Композиционные материалы

Традиционно применяемые металлические и неметаллические материалы в значительной мере достигли своего предела механических и эксплуатационных свойств. Развитие современной техники требует создания материалов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Зачастую требования, предъявляемые к материалам, могут носить противоречивый характер. Совместить такие требования возможно путем создания композиционных материалов.

Композиционным материалом или композитом называют объемную систему, состоящую из сильно различающихся по свойствам, взаимно нерастворимых компонентов. Такое строение системы позволяет использовать преимущества каждого из материалов, составляющих ее. Спектр свойств композиционных материалов очень разнообразен: высокая удельная прочность и жаропрочность, износостойкость, теплозащита и др. По удельной прочности и жесткости композиционные материалы превосходят все известные конструкционные материалы.

Благодаря композиционным материалам стал возможен новый качественный скачек в увеличении мощности двигателей, уменьшения массы машин и конструкций, повышении весовой эффективности транспортных средств и авиационно-космической техники.

Композиционные материалы состоят из сравнительно пластичного матричного материала-основы и более твердых и прочных компонентов-наполнителей. Свойства композита зависят от свойств основы, наполнителей и прочности связи между ними. Матрица связывает композицию в монолит, придает ей форму и служит для передачи внешних нагрузок арматуре из наполнителей.

В зависимости от материала основы различают композиционные материалы с полимерной, металлической и керамической матрицей.

По геометрии наполнителя композиты подразделяют на три группы (рис.4.1):

– с нуль-мерными наполнителями – дисперсноупрочненные;

– с одномерными наполнителями – волокнистые;

– с двухмерными наполнителями – слоистые.

По схеме расположения наполнителей выделяют композиционные материалы:

– с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, уложенных параллельно друг другу в матрице (рис. 4.1, б);

– с двухосным (плоскостным) расположением армирующих материалов (рис. 4.1, в);

– с трехосным (объемным) расположением армирующих материалов.

а) б) в)

Рис. 4.1. Схемы строения композиционных материалов: а – дисперсноупрочненные; б – волокнистые; в – слоистые

Дисперсноупрочненные композиционные материалы. В композиционных материалах этого типа наибольшее распространение получила металлическая матрица на основе алюминия, реже – на основе никеля. Армирующими наполнителями чаще служат дисперсные частицы тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов. В таких материалах матрица воспринимает всю нагрузку, а дисперсные частицы наполнителя препятствуют пластической деформации. Характерными представителями этого вида композитов являются материалы типа САП (спеченная алюминиевая пудра), которые состоят из алюминиевой матрицы, упрочненной дисперсными частицами оксида алюминия (гл.3).

Волокнистые композиционные материалы. Матрица защищает упрочняющие волокна от повреждений, служит средой, передающей нагрузку на волокна. Прочность и жесткость таких материалов определяются свойствами армирующих волокон, воспринимающих основную нагрузку. Арматурой могут служить нити, ленты, сетки разного плетения. Для изготовления композитов, применяемых при температурах ниже 200 °С, используют матрицы из различных полимерных материалов. В качестве армирующих волокон используют стеклянные, капроновые, лавсановые нити, углеродные и борные волокна. Такие композиционные материалы получили названия по упрочняющему волокну: стекловолокниты, органоволокниты, углепластики, бороволокниты.

Для работы при более высоких температурах применяют металлические матрицы, обычно используют металлы с малой плотностью – алюминий, магний, титан и сплавы на их основе. Для армирования металлической матрицы обычно используют волокна: углеродные, борные, оксида алюминия, карбида кремния, нитрида бора. Также в качестве волокон применяют проволоку из стали, вольфрама, титана, молибдена и бериллия. Помимо улучшения технических характеристик ответственных изделий, металлические композиционные материалы позволяют снизить массу этих изделий. Например, детали из боралюминия по сравнению с титановыми сплавами дают снижение массы на 30–40 %, обеспечивая более высокую длительную и усталостную прочность при нагреве деталей до 500 °С, это, в свою очередь, увеличивает полезную нагрузку самолетов, а для военных самолетов – дальность полета и объем вооружения.

Для наиболее высоких рабочих температур в качестве матричного материала применяют керамику армированную. Ее основной недостаток – отсутствие пластичности, в некоторой степени компенсируется армирующими волокнами, тормозящими развитие трещин в керамике. Теплозащитные волокнистые керамические плиты предназначены для наиболее нагреваемых поверхностей космических кораблей многоразового использования, сверхзвуковых самолетов, баллистических ракет. В космической технике экономию массы принято оценивать через стоимость вывода 1 кг массы на орбиту с учетом числа запусков, т. к. отношение исходной массы к массе доставленной на околоземную орбиту, составляет 100:1, стоимость может достигать 30 тыс. долл./кг. Экономия массы за счет применения в конструкции космического корабля «Шатл» бороалюминия и боропластика уменьшила затраты на вывод корабля на орбиту на несколько миллионов долларов. Такая экономия полностью окупает стоимость элементов конструкции из композиционных материалов.

Слоистые композиционные материалы. Такие материалы получают из чередующихся слоев наполнителя и матричного материала. Ламинаты, изготовленные из смол, армированных полимерными волокнами или стеклотканью, широко применяют в строительстве, машиностроении, мебельной промышленности, спортивном снаряжении.

Слоистые композиты с металлической или керамической матрицей используют в экстремальных условиях работы. Например, слоистым связующим являются алюминиевые, титановые, никелевые и кобальтовые листы и фольги, а слоями, определяющими специальные свойства и применение материала, служит керамика или интерметаллидные соединения. В слоистых керамических материалах компонентами являются керамика, углерод, металлы, например, графит, карбиды, оксиды, нитриды в композиции с титаном, никелем, кобальтом. Из таких материалов изготавливают теплоизоляционные плитки для защиты наиболее нагреваемых поверхностей космических аппаратов и гиперзвуковых самолетов.