КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

К новым конструкционным материалам, которые по удельной прочности и жесткости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят известные конструкционные металлы и сплавы относятся, так называемые композиционные материалы (КМ), или, иначе, композиты (рис 1.1).

Рис. 1.1. Удельная прочность и удельный модуль упругости некоторых неармированных и композиционных материалов, армированных 50 об. %волокон:

1 – алюминий; 2 – титан и сталь; 3 – титан, армированный бериллиевой проволокой; 4 – титан, армированный волокнами SiC; 5 – титан, армированный волокнами борсика; 6 – алюминий, армированный борными волокнами; 7 – эпоксидная смола, армированная волокнами графита; 8 – эпоксидная смола, армированная борными волокнами.

 

KM - это искусственно созданный материал, состоящий из двух или более разнородных и нерастворимых друг в друге компонентов (фаз), разделённых между собой ярко выраженной границей, и обладающий достоинством компонентов, а не их недостатками. Вместе с тем КМ присущи свойства, которыми не обладают отдельно взятые компоненты, входящие в их состав.

В общем случае в KM четко выражено различие в свойствах - компонентов. Одним из этих компонентов является арматура или наполнитель, а вторым - связывающая их матрица.

Принципиальное значение замены металлов как традиционных конструкционных материалов на КМ состоит в том. что вместо ограниченного числа материалов с постоянным и практически равными во всехнаправлениях свойствами появляется возможность применять большое число новых материалов со свойствами, различающимися в различных направлениях в зависимости от направления ориентации наполнителя в материале (анизотропия свойств КМ). Более того. это различие свойств КМ является регулируемым и у конструктора появляется возможность направленно создавать КМ под конкретную конструкцию в соответствии с действующими нагрузками или даже с эпюрой напряжений в детали и особенностями ее эксплуатации. Поэтому правильно спроектированная и хорошо изготовленная конструкция из КМ может быть более совершенной, чем выполненная из металлов. Само создание изделий из КМ является примером единства конструкции и технологии, поскольку материал, спроектированный конструктором, образуется одновременно с изделием при его изготовлении и свойства КМ в значительной степени зависят от параметров технологического процесса.

Следует отметить, что дальнейшее развитие ряда областей новой техники и, в первую очередь, в авиационной, космической, судостроительной и др., связано, во многом, с разработкой принципиально новых материалов, одним из которых являются КМ. Перспективность использования КМ объясняется, с одной стороны, тем, что традиционные пути повышения механических свойств конструкционных материалов и сплавов в значительной степени исчерпаны и, с другой стороны требованиями высокой весовой эффективности материала, т.е. высокими значениями удельной прочности и удельной жёсткости, под которыми понимают отношение предела прочности sв и модуля упругости Е к плотности (sв/r, Е/r).

Стоит обратить внимание на то, что удельная жёсткость (Е/r) у большинства материалов [Fe (сталь),Ti, Al, Mg и др.] и дерева примерно одинаковы (~ 2700 ) этим можно объяснить многолетнюю конкуренцию между авиационными конструкциями из стали, алюминия, титана и дерева.

Создание конструкции с сочетанием лучших свойств этих материалов может быть реализовано, наиболее полно, в разработке новых композиционных материалов.

Вместе с тем специфика КМ, в частности их низкая прочность и жесткость при сдвиге, требует внимательного отношения к конструктивно-технологической обработке конструкции: расчету сложных многослойных систем, сохранению в изделии высоких прочностных свойств армирующих волокон, получению стабильных характеристик КМ.

КМ получают общее название по типу материала матрицы. КМ с полимерной матрицей называют полимерными (ПКМ), с металлической - металлическими (МКМ), с керамической - керамическими (ККМ), с углеродной - углерод - углеродными (УУКМ).

В качестве матрицы в КМ используют эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные и другие смолы, соответственно алюминий, магний, титан, никель, жаропрочные сплавы и другие металлы, а также керамику и углерод различной модификации.

Матрица в КМ выполняет функцию среды, в которой распределен наполнитель. Податливая матрица, заполняющая межволоконное пространство, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счет собственной жесткости и взаимодействия, существующего на границе раздела матрица-волокно.

Наполнитель в КМ воспринимает основные напряжения, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, придавая ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. Арматура в КМ может быть любой природы и иметь любую форму поверхности – непрерывные и дискретные волокна, чешуйки, микросферы, порошки и т.п. В современной технике наиболее широко применяют непрерывные высокомодульные, высокопрочные волокна, которые обеспечивают наиболее высокие механические характеристики получаемого КМ- Чаще всего используют стеклянные, органические, углеродные, борные и различные металлические волокна.

Работоспособность композита обеспечивается как правильным набором и сочетанием матрицы и наполнителя, так и рациональной технологией их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между ними.

Матрица, являясь основой, связывает композицию, придаёт ей форму. От свойств матрицы в значительной степени зависят технологические режимы получения композиционных материалов и такие важные эксплуатационные характеристики как рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению, воздействию окружающей среды, плотность и удельная прочность. В настоящее время созданы КМ с комбинированными матрицами, состоящими из чередующихся слоёв ( двух или более ) различного химического состава.

КМ скомбинированными матрицами называют полиматричными (рис 1.2, а). Для полиматричных материалов характерен более обширный перечень полезных свойств. Например, использование в качестве матрицы наряду с алюминием титана увеличивает прочность материала в направлении, перпендикулярном оси волокон. Алюминиевые слои в матрице способствуют уменьшению плотности материала.

 

Рис. 1.2. Схемы полиматричного (а) и полиармированного (б) композиционных материалов

 

 

В матрице равномерно распределены остальные компоненты (наполнители). Поскольку главную роль в упрочнении композиционных материалов играют наполнители, их часто называют упрочнителями. Упрочнители должны обладать высокими прочностью, твёрдостью 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 ещё 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. 1.3, а): нуль – мерные (1), одномерные (2),двумерные (3).

Рис. 1.3.Классификация композиционных материалов по форме наполнителя (а) и схемы армирования (б,в,г).

Нуль – мерными называют наполнители, имеющие в трёх измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы). Одномерные наполнители имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в третьем измерении (волокна). Двумерные наполнители имеют два размера, соизмеримые с размером КМ, значительно превосходящие третий (пластины, ткань).

По форме наполнителя КМ разделяют на дисперсно – упрочнённые и волокнистые. Дисперсно – упрочнёнными называют КМ, упрочнённые нуль – мерными наполнителями. К волокнистым относят КМ, упрочнённые одномерными или одномерными и двумерными наполнителями.

По схеме армирования КМ подразделяют на три группы: с одноосным, двухосным и трёхосным армированием (см. рис. 1.3, б – г).

Для одноосного (линейного) армирования используют нуль – мерные и одномерные наполнители (см. рис. 1.3, б). Нуль – мерные располагаются так, что расстояние между ними по одной оси (например по оси C) значительно меньше, чем по двум другим. В этом случае объёмное содержание наполнителя составляет 1–5 %. Одноименные наполнители располагаются параллельно друг другу.

При двухосном (плоском) армировании используют нуль-, одно- и двумерные наполнители (см. рис. 1.3, в). Нуль – мерные и одномерные наполнители располагаются в плоскостях, параллельных друг другу. 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 %. Одномерные наполнители расположены также в параллельных плоскостях. При этом в пределах каждой плоскости они расположены параллельно, а по отношению к другим плоскостям под разными углами. Двумерные наполнители расположены параллельно друг другу.

При трёхосном (объёмном) армировании нет преимущественного направления в распределении наполнителя. Для армирования используют нуль – мерные и одномерные наполнители (см. рис. 1.3, г). Расстояние между нуль – мерными наполнителями одного порядка. В этом случае их объёмное содержание может превышать 15 – 16 %. Одномерные наполнители помещают в трёх взаимно перпендикулярных плоскостях.

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 неё 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 (см. рис.1.2, б).

Как было отмечено ранее, что все КМ по форме наполнителя разделяют на дисперсно–упрочнённые и волокнистые. К первым относятся материалы упрочнённые нуль – мерными наполнителями, представляющие собой дисперсные частицы тугоплавких фаз-оксидов, нитридов, боридов, карбидов (Al2O3, SiO2, BN, SiC и др.). к достоинствам тугоплавких соединений относятся высокие значения модуля упругости (Е), низкая плотность (r), пассивность к взаимодействию с материалами матрицы и другими свойствами.

Уровень прочности КМ во многом зависит от объёмного содержания упрочняющей фазы, равномерности её распределения, степени дисперсности и расстоянии между частицами. Согласно формуле Орована, сопротивление сдвигу увеличивается с уменьшением расстояния между частицами:

s = G b / l ,

где G – модуль сдвига, b – межатомное расстояние, l – расстояние между частицами.

Приемущество дисперсно–упрочнённых МКМ по сравнению с волокнистыми – изотропность (равнопрочность во всех направлениях).

К дисперсно-упрочнённым МКМ на алюминиевой основе, нашедшим промышленное применение, относятся материалы из спечённой алюминиевой пудры (САП). Структура САП представляет собой алюминиевую основу с равномерно распределёнными дисперсными включениями Al2O3 с увеличением содержания Al2O3 повышается прочность, твёрдость, жаропрочность, и уменьшается пластичность (рис.1.4)

 

δ,% σв , σ130000, МПа

НВ

σв

35 – 350 - - 1400

- 1200

25 – 250 - НВ - 1000

σ130000 - 800

15 – 150 - - 600

- 400

5 – 50 - δ - 200

     
 
 
 


0 2 4 6 8 Al2O3 %

Рис. 1.4. Зависимость механических свойств САП от содержания Al2O3.

Из МКМ САП производят все виды полуфабрикатов: листы, профили, штампованные заготовки, трубы, фольгу. САП используют для деталей, работающих при температурах 300 – 500°С, от которых требуется высокая удельная прочность и коррозионная стойкость (поршневые штоки, лопатки компрессоров, лопасти вентиляторов и турбин).

В волокнистых композиционных материалах (ВКМ) упрочнителями служат волокна (В), или нитевидные кристаллы (НК) чистых элементов или тугоплавких соединений (В, С, Al2O3, SiC, и др.), а также проволока из металлов и сплавов (Мо, W, Ве, высокопрочная сталь и др.). Для армирования КМ используют непрерывные и дискретные волокна диаметром от долей до сотен миллиметров.

При упрочнении волокнами конечной длины нагрузка на них передается через матрицу за счёт касательных напряжений. В условиях прочного (без проскальзывания) соединения волокна с матрицей нагрузка на волокна при растяжении равна:

s = t × p d l,

где τ – касательное напряжение, возникающее в матрице в месте контакта с волокнами; d – диаметр волокна; l – длина волокна. С увеличением длины волокна увеличивается возникающее в нём напряжение. при определённой длине, названной критической (lкр), напряжение достигает максимума. В дальнейшем с увеличением длины оно не меняется. Длина lкр определяется из равенства усилий в матрице на границе с волокном и в волокне с учётом симметричного распределения напряжений в нём:

τ π d lкр /2 ═ σвπ d2/4;

следовательно lкр = σв d/(2τ); далее выразим это уравнение через отношение :

lкр /d = σв /(2τ).

Из этого выражения следует, что чем тоньше и длиннее волокно, а точнее, чем больше отношение длины к диаметру, тем выше степень упрочнения σвКМ / σвВ(КМ).

Свойства ВКМ в основном зависят от схемы армирования (рис. 1.5).

                   
         


1 210˚ 3 4 45˚ 5

                   
   
         


               
   
   
 
   
 
 
 

 


σ,МПа

Рис.1.5.Схема армирования (1-5)

1 КМ и их влияние на напряжения

750 - при растяжении ПКМ.

       
   
 


3

500 -

2

 
 


250 -

5 4


0 0,4 0,8 ε,%

В виду значительного различия в свойствах волокон и матрицы при однородном армировании физическим и химическим свойствам присуща анизотропия. При нагружении растяжением временное сопротивление и модуль упругости КМ достигают наибольших значений в направлении расположения волокон, наименьших – в поперечном направлении.

Анизотропия свойств практически не наблюдается при двухосном армировании с взаимно перпендикулярным расположением упрочняющих волокон (рис. 1.5, кривая 3).

При нагружении материала растяжением вдоль волокон, - нагрузку, в основном, воспринимают высокопрочные волокна, а матрица служит средой для передачи усилий. Соотношение нагрузки, воспринимаемой волокнами (РВ) и матрицей (РМ), выражают через возникающие в них напряжения, соответственно σв и σм:

Рв/ Рм= σв Vв /[σм(1-Vв)],

где Vв – объём волокон.

Согласно закону Гука, напряжение можно выразить через модуль упругости, тогда:

Рв/ Рм = Евεв Vв/[Eмεм(1- Vв)].

При условии прочного (без проскальзывания) соединения волокон с матрицей в момент приложения нагрузки в них возникает одинаковая деформация, т.е. εв=εм. Следовательно:

Рв/ Рм=Ев Vв/[Eм (1- Vв)],

т.е. чем выше модуль упругости волокна Ев и больше их объём, тем в большей степени они воспринимают приложенную нагрузку.

Модуль упругости КМ сравнительно достоверно может быть подсчитан, исходя из свойств и объёмного содержания волокон и матрицы:

Eкм =Ев Vв +Eм (1- Vв).

Временное сопротивление КМ изменяется в зависимости от объёмного содержания наполнителя также по закону аддитивности (рис. 1.6.). исключение составляют материалы с очень малым (< 5%) или очень большим (> 80%) содержанием волокон.

σвКМ

σвВ

 
 


Рис.1.6. Схема изменения прочности

ВКМ в зависимости от содержания

σвМ волокон

 
 

 


5 80 VB,%

Временное сопротивление КМ подсчитывают по формуле:

σвкм= σвв Vв + σвм(1- Vв),

где σвв и σвм – соответственно временное сопротивление волокна и матрицы.

Малые значения прочности и жёсткости КМ в направлении, перпендикулярном расположению волокон, при растяжении объясняется тем, что в этом случае, они определяются свойствами матрицы. Большую роль играет матрица в сопротивлении КМ усталостному разрушению, которое начинается с

матрицы. Гетерогенная структура поверхности раздела между волокном и матрицей затрудняет процесс распространения трещины в направлении, перпендикулярном оси волокон. В связи с этим КМ характеризуются высокими значения предела выносливости. Так, по пределу выносливости, МКМ на алюминиевой основе превосходят лучшие алюминиевые сплавы в 3 – 4 раза.