Композиционные материалы с металлической и неметаллической матрицей, структура, свойства и область применения

Композиционные материалы (КМ) представляют собой сложную гетерогенную систему, состоящую из двух и более сильно различающихся по свойствам, слабо растворимых друг в друге компонентов, строение которой позволяет использовать преимущества каждого из них. Силовую нагрузку в КМ несет арматура в виде проволоки, волокон или прочных частиц. Армирующие компоненты равномерно распределяют в сравнительно непрочной, но обычно более пластичной матрице, которая перераспределяет нагрузку и объединяет в единое целое пространственную структуру КМ.

В качестве арматуры могут быть использованы металлические прутки, проволока, сетка, волокна, жгуты или частицы с особыми свойствами (прочностными, антифрикционными и т. п.). Схема армирования проволокой и волокнами может быть от однонаправленной (линейной) до пространственной – рис. 61.

Стальная проволока (кордная) имеет предел прочности до 5000 МПа, борные волокна – до 3000 МПа, углеродные волокна[75] – до 2500 МПа, волокна из карбидов, нитридов, боридов и оксидов – от 2500 до 3500 МПа. Рекордной прочностью на разрыв (2700…5400 МПа) обладают волокна кевлара[76]. Еще более прочные волокна изготавливают с помощью нанотехнологий из особым способом выращенных бездефектных «усов» бора, углерода и т. п. В перспективе возможно также использование нитевидных монокристаллов из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора, имеющих прочность до 28000 МПа.

Рис. 61. Схема армирования КМ: I – однонаправленная, II – двунаправленная, III– трехнаправленная, IV – четырехнаправленная

1. КМ с металлической матрицей чаще всего получают путем пропитки жидкими расплавами (алюминия, магния, никеля или их сплавов) пучка армирующих волокон и последующей деформационной обработки получившегося композита. Такие КМ применяют для изготовления высоконагруженных деталей ракет и самолетов – обшивки, лонжеронов и т. п., для изготовления деталей двигателей, лопаток компрессоров, турбин и др. дорогостоящих конструкций. Так, например, детали из бороалюминия (КМ с борными волокнами) по сравнению с титановыми сплавами дают в авиации снижение массы на 30…40 %, обеспечивая при температуре до 500 ^оС более высокую длительную и усталостную прочность.

Более широкое распространение получили КМ на основе алюминия САП – спеченный алюминиевый порошок, состоящий из алюминиевой матрицы, в которой равномерно распределены чешуйки Al₂O₃. Частички Al₂O₃ эффективно тормозят движение дислокаций и тем самым повышают прочность. Чем больше таких частичек, тем выше прочность – при изменении содержания Al₂O₃ от 6 до 18 % σ_в повышается с 300 до 400 МПа (δ при этом снижается с 8 до 3 %). КМ типа САП применяют при изготовлении ответственных сложных деталей разнообразной и сложной формы. По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы и могут работать при температуре до 250…500 ^оС, в ряде случаев даже заменяя титан (при этом они в 20 раз дешевле).

2. КМ с неметаллической матрицей, как правило, более дешевы и технологичны, поэтому применяются шире, чем с металлической. Самым распространенным из таких материалов, незаменимых в строительстве, является железобетон. В конструкционных КМ чаще всего используется полимерная (эпоксидная, фенолоформальдегидная, полиамидная, резиновая); реже применяют более дорогие, но зато более прочные углеродные и керамические матрицы. Например, при изготовлении конвейерных лент, приводных ремней, автомобильных покрышек и т. п. издавна используют резину, армированную волокнами или проволокой. Уже много десятилетий в электротехнике используют гетинакс и текстолит – слоистые пластики, изготовляемые чаще всего на основе фенолоформальдегидных смол, армированные бумагой и тканью, соответственно.

Среди наиболее распространенных КМ с неметаллической матрицей в зависимости от вида армирующих волокон выделяют стекловолокниты, карбоволокниты, бороволокниты и органноволокниты. Стекловолокниты обладают прочностью на разрыв – σ_в до 2100 МПа; бороволокниты – до 1300 МПа; карбоволокниты – до 1000 МПа; органоволокниты, производимые на основе синтетических волокон, в большинстве случаев имеют прочность меньшую на порядок, но зато они менее чувствительны к внешним повреждениям. Арматура в таких КМ может быть в виде отдельных волокон, жгутов, лент и многослойных тканей.

Из КМ с неметаллической матрицей изготавливают несущие детали летательных аппаратов, корпуса автомашин и катеров, автоцистерны, строительные панели, трубы, корпуса насосов и вентиляторов, спортивный инвентарь (лыжи, клюшки, рамы и колеса велосипедов), автотракторные покрышки, конвейерные ленты, шланги и т. д.

Керамические КМ обычно изготавливают методами порошковой металлургии, используя проволоку из тугоплавких металлов (W, Mo, Nb) или углеродное волокно в качестве арматуры. Такие КМ с матрицей из тугоплавких оксидов (Al₂O₃, B₂O₃, SiO₂) можно использовать до 1000 ^оС, из боридов (TiB₂, ZrB₂) и нитридов (Si₃N₄) – до 2000 ^оС, из карбидов (SiC, TiC) – свыше 2000 ^оС. Керамические КМ применяются для изготовления высокотемпературных подшипников, лопаток газотурбинных двигателей, носовых обтекателей ракет и т. п.