовании в качестве матрицы КМ алюминий применяют преимущественно в виде сплавов с другими элементами.

Деформируемые сплавы алюминия, легированные магнием и марганцем, не подвергаются термической обработке. Это позво­ляет сократить время высокотемпературного контакта сплава с наполнителем в процессе изготовления КМ, т.е. уменьшить их химическое и диффузионное взаимодействие. Недостатком этой группы сплавов является их относительно низкая прочность (σ_в не более 200 МПа). Дюралюминий, основными легирующими эле­ментами которого являются медь и магний, подвергается терми­ческой обработке. После закалки и старения прочность дюралю­миния достигает σ_в = 450 МПа.

В качестве литейных сплавов широко применяются сплавы алю­миния с кремнием – силумины. По механическим свойствам они уступают деформируемым сплавам, кроме того, трудно предотв­ратимое химическое взаимодействие алюминия с наполнителем при литье приводит к разупрочнению армирующего волокна.

Рабочая температура алюминиевых сплавов не превышает 300 °С, однако армирование их углеродными волокнами позволя­ет применять получаемый КМ при температурах до 450 °С.

Для создания жаропрочных КМ представляет интерес спечен­ный алюминиевый порошок (САП), который сам является КМ, упрочненным дисперсными частицами диоксида алюминия, на алюминиевой матрице и обладает высокой жаропрочностью при длительном нагреве до 500 °С.

Минимальная среди металлов и сплавов конструкционного назначения плотность сплавов магния (около 1,8 г/см³) является существенным достоинством для их использования в качестве матрицы при создании КМ с высокой удельной прочностью. Сле­дует, однако, отметить, что работы по армированию магния и его сплавов сопряжены со значительными технологическими трудно­стями вследствие их плохой деформируемости и наличия рыхлой оксидной пленки на магниевых поверхностях.

Титановые сплавы обладают максимальной удельной прочно­стью по сравнению со сплавами на основе других металлов. Полу­чили развитие работы по армированию титана и его сплавов во­локнами тугоплавких соединений. Однако широкому использова­нию титановой матрицы препятствуют технологические трудно­сти введения наполнителя в матрицу.

Жаропрочные сплавы используют для изготовления ответствен­ных деталей, работающих под нагрузкой при рабочих температу­рах выше 700 °С. Наибольшее развитие получили жаропрочные спла­вы на основе никеля. Путем сложного легирования никелевых жа­ропрочных сплавов удается повысить их рабочие температуры до 1100 °С. Армирование их углеродным волокном позволяет повы­сить жаропрочность материала еще на 150–200 °С.

Пластичность жаропрочных сплавов вполне достаточна для передачи нагрузки на армирующую матрицу волокна, но недоста­точна для проведения процессов совместной пластической дефор­мации с волокном. Поэтому КМ на их основе изготовляют пре­имущественно жидкофазными методами, т.е. процессами литья, пропитки и др.

Наряду с легкими и жаропрочными металлами и сплавами для создания КМ используют металлы и другого назначения.