Композиционные материалы

представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.). При этом эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиции. По характеру структуры К. М. Подразделяются на волокнистые, упрочнённые непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами (См. Нитевидные кристаллы), Дисперсноупрочнённые материалы, полученные путём введения в металлическую матрицу дисперсных частиц упрочнителей, Слоистые материалы, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов. К. К. М. Также относятся сплавы с направленной кристаллизацией эвтектических структур. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

Волокнистые К. М., армированные нитевидными кристаллами и непрерывными волокнами тугоплавких соединений и элементов (SiC, AI2O3, бор, углерод и др.) являются новым классом материалов. Однако принципы армирования для упрочнения известны в технике с глубокой древности. Еще в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а в Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555—60 при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали армированные железными полосами каменные плиты. Прообразом К. М. Являются широко известный Железобетон, представляющий собой сочетание бетона, работающего на сжатие, и стальной арматуры, работающей на растяжение, а также полученные в 19 в.

Прокаткой слоистые материалы. Успешному развитию современных К. М. Содействовали. Разработка и применение в конструкциях волокнистых стеклопластиков, обладающих высокой удельной прочностью (1940—50). Открытие весьма высокой прочности, приближающейся к теоретической, нитевидных кристаллов и доказательства возможности использования их для упрочнения металлических и неметаллических материалов (1950—60). Разработка новых армирующих материалов — высокопрочных и высокомодульных непрерывных волокон бора, углерода, Al2O3, SiC и волокон других неорганических тугоплавких соединений, а также упрочнителей на основе металлов (1960—70). В технике широкое распространение получили волокнистые К. М., армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами, в которых армирующие элементы несут основную нагрузку, тогда как матрица передаёт напряжения волокнам.

Волокнистые К. М., как правило, анизотропны. Механические свойства их () определяются не только свойствами самих волокон (), но и их ориентацией, объёмным содержанием, способностью матрицы передавать волокнам приложенную нагрузку и др. Диаметр непрерывных волокон углерода, бора, а также тугоплавких соединений (В4С, SiC и др.) обычно составляет 100—150 мкм. Волокнистые К. М., в отличие от монолитных сплавов, обладают высокой усталостной прочностью σ-1. Так, например, σ-1 (база 107 циклов) алюминиевых сплавов составляет 130—150 Мн/м2 (13—15 кгс/мм2), в то время как у армированного борным волокном алюминиевого К. М. Σ-1 около 500 Мн/м2 (при той же базе). Предел прочности и модуль упругости К. М. На основе алюминия, армированного борным волокном, примерно в 2 раза больше, чем у алюминиевых сплавов В-95 и АК4-1.

Важнейшими технологическими методами изготовления К. М. Являются. Пропитка армирующих волокон матричным материалом. Формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы, получаемых намоткой. Холодное прессование обоих компонентов с последующим спеканием, электрохимическое нанесение покрытий на волокна с последующим прессованием. Осаждение матрицы плазменным напылением на упрочнитель с последующим обжатием. Пакетная диффузионная сварка монослойных лент компонентов. Совместная прокатка армирующих элементов с матрицей и другие. Табл. 1. — Механические свойства волокнистых композиционных материалов с непрерывными волокнами -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | | Упрочнитель (волокно)  | | Предел  | Удельная | Модуль | Удельный |  | |-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | Матрица (основа) | материал | % (по объёму) | Плотность, кг/м3 | прочности, Гн/м3 | прочность, кн-м/кг | упругости, Гн/м3 | модуль упругости, | | | | | | |  | | Мн-м/кг | |-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | Никель | Вольфрам | 40  | 12500 | 0,8 | 64 | 265 | 21,2 | |-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | | Молибден | 50  | 9300 | 0,7 | 75 | 235 | 25,25  | |-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | Титан | Карбид кремния | 25  | 4000 | 0,9 | 227 | 210 | 52 | |-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | Алюминий | Борное волокно | 45  | 2600 | 1,1 | 420 | 240 | 100 | |-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | | Стальная | 25  | 4200 | 1,2 | 280 | 105 | 23,4 | | | проволока | | | |  | |  | |-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | | Борное волокно | 40  | 2000 | 1,0 | 500 | 220 | 110 | |-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | Магний | Углеродное волокно | 50 | 1600 | 1,18  | 737 | 168 | 105 | |-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | Полимерное | Борное волокно | 60  | 1900 | 1,4 | 736 | 260 | 136,8  | | связующее  | | | | |  | |  | |-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Табл.

2.— Свойства нитевидных кристаллов и непрерывных волокон ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ | Упрочнитель | Температура | Плотность, | Предел | Удельная  | Модуль | Удельный | | | плавления, °С | кг/м3 | прочности, | прочность,  | упругости, | модуль | | | | | Гн/м2 | Мн•м/кг | Гн/м2 | упругости, Мн• | | | | | | | | м/кг | |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | Непрерывные волокна  | |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | Al2O3 | 2050 | 3960 | 2,1 | 0,53 | 450 | 113 | |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | B | 2170 | 2630 | 3,5 | 1,33 | 420 | 160 | |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | C | 3650 | 1700 | 2,5 | 1,47 | 250—400 | 147—235 | |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | B4C | 2450 | 2360 | 2.3 | 0,98 | 490 | 208 | |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | SiC | 2650 | 3900 | 2,5 | 0,64 | 480 | 123 | |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | W | 3400 | 19400 | 4,2 | 0,22 | 410 | 21  | |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | Mo  | 2620 | 10200 | 2,2 | 0,21 | 360 | 35  | |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | Be | 1285 | 1850 | 1,5 | 0,81 | 240 | 130 | |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | Нитевидные кристаллы (усы) | |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | Al2O3 | 2050 | 3960 | 28*  | 7,1  | 500 | 126 | |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | AlN | 2400 | 3300 | 15*  | 4,55 | 380 | 115 | |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | B4C | 2450 | 2520 | 14*  | 5,55 | 480 | 190 | |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | SiC | 2650 | 3210 | 27*  | 8,4  | 580 | 180 | |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | Si2N4 | 1900 | 3180 | 15*  | 4,72 | 495 | 155 | |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | C | 3650 | 1700 | 21*  | 12,35 | 700 | 410 | ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ *Максимальные значения.

В узлах конструкций, требующих наибольшего упрочнения, армирующие волокна располагаются по направлению приложенной нагрузки. Цилиндрические изделия и другие тела вращения (например, сосуды высокого давления) армируют волокнами, ориентируя их в продольном и поперечном направлениях. Увеличение прочности и надежности в работе цилиндрических корпусов, а также уменьшение их массы достигается внешним армированием узлов конструкций высокопрочными и высокомодульными волокнами, что позволяет повысить в 1,5—2 раза удельную конструктивную прочность по сравнению с цельнометаллическими корпусами. Упрочнение материалов волокнами из тугоплавких веществ значительно повышает их жаропрочность. Например, армирование никелевого сплава вольфрамовым волокном (проволокой) позволяет повысить его жаропрочность при 1100 °С в 2 раза.

Весьма перспективны К. М., армированные нитевидными кристаллами (усами) керамических, полимерных и др. Материалов. Размеры усов обычно составляют от долей до нескольких мкм по диаметру и примерно 10—15 мм по длине. Разрабатываются К. М. Со специальными свойствами, например Радиопрозрачные материалы и Радиопоглощающие материалы, материалы для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов, с малым коэффициентом линейного термического расширения и высоким удельным модулем упругости и другие. Свойства К. М. На основе алюминия и магния (прочность, модуль упругости, усталостная и длительная прочность) более чем в 2 раза (до 500 °С) выше, чем у обычных сплавов. К. М. На никелевой и кобальтовой основах увеличивают уровень рабочих температур от 1000 до 1200 °С, а на основе тугоплавких металлов и соединений — до 1500—2000 °С.

Повышение прочностных и упругих свойств материалов позволяет существенно облегчить конструкции, а увеличение рабочих температур этих материалов даёт возможность повысить мощность двигателей, машин и агрегатов. Области применения К. М. Многочисленны. Кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной промышленности — для деталей двигателей и кузовов автомашин. В машиностроении — для корпусов и деталей машин. В горнорудной промышленности — для бурового инструмента, буровых машин и др. В металлургической промышленности — в качестве огнеупорных материалов для футеровки печей, кожухов и другой арматуры печей, наконечников термопар.

В строительстве — для пролётов мостов, опор мостовых ферм, панелей для высотных сборных сооружений и др. В химической промышленности — для автоклавов, цистерн, аппаратов сернокислотного производства, ёмкостей для хранения и перевозки нефтепродуктов и др. В текстильной промышленности — для деталей прядильных машин, ткацких станков и др. В сельскохозяйственном машиностроении — для режущих частей плугов, дисковых косилок, деталей тракторов и др. В бытовой технике — для деталей стиральных машин, рам гоночных велосипедов, деталей радиоаппаратуры и др. Применение К. М. В ряде случаев потребует создания новых методов изготовления деталей и изменения принципов конструирования деталей и узлов конструкций. Лит. Волокнистые композиционные материалы, пер.

С англ., М., 1967. Современные композиционные материалы, под ред. П. Крока и Л. Броутмана, пер. С англ., М., 1970. Туманов А. Т., Портной К. И., «Докл. АН СССР», 1971, т. 197, № 1, с. 75. 1972, т. 205, №2, с. 336. Их же, «Металловедение и термическая обработка металлов», 1972, № 4, с. 24. А. Т. Туманов, К. И. Портной..